مکانیک سنگ

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.

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.

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.

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 کهتوسط بررسیهای صحرایی و اکتشافات زیر زمینی گردآوری می شود، داده های کمی و عددیدرباره ویژگیهای ذاتی یا اکتسابی مصالح نیز مورد نیاز است. از این رو سنگ وخاکرا در آزمایشگاه، یا درصحرا و به طور برجا، مورد آزمایش قرار می دهیم . هدف از بررسیهای مربوط به تعیینویژگیهای مصالح زمین شناسی را به گونه زیرمی توان خلاصه کرد:

الف) شناساییوطبقهبندیمصالح(سنگ و خاک(
ب) تعیین روابطی که ما بین ویژگیهای مختلف مصالحوجود دارد.
ج) تجزیه و تحلیلها و ارزیابیهای مهندسی

ویژگیهای ژئوتکنیکی مصالح

ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح زمین شناسی را میتوان 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 وتعیین ارتباط و همبستگی(کرولاسیون) بین مصالح بکار می روند. برخی از این مشخصات درمحاسبات مهندسی نیز کاربرد دارند. تخلخل، رطوبت،چگالیو سختی ازویژگیهای اساسی مصالح اند.

2)ویژگیهای شاخص: گروهی از ویژگیهایفیزیکی است که اساساً در طبقه بندی و همچنین برای تعیین ارتباط (همبستگی یاکرولاسیون) با ویژگیهای مهندسی به کار می روند. دانه بندی ، حد روانی ، خمیری ومقاومت فشاری تک محوری و شاخص بار گذاری نقطهای از ویژگیهای شاخص مصالح اند.

3)ویژگیهای هیدرولیکی: گروهی از ویژگیهای مصالح اند که بر حسبنفوذپذیریبیان می شوند. ویژگیهای هیدرولیکی، وضعیت جریان سیالات را در محیط زمینشناسی مشخص می کنند.

4)ویژگیهای مکانیکی: مقاومت مصالح در برابرگسیختگی و مشخصات مربوط به تغییر شکل غیر شکننده از این گرو ه اند. این بخش ازویژگیهای مصالح به دو گروه استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند.

از میان چهارگروه فوق، اندازه گیری ویژگیهای مکانیکی و هیدرولیکی، که پایه ای برای تمام تجزیه وتحلیلهای 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. گردآوری اطلاعات در مورد ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح ممکن است توسط آزمونهای آزمایشگاهییا صحرایی حاصل شود.
نمونه های سنگ بکر که بصورتمغزهسنگی 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 میگیرند. بطور کلی ویژگیهای مهندسی مهم سنگ را نمی توان از روی نمونه کوچکی از سنگیکپارچه 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 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 حدیهوازدهولی 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 اغلبکانیهای تشکیل دهنده ی سنگها دامنه ای از 65/2 الی80/2 دارد.البته در مواردی کهکانیهای سنگینتر مثلهورنبلند،اوژیتیاهماتیتوجود داشته باشد، نسبی می تواند از 3 تا5 باشد.
ب) تخلخل درسنگهای 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 نفوذپذیریارتباط مستقیم با تخلخل دارد. خلاصه اینکه ارتباطی قوی بین چگالی، تخلخل و مقاومتسنگ 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.

قابلیتحفاری: 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 شکستگیهادارد 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 استفادهکرد.

ویژگیهای هیدرولیکی سنگها

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 طبیعتتنشاعمال شده است. به عنوانمثال، تنشهای کششی در زیر یک سد بتنی قادر است درزها و فولیاسیونها را به مقدارقابل توجه بار نموده و به این ترتیب نفوذپذیری را افزایش می دهد.

__________________

اگر که آمدی من رفته بودم/اسیر سال وماه وهفته بودم/دعایم کن دوباره جان بگیرم/بیایم در رکاب تو بمیرم.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: