Ảnh hưởng chiều dài/đường kính và kích thước mẫu đá đến kết quả thí nghệm nén một trục (thí nghiệm UCS)

Hỏi:

1. Tỷ lệ giữa chiều cao(L) và đường kính mẫu đá (D) nén một trục có ảnh hưởng gì đến cường độ kháng nén? Tại sao theo các tiêu chuẩn quy định L/D từ 2.0 (ASTM) hay 2.5 (TCVN)?.
2. Kích thước mẫu đá ảnh hưởng như thế nào tới cường độ kháng nén một trục.


Trả lời:
 
1. Đúng, tỷ lệ L/D của mẫu có ảnh hưởng đến cường độ kháng nén, các thí nghiệm thực tế đá chứng minh điều này.

Các thí nghiệm nén UCS trên mẫu đá với các tỷ lệ kích thước khác nhau đã cho thấy, với cùng một loại đá, tỷ lệ L/D khác nhau thì kết quả cường độ nén một trục sẽ khác nhau từ 2.5 trở lên thì mức độ ảnh hưởng gần như không có, kể cả kéo dài L mẫu gấp tới 10 lần D. Chính vì thế mà Hội cơ đá quốc tế nó còn đòi L/D từ 2.5 tới 3. Tuy nhiên, cái tỷ lệ L/D mà thằng ASTM kiến nghị vẫn được chấp nhận vì với L/D lớn hơn 2 thì ảnh hưởng cũng không đáng kể.

Lưu ý, riêng tiêu chuẩn TCVN 7572 quy định L/D=1, bởi đây là quy định cho việc nén mẫu phục vụ việc phân cấp đá cho cốt liệu bê tông, không phải đánh giá vật liệu khối đá. Có thể do các hạt cốt liệu đó thường có dạng đẳng kích thước, nên cái tỷ lệ L/D=1 nó phản ánh sát thực hơn.

Tuy nhiên, nếu cần, chúng ta vẫn có công thức kinh nghiệm để hiệu chỉnh cường độ kháng nén theo tỷ lệ L/D.
Theo ASTM 1986, cường độ kháng nén hiệu chỉnh theo mẫu có tỷ lệ L/D= 2.0 được tính theo công thức:
UCS *= UCS / (0.88+0.24 (D/L))
Trong đó:
- *  là ký hiệu cho giá trị hiệu chỉnh theo mẫu được coi có tỷ lệ chuẩn L/D=2.0

Tương tự, giá trị mô đun đàn hồi xác định theo thí nghiệm này cũng chịu sự ảnh hưởng của tỷ lệ hình dạng mẫu, có thể tạm xác định theo Thuro et al (2001).
E* = E(1.24 -0.33 x ln(L/D))
cũng theo Thuro et al (2001):
UCS* = (0.925 + 0.036 x (L/D))

2.  Kích thước mẫu cũng ảnh hưởng tới cường độ kháng nén một trục của đá: Mẫu đá có kích thước càng lớn thì cường độ kháng nén một trục càng giảm. Điều này chủ yếu do sự có mặt của các vi khe nứt và lỗ rỗng trong mẫu đá. Mẫu đá càng lớn thì mức độ liên tục càng giảm. Quy luật này cũng đúng với một số loại đất, tuy nhiên sự ảnh hưởng của kích thước mẫu tới giát trị UCS của đất sẽ được trình bày ở một bài khác, hy vọng thế.
Hoek&Brown đã kiến nghị công thức hiệu chỉnh theo kích thước:

UCS50 = UCS/ ((50/D)^0.18)
trong đó UCS50 = là giá trị UCS hiệu chỉnh theo mẫu có đường kính D=50mm
UCS là giá trị cường độ kháng nén một trục của mẫu có đường kính d bất kỳ.
Công thức này được 2 ông rút ra từ kết quả thí nghiệm trên nhiều mẫu đá của một số loại đá khác nhau. Tuy nhiên, đa số là đá kết tinh, nên tương quan này không đúng lắm với đá trầm tích.

Lưu ý: Thông thường khi chúng ta thí nghiệm với mẫu có kích thước theo tiêu chuẩn thì không cần lăn tăn gì đến 2 ảnh hưởng như đã trình bày trên. Cứ kết quả thí nghiệm sao báo cáo vậy. Chỉ trong trường hợp mẫu không theo quy định (nhỏ quá hay lớn quá, ngắn quá hay dài quá...) thì chúng ta có thể tham khảo các công thức hiệu chỉnh để được giá trị cường độ hay độ cứng theo mẫu tiêu chuẩn.