مکانیک سنگ

تاریخچه و تعریف علم مکانیک سنگ:

ابتدا اعتماد انسان به ماده سنگ جلب شد و این اعتماد و اطمینان بعدها به توده سنگ به عنوان پی وپناهگاه گسترش یافت و با گذشت زمان دامنه این اعتماد و اطمینان آنقدر گسترش یافت که در حفریات زیرزمینی و سطحی رسیدن به سنگ و دستیابی به آن به عنوان یک هدف در آمده بود و بدون هیچگونه اندازه گیری خواص مکانیکی،سنگ را محکم و مقاوم فرض می کردند.این اعتماد و اطمینان برای سال های زیادی ادامه داشت تا اینکه در اواسط قرن اخیر با تخریب سدهای وایونت در ایتالیا با بیش از ۲۰۰۰ کشته و  مالپاست در سال ۱۹۵۹ که اولی به علت لغزش زمین و دومی به علت جابجائی بلوک های سنگی پی اتفاق افتاد مورد سئوال قرار گرفت. در صورتیکه این شک و عدم اعتماد در مورد خاک که نتیجه تخریب وتجزیه سنگ هاست از سال ها قبل شروع شده بود و باعث بوجود آمدن علم مکانیک خاک (Soil Mechanics) و بسط و توسعه آن شده بود. تئوری کولومب در مورد خاک در سال ۱۷۷۳ ارائه شد در صورتیکه اولین مطالعه علمی در مورد توزیع تنش در محیط سنگی یکصد سال بعد صورت گرفته است.

بعد از جنگ جهانی دوم به موازات پیشرفت های حاصل در صنایع و علوم مختلف احتیاج به مواد اولیه معدنی به تدریج افزایش یافته و عمق و ابعاد معادن نیز بیشتر شده به طوریکه بارهای وارده از طرف انسان بر سنگ بالغ بر 8-۱۰ برابر و ابعاد کارهای زیر زمینی نیز بیش از 4-5 بزرگتر شده است. این موارد ذکر شده عواملی بودند که لزوم مطالعه خواص مکانیکی و عکس العمل سنگ ها را در مقابل شرایط جدید ضروری می ساختند به عبارت دیگر وقتی حفریات روباز و زیرزمینی به چنین ابعادی رسیدند دیگر امکان بکارگیری سنگ ها بدون اندازه گیری خواص مکانیکی آنها چندان عاقلانه به نظر نمی رسید.

در سال ۱۹۳۶ تغییر شکل پذیری سنگ ها از طرف  David Griggsمورد مطالعه قرار گرفت و در سال ۱۹۴۵ یعنی یک سال بعد از تشکیل کمیته ای جهت تحقیق در مورد تغییرشکل پذیری سنگ ها در آمریکا اداره معادن این کشور اولین استانداردهای خود را در مورد چگونگی اندازه گیری خواص مکانیکی سنگ ها منتشر نمود. به عبارت دیگر مطالعات آزمایشگاهی و درجا در مورد اندازه گیری خواص مکانیکی سنگ در ارتباط با پروژه های مهندسی پس از سال ۱۹۴۵ شروع شد و در سال ۱۹۵۱ فعالیت های خیلی مؤثری در مورد مکانیک سنگ آغاز شد، در همین سال اولین سمپوزیوم چالزنی و حفاری و آتشباری در آمریکا برگزار شد و همزمان با آن اولین سمپوزیوم مکانیک سنگ از طرف انجمن ژئومکانیک اتریش در سالزبورگ تشکیل شد.

مکانیک سنگ به عنوان یک درس مستقل پس از سال ۱۹۶۰ در بعضی کشورها در رشته های معدن و ساختمان شروع به تدریس گردید. درحدود ۶۰ سال از اعلام استقلال مکانیک سنگ به عنوان یک علم مستقل می گذرد و پیشرفت های زیادی در این زمینه حاصل شده است به طوریکه در مسائل مربوط به معدنکاری و حفاری های سطحی و زیر زمینی به طور موفقییت آمیزی از آن استفاده می شود .شاید این جمله بیناوسکی که تکنولوژی در چند دهه اخیر بیشتر از ۴۰۰۰ سال گذشته پیشرفت کرده است بیشتر از هر علمی در مورد مکانیک سنگ صادق باشد. اولین تعریف جامع از مکانیک سنگ در سال 1966 توسط کمیته ملی مکانیک سنگ آمریکا ارائه گردید که در سال 1974 با تغییراتی به صورت زیر بیان شد:

مکانیک سنگ عبارت است از دانش نظری و عملی از رفتار مکانیکی سنگ یا آن بخش از علم مکانیک که به واکنش سنگ در برابر میدان های  نیرو از محیط فیزیکی اطراف مربوط می گردد.

در حال حاضر اصول مکانیک سنگ و روش های تحلیلی آن کاربرد وسیعی در زمینه های مهندسی معدن، راه و ساختمان، زمین شناسی، نفت و ژئوفیزیک پیدا کرده است و سعی می شود که مسائل و مشکلات مربوط به طراحی در زمینه های فوق با استفاده و بکارگیری مبانی مکانیک سنگ حل شود، که در عمل شاهد نمونه های موفقیت آمیز بسیاری در این موارد هستیم.

مهمترین زمینه های بکارگیری مکانیک سنگ عبارتند از:

- معدنکاری:

زیرزمینی (زغال): طراحی کارگاه، اتاق و پایه، گالری ها و چاه, انفجار سنگ.

زیرزمینی (فلزی و غیرفلزی): طراحی گالری پایه، قابلیت تخریب کارگاه

سطحی: چال زنی، انفجار، قابلیت حفاری، پایداری شیب ها، زهکشی.

- انرژی:

نیروگاه های زیرزمینی (هیدرولیک- اتمی)، ذخیره نفت و گاز، دفن زباله های اتمی، انرژی ژئوترمال (Geothermal Energy) و سد سازی.

- حمل و نقل:

تونل های جاده ای، راه آهن، تونل های شهری (مترو) و ایستگاه ها، پیاده روها و تونل کانال.

- تحلیل پایداری سنگ ها (جلوگیری از انفجار هوا و رقت، تونل دسترسی و کارگاه ها، سقف و کف و دیواره ها، نشست زمین، تاثیر حرارت های بسیار بالا و پایین C ± 200، پایداری دیواره چاه ها و گمانه های عمیق در داخل شیل و تعیین طول آستربندی گمانه ها).

 

- تحلیل تغییر شکل سنگ ها (پشتیبانی از برنامه ابزاربندی، طراحی تفصیلی، ابزاربندی سطوح شیبدار، طراحی و ابزاربندی و پایش نشست زمین).

- طراحی سیستم نگهداری (گالری های حمل ونقل، پیچ سنگ و شاتکریت، انتخاب نگهداری دائم و موقت، طراحی بلند مدت، پایداری شیروانی ها، چاه ها و خاکریز).

- شکافت هیدرولیکی (معدنکاری انحلال، افزایش نفوذپذیری، توسعه سنگ های خشک و گرم، تکنیک های جدید ذخیر ه سازی).

لازم به ذکر است که نحوه صحیح بدست آوردن اطلاعات مورد بحث در بالا در کشورهای مختلف مقداری با هم متفاوت بوده و طبق استانداردهای آن کشورها صورت م یگیرد. در این رابطه بهتر است از روشهای پیشنهادی انجمن بین المللی مکانیک سنگ استفاده شود.

 خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ ها

خصوصیات ذاتی: نظیر نام سنگ شناسی، چگالی ذرات جامد (G_s )، توزیع حفرات و نفوذپذیری.

خصوصیات شاخص: نظیر دانستیه نسبی، وزن مخصوص ظاهری، نسبت تخلخل، حداکثر جذب آب، مقاومت فشاری ( تک محوری ) و مقاومت بار نقطه ای.

خصوصیات شکل و اندازه: آزمایشات دانه بندی، تعیین شکل مصالح، ضریب یکنواختی ، ضریب انحنا و غیره که بیشتر برای سنگ پاره و سنگ های خرد شده استفاده می شود.

خصوصیات دوام: دوام به قدرت پایداری مصالح در برابر عوامل مخرب فیزیکی و شیمیایی اطلاق می شود.

آزمایش سلامت (Soundness text) و آزمایش های یخ زدن و آب شدن از جمله آزمایش های این دسته است. 

 خصوصیات شاخص

سنگ ها دارای خصوصیات بسیار زیادی بوده که هر کدام از آنها در نتیجه وجود ساخت، بافت و اجزای خاصی می باشند . در این قسمت سعی گردیده است تا تعداد محدودی از خصوصیات تاثیر گذار در رفتار مهندسی مورد بررسی قرار گیرد. خصوصیات ویژه ای که اندازه گیری آنها نسبتاً آسان تر می باشد خصوصیات شاخص(Index Properties) نامیده می شوند.

- وزن حجمی و چگالی نسبی:

وزن حجمی بیانگر وزن واحد حجم ماده بوده و با γ نشان داده می شود (چگالی جرمی که معمولاً با نام چگالی مطرح می شود از تقسیم چگالی وزنی بر شتاب گرانش زمین به دست آمده و با ρ نشان داده می شود).

(چگالی جرمی) ρ = m/V

W/V=γ(وزن حجمی)

چگالی نسبی از تقسیم دانسیته ماده به دانسیته آب بدست می آید و با کمیت بی بعد G نشان داده می شود.

چگالی نسبی سنگ  (G_s)از چگالی نسبی کانی های متشکله درصد و حجم هر یک از آنها بدست می آید و برای کانی های مختلف از 2 تا 8 تغییر می کند (جدول1). درصد حجمی کانی های موجود در سنگ با مطالعات میکروسکوپی و مقاطع نازک قابل محاسبه است.

γ / γ_w = G (چگالی نسبی)

γ_s / γ_w = G_s (چگالی نسبی سنگ)

- نسبت تخلخل:

نسبت حجم منافذ به حجم کل سنگ را نسیت تخلخل گوین که کمیتی بی بعد بوده و با n نمایش داده می شود.

                              n = V_v/V           

تخلخل در سنگ های رسوبی که از تجمع دانه ها و قطعات مختلف ایجاد شده اند، در دامنه وسیعی بین مقادیر نزدیک به صفر تا 9/0 تغییر می کند. باید در نظر داشت که افزایش سن وعمق برای این سنگ ها باعث کاهش تخلخل می گردد.

تخلخل در سنگ های آذرین و دگرگون معمولاً بدلیل وجود ترک ها می باشد. در سنگ های آذرین تخلخل حدود 1 تا 2 درصد است و در صورت وجود هوازدگی به 20 درصد هم می رسد .

روش های مختلفی جهت اندازه گیری تخلخل وجود دارد:

1- اندازه گیری دانسیته

2- اندازه گیری در صد رطوبت سنگ پس از اشباع شدن در آب

3- اندازه گیری در صد رطوبت سنگ پس از اشباع شدن در جیوه تحت فشار ( دستگاه پیزومتری جیوه ای)

4- اندازه گیری حجم جامد و فضای خالی به توسط قانون بویل