Các dạng phá hủy của đá khi nén

Khi đá chịu tác dụng của tải trọng dẫn tới phá hủy, hình thức phá hủy và đặc điểm bề mặt nứt vỡ phản ánh cơ chế của quá trình phá hủy, đồng thời phản ánh điều kiện ứng suất khi tác dụng tải trọng. Kiểu phá hủy ảnh còn hưởng tới cường độ của mẫu đá. Do đó, thông qua kiểu phá hủy của mẫu đá sau khi nén, chúng ta có thể phần nào nhận xét cơ chế và cường độ của đá. Việc phân tích kiểu phá hoại cho chúng ta cái nhìn rõ hơn về sự phân bố ứng suất trong mẫu đá. Khi hiểu sự ảnh hưởng của dạng phá hoại tới cường độ của đá giúp, chúng ta phân tích có thể đánh giá kết quả của thí nghiệm nén một cách sâu sắc hơn.

Khi đá bị nén, ứng suất trong mẫu đá sẽ phân bố lại ở vùng xung quanh các vi khe nứt. Quá trình phát sinh và phát triển của các vi khe nứt này dẫn sẽ dẫn tới mẫu bị phá hoại. Sự mở rộng các mặt nứt vỡ phát triển theo hướng vuông góc với hướng của ứng suất chính nhỏ nhất và trùng với phương của các thành phần ứng suất chính còn lại. Sự tồn tại của các vi khe nứt cũng chính là nguyên do cường độ của đá phụ thuộc vào kích thước mẫu. Mẫu có kích thước càng lớn thì cường độ càng nhỏ. Mẫu càng lớn thì khả năng các vi khe nứt ảnh hưởng nhiều hơn tới cường độ của mẫu đá và khả năng đá bị phá hoại cắt sẽ cao hơn.

Do sự tập trung ứng suất, đá có thể bị phá hoại do kéo, do cắt hoặc do kết hợp cả hai dạng trên. Có hai dạng phá hoại phổ biến ở đá giòn, đó là phá hoại tách dọc theo chiều nén và phá hoại cắt. Hình thức  phá hoại của đá phụ thuộc nhiều vào sự tồn tại các khuyết tật trong đá, đặc điểm đồng nhất và tính dị hướng của đá. Ngay cả đặc điểm bề mặt gia tải cũng ảnh hưởng tới dạng phá hủy, ma sát giữa tấm nén và mẫu càng lớn thì phá hoại cắt trong đá càng dễ xảy ra. Ngoài ra, dạng phá hoại còn chịu ảnh hưởng của ứng suất biên. Điều này có thể thấy được qua các nghiên cứu thí nghiệm nén ba trục. Trong bài này, chỉ tập trung vào sự phá hoại đá khi nén 1 trục.

Hình 1. Một số dạng phá hoại điển hình của mẫu đá khi nén một trục

a. Phá hoại tách theo 1 mặt: Mẫu bị phá hoại theo nứt vỡ song song với phương ứng suất nén. Đây mặt đứt vỡ do kéo. Dạng phá hoại này ít xảy ra và thường chỉ xảy ra khi đá đồng nhất , đẳng hướng và ban đầu có ít vi khe nứt.

b. Phá hoại tách theo nhiều mặt: Mẫu bị phá hoại theo 2 hay nhiều mặt gần như song song với nhau và song song với hướng ứng suất nén. Phá hoại xảy ra do kéo. 

c. Phá hoại cắt theo một mặt đơn: Mẫu bị cắt theo một hay nhiều mặt nằm xiên và song song với nhau. Hình thức phá hoại này có thể xảy ra khi việc ra tải không đều trên bề mặt mẫu hoặc do tồn tại sẵn mặt yếu hoặc khe nứt trong mẫu đá. Giá trị cường độ thu được khi phá hoại theo dạng này thường nhỏ hơn so với các dạng phá hoại khác.

d. Phá hoại cắt theo nhiều mặt: Mẫu bị phá hoại theo hai hay nhiều mặt nằm xiên, cắt nhau. Các mặt còn được gọi là các mặt trượt hay mặt các phá hoại cắt. Các mặt trượt này nằm nghiêng góc nhỏ hơn 45 độ so với hướng ứng suất chính lớn nhất. Đây là kiểu phá hoại do cắt.

e. Phá hoại phức hợp: Mẫu bị phá hoại theo hai hay nhiều mặt nứt  có thể theo nhiều góc khác nhau. Kiểu phá hoại này là kết hợp của cả 2 dạng phá hoại kéo và phá hoại cắt. Khi phá hoại kéo chiếm ưu thế, các mặt phá hoại sẽ song song với trục ứng suất nén. Khi phá hoại cắt chiếm ưu thế, các mặt phá hoại nằm xiên và có thể cắt nhau ở khu vực giữa mẫu.

Đối với đá, khi thí nghiệm nén một trục, 2 dạng phá hoại cắt theo (c) và (d) xảy ra phổ biến hơn cả. Các nghiên cứu thí nghiệm đã chỉ ra rằng khi mẫu đá phá hoại theo dạng cắt thì cường độ kháng nén phản ánh đặc điểm tính chất các mặt yếu hay các vi khe nứt trong mẫu đá. Còn khi đá phá hoại theo dạng kéo, thì cường độ mẫu phản ánh cường độ của chính vật liệu đá cấu tạo nên mẫu. Một số nghiên cứu cho thấy, với đá cùng thành phần thạch học, cường độ kháng nén một trục của đá phụ thuộc vào dạng phá hoại. Thông thường, mẫu bị phá hoại cắt sẽ có cường độ nhỏ hơn so với mẫu bị phá hoại kéo.

Lưu ý: Mọi sao chép cần trích dẫn nguồn bài viết.