Các dạng biểu hiện của đá khi nén một trục

Khi thí nghiệm xác định đặc tính biến dạng hay đàn hồi của đá, thông thường chúng ta sử dụng thí nghiệm nén đơn trục. Đường quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thu được từ thí nghiệm sẽ là cơ sở để xác định các thông số cơ học của đá. Đối với các vật liệu đàn hồi lý tưởng, đường quan hệ có dạng tuyến tính. Trong những trường hợp đó, mô đun đàn hồi được xác định đơn giản là độ dốc của đường ứng suất – biến dạng hay cũng là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng.  Đối với đá, do bản chất là vật liệu tự nhiên được hình thành tồn tại trong các điều kiện khác nhau nên các biểu hiện của các đá khác nhau khi nén sẽ không giống nhau và ít khi có dạng tuyến tính hoàn hảo như đối với vật liệu đàn hồi lý tưởng. Biểu hiện của đá khi nén có xu hướng thiên về đàn hồi phi tuyến. Các nghiên cứu cho thấy, đường cong nén có thường dạng phi tuyến.

Với đa số loại đá, khi thí nghiệm dỡ tải, đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng không trùng nhau, đồng thời thường thấy mẫu đá có một lượng biến dạng không hồi phục (biến dạng dư). Khi quá trình nén và dỡ tải lặp đi lặp lại nhiều lần thì đường cong nén có xu hướng dịch chuyển dần sang bên phải. Hình 1.

Hình 1. Quan hệ ứng suất biến dạng của đá khi nén một trục. Theo Miller (1965)

Biểu hiện phi tuyến của đá khi nén một trục là do sự có mặt của các vi khe nứt và lỗ rỗng trong mẫu đá. Những vi khe nứt này ban đầu mở, khi ứng suất tăng lên thì các vi khe nứt dần khép lại, vật liệu đá trở nên cứng hơn và do đó mô đun  đàn hồi tăng theo ứng suất. Thông thường, các vi khe nứt và lỗ rỗng trong đá sẽ khép kín lại khi ứng suất đạt một giá trị nhất định, thường giá trị ứng suất này không lớn. Sau đó, khi ứng suất vượt quá giá trị này thì quan hệ ứng suất biến dạng trở thành tuyến tính.

Sự trễ đàn hồi trong các đá kết tinh được giải thích là do ma sát giữa các mặt của vi khe nứt. Do có ma sát mà các vi khe nứt mà xảy ra trượt khi nén sẽ khong trượt ngay lập tức khi mà tải trọng giảm.

Khi nén mẫu đến phá hoại, theo nghiên cứu của Miller (1965) thu được từ thí nghiệm nhiều loại đá khác nhau, có 6 dạng biểu đồ ứng suất biến dạng điển hình, đặc trưng cho các loại đá. Hình 2.

Loại I. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có dạng tuyến tính, đặc trưng của vật liệu giòn. Đây cũng là đặc trưng cho các đá có phá hoại nổ vỡ như đá bazan, quắc zít, diaba, đolomit hay đá vôi cứng.

Loại II: đường quan hệ ứng suất biến dạng đặc trưng cho ứng xử đàn hồi - dẻo. Ở giai đoạn đầu đá có biểu hiện đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất biến dạng có dạng tuyến tính. Ở giai đoạn sau quan hệ này chuyển dần sang dẻo khi dần tới phá hoại. Đây là biểu hiện của một số đá nửa cứng như đá vôi mềm, bột kết, tuff.

Lợi III: ở giai đoạn đầu, đồ thị ứng suất biến dạng có dạng lõm, sau đó chuyển sang dạng tuyến tính, đặc trưng cho ứng xử dẻo – đàn hồi. Dạng biểu hiện này thu được ở một số loại đá như cát kết, granite, diaba, dolomit và đá phiến khi nén mẫu theo phương dọc các mặt phiến.

Loại IV:  đường quan hệ ứng suất biến dạng ban đầu tương tự như ở loại III nhưng có độ dốc lớn hơn, ở giai đoạn cuối quan hệ này thể hiện đá chuyển dần sang ứng xử dạng dẻo.  Dạng biểu hiện này thu được từ thí nghiệm đá hoa, đá gơ nai. Dạng biểu hiện đặc trưng là dẻo – đàn hồi – dẻo.

Loại V: đường quan hệ có dạng chữ S rõ rệt hơn, biểu hiện đặc trưng vẫn là dẻo – đàn hồi – dẻo nhưng sự chuyển trạng thái diễn ra từ từ. Đây là biểu hiện thu được từ thí nghiệm đá phiến khi nén theo chiều vuông góc với mặt phiến.

Loại VI: đường quan hệ có phần nhỏ rất nhỏ ban đầu có dạng tuyến tính, tiếp theo là phi tuyến dạng lồi lên và giảm dần độ cong, thể hiện sự kết hợp giữa biến dạng dẻo và biến dạng từ biến. Biểu đồ này thể hiện đặc tính chảy dẻo của vật liệu. Dạng biểu hiện đặc trưng là đàn hồi – dẻo – từ biến. Đây là biểu hiện thu được từ thí nghiệm đá muối.

Hình 2. Các biểu đồ ứng suất biến dạng điển hình của đá khi nén một trục. Miller (1965)

 

Như vậy, với các loại đá khác nhau thì biểu hiện của đá khi nén cũng khác nhau. Các thông số về độ cứng của đá chỉ có thể xác định tùy theo điều kiện ứng suất và loại thông số cụ thể. Có thể thấy, có 4 dạng đường con nén cơ bản, ba biểu đồ III, IV và V đều có dạng hình chữ S. Trừ loại VI, đa số các đá có biểu hiện tuyến tính ở phần giữa của quan hệ ứng suất biến dạng. Đặc điểm tuyến tính có thể thấy ở hầu hết các loại đá khi ứng suất ở quãng 50% giá trị độ bền. Riêng với đá muối, phần tuyến tính ban đầu chỉ tồn tại trong khoảng ứng suất bằng 10% độ bền của đá.

Từ các nghiên cứu thí nghiệm cho thấy, biểu hiện biến dạng của các loại đá rất đa dạng và phức tạp. Cũng chính bởi tính đa dạng này, việc xác định mô đun độ cứng cho đá phải tùy thuộc vào điều kiện ứng suất khác nhau. Để xác định mô đun độ cứng cho đá, cần tuyến tính hóa biểu đồ ứng suất biến dạng, khi đó có thể xác định các tham số  độ cứng gần đúng khác nhau, như mô đun độ cứng tiếp tuyến, mô đun độ cứng cát tuyến. Đây cũng là hai cách xác định mô đun đàn hồi của đá trong khảo sát địa chất công trình.

Tài liệu tham khảo 

Miller R. P. (1965) Engineering classification and index properties for intact rock.Thesis, University of Illinois.