Xác định mô đul đàn hồi và mô đul dẻo của đá granodiorit phức hệ Định Quán ở mỏ đá Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận bằng đường cong ứng suất - biến dạng của thí nghiệm nén một trục

Chia sẻ: Dạ Thiên Lăng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo ""Xác định mô đul đàn hồi và mô đul dẻo của đá granodiorit phức hệ Định Quán ở mỏ đá Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận bằng đường cong ứng suất - biến dạng của thí nghiệm nén một trục trình bày kết quả thí nghiệm nén một trục cho các mẫu đá granodiorit thuộc phức hệ Định Quán được lấy từ mỏ đá Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận. Kết quả đo ứng suất ~ biến dạng được tiến hành bằng các đầu đo lực Load cell và đầu đo biến dạng LVDT. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Xác định mô đul đàn hồi và mô đul dẻo của đá granodiorit phức hệ Định Quán ở mỏ đá Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận bằng đường cong ứng suất - biến dạng của thí nghiệm nén một trục

562 666 Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ XI, Hà Nội, 02-03/12/2022 Xác định mô đul đàn hồi và mô đul dẻo của đá granodiorit phức hệ Định Quán ở mỏ đá Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận bằng đường cong ứng suất - biến dạng của thí nghiệm nén một trục Phạm Quốc Tuấn1,2*, Nguyễn Sỹ Ngọc2 1 Công ty TNHH Tư vấn Đầu tư Xây dựng Điện lực 2 Hội Cơ học đá Việt Nam *Email: Tuanpq81@gmail.com Tóm tắt. Nén một trục là một phương pháp được dùng phổ biến trong Cơ học đá, khi cần xác định mô đul đàn hồi E của mẫu đá. Tuy nhiên, mô đul dẻo D chỉ xác định được khi ghi nhận được đường cong ứng suất ~ biến dạng bằng thí nghiệm nén một trục. Bài báo này trình bày kết quả thí nghiệm nén một trục cho các mẫu đá granodiorit thuộc phức hệ Định Quán được lấy từ mỏ đá Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận. Kết quả đo ứng suất ~ biến dạng được phân tích thống kê, lập các phương trình quan hệ giữa độ bền nén một trục 𝜎𝜎 𝑛𝑛 , mô đul đàn hồi tiến hành bằng các đầu đo lực Load cell và đầu đo biến dạng LVDT. Kết quả thí nghiệm được E, mô đul dẻo D, hệ số dẻo P, … Từ khóa: Thí nghiệm nén một trục, mô đul đàn hồi, mô đul dẻo, phức hệ Định Quán, granodiorit, hệ số Poisson, đầu đo LVDT… 1. Mở đầu Nén một trục là một trong những thí nghiệm quan trọng nhất và phổ biến nhất trong Cơ học đá. Các kết quả thu thập từ thí nghiệm nén một trục được xây dựng thành một bộ thông số phục vụ cho quá trình thiết kế, phân tích và mô hình số các hệ thống khối đá và công trình. Thí nghiện nén một trục để xác định độ bền nén một trục và mô đul đàn hồi của đá được trình bày trong tiêu chuẩn của Hội Cơ học đá Quốc tế ISRM, 1979, 1981, 2014., [1,2,3]. Đường cong ứng suất ~ biến dạng của đá đã được rất nhiều các nhà Cơ học đá nghiên cứu, tiêu biểu như của Fairhurst C.E., và J.A. Hudson, 1999, [4], của các nhà Cơ học đá Liên Xô (cũ) và Nga như Kuznexhov G.N.[5], Bulưchev N.X. [6], …. Dưới đây trình bày tổng quan về đặc điểm đường cong ứng suất- biến dạng, [7]. Đường cong ứng suất - biến dạng được xác định bằng thí nghiệm nén các mẫu đá trong trạng thái nén một trục hay nén ba trục. Trong quá trình thí nghiệm, người ta ghi được tải trọng nén và tương ứng
563 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun dẻo của đá bằng phương pháp thí nghiệm nén một trục 667 suất 𝜎𝜎 - biến dạng tương đối 𝜀𝜀 . Hình 1 thể hiện đường cong 𝜎𝜎~𝜀𝜀 trong thí nghiệm nén một trục (theo với nó là biến dạng tuyệt đối theo phương dọc và ngang của mẫu, từ đó xác lập được đường cong “ứng Goodman, 1989). D Hình 1: Đường cong ứng suất biến dạng hoàn chỉnh trong quá trình thí nghiệm nén một trục (theo 1.1. Vùng biến dạng tuyến tính, mô đul đàn hồi E, hệ số Poisson 𝝂𝝂 Goodman, 1989), [8]. Các đoạn AB trên Hình 1 rất gần với đường thẳng, nhưng khi tăng và giảm tải, sự thay đổi cấu trúc hoặc tính chất của đá là không thuận nghịch. Tuy vậy, trong thực tế ứng dụng, vùng AB được xem như vùng biến dạng đàn hồi. Tại đây, biến dạng đàn hồi trong các tinh thể phát sinh do sự biến hình của các mạng tinh thể mà không phá huỷ cấu tạo chung của chúng. Đá nằm trong trạng thái đàn hồi nếu ứng suất trong nó chưa đạt đến một giới hạn được gọi là giới hạn đàn hồi (elastic limit). Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng tuyến tính (đoạn AB), biểu diễn trên hệ toạ độ Descartes, được thể hiện bởi định luật 𝜀𝜀 𝑥𝑥 𝜎𝜎 𝑥𝑥 Hooke mở rộng như ở công thức (1): 1 −𝜈𝜈 −𝜈𝜈 0 0 0 𝜀𝜀 𝑦𝑦 −𝜈𝜈 1 −𝜈𝜈 0 0 0 𝜎𝜎 𝑦𝑦 � � � � � 𝜎𝜎𝑧𝑧 � (1) 𝜀𝜀 𝑧𝑧 1 −𝜈𝜈 −𝜈𝜈 1 0 0 0 𝛾𝛾𝑥𝑥𝑥𝑥 = 𝐸𝐸 0 0 0 2(1 + 𝜈𝜈) 0 0 × 𝜏𝜏 � � � � � 𝜏𝜏 � 𝑥𝑥𝑥𝑥 𝛾𝛾𝑥𝑥𝑥𝑥 0 0 0 0 2(1 + 𝜈𝜈) 0 𝑥𝑥𝑥𝑥 𝛾𝛾𝑦𝑦𝑦𝑦 0 0 0 0 0 2(1 + 𝜈𝜈) 𝜏𝜏 𝑦𝑦𝑦𝑦 trong đó: 𝜎𝜎 x , 𝜎𝜎 y , 𝜎𝜎z, 𝜏𝜏 xy , 𝜏𝜏 xz , 𝜏𝜏 zy 𝜀𝜀 x , 𝜀𝜀 y , 𝜀𝜀 z là các ứng suất pháp tuyến, tiếp tuyến và biến dạng dài tương đối, thành phần; 𝛾𝛾 xy , 𝛾𝛾 xz , 𝛾𝛾 zy là các biến dạng trượt tương đối, E, 𝜈𝜈 là mô đul Young và hệ số R R R R R R R R R R R Poisson, được coi là những hằng số. 1.2. Vùng biến dạng phi tuyến, mô đul dẻo D và độ bền nén Vùng BC trên Hình 1, thường bắt đầu ở khoảng 2/3 của giá trị cực đại ở đá giòn và khoảng 1/3 - ở đá dẻo [ 8, 9], có độ dốc của đường cong giảm dần đến không tương ứng với sự gia tăng ứng suất. Trong
564 668 Phạm Quốc Tuấn, Nguyễn Sỹ Ngọc đoạn BC, đá ứng xử như một vật thể đàn-dẻo [10], E và 𝜈𝜈 không còn là hằng số nữa mà thay đổi phụ thuộc vào trạng thái của ứng suất. Có nhiều phương pháp để mô phỏng quan hệ ứng suất- biến dạng phần: biến dạng đàn hồi 𝜀𝜀 và biến dạng dẻo 𝜂𝜂 và thể hiện chúng như sau: trong đoạn phi tuyến này. Kuznexhov [5] mô hình hoá biến dạng phi tuyến e của đoạn BC gồm hai thành e x = ε x +η x e xy = γ xy +η xy (2) e y = ε y +η y e xz = γ xz +η xz e z = ε z +η z e zy = γ zy +η zy Các thành phần 𝜀𝜀 x , 𝜀𝜀 y , 𝜀𝜀 z , 𝛾𝛾 xy , 𝛾𝛾 xz , 𝛾𝛾 zy - được xác định theo công thức (1), các thành phần tương ứng của 𝜂𝜂 được xác định theo công thức, như sau: R R R R R R 𝜂𝜂 𝑥𝑥 1 −𝜈𝜈 ∗ −𝜈𝜈 ∗ 0 0 0 𝜎𝜎 𝑥𝑥 𝜂𝜂 𝑦𝑦 −𝜈𝜈 ∗ 1 −𝜈𝜈 ∗ 0 0 0 𝜎𝜎 𝑦𝑦 � � �−𝜈𝜈 ∗ � � 𝜎𝜎 � (3) 𝜂𝜂 𝑧𝑧 −𝜈𝜈 ∗ 1 0 0 0 𝜂𝜂 𝑥𝑥𝑥𝑥 = 𝐷𝐷 0 × 𝜏𝜏 1 𝑧𝑧 0 0 2(1 + 𝜈𝜈 ∗ ) 0 0 � � � � � 𝜏𝜏 � 𝑥𝑥𝑥𝑥 𝜂𝜂 𝑥𝑥𝑥𝑥 0 0 0 0 2(1 + 𝜈𝜈 ∗ ) 0 𝑥𝑥𝑥𝑥 𝜂𝜂 𝑦𝑦𝑦𝑦 0 0 0 0 0 2(1 + 𝜈𝜈 ∗) 𝜏𝜏 𝑦𝑦𝑦𝑦 trong đó, D là mô đul dẻo. Mối quan hệ giữa mô đul đàn hồi và mô đul dẻo được xác định theo kết quả thí nghiệm nén, được xác định qua công thức như sau: trong đó: P là hệ số dẻo, xác định được từ đường cong 𝜎𝜎~𝜀𝜀. D = E/P (4) Khi tiếp tục tăng tải, đường cong 𝜎𝜎~𝜀𝜀 tiến đến điểm C, điểm cực đại của đường cong ứng suất -biến dạng và tương ứng với độ bền nén 𝜎𝜎 𝑛𝑛 của đá. 1.3. Vùng sau giới hạn bền, độ bền tới hạn Đoạn CD trên Hình 1 đặc trưng bởi đường cong có góc dốc âm, tg của góc này được gọi là mô đul độ cứng [11]. Vùng CD là đặc thù của trạng thái giòn. Khi đường cong tiến tới điểm D, biến dạng tăng trị ứng suất được gọi là độ bền tới hạn (ultimate strength) 𝜎𝜎 ult . nhanh đột biến, đá bị phá huỷ. ứng suất tại điểm D được gọi là ứng suất tới hạn (confining stress), giá R 2. Giới thiệu điều kiện địa chất khu vực lấy mẫu thí nghiệm : Các phức hệ Định Quán (Huỳnh Trung và nnk., 1979; 1980), [12] được xác lập trong quá trình lập bản đồ địa chất tỷ lệ 1/500.000 phần miền Nam. Về sau, khi tổng hợp để thành lập Bản đồ địa chất Việt Nam tỷ lệ 1/500.000, phức hệ Định Quán được ghép chung vào phức hệ Ankroet thành phức hệ Ankroet – Định Quán [Trần Đức Lương, Nguyễn Xuân Bao và nnk, 1988]. Gần đây, Nguyễn Xuân Bao và nnk. [2000], [13] lại ghép phức hệ Định Quán vs phức hệ Đèo Cả dưới tên gọi “loạt magma Định Quán – Đèo Cả”.
565 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun dẻo của đá bằng phương pháp thí nghiệm nén một trục 669 Mẫu đá thí nghiệm được lấy ở mỏ đá xã Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận, và một số mỏ khác ở trong vùng. Kết quả phân tích thạch học được thấy trong hình 2 (theo kết quả phân tích của viện Địa chất – Khoáng sản). Hình 2: Kết quả phân tích thạch học mẫu TL-01, lấy từ phức hệ Định Quán, mỏ đá xã Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận Kết quả cho thấy mẫu đá TL-01 là đá granodiorit dạng porphyr là một loại đá granit nhưng sẫm màu hơn đá granit vì chúng có chứa thành phần Felspat kali khá cao. 3. Kết quả thí nghiệm nén môt trục của mẫu đá tại mỏ đá xã Gia Huynh, huyện Tánh Linh, tỉnh Bình Thuận Hai mẫu TL-01, TL-02, cũng như một số mẫu đá khác, đã được gia công chế tạo theo đúng các quy định hiện hành để thí nghiệm nén mẫu (hình 3, hình 4).
566 670 Phạm Quốc Tuấn, Nguyễn Sỹ Ngọc Hình 3: Khối đá còn lại sau khi khoan rút lõi, gia công mẫu thí nghiệm Hình 4: Mẫu TL-01, TL-02 được gia công chế tạo xong Hình 5 là hình ảnh mẫu bị phá hoại trên khung máy nén PEIC- Hercules -2000, do công ty TNHH Tư vấn Đầu tư Xây dựng Điện lực xây dựng và phát triển cùng các đối tác Việt Nam, tải trọng nén lớn nhất là 2000kN, bộ đo DAQ bao gồm: 3 đầu đọc LVDT có khoảng đo từ 0 -:-20mm, 2 đầu đọc lá điện trở strain gause, 1 đầu đo lực load cell, điều khiển thí nghiệm bằng phần mềm máy tính. Hình 5: Mẫu TL-01, TL-02 bị phá hủy sau thí nghiệm nén một trục trên khung máy nén PEIC- Hercules -2000
567 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun dẻo của đá bằng phương pháp thí nghiệm nén một trục 671 Sau thí nghiệm, tự động thu được các biểu đồ thể hiện quan hệ giữa ứng suất – biến dạng khi nén một trục ở các mẫu đá khác nhau như trên các Hình 6, Hình 7 và Hình 8. Hình 6: Biểu đồ thể hiện quan hệ ứng suất ~ biến dạng thí nghiệm nén một trục mẫu đá TL-01 Hình 7: Biểu đồ thể hiện quan hệ ứng suất ~ biến dạng thí nghiệm nén một trục mẫu đá TL-02 Hình 8: Biểu đồ thể hiện quan hệ ứng suất ~ biến dạng thí nghiệm nén một trục mẫu đá DII-3-2
568 672 Phạm Quốc Tuấn, Nguyễn Sỹ Ngọc Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu đá thuộc phức hệ Định Quán lấy từ mỏ đá Gia Huynh và một số mỏ khác, được thực hiện tại công ty TNHH Tư vấn Đầu tư Xây dựng Điện lực (PEIC) năm 2022 và tổng hợp lại trong Bảng 1. Bảng 1: Kết quả thí nghiệm nén một trục của các mẫu đá thuộc phức hệ Định Quán lấy từ mỏ đá Gia Huynh và một số mỏ khác Tên mẫu Trọng Đường Chiều UCS Mô đul Hệ số Mô Chỉ số 𝝂𝝂 lượng kính cao đàn poisson, đul dẻo, P thể tích mẫu mẫu hồi, E t dẻo, D kN/m3 mm mm MPa MPa MPa TL-01 25.83 55.7 110.3 82.23 20177 0.018 17465 1.155 TL-02 26.19 55.6 117.3 46.27 12000 0.019 5553 2.161 DII-3-2 26.48 55.5 98.8 79.94 7189 0.035 2991 2.404 DI-1-2VP 25.66 55.8 107.1 141.78 14959 0.333 12577 1.189 DI-1-31VP 26.23 55.6 109.9 65.52 12114 0.457 10404 1.164 DI-3VP 25.89 55.7 102.4 164.80 79404 0.105 16913 4.695 4. Phân tích kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm nén một trục của các mẫu đá thuộc phức hệ Định Quán lấy từ mỏ đá Gia Huynh và một số mỏ khác cho thấy mỗi mẫu đá sẽ bị phá hủy khi phát sinh ứng suất nhất định, lúc đó ứng với nó sẽ có biến dạng giới hạn và hệ số dẻo tương ứng. Trong Bảng 1, hệ số dẻo có giới hạn thay đổi từ 1,155-:-4,695. Tính dẻo càng tăng, khi P có giá trị càng lớn. Theo phân loại của L.A. Shreyner (1961) thì các đá thuộc loại giòn- dẻo khi P=1 hay dẻo – giòn khi P= 1-:-6 [14], nên các đá thí nghiệm đều thuộc loại đá dẻo – giòn. Hình 9: Biểu đồ quan hệ giữa mô đul đàn hồi E ~ Mô đul dẻo D, trong thí nghiệm nén một trục.
569 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun dẻo của đá bằng phương pháp thí nghiệm nén một trục 673 Phương trình biểu diễn quan hệ giữa mô đul đàn hồi E ~ và mô đul dẻo D, xác định bằng phương Phương trình biểu diễn quan hệ giữa độ bền nén một trục 𝜎𝜎 𝑛𝑛 và mô đul đàn hồi E, xác định bằng pháp thí nghiệm nén một trục được trình bày ở Hình 9 có dạng y = 0,8537x với hệ số R2= 0,8451. phương pháp thí nghiệm nén một trục được trình bày ở Hình 10 có dạng y = 7426,1e0.0062x với R2= 0,5161. Kết quả trình bày trong Hình 11 cho thấy đá granite thuộc mỏ Gia Huynh có trọng lượng thể tích với số trung vị là 26,21kN/m3, độ bền nén một trục của đá với giá trị trung vị là 81,09 MPa. Hình 10: Biểu đồ quan hệ giữa độ bền một trục và mô đul đàn hồi E trong thí nghiệm nén một trục. (a) (b) Hình 11: Kết quả thí nghiệm nén một trục cho các mẫu đá granodiorit, và kết quả xác định trọng lượng thể tích
570 674 Phạm Quốc Tuấn, Nguyễn Sỹ Ngọc 5. Kết luận và kiến nghị Các thông số mô đul đàn hồi E, mô đul dẻo D, hệ số dẻo P đã được xác định bằng phương pháp nén một trục đã được trình bày trong bài báo. Hệ số dẻo P của các mẫu đá thay đổi từ 1,155-:-4,695, tính dẻo càng lớn khi hệ số P càng lớn. Phương trình xác định quan hệ giữa mô đul đàn hồi E và mô đul dẻo D được xây dựng, có dạng y = 0,8537x với R2= 0,8451. Phương trình xác định quan hệ giữa độ bền nén một trục và mô đul đàn hồi E, có dạng y = 7426,1e0.0062x với R2= 0,5161. Đường cong ứng suất ~ biến dạng của đá có ý nghĩa quan trọng khi thiết kế và đánh giá ổn định công trình, cần phải được xây dựng trong quá trình thí nghiệm. Sử dụng hợp lý, sáng tạo đường cong ứng suất ~ biến dạng giúp xác định khả năng làm việc thích hợp của hệ công trình và nền đá, rất cần được nghiên cứu và phát triển. Tài liệu tham khảo [1] ISRM, Suggested Methods for Determining the Uxial Compressive Strength and Deformability of Rock Material, 1979. [2] ISRM, Rock Characterization, Testing and Monitoring, ISRM Suggest Methods, Brown, E.T. (ed.), Oxford, Pergamon Press. 1981. [3] ISRM, The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007- 2014. Ulusay, R. (ed.), Suggest Methods Prepared by the Commission on Testing Methods, ISRM, Heidelberg, Springer. [4] Fairhurst, C.E. & Hudson, J.A. (1999). ISRM suggested method for the complete stress±strain curve for intact rock in uniaxial compression. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 36 (1999) 279±289. [5] Kuznexhov G.N. Tính chất cơ học của đá. M. Ugletechizdat, 1948 (tiếng Nga) [6] Il’nixhkaja E.I., nnk. Tính chất của đá và phương pháp xác định chúng. M, Nedra, 1969 (tiếng Nga) [7] Nghiêm Hữu Hạnh, Cơ học đá, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 2000. [8] Goodman R.E. (1989) Introduction to rock mechanics, 2nd edn. Wiley, London. [9] Manual on Rock Mechanics. Central Board of irrigation and power. New Delhi, 1988 [10] Bulưchev N.X. Cơ học công trình ngầm. M, Nedra,1989 (Tiếng Nga) [11] Kartashov Ju.M., nnk. Độ bền và biến dạng của đá. M. Nedra, 1979 (tiếng Nga)
571 Xác định mô đun đàn hồi và mô đun dẻo của đá bằng phương pháp thí nghiệm nén một trục 675 [12] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Địa chất và khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam, 2005. Báo cáo lập bản đồ địa chất và điều tra khoáng sản nhóm tờ Tánh Linh tỷ lệ 1/50.000, thuyết minh tập I: Địa tầng. [13] Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Địa chất và khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Bản đồ Địa chất Miền Nam, 2005. Báo cáo lập bản đồ địa chất và điều tra khoáng sản nhóm tờ Tánh Linh tỷ lệ 1/50.000, thuyết minh tập II: Các thành tạo magma xâm nhập và cấu trúc-kiến tạo. [14] Nguyễn Sỹ Ngọc, Cơ học đá, Nhà xuất bản Đại học giao thông đường sắt – đường bộ, Hà Nội, 1981.