علم مکانيک سنگ

مکانیک سنگ شاخه ای از علم مهندسی است که در آن چگونگی رفتار سنگ در برابر نیروها و عوامل خارجی مورد بحث قرار می گیرد.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. در ادامه مطلب به صورت خلاصه در موارد زیر بحث می کنم :
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.
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.
علم مکانیک سنگ امروزه کاربرد وسیعی پیدا کرده است علاوه بر کار های معدنی در طراحی فضاهای استخراجی سطحی و زیر زمینی , در مواردی نظیر تونل های راه و آب , راه آهن های زیر زمینی , پناهگاها , نیروگاهها و مخازن زیر زمینی کاربرد فنون مکانیک سنگ برای مهندسین معدن و ژئوتکنیک اجتناب ناپذیر شده است .گسردگی و تنوع عملیات پروژه های سنگی به ویژه در زیر زمین و اطراف دیگر طبیعت ناسازگار و نا همگونسنگها و شرایط متغر زمین ساختی و تکتونیکی در فن آوری حفاری ها و حفظ فضا ها پیشرفت های شگرفی ایجاد کرده است . در همین راستا علم مکانیک سنگ با تکیه بر روش های صحرائی و آزمایشگاهی به کمک ابزارهای تحلیلی و عددی حیطه وسیعی را شامل گشته است.
امروزه عمده موارد کاربرد علم مکانیک سنگ بشرح زیر می باشد :
در ساخت ابنیه سطحی نظیر پل سازی , ساختمان , ساخت نیروگاه های سطحی و سد سازی. در راهسازی نظیر ساخت بزرگراهها و راه آهن , کانال ها و مسرهای لوله گذاری و سیستم ها کنترل جریان آب نیرو گاهها ،در حفاری های سطحی نظیر معادن سطحی و کانالهای سریز در سدها ،در حفاری های زیر زمینی مانند معادن زیر زمینی , تونل ها , فضاهای زیر زمینی برای تاسیسات دفاعی و غیره... ،در حفاری های مربوط به انرژی مانند حفاری های نفتی , حفاری های مربوط به استفاده از زمیت گرمائی , نیروگاههای اتمی زیرزمینی , دفن زباله ها اتمی و مخازن زیرزمینی سوخت و آب.
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 که توسط بررسیهای صحرایی و اکتشافات زیر زمینی گردآوری می شود، داده های کمی و عددی درباره ویژگیهای ذاتی یا اکتسابی مصالح نیز مورد نیاز است. از این رو سنگ و خاک را در آزمایشگاه، یا در صحرا و به طور برجا، مورد آزمایش قرار می دهیم . هدف از بررسیهای مربوط به تعیین ویژگیهای مصالح زمین شناسی را به گونه زیرمی توان خلاصه کرد:

الف) شناسایی و طبقه بندی مصالح(سنگ و خاک(
ب) تعیین روابطی که ما بین ویژگیهای مختلف مصالح وجود دارد.
ج) تجزیه و تحلیلها و ارزیابیهای مهندسی
ویژگیهای ژئوتکنیکی مصالح
ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح زمین شناسی را می توان 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 و تعیین ارتباط و همبستگی(کرولاسیون) بین مصالح بکار می روند. برخی از این مشخصات در محاسبات مهندسی نیز کاربرد دارند. تخلخل ، رطوبت، چگالی و سختی از ویژگیهای اساسی مصالح اند.
2) ویژگیهای شاخص: گروهی از ویژگیهای فیزیکی است که اساساً در طبقه بندی و همچنین برای تعیین ارتباط (همبستگی یا کرولاسیون) با ویژگیهای مهندسی به کار می روند. دانه بندی ، حد روانی ، خمیری و مقاومت فشاری تک محوری و شاخص بار گذاری نقطهای از ویژگیهای شاخص مصالح اند.

3)ویژگیهای هیدرولیکی: گروهی از ویژگیهای مصالح اند که بر حسب نفوذ پذیری بیان می شوند. ویژگیهای هیدرولیکی، وضعیت جریان سیالات را در محیط زمین شناسی مشخص می کنند.

4)ویژگیهای مکانیکی: مقاومت مصالح در برابر گسیختگی و مشخصات مربوط به تغییر شکل غیر شکننده از این گرو ه اند. این بخش از ویژگیهای مصالح به دو گروه استاتیک و دینامیک تقسیم می شوند.
از میان چهار گروه فوق، اندازه گیری ویژگیهای مکانیکی و هیدرولیکی، که پایه ای برای تمام تجزیه و تحلیلهای 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. گرد آوری اطلاعات در مورد ویژگیهای ژئو تکنیکی مصالح ممکن است توسط آزمونهای آزمایشگاهی یا صحرایی حاصل شود.
نمونه های سنگ بکر که بصورت مغزه سنگی 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 می گیرند. بطور کلی ویژگیهای مهندسی مهم سنگ را نمی توان از روی نمونه کوچکی از سنگ یکپارچه 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 تک محوری، شاخص بار گذاری نقطه ای و سرعت امواج صوتی در سنگ. بررسیها و اندازه گیریهای فوق در آزمایشگاه و بر روی نمونه سنگ بکر، یا نمونه تا حدی هوازده ولی عاری از سطوح ضعیف و گسستگی اجام می شود.
روابط وزنی و حجمی: در ارتباط با روابط وزنی و حجمی سنگ، ذکر چند نکته ضروری است:
الف) چگالی نسبی اغلب کانیهای تشکیل دهنده ی سنگها دامنه ای از 65/2 الی80/2 دارد.البته در مواردی که کانیهای سنگینتر مثل هورنبلند، اوژیت یا هماتیت وجود داشته باشد، نسبی می تواند از 3 تا5 باشد.
ب) تخلخل در سنگهای آذرین، وابسته به میزان حفرات و در سنگهای رسوبی وابسته به درجه سیمانی شدن سنگ است. علاوه بر آن در نمونه دستی سنگ بکر میزان تخلخل وابسته به حفرات موجود در سنگ است. در چنین نمونه هایی نفوذپذیری ارتباط مستقیم با تخلخل دارد. خلاصه اینکه ارتباطی قوی بین چگالی، تخلخل و مقاومت سنگ بکر موجود است.
ویژگیهای اساسی و شاخص توده سنگ
مفهوم توده سنگ در مورد وضعیت سنگ در صحرا و بطور برجا به کاربرده می شود. بدیهی است که توده سنگ ممکن است حاوی سطوح ضعف گوناگون یا درجات مختلفی از هوازدگی باشد. بطور کلی از میان ویژگیهای اساسی توده سنگ 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 چگالی سنگ بطور برجا استفاده از روش چاهنگاری ژئوفیزیکی گاماگاما است. نتایج این روش از هوازدگی، شکستگیها، بازشدگیها و حفرات کوچک موجود در سنگ، که مجموعاً عوامل کاهش دهنده چگالی اند، تأثیر پذیرفته و در نتیجه واقعی چگالی واقعی توده سنگ برجا را به دست می دهد.

قابلیت حفاری: این واژه برای نمایش میزان سهولت خرد شدن سنگ بار وسایل ساختمانی حفاری و گودبرداری به کار می رود و چون رابطه مستقیمی با کیفیت سنگ از نقطه نظر سختی و میزان شکستگیها دارد لذا می توان آنرا با روش لرزه ای انکساری تعیین نمود. در مواردی که سنگی با وسایل مکانیکی مرسوم قابل حفاری نباشد باید از چالزن هوای فشرده و آتشکاری استفاده کرد.
ویژگیهای هیدرولیکی سنگها
در سنگ بکر ،نفوذپذیری به اندازه فضاهای موجود در 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 طبیعت تنش اعمال شده است. به عنوان مثال، تنشهای کششی در زیر یک سد بتنی قادر است درزها و فولیاسیونها را به مقدار قابل توجه بار نموده و به این ترتیب نفوذپذیری را افزایش می دهد.

مکانیک خاک

مکانیک خاک از دو کلمه Soil به معنیخاکو Mechanics به معنیمکانیکگرفته شده است. درعلوم مهندسی، خاک مخلوط غیر یکپارچه‌ای ازدانه‌های کانیها ومواد آلیفاسد شده می‌باشد که فضای خالی بینآنها توسط آب و هوا (گازها) اشغال شده است. خاکبه عنوان مصالح ساختمانی در طرح‌های مهمی درمهندسیعمرانبکار گرفته می‌شود و همچنین شالوده اکثر سازه‌ها بر روی آن متکیاست.بنابراین مهندسان عمران باید بخوبی خواص خاک از قبیل مبدا پیدایش ،دانه بندی،قابلیتزهکشی آب، نشست ،مقاومت برشی، ظرفیت باربری و غیره رامطالعه نمایند. مکانیک خاک شاخه‌ای از علوم مهندسی است که به مطالعه مشخصات فیزیکیو رفتار توده خاکی تحت بارهای وارده می‌پردازد. مهندسی پی، کاربرد اصول مکانیک خاک درمسائل عملی است. در ادامه مطلب عناوینی زیر به طور خلاصه برای آشنایی با این رشته ارایه می شود :

1) تاریخچه
2) کاربرد مکانیک خاک

3) اندازه گیری ویژگیهای خاک

4) چگونگی تشکیل خاک

5) روشهای اندازه گیری ویژگیهایخاک

6) خواص مکانیکی خاکها


تاریخچه

مکانیک خاک از سال 1925 میلادی به صورت یک شاخه مهم شناخته شد. تزراقی (پدر علم مکانیک خاک) با کتاب اصول مکانیک خاک بنیانگذار این علم است.
در ایران نیز تحت عنوان مکانیک خاک به عنوان یک رشته مستقل در مقطع کارشناسیارشد مهندسی عمران و به عنوان یک درس اختیاری و اصلی در مقاطع مختلف کارشناسی وکارشناسی ارشد زمین شناسی ارائه می شود.
تاریخچه عملیات خاکی را می‌توان به دوره‌های دور تاریخ بشری نسبت داد و آن را باقدمتپیدایش شهرنشینییکی دانست. حفر قناتها، کانالهای آبرسانی ، ایجاد پلهاو سدهای محکم و سایر بناهایی که آثار آنها در کشورهای دنیا از ده‌ها قرن قبل تاکنون به یادگار مانده است، همه از مواردی است که به نحوی با عملیات خاکی ارتباطدارد. توجه به بررسی و مطالعه خاک با یک دیدگاه مهندسی و به منظور تحلیل ریاضی خواص آن، از قرن 18 میلادی آغاز شد و در واقع اولین بار در عین حال مهمترین رابطه ساده درزمینه مکانیک خاک ، در سال 1773 توسط کولمب یک مهندس ارتشی فرانسه ارائه گردید. اینرابطه ساده ، که یک رابطه اساسی در بررسی مقاومت یا عدممقاومت خاکاست عبارت است از:

τ=c+bntan(φ)

کارهایبوسینسکدر مورد تئوریاجسام الاستیککه در سال 1885 انتشار یافتبه ارائه راه حل‌های دقیق در محاسبه تنش‌ها و تغییر شکل‌های درون محیط خاکی منجرگردید و توانست در تحلیل بخش مهمی از مبحث مکانیک خاک ، پاسخگو باشد. دانش مکانیکخاک به صورت مدرن ، در ابتدای قرن حاضر گسترش روز افزونی یافت و مانند سایر علوممهندسی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت بطوری که در سال 1925کارل ترزاگی، استاددانشگاه هاروارد، نتیجه تحقیقات خود را بهصورت مقاله‌ای ارائه داد و در سال 1943 کتاب «اصول نظری مکانیک خاک» را تدوین و منتشرکرد.
کارل ترازگی (1963-1883) را به حق بنیانگذار دانش مکانیک خاکنامیده‌اند. در اینجا شایسته است از سهم محققین روسی نیز یادآور گردد، چهپژوهشگرانی چونسیتوویچدر کشور روسیه به موازات دانشمندانغربی در توسعه دادن مبحث مکانیک خاک کارهای زیادی ارائه دادند. نامبرده نیز در سال 1934 کتاباصول علم مکانیک خاکرا منتشرنمود.
امروزه اهمیت دانش مکانیک خاک مانند علوم دیگر روز به روز رو به فزونیاست و این بویژه به این علت است که تجربه‌های گذشته در این زمینه بدون گسترشتئوری‌های مطمئن‌تر و راه حل‌های اقتصادی‌تر تکافوی حل مسائل جدید را در عملنمی‌نماید. به علاوه ، بسط مسائل مبحث مکانیک خاک همراه با توسعه روش‌ها ودیدگاههای جدید در زمینه مکانیک محیط دانه‌ای ، گسترش و افزایش دقت در تحلیل‌هایریاضی و مدل سازی‌ها را در هر دو زمینه الزامی نموده و نیز به نتیجه رسانده است.
طرح تئوریهایی که نشان دهنده رفتار توده خاکی در برابر عوامل بیرونی ، مثلنیروهای مختلف ، باشد.
کاربرد معلومات تئوری و تجربی در موارد و مسائل اجراییمباحث کلی مکانیک خاک می باشد .

کاربرد مکانیک خاک

خاک از یک طرف به عنوان مصالح مورد توجه مهندسین و طراحان قرار می‌گیرد و از سویدیگر به عنوان یک محیط طبیعی که در اختیار آدمی قرار گرفته است مورد توجه و استفادهاست. جایی که به عنوان مصالح مورد نظر است مانند خاکریزها ، سرای خاکی ،روسازی راه و فرودگاه، پشتدیوار حایل، زهکش‌ها ، و به عنوان بخشی ازبتن، ماده اصلی تهیهآجروسرامیک، ماده اصلی تهیهچینیوکاشی، و... حالت انتخابی و اختیاری دارد، ودر جایی که به عنوان محیط مورد توجه است.
مانند زیر پی‌ها ، زیر پایه پل‌هاو زیربنای جاده‌ها و محل حفر تونل‌ها و محل قرار دادن لوله‌ها و تاسیسات مکانیکی والکتریکی (کابل های تلفن و برق ولوله کشی گازوفاضلابو محل احداث قناتها و محل حفر چاهها و کانال‌ها و ... همه حالت غیر انتخابی (یعنیاجباری) دارد. به هر حال در تمام موارد ذکر شده ، شناخت خواص فیزیکی و مکانیکی خاکضرورت غیر قابل اجتناب دارد. مثلا در یکپروژه راه سازی، چه نوع خاکی با چه نوعدانه بندیباید انتخاب شود و لایه‌های آن باچه ضخامتی و با چه رطوبتی و تا چه حد باید کوبیده شود تا جایی حاصل بتواند در برابرنیروهای وارد بر آن مقاوم باشد و وجود آبهای سطحی و بارندگی بر دوام آن اثر مخربنداشته باشد و در برابر یخ‌زدگی وفرسایش و تغییرات جوینیز پایداربماند.
در ایجاد یکسد خاکی، شیب‌ها چه مقدار باشد که همپایدار باشد و هم اقتصادی ، در صورتی که سد همگن بازهکشیاست، لایه‌های زهکشی با چه ابعادی و با چه دانه بندی و چه مقدار نفوذپذیری بایدباشد؟سرعت حرکت آبو ....

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: