Phương pháp xác định cường độ nén và đặc tính đàn hồi của mẫu lõi đá nguyên vẹn

Trong điều kiện thực tế của các công trình xây dựng ngầm, khai thác mỏ, hoặc khảo sát địa chất, việc đánh giá chính xác cường độ chịu nén và các đặc tính đàn hồi của mẫu đá nguyên vẹn là yêu cầu thiết yếu phục vụ thiết kế và đảm bảo an toàn cho các cấu trúc kỹ thuật. Để đáp ứng điều này, tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế hiện hành đã đề xuất một số phương pháp xác định đặc tính cơ học của đá, phổ biến nhất là các phương pháp thử nén một trục và ba trục.

Thông qua bài viết dưới đây, Viện Nghiên Cứu Phát Triển Chứng Nhận Toàn Cầu (GCDRI) sẽ cung cấp cho bạn đọc những kiến thức chuyên sâu, đáng tin cậy về các phương pháp này, đồng thời phân tích rõ phạm vi áp dụng, ý nghĩa kỹ thuật và yêu cầu khi triển khai thử nghiệm.

Phân loại và phạm vi sử dụng các phương pháp xác định tính chất cơ học của đá

Các phương pháp trong tiêu chuẩn quốc tế được phân chia thành bốn nhóm chính: A, B, C và D. Mỗi nhóm tương ứng với một cách tiếp cận thử nghiệm phù hợp cho các đặc tính cơ lý khác nhau của mẫu đá.

Phương pháp A và B: Thử nghiệm nén ba trục

Phương pháp A và B đều nhằm xác định cường độ chịu nén ba trục của đá, tuy nhiên được áp dụng với các mục đích và điều kiện khác nhau:

• Phương pháp A: Sử dụng để đánh giá cường độ tổng quát trong các điều kiện ứng suất tương đồng với môi trường tự nhiên của khối đá. Phương pháp này mô phỏng gần sát môi trường địa chất tự nhiên và không đo ứng suất lỗ rỗng.

• Phương pháp B: Ngoài đo cường độ nén ba trục, nó còn cho phép xác định các thông số quan trọng như:

  • Mô-đun đàn hồi (Young’s modulus)
  • Tỷ số Poisson (ν)
  • Ứng suất – biến dạng khi tải trọng dọc và bên đồng thời

Đây là các chỉ số nền tảng trong việc mô phỏng ứng xử cơ học của đá trong thiết kế công trình.

Phương pháp C và D: Thử nghiệm nén một trục

• Phương pháp C: Tập trung vào xác định cường độ chịu nén đơn trục mà mẫu không có phép đo ứng suất dư trong lỗ rỗng. Không tạo được biểu đồ ứng suất-biến dạng, tuy nhiên vẫn hữu ích trong các thiết kế cơ bản.

• Phương pháp D: Được sử dụng song song với phương pháp C nhưng với mục tiêu đo các giá trị đàn hồi. Đây là phương án mở rộng cho phép đánh giá mô đun đàn hồi và tỷ lệ Poisson trong điều kiện nén một trục.

Như vậy, phương pháp A và C nhằm mục tiêu đánh giá cường độ phá hủy, trong khi phương pháp B và D quan tâm đến các chỉ số đàn hồi và ứng suất-biến dạng phục vụ phân tích chuyên sâu.

Yêu cầu kỹ thuật đối với mẫu thử và thiết bị

Các đặc tính thu thập từ các phép thử trong điều kiện phòng thí nghiệm thường không phản ánh đầy đủ hành vi ứng xử của đá ở quy mô công trình thực. Lý do là bởi:

• Tính chất phi đồng nhất của vật liệu đá (tồn tại khe nứt, bề mặt yếu…)
• Ảnh hưởng của quá trình lấy mẫu, bảo quản, gia công
• Ảnh hưởng bởi nhiệt độ hoặc độ ẩm

Chính vì vậy, việc thực hiện thử nghiệm phải đảm bảo vài điều kiện quan trọng:

• Thiết bị thí nghiệm phù hợp, đảm bảo độ chính xác cao
• Tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thử nghiệm chuẩn hóa
• Kỹ thuật viên có năng lực chuyên môn cao

Các tổ chức thực hiện thử nghiệm nếu đáp ứng tiêu chí của thực hành D3740, có khả năng tự kiểm định năng lực và độ tin cậy của kết quả – điều này rất quan trọng trong quá trình đánh giá kỹ thuật công trình trọng điểm.

Ý nghĩa và ứng dụng của các thông số kỹ thuật

Ứng suất tổng và ứng suất bên

Đối với các phương pháp không đo áp suất lỗ rỗng (A, B, C, D), giá trị áp dụng chỉ phản ánh ứng suất tổng, và không hiệu chỉnh cho áp suất lỗ rỗng. Trong khi đó, phương pháp đo chi tiết hơn (ví dụ có thiết bị đo pore pressure) thường cung cấp thông tin hữu ích hơn nhưng cũng yêu cầu thiết bị phức tạp và chi phí cao hơn.

Cường độ, mô đun đàn hồi và tỷ số Poisson

Các giá trị này có thể được sử dụng để:

• Mô phỏng ứng xử của đá trong thiết kế hầm, đường hầm, nền móng công trình
• Tính toán ổn định mái dốc, ứng suất dư trong khai thác mỏ
• Dự báo mức độ biến dạng, khả năng chịu tải và khả năng phá hủy

Sự khác biệt rõ rệt giữa mô đun đàn hồi theo trục dọc và ngang (nếu trên 10%) cũng là chỉ số quan trọng giúp nhận diện tính định hướng của mẫu đá, từ đó ảnh hưởng mạnh đến mô hình ứng xử toàn khối.

Góc nội ma sát và lực dính kết

Từ kết quả phương pháp A và B, có thể tính toán góc kháng cắt và lực dính kết – hai thông số then chốt trong lý thuyết phá hủy Mohr-Coulomb, được sử dụng rộng rãi trong thiết kế móng, giếng khoan, giàn khoan và các hạ tầng ngầm.

Một số lưu ý trong quá trình thực hiện và ứng dụng

• Các phương pháp B và D không thích hợp với đá đã bị biến dạng dẻo do muối khoáng hoặc vật chất trương nở.
• Với mẫu đá định hướng cao, cần cắt mẫu phù hợp (theo mặt lá, mặt phân lớp) để đảm bảo giá trị đo chính xác.
• Giá trị đo từ các phương pháp thử phải tuân thủ theo quy định làm tròn số và quy chuẩn báo cáo dữ liệu thống nhất.

Kết luận: Tiêu chuẩn hóa giúp đảm bảo độ tin cậy và an toàn kỹ thuật

Việc áp dụng bộ phương pháp thử nghiệm nén trục và nén ba trục theo tiêu chuẩn quốc tế cho phép xác định chính xác các thông số cơ học của vật liệu đá, từ đó nâng cao độ tin cậy trong thiết kế kỹ thuật và an toàn vận hành. Tuy vậy, như GCDRI đã phân tích, sự phù hợp của thiết bị, độ tinh vi của quy trình và năng lực vận hành là những yếu tố không thể bỏ qua nếu muốn đảm bảo chất lượng kết quả

Nếu quý doanh nghiệp hoặc đơn vị kỹ thuật đang cần:

• Chuẩn hóa quy trình thí nghiệm địa kỹ thuật,
• Tư vấn áp dụng các phương pháp quốc tế tối ưu cho đánh giá chất lượng đá,
• Đào tạo nhân sự chuyên môn để vận hành thiết bị thí nghiệm,

Hãy liên hệ GCDRI để được hỗ trợ chuyên sâu qua số điện thoại HOTLINE: 0904.889.859 (Ms.Hoa) hoặc email: chungnhantoancau@gmail.com — đội ngũ chuyên gia của chúng tôi luôn sẵn sàng tư vấn và đồng hành cùng quý vị.