Thí nghiệm nén đá ba trục

Theo cách thí nghiệm nén 3 trục thông thường , mẫu đá hình trụ được nén dọc trục ở điều kiện có áp lực hông. Giá trị ứng suất nén lớn nhất được coi là độ bền nén ở điều kiện áp lực hông. Trong quá trình thí nghiệm, ngoài ứng suất thẳng đứng, biến dạng dọc trục và biến dạng hông được ghi lại. Qua đó, xác định được các thông số biến dạng của đá như mô đun Young, hệ số Poissson. Quan trọng hơn, từ thí nghiệm 3 trục có thể xác định được đường bao phá hoại của đá. Các giá trị áp lực hông thường được thay đổi từ thấp tới cao (tương đương với điều kiện ứng suất thực tế).



Tóm tắt về thí nghiệm nén đá 3 trục:
Bộ phận quan trọng nhất đối với thí nghiệm đá 3 trục là buồng nén. Buồng nén được dùng để tạo điều kiện áp lực hông. Phần máy tải nén thẳng đứng giống như thiết bị nén một trục thông thường. Mẫu đá (được chuẩn bị gia công theo tiêu chuẩn), đặt giữa 2 tấm gia tải nối với trục gia tải qua gối cầu. Mẫu được ngăn cách một lớp cách nước thường bằng cao su. Áp lực hông được tạo ra nhờ hệ thống bơm dầu vào buồng nén. Kích thước buồng nén tùy thuộc vào kích thước mẫu thí nghiệm.
Để thí nghiệm ở một điều kiện áp lực hông nào đó, dầu được bơm vào buồng nén tạo áp lực hông sigma3. Sau đó gia tải để tăng ứng suất thẳng đứng trong khi áp lực hông được duy trì  không đổi cho tới khi mẫu phá hoại.

Hình 1. Cấu tạo buồng nén mẫu đá. Nguồn: Franklin & Hoek (1970)
A - gối cầu; B - vỏ buồng nén; C - mẫu đá; D - đường bơm dầu vào buồng nén; E - thiết bị đo chuyển vị ngang; màng bọc mẫu
Từ thí nghiệm, xác định được đường quan hệ giữa biến dạng (theo chiều đứng và ngang) với ứng suất thẳng đứng. Từ các đường quan hệ này xác định được mô đun biến dạng của đá (thường dựa vào đoạn tuyến tính của đường ứng suất - biến dạng), hệ số Poisson (dựa vào đường quan hệ biến dạng đứng và biến dạng ngang) và cường độ kháng nén ở điều kiện áp lực hông (được lấy bằng giá trị ứng suất nén lớn nhất đạt được khi nén mẫu). Lưu ý đối với một số loại đá, đường con nén không đạt đỉnh rõ ràng, thì phải sử dụng các tiêu chuẩn để xét thời điểm đá bị phá hủy, việc này không hề đơn giản và Wasabi không đề cập ở bài này (đúng ra là chưa đủ trình để phân tích :D).
Khi tiến hành thí nghiệm 3 trục nhiều lần ở các điều kiện áp lực hông khác nhau, chúng ta sẽ xác định được đường bao phá hoại của đá. Từ các cặp giá trị sigma3, sigma1 (ở thời điểm phá hủy), chúng ta dựng được các vòng tròn Mohr. Từ tập hợp các vòng tròn Mohr này sẽ xác định được đường bao phá hoại. Nếu kết hợp với thí nghiệm nén 1 trục (sigma3=0) cùng với thí nghiệm kéo thì sẽ xác định được đường bao phá hoại hoàn chỉnh. Từ đường bao phá hoại, sẽ xác định được thông số cường độ kháng cắt cùng với lực dính và góc ma sát trong của đá.
Trên đây là thí nghiệm đá 3 trục theo cách thông thường. Để thí nghiệm ở các điều kiện áp lực hông khác nhau phải tiến hành trên nhiều mẫu, mỗi mẫu được thí nghiệm ở một giá trị áp lực hông nhất định. Hiện nay còn có các phương pháp khác để xác định đường bao phá hoại của đá mà chỉ cần thí nghiệm trên 1 mẫu ISRM (1983), đó là phương pháp thí nghiệm nhiều cấp phá hoại (multiple failure state) hoặc phương pháp thí nghiệm phá hoại liên tục (continous failure state). Với 2 cách thí nghiệm này, khả năng cung cấp thông tin về độ bền có ưu điểm hơn. Tuy nhiên, yêu cầu về thiết bị cũng như điều kiện thí nghiệm cũng cao hơn. Nội dung về từng phương pháp thí nghiệm sẽ được trình bày trong một bài khác.



Tài liệu tham khảo:

Franklin  & Hoek (1970). Developments  in  triaxial   testing  technique.  Rock  Mech.  2,  223-228  (1970). 

ISRM (1983). Suggested Methods for Determining the Strength of Rock Materials in Triaxial Compression: Revised Version. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geo., Vol. 20, Issue 6, p.283-290.