Cơ chế phá hoại của đá khi nén

Bài viết về cơ chế phá hoại đá khi nén do quá trình hình thành và phát triển các vi khe nứt trong đá.

Trong đá thường luôn tồn tại các vi khe nứt, rất nhỏ, thậm chí mắt thường không nhìn thấy được. Các vi khe nứt này thường phân bố và nằm theo hướng bất bất kỳ. Các vi khe nứt này có ảnh hưởng rất nhiều tới đặc tính cơ học của đá, trong đó có ảnh hưởng cả tới cường độ kháng nén một trục của đá. Đã có nhiều tài liệu nghiên cứu đề cập tới ảnh hưởng này. Các nghiên cứu thí nghiệm cho thấy các mặt nứt vỡ gây phá hoại đá đều phát sinh và hình thành từ hệ thống các vi khe nứt ban sẵn có trong đá. Quá trình phá hoại đá có liên quan trực tiếp tới sự hình thành và phát triển các khe nứt này. Vị trí, mật độ, kích thước và hướng của các vi khe nứt trong đá là một trong các yếu tố góp phần quyết định kiểu phá hoại của mẫu đá.

Quá trình hình thành và và phát triển các vi khe nứt cho đến khi tạo thành các mặt đứt vỡ trong đá thường không rõ ràng. Song song với quá trình rạn nứt, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của mẫu đá khi nén một trục có thể chia thành các giai đoạn cơn bản sau:

Hình 1: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khi thí nghiệm nén

Giai đoạn 1. Đá bắt đầu bị nén, các vi khe nứt hoặc lỗ rỗng sẵn có trong đá bắt đầu khép lại, đá trở nên chặt hơn. Đây là nguyên nhân làm cho quan hệ giữa ứng suất và biến dạng  có dạng phi tuyến. Đặc điểm này dễ nhận thấy hơn ở đá yếu và đá có độ rỗng lớn.

Giai đoạn 2. Đá biến dạng tuyến tính theo ứng suất (theo cả phương đứng và phương ngang). Hệ số Poisson thường nhỏ, đặc biệt đối với các đá cứng. Các lỗ rỗng, khe nứt sẵn có trong đá hầu hết được khép kín. Đá chủ yếu biến dạng đàn hồi, rạn nứt mới cũng bắt xuất hiện rải rác trong mẫu nhưng ít. Các vi khe nứt có xu hướng hình thành ở cuối gian đoạn này, vào khoảng 35 đến 40% cường độ đỉnh. Ở giai đoạn này, biến dạng có thể phục hồi do rạn nứt bên trong mẫu rất ít.

Giai đoạn 3. Đá bắt đầu biến dạng phi tuyến nhẹ theo ứng suất. Đường ứng suất biến dạng bắt đầu chuyển sang dạng hơi cong. Biến dạng theo phương ngang tăng nhẹ do quá trình giãn nở. Các vi khe nứt bắt đầu phát triển rộng nhưng vẫn ở dạng ổn định. Các vi khe nứt tiếp tục xuất hiện độc lập với nhau trong mẫu. Giới hạn trên của giai đoạn này là điểm nén lớn nhất, ở khoảng 80 % cường độ đỉnh, thể tích mẫu không thay đổi.

Giai đoạn 4. Các vi khe nứt hình thành và phát triển nhanh chóng, thể tích mẫu đá tăng . Các vi khe nứt bắt đầu mở rộng và kết hợp với nhau. Các nhóm khe nứt trong vùng có ứng suất cao có xu hướng kết hợp với nhau và bắt đầu hình thành các mặt nứt vỡ do kéo hoặc mặt phá hoại do cắt tùy vào cường độ của đá. Đường cong ứng suất biến dạng trở thành phi tuyến, có dạng hơi cong và lồi về phía trên, độ dốc đường cong giảm dần. Ứng suất tiến tới giá trị cực đại. Ở giai đoạn này, sự biến đổi cấu trúc và tính của đá không thuận nghịch.  Biến dạng không hồi phục do phần nhiều cấu trúc đã bị phá hoại.

Giai đoạn 5. Ứng suất bên trong mẫu đá vượt qua giá trị ứng suất đỉnh nhưng đá vẫn liền khối mặc dù cấu trúc bên trong đã bị phá vỡ mạnh. Ở giai đoạn này, các các vùng nứt vỡ đan xen nhau và hòa nhập vào nhau tạo thành nứt vỡ lớn hoặc mặt phân tách. Mẫu biến dạng đột ngột. Ở giá trị ứng suất đỉnh, cường độ mẫu suy giảm nhanh chóngtheo biến dạng. Biến dạng  chủ yếu tập trung ở những khu vực yếu trong mẫu đá, dẫn tới hình thành các vùng biến dạng hoặc các mặt phá hoại cắt.

Giai đoạn 6. Đá bị vỡ thành các mảnh riêng rẽ. Các mảnh riêng rẽ này trượt lên nhau và lúc này biến dạng của mẫu phụ thuộc vào ma sát giữa các mảnh trượt. Các mặt phân tách thứ cấp có thể xuất hiện do bị cắt. Lực dọc trục tác dụng lên mẫu có xu thế giảm tới một giá trị cường độ dư tương đương với sức kháng ma sát giữa các mảnh đá vỡ. Giai đoạn này thường khó quan sát khi thí nghiệm. 

Trong một số tài liệu, giai đoạn 2 và giai đoạn 3 có thể được mô tả thành 1 giai đoạn mà mẫu đá được coi ở trạng thái biến dạng đàn hồi tuyến tính.