علم مکانيک سنگ
مکانیک سنگ شاخه ای از علم مهندسی است که در آن چگونگی رفتار سنگ در برابر نیروها و عوامل خارجی مورد بحث قرار می گیرد.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 سنگها که در این مورد اهمیت دارد نیز بخشی از مبحث مکانیک سنگ را تشکیل میدهد. در ادامه مطلب به صورت خلاصه در موارد زیر بحث می کنم :
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 روشهای 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 ، پیکانها ، ابزار معمولی و ظروف ، استحکامات ، خانهها و حتی تونلها از سنگ یا در سنگ ساخته میشد. ساختها و مجسمههایی مانند معبد ابوسمبل از مصر نشان دهنده استفاده از روشهای بسیار دقیق در امر انتخاب محل ، استخراج و کندوکاو بر سنگ است.
در قرون هجدهم و نوزدهم تونلهای 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 پلاستیکها 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 حفاریها و بناهایی چون تونلهای راه آهن زیرزمینی ، تامین آب ، زهکشی و نیروگاههای 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.
علم مکانیک سنگ امروزه کاربرد وسیعی پیدا کرده است علاوه بر کار های معدنی در طراحی فضاهای استخراجی سطحی و زیر زمینی , در مواردی نظیر تونل های راه و آب , راه آهن های زیر زمینی , پناهگاها , نیروگاهها و مخازن زیر زمینی کاربرد فنون مکانیک سنگ برای مهندسین معدن و ژئوتکنیک اجتناب ناپذیر شده است .گسردگی و تنوع عملیات پروژه های سنگی به ویژه در زیر زمین و اطراف دیگر طبیعت ناسازگار و نا همگونسنگها و شرایط متغر زمین ساختی و تکتونیکی در فن آوری حفاری ها و حفظ فضا ها پیشرفت های شگرفی ایجاد کرده است . در همین راستا علم مکانیک سنگ با تکیه بر روش های صحرائی و آزمایشگاهی به کمک ابزارهای تحلیلی و عددی حیطه وسیعی را شامل گشته است.
امروزه عمده موارد کاربرد علم مکانیک سنگ بشرح زیر می باشد :
در ساخت ابنیه سطحی نظیر پل سازی , ساختمان , ساخت نیروگاه های سطحی و سد سازی. در راهسازی نظیر ساخت بزرگراهها و راه آهن , کانال ها و مسرهای لوله گذاری و سیستم ها کنترل جریان آب نیرو گاهها ،در حفاری های سطحی نظیر معادن سطحی و کانالهای سریز در سدها ،در حفاری های زیر زمینی مانند معادن زیر زمینی , تونل ها , فضاهای زیر زمینی برای تاسیسات دفاعی و غیره... ،در حفاری های مربوط به انرژی مانند حفاری های نفتی , حفاری های مربوط به استفاده از زمیت گرمائی , نیروگاههای اتمی زیرزمینی , دفن زباله ها اتمی و مخازن زیرزمینی سوخت و آب.
مباحث مربوط به مکانیک سنگ
ردهبندی زمین شناختی سنگها : سنگها را از نظر نحوه تکوین آنها ، معمولا به سه گروه آذرین ، دگرگونی و رسوبی تقسیم میکنند.
ویژگیهای شاخص سیستمهای سنگ : برای طبقه بندی مهندسی سنگها ، لازم است که ویژگیهای شاخص سنگها 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.
تنشهای اولیه در سنگها 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 تنشهای اولیه در ساختگاه یک پروژه میپردازند.
دگرشکل پذیری سنگها : 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 سنگها 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 ، ساختمانهای بلند ، نیروگاهها و سدها میباشند.
مسیرهای حمل و نقل : مانند بزرگراه ، خط آهن ، کانال و خط لوله
گودبرداریهای سطحی : مثل معدن روباز
گودبرداریهای زیرزمینی : مثل تونلها ، حجرههای زیرزمینی و کارهای دفاعی
بهره برداری از منابع انرژی : مثل استخراج نفت و دفن زبالههای اتمی
اندازه گیری ویژگیهای سنگ
در زمان انجام طراحی های مهندسی، علاوه بر اطلاعات توصیفی و کیفی که توسط بررسیهای صحرایی و اکتشافات زیر زمینی گردآوری می شود، داده های کمی و عددی درباره ویژگیهای ذاتی یا اکتسابی مصالح نیز مورد نیاز است. از این رو سنگ و خاک را در آزمایشگاه، یا در صحرا و به طور برجا، مورد آزمایش قرار می دهیم . هدف از بررسیهای مربوط به تعیین ویژگیهای مصالح زمین شناسی را به گونه زیرمی توان خلاصه کرد:
الف) شناسایی و طبقه بندی مصالح(سنگ و خاک(
ب) تعیین روابطی که ما بین ویژگیهای مختلف مصالح وجود دارد.
ج) تجزیه و تحلیلها و ارزیابیهای مهندسی
ویژگیهای ژئوتکنیکی مصالح
ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح زمین شناسی را می توان با توجه طبیعت و کارائی هایشان به 4 گروه زیر تقسیم کرد:
1) ویژگیهای اساسی: به ویژگیهای پایه ای مصالح اطلاق می شود و برای شناسایی و تعیین ارتباط و همبستگی(کرولاسیون) بین مصالح بکار می روند. برخی از این مشخصات در محاسبات مهندسی نیز کاربرد دارند. تخلخل ، رطوبت، چگالی و سختی از ویژگیهای اساسی مصالح اند.
2) ویژگیهای شاخص: گروهی از ویژگیهای فیزیکی است که اساساً در طبقه بندی و همچنین برای تعیین ارتباط (همبستگی یا کرولاسیون) با ویژگیهای مهندسی به کار می روند. دانه بندی ، حد روانی ، خمیری و مقاومت فشاری تک محوری و شاخص بار گذاری نقطهای از ویژگیهای شاخص مصالح اند.
3)ویژگیهای هیدرولیکی: گروهی از ویژگیهای مصالح اند که بر حسب نفوذ پذیری بیان می شوند. ویژگیهای هیدرولیکی، وضعیت جریان سیالات را در محیط زمین شناسی مشخص می کنند.
4)ویژگیهای مکانیکی: مقاومت مصالح در برابر گسیختگی و مشخصات مربوط به تغییر شکل غیر شکننده از این گرو ه اند. این بخش از ویژگیهای مصالح به دو گروه استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند.
از میان چهار گروه فوق، اندازه گیری ویژگیهای مکانیکی و هیدرولیکی، که پایه ای برای تمام تجزیه و تحلیلهای مهندسی اند، اغلب پر خرج و اجرای دقیق آنها معمولاً وقتگیر و مشکل است. ویژگیهای هیدرولیکی و مکانیکی مصالح را مجموعاً ویژگیهای مهندسی نیز می نامند. گرد آوری اطلاعات در مورد ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح ممکن است توسط آزمونهای آزمایشگاهی یا صحرایی حاصل شود.
نمونه های سنگ بکر که بصورت 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 سنگ یکپارچه تعیین نمود.
ویژگیهای اساسی و شاخص سنگ بکر
ویژگیهای اساسی سنگ بکر عبارت است از: روابط وزنی و حجمی، ویژگیهای شاخص سنگ بکر نیز عبارت است از: مقاومت فشاری تک محوری، شاخص بار گذاری نقطه ای و سرعت امواج صوتی در سنگ. بررسیها و اندازه گیریهای فوق 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: در ارتباط با روابط وزنی و حجمی سنگ، ذکر چند نکته ضروری است:
الف) چگالی نسبی اغلب کانیهای تشکیل دهنده ی سنگها دامنه ای از 65/2 الی80/2 دارد.البته در مواردی که کانیهای سنگینتر مثل هورنبلند، اوژیت یا هماتیت وجود داشته باشد، نسبی می تواند از 3 تا5 باشد.
ب) تخلخل در سنگهای آذرین، وابسته به میزان حفرات و در سنگهای رسوبی وابسته به درجه سیمانی شدن سنگ است. علاوه بر آن در نمونه دستی سنگ بکر 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 صحرا و بطور برجا به کاربرده می شود. بدیهی است که توده سنگ ممکن است حاوی سطوح ضعف گوناگون یا درجات مختلفی از هوازدگی باشد. بطور کلی از میان ویژگیهای اساسی توده سنگ 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 چگالی سنگ بطور برجا استفاده از روش چاهنگاری ژئوفیزیکی گاماگاما است. نتایج این روش از هوازدگی، شکستگیها، بازشدگیها و حفرات کوچک موجود در سنگ، که مجموعاً عوامل کاهش دهنده چگالی اند، تأثیر پذیرفته و در نتیجه واقعی چگالی 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 گودبرداری به کار می رود و چون رابطه مستقیمی با کیفیت سنگ از نقطه نظر سختی و میزان شکستگیها دارد لذا می توان آنرا با روش لرزه ای انکساری تعیین نمود. در مواردی که سنگی با وسایل مکانیکی مرسوم قابل حفاری نباشد باید از چالزن هوای فشرده و آتشکاری استفاده کرد.
ویژگیهای هیدرولیکی سنگها
در سنگ بکر ،نفوذپذیری به اندازه فضاهای موجود در 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 طبیعت تنش اعمال شده است. به عنوان مثال، تنشهای کششی در زیر یک سد بتنی قادر است درزها و فولیاسیونها را به مقدار قابل توجه بار نموده و به این ترتیب نفوذپذیری را افزایش می دهد
