Cơ Học Đá Phần 2

Chia sẻ: Danh Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

118
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cơ học là hình thành từ một phần của địa cơ học, một hướng nghiên cứu về phản ứng cơ học của các vật liệu địa chất bao gồm cả đất. Cơ học đá được ứng dụng trong khai thác mỏ, dầu khí, kỹ thuật xây dựng như đường hầm, hầm mỏ, đào dưới lòng đất, khai thác mỏ lộ thiên, giếng dầu khí, xây dựng đường, bãi thải, và các công trình xây dựng trên hoặc trong đá.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cơ Học Đá Phần 2

trong ñó: ms là kh i lư ng ph n c ng c a ñá. Cũng như tr ng lư ng riêng, kh i lư ng riêng c a ñá ph thu c vào thành ph n khoáng v t và t l c a các khoáng v t t o ñá có trong ñá. Gi a kh i lư ng riêng và tr ng lư ng riêng có m t s liên h : γs = g. ρs (1.8) N u so sánh kh i lư ng riêng c a ñá v i kh i lư ng riêng c a nư c thì s ñư c m t ñ i lư ng g i là t kh i, thư ng ký hi u là D: ρs D= (1.9) ρn trong ñó: ρn là kh i lư ng riêng c a nư c. T kh i là m t ñ i lư ng không th nguyên. ð xác ñ nh kh i lư ng riêng c a ñá, ph i tính ñư c kh i lư ng và th tích ph n c ng trong ñá. Mu n v y, ngư i ta có th dùng nhi u phương pháp xác ñ nh khác nhau: - Dùng bình ño th tích Bình ño th tích là m t bình b ng thu tinh c h p và dài (ñư ng kính c bình là 10mm, dài 180 – 200mm) dung tích kho ng 120 – 150cm3. Trên c bình có các v ch chia chính xác t i 0,1cm3. Ph n dư i c a bình phình to ra. Ch n 2 c c ñá ñ nh xác ñ nh kh i lư ng riêng kho ng 100g, ñem giã trong c i chày ñ ng r i sàng qua rây có ñư ng kính l 2mm. Ph n b t ñá còn l i trên m t sàng l i ñem giã và ti p t c sàng. L y kho ng 180g b t ñá ñã sàng ñem s y nhi t ñ 105 – 110 ± 5oC t i kh i lư ng không ñ i. Sau kho ng 2h, l y ra, ñ ngu i t i nhi t ñ trong phòng r i ñ t trong bình hút m. ð ch t l ng (nư c c t hay d u l a…) t i ng n dư i v ch 0 c a bình ño. Tuỳ theo tính ch t c a ñá mà ch t l ng có th là nư c c t khi ñá không b hoà tan hay d u l a, axêtôn khi ñá có ch a các mu i tan ñư c trong nư c. Các gi t ch t l ng th a hay dính trên c bình ph i ñư c th m khô b ng gi y l c. Cân l y 30g b t ñá ñã s y khô b ng cân phân tích, r i ñ vào bình ño t i khi nào m c ch t l ng dâng lên t i v ch d u 20cm3 hay m t v ch nào ñó g n trên c bình thì thôi. Chú ý không ñ b t ñá bám vào c bình. Quay nh bình xung quanh tr c c a nó ñ b t khí trong bình n i lên hay cho vào bình chân không có áp su t b ng 20 – 200mmHg trong 30’ ñ ñu i h t khí ra. Cân ph n b t ñá còn l i. Kh i lư ng riêng c a ñá s ñư c xác ñ nh theo công th c: C¬ häc ®¸.39
m - mc (1.10) ρs = V trong ñó: m là kh i lư ng b t ñá ñã s y khô t i kh i lư ng không ñ i. mc là kh i lư ng b t ñá còn l i sau khi thí nghi m. V là th tích ch t l ng dâng lên trong bình ño. Kh i lư ng riêng ñư c xác ñ nh b ng tr s trung bình s h c gi a hai l n ño. K t qu thí nghi m ph thu c r t nhi u vào vi c ñ y khí ra kh i b t ñá. - Dùng picnomet (bình ño t tr ng) Phương pháp này hay ñư c dùng và k t qu khá chính xác. Theo ΓOCT 7465 – 55 c a Liên Xô cũ thì picnomet có th là m t bình thu tinh hình c u c dài có ng n ñánh d u th tích hay là m t bình thu tinh hình c u c ng n, n p có rãnh mao d n, có dung tích 25, 50 hay 100ml. V i lo i bình c u c dài thì dung tích danh nghĩa ñ t ñư c khi m c ch t l ng trùng v i ng n trên c bình, còn v i lo i bình c u n p có rãnh mao d n, thì là khi trên ñ u rãnh có th y ch t l ng. Cách xác ñ nh kh i lư ng riêng như sau: Vi c ch n và chu n b m u cũng làm tương t như phương pháp trên. R a s ch bình ño, lau khô và ñem cân trên cân phân tích, ñư c kh i lư ng mo. ð ñ y nư c c t vào bình ño và ñ cho nư c c t có nhi t ñ thí nghi m (18, 20 hay 22oC…) ñem cân b ng cân phân tích ñư c kh i lư ng m1. ð h t nư c c t ra, lau s ch và khô bình ño r i ñ vào bình kho ng 10g b t ñá ñã s y khô t i kh i lư ng không ñ i, r i ñem cân, ñư c kh i lư ng m2. ð ñ y h t khí ra kh i b t ñá, ngư i ta ñ ch t l ng không hoà tan (nư c c t, d u l a, c n… tuỳ theo tính ch t c a t ng lo i ñá) t i kho ng 1/2 hay 2/3 th tích bình ño. ðun sôi trên b p cát (không ñ cho ch t l ng trào ra ngoài) trong kho ng 20 – 30’. Vi c ñ y khí ra kh i b t ñá cũng có th th c hi n trong bình chân không. Làm ngu i bình ño trong ch u nư c, ñem hút chân không và ñ ch t l ng t i v ch ng n th t chính xác. Lau khô bình ño r i ñem cân, ñư c kh i lư ng m3. Kh i lư ng riêng c a ñá s ñư c xác ñ nh theo công th c: (m 2 − m o ) . ρcl (1.11) ρs = (m1 − m o ) − (m 3 − m 2 ) ð t m2 – mo = m 40.C¬ häc ®¸
m . ρ cl m . ρ cl (1.12) ρs = = m1 − m o − m 3 + m 2 m + m1 − m 3 trong ñó: ρcl là kh i lư ng riêng c a ch t l ng ñem thí nghi m, nó thay ñ i theo nhi t ñ thí nghi m. V i nư c c t: t = 13 – 17oC ρcl = 0,999 t = 18 – 23oC ρcl = 0,998 t = 24 – 27oC ρcl = 0,997 t = 28 – 31oC ρcl = 0,996 V i ch t l ng khác, trư c khi ñem thí nghi m, ph i xác ñ nh tr c ti p kh i lư ng riêng c a nó t i nhi t ñ thí nghi m và không nên l y theo giá tr c a các b ng, vì s làm k t qu thí nghi m kém chính xác. Kh i lư ng riêng ñư c xác ñ nh theo tr s trung bình s h c gi a 2 l n ño, l y t i 2 s l . Sai s cho phép gi a 2 l n ño là 0,02g/cm3. Ngoài hai phương pháp trên, ngư i ta còn có th xác ñ nh kh i lư ng riêng b ng phương pháp Hêli, phương pháp cân thu tĩnh… 1.2.1.2. Tr ng lư ng th tích và kh i lư ng th tích Tr ng lư ng th tích c a ñá là tr ng lư ng m t ñơn v th tích c a nó ñ m t nhiên hay xác ñ nh nào ñó. V tr s , tr ng lư ng th tích ñư c tính b ng t s gi a tr ng lư ng c a m u ñá (bao g m c nư c và khí trong các l r ng) và toàn b th tích c a nó (k c các khe n t và l r ng). Tr ng lư ng th tích thư ng ñư c ký hi u là γ, ñơn v tính thư ng là kN/m3 hay MN/m3 : Q + Qn + Qk γ= s (1.13) Vs + Vr trong ñó: Qn là tr ng lư ng nư c có trong m u ñá. Qk là tr ng lư ng khí có trong m u ñá. Vr là th tích l r ng và khe n t trong m u ñá. N u b qua tr ng lư ng khí và coi tr ng lư ng toàn b m u là Q, th tích toàn b m u là V, thì có th vi t: Qs + Q n Q (1.14) γ= = V V Tr ng lư ng th tích c a ñá không ch ph thu c vào thành ph n khoáng v t t o ñá, mà còn vào c u t o c a nó. Các l r ng, khe n t nh hư ng r t l n ñ n giá tr c a tr ng lư ng th tích c a ñá, nhưng s lư ng các khe n t, m t ñ n t n l i do ñi u ki n thành t o ñá quy t C¬ häc ®¸.41
ñ nh. ðá càng nhi u l r ng, khe n t thì tr ng lư ng th tích c a nó càng nh . Vì v y ñá magma thư ng có tr ng lư ng th tích l n hơn ñá tr m tích (do trong chúng ít l r ng) và ñá vôi ñư c thành t o t khoáng v t calcit, có tr ng lư ng th tích t 15 – 25kN/m3, trong khi b n thân calcit có tr ng lư ng th tích t i 27kN/m3. Trong cùng m t lo i ñá ít l r ng như ñá magma thì thành ph n khoáng v t l i ñóng vai trò quy t ñ nh hơn: Càng dư i sâu, t l th ch anh càng gi m thì tr ng lư ng th tích c a ñá l i càng tăng. Trong th c t , ngoài tr ng lư ng th tích c a ñá tr ng thái t nhiên, mà ngư i ta thư ng g i t t là tr ng lư ng th tích, ký hi u là γ, xác ñ nh b ng các công th c (1.13), (1.14) như ñã nói trên, ngư i ta còn dùng m t s tr ng lư ng th tích khác tuỳ theo tr ng thái c a ñá: - Tr ng lư ng th tích tr ng thái khô tuy t ñ i (cũng ñư c g i là tr ng lư ng th tích khô, tr ng lư ng th tích c t ñá…) xác ñ nh sau khi ñã s y khô m u nhi t ñ 105 ± 5oC t i tr ng lư ng không ñ i. Tr ng lư ng th tích khô thư ng ký hi u là γc và ñư c tính theo công th c: Qs γc = (1.15) V - Tr ng lư ng th tích c a ñá tr ng thái no nư c (bão hoà nư c) có ñư c khi nư c l p ñ y các l r ng và khe n t, thư ng ký hi u là γnn hay γbh ñư c tính theo công th c: Q + Q' n γnn = s (1.16) V Qn’ là tr ng lư ng nư c l p ñ y các l r ng và khe n t c a m u ñá. trong ñó: - Tr ng lư ng th tích tr ng thái ñ y n i ñư c xác ñ nh khi m u ñá chìm trong nư c, thư ng ký hi u là γñn và ñư c tính theo công th c: Q − Vs . γ n γñn = s (1.17) V trong ñó: γn là tr ng lư ng riêng c a nư c. Trong các ch tiêu trên thì tr ng lư ng th tích c a ñá thư ng ñư c s d ng khi tính toán tr ng lư ng c a ñá hay áp l c c a ñá trong các công trình ng m… Trong m t ch ng m c nào ñó, tr ng lư ng th tích cũng có th ñ c trưng cho ñ ch t c a ñá. Tr s c a tr ng lư ng th tích c a ñá càng g n v i tr s c a tr ng lư ng riêng thì ch ng t ñ ch t c a ñá càng l n, nghĩa là ñ r ng c a ñá càng nh . Cũng như tr ng lư ng riêng, các giá tr c a tr ng lư ng th tích thư ng ñư c suy ra t các giá tr c a kh i lư ng th tích c a ñá xác ñ nh trong nh ng ñi u ki n khác nhau. Theo R.A. Daly, N.A. Xhưtovich, I.A. Turchaninov và R.V. Medvedev thì tr ng lư ng th tích c a m t s lo i ñá có th l y theo b ng 1.3. B ng 1.3 42.C¬ häc ®¸
Tr ng lư ng th tích, kN/m3 Tên ñá Kho ng dao ñ ng Trung bình Granit 25,2 – 28,1 26,6 Syenit 26,0 – 29,5 27,5 Bazan 27,4 – 32,1 29,0 ðiabas 27,3 – 31,2 29,5 Gabro 28,5 – 31,2 29,9 Pyroxenit 31,0 – 33,2 32,3 Peridotit 31,5 – 32,8 32,3 ðunit 32,0 – 33,1 32,8 Sét k t 23,5 – 26,4 24,6 Cát k t 25,9 – 27,2 26,5 ðá vôi 26,8 – 28,4 27,3 ðá hoa 26,9 – 28,7 27,8 Gneis 26,9 – 28,7 27,8 C¬ häc ®¸.43
Kh i lư ng th tích c a ñá là kh i lư ng m t ñơn v th tích c a nó ñ m t nhiên hay xác ñ nh nào ñó. V tr s , kh i lư ng th tích ñư c tính b ng t s gi a kh i lư ng c a m u ñá (bao g m c nư c và khí trong các l r ng) và toàn b th tích c a nó (k c các l r ng và khe n t). Kh i lư ng th tích c a ñá thư ng ñư c ký hi u là ρ, ñơn v tính là g/cm3 hay t/m3: ms + m n + m k ρ= ; (1.18) V trong ñó: mn là kh i lư ng c a nư c có trong m u ñá. mk là kh i lư ng khí có trong m u ñá. N u b qua kh i lư ng c a khí và coi kh i lư ng toàn b m u là m thì kh i lư ng th tích c a m u ñá s ñư c tính: ms + m n m ρ= = (1.19) V V Kh i lư ng th tích này c a ñá ñư c xác ñ nh tr ng thái t nhiên nên l ra ph i g i là kh i lư ng th tích t nhiên c a ñá, nhưng th c t thư ng g i t t là kh i lư ng th tích c a ñá. Cũng gi ng như tr ng lư ng th tích, kh i lư ng th tích c a ñá còn ñư c xác ñ nh trong các ñi u ki n khác nhau và tương ng v i chúng, s có nh ng tên g i khác nhau: - Kh i lư ng th tích khô: ms ρc = (1.20) V - Kh i lư ng th tích tr ng thái no nư c (bão hoà): m s + m 'n ρnn = (1.21) V - Kh i lư ng th tích ñ y n i: m s − Vs . ρ n ρñn = (1.22) V Trong các công th c trên: m’ là kh i lư ng nư c l p ñ y các l r ng và khe n t c a ñá. còn các ký hi u khác có ý nghĩa tương t như ñã nêu trong các công th c trư c ñó. Gi a các kh i lư ng th tích và tr ng lư ng th tích cùng m t tr ng thái ñ u liên h v i nhau theo m t quan h t ng quát: γ = ρ.g (1.23) Vì v y sau khi xác ñ nh ñư c kh i lư ng th tích m t tr ng thái nào ñó s d dàng tính ñư c tr ng lư ng th tích c a ñá. 44.C¬ häc ®¸
ð xác ñ nh kh i lư ng th tích, có th dùng nhi u phương pháp khác nhau, nhưng nói chung, chúng ch khác nhau v cách xác ñ nh th tích m u ñá. - Phương pháp cân ño tr c ti p Phương pháp này ñư c s d ng khi tính ch t c a ñá cho phép có th c t g t nó thành nh ng m u có d ng hình h c nh t ñ nh như hình h p, hình l p phương, hình tr … ðo kích thư c m u ñá s tính ñư c th tích c a nó. Cân tr c ti p m u ñá, s tính ñư c kh i lư ng m u. T ñó s suy ra ñư c kh i lư ng th tích m u ñá. Phương pháp này ít ñư c s d ng r ng rãi vì vi c gia công m u thành d ng hình h c qui chu n r t khó khăn và nhi u khi không th th c hi n ñư c. M t khác, ñ chính xác c a các kích thư c hình h c c a m u cũng r t khó b o ñ m. Ngư i ta ch dùng phương pháp này nh ng khoáng s n mu i, kích thư c m u l n, s sai l ch khi cân, ño không nh hư ng l m ñ n giá tr kh i lư ng th tích c a ñá. - Phương pháp dùng cát và cân Phương pháp này do N.P. Gvozñeva dùng t năm 1948 và r t có k t qu . Nó có th xác ñ nh ñư c kh i lư ng th tích c a ñá có hình dáng b t kỳ. Cách xác ñ nh như sau: L y cát th ch anh ñem sàng qua rây c 100 l /cm2. Nung nóng, ñ ngu i r i r c vào bình ñ ng cát. Khi m t c t ñã th t ph ng, ghi giá tr th tích cát V1. M u ñá có hình d ng b t kỳ, kh i lư ng t 0,2 – 1kg. ðem cân trên cân phân tích, ñư c kh i lư ng m. n m u ñá vào trong cát sao cho m u chìm h n trong cát. L c bình ñ m t cát tr l i b ng ph ng, tương ng s ñ c ñư c m c th tích cát V2. Kh i lư ng th tích c a ñá s ñư c xác ñ nh theo công th c: m m ρ= = (1.24) V2 − V1 V Làm vài l n, sau ñó l y tr s trung bình s h c c a chúng, s ñư c giá tr trung bình c a kh i lư ng th tích. Phương pháp này không áp d ng ñư c v i các ñá n t n m nh. - Phương pháp bình ño th tích hay phương pháp b c parafin. Bình ño th tích là m t hình tr b ng kim lo i có ñư ng kính trong 150mm, cao 350mm. chi u cao 250mm có hàn m t ng thư c th b ng ñ ng, ñư ng kính 8 – 10mm. Bình ño ch a ñ y nư c c t và khi m c nư c trong bình cao hơn l thoát thì nư c s ch y ra ngoài theo ng b ng ñ ng. Cách xác ñ nh kh i lư ng th tích b ng phương pháp này như sau: L y m u ñá kho ng 0,2 – 1kg ñem cân b ng cân phân tích, ñư c kh i lư ng m. C¬ häc ®¸.45
N u m u ñá ch t, các khe n t, l r ng nh thì ñem bão hoà sơ b m u ñá b ng nư c có nhi t ñ trong phòng hay nư c sôi. N u m u ñá có các khe n t l n thì ph i ph quanh m u ñá m t l p parafin s ch, m ng ñ 1mm b ng cách cho m u ñá vào parafin nóng ch y (> 57 – 60oC) trong kho ng 1 – 2’’. L y ra ñ ngu i trong không khí, khi trên m t parafin có b t khí thì ph i l y kim hơ nóng, ch c th ng l ra và mi t ph ng l i. N u các m u ñá có khe n t r t l n thì không nên nhúng ngay m u ñá vào parafin nóng ch y, ñ tránh parafin th m sâu vào khe n t làm sai l ch k t qu thí nghi m, trư c khi nhúng parafin, nên b c ch t m u ñá b ng gi y hay t t hơn, theo F.A. Petrachkov nên ph m t l p parafin d o, m m. Cân m u ñá ñã ph parafin, ñư c kh i lư ng m1. Bu c m u ñá ñã ph parafin hay m u ñá ñã bão hoà nư c b ng s i ch m nh và th vào bình ño th tích ñã ñ y nư c. Do ñá chi m ch , nư c s tràn ra qua ng b ng ñ ng xu ng ng ño th tích h ng dư i, cho t i khi m c nư c trong bình ño ngang m c l thoát. Cân ng ño có ch a nư c, r i tr ñi kh i lư ng ng ño, v tr s ñây chính b ng th tích c a m u ñá ñã ñ c ph parafin là kh i lư ng m2. N u k ñ n kh i lư ng th tích c a ch t l ng (có th không ph i là nư c c t), thì kh i lư ng th tích m u ñá có th ñư c xác ñ nh theo công th c: m . ρ cl . ρ p m ρ= = (1.25) ρ p . m 2 − ρ cl (m1 − m ) m 2 m1 − m − ρcl ρp trong ñó: m là kh i lư ng m u ñá thí nghi m. m1 là kh i lư ng m u ñá ñư c ph parafin. m2 là kh i lư ng ch t l ng ch y ra t l thoát c a bình ño. ρcl là kh i lư ng th tích c a ch t l ng ñ ng trong bình ño. ρp là kh i lư ng th tích c a parafin, l y trung bình là 0,9g/cm3 (dao ñ ng trong kho ng 0,87 – 0,93g/cm3). V i m u ñá không ph i b c parafin, kh i lư ng th tích c a nó s ñư c tính theo công th c: m ρ= (1.26) m2 Kh i lư ng th tích m u ñá s ñư c tính b ng tr s trung bình s h c gi a hai l n ño – s sai khác gi a chúng không ñư c quá 0,02g/cm3. - Phương pháp cân thu tĩnh Phương pháp cân thu tĩnh d a trên cơ s ñ nh lu t Archimède: M t v t nhúng trong ch t nư c s b nư c ñ y t dư i lên trên v i s c ñ y b ng tr ng lư ng c a th tích nư c b v t chi m ch . 46.C¬ häc ®¸
Như v y, khi tìm ñư c s c ñ y c a nư c s xác ñ nh ñư c th tích c a v t khi ñã bi t kh i lư ng th tích c a nư c. ð xác ñ nh s c ñ y c a nư c ngư i ta dùng cân thu tĩnh (hình 1.18). Cân thu tĩnh khác v i cân k thu t là m t bên ñĩa cân treo r t cao so v i bên kia. Dư i ñáy c a bên ñĩa treo cao có g n móc ñ treo s i ch bu c ñá khi cân trong nư c, ch ph i m nh và d o. Chi u dài ch ph i tính th nào ñ khi treo, m u hoàn toàn ng p trong nư c nhưng không ñư c ch m vào ñáy bình. Cách cân cũng ti n hành như khi cân b ng cân thư ng. Cách xác ñ nh kh i lư ng th tích b ng cân thu tĩnh ti n hành như sau: Bu c m u ñá b ng s i ch m nh, d o, sao cho khi m u ng p trong nư c, ñá s không ch m vào ñáy bình. Cân m u ñá có bu c ch trong không khí ñư c kh i lư ng m. Gi nguyên ñĩa có ch a các qu cân, th m u ñá vào trong bình ch a ch t l ng (nư c c t hay d u l a… tuỳ Hình 1.18 Cân thu tĩnh theo tính ch t c a m u ñá). Do có s c ñ y Archimède, cán cân s l ch ñi. ð làm thăng b ng có th b ng 2 cách: B b t m t ít qu cân trong ñĩa ñi ho c thêm vào bên ñĩa treo cao, m t ít qu cân khác. Kh i lư ng các qu cân b t ñi hay thêm vào chính là s c ñ y c a nư c, ñư c bi u di n dư i d ng kh i lư ng, ký hi u là m1. Chia kh i lư ng cho kh i lư ng th tích c a ch t l ng, s ñư c th tích c a m u ñá. Kh i lư ng th tích m u ñá s ñư c xác ñ nh theo công th c: m m ρ= = . ρcl (1.27) m1 m1 ρ cl trong ñó: m là kh i lư ng m u ñá cân trong không khí. m1 là kh i lư ng m u ñá cân trong nư c. ρcl là kh i lư ng th tích ch t l ng. Khi dùng phương pháp cân thu tĩnh, m u ñá cũng v n có th ñư c b c parafin. Khi y, cách làm và công th c tính toán cũng s tương t như phương pháp b c parafin nhưng m u s s hơi khác m t ít. m.ρ cl .ρ p ρ= (1.28) ρ p (m1 − m 2 ) − ρ cl (m1 − m ) trong ñó: m là kh i lư ng m u ñá trong không khí. m1 là kh i lư ng m u ñá ñư c ph parafin trong không khí. m2 là kh i lư ng m u ñá ñư c ph parafin cân trong nư c. C¬ häc ®¸.47
Các ký hi u khác có ý nghĩa tương t như trong các công th c trên. Ngày nay, ñ xác ñ nh nhanh hơn, ngư i ta có th dùng cân t ñ ng, trong ñó các giá tr c a kh i lư ng m u ñá trong không khí hay trong cân thu tĩnh ñ u ñư c t ñ ng hi n s hay dùng các tia phóng x gamma phát ra t m t ngu n phóng x , qua m u ñá, t i máy dò b c x . S ph thu c gi a kh i lư ng th tích c a m u ñá v i cư ng ñ b c x qua m u, tính phóng x c a ngu n s th hi n trên bi u ñ ñ c trưng, qua ñó s xác ñ nh ñư c kh i lư ng th tích c a m u ñá. Kh i lư ng th tích c a m u ñá khi thí nghi m thư ng ñư c tính b ng g/cm3. Do trong t nhiên, m t v t có kh i lư ng là 1g thì cũng s có tr ng lư ng là 1G, nên khi nói kh i lư ng th tích c a v t là 1,7g/cm3 thì cũng có th nói ñư c ngay là tr ng lư ng th tích c a nó là 1,7G/cm3. Nhưng do ngày nay, ngư i ta không tính l c b ng G hay kG mà tính b ng N và các b i s c a nó (theo h th ng ñơn v qu c t SI) và n u l y ch n giá tr c a gia t c rơi t do b ng 10m/s2 thì có th coi 1kG = 10N và 1G/cm3 = 10kN/m3. Như v y, t kh i lư ng th tích xác ñ nh ñư c là 1,7g/cm3 s suy ra tr ng lư ng th tích c a nó là 17kN/m3 (còn n u c n chính xác, khi l y g = 9,81m/s2 thì tr ng lư ng th tích trong thí d trên s ch là 16,68kN/m3). 1.2.1.3. ð r ng và h s r ng ð r ng Trong b t kỳ lo i ñá nào cũng ñ u có l r ng và khe n t. Các l r ng này có th ñư c hình thành trong quá trình thành t o ñá (các l r ng, khe n t nguyên sinh) hay ñư c hình thành do k t qu c a các quá trình bi n ch t, tái k t tinh khác nhau (các l r ng, khe n t th sinh). Kích thư c c a các l r ng, khe n t trong ñá thay ñ i r t l n: t nh ng khe n t á mao d n có chi u r ng < 0,0002mm ñ n các khe n t r ng hàng cm hay l n hơn n a. Các l r ng, khe n t trong ñá có th d ng b t, d ng m ch hay d ng nhánh. Kích thư c, d ng và s liên h l n nhau gi a các l r ng, khe n t trong ñá s quy t ñ nh kho ng tr ng trong ñá: Các l r ng có th ăn thông v i nhau t o thành kho ng tr ng su t t m t ñá vào t n bên trong hay cũng có th là nh ng l r ng riêng bi t, không liên h v i nhau. Trong các l r ng và khe n t có th ch a các ch t khí (như không khí hay m t ch t khí nào ñó) hay các ch t l ng (như nư c, d u l a…). ð r ng c a ñá là th tích tương ñ i c a t t c các l r ng, khe n t ch a trong nó. V tr s , nó b ng t s gi a th tích c a t t c các l r ng và khe n t có trong ñá và th tích chính m u ñá ñó. Tuỳ theo d ng c a l r ng, ngư i ta chia ra: ð r ng h là th tích tương ñ i c a t t c các l r ng h (nghĩa là các l r ng ăn thông v i nhau và thông v i khí quy n). ð r ng kín là th tích tương ñ i c a t t c các l r ng kín (các l r ng không ăn thông v i nhau). 48.C¬ häc ®¸
ð r ng t ng c ng cũng thư ng ñư c g i t t là ñ r ng, là t ng c a ñ r ng kín và h . Vi c phân chia thành ñ r ng kín và h có ý nghĩa th c t r t l n: Hai lo i ñá có th có cùng m t ñ r ng, nhưng ñá có các l r ng thông v i nhau có tính ch t d n nhi t, tính th m nư c… khác nhi u so v i ñá có các l r ng kín… N u g i th tích các l r ng và khe n t trong m u ñá là Vr thì ñ r ng có th xác ñ nh b ng công th c: Vr n= . 100% (1.29) V trong ñó: n là ñ r ng c a ñá, tính b ng %. ð r ng c a ñá ph thu c ch y u vào c u t o c a ñá. Kích thư c, d ng c a h t và cách s p x p chúng v i nhau s quy t ñ nh kho ng tr ng gi a các h t và do v y s nh hư ng t i tr s c a ñ r ng. Ngoài ra, ñ r ng còn ph thu c vào áp l c ñ t lên trên ñá. Khi áp l c tăng lên, các l r ng b b p làm ñ r ng gi m ñi. Vì v y, các ñá n m dư i sâu thư ng có ñ r ng bé. Các ñá bi n ch t, magma xâm nh p thư ng có ñ r ng nh hơn so v i các lo i ñá khác. Tuỳ theo tr s c a ñ r ng mà H i ð a ch t công trình qu c t IAEG (the International Association of Engineering Geology) ñã chia ra: ðá có ñ r ng r t th p n < 1% ðá có ñ r ng th p = 1 – 5% ðá có ñ r ng trung bình = 5 – 15% ðá có ñ r ng cao = 15 – 30% ðá có ñ r ng r t cao > 30% ð i v i các lo i ñá, ñ r ng c a nó thay ñ i trong m t ph m vi khá r ng. Theo V.N. Kobranova (1957), ñ r ng c a m t s lo i ñá tr m tích có th > 35% như v i ñá vôi, ñôlômit…, t i 40% như v i cát k t, b t k t hay t i 75% như v i ñá sét k t, trong khi v i m t s lo i ñá magma như granit, ñ r ng ch < 1% hay v i ñá quarzit (ñá bi n ch t), ñ r ng cũng ch kho ng 1%. ð xác ñ nh ñ r ng c a ñá, ngư i ta có th xu t phát t ñ nh nghĩa c a nó, liên h v i m t s ch tiêu ñã xác ñ nh ñư c như tr ng lư ng th tích khô, tr ng lư ng riêng c a ñá, s tính ñư c ñ r ng, theo công th c: γc n=1- (1.30) γs Khi xác ñ nh ñ r ng h , ngư i ta có th dùng phương pháp P.Preobrazhenxki: ñem bão hoà m u ñá trong nư c sôi hay d u l a. Theo s chênh l ch kh i lư ng m u ñá trư c và sau khi bão hoà s xác ñ nh ñư c th tích các l r ng h . Th tích m u ñá thì ñư c các ñ nh b ng phương pháp cân thu tĩnh. Th c t thư ng l y m u ñá có th tích kho ng 100cm3, lau s ch b i b n r i ñem s y nhi t ñ 105 – 110oC, cho t i khi cân ñư c kh i lư ng không ñ i m. ðem bão hoà nư c b ng nư c sôi (khi m u không ch u tác ñ ng c a nư c) hay b ng d u l a (khi m u b hoà tan trong nư c). ð m u ñư c hoàn toàn bão hoà, ph i C¬ häc ®¸.49
ñ t c c ch a nư c hay d u l a có m u ñá trong vào bình chân không kho ng 0,5 – 1h. Sau khi ñã bão hoà, ñem cân m u trên cân thu tĩnh, ñư c kh i lư ng m1. L y m u ra kh i cân, lau khô m u và ñem cân trong không khí, ñư c kh i lư ng m2. ð r ng h c a m u ñá s ñư c xác ñ nh theo công th c: m2 − m nh = . 100% (1.31) m 2 − m1 H s r ng H s r ng là t s gi a th tích các l r ng và khe n t trong ñá và th tích ph n c ng c a nó. H s r ng thư ng ký hi u là e và tính b ng s th p phân. V e= r (1.32) Vs ð xác ñ nh h s r ng, ngư i ta có th tính toán theo các công th c liên h v i ñ r ng hay v i tr ng lư ng riêng và tr ng lư ng th tích khô c a ñá: n e= (1.33) 1- n γs e= và: -1 (1.34) γc 1.2.1.4. M t s ch tiêu liên quan ñ n pha l ng c a ñá Trong các khe n t và l r ng c a ñá thư ng ch a nư c. Lư ng nư c này ph thu c vào ñi u ki n thành t o ñá. ðá magma hay bi n ch t ñư c thành t o trong ñi u ki n nhi t ñ cao, áp su t l n nên thư ng ch a r t ít nư c (ch kho ng 1%). Các ñá tr m tích ch a nư c nhi u hơn và lư ng nư c trong ñá ph thu c vào ñ l n c a h t và ñ ch t c a ñá. ð ñ c trưng cho s có m t c a nư c trong ñá, ngư i ta ñưa ra m t s ch tiêu sau: ð m c a ñá là t s gi a tr ng lư ng (kh i lư ng) c a nư c ch a trong ñá và tr ng lư ng (kh i lư ng) c a m u ñá khô tuy t ñ i. ð m c a ñá thư ng ñư c ký hi u là W, tính b ng %: Q W = n . 100% (1.35) Qs ð xác ñ nh ñ m c a ñá, ngư i ta l y kho ng 3 – 5 viên ñá, kh i lư ng > 200g. Ch i s ch b i trên m u và ñem cân v i ñ chính xác ñ n 0,01g; ñư c kh i lư ng m1. ðem s y khô nhi t ñ 105 – 110oC cho t i kh i lư ng không ñ i. ð t m u vào bình hút m, ñ ngu i r i cân m u ñã s y khô, chính xác t i 0,01g, ñư c kh i lư ng m. ð m c a ñá s ñư c tính theo công th c: m1 − m W= . 100% (1.36) m 50.C¬ häc ®¸
Tr s c a ñ m s ñư c tính theo tr s trung bình s h c c a các m u thí nghi m. ð hút m c a ñá là t s gi a lư ng nư c mà ñá có th hút và gi l i trong các l r ng và khe n t c a nó ñi u ki n khí quy n bình thư ng và tr ng lư ng m u ñá khô tuy t ñ i. ð hút m c a ñá thư ng ký hi u là Wh , cũng ñư c tính b ng %. Q Wh = h . 100% (1.37) Qs trong ñó: Qh là lư ng nư c mà ñá có th hút ñư c và gi l i trong nó. ð xác ñ nh ñ hút m, ngư i ta l y kho ng 3 – 5 viên ñá, kh i lư ng > 200g. Ch i s ch b i trên m u và ñem s y khô nhi t ñ 105 – 110oC t i kh i lư ng không ñ i. ð t vào bình hút m, ñ ngu i r i cân m u ñã s y khô chính xác t i 0,01g, ñư c kh i lư ng m. ð t m u vào khay, cho nư c ng p t i 1/3 chi u cao m u thí nghi m. Sau 24h, cho nư c ng p ñ n 2/3 chi u cao m u và sau 24h n a, cho nư c ng p toàn b m u. Chi u cao m t nư c không quá 2cm so v i chi u cao m t trên c a m u. Ngâm m u t i khi ñ t ñư c kh i lư ng không ñ i. Lau khô, cân m u chính xác t i 0,01g, ñư c kh i lư ng mh. ð hút m c a ñá s ñư c tính theo công th c: mh − m Wh = . 100% (1.38) m ð hút m bão hoà c a ñá là t s gi a lư ng nư c mà ñá có th hút và gi l i trong các l r ng và khe n t c a nó ñi u ki n chân không hay dư i m t áp l c nào ñó và tr ng lư ng c a m u ñá khô tuy t ñ i. Trong chân không hay dư i m t áp l c nào ñó, các l r ng và khe n t h u như ñư c l p ñ y nư c – m u ñá tr ng thái bão hoà hoàn toàn. Ch tiêu này, trong các tài li u cũ, cũng g i là ñ m toàn ph n. ð hút m bão hoà ñư c ký hi u là Wbh và cũng tính b ng %. Q bh Wbh = . 100% (1.39) Qs trong ñó: Qbh là lư ng nư c l p ñ y các l r ng, khe n t. ð xác ñ nh ñ hút m bão hoà c a ñá, ngư i ta có th dùng phương pháp chân không hay phương pháp ñun sôi. Trong phương pháp chân không, m u ñư c s y khô 105 – 110oC t i kh i lư ng không ñ i, ñ t vào bình hút m, ñ ngu i r i ñem cân chính xác t i 0,01g, ñư c kh i lư ng m. Cho m u vào bình chân không, m máy hút chân không cho t i khi áp su t c t thu ngân ch còn 4 – 5mm trong 14h. Cho nư c vào ng p m u và ti p t c m máy chân không kho ng 1 – 2h n a cho t i khi m t ngoài c a m u không còn b t khí. Cho không khí l t vào bình, sau 24h, l y m u ra, lau khô m t ngoài và cân chính xác t i 0,01g, ñư c kh i lư ng mbh. C¬ häc ®¸.51
Trong phương pháp ñun sôi, sau khi ñã s y khô m u và ñem cân, ñ t m u vào n i, ñ nư c ng p ñ n 0,9 chi u cao c a m u và gi yên như v y sau 24h, ñ nư c ng p m u và ñun sôi trong 4h r i ñ ngu i. Sau 24h, l y m u ra, lau s ch m t ngoài và cân chính xác t i 0,01g, ñư c kh i lư ng mbh. ð hút m bão hoà c a ñá ñư c tính theo công th c: m bh − m Wbh = . 100% (1.40) m Ngoài các ch tiêu trên, cũng c n phân bi t chúng v i m t s ch tiêu ñôi khi cũng ñư c dùng khi nghiên c u ñá là ñ bão hoà. ð bão hoà c a ñá ñư c xác ñ nh b ng t s gi a th tích nư c có trong các l r ng và khe n t và chính th tích c a chúng. Vn Sr = (1.41) Vr trong ñó: Sr là ñ bão hoà c a ñá. Vn là th tích nư c có trong các l r ng và khe n t. tr ng thái bão hoà hoàn toàn, Sr = 1. ð bão hoà thư ng ñư c xác ñ nh m t cách gián ti p qua các công th c xác l p quan h gi a các ch tiêu v i nhau. Thí d : W Sr = (1.42) Wbh ∆W(1 - n) hay S r = (1.43) n ð m làm gi m ñ b n c a ñá. Th c nghi m ñã th y là khi b no nư c, ñ b n nén m t tr c c a ñá ñã gi m ñi t 1,45 – 3,05 l n so v i m u ñá tr ng thái khô gió. Nh t là v i các ñá y u như b t k t, sét k t thì vi c gi m này l i càng m nh. ð m làm tăng tr ng lư ng th tích, ñ bi n d ng và tính d n ñi n… c a ñá, nên khi tính toán, thi t k công trình ph i tính ñ n s thay ñ i c a ñá khi ch u nh hư ng c a nư c. Theo Grisvan, tr s ñ m c a m t vài lo i ñá có th th y trong b ng 1.4. B ng 1.4 Tên ñá ð m W, % ð hút m bão hoà Wbh , % Granit 0,74 1,31 Bazan 0,27 0,39 52.C¬ häc ®¸
ðá vôi ch t 0,74 0,92 ðá vôi x p 5,39 10,70 Cát k t 7,01 11,99 1.2.1.5.Quan h gi a các ch tiêu ñ c trưng cho hàm lư ng các pha trong ñá Gi a các ch tiêu ñã nêu trên ñ c trưng cho hàm lư ng các pha trong ñá có nh ng m i quan h ñư c thi t l p qua các công th c liên h gi a chúng. B ng phương pháp bi n ñ i toán h c ñơn gi n t nh ng công th c theo ñ nh nghĩa ban ñ u, ngư i ta ñã ch ng minh ñư c r t nhi u công th c th hi n s ph thu c l n nhau gi a các ch tiêu ñã nêu trên. Vì v y, d a vào m t vài ch tiêu ñã xác ñ nh ñư c, ngư i ta có th tính ra ñư c các ch tiêu khác theo các công th c ñó. Ngoài các công th c ñã nêu trên, trong các bài toán cơ h c ñá, ngư i ta còn thư ng s d ng m t s công th c, ñư c tóm t t trong b ng 1.5. B ng 1.5 γ = γs (1 – n) (1 + W) γ = γs (1 – n) + nSr γn γ γc = 1+ W γ γc = s 1+ e γñn = (1 – n) (γs – γn ) γñn = γnn – γn γnn = (1 – n) γs + nγn ∆+e γnn = γn 1+ e e n= 1+ e W∆ Sr = e γ .W Sr = c n.γ n 1.2.2. TÍNH CH T CƠ H C Tính ch t cơ h c là m t lo i tính ch t v t lý, xu t hi n trong các quá trình cơ h c do t nhiên hay c u t o bên trong c a ñá gây ra, ñ c trưng cho kh năng ch ng l i s bi n d ng và phá hu ñá dư i tác d ng c a các lo i ngo i l c. C¬ häc ®¸.53
Tính ch t cơ h c c a ñá ñư c th hi n qua các ch tiêu tính ch t cơ h c. Chúng là các thông s c a các các mô hình cơ h c cơ b n khác nhau. Tuỳ theo d ng c a mô hình mà ngư i ta chia thành các nhóm ch tiêu ñ c trưng cho ñ b n, cho tính ch t bi n d ng, cho tính ch t lưu bi n, cho tính ch t ñ ng l c hay công ngh … Tính ch t cơ h c c a ñá có th ñư c nghiên c u b ng phương pháp thí nghi m ñi u ki n t nhiên, thí nghi m trên mô hình hay tính toán b ng các phương pháp gi i tích. Phương pháp ñ u tiên ñáng tin c y hơn c nhưng không ph i lúc nào cũng th c hi n ñư c. Phương pháp th hai kém tin c y nhưng d làm hơn, nó d a trên cơ s lý thuy t tương t và mô hình trong cơ h c và ñư c áp d ng r ng rãi khi nghiên c u trong phòng thí nghi m. Phương pháp cu i cùng kém chính xác nh t nhưng cũng l i d làm nh t.. 1.2.2.1. ð b n ð b n c a ñá là kh năng ch ng l i s phá hu c a nó dư i tác d ng c a ngo i l c. S phá hu là hi n tư ng x y ra khi bi n d ng làm phá v các m i liên k t trong v t, v t b chia làm hai hay nhi u m nh. Ngư i ta chia ra: Phá hu giòn x y ra khi v t b phá hu do tác d ng c a ngo i l c mà không th y có bi n d ng d o. d ng phá hu này, năng lư ng b m t mát ít nh t và t c ñ phá hu g n b ng t c ñ âm thanh. Kéo ñ t là d ng phá hu x y ra khi có s gi m ti t di n m u t i kích thư c bé nh t r i m u b ñ t. Phá hu d o là d ng phá hu trung gian c a hai d ng phá hu trên v i ñ c ñi m là bi n d ng d o r t l n, th y rõ trên m t phá hu . ð b n c a ñá ñư c ñ c trưng b ng tr s ng su t gi i h n sinh ra t i ti t di n nguy hi m c a nó khi b phá hu b ng tác d ng c a các lo i ngo i l c khác nhau. Tuỳ theo d ng ngo i l c mà ngư i ta có th xác ñ nh ñ b n khi nén, khi kéo, khi c t, khi u n… trong các tr ng thái ng su t ñơn gi n hay ñ b n khi nén 3 tr c trong tr ng thái ng su t th tích. M t s ñ c ñi m v ñ b n c a ñá - ð b n c a ñá ph thu c vào nhi u y u t . Có r t nhi u y u t ph thu c vào ñ b n c a ñá, nhưng nói chung có th chia làm 2 nhóm: + Nhóm các y u t v b n ch t. Trong nhóm này ph i k ñ n thành ph n khoáng v t, các ñ c ñi m v ki n trúc và c u t o c a ñá, tính không ñ ng nh t, tính d hư ng, tính ch t n t n , ñ m c a ñá… + Nhóm các y u t liên quan ñ n k thu t công ngh xác ñ nh ñ b n c a ñá như tính năng c a các thi t b thí nghi m, ñi u ki n ti p xúc gi a m u và t m ñ m c a máy, cách th c tăng t i và t c ñ tăng t i, các cách gia công d ng và m t m u thí nghi m… Do ch u nh hư ng c a nhi u y u t khác nhau nên khi xác ñ nh ñ b n, ngư i ta luôn mong mu n chu n hoá m u, thi t b và ñi u ki n thí nghi m. ði u ñó gi i thích cho các quy ñ nh nghiêm ng t khi xác ñ nh ñ b n ñá sau này cũng như vi c 54.C¬ häc ®¸
phân tán c a các k t qu thí nghi m xác ñ nh ñ b n c a ñá b ng các phương pháp khác nhau. - S sai khác gi a ñ b n lý thuy t và ñ b n th c t c a ñá: ð b n lý thuy t là ñ b n c a s liên k t gi a các ph n cơ b n n m trong m ng tinh th lý tư ng. G.X. Zhñanov ñã tính toán ñ b n lý thuy t c a tinh th mu i ăn NaCl d a trên cơ s xác ñ nh l c F tác d ng ñ phá hu m ng tinh th . Trong m ng, m t y u nh t là m t mà hai bên c a nó có các ion ñ i d u liên ti p. L c F s ph i th ng ñư c l c h p d n tương h gi a các ion n m g n nhau nh t hai bên m t có th b kéo ñ t. Theo ñ nh lu t tĩnh ñi n, l c hút c a các ion có th xác ñ nh theo công th c: e2 F= (1.44) r2 e là tr s ñi n tích b ng 4,8.10-8 CGSE (tính trong h CGS) hay trong ñó: b ng 1,6 . 10-9C (trong h SI). r là kho ng cách gi a các ion âm và dương g n nhau nh t trong m ng tinh th NaCl và b ng 2,8.10-8cm. Trong di n tích 1cm2 c a m t m ng tinh th , s c p ion s là: 1 N= (1.45) r2 Vì v y ñ b n lý thuy t c a m ng tinh th s là: e2 e2 1 P = NF = 2 x 2 = 4 (1.46) r r r Thay các giá tr c a e và r ñã nêu trên vào công th c (1.46) s ñư c P = 30.000MPa, m t giá tr mà trong th c t không th nào ñ t t i ñư c. Khi xác ñ nh ñ b n th c t c a tinh th mu i ăn, giá tr thu ñư c r t nh , thư ng ch b ng 1/6000 c a giá tr ñ b n lý thuy t. L.A. Sreyner ñã thí nghi m và th y là s sai khác gi a ñ b n lý thuy t và ñ b n th c t c a thép là 4.500 l n, c a thi c là 2.000 l n, c a th ch anh là 90 l n. ð gi i thích s sai khác quá l n gi a ñ b n lý thuy t và ñ b n th c t , ngư i ta cho r ng trong các tinh th ñã không có s hoàn h o v c u t o – nghĩa là có nh ng khuy t t t. Theo R. Thompson, thì nh ng khuy t t t này có th là: + Dao ñ ng nhi t: nhi t ñ thư ng, các phân t nút m ng dao ñ ng không ñi u hoà v i biên ñ b ng kho ng 5 – 10% kho ng cách gi a các nguyên t . Do v y, các ph n t có m t ñ ng năng nh t ñ nh. Nhi t ñ càng cao, s dao ñ ng càng tăng và ñ ng năng càng l n. ð ng năng này c ng v i th năng do s tương tác C¬ häc ®¸.55
gi a các ph n t s làm tăng kho ng cách cân b ng gi a chúng, m ng b n ra và khi ñ l n có th phá hu m ng tinh th . + Khuy t t t t i m t ñi m: Lo i khuy t t t này có th là do thi u nút trong m ng tinh th , hay s d ch chuy n c a các ion, nguyên t làm nút l ch kh i v trí cân ñ i ban ñ u, hay có nh ng nút l v i kích thư c l n hơn ho c nh hơn kích thư c nguyên t hay ion các nút khác. Các khuy t t t này làm méo m ng và y u m ng t ng ñi m. + Khuy t t t theo m t ñư ng: Lo i khuy t t t này do nhi u ñi m khuy t t t liên ti p h p thành. D ng ñơn gi n nh t là bi n d ng mép m ng t o thành g xù xì hay m ng b xo n do các l p trong m ng b trư t. + Khuy t t t b m t: Nhi u ñư ng khuy t t t s t o thành khuy t t t b m t. M t v t r n có th coi như m t khuy t t t c a c u trúc tinh th vì các h t n m trên v t r n có tr ng thái năng lư ng khác v i nh ng h t n m bên trong v t r n. Khuy t t t b m t làm gi m ñ b n c a v t r n r t nhi u. a) a) b) c) Các lo i Hình 1.19. khuy t t t t i m t ñi m. a) Thi u nút; b) L ch nút; c) Có nút l . Trong 1cm c a c u t o tinh th , s lư ng khuy t t t là kho ng 102 – 1012. ði u 2 này càng gi i thích rõ s sai khác quá nhi u gi a ñ b n lý thuy t và ñ b n th c t c a v t r n. - Hi u ng t l Khi thí nghi m ñ b n c a các m u ñá cùng m t lo i, cùng m t d ng m u nhưng kích thư c khác nhau thì các k t qu thu ñư c cũng không như nhau. S ph thu c c a ñ b n c a các m u ñá cùng m t lo i có cùng m t d ng hình h c vào kích thư c khác nhau c a chúng g i là hi u ng t l . Nói chung, th c nghi m ñã ch ng t là khi kích thư c m u càng l n thì ñ b n c a nó càng gi m. Nh ng k t qu thí nghi m c a E.I. Il’nixhkaja (1962), J. Bernaix (1967), E. Hoek và E. Brown (1980)… ñã ch ng minh ñi u ñó và s ph thu c gi a ñ b n c a các m u có kích thư c khác nhau ñã ñư c th hi n b ng các công th c th c nghi m, như c a J. Bermaix: n L  σ = σo o  (1.47) L 56.C¬ häc ®¸
σ là ñ b n c a m u có kích thư c ñ c trưng (ñư ng kính ch ng trong ñó: h n) là L. σo là ñ b n c a m u có kích thư c ñ c trưng là Lo. n là ch s mũ, thay ñ i t 0,1 – 0,5 ph thu c vào tính ch t n t n c a ñá. J. Bernaix ñã làm thí nghi m v i nhi u lo i ñá và k t qu ñư c th hi n trên hình 1.20. lgσ,σkG/cm2 2 lg .kg / cm 1 3 2 3 4 7 6 9 5 8 12 11 10 0 0.5 1 1.5 lgL, cm - 0,5 Hình 1.20. S ph thu c c a ñ b n các lo i ñá vào kích thư c m u. 1. ðá gneis ch a biotit (n= 0,12); 7. Sét ñ b n trung bình (n=0,25). 2. ðá vôi (n = 0,12) ; 8. ðá gneis (n = 0,56) ; 3. ðá gneis (n = 0,34) ; 9. Sét khô giòn (n = 0,457) ; 4. ðá n t n (n = 0,27) ; 10. Bê tông (n = 0,1) ; 5. ðá n t n (n = 0,52) ; 11. ðá hoa (n = 0,07) ; 6. Cát k t phân l p (n = 3); 12. Th ch cao (n = 0,12). E. Hoek và E. Brown cũng ñưa ra công th c kinh nghi m có d ng tương t như công th c c a J. Bernaix, nhưng ch s mũ là 0,18. L.A. Sreyner ñã ñưa ra công th c: a σ'n = + σn (1.48) l σ’n là ñ b n nén c a m u có kích thư c l. trong ñó: a là h ng s . σn là ñ b n nén c a m u có kích thư c tương ñ i l n, có th b qua hi u ng t l . C¬ häc ®¸.57
Ngư i ta ñã gi i thích hi n tư ng hi u ng t l b ng lý thuy t th ng kê hay lý thuy t năng lư ng: ð b n c a v t r n (trong ñó có ñá) là ñ b n c a ph n y u nh t, nghĩa là c a các ph n khuy t t t trong v t. Kích thư c m u càng l n thì xác su t xu t hi n các khuy t t t càng nhi u. Vì v y, v i các m u kích thư c l n, ñ b n c a nó thư ng nh hơn so v i các m u có kích thư c nh . Tuy nhiên, trong th c t ñôi khi cũng có trư ng h p khi tăng kích thư c m u ñá thí nghi m thì ñ b n c a chúng cũng tăng theo. Hi n tư ng này ñã ñư c M.I. Koyfman gi i thích là do s phá hu l p b m t khi gia công m u. Khi ch t o m u thí nghi m thư ng làm phá hu l p m t ngoài c a m u. Kích thư c m u càng l n thì vùng b phá hu b m t trong toàn b m u càng nh và do v y, ñ b n c a m u s cao hơn ñ b n c a m u kích thư c bé mà trong ñó b m t c a m u ñã b phá hu r t nhi u. Các lý thuy t v ñ b n: Vi c nghiên c u v ñ b n c a v t li u (trong ñó có ñá) thư ng ñư c ti n hành trong các ñi u ki n tiêu chu n. Nhưng trong th c t , dư i tác d ng c a ngo i l c, v t li u làm vi c và b phá hu m t tr ng thái ng su t hoàn toàn khác, ph c t p hơn (như trư ng h p ch u tác d ng c a các ng su t chính σ1, σ2 và σ3 ). ð ñánh giá ñ b n c a v t r n trong các tr ng thái ng su t ph c t p b t kỳ, ngư i ta ph i nêu ra các gi thuy t khác nhau ñ gi i thích nguyên nhân, cơ ch xu t hi n tr ng thái ng su t nguy hi m d n t i s phá hu v t li u. Khi tr ng thái nguy hi m, ng su t trong v t ñã ñ t t i giá tr gi i h n. Quá giá tr này, v t li u s b phá hu . Nh ng gi thuy t như v y ñư c g i là các lý thuy t v ñ b n và sau này cũng ñư c coi là các tiêu chu n b n c a v t r n ñư c th hi n dư i d ng m t phương trình ñ bi u di n ñi u ki n phá hu dư i tác d ng c a các ng su t khác nhau. Cho t i nay, ñã có t i 20 thuy t b n khác nhau. Dư i ñây ch nêu ra m t s thuy t b n thư ng ñư c s d ng trong tính toán cơ h c ñá. - Thuy t ng su t pháp l n nh t ðây là lý thuy t c ñi n nh t, có t th i L. De Vinci; G. Galilee (th k XVI) và sau này ñư c W. Rankine nêu ra: Tr ng thái ng su t gi i h n ñ t ñư c khi m t trong các ng su t chính ñ t t i tr s gi i h n; nghĩa là s phá hu v t do ng su t pháp l n nh t gây ra: σmax = σ1 ≤ [σ ] (1.49) trong ñó: σ1 = σmax là m t trong các ng su t l n nh t. [σ ] là ng su t cho phép c a v t li u. Trong trư ng h p ch u kéo, ñá s b phá hu khi ng su t chính nh nh t, v giá tr b ng v i ñ b n kéo c a nó: σ3 = – σk (1.50) Như c ñi m chính c a thuy t này là ñã không k ñ n nh hư ng c a các thành ph n ng su t chính khác t i s phá hu . M t khác, thuy t này ñã không gi i thích ñư c nh ng k t qu thí nghi m th c t : m u ñá b phá hu khi ng su t nh hơn ng su t gi i h n r t nhi u khi nén m t tr c hay khi tr ng thái ng su t th tích, ng su t phá hu m u l i l n hơn ng su t gi i h n r t nhi u. 58.C¬ häc ®¸