Luận án xác định thông số cơ học đá bằng búa Schmidt - Ngô Doãn Hào

Búa bật nảy Schmidt được kỹ sư Ernst O. Schmidt phát minh vào năm 1948 tại Thụy Sĩ. Ban đầu thiết bị dùng để kiểm tra độ cứng của bê tông xây dựng. Về sau các nhà khoa học đã cải tiến búa để ứng dụng trong cơ học đá. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý cơ học va đập nảy ngược. Thanh va đập truyền năng lượng từ lò xo vào bề mặt đá. Khối lượng va đập nảy trở lại và kéo theo kim chỉ thị trên thước đo. Giá trị hiển thị phản ánh chỉ số bật nảy (Rebound number - R). Chỉ số R là đại lượng không thứ nguyên, biểu thị độ cứng bề mặt đá. Thiết bị có kết cấu nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và dễ dàng mang theo ngoài thực địa. Thao tác đo diễn ra nhanh chóng mà không cần nguồn cấp điện.

Lĩnh vực cơ học đá và địa kỹ thuật đòi hỏi việc thu thập nhanh các chỉ tiêu cơ lý để phục vụ thiết kế công trình ngầm. Thí nghiệm ép nén mẫu đá trong phòng thí nghiệm thường gặp nhiều trở ngại lớn. Quá trình khoan lấy mẫu đá ở độ sâu lớn dễ làm vỡ các mẫu đá mềm yếu. Việc vận chuyển và cưa cắt mẫu hình trụ chuẩn tốn nhiều thời gian và chi phí. Búa Schmidt cho phép đo trực tiếp tại vách lò, sườn dốc hoặc vết lộ địa chất. Kỹ sư có thể xác định ranh giới giữa các đới đá phong hóa khác nhau. Thiết bị hỗ trợ phân loại chất lượng khối đá theo các hệ thống đánh giá địa kỹ thuật phổ biến. Dữ liệu thu thập nhanh giúp tối ưu hóa tiến độ khảo sát mỏ và thi công hầm.

Quy trình đo búa Schmidt được chuẩn hóa quốc tế nhằm đảm bảo tính đồng nhất của số liệu. Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ ban hành tiêu chuẩn ASTM D5873 quy định chi tiết phương pháp đo độ cứng đá bằng búa nảy. Hội Cơ học Đá Quốc tế cũng công bố phương pháp ISRM chuẩn hóa các bước thực hiện. Các hướng dẫn yêu cầu làm sạch bề mặt thử nghiệm bằng đá mài trước khi bấm búa. Mẫu thử phải có kích thước tối thiểu và được kẹp chặt trên đe thép nặng. Mỗi vị trí thử cần thực hiện từ 10 đến 20 lần đập tại các điểm cách nhau ít nhất một đường kính đầu búa. Các giá trị dị biệt quá thấp do vỡ cục bộ sẽ bị loại bỏ để tính giá trị trung bình chính xác.

Thiết bị búa Schmidt loại L có năng lượng va đập tiêu chuẩn là 0,735 Nm. Mức năng lượng này nhỏ hơn ba lần so với búa loại N dùng cho bê tông. Do đó búa loại L đặc biệt phù hợp cho các mẫu đá mỏng và đá có độ bền thấp trong phòng thí nghiệm. Cấu tạo của búa gồm vỏ bảo vệ hình trụ, thanh va đập kim loại, lò xo đẩy chính và khối búa trượt. Hệ thống chốt giữ cố định khối búa ở vị trí nạp thế năng cực đại. Kim chỉ thị trượt dọc theo rãnh chia độ trên thân búa để ghi lại vị trí bật nảy cao nhất. Nút bấm nhả chốt giúp giải phóng năng lượng lò xo tức thì khi đầu búa tiếp xúc mặt đá. Đe thép chuẩn đi kèm dùng để hiệu chỉnh độ chính xác của thiết bị trước mỗi ca đo.

Cơ chế va chạm cơ học giữa thanh dẫn và bề mặt đá tuân theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Thế năng tích lũy trong lò xo nén chuyển hoàn toàn thành động năng của khối búa khi kích hoạt. Tại thời điểm va chạm, mũi búa truyền ứng suất nén xung kích cực đại vào cấu trúc hạt khoáng vật. Đất đá hấp thụ một phần năng lượng để gây biến dạng vĩnh viễn và tạo vết lõm tế vi. Phần năng lượng còn lại duy trì dưới dạng công đàn hồi trong mạng tinh thể khoáng vật. Thế năng biến dạng đàn hồi hồi phục nhanh chóng và sinh công đẩy khối búa nảy lên cao. Phương trình vi phân chuyển động của búa đập phản ánh chính xác tỷ lệ năng lượng phục hồi đàn hồi của mẫu đá.

Chỉ số bật nảy (Rebound number - R) thể hiện tỷ lệ giữa khoảng cách nảy ngược và chiều dài nén ban đầu của lò xo. Giá trị R phản ánh trực tiếp độ cứng bề mặt đá tại điểm chịu va đập. Đá có mạng tinh thể liên kết chặt chẽ và hàm lượng thạch anh cao sẽ cho chỉ số R lớn. Ngược lại đá chứa nhiều khoáng vật sét mềm hoặc có độ rỗng cao sẽ hấp thụ nhiều năng lượng va đập. Khi đó vết lõm bề mặt sâu hơn và chỉ số R giảm rõ rệt. Thí nghiệm va đập không gây nứt vỡ khối đá trên diện rộng nên được xếp vào nhóm thí nghiệm không phá hủy (NDT). Nhờ vậy kỹ sư có thể kiểm tra nhiều lần trên cùng một khối đá để xác định mức độ đồng nhất cơ học.

Góc bắn tác động trực tiếp đến gia tốc chuyển động của khối búa do ảnh hưởng của trọng lực. Khi bắn theo phương thẳng đứng hướng xuống, trọng lực cùng chiều với chiều chuyển động của búa nên chỉ số nảy tăng lên. Khi bắn hướng lên trần hầm, trọng lực cản trở chuyển động và làm giảm độ nảy thực tế. Do đó góc bắn cần được chuẩn hóa hoặc nhân với hệ số hiệu chỉnh góc bắn phù hợp. Bên cạnh góc bắn, vị trí điểm bắn cũng đóng vai trò quyết định. Bắn quá gần mép biên mẫu đá sẽ gây sứt mẻ và thất thoát năng lượng. Điểm đo phải cách mép mẫu tối thiểu 4 cm và cách điểm bắn lân cận ít nhất 2 đến 3 cm. Điều này đảm bảo vùng đá chịu ứng suất không bị chồng lấn biến dạng.

Biên độ nhám bề mặt gây ra sự phân tán năng lượng va đập và làm giảm chỉ số bật nảy. Mặt đá gồ ghề khiến đầu búa tiếp xúc không vuông góc và dễ làm vỡ các gờ nhô cục bộ. Trước khi đo cần dùng đá mài carborundum chà phẳng bề mặt tiếp xúc để triệt tiêu ảnh hưởng của độ nhám. Ngoài ra kích thước hạt khoáng vật tạo đá cũng chi phối độ phân tán của số liệu. Đá hạt mịn như bột kết, sét kết cho kết quả đo rất đồng đều. Trong khi đó đá hạt thô như cuội kết, granit có sự chênh lệch độ cứng giữa các hạt khoáng vật khác nhau. Khi mũi búa đập trúng hạt thạch anh cứng, giá trị R tăng vọt. Ngược lại khi đập vào chất gắn kết mềm, giá trị R giảm mạnh. Do đó cần tăng số lượng điểm đo trên đá hạt thô.

Mức độ nứt nẻ và chiều dày tầng đá ảnh hưởng lớn đến độ cứng biểu kiến khi gõ búa. Khối đá mỏng hoặc có khe nứt ngầm dưới bề mặt sẽ rung động mạnh khi chịu va đập. Hiện tượng này làm tiêu tán thế năng đàn hồi và làm chỉ số R giảm từ 20 đến 40%. Trạng thái bão hòa nước trong lỗ rỗng cũng làm mềm chất gắn kết và giảm độ ma sát trong mạng tinh thể đá. Đá bão hòa nước thường có chỉ số nảy thấp hơn so với đá khô ráo từ 10 đến 15%. Quá trình phong hóa làm biến đổi khoáng vật nguyên sinh thành khoáng vật thứ sinh mềm yếu. Mức độ phong hóa càng sâu thì độ cứng bề mặt càng suy giảm nghiêm trọng. Cần xác định hệ số phong hóa để hiệu chỉnh chỉ số bật nảy về trạng thái đá tươi.

Cường độ chịu nén đơn trục (UCS) là thông số cơ bản nhất để đánh giá khả năng chịu tải của khối đá. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm thiết lập quan hệ hàm mũ hoặc hàm lũy thừa giữa UCS và chỉ số bật nảy R. Trên các loại đá mácma như granit, giá trị R cao tương ứng với UCS vượt trên 120 MPa. Đối với đá trầm tích như cát kết và sét kết, giá trị R thấp hơn và dao động theo hàm lượng xi măng gắn kết. Các phương trình hồi quy có dạng hàm UCS phụ thuộc vào tích số giữa chỉ số R và trọng lượng thể tích đá. Hệ số tương quan thực nghiệm thường đạt từ 0,80 đến 0,95, chứng minh độ chính xác cao của phép dự báo. Việc ước tính UCS tại chỗ giúp đẩy nhanh tiến độ thiết kế kết cấu chống giữ công trình ngầm.

Mô đun đàn hồi của đá đặc trưng cho khả năng chống lại biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của ứng suất nén. Thí nghiệm không phá hủy (NDT) bằng búa Schmidt cho phép suy đoán nhanh mô đun đàn hồi tĩnh và động của đá. Năng lượng nảy ngược của khối búa tỷ lệ thuận với mô đun đàn hồi của vật liệu nền. Khối đá có mô đun đàn hồi lớn sẽ tích lũy biến dạng đàn hồi nhanh và đẩy búa nảy mạnh hơn. Mối tương quan giữa mô đun đàn hồi E và chỉ số R được biểu diễn qua phương trình hồi quy logarit hoặc hàm đa thức. Kết quả dự báo mô đun đàn hồi phục vụ đắc lực cho việc phân tích ứng suất và mô phỏng số biến dạng quanh khối công trình ngầm.

Điều kiện thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường có những khác biệt rõ nét về môi trường đo. Mẫu đá trong phòng có kích thước giới hạn nhưng được gá kẹp cứng vững trên đe thép nặng. Bề mặt mẫu được gia công mài phẳng chuẩn xác và độ ẩm được kiểm soát tuyệt đối. Ngược lại, khối đá ngoài hiện trường có kích thước vô hạn và chịu tác động của trường ứng suất nguyên thủy. Tuy nhiên mặt đá tự nhiên thường chịu tác động phong hóa và độ ẩm thay đổi thất thường. Giá trị độ nảy đo ở hiện trường thường có độ phân tán lớn hơn trong phòng thí nghiệm. Do đó cần nhân các hệ số hiệu chỉnh về độ ẩm, góc bắn và độ nhám để đồng nhất số liệu giữa hai môi trường đo.

Xác định khoảng tin cậy của tập số liệu giúp kiểm soát sai số trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn kỹ thuật. Với mức xác suất tin cậy 95%, số lượng điểm bắn tối thiểu tại một vị trí khảo sát phải từ 10 đến 15 điểm. Độ biến thiên của tập số liệu không được vượt quá ngưỡng quy định để đảm bảo tính đồng nhất của phép đo. Các hệ số hiệu chỉnh bao gồm hệ số góc bắn kRb, hệ số độ nhám knh, hệ số bão hòa nước kbh và hệ số phong hóa kph. Khi đưa các hệ số này vào phương trình toán học, chỉ số R thực đo sẽ chuyển về giá trị chuẩn tắc. Việc hiệu chỉnh chuẩn xác nâng cao độ tin cậy khi dự báo cường độ và biến dạng của khối đá trong thực tế thi công.