Cơ học đá là một ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu về tính chất, hành vi và ứng dụng của các vật liệu đá trong các công trình xây dựng, khai thác mỏ, địa chất và địa vật lý. Cơ học đá có liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ học vật rắn, cơ học đất, cơ học vỡ, cơ học nứt, cơ học môi trường và cơ học động lực. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về cơ học đá, các phương pháp thí nghiệm và số hóa, các ứng dụng thực tế và các thách thức hiện tại của ngành này.
Cơ học đá là một ngành khoa học kỹ thuật khá mới mẻ, được phát triển từ những năm 1950 khi các kỹ sư và nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến việc nghiên cứu các vật liệu đá trong các công trình xây dựng lớn như đập thủy điện, đường hầm, cầu, nhà máy điện nguyên tử và các dự án khai thác dầu khí. Các vật liệu đá có tính chất phức tạp và đa dạng, phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, kết cấu vi mô, lịch sử biến dạng và điều kiện môi trường. Các vật liệu đá cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như áp suất, nhiệt độ, nước, khí, hoá chất và sinh vật. Do đó, cơ học đá yêu cầu một sự kết hợp giữa lý thuyết, thí nghiệm và số hóa để có thể mô tả và dự đoán được hành vi của các vật liệu đá trong các điều kiện khác nhau.
Một trong những phương pháp quan trọng của cơ học đá là thí nghiệm. Các thí nghiệm cơ học đá có thể được chia thành hai loại chính: thí nghiệm tĩnh và thí nghiệm động. Thí nghiệm tĩnh là những thí nghiệm áp dụng các tải trọng ổn định hoặc biến thiên chậm trên các mẫu đá để xác định các thông số cơ học như độ bền kéo, độ bền nén, độ bền uốn, mô-đun đàn hồi, tỷ số Poisson, góc ma sát nội bộ và hệ số liên kết. Thí nghiệm tĩnh có thể được tiến hành ở các điều kiện môi trường khác nhau như khô ráo, ướt hoặc bão hòa nước hoặc khí. Thí nghiệm tĩnh cũng có thể được kết hợp với các phương pháp quang học hoặc âm thanh để theo dõi sự phân bố biến dạng hoặc nứt vỡ trong các mẫu đá.
Thí nghiệm động là những thí nghiệm áp dụng các tải trọng biến thiên nhanh trên các mẫu đá để xác định các thông số cơ học động như độ bền nén động, độ bền kéo động, mô-đun đàn hồi động, tốc độ truyền sóng và hệ số suy giảm. Thí nghiệm động có thể được tiến hành bằng các phương pháp như va đập, nổ, sóng xung hoặc sóng siêu âm. Thí nghiệm động cũng có thể được kết hợp với các phương pháp quang học hoặc âm thanh để theo dõi sự phân bố biến dạng hoặc nứt vỡ trong các mẫu đá.
Ngoài thí nghiệm, cơ học đá cũng sử dụng các phương pháp số hóa để mô hình hóa và mô phỏng hành vi của các vật liệu đá. Các phương pháp số hóa có thể được chia thành ba loại chính: phương pháp liên tục, phương pháp rời rạc và phương pháp lai. Phương pháp liên tục là những phương pháp xem các vật liệu đá như một môi trường liên tục và áp dụng các phương trình vi phân hoặc tích phân để giải quyết các vấn đề cơ học. Phương pháp liên tục có thể sử dụng các mô hình lý thuyết như lý thuyết đàn hồi, lý thuyết nhựa, lý thuyết vỡ hoặc lý thuyết dẻo-vỡ để mô tả các tính chất cơ học của các vật liệu đá. Phương pháp liên tục cũng có thể sử dụng các kỹ thuật số như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp biên giải tích, phương pháp biến đổi Fourier hoặc phương