Thí nghiệm nén điểm (point load test)

Thí nghiệm nén điểm hay thí nghiệm nén tải trọng điểm là thí nghiệm xác định gián tiếp độ bền nén đơn trục của đá. Thí nghiệm này cũng có thể xác định độ bền kéo đơn trục thông qua các hàm tương quan thực nghiệm.Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu đá dạng lõi khoan hoặc cả các mẫu đá cục không quy cách có hình dạng và kích thước bất kỳ.

Thí nghiệm này cung cấp giá trị tương đối về độ bền, thường được sử dụng để kiểm tra nhanh độ bền của đá tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm.

Điểm nổi bật của phương pháp thí nghiệm này là khả năng thí nghiệm nhanh và chuẩn bị mẫu đơn giản. Phương pháp này đặc biệt phát huy ưu điểm trong những trường hợp khó hoặc không thể gia công mẫu hình trụ như các trường hợp: Không có lõi khoan nguyên vẹn, có thể do mức độ hồi phục mẫu khi khoan thấp. Mẫu đá lấy từ đới phá hủy, đới phong hóa hoặc từ các lớp đá mỏng không đủ kích thước gia công mẫu trụ.

Phương pháp này ban đầu được đề xuất bởi người Nga, được trình bày bởi Protodyakanov (1960). Do ưu điểm nhanh, gọn và đơn giản của phương pháp, thí nghiệm này đã được hội cơ học đá quốc tế (ISRM) công nhận và hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong thực tế.

Mô tả thí nghiệm:

Thiết bị thí nghiệm là một khung  nén được có thiết bị gia lực là một kích thủy lực nối với đồng hồ đo lực. Hai đầu nén hình chóp nón (Hình 1), một đầu nén hình được gắn cố định vào khung (thường nằm bên trên), đầu nén còn lại được nối với pít tông thủy lực.Bên cạnh khung có gắn thước để đo khoảng cách giữa hai điểm nén. 

Hình 1. Cấu tạo đầu nén

Các bước thí nghiệm

Mẫu đá được đặt vào giữa hai đầu nén, và hai đầu nén này được ép lại gần nhau để đảm bảo tiếp xúc với mẫu.

Xác định khoảng cách giữa hai đầu nén.

Tiến hành tăng lực ép lên mẫu bằng kích thủy lực cho đến khi mẫu bị phá vỡ. Lực tại thời điểm mẫu bị phá vỡ sẽ được ghi lại.

Hình 2 nén điểm đối với mẫu đá không quy cách. Nguồn 

 

Hình 3 Xác định đường kính tương đương . Theo ISRM (1985)

Theo Hội Cơ học đá Quốc tế ISRM(1985) có 4 cách cơ bản thí nghiệm xác định chỉ số độ bền nén điểm: nén dọc trục mẫu trụ, nén biên mẫu trụ, nén mẫu hình hộp và nén mẫu không quy cách (Hình 3)

Xác định chỉ số nén điểm

Từ thí nghiệm nén điểm, xác định được chỉ số nén điểm của mẫu đá, được định nghĩa theo công thức:
                                                      I_s = P/D²

Trong đó P là tải trọng gây phá vỡ mẫu (N),  D là khoảng cách giữa hai điểm nén (mm).

Tuy nhiên hệ số Is theo công thức trên chưa được hiệu chỉnh theo kích thước mẫu. Để hiệu chỉnh theo kích thước mẫu, Is được xác định theo đường kính tương đương D_e theo đề xuất của Broch et al (1972) và ISRM (1985). D_e là đường kính của vòng tròn có cùng diện tích mặt cắt ngang của mẫu thí nghiệm (tham khảo hình 3).

                                                      I_s = P/D_e²

Khi thí nghiệm nén điểm trên các mẫu hình trụ, do các mẫu thường phá hủy theo mặt cắt ngang xác định, nên chỉ số nén điểm có thể tính theo công thức:
                                                         I_s = P/A

Trong đó A là diện tích mặt phá hủy, khi nén ngang mẫu A = pi * D²/4 , khi nén dọc mẫu A= D.W. Trong đó D vẫn là khoảng cách giữa 2 điểm đặt lực, W là bề rộng mẫu.

Trong thực tế, khi thí nghiệm, mẫu bị nén có thể có thể bị phá hủy theo nhiều dạng khác nhau. Việc xác định chỉ số nén điểm chỉ phù hợp trong một số dạng phá hủy nhất định. 

Hình 4. Các dạng phá hoại điển hình của mẫu khi nén điểm. Với kiểu phá hoại dạng (d) và (e) không phù hợp với việc xác định hệ số nén điểm. Theo ISRM (1985).

Do cường độ nén điểm giảm theo đường kính mẫu khi nén biên mẫu hình trụ, để đánh giá phân loại và xác định độ bền kháng nén một trục, người ta thường sử dụng chỉ số Is₍₅₀₎. Chỉ số Is₍₅₀₎ là chỉ số nén điểm của đá khi thí nghiệm nén biên đối với mẫu đá có đường kính D tương đương bằng 50mm (đường kính mẫu cỡ NX). Các bước hiệu chỉnh có thể dùng đồ thị dựng sẵng của Broch (1972) như hình 5. 

 Hình 5. Biểu đồ hiệu chỉnh theo kích thước mẫu. Theo Broch (1972)

Hình 6. Xác định Is₍₅₀₎ từ một nhóm kết quả thí nghiệm nén điểm với các kích thước mẫu khác nhau. Theo ISRM (1985).

I_s(50) cũng có thể xác định theo nhóm nhiều kết quả thí nghiệm nén điểm cùng 1 loại đá với các kích thước khác nhau, xem hình 6. 

I_s(50)  = F x I_s

F là hệ số hiệu chỉnh, được xác định theo biểu đồ hình 7 hoặc theo công thức
F = SQRT (D_e/50)

 

Hình 7. Xác định hệ số hiệu chỉnh kích thước F. Theo ISRM (1985).

Từ chỉ số , thông qua hệ số tính chuyển  chúng ta sẽ xác định được độ bền nén đơn trục của đá. Hệ số tính chuyển này được xác định dựa trên kinh nghiệm đúc rút từ việc thí nghiệm đồng thời nén đơn trục và nén điểm. Hệ số này sẽ biến đổi theo loại đá. Ví dụ, Broch (1972) đã tiến hành thí nghiệm trên 10 loại đá, kết hợp với kết quả thí nghiệm 5 loại đá của D’Andrea (1965), sau này Bienawski (1974) tiếp tục nghiên cứu và đưa ra hệ số chuyển đổi dựa trên mối tương quan giữa chỉ số nén điểm và độ bền nén đơn trục. Mối quan hệ này đã được công nhận và sử dụng khá rộng rãi hiện nay.

Cho tới nay, có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm về thí nghiệm nén điểm và nén một trục với các loại đá khác nhau. Các tác giả đề xuất các hệ số tính độ bền nén một trục từ chỉ số nén điểm khác nhau. Hệ số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là phụ thuộc vào loại đá. Do đó, khi sử thí nghiệm thí nghiệm nén điểm để xác định độ bền nén 1 trục, nên có thí nghiệm kiểm chứng hệ số chuyển đổi này.

Tài liệu tham khảo

Protodyakonov M.M. New methods of determining mechanical properties of rock. Proceedings of the International conference on Strata Control, Paris, Paper C2, pp. 187-195 (1960)

D’Andrea D.V, Fisher R.L. and Fogelson D.E. Pre. Prediction of Compressice  Strength  of Rock from other rock properties. U..S. Bueau  of Mines, Report  of Investigations 6702 (1965)

ISRM Commission on Testing Methods.Suggested Method for Determining Point Load Strength. International Journal of Rock Mechanics, Mineral Sciences and Geomechanics. Abstract 22: 51-60. 1985

Broch E. and Franklin J.A. The Point Load Strength Test.   International  Journal of Rock Mechanics and Mineral Sciences.  9(6): 669-676. 1972.