ارزیابی خصوصیات مقاومتی و دوام­داری سنگهای آذرین براساس اندازه دانه­ها (مطالعه موردی موج­شکن شهید رجایی)

مقدمه

عوامل زمین‌شناسی کنترل کننده رفتار مکانیکی سنگها به دو گروه داخلی شامل خواص و ویژگیهای خود سنگ و عوامل خارجی شامل فرایندهایی که محیط اطراف سنگ در یک محدوده از زمان بر روی سنگ تاثیر می‌گذارند، تقسیم می‌شوند. عوامل داخلی شامل ترکیب کانی‌شناسی و بافت، صفحات ضعف، شکستگی‌های داخل سنگ، درجه آلتراسیون کانی‌ها، اندازه دانه، شکل دانه، دانسیته فشردگی سنگ، درجه درهم‌شدگی، نوع کنتاکت‌ها و میزان ونوع سیمان یا خمیره(در صورت موجود بودن) می‌باشد، در جدول 1 طبقه‌بندی خصوصیات سنگها نشان داده شده است (اروسی و والر، 1995).

در سنگهای آذرین نوع کانی‌ها و نسبت آنها تاثیر زیادی بر دوام و مقاومت سنگ خواهد داشت و سنگهای حاوی کوارتز (به عنوان کانی پیوند دهنده) دارای بیشترین مقاومت می‌باشند و بعد از آن کلسیت و کانی‌های آهن و منیزیم‌دار قرار دارند. کانی‌های آهن و منیزیم‌دار مرزهای دانه‌ای پیچیده یا بافتهای درهم رشدی خوبی در سنگها ایجاد می‌کنند، ولی با این وجود این کانی‌ها سریع‌تر نیز اکسیده می­شوند و باعث افت مقاومت می‌شوند(براتلی، 1992)، سنگهایی با مواد پیوند دهنده رسی ضعیف‌ترین سنگها می‌باشند. دوام و مقاومت سنگ با افزایش آلتراسیون و افزایش کانی‌های ثانویه بشدت کاهش می‌یابد.

 اندازه کانی­ها و میانگین دانه­های سازنده سنگ نیز به عنوان یک فاکتور زمین‌شناسی مهم تاثیر زیادی بر روی مقاومت مکانیکی سنگ دارند. مقاومت تسلیم سنگها با کاهش اندازه دانه­ها افزایش می‌یابد، شکل1 رابطه بین اندازه دانه، درصد کانی با مقاومت تک محوری را نشان می‌دهد و شکل 2 رابطه بین نوع و اندازه کانی های مختلف و مقاومت فشاری تک محوری را مشخص می‌کند (توگرول و ظریف، 1999). بطور کلی کوچک بودن اندازه دانه باعث زیاد شدن مقاومت سنگ می‌شود و وقتی میانگین اندازه دانه ها کمتر از mm1 باشد، این تاثیر بیشتر خواهد بود (براتلی، 1992)،اگر اندازه دانه کمتر از mm 025/0 باشد، دانه‌ها تاثیر کمی در سایش ودوام دارند(اروسی و والر، 1995). انودرا وکومارا(1980) نشان دادند که بین اندازه دانه و مقاومت سنگهای گرانیتی رابطه خطی و معکوس وجود دارد که با کاهش اندازه دانه‌های سنگ، مقاومت سنگ افزایش می‌یابد. تاثیر اندازه کانی‌ها بر مقاومت سنگ بیشتر به این دلیل است که با کاهش اندازه کانی‌ها، تعداد مرزهای دانه‌ها افزایش یافته و نیروهای خارجی بر روی سطوح بیشتری توزیع می‌شوند و در نتیجه نیروی بیشتری برای شکستن پیوند بین دانه‌ها لازم می‌باشد.

شکل دانه‌ها نیز برروی مقاومت سنگ تاثیر زیادی دارد و دانه‌های زاویه‌دار باعث ایجاد درهم شدگی بیشتر و افزایش مقاومت خواهند شد، ولی سنگهای تشکیل شده از دانه‌های گرد شده بسیار بی‌دوام می‌باشند زیرا بلورها یا دانه‌ها لبه مشخصی داشته و نیروها نیز در طول آزمایشات دوام و مقاومت معمولاً در طول لبه‌های دانه‌ها متمرکز می‌شوند و چون سطح تماس و پیوند بین دانه‌ها صاف می‌باشد، نیروی کمتری برای شکستن سنگ لازم می‌باشد و در نتیجه این سنگها شاخص­های دوام و مقاومتی کمتری را نشان می‌دهند.

یکی دیگر از ویژگیهای مهم بافتی که در رفتار فیزیکی و بویژه مقاومت سنگ نقش دارد، درجه
 درهم­شدگی دانه‌ها ونوع مرزهای دانه‌ها و آرایش هندسی(میکروفابریک) اجزاء سنگ است. چون شکستگی‌ها بیشتر در طول مرزهای دانه‌ها رخ می‌دهند و کمتر در میان دانه‌ها ایجاد می‌شوند، مرزهای نامنظم و درهم ایجاد شکستگی رابسیار مشکل می‌سازند و افزایش تعداد مرز‌ها باعث افزایش مقاومت سنگ می‌شود.

در این مقاله براساس نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از نمونه­های گرفته شده از موج­شکن شهید رجایی، به بررسی رابطه بین خصوصیات مقاومتی و دوام­داری سنگهای آذرین براساس اندازه دانه­ها پرداخته شده است که در زیر به آنها اشاره می‌کنیم.

محدوده مطالعاتی

بندر شهید رجایی در 20 کیلومتری غرب بندرعباس، 15 کیلومتری غرب بندر شهید باهنر و در مختصات جغرافیایی '4°56 طول شرقی و'7°27 عرض شمالی قرار دارد. این بندر دارای دوشاخه موج‌شکن می­باشد که طول موج‌شکن غربی حدود 2515 متر و ارتفاع آن 5 متر و طول موج‌شکن شرقی حدود 2570 متر و ارتفاع آن 5 متر می‌باشد. این بندر دارای یک موج‌شکن ترافیک ساحلی با طول 1733 متر نیز می‌باشد که شامل یک موج­شکن اصلی به طول 1250 متر و دو موج‌شکن فرعی به طول 200 متر و یک شاخه رسوبگیر به طول 180 متر می‌باشد. این موج شکنها از عمق 20 متری تا حدود 7 متری بالای سطح آب احداث شده‌اند. ساخت این بندر در سال 1354 آغاز گردیده و موج شکنهای آن در سال 1360 ساخته شده‌اند. سنگهای بکار رفته دراین بندر بیشتر از نوع ریولیت، داسیت، توف ریولیتی و گرانیت می‌باشند. این سنگها بیشتر از معادن سنگ موجود در گنبد نمکی گچین که در شمال غربی بندرعباس، استخراج شده‌اند. سنگهای این گنبدها با توجه به شواهد کانی‌شناسی یک آلتراسیون هیدروترمال تقریباً مشابه با یک سیستم هیدروترمال در ریفتهای اقیانوسی را تحمل کرده‌اند و عامل اصلی آلتراسیون سنگهای آذرین مورد مطالعه، ورود آبهای دریایی فوقانی از راه درزه‌ و شکافها به سنگهای اسیدی وبازیک تشکیل شده در این سیستمهای ریفتی است.

بررسی خصوصیات پتروگرافی

با توجه به اهمیت مطالعات پتروگرافی در تعیین خصوصیات فیزیکی، دوام سنگ‌ها و بررسی فرایندهای هوازدگی موجود در سنگ‌ها، از نمونه­های برداشت شده از موج‌شکنها و معادن سنگ آنها، مقطع نازک تهیه شد. برای نامگذاری سنگهای منطقه مورد مطالعه به روش مودال، تعداد 4 نمونه مقطع نازک از گروههای سنگی مذکور انتخاب و آنالیز مودال شده و با روش اشتریکایزن (1974 و1976) طبقه‌بندی و نامگذاری گردیده‌اند، نتایج آنالیز مودال 4 نمونه از سنگهای منطقه در جدول2 نشان داده شده و شکل 3 دیاگرام QAP مودال اشتریکایزن(1976) و موقعیت نمونه‌های مورد مطالعه بر روی آن را نشان می‌دهد. طیف ترکیبی سنگ‌های آذرین در این منطقه مورد مطالعه شامل ریولیت, توف ریولیتی و داسیت می‌باشد.

بنابراین بعد از بررسی پترولو‍ژیکی سنگها، تعیین میانگین اندازه دانه­ها پرداخته شد که برای تعیین میانگین اندازه دانه­ها از روش کان(1956) استفاده شد. در این روش در یک فاصله حدود 20میلیمتر در روی مقطع نازک سنگ، تعداد مرزها شمرده شده و سپس این فاصله(mm 20) بر تعداد مرزها تقسیم می شود، عدد بدست آمده به عنوان میانگین اندازه دانه‌های سنگ در نظر گرفته می‌شود. جدول 3 میانگین اندازه دانه‌های در نمونه سنگهای مختلف موج‌شکن شهید رجایی نشان داده شده است.

بررسی خصوصیات مکانیکی و دوام داری

برروی نمونه‌های برداشته شده از انواع سنگهای موج‌شکن، آزمایشات مختلفی براساس استاندارد ASTM, ISRM و BS انجام گردید که با انجام دادن آزمایشات آزمایشگاهی، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی نمونه‌های انتخابی بدست اورده شد که نتایج آنها در جدول5 ارائه گردیده است. آزمایشات انجام شده بر روی نمونه­ها عبارتند از: آزمایش تعیین خصوصیات فیزیکی ( ISRM)، آزمایش ارزش ضربه­ای
 (B.S-812)، آزمایش مقاومت تک محوری (UCS) (ASTM.D2938)، آزمایش تعیین سرعت صوت (ASTM.D2845)، آزمایش دوام (ASTM. D 4644)، آزمایش سلامت سنگ (BS 812-1432). در جدول 4 نتایج آزمایشات نمونه­های مختلف  سنگهای موج­شکن شهید رجایی آورده شده است.

اندازه کانی‌ها و میانگین دانه‌های سازنده سنگ نیز به عنوان یک فاکتور زمین­شناسی مهم تاثیر زیادی بر روی مقاومت مکانیکی سنگ داشته و مقاومت تسلیم سنگها با کاهش اندازه دانه‌ها افزایش می یابد و بطور کلی کوچک بودن اندازه دانه باعث زیاد شدن مقاومت سنگ می­شود. ولی این پارامتر نیز به تنهایی نمی­تواند مشخص کننده خواص مقاومتی و دوام داری سنگ باشد و عواملی مانند هوازدگی و وجود میکروشکستگی­ها و ترکیب کانی­شناسی باعث تغییر خواص مقاومتی سنگهایی با اندازه دانه یکسان خواهند شد.

سنگهای ریزدانه مقاومت بیشتری داشته و از تغییرات مقاومتی و دوام‌داری کمتری نسبت به سنگهای درشت دانه‌تر برخوردارند و علت آن بیشتر بدلیل هوازدگی کمتر و افزایش تعداد پیوند‌های بین دانه‌ای در سنگهای دانه ریز می‌باشد و افزایش تعداد مرزها باعث مقاومت بیشتر سنگها می‌شود. اشکال4 تا 11رابطه بین خصوصیات مهندسی سنگها و میانگین اندازه دانه­های سنگها نشان داده شده است.

با افزایش میانگین اندازه دانه‌ها، مقدار مدول الاستیسیته، مقاومت و سرعت صوت کاهش می‌یابد. در سنگهای دانه ریز به دلیل افزایش تعداد مرزها و قدرت پیوند بین دانه‌ها سرعت صوت، مقاومت و دوام افزایش می‌یابد. پراکندگی داده‌ها در میانگین کمتر از 1/0 میلیمتر کمتر می‌باشد که نشان دهنده این نکته است که وقتی میانگین اندازه دانه‌ها از 1/0 میلیمتر بیشتر باشد، تاثیر اندازه دانه بیشتر خواهد بود. افت سرعت موج با افزایش اندازه دانه‌ها مشهود است، در واقع با کاهش اندازه دانه‌ها، سنگ متراکم‌تر بوده و سرعت موج برشی در آن افزایش می‌یابد. در حالت اشباع که فضاهای منافذ با آب پر می‌شود، پراکندگی داده‌ها کمتر از حالت خشک است. اشکال4 تا 8 به ترتیب رابطه بین مدول الاستیسیته، مقاومت تک محوری، سرعت صوت و شاخص دوام با میانگین اندازه دانه‌ها نشان داده شده است.

با افزایش اندازه دانه‌ها، تخلخل و جذب آب کاهش می‌یابد. بطور کلی در سنگهای ریز‌دانه به دلیل افزایش تعداد دانه‌ها مقدار تخلخل کل زیاد می‌باشد. در این سنگها درصد کانی‌های رسی یا کانی‌هایی که به رس تبدیل می‌شوند بیشتر می‌باشد بنابراین کانی‌ها، جذب آب بالایی دارند، مقدار جذب آب افزایش می‌یابد. در اینجا نیز پراکندگی دانه‌ها در میانگین کمتر از 1/0 میلیمتر بیشتر است. اشکال8 و9 به ترتیب رابطه بین تخلخل ومیزان جذب آب با میانگین اندازه دانه‌ها نشان داده شده است.

درصد افت وزنی با افزایش میانگین اندازه دانه کاهش می‌یابد ولی در سنگهای ریز‌دانه چون درصد کانی‌های رسی یا کانی‌هایی که به رس تبدیل می‌شوند بیشتر می­باشد، مقدار افت وزنی افزایش می‌یابد. شکل10 رابطه بین درصد افت وزنی در آزمایش سلامت سنگ و میانگین اندازه دانه‌ها نشان داده شده است.

ارزش ضربه با افزایش میانگین اندازه دانه افزایش می‌یابد، ولی در سنگهای دانه ریزتر به دلیل افزایش تعداد مرزهای بین دانه‌ها و افزایش قدرت پیوند بین دانه‌ها، مقاومت بالا بوده و ارزش ضربه­ای کم می‌باشد. شکل11 رابطه ارزش ضربه‌ای سنگها و میانگین اندازه دانه‌ها نشان داده شده است.

نتیجه گیری

1- عمده سنگهای مورد استفاده در موج شکن شهید رجایی از نوع ریولیت، داسیت و توف ریولیتی می­باشد. در این میان توفهای ریولیتی هوازدگی شدیدتری را نشان می­دهند.

2- کانیهای ثانویه حاصل از هوازدگی در سنگهای مورد مطالعه عمدتاً کلسیت، سریسیت، اپیدوت، کانی های رسی وکلریت می­باشند.

3- ویژگیهایی نظیر وزن مخصوص و درصد جذب آب از پارامترهای مناسب جهت ارزیابی شدت هوازدگی در سنگهای آذرین می باشد.

4- خصوصیات بافتی نظیر اندازه دانه و نوع هوازدگی تاثیر زیادی بر روی مقاومت و دوام سنگهای مورد استفاده دارد. افزایش اندازه دانه­ها منجر به کاهش مقاومت سنگ، سرعت موج و دوام­داری سنگ می­گردد.

5- اندازه دانه تاثیر زیادی بر روی ویژگیهای مقاومتی و دوام سنگها داشته ویکی از مهمترین و بهترین پارامترهای تعیین میزان مقاومت و دوام سنگ می باشد و با کاهش اندازه دانه، مقاومت و دوام سنگ افزایش می یابد. اگر میانگین اندازه دانه­ها بیشتر از 1/0 میلیمتر باشد، تاثیر اندازه دانه بیشتر خواهد بود.

6- با توجه به شاخص­های هوازدگی، سنگهای ریز­دانه نسبت به سنگهای درشت دانه کمتر هوازده شده­اند و با افزایش اندازه دانه، استعداد سنگ برای هوازدگی بیشتر می­باشد.

منابع

1- مهدی امانیان، ناصرحافظی مقدس محمد رضا نیکودل، حسین مهدیزاده شهری، بررسی عملکرد سنگ های آذرین استفاده شده در موج شکنهای سواحل شمالی خلیج فارس ، بیست وسومین گردهمایی علوم زمین، بهمن1383.

2- مهدی امانیان، حسین مهدیزاده شهری، ابراهیم شریفی تشنیزی، بررسی سیستم آلتراسیون موجود در سنگهای آذرین گنبدهای نمکی- جنوب ایران(مطالعه موردی گنبدهای نمکی گچین، کنگ، بستانه، حسینه)، بیست وسومین گردهمایی علوم زمین، بهمن1383.

3- و. رژفسکی و گ. نوویک، فیزیک سنگ، ترجمه: محمد دانش. مرکز انتشارات صنعت فولاد،1371.

4- نیکودل. محمدرضا، تعیین معیارهای زوال پذیری و دوام سنگ، پایان نامه کارشناسی ارشد زمین شناسی مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، 1369.

5- Ersoy,A., Waller, M.D. 1995. Textural characterisation of rocks, Engineering Geology, 39, pp. 123-136.

6- Brattli, Bjorge. 1992. The influence of geological factors on the mechanical properties of basic igneous rocks used as road surface aggregates, Engineering Geology, 33,pp.31-44.

7- Tugrul, A., Zarif, I.H. 1999. Correlation of mineralogical and textural characteristics with engineering properties of selected granitic rocks from Turkey,Engineering Geology, 51,pp.303–317.

8- Gokceoglu, Candan ., Ulusay, Resat ., Sonmez, Harun. 2000. Factors affecting the durability of selected weak and claybearing rocks from Turkey, with particular emphasis on the influence of the number of drying and wetting cycles,Engineering Geology, 57 ,pp. 215–237.

9- Gupta, Anand.S., Rao, K. Seshagiri. 2000.Weathering effects on the strength and deformational behaviour of crystalline rocks under uniaxial compression state, Engineering Geology, 56,pp.257–274.

10- Jeng, F.S., Weng, M.C., Lin, M.L., Huang, T.H. 2004. Influence of petrographic parameters on geotechnical properties of tertiary sandstones from Taiwan,Engineering Geology, 74,pp.122-138.