tính chất cơ học của đá và khối đá

NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

3. Tính chất cơ học của đá và khối đá
3.1. Tính chất cơ học của đá (đá liền khối -intact rock)
3.1.1. Phơng pháp thí nghiệm
Các tính chất cơ học của đá, hay đá liền khối, đá nguyên vẹn, đợc
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, trên các mẫu khá nhỏ, tách ra từ các
khối nứt (hình 3-1), nghĩa là trong mẫu đá không có các khe nứt hở, xuyên
suốt. Tuy nhiên, so với các loại vật liệu kỹ thuật khác nh thép, chất dẻo, đá
có cấu trúc không đều và các phần tử cấu trúc có kích thớc lớn hơn. Do vậy
để đảm bảo tính đồng nhất của mẫu thí nghiệm, kích thớc của mẫu phải đủ
lớn so với kích thớc hạt khoáng vật hay nhóm hạt khoáng vật. Ngoài ra,
nếu đá có chứa các vết nứt, lỗ rỗng vi mô, cấu trúc của đá lại bị chi phối bởi
các yếu tố này, thờng lại đòi hỏi kích thớc mẫu lớn hơn nữa.
Tuy nhiên với kỹ thuật hiện nay,
trong phòng thí nghiệm thờng khảo sát
mẫu
các mẫu có kích thớc đến 20cm, trong ít
đá
đá rắn cứng
trờng hợp cũng có thể đến 50cm. Nếu
yêu cầu về tính đại diện và tính đồng
nhất đòi hỏi kích thớc mẫu vợt ra
ngoài giới hạn này, đơng nhiên phải
mặt phân cách
chuyển sang làm thí nghiệm tại hiện
trờng.
Hình 3-1 . Đặc điểm mẫu đá
Mẫu đợc gia công với độ chính xác nhất định, theo yêu cầu cụ thể
trong các quy chuẩn, ví dụ trong thí nghiệm nén, độ lồi lõm bề mặt không
đợc quá 0,03mm và sai lệch về độ song song giữa hai mặt đáy không đợc

quá 0,05mm. Mẫu đợc lấy ra từ khối đá, ở dạng các tảng đá, tách ra bằng
phơng pháp khoan lỗ liền lỗ, hoặc các cục đá đào ra, nhng không gây ra
các vết nứt nẻ do đào. Trên hình 3-2 là các sơ đồ thí nghiệm phổ biến.
Trải qua quá trình phát triển, ngày nay trên thế giới có nhiều thiết bị
thí nghiệm đã đợc cải tiến, hoàn thiện. Nói chung, các máy hiện đại cho
phép thí nghiệm theo chơng trình định sẵn, chẳng hạn với chế độ điều
khiển tải trọng hay chế độ điều khiển biến dạng; đồng thời các kết quả đo
đợc ghi nhận tự động và hiển thị trên máy tính, xử lý theo chơng trình.
Trên hình 3-3 cho thấy một số thiết bị thí nghiệm hiện đại, bao gồm
máy thí nghiệm nén ba trục, kéo, nén một trục; máy liên hợp thí nghiệm cắt
cho phép thực hiện thí nghiệm cắt và nén một trục.

CHD/2005/C3

63


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

nén
một trục

kéo
một trục

nén/kéo
tách

cắt
biến góc

cắt
F

nén
hai trục

nén
ba trục

1





T

nén ba trục
thực sự 1

1

2

2
3

2
1 2 =3

3
1 2 3

Hình 3-2. Các sơ đồ thí nghiệm (chất tải) trong phòng thí nghiệm

Hình 3-3. Thiết bị thí
nghiệm hiện đại

CHD/2005/C3

64


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

3.1.1.1. Thí nghiệm nén
Thí nghiệm nén là phơng pháp phổ biến nhất, các biểu hiện biến
dạng (quan hệ giữa ứng suất và biến dạng) của đá chủ yếu đợc nghiên cứu
thông qua thí nghiệm nén. Điều đó trớc tiên là do nguyên nhân kỹ thuật
bởi vì thí nghiệm nén dễ thực hiện hơn thí nghiệm kéo. Mặt khác, do độ
bền kéo của đá thờng có thể nhỏ tới 1/10 đến 1/30 độ bền nén, nên biểu
hiện biến dạng khi chịu kéo ít đợc quan tâm và thực tế cũng khó xác định.
Thông thờng phân biệt hai chế độ thí nghiệm là:
điều khiển tải trọng và
điều khiển biến dạng.
Trong chế độ điều khiển tải trọng, lực tác dụng thờng đợc tăng hay
giảm dần với tốc độ không đổi (nén với tốc độ tăng tải cố định) hoặc đợc
giữ cố định (nén với tải trọng cố định hay thí nghiệm từ biến). Chế độ điều
khiển biến dạng đặc trng bởi quá trình thí nghiệm giữ cho tốc độ biến

dạng của mẫu không đổi.
Trong quá trình chất tải (tăng và giảm tải) lên một mẫu đá, không chỉ
có mẫu đá mà cả hệ thống chất tải cũng bị biến dạng. Tùy theo độ cứng của
hệ thống chất tải của máy thí nghiệm, so với độ cứng của mẫu thí nghiệm,
các máy thí nghiệm đợc phân ra hai nhóm:
máy có độ cứng lớn hay hệ thống cứng và
máy có độ cứng nhỏ hay hệ thống mềm.
Độ biến thiên của đờng đặc tính khi giảm tải của hệ thống chất tải
phản ánh độ cứng của máy. Với F là lực tác dụng, l là biến dạng tuyệt đối,
km là độ cứng, trên hình 3-4, cho ví dụ hệ thống a1 có độ cứng lớn hơn hệ
thống a2. Nói chung các hệ thống thí nghiệm chỉ cho phép điều khiển tải
trọng thờng là hệ thống mềm.

F
kích nén

khối lợng

a1

a2

lò xo
mẫu

mẫu đá

km
l

Hình 3-4. Khái niệm độ cứng của hệ thống chất tải

CHD/2005/C3

65


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Nén một trục (hay đơn trục)
Với các máy thí nghiệm hiện đại,
khi tiến hành thí nghiệm nén một trục, các
mẫu thí nghiệm thờng đợc gắn các đầu
đo biến dạng dọc và biến dạng ngang (khái
niệm đầu đo ở đây đợc hiểu là tất cả các
loại cảm biến khác nhau-từ đồng hồ, phiến
điện trở, cho đến các thanh, vòng cảm ứng
điện từ...). Nhờ các cảm biến này cho phép
ghi nhận cũng nh hiển thị các dữ liệu (số
liệu cũng nh biểu đồ) trong quá trình thí
nghiệm. u điểm cơ bản của kỹ thuật đo là
ghi nhận đợc toàn bộ số liệu chính xác về
biến dạng dọc và ngang của mẫu trong quá
trình thí nghiệm. Các kết quả đo lại có thể Hình 3-5. Mẫu thí
đợc sử dụng để điều khiển thí nghiệm. nghiệm nén một trục
Hình 3-5 cho thấy mẫu đá đợc chuẩn bị
cho thí nghiệm nén đơn trục. Dung cụ đo bao gồm dãn kế đo biến dạng dọc
và dãn kế đo biến dạng ngang.
Nén ba trục
Tơng tự nh trong thí nghiệm

nén một trục, các cảm biến đợc gắn
để đo biến dạng dọc và ngang. Mẫu
đợc bọc bằng màng chất dẻo mỏng,
để tránh khả năng xâm nhập của dầu dãn kế
thủy lực vào mẫu, đợc đa vào trong ngang
xy lanh (buồng Karman) và chất tải
xung quanh bởi áp lực dầu thủy lực.
Hình 3-6 và 3-7 cho thấy quá trình
chuẩn bị mẫu thí nghiệm. Với thiết bị
tự động báo mẫu bị phá hủy, các máy
hiện đại cho phép có thể điều khiển tự
động quá trình chất tải theo nhiều nấc,
không phụ thuộc vào trạng thái của
mẫu.

dãn kế dọc

Hình 3-6. Chuẩn bị mẫu nén ba trục: bọc mẫu và gắn các dãn kế

CHD/2005/C3

66


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

tấm nén

ống
dẫn dầu

buồng
nén

áp lực
Hình 3-7. Chuẩn bị mẫu nén ba trục:
mẫu trong buồng nén thủy lực
3.1.1.2. Thí nghiệm nén tách/kéo tách
Độ bền của đá khi chịu kéo có thể đợc
xác định bằng các phơng pháp sau:
kéo đơn trục hay một trục,
kéo tách hay nén tách,
kéo qua uốn,
kéo qua thí nghiệm ba trục.
Tuy nhiên, do những khó khăn và chi
phí nên phơng pháp đợc áp dụng phổ
biến hiện nay là kéo tách hay nén tách
(hình 3-8), tức là nén mẫu hình trụ dọc theo
đờng sinh. Phơng pháp này cũng đợc
gọi là phơng pháp Bradin.

CHD/2005/C3

Hình 3-8. Nén/kéo tách

67


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Phơng pháp hình thành xuất phát từ lời giải bài toán nén tấm tròn bằng
tải trọng tập trung trong lý thuyết đàn hồi. Khi chịu nén, theo hớng vuông
góc với mặt cắt dọc theo đờng sinh xuất hiện ứng suất kéo và gây phá hủy
mẫu do kéo (hình 3-9) khi ứng suất kéo đạt khả năng chịu kéo của mẫu.
Fmax

D

L

Hình 3-9. Mặt phá hủy
khi kéo tách
Độ bền kéo qua thí nghiệm kéo tách đợc xác định theo biểu thức:
2F
*
= max
K
.D.L

(3-1)

3.1.1.3. Thí nghiệm cắt
Thí nghiệm cắt hay trợt đợc sử
dụng để xác định khả năng chịu tải của
mẫu đá khi chịu cắt thuần túy hoặc cắt
kết hợp nén. Hình 3-10 là một máy thí
nghiệm cắt hiện đại, cho phép phối hợp
gây lực nén và các lực cắt. Bằng thí
nghiệm này xác định đợc trạng thái
phá hủy do cắt, qua các thành phần ứng

suất pháp và ứng suất tiếp tại thời điểm
mẫu bị phá hủy, cụ thể trong mối quan
hệ:
(3-2)
F(*, *) =0
Nghĩa là ứng với một giá trị * luôn có
một giá trị * tơng ứng gây ra phá hủy
cắt hay trợt, tùy theo loại đá.

CHD/2005/C3

Hình 3-10. Máy thí nghiệm cắt

68


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

3.1.2. Các biểu hiện cơ học của đá qua thí nghiệm nén
3.1.2.1. Biểu hiện cơ học khi nén một trục với tốc độ tăng tải và tốc độ
biến dạng không đổi
Trong thí nghiệm nén đơn trục hay một trục, mẫu thí nghiệm thờng
có dạng hình trụ chịu tải trọng nén dọc theo trục mẫu. Dịch chuyển và biến
dạng dọc trục và ngang trục đợc ghi lại cùng với quá trình biến thiên của
tải trọng.
Hình 3-11 là các sơ đồ đặc trng về biểu hiện của đá, nhận đợc bằng
thí nghiệm. Trên hình 3-11a là dạng biểu đồ tổng quát trong trờng hợp thí
nghiệm ở chế độ điều khiển tải trọng, nghĩa là tăng tải với tốc độ không đổi.
Tuy nhiên, dạng biểu đồ này cũng có thể nhận đợc ngay cả ở các máy thí
nghiệm điều khiển biến dạng, khi mẫu đá có biểu hiện dòn. Biểu đồ 3-11b

là kết quả đặc trng, nhận đợc trên các máy thí nghiệm có hệ thống chất tải
cứng và trong chế độ thí nghiệm điều khiển theo biến dạng.
Từ các kết quả tổng hợp này, cho phép rút ra các nhận xét sau đây về
các biểu hiện cơ học của đá.
a) Trong giai đoạn khởi đầu thí nghiệm, đồ thị ứng suất-biến dạng có thể
có dạng lõm do các nguyên nhân sau:
các mặt đáy mẫu không song song, dẫn đến diện tích mặt tiếp xúc
nhỏ, biến dạng không đều và tốc độ biến dạng giảm nhanh
trong mẫu thí nghiệm có các khe nứt vi mô nằm ngang, do vậy khi
tăng tải các khe nứt đợc khép kín dần, tăng dần diện tích nhận tải,
giảm nhanh tốc độ biến dạng;
b) Tiếp đó đồ thị có dạng gần tuyến tính (thẳng) trong một phạm vi nhất
định. Biến dạng của mẫu đá đợc coi là ổn định.
c) Nhng tiếp tục tăng tải sẽ làm xuất hiện các vết nứt vi mô trong mẫu
đá, do vậy biến dạng tăng phi tuyến.
d)Tải trọng tiếp tục tăng sẽ làm các khe nứt phát triển và cuối cùng dẫn
đến sự phá hủy mẫu. Giá trị cực đại của ứng suất đạt đợc phản ánh khả
năng chịu nén đơn trục (hay một trục) của đá.
đ)Sử dụng các máy thí nghiệm có độ cứng lớn (lớn hơn độ cứng của
mẫu), có thể nhận đợc đồ thị về quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sau
giới hạn phá hủy, với hình dạng nhất định, tùy thuộc vào đặc tính của loại
đá.

CHD/2005/C3

69


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

dọc trục

a)
ngang trục

thể tích

* = phá hủy
N các vết nứt
dọc trục

phát triển
không ổn
định

các vết nứt phát
triển ổn định
biến dạng
đàn hồi tuyến tính
khe nứt khép lại

dọc

ngang

b)
Trớc phá hủy

Sau phá hủy

ứng suất nén dọc trục

*
N

Biến dạng dọc trục
Hình 3-11. Biểu đồ ứng suất-biến dạng khi nén đơn trục
Khi thí nghiệm trên hệ thống cứng, quá trình phá hủy sau khi tải
trọng đã đạt đợc độ bền của mẫu sẽ diễn ra cũng phụ thuộc vào độ cứng
của máy. Hình 3-12 mô phỏng đờng đặc tính của máy, đờng đặc tính của
mẫu đá cùng với các kết quả nhận đợc cho hai trờng hợp máy mềm và
máy cứng.

CHD/2005/C3

70


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Hình 3-12. 1) Đờng đặc tính của máy và mẫu thí nghiệm;
2) Máy mềm; 3) Máy cứng
Trờng hợp máy mềm, công biến dạng của mẫu (AM=diện tích ABDE)
nhỏ hơn công giảm tải của hệ thống chất tải (AH=diện tích AM1DE), nh
vậy phần năng lợng d trong hệ thống (thế năng tích lũy khi tăng tải), đợc
giải phóng góp phần làm cho quá trình xảy ra mất ổn định. Ngợc lại khi hệ
thống chất tải là cứng, công cơ học do giảm tải (diện tích AM2DE) nhỏ
hơn công biến dạng của mẫu, do vậy đòi hỏi phải gây công cơ học từ hệ
thống chất tải và khi đó quá trình biến dạng phá hủy sau giới hạn sẽ xảy ra
ổn định. Hiện tợng này đợc chú ý khi thiết kế các trụ bảo vệ, phi phân

tích các quá trình vỡ nổ đá (phá hủy kèm theo tiếng nổ lớn do giải phóng
năng lợng trong khai thác hầm lò).
Xuất phát từ những kết quả và đặc điểm đã nêu trên của hai hệ thống
máy cứng và máy mềm, đồng thời cũng do đặc điểm riêng của lĩnh vực Cơ
học đá là phải nghiên cứu cả các hiện tợng sau khi khối đá đã chuyển sang
trạng thái phá hủy hoặc đã đang ở trạng thái phá hủy, nên hiện nay Cơ học
đá chủ yếu sử dụng các máy thí nghiệm có hệ thống chất tải cứng, điều
khiển biến dạng.
Tổng hợp các kết quả nghiên cứu cho thấy các loại đá có những biểu
hiện biến dạng rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Ví dụ, nghiên cứu nén mẫu của 28 loại đá trong điều kiện chất tải với
tốc độ tăng tải không đổi (cũng còn gọi là chế độ tăng tải cỡng bức), Miller
đã nhận đợc 6 dạng biểu đồ điển hình khác nhau cho các loại đá, thể hiện
trên hình 3-13.
Biểu đồ loại 1, đợc đặc trng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa ứng
suất và biến dạng cho đến khi mẫu vật bị phá huỷ hoàn toàn, thu đợc ở các
mẫu đá bazan, quaczit, điaba, đôlômit và đá vôi rất cứng chắc.
Biểu đồ loại 2, đặc trng cho tính đàn hồi- dẻo, thu đợc ở các loại đá
là đá vôi mền, đá bột kết.

CHD/2005/C3

71


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

1


2



3





4




5



6




Hình 3-13. Kết quả thí nghiệm từ 28 loại đá theo Miller
Biểu đồ loại 3, thu đợc ở các loại đá cát kết, granit và đá phiến khi
nén theo phơng song song với mặt phân phiến, thể hiện tích chất dẻo - đàn

hồi.
Đá gơnai cho kết quả nh ở biểu đồ loại 4, với tính dẻo - đàn hồi dẻo. Đá phiến khi chịu nén vuông góc với mặt phân phiến cho kết quả nh
biểu đồ loại 5, thể hiện tính dẻo - đàn hồi - dẻo.
Biểu đồ loại 6, nhận đợc ở các loại đá muối, thể hiện rõ tính chảy
nhớt hay chảy dẻo.
Tuy nhiên trong tài liệu của tác giả không cho biết trị số của tốc độ
tăng tải khi tiến hành thí nghiệm.
ở nhiều loại đá, khi tiến hành thí nghiệm các mẫu với tốc độ tăng tải
khác nhau có thể nhận đợc các biểu đồ thí nghiệm khác nhau. Kết quả thu
đợc ở đá muối cacnalit trong hình 3-14 là một thí dụ điển hình. Khi tốc độ
tăng tải nhỏ, biến dạng tỷ đối lớn; ngợc lại khi tốc độ tăng tải càng lớn,
biến dạng tỷ đối toàn phần càng nhỏ đi; ngoài ra hình dạng biểu đồ -
cũng thay đổi. Biểu đồ thực nghiệm khi tốc độ tăng tải v = 11MPa/s có dạng
đờng thẳng.
Sự phụ thuộc của kết quả thí nghiệm vào tốc độ tăng tải đồng thời
cũng cho thấy vai trò của việc ấn định tốc độ tăng tải trong quá trình thí
nghiệm. Rõ ràng là nếu không chú ý yếu tố này, sẽ có thể đi đến nhận định
sai về tính chất của đối tợng đợc nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm trong
một điều kiện cụ thể chỉ có thể phản ánh đợc biểu hiện của vật thể trong
điều kiện đó. Muốn có đợc nhận định về tính chất của vật thể đòi hỏi phải
tiến hành thí nghiệm với các điều kiện khác nhau.

CHD/2005/C3

72


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

1
2

3

4

5

1: v= 11MPa/s ;
2: v= 2,5MPa/s ;
3: v= 0,4MPa/s ;
4: v= 0,002MPa/s ;
5: v= 0,00072MPa/s .

D
L

[%]

Hình 3-14. ảnh hởng của tốc độ tăng tải đến biểu hiện
biến dạng của mẫu đá muối ( với L/D =2)
Nhiệt độ cũng gây ảnh hởng đáng kể đến biểu hiện biến dạng, cũng
nh tốc độ tăng tải. Hình 3-15 minh họa kết quả thu đợc ở mẫu đá muối
mỏ ở nhiệt độ là 200C và 800C trong điều kiện thí nghiệm v= 0,5MPa/s và
độ mảnh L/D =2. Kết quả cho thấy là khi nhiệt độ càng tăng, khả năng biến
dạng của mẫu càng tăng. Mức độ biến động theo nhiệt độ đơng nhiện tùy
thuộc vào từng loại đá cụ thể. Nghiên cứu ảnh hởng của nhiệt độ đến biểu
hiện cơ học của đá có ý nghiã đặc biệt khi các công trình bố trí sâu trong
lòng vỏ trái đất (vì càng xuống sâu nhiệt độ càng cao), và trong các khu vực

chịu ảnh hởng của các nguồn địa nhiệt.
[MPa]
200C

Hình 3-15. ảnh
hởng của nhiệt
độ đến biến dạng
của đá muối mỏ

0

80 C

[%]

Do những đặc điểm phức tạp của các loại đá, nghiên cứu sự ảnh
hởng của kích thớc và hình dạng mẫu thí nghiệm đến biểu hiện cơ học là
vấn đề luôn đợc chú ý đặc biệt trong Cơ học đá, liên quan với tính đồng
nhất và không đồng nhất của mẫu thí nghiệm cũng nh ảnh hởng của ma
sát giữa tấm nén và mẫu.
Dựa vào các dạng hiểu hiện sau trạng thái phá hủy có thể phân ra ba
nhóm là biến dạng dẻo, biến dạng dẻo giảm bền hay dòn-dẻo và biến dạng
dòn hay phá hủy dòn (hình 3-16).

CHD/2005/C3

73


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

ở các loại đá có biểu hiện biến dạng dòn-dẻo, trong trạng thái phá hủy
hoàn toàn, đá vẫn còn có thể có khả năng nhận tải nhất định, giá trị khả
năng nhận tải đó đợc gọi là độ bền d (độ bền còn lại) nh trên hình 3-17.
Đá có biến dạng dẻo sau trạng thái phá hủy có khả năng nhận tải không đổi
và bị phá hủy hoàn toàn khi biến dạng đạt giá trị cực đại.
dẻo

phá
hủy
dòn

PH

dẻo
giảm
bền
độ bền d

Hình 3-16. Các loại biến
dạng sau trạng thái phá hủy

Hình 3-17. Định nghĩa độ
bền d

Các kết quả thí nghiệm với các máy cứng, điều khiển biến dạng cho
thấy rất rõ ảnh hởng của kích thớc và hình dạng mẫu đến biểu hiện cơ học.
Trên hình 3-18 là sơ đồ
điển hình phản ánh ảnh hởng
mẫu càng lớn

của kích thớc mẫu đến biểu đồ
độ bền càng
ứng suất biến dạng khi nén
nhỏ, tính dòn
càng giảm
đơn trục. Đồ thị cho thấy kích
thớc có ảnh hởng không chỉ
độ bền lớn
tính dòn cao
đến độ bền nén một trục, mà cả
biểu hiện phá hủy, biểu hiện
dòn (góc nghiêng của đoạn đồ
kích thớc
thị trong vùng sau phá hủy).
giảm
Nguyên nhân là do sự tồn tại
các vi khe nứt, lỗ rỗng cũng nh
kích thớc
sự phân bố của các phần tử cấu
tăng
trúc trong đá. Mẫu càng lớn, số
lợng các vết nứt càng nhiều và
xắc suất tồn tại các vị trí yếu Hình 3-18. ảnh hởng kích thớc mẫu
càng lớn.Tuy nhiên, trong trờng
hợp này cho thấy mô đun đàn hồi E không có biến đổi đáng kể khi thay đổi
kích thớc mẫu.

CHD/2005/C3

74

NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Các mẫu hình trụ có thể có độ mảnh (tỷ số giữa chiều dài L hay
chiều cao H và đờng kính D của mẫu) khác nhau. Hình 3-19 cho thấy ảnh
hởng của độ mảnh đến dạng biểu đồ ứng suất-biến dạng. Rõ ràng là khi độ
mảnh tăng độ bền giảm và tính dòn tăng. Tuy nhiên mô đun đàn hồi hầu
nh không chịu ảnh hởng của độ mảnh.
độ mảnh càng lớn
độ bền càng giảm

H
D

hình
dạng

Hình 3-19. ảnh hởng của hình dạng
mẫu đến biểu đồ ứng suất biến dạng
Điều này chủ yếu đợc giải thích là do sự tồn tại vùng chịu tác dụng
ba trục gần các đáy mẫu, liên quan với việc truyền tải trọng. Cụ thể, tại vị trí
tiếp xúc giữa đáy mẫu và bàn nén, xuất hiện lực ma sát, vừa hạn chế biến
dạng ngang, vừa gây nên trạng thái ứng suất ba trục. Do vậy nhằm loại trừ
ảnh hởng này đến kết quả thí nghiệm, trong thí nghiệm nên sử dụng mẫu
có độ mảnh lớn. Mẫu thí nghiệm thờng đợc khuyến nghị có tỷ số H/D 2.
Thí nghiệm nén đơn trục cũng thờng đợc thực hiện kết hợp tăng tải và
giảm tải. Trong quá trình giảm tải, hình dạng và kích thớc mẫu thí nghiệm
ít nhiều đợc khôi phục. Biểu hiện biến dạng hồi phục này thờng có dạng
tuyến tính và đợc gọi với khái niệm quen thuộc trong lý thuyết đàn hồi là

biến dạng đàn hồi. Phần biến dạng không hồi phục đợc gọi là biến dạng
dẻo.
Hình 3-20 là ví dụ một kết quả ghi tự động trên máy tính về biểu đồ
ứng suất biến dạng từ thí nghiệm kết hợp tăng và giảm tải, cùng các tham
số đã đợc tính toán, xác định là mô đun biến dạng V, mô đun đàn hồi E và
hệ số Poisson .

CHD/2005/C3

75


ứng suất nén [MPa]

NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Biến dạng ngang [%]

Biến dạng dọc [%]

Hình 3-20. Kết quả thí nghiệm kết hợp tăng và giảm tải trớc
trạng thái phá hủy.

Biểu hiện đàn hồi
không chỉ nhận thấy trớc
giới hạn phá hủy của vật
thể, kết quả thí nghiệm ở
nhiều loại đá cũng cho
thấy ngay cả ở trạng thái
sau phá hủy đá vẫn có thể

còn có biểu hiện đàn hồi.
Trên hình 3-21 là sơ đồ
phản ánh biểu hiện đàn
hồi của mẫu đá sau giới
hạn phá hủy, khi mẫu đá
có biểu hiện dẻo giảm bền.

Hình 3-21. Biểu hiện đàn hồi sau trạng thái
phá hủy của đá .

Tổng hợp các kết quả thí nghiệm nén đá có thể rút ra một số nhận định
cũng nh phân loại sau đây.
a) Biểu hiện biến dạng của các loại đá trớc và sau trạng thái phá hủy
đều rất đa dạng và phức tạp ;
b) Bằng cách tuyến tính hóa đơn giản biểu đồ ứng suất-biến dạng, khi giả
thiết gần đúng đá là đàn hồi, trong tính toán gần đúng, có thể định nghĩa các
tham số biến dạng nh trên hình 3-22.

CHD/2005/C3

76


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

PH



0,75.PH

0,5.PH





N





0,25.PH

ngang trục

EC




dọc trục

ET
TP

Hình 3-22 . Định nghĩa các tham số cơ học khi
tuyến tính hóa.
ET đợc gọi là mô đun đàn hồi tiếp tuyến, biểu thị tỷ lệ giữa gia số
ứng suất và gia số biến dạng / trong phạm vi tuyến tính của biểu đồ. EC

đợc gọi là mô đun đàn hồi cát tuyến, hay thông thờng cũng là mô đun
biến dạng V, biểu thị tỷ lệ giữa ứng suất lớn nhất (ứng suất phá hủy) với
biến dạng toàn phần tơng ứng tại thời điểm phá hủy PH/TP. Khi đá có biểu
hiện giảm bền, tỷ lệ giữa gia số ứng suất và gia số biến dạng trên đoạn thẳng
giảm bền đợc gọi là mô đun giảm bền N, cho biết quy luật giảm khả năng
chịu tải (giảm bền) khi biến dạng tăng.
Từ các kết quả và quy luật thực nghiệm nhận đợc về các biểu hiện của các loại
đá khi nén đơn trục, trong điều kiện kỹ thuật hiện nay, việc xác định các tham số cơ học
phục vụ phân tích, đánh giá các vấn đề trong thực tế và làm dữ liệu thiết kế có thể thực
hiện theo các chỉ dẫn sau đây.
Độ bền nén một trục đợc định nghĩa là giá trị ứng suất lớn nhất có thể tác động
đợc lên mẫu đá ,
(3-3)
* = Fmax /A = 4.Fmax /D2
N
Fmax ... lực lớn nhất đo đợc trong thí nghiệm [kN],
A ...tiết diện ngang chịu tải ban đầu của mẫu, A=D2/4 khi mẫu dạng hình trụ [cm2],
D ... đờng kính mẫu hình trụ [cm].
* ...độ bền nén đơn trục (hay một trục) [MPa].
N
Mẫu thí nghiệm hình trụ nên có đờng kính tối thiểu bằng 10 lần đờng kính hạt
khoáng vật (phần tử cấu trúc) lớn nhất và không nên nhỏ hơn 30mm, vì để đảm bảo
tính đồng nhất. Mẫu thí nghiệm kích thớc lớn nên đợc u tiên sử dụng.

CHD/2005/C3

77


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Nếu không có yêu cầu đặc biệt khác, tỷ lệ chiều cao trên đờng kính mẫu tối thiểu
nên là 2:1. Khi độ mảnh nhỏ hơn 2:1, nhất thiết phải sử dụng hệ số điều chỉnh để quy
đổi lại độ bền. Hệ số suy giảm đợc xác định theo biểu thức (hình 3-23) :

8. *
*
N TN
=

N TC
D
7 + 2.
H

100
(3-4)

trong đó *
...độ bền nén đơn trục
N TC
đã tính chuyển hay quy đổi [MPa],
... độ bền nén đơn trục xác định bằng
*
N TN
thí nghiệm [MPa],
D... đờng kính mẫu thí nghiệm [mm],
H... chiều cao mẫu thí nghiệm [mm].
Không đợc xác định độ bền nén trên mẫu

có tỷ lệ H :D<1 ; mối quan hệ giữa ứng suấtbiến dạng chỉ nên thí nghiệm ở các mẫu tối
thiểu có tỷ lệ H :D>1,5.

0,98
0,96
0,94
0,92

*

N TC

=

8. *
N TN
D
7 + 2.
H

0,90
0,88
1,0

1,2 1,4 1,6

1,8

2,0

Hình 3-23. Tính chuyển kết quả
thí nghiệm xác định độ bền nén
một trục

Tốc độ tăng tải không chỉ liên quan đến thời gian, mà còn có tác động đến tốc độ
biến dạng và độ bền nén, bởi lẽ tải trọng tăng nhanh sẽ gây ra ứng suất tăng đặc biệt
nhanh khi vật liệu thí nghiệm có độ cứng lớn, tăng chậm khi vật liệu có độ cứng nhỏ. Do
vậy thí nghiệm cần đợc điều khiển theo tốc độ ứng suất hoặc tốc độ biến dạng. Tốc độ
ứng suất /t biểu thị sự biến đổi của ứng suất theo thời gian và tốc độ biến dạng /t
biểu thị sự biến đổi của biến dạng theo thời gian. Thí nghiệm nên tiến hành với tốc độ
biến dạng không đổi. Thông thờng tốc độ biến dạng đợc điều khiển trong khoảng 0,5
/t 1,0 mm/m.phút. Tuy nhiên tốc độ biến dạng nên đợc chọn sao cho thời gian thí
nghiệm cho đến khi đạt ứng suất cực đại không nhỏ hơn 5 phút. Các mẫu thí nghiệm cho
thấy biểu hiện biến dạng chịu ảnh hởng mạnh của yếu tố thời gian, cần đợc xem xét
thận trọng. Nếu thí nghiệm ở chế độ điều khiển tải trọng, cần thiết điều khiển tốc độ thay
đổi ứng suất theo yêu cầu cụ thể. Thông thờng tốc độ hay số gia ứng suất đợc điều
khiển trong khoảng từ 1,0MPa/giây đến 0,5MPa/giây. Nhng với mục đích xác định độ
bền nén đơn trục phục vụ tính toán tốc độ khoan, cắt cần thí nghiệm với tốc độ tăng ứng
suất lớn hơn.
Khi xác định độ bền nén một trục các loại đá có đặc điểm không đẳng hớng (ví dụ
đá phiến sét) cần phân biệt ba trờng hợp tơng ứng với thế nằm của hệ mặt phân cách
nh trên hình 3-24. Bằng cách này cho phép xác định đợc các biểu hiện cơ học phụ
thuộc vào hớng. Chẳng hạn thí nghiệm ở đá thạch anh phyllit trong cho các kết quả
tơng đối nh sau : khi giá trị độ bền nén đơn trục trong trờng hợp c) là 100%, thì
trờng hợp a0 đạt 80% đến 90%, còn trờng hợp b) có thể nhận đợc giá trị thấp nhất từ
20% đến 50%, khi góc nghiêng =300. Nếu chỉ có mẫu thí nghiệm ở dạng b), nên tiến
hành thí nghiệm xác định độ bền nén đơn trục gián tiếp bằng phơng pháp nén điểm .
Đơng nhiên trong mọi trờng hợp cần ghi rõ góc nghiêng thí nghiệm.

CHD/2005/C3

78


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

a) song song với
mặt phân lớp,
mặt phân phiến
=00

b) nghiêng so với
mặt phân lớp,
mặt phân phiến
0<<900

c) vuông góc với
mặt phân lớp,
mặt phân phiến
=900

Sơ đồ ba trờng hợp thí nghiệm đá không đẳng hớng

Góc nghiêng so với
mặt phân phiến
Tỷ phần của độ bền nén %

Tỷ phần của độ bền nén %

Góc nghiêng so với

mặt phân phiến

Hình 3-24 . Biểu hiện không đẳng hớng của độ bền nén của đá phyllit thạch anh , với
mặt phân phiến thẳng và trơn (đờng liền), mặt phân phiến lợn sóng (đờng rời)

Hàm lợng nớc có thể có ảnh hởng cơ bản đến biểu hiện biến dạng và độ bền của
mẫu đá. Do vậy trong trờng hợp cần có dữ liệu phản ánh đúng điều kiện tự nhiên, cần
thiết bảo quản mẫu lấy đợc sao cho hàm lợng nớc đợc giữ không đổi. Ngay cả khi
gia công mãu cũng tránh không làm thay đổi hàm lợng nớc. Sau khi đã thí nghiệm nén,
cần thiết xác định độ ẩm của mẫu (trên các mảnh vỡ). Tuy nhiên, nói chung hàm lợng
nớc tự nhiên thờng bị biến đổi khi gia công mẫu, do vậy cần tiến hành thí nghiệm
trong các điều kiện khác nhau sau : khô gió ; xấy khô ; ẩm (sau khi cắt, mài) ; ngâm
trong nớc 24 đến 48 giờ. Thông thờng nớc ít có ảnh hởng đáng kể ở các mẫu có độ
lỗ rỗng nhỏ, nhng có ảnh hởng rất rõ ở những loại đá dễ biến đổi do tác động của nớc.
Ví dụ trên hình 3-25 cho thấy mức độ ảnh hởng của nớc đến độ bền nén của đá sét kết,
mỏ Phấn Mễ.

CHD/2005/C3

79


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005
*N(MPa)
Hình 3-25.ảnh hởng
của độ ẩm đến độ bền
nén đơn trục của đá sét
kết mỏ Phấn Mễ.

100

80
60
40
0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

W (%)

Một chỉ tiêu quan trọng khi thí nghiệm nén đơn trục là diện tích phía dới đồ thị ứng
suất-biến dạng, đợc gọi là công cơ học toàn phần hay công phá hủy, ví dụ nh trên
hình 3-26.

ứng suất nén đơn trục

trớc phá hủy

PH

TT
giảm tải

sau phá hủy

E=/
TT: giới hạn
tuyến tính hay
đàn hồi;
PH= N*

tái chất tải
W = d




d

tp

đh

Biến dạng dọc trục

max

Hình 3-26. Định nghĩa và cách xác định công phá hủy
và các tham số cơ học
Thí nghiệm chất tải kết hợp giảm tải và tái chất tải cho phép xác định đợc ba thành
phần biến dạng là biến dạng toàn phần tp, biến dạng đàn hồi (hồi phục)đh, và biến dạng
dẻo d. Từ đó xác định đợc hệ số đàn hồi hay hệ số dòn E0 và hệ số dẻo D0 của đá theo
các biểu thức :

E0 =

CHD/2005/C3

dh
tp

và D 0 =

d
tp

(3-5)

80


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005
Việc xác định hệ số đàn hồi và hệ số dẻo có ý nghĩa thực tế quan trọng. Nhiều kết
quả nghiên cứu cho thấy rằng, nếu ở xung quanh các đờng lò trong các mỏ hầm lò có
các loại đá với E0 70% thờng có thể xẩy ra hiện tợng vỡ nổ đá (ở một số tài liệu gọi
là ''cú đấm mỏ''). Đó là hiện tợng phá huỷ của gơng lò, thành lò hay trụ bảo vệ kèm
theo tiếng nổ lớn. Hệ số đàn hồi và hệ số dẻo (cũng còn gọi là hệ số dai) có ý nghĩa đặc
biệt đối với công tác nổ mìn, cụ thể là việc phá vỡ đá bằng nổ mìn càng khó khi hệ số
dẻo càng cao.

Vì các dữ liệu thu đợc trong phòng thí nghiệm, đặc biệt trên các mẫu thử với các
quy cách đã nêu, thờng chỉ thực hiện trong giai đoạn điều tra cơ bản, hoặc đòi hỏi chi
phí cao và các kết quả thu đợc chỉ có giá trị cho vị trí đã lấy mẫu thí nghiêm. Để có thể
dự báo các dữ liệu thực tế kịp thời, có thể sử dụng các phơng pháp thí nghiệm gián tiếp,
tiến hành cả trong phòng thí nghiệm và cả ngoại hiện trờng. Hai phơng pháp đang

đợc sử dụng phổ biến là thí nghiệm bủa nẩy SCHMIDT và thí nghiệm nén điểm với các
phơng tiện gọn, nhẹ. Tiến hành trong phòng thí nghiệm trớc hết với mục tiêu lập mối
tơng quan giữa các kết quả thí nghiệm nén đơn trục với các kết quả bằng phơng pháp
gián tiếp. Thí nghiệm tại hiện trờng, thực tế có thể hay bắt buộc triển khai hàng ngày
trong quá trình thi công, với mục đích cập nhật, để điều chỉnh các biện pháp công nghệ,
kỹ thuật.
Thí nghiệm búa nẩy Schmidt
Búa nẩy Schmidt (hình 3-27) hiện đang là
một công cụ gọn nhẹ, có thể đợc sử dụng để xác
định độ bền nén của đá. Búa có một đầu đột, khi
đợc kích hoạt bằng năng lợng đập xác định vào bề
mặt vật thí nghiệm, bị đẩy lại theo nguyên lý va đập,
tùy theo tính chất cơ học của đá. Độ dài nẩy lại
đợc coi là một thớc đo, hay chỉ số, phản ánh chất
lợng đá, đợc nghiên cứu để tính chuyển về độ bền
nén đơn trục. Do vậy, việc sử dụng búa Schmidt để
xác định độ bền nén của đá cũng nh khối đá đòi
hỏi phải thiết lập đợc mối tơng quan giữa độ nẩy
và độ bền.
Thí nghiệm có thể dễ dàng thực hiện tại Hình 3-27. Búa Schmidt
hiện trờng (cũng nh trong phòng thí nghiệm) tại
nhiều điểm và nhiều lần. Đơng nhiên, các giá trị nhận đợc phụ thuộc nhiều yếu tố
khác nhau (nh góc bắn, trạng thái bề mặt, kích thớc, hình dạng mẫu, bắn trong phòng
hay tại hiện trờng...) và do vậy thờng biến thiên ở khoảng rộng.
Trong thực tế có ba loại búa đợc sử dụng, với ký hiệu L, M và N, khác nhau về
năng lợng đập. Hiện tại trong thực tế lại hay sử dụng loại búa N. Với các góc bắn khác
nhau so với phơng nằm ngang, độ nẩy cho các giá trị khác nhau vì búa đập chịu ảnh
hởng của lực hút trọng trờng. Do vậy kết quả bắn (độ nẩy R) trớc tiên đợc hiệu
chỉnh tùy theo góc bắn, nh trên hình 3-28.

CHD/2005/C3

81


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Hình 3-28. Biểu đồ điều chỉnh độ
nẩy theo hớng bắn búa loại N

Việc thiết lập mối tơng quan giữa độ bền và độ nẩy thực sự là công việc đòi hỏi
nhiều thí nghiệm trong những điều kiện nhất định. Thông thờng có thể tiến hành xác
lập trên cơ sở tiến hành đồng thời thí nghiệm xác định độ bền của đá với thí nghiệm
bằng búa Schmidt cho loại đá cần quan tâm, sau đó hiệu chỉnh bằng thí nghiệm bắn tại
hiện trờng. Mặc dù búa Schmidt đã đợc sử dụng rộng rãi, nhng đến nay ít có các kết
quả công bố về mối tơng quan này. Trong một số tài liệu của Hội co học đá quốc tế giới
thiệu mối quan hệ giữa độ nẩy và độ bền nén của đá khi sử dụng búa loại L.
Để tham khảo, giới thiệu các kết quả nghiên cứu của WOSZIDLO (hình 3-29)
cho hai trờng hợp bắn trong phòng thí nghiệm và bắn tại hiện trờng, khi sử dụng búa
loại N. Sự khác nhau về độ nẩy tại hiện trờng và trong phòng thí nghiệm có thể giải
thích dựa vào quy luật va đập. Đối tợng chịu tác động tại hiện trờng có kích thớc lớn
(có thể xem là vô cùng lớn ) hơn nhiều so với mẫu trong phòng thí nghiệm, nên cho độ
nẩy lớn hơn ở cùng độ bền. Thực tế cho thấy độ nảy còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau, nh trạng thái bề mặt điểm bắn (độ nhám, mức độ phong hóa...), độ ẩm (Ngô Doãn
Hào 2000), do vậy khi sử dụng cần tiến hành nghiên cứu kiểm định trớc, cả trong phòng
thí nghiệm và tại hiện trờng, để có thể có đợc nhận định hợp lý. Đồng thời cũng có thể
tăng cờng nghiên cứu để có thể sử dụng gian tiếp phơng pháp này vào việc định lợng
hóa các đặc điểm của đá, vẫn thờng miêu tả định tính.

CHD/2005/C3

82


Trên mẫu đá

Độ bền nén [MPa]

Độ bền nén [MPa]

NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005

Tại hiện trờng

Độ nẩy lại Re
Hình 3-29 . Biểu đồ tính chuyển đọ nẩy và độ bền nén đơn trục
theoWOSZIDLO 1989 cho búa loại N

Độ nẩy lại Re

Thí nghiệm nén điểm
Thí nghiệm nén điểm có thể thực hiện cả trên mẫu đá, dới dạng lõi khoan và cả
ở các mẫu không quy cách, lấy bất kỳ ngay tại chỗ hay tại hiện trờng, với kích thớc và
hình dạng tơng đối. Trong các phơng pháp thí nghiệm, phơng pháp nén điểm là một
phơng pháp xác định gián tiếp độ bền nén đơn trục của đá, đơng nhiên cũng có thể xác
định độ bền kéo đơn trục, trên cơ sở các hàm tơng quan thực nghiệm. Ban đầu phơng
pháp này đợc phát triển để kiểm tra nhanh lõi khoan tại hiện trờng và các cục đá, cung
cấp giá trị tơng đối về độ bền để có thể đa ra đợc các đợc quyết định kịp thời. Nhờ
có những tiến bộ trong phát triển dụng cụ thí nghiệm và xử lý số liệu bằng phơng pháp
thống kê, phơng pháp này cũng đợc sử dụng trong phòng thí nghiệm, cạnh tranh với

phơng pháp xác định độ bền nén mẫu hình trụ. Phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi nhờ
khả năng thực hiện nhanh và chuẩn bị mẫu đơn giản.
Phơng pháp nén điểm đặc biệt hay đợc sử dụng khi khó gia công đợc mẫu hình
trụ, cụ thể là :
với các lõi khoan bị gãy, phá hủy,
tại các đới phá hủy hay vùng bị phong hóa,
các lớp đá mỏng,
khi đá phân phiến mạnh và mặt phân phiến lại nằm nghiêng so với lõi khoan,
không thể xác định đợc độ bền nén lớn nhất bằng mẫu hình trụ.
Trong các trờng hợp trên, phơng pháp nén điểm đợc coi là khả năng cuối cùng
để có thể xác định độ bền nén của đá.
Mẫu đợc đặt vào giữa hai đầu đột hình côn của dụng cụ thí nghiệm và nhận tải
cho đến khi bị phá hủy (hình 3-30 )
Chỉ số độ bền nén hay chỉ số nén điểm IS ban đầu đợc định nghĩa theo biểu thức:
F
I = max
(3-6)
s
2
D
với D là đờng kính hay kích thớc mẫu đo bằng khoảng cách giữa hai đầu đột [mm];

CHD/2005/C3

83


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005
Fmax là lực gây phá hủy mẫu [N];
IS... chỉ số nén điểm [MN/m2 =N/mm2].

mẫu

kích
thủy
lực

đồng hồ
đo áp lực

van
quá
áp

máy
bơm
dầu

Hình 3-30. Dụng cụ và sơ đồ nén
điểm
Từ kết quả này, thông qua một hệ số tính chuyển có thể nhận đợc độ bền nén
đơn trục của đá. Trên hình 3-31 là biểu đồ tính chuyển phác họa từ các kết quả của các
tác giả DANDREA (1965), BROCH và FRANKLIN (1972) và BIENIAWSKI (1974)
L 0,7.D

20

Chỉ số nén điểm IS [MN/m2]

x

15

D Andrea et.al (1965)
D
Broch & Franklin (1972)
norit
Bieniawski (1974)
norit bị phong
x hóa

10
5
cát kết

xx x
xx

x
x xx x x
x
x
0
xxx
0
50
100

x
quắcxít x x
x

x
x x
xx x x
x
x x x xx x
x

x
x

x

xx

N = 24. IS

200
250
300
350
Độ bền nén đơn trục [MN/m2]
Hình 3-31. Quan hệ giữa độ bền nén đơn trục và chỉ số nén điểm IS

CHD/2005/C3

150

84

NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005
Khi mẫu thí nghiệm có giá trị D=50mm, chỉ số đợc ký hiệu là IS,50; giá trị độ bền
nén đợc xác định nh trên hình 3-32.

L/D >0,7

nén dọc mẫu

nén mẫu không quy cách

L

Độ bền nén đơn trục [MPa]

nén ngang mẫu

N =22.IS,50

Chỉ số nén điểm IS [MPa]

D

Hình 3-32. Quan hệ giữa IS50 và độ
bền nén.
D/L = 1,1

D/L = 1,0 - 1,4

Xuất phát từ thực tế là các mẫu thí nghiệm bị phá hủy theo mặt cắt ngang xác
định, chỉ số nén điểm trên các mẫu hìng trụ cũng đợc đề nghị xác định theo biểu thức:

F
I S = max
(3-7)
A
IS... chỉ số nén điểm [MN/m2 =N/mm2]
Fmax... tải trọng gây phá hủy [MN= 106N]
A... diện tích mặt phá hủy [m2=106mm2]
Khi nén ngang mẫu A= D2/4, khi nén dọc mẫu A=D.W (Hình 3-33).
Từ thực tế này, nên đã xuất hiện khái niệm đờng kính tơng đơng De, là đờng
kính của vòng tròn có cùng diện tích với diện tích mặt cắt ngang của mẫu thí nghiệm.
Với các quy ớc nh trên hình 3-33, có thể tính đờng kính tơng đơng theo biểu thức
De2=4A/, cho các trờng hợp mặt phá hủy khác với hình tròn.
Trong thực tế khi thí nghiệm mẫu có thể bị phá hủy ở các dạng khác nhau, tùy
theo cách thức đặt tải trọng và sai sót khi thí nghiệm. Do vậy không phải mọi kết quả đều
đợc chấp nhận. Trên hình 3-34 là chỉ dẫn về các dạng phá hủy đợc chấp nhận và dạng
phá hủy không hợp lý.

CHD/2005/C3

85


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005
L>0,5D

L
D

D

De
0,3W
mẫu hình trụ

W

L
W
D

Deđờng
De kính
tơng
đơng

L>0,5D; 0,3Wmẫu hình hộp
L>0,5D

0,3W
Hình 3-33. Định
nghĩa đờng kính
tơng đơng khi thí
nghiệm nén điểm

mẫu không quy cách

Các dạng phá

hủy không hợp
lý
Các dạng phá hủy
đợc chấp nhận

Hình 3-34. Quy định về các dạng mẫu phá hủy đợc chấp nhận

CHD/2005/C3

86


NQP/Cơ học đá/ 3. Tính chất cơ học của đá và khối đá/2005
Hiện nay có nhiều kết quả nghiên cứu, phân tích thực nghiệm đợc công bố. Do sự
biến động và phụ thuộc vào nhiều yếu tố của kết quả thi nghiệm, do vậy các tác giả khác
nhau đã đề nghị các hệ số tính chuyển khác nhau, trên cơ sở tính quy đổi theo đờng
kính tơng đơng De = 50mm. Ví dụ theo Thuro (2000) các hệ số tính chuyển nằm trong
khoảng 12 đến 24. Vì vậy, khi sử dụng phơng pháp này, cũng cần thiết phải có thí
nghiệm kiểm định trớc để xác định hệ số tính chuyển hợp lý.
Độ bền nén của đá là một trong các chỉ tiêu quan trọng phản ánh biểu hiện cơ học và
đợc sử dụng nh một tiêu chuẩn thiết kế, phân loại trong các khâu kỹ thuật khác nhau
trong khai thác khoáng sản, xây dựng công trình.
Hội cơ học đá quốc tế (ISRM 1978) cũng đã đề xuất phân nhóm các loại đá theo
độ bền nén đơn trục. Trong bảng 3-1 là các nhóm đá (có sửa đổi) cùng với mối
tơng quan với các chỉ số xác định tơng đối tại hiện trờng là chỉ số nén điểm
và độ nẩy búa Schmidt loại L. Ngoài ra sử dụng búa địa chất cũng có thể có đợc
nhận định gần đúng về độ bền của đá.

Bảng 3-1 . Phân loại đá theo độ bền nén theo Hội cơ học đá quốc tế ISRM, 1978
Độ bền

Chỉ số
Độ nẩy R
Nhóm
Mô tả
nén MPa nén điểm
búa
IS
Schmidt L
R5
bị troc vỡ mảnh nhỏ khi đập mạnh
>250
Đặc biệt nhiều lần bằng búa địa chất
> 10
50 - 60
cứng
R4
bị vỡ khi dùng búa địa chất đập
100-250
rất cứng mạnh nhiều lần, phát ra tiếng rất
4 - 10
40 - 50
đanh
R3
vỡ khi dùng búa địa chất đập
50-100
mạnh nhiều hơn một lần, phát ra
cứng
2-4
30 - 40
tiếng đanh

R2
vỡ khi dùng búa đập mạnh một
25-50
lần, không thể vạch xớc bằng
cứng
1-2
15 - 30
trung bình dao nhíp
tạo ra vết lõm nông khi dùng đầu
5-25
R1
nhọn búa đập vào đá; có thể vạch
xớc bằng mũi dao nhíp ; có thể
mềm
**
< 15
gọt, tuy hơi khó, bằng dao; phát ra
tiếng đục khi bị đập
R0
vỡ thành cục khi dùng đầu nhọn
1-5
rất mềm búa đập nhẹ; có thể gọt đợc bằng
**
dao nhíp
có thể vạch xớc bằng móng tay
đặc biệt
<1
**
mềm

* /10 =f đợc gọi là hệ số kiên cố Prôtôđiakônôp, trong đó * là độ bền nén đơn

N
N
trục với thứ nguyên là MPa, ví dụ đá có độ bền nén bằng 150 MPa, có hệ số kiến cố

CHD/2005/C3

87