[ مقاله ] کاربرد مکانیک سنگ در عمران

[fovji]

نیاز فوری

 

[reza2011]

نیاز فوری

مکانیک سنگ را می توان به طور ساده « علم مطالعه اثر نیروها بر روی سنگها دانست . مهمترین هدف مکانیک سنگ گردآوری آن دسته از اطلاعات است که توسط آنها بتوان سازه های مهندسی را در داخل یا به روی سنگها به نحو پایداری طراحی و بنا نمود.
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 زمان‌ هستند. 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. 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 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 پلاستیکها را بسازند ، سنگ کاری هنوز صنایع بسيار 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 نیروگاههای زمینی ، حفره‌های ذخیره آب ، نفت ، گاز ، هوا و غیره و نیز دفن زباله‌های هسته‌ای ، معادن زیرزمینی ، معادن روباز ، برش های عمیق برای آب ریز و ... در سنگ و یا بر سنگ صورت می‌گیرد، لذا لزوم شناخت سنگ ها و مکانیک سنگ برای انسان امری انکار ناپذیر است.

مباحث مربوط به مکانیک سنگ

اغلب سنگ ها ماده اي ، همگن ( هموژن ) و همسان ( ایزوتوپ ) نیستند ، علاوه بر آن در اغلب آنها ناپیوستگیهای ساختی نیز وجود دارد . 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 بررسی های 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 بررسی ها 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.

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 سيستم هايي 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 مي پردازد. سيستمهاي ديگري که در اين زمينه وجود دارند عبارت هستند از شاخص RMR و شاخص کيفيت تونلهاي سنگي NGI. در اين شاخص ها، پارامترهايي مانند مقاومت سنگهاي دست نخورده، فضاي اتصالات، شرايط اتصال، ميدان تنش و اثرات آبهاي زيرزميني نيز مورد توجه قرار مي گيرند.

سيستم هاي تقسيم بندي توده هاي سنگي از اهميت زيادي برخوردار هستند، زيرا زمانيکه اين سيستم ها درباره کيفيت سنگ صحبت مي کنند، اطلاعاتي نيز درباره کميت سنگها ارائه مي دهند. برخي از سيستم هاي تجربي نيز براي تقسيم بندي توده هاي سنگي به کار برده مي شود که به شرح زير مي باشد:

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

شناخت کليه خواص فيزيکي ، مکانيکي ، زمين شناسي ، هيدروديناميکي و حتي کاني شناسي و چينه شناسي سنگ ها 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 سیستم های 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.

تنش های 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 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 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.

1. پروژه‌های سازنده‌های سطحی : این پروژه‌ها شامل مواردی چون پل ، ساختمانهای بلند ، نیروگاهها و سدها می‌باشند.
2. مسیرهای حمل و نقل : مانند بزرگراه ، خط آهن ، کانال و خط لوله
3. گودبرداریهای سطحی : مثل معدن روباز
4. گودبرداری های زیرزمینی : مثل تونل ها ، حجره‌های زیرزمینی و کارهای دفاعی
5. بهره‌ برداری از منابع انرژی : مثل استخراج نفت و دفن زباله‌های