1392/07/15 0

مکانیک سنگ از دو کلمه rock به معنی سنگ و mechanics به معنی مکانیک گرفته شده است. مکانیک سنگ مبحثی از علوم مهندسی است که در آن چگونگی رفتار سنگ در برابر عوامل بیرونی و درونی و تغییرات آنها مورد بحث قرار می‌گیرد و چون رفتار سنگ بستگی کامل به ویژگیهای آن دارد، از اینرو بررسی آن گروه از خواص سنگ ها که در این مورد اهمیت دارد نیز بخشی از مبحث مکانیک سنگ را تشکیل می‌دهد.

تاریخچه

بناها و آثاری چون سدهای مربوط به سده‌های 29 و 30 قبل از میلاد در مصر و عراق ، اهرام ثلاثه مصر ، کاخ تخت جمشید و مقبره‌های نقش رستم که بر سنگ (از سنگ و یا در سنگ) ساخته شده‌اند گواه بکارگیری روش های دقیق در امر انتخاب ، استخراج و کندوکاو سنگ و لذا کاربرد مکانیک سنگ از دیر زمان‌اند. ارتباط تنگاتنگ ما با سنگ به پیش از تاریخ بر می‌گردد. در آن زمان ، پیکان ها ، ابزار معمولی و ظروف ، استحکامات ، خانه‌ها و حتی تونلها از سنگ یا در سنگ ساخته می‌شد. ساخت ها و مجسمه‌هایی مانند معبد ابوسمبل از مصر نشان دهنده استفاده از روش های بسیار دقیق در امر انتخاب محل ، استخراج و کند و کاو بر سنگ است.

سیر تحولی و رشد

در قرون هجدهم و نوزدهم تونل های بزرگ به منظور تهویه و زهکشی معادن ، فاضلاب ، کانال کشی و حمل و نقل با راه آهن زده‌ ‌شد. در همین قرن ما ، ساختن مجسمه‌های عظیم در مونت راشمو میل به درگیری برای ساختن پیکرهای بزرگ سنگی و به همان اندازه انتخاب گرانیت خوب را ، با وجود روی آوردن مهندسان به مصالح دیگر ، به جهانیان ثابت کرد. در این عصر که مهندسان مواد می‌توانند به اقتضای نیازهای خاص و عجیب آلیاژها و پلاستیک ها را بسازند ، سنگ کاری هنوز انرژی صنایع و تخیل مهندسان را به خود مشغول داشته است.

نقش مکانیک سنگ در زندگی انسان

از آنجایی که حفاری ها و بناهایی چون تونل های راه آهن زیرزمینی ، تامین آب ، زهکشی و نیروگاه های زمینی ، حفره‌های ذخیره آب ، نفت ، گاز ، هوا و غیره و نیز دفن زباله‌های هسته‌ای ، معادن زیرزمینی ، معادن روباز ، برشهای عمیق برای آب ریز و … در سنگ و یا بر سنگ صورت می‌گیرد، لذا لزوم شناخت سنگها و مکانیک سنگ برای انسان امری انکار ناپذیر است.

مباحث مربوط به مکانیک سنگ

رده‌بندی زمین شناختی سنگ ها : سنگ ها را از نظر نحوه تکوین آنها ، معمولا به سه گروه آذرین ، دگرگونی و رسوبی تقسیم می‌کنند.

ویژگی های شاخص سیستم های سنگ : برای طبقه‌ بندی مهندسی سنگ ها ، لازم است که ویژگیهای شاخص سنگ ها ارزیابی شوند و با در نظر گرفتن مجموعه آنها با همدیگر ، شخصی باتجربه می‌تواند، همبستگیهای مفیدی را بین آنها ، برای کاربردهای عملی، بیایبد. بعضی از این ویژگیهای شاخص عبارتند از : تخلخل ، چگالی ، تراوایی و استحکام.

استحکام و معیارهای ریزش سنگ : در این بحث از مکانیک خاک معیارهای ریزش سنگ مثل خمش ، برش و خرد شدن و یا عوامل دیگری که باعث ریزش می‌شوند، بررسی می‌شوند.

تنش های اولیه در سنگ ها و اندازه‌ گیری آنها : در نزدیکی سطح زمین در نواحی کوهستانی ، تنش در جای سنگ ممکن است در بعضی نقاط به صفر نزدیک شود و در نقاطی دیگر ممکن است نزدیک به استحکام سنگ باشد، دستکاری و برهم زدن میدان تنش از طریق حفر تونل یا حتی گودبرداریهای سطحی ، ممکن است محرک آزاد سازی شدید انرژی ذخیره شده شود. در این قسمت به بررسی و تعیین بزرگی و جهت تنش های اولیه در ساختگاه یک پروژه می‌پردازند.

دگرشکل پذیری سنگ ها : دگرشکل پذیری ، ظرفیت سنگ برای واتنش در مقابل بار اعمال شده یا پاسخ به باربرداری ناشی از گودبرداری است.

ارتباط با سایر علوم

ویژگی مصالحی از قبیل سنگ و خاک در مقایسه با مصالح دیگر مهندسی این است که این مصالح کمتر قابل انتخاب است و به عبارت دیگر مهندسین طراح باید طرح را برای مواد و محیطی در نظر بگیرند که خصوصیات آن محیط الزاما مطابق خواست آنها نیست و نیز این خصوصیات از محلی به محل دیگر متفاوت است، از اینرو شناخت کلیه خواص فیزیکی ، مکانیکی ، زمین شناسی ، هیدرودینامیکی و حتی کانی شناسی و چینه شناسی سنگ ها معمولا مفید و در مواردی حتما ضروری است.

کاربردهای مکانیک سنگ

برخی کارهای مهندسی که در حد چشمگیری با مکانیک سنگ در ارتباط هستند، شامل موارد زیر می‌باشند.

پروژه‌های سازنده‌های سطحی : این پروژه‌ها شامل مواردی چون پل ، ساختمان های بلند ، نیروگاه ها و سدها می‌باشند.

مسیرهای حمل و نقل : مانند بزرگراه ، خط آهن ، کانال و خط لوله

گودبرداری های سطحی : مثل معدن روباز

گودبرداری های زیرزمینی : مثل تونل ها ، حجره‌های زیرزمینی و کارهای دفاعی

بهره‌ برداری از منابع انرژی : مثل استخراج نفت و دفن زباله‌های اتمی

اندازه گیری ویژگی های سنگ

در زمان انجام طراحی های مهندسی، علاوه بر اطلاعات توصیفی و کیفی که توسط بررسی های صحرایی و اکتشافات زیر زمینی گردآوری می شود، داده های کمی و عددیدرباره ویژگی های ذاتی یا اکتسابی مصالح نیز مورد نیاز است. از این رو سنگ وخاک را در آزمایشگاه، یا درصحرا و به طور برجا، مورد آزمایش قرار می دهیم . هدف از بررسی های مربوط به تعیین ویژگی های مصالح زمین شناسی را به گونه زیرمی توان خلاصه کرد:

الف) شناسایی وطبقه بندی مصالح (سنگ و خاک)

ب) تعیین روابطی که ما بین ویژگی های مختلف مصال حوجود دارد.

ج) تجزیه و تحلیل ها و ارزیابی های مهندسی

ویژگی های ژئوتکنیکی مصالح

ویژگی های ژئو تکنیکی مصالح زمین شناسی را میتوان با توجه طبیعت و کارابی هایشان به 4 گروه زیر تقسیم کرد:

1) ویژگی های اساسی: به ویژگی های پایه ای مصالح اطلاق می شود و برای شناسایی وتعیین ارتباط و همبستگی(کرولاسیون) بین مصالح بکار می روند. برخی از این مشخصات درمحاسبات مهندسی نیز کاربرد دارند. تخلخل، رطوبت،چگالی و سختی از ویژگی های اساسی مصالح اند.

2)ویژگی های شاخص: گروهی از ویژگی های فیزیکی است که اساساً در طبقه بندی و همچنین برای تعیین ارتباط (همبستگی یاکرولاسیون) با ویژگی های مهندسی به کار می روند. دانه بندی ، حد روانی ، خمیری و مقاومت فشاری تک محوری و شاخص بار گذاری نقطه ای از ویژگی های شاخص مصالح اند.

3)ویژگی های هیدرولیکی: گروهی از ویژگی های مصالح اند که بر حسبن فوذپذیری بیان می شوند. ویژگی های هیدرولیکی، وضعیت جریان سیالات را در محیط زمین شناسی مشخص می کنند.

4)ویژگی های مکانیکی: مقاومت مصالح در برابر گسیختگی و مشخصات مربوط به تغییر شکل غیر شکننده از این گروه اند. این بخش از ویژگی های مصالح به دو گروه استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند.

از میان چهار گروه فوق، اندازه گیری ویژگی های مکانیکی و هیدرولیکی، که پایه ای برای تمام تجزیه و تحلیل های مهندسی اند، اغلب پر خرج و اجرای دقیق آنها معمولاً وقتگیر و مشکل است. ویژگی های هیدرولیکی و مکانیکی مصالح را مجموعاً ویژگی های مهندسی نیز می نامند. گردآوری اطلاعات در مورد ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح ممکن است توسط آزمونهای آزمایشگاهی یا صحرایی حاصل شود.

نمونه های سنگ بکر که به صورت مغزه سنگی از حفاری بدست می آید اغلب در آزمایشگاه و به ندرت در صحرا آزمایش می شوند. مغزه های سنگی در درجه اول برای تعیین ویژگیهای اساسی و شاخص مورد آزمایش قرار می گیرند. بطور کلی ویژگیهای مهندسی مهم سنگ را نمی توان از روی نمونه کوچکی از سنگی کپارچه تعیین نمود.

ویژگی های اساسی و شاخص سنگ بکر

ویژگی های اساسی سنگ بکر عبارت است از: روابط وزنی و حجمی، ویژگی های شاخص سنگ بکر نیز عبارت است از: مقاومت فشاری تکمحوری، شاخص بار گذاری نقطه ای و سرعت امواج صوتی در سنگ. بررسیها و اندازه گیریهایفوق در آزمایشگاه و بر روی نمونه سنگ بکر، یا نمونه تا حدی هوازده ولی عاری از سطوح ضعیف و گسستگی اجام می شود.

روابط وزنی و حجمی:

 درارتباط با روابط وزنی و حجمی سنگ، ذکر چند نکته ضروری است:

الف) چگالی نسبی اغلب کانی های تشکیل دهنده ی سنگ ها دامنه ای از 65/2 الی80/2 دارد.البته در مواردی که کانی های سنگینتر مثل هورنبلند،اوژیتیا هماتیت وجود داشته باشد، نسبی می تواند از 3 تا 5 باشد.

ب) تخلخل درسنگ های آذرین، وابسته به میزان حفرات و درسنگهای رسوبی وابسته به درجه سیمانی شدن سنگ است. علاوه بر آن در نمونه دستی سنگبکر میزان تخلخل وابسته به حفرات موجود در سنگ است. در چنین نمونه هایی نفوذپذیری ارتباط مستقیم با تخلخل دارد. خلاصه اینکه ارتباطی قوی بین چگالی، تخلخل و مقاومت سنگ بکر موجود است.

ویژگیهای اساسی و شاخص توده سنگ

مفهوم توده سنگ در مورد وضعیت سنگ در صحراو بطور برجا به کاربرده می شود. بدیهی است که توده سنگ ممکن است حاوی سطوح ضعفگوناگون یا درجات مختلفی از هوازدگی باشد. بطور کلی از میان ویژگیهای اساسی تودهسنگ می توان چگالی و از میان ویژگیهای شاخص آن سرعت امواج صوتی و کیفیت مغزه حفاری ( rqd) را نام برد.

چگالی توده سنگ: مناسبترین روش برای تعیین چگالیسنگ بطور برجا استفاده از روش چاهنگاریژئوفیزیکیگاماگاما است. نتایج این روش از هوازدگی، شکستگیها، بازشدگیها و حفرات کوچک موجوددر سنگ، که مجموعاً عوامل کاهش دهنده چگالی اند، تأثیر پذیرفته و در نتیجه واقعیچگالی واقعی توده سنگ برجا را به دست می دهد.

قابلیت حفاری: این واژه برای نمایش میزان سهولت خرد شدن سنگ بار وسایل ساختمانی حفاری و گودبرداریبه کار می رود و چون رابطه مستقیمی با کیفیت سنگ از نقطه نظر سختی و میزان شکستگی ها دارد لذا می توان آنرا با روش لرزه ای انکساری تعیین نمود. در مواردی که سنگی باوسایل مکانیکی مرسوم قابل حفاری نباشد باید از چالزن هوای فشرده و آتشکاری استفاده کرد.

ویژگیهای هیدرولیکی سنگ ها

در سنگ بکر ،نفوذپذیری به اندازه فضاهای موجوددر سنگ و نحوه ارتباط آنها و درصد اشباع سنگ وابسته است. مقدار ضریب نفوذپذیری(k) در توده سنگ بیش از همه متاثر از مشخصات شکستگیهای سنگ میزان اشباع، و طبیعتنش اعمال شده است. به عنوانمثال، تنشهای کششی در زیر یک سد بتنی قادر است درزها و فولیاسیون ها را به مقدار قابل توجه بار نموده و به این ترتیب نفوذپذیری را افزایش می دهد.