محسن آزماینده
10th February 2011, 12:34 PM
سنگها ، به خلاف بسیاری از مواد دیگر ، همگن ( هموژن ) و همسان ( ایزوتوپ ) نیستند ، علاوه بر آن در اغلب آنها ناپیوستگیهای ساختی نیز یافت می شود . اینگونه ویژگیها ، مکانیک سنگ را از دیگر شاخه های علم مکانیک مواد متمایز می سازد . از این روست که اطلاعات گردآوری شده در مورد سنگها باید دو وجه کاملاً متفاوت از عکس العمل سنگ را در برابر نیروهای وارده به خوبی نشان دهد .
یکی از این دو ، رفتار مکانیکی « سنگ بکر » ( سنگ یکپارچه ) است که مطالعه عملی آن عمدتاً توسط بررسیهای آزمایشگاهی به روی مغزه حفاری انجام می شود . در برخی موارد مکانیک سنگ تنها به این مفهوم به کار گرفته می شود . وجه دوم عبارت از رفتار مکانیکی سنگهای دارای سطوح ضعف و ناپیوستگیهای بزرگ و کوچک یا سنگهایی است که تحت تأثیر عوامل محیطی ، مثل آب ، قرار گرفته اند . اطلاعات مربوط به این بخش توسط آزمونها و بررسیهای آزمایشگاهی و صحرایی به دست می آید . از این گونه بررسیها گاه تحت عنوان « مهندسی سنگ » یا « مهندسی مکانیک سنگ » نام برده می شود .
مجموعه عواملی را که در بررسی مشخصات مکانیکی سنگ یکپارچه مورد استفاده قرار می گیرد ، می توان به نحو زیر خلاصه کرد :
الف ) تغییر شکل کوتاه مدت سنگ : که عبارت از رفتار سنگ در برابر تنشهایی است که کمتر از مقاومت نهایی سنگ می باشند و در زمان نسبتاً کوتاهی عمل می کنند . بسته به اندازه و شدت تنشهای کوتاه مدت ، سنگ ممکن است به یکی از صورتهای الاستیک ( کشسان ) ، ویسکوز ، و پلاستیک ( خمیرسان ) عکس العمل نشان دهد . این ویژگیها را می توان با آزمون فشار سه محوری مورد بررسی و شناسایی قرار داد .
ب ) تغییر شکل طولانی مدت : که عبارت از عکس العمل مواد سنگی یکپارچه در مقابل تنشهای مداوم یا چرخه ای است که بزرگی آنها به مراتب کمتر از مقاومت نهایی سنگ است و برای مدت زمان طولانی بر روی سنگ اثر می نمایند . بر اثر تنشهای کوچکی که در زمانی طولانی بر سنگ وارد می شود نوع خاصی از تغییر شکل به نام « خزش » ایجاد می شود .
ج ) مقاومت سنگ یکپارچه : که می توان آن را حداکثر نیرویی دانست که واحد سطح سنگ می تواند تحمل کند بدون آنکه بشکند . اطلاعات لازم در این مورد معمولاً توسط آزمایش فشار تک محوری به روی نمونه سنگ به دست می آید . یافته های مربوط به مقاومت سنگ کاربرد مهمی در طبقه بندی سنگ جهت مقاصد مهندسی دارد .
د ) علاوه بر موارد فوق ، عکس العمل مواد سنگی در برابر بارهای دینامیکی ، ضربات متوالی و همچنین تأثیر رطوبت بر مشخصات سنگ و امثال اینها از دیگر مسایلی است که در مکانیک سنگ مورد بررسی قرار می گیرد .
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.
سیر تحولی و رشد
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.
تقسيم بندي هاي مورد نياز براي توده هاي سنگي
قسيم بندي توده هاي سنگي، بر اساس ارزيابي کيفيت و رفتار سنگ استوار است و به پارامترهاي زيادي بستگي دارد.
تقسيم بندي توده هاي سنگي، بر اساس ارزيابي کيفيت و رفتار سنگ استوار است و به پارامترهاي زيادي بستگي دارد. اين پارامترها بر کيفيت توده سنگ موثر هستند. محققين زيادي درباره سيستم تقسيم بندي توده هاي سنگي مطالعه انجام داده اند و با توجه به تنوع شرايط از انواع تقسيم بندي استفاده ميشود. يکي از سيستمهايي که براي تقسيم بندي توده هاي سنگي به کار ميرود، کنترل کيفيت سنگ يا rqd است. اين سيستم به بررسي اتصالات ايجاد شده در توده سنگ به عنوان تابعي از کيفيت سنگ ميپردازد. سيستمهاي ديگري که در اين زمينه وجود دارند عبارت هستند از شاخص rmr و شاخص کيفيت تونلهاي سنگي ngi. در اين شاخصها، پارامترهايي مانند مقاومت سنگهاي دست نخورده، فضاي اتصالات، شرايط اتصال، ميدان تنش و اثرات آبهاي زيرزميني نيز مورد توجه قرار ميگيرند.
سيستمهاي تقسيم بندي توده هاي سنگي از اهميت زيادي برخوردار هستند، زيرا زمانيکه اين سيستمها درباره کيفيت سنگ صحبت ميکنند، اطلاعاتي نيز درباره کميت سنگها ارائه ميدهند. برخي از سيستمهاي تجربي نيز براي تقسيم بندي توده هاي سنگي به کار برده ميشود که به شرح زير ميباشد:
براي طراحي استخراج معادن
طراحي تونل سازي
طراحي ستون
ارزيابي وضعيت جاده ها
طراحي شيب مناطق سنگي
ارزيابي مدت زمان حفاري داخل زيرزميني
بررسي کيفيت بلوکهاي سنگي حفاري شده
مباحث مربوط به مکانيک سنگ
شناخت کليه خواص فيزيکي ، مکانيکي ، زمين شناسي ، هيدروديناميکي و حتي کاني شناسي و چينه شناسي سنگها معمولا مفيد و در مواردي حتما ضروري است.
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.
یکی از این دو ، رفتار مکانیکی « سنگ بکر » ( سنگ یکپارچه ) است که مطالعه عملی آن عمدتاً توسط بررسیهای آزمایشگاهی به روی مغزه حفاری انجام می شود . در برخی موارد مکانیک سنگ تنها به این مفهوم به کار گرفته می شود . وجه دوم عبارت از رفتار مکانیکی سنگهای دارای سطوح ضعف و ناپیوستگیهای بزرگ و کوچک یا سنگهایی است که تحت تأثیر عوامل محیطی ، مثل آب ، قرار گرفته اند . اطلاعات مربوط به این بخش توسط آزمونها و بررسیهای آزمایشگاهی و صحرایی به دست می آید . از این گونه بررسیها گاه تحت عنوان « مهندسی سنگ » یا « مهندسی مکانیک سنگ » نام برده می شود .
مجموعه عواملی را که در بررسی مشخصات مکانیکی سنگ یکپارچه مورد استفاده قرار می گیرد ، می توان به نحو زیر خلاصه کرد :
الف ) تغییر شکل کوتاه مدت سنگ : که عبارت از رفتار سنگ در برابر تنشهایی است که کمتر از مقاومت نهایی سنگ می باشند و در زمان نسبتاً کوتاهی عمل می کنند . بسته به اندازه و شدت تنشهای کوتاه مدت ، سنگ ممکن است به یکی از صورتهای الاستیک ( کشسان ) ، ویسکوز ، و پلاستیک ( خمیرسان ) عکس العمل نشان دهد . این ویژگیها را می توان با آزمون فشار سه محوری مورد بررسی و شناسایی قرار داد .
ب ) تغییر شکل طولانی مدت : که عبارت از عکس العمل مواد سنگی یکپارچه در مقابل تنشهای مداوم یا چرخه ای است که بزرگی آنها به مراتب کمتر از مقاومت نهایی سنگ است و برای مدت زمان طولانی بر روی سنگ اثر می نمایند . بر اثر تنشهای کوچکی که در زمانی طولانی بر سنگ وارد می شود نوع خاصی از تغییر شکل به نام « خزش » ایجاد می شود .
ج ) مقاومت سنگ یکپارچه : که می توان آن را حداکثر نیرویی دانست که واحد سطح سنگ می تواند تحمل کند بدون آنکه بشکند . اطلاعات لازم در این مورد معمولاً توسط آزمایش فشار تک محوری به روی نمونه سنگ به دست می آید . یافته های مربوط به مقاومت سنگ کاربرد مهمی در طبقه بندی سنگ جهت مقاصد مهندسی دارد .
د ) علاوه بر موارد فوق ، عکس العمل مواد سنگی در برابر بارهای دینامیکی ، ضربات متوالی و همچنین تأثیر رطوبت بر مشخصات سنگ و امثال اینها از دیگر مسایلی است که در مکانیک سنگ مورد بررسی قرار می گیرد .
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.
سیر تحولی و رشد
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.
تقسيم بندي هاي مورد نياز براي توده هاي سنگي
قسيم بندي توده هاي سنگي، بر اساس ارزيابي کيفيت و رفتار سنگ استوار است و به پارامترهاي زيادي بستگي دارد.
تقسيم بندي توده هاي سنگي، بر اساس ارزيابي کيفيت و رفتار سنگ استوار است و به پارامترهاي زيادي بستگي دارد. اين پارامترها بر کيفيت توده سنگ موثر هستند. محققين زيادي درباره سيستم تقسيم بندي توده هاي سنگي مطالعه انجام داده اند و با توجه به تنوع شرايط از انواع تقسيم بندي استفاده ميشود. يکي از سيستمهايي که براي تقسيم بندي توده هاي سنگي به کار ميرود، کنترل کيفيت سنگ يا rqd است. اين سيستم به بررسي اتصالات ايجاد شده در توده سنگ به عنوان تابعي از کيفيت سنگ ميپردازد. سيستمهاي ديگري که در اين زمينه وجود دارند عبارت هستند از شاخص rmr و شاخص کيفيت تونلهاي سنگي ngi. در اين شاخصها، پارامترهايي مانند مقاومت سنگهاي دست نخورده، فضاي اتصالات، شرايط اتصال، ميدان تنش و اثرات آبهاي زيرزميني نيز مورد توجه قرار ميگيرند.
سيستمهاي تقسيم بندي توده هاي سنگي از اهميت زيادي برخوردار هستند، زيرا زمانيکه اين سيستمها درباره کيفيت سنگ صحبت ميکنند، اطلاعاتي نيز درباره کميت سنگها ارائه ميدهند. برخي از سيستمهاي تجربي نيز براي تقسيم بندي توده هاي سنگي به کار برده ميشود که به شرح زير ميباشد:
براي طراحي استخراج معادن
طراحي تونل سازي
طراحي ستون
ارزيابي وضعيت جاده ها
طراحي شيب مناطق سنگي
ارزيابي مدت زمان حفاري داخل زيرزميني
بررسي کيفيت بلوکهاي سنگي حفاري شده
مباحث مربوط به مکانيک سنگ
شناخت کليه خواص فيزيکي ، مکانيکي ، زمين شناسي ، هيدروديناميکي و حتي کاني شناسي و چينه شناسي سنگها معمولا مفيد و در مواردي حتما ضروري است.
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.