جستجو در تالارهای گفتگو

از ديرباز مهندسان مفاهيم مربوط به رفتار مكانيكي سنگ ها را در فعاليت هاي عمراني، معدني و صنعت نفت بكار مي گرفتند. ولي اين رشته تا اوايل دهه 60 ميلادي مخصوصا" تا سال 1996 كه اولين كنغرانس بين المللي مكانيك سنگ در شهر ليسبون پرتقال برگزار شد هنوز بطور رسمي به عنوان شاخه اي از دانش مهندسي به حساب نمي آمد. در دو دهه اي كه از تولد مكانيك سنگ مي گذرد تجربيات آزمايشگاهي و صحرايي متعدد و نشر كتب و مقالات بي شمار درباره سنگ ها ما را قادر ساخته است تا عكس العمل سنگ را در برابر نيروهاي وارده به نحو قابل قبولي بر آورد كنيم. كاربرد مكانيك سنگ در مسايل مربوط به طراحي سازه هاي عمراني و معدني تحت عنوان مهندسي سنگ شناخته مي شود. از مهمترين خواص مکانيکي سنگها مي توان به ويژگيهاي مقاومتي و تغيير شکل پذيري سنگ اشاره کرد. در زير به بررسي هر يک از اين ويژگيها پرداخته و روش هاي تعيين آنها را مطرح مينمائيم. اما قبل از آن بايد به نحوه ي تهيه ي نمونه هاي آزمايشگاهي براي اندازهگيري خواص بپردازيم. ◄ مغزه گيري و آماده سازي نمونه: براي انجام آزمايش هاي مقاومت کششي، مقاومت فشاري تک محوره، مقاومت فشاري سه محوره ،آزمايش مقاوت کششي غير مستقيم نيازمند نمونه هايي با استاندارد هاي مشخص مي باشيم. اين نمونه مغزه ناميده مي شود. مغزه‌ها نماينده يك توده سنگ در آزمايشگاه مي‌باشند، اما به دليل اينكه يك قسمت كوچكي از توده سنگ هستند فقط اطلاعات كمي ولي با ارزشي را بيان مي‌كنند. براي مغزه‌گيري از توده سنگ از حفاري چرخشي استفاده مي‌شود. مته‌هاي حفاري عامل انتقال انرژي از لوله حفاري به سنگ مي‌باشند كه اين انرژي به صورت چرخشي به سنگ وارد مي‌شود. مته‌ها بر اساس مواد تشكيل دهنده و برنده‌ها(cutter) به انواع مختلفي تقسيم مي‌شوند. نوع مغزه‌گير قطر نمونه(mm) AX 1/30 BY 0/42 NX 7/54 NQ 6/47 HQ 5/63 PQ 0/85 BMLC 2/35 NMLC 9/51 بعد از مغزه گيري نمونه را بايد آماده سازي كرد. نمونه ها بايد استوانه‌اي باشند كه سر وته آنها توسط ارة فولادي يا الماسه بريده شده و تلرانس ناصافي آن زياد نباشد.سطوح جانبي نمونه بايد صاف و عاري از هر گونه ناهمواري شديد باشد و حداكثر در طول نمونه 5/0 ميليمتر باشد.سطوح انتهايي مغزه بايدبايكديگر موازي و عمود بر محور مركزي مغزه باشند.معمولاُ برا ي پرداخت نمودن سطوح انتهايي مغزه‌ها از دستگاه ساينده و سپس از پودرهاي خاصي براي از بين بردن تلرانس نمونه استفاده مي‌كنند. بعد از بدست آمدن نمونه هاي استاندار ميتوان آزمايش هاي مختلف را بر روي آنها انجام داد. در قسمت هاي بعدي به اين موضوع پرداخته ميشود. ◄ ويژگيهاي مقاومت: قبل از بررسي ويژگيهاي مکانيکي سنگها ابتدا يک سري تعاريف را در اينجا مطرح مينمائيم که در درک ويژگيهاي مذکور موثر ميباشند. شکست: به تشکيل صفحات جدايش در سنگ اطلاق ميشود. شکست داراي انواع مختلف شکست ترد و شکل پذير ميباشد. مقاومت اوج: حداکثر مقدار تنشي که سنگ قبل از شکسته شدن ميتواند تحمل کند. اين مقاومت در حقيقت همان نقطه ي پيک در منحني تنش-کرنش سنگ ميباشد. مقاومت پسماند: مقاومتي که سنگ بعد از شکست و مقاومت اوج از خود نشان ميدهد. اين پارامتر در مهندسي سنگ از اهميت فراواني برخوردار است. معمولا براي شناخت مقاومت سنگ سالم، از آزمايش هاي يک محوره (بدون فشار جانبي)، سه محوره، آزمايشهاي مستقيم و غير مستقيم تنش کششي و آزمايش تنش برشي به صورت گسترده استفاده ميشود که در اينجا مشخصات مهم آنها مورد اشاره واقع مي شود. ◄ تعيين مقاومت فشاري يک محوره: آزمايش مقاومت فشاري تک محوري يا نا محصور مرسوم ترين آزمون آزمايشگاهي برا ي مطالعات مکانيکي سنگ بکر مي باشد که با وجود ظاهري ساده، انجام دقيق آن بسيار مشکل است ، اين آزمايش به عنوان آزمايش پايه در اکثر پروژه هاي مهندسي انجام گرفته و به ندرت اتفاق مي افتد که در پروژه اي مقاومت فشاري تک محوري مورد نياز نباشد. اگر چه اين آزمايش عمدتا به عنوان شاخصي براي مقايسه سنگ ها شناخته مي شود، ليکن کاربردهاي وسيع ديگري نيز در خلل مسائل عملي مکانيک سنگ پيدا کرده است. مقاومت ماده سنگي يا سنگ بکر به عنوان يک پارامتر اصلي در اکثر سيستم هاي طبقه بندي توده سنگ مورد توجه قرار گرفته است. مقاومت ماده سنگ حد بالاي مقاومت توده سنگ مي باشد. براي اندازهگيري مقاومت تک محوره ي سنگ ها نمونه هاي استوانه ا ي را بصورت محوري تحت فشار قرار مي‌گيرد. نمونه ها ميتوانند تحت فشار تغيير شکل شکل پذير داشته باشند و يا بصورت شکننده بشکنند. البته سنگ ها تنوع رفتاري از حالت شکل پذير تا شکننده از خود نشان ميدهند. در شکل زير نمودار اين دو رفتار آورده شده است. نمودار سمت چپ سنگ منحني تنش کرنش نمونه ي شکننده و سمت راست نمونه ي تغيير شکل پذير گرچه آزمايش مقاومت فشاري يک محوره معمول ترين آزمايش در مورد سنگ است، اما انجام صحيح آن کار ساده اي نبوده و نتايج حاصل از اين آزمايش به علت تفاوت رويه گاه تا بيش از 200 درصد هم با هم اختلاف دارند. ◄ عوامل موثر بر مقاومت فشاري: عوامل چندي بر مقاومت فشاري تک محوري سنگ ها موثرند که در حالت کلي مي توان به دو گروه عمده عوامل داخلي و خارجي تقسيم بندي نمود. عوامل داخلي به خصوصيات ذاتي سنگ بستگي دارند. از آن جمله مي توان به ترکيب کاني شناسي، چگالي، تخلخل، ابعاد و شکل دانه ها، شاخص پوکي و ناهمسانگردي اشاره کرد. عوامل خارجي بستگي به روش آزمايش، دستگاه آزمايش، شرايط محيطي و شخص آزمايش کننده دارد. اين عوامل شامل هندسه نمونه که منظور نسبت ارتفاع به قطر نمونه مي باشد، اصطکاک بين صفحات فشار ماشين و سطوح نمونه که تأثير سطوح انتهايي ناميده مي شود، نرخ بار گذاري و بلاخره شرايط محيط يعني رطوبت، مايعات موجود و درجه حرارت مي باشد. به طور کلي سنگ هايي که کوارتز ماده اصلي تشکيل دهنده آنهاست محکم ترين و سنگ هايي که سيمانشان از مواد رسي است ضعيف ترين سنگ ها بوده و مابين آنها به ترتيب کلسيت و کاني هاي فلزي قرار دارند. عموماً مي توان گفت که با افزايش درصد کوارتز مقاومت بيشتر مي شود. همچنين مقاومت فشاري يک محوره سنگ با افزايش چگالي سنگ، افزايش مي يابد. هر چه دانه هاي سنگ ريزتر باشد، مقاومت فشاري يک محوره نيز زيادتر خواهد بود. بالا رفتن شاخص روزنه داري باعث کاهش مقاومت فشاري يک محوره خواهد شد. در مورد تأثير سطوح انتهايي مي توان گفت که وقتي نمونه اي در بين صفحات فولادي ماشين آزمايش تحت تنش فشاري قرار مي گيرد، همزمان با کوتاه شدن در جهت محوري انبساط عرضي نيز در آن به وقوع مي پيوندد (اثر پواسون). از طرف ديگر، اصطکاک بين صفحات فولادي ماشين و سطوح دو انتهاي نمونه در جهت جلوگيري از انبساط عمل مي کند. در نتيجه وضعيت تنش در نمونه حالت همگون ندارد. در ناحيه پيراموني سطح تماس نمونه با ماشين، تمرکز تنش شديد بوده، شکست از اين ناحيه شروع و با ايجاد فرم هاي شکست مخروطي يا گوه اي که قاعده آنها محل تماس صفحات ماشين است مي گردد. در شکل زير اثر انتهايي نمونه نشان داده شده است. چنانچه تأثير سطوح انتهايي نمونه کاهش يابد، مکانيزم شکست کاملاً متفاومت بوده و به جاي شکست برشي که موجد قطعات مخروطي اند، شکست کششي همراه با شکاف محوري روي مي دهد. به علت عامل تأثير سطوح دو انتها، توزيع تنش در نمونه به صورت تابعي از نسبت ارتفاع به قطر نمونه دست خوش تغيير مي شود. با افزايش اين نسبت، نسبت بيشتري از حجم نمونه از توزيع تقريباً يکنواخت تنش يک محوري بهره مند خواهد شد. به همين دليل در آزمايش مقاومت فشاري يک محوره سنگ نسبت ارتفاع به قطر نمونه نبايد کمتر از دو باشد. سرعت بارگذاري زياد سبب افزايش مقاومت فشاري يک محوره در سنگ است. سرعت بارگذاري معمول که بين 5/ تا 3 مگاپاسکال در ثانيه است اثر قابل ملاحظه اي در تغيير مقاومت يک محوره فشاري از خود نشان نمي دهد. يکي از مهمترين عوامل مؤثر بر مقاومت فشاري يک محوره، صلبيت ماشين آزمايش است. وقتي ماده اي شکننده مثل سنگ در ماشين بارگذاري معمولي تحت نيروي فشاري قرار ميگيرد، با افزايش بار مقداري انرژي کرنشي الاستيک در بدنه ماشين ذخيره مي گردد. در چنين ماشين هايي که تحت عنوان ماشين نرم شناخته مي شوند، پس از رسيدن نمونه به مقاومت نهايي و گسيختگي آن، انرژي کرنشي الاستيک ذخيره شده در ماشين به صورت ناگهاني آزاد شده وصفحات بار گذاري ماشين به سرعت به سمت يکديگر حرکت مي‌کنند. اين حرکت ناگهاني باعث خردشدگي شديد نمونه و در نتيجه شکست انفجاري آن ميگردد. در حالي که در مهندسي سنگ ما نيازمند اندازه گيري مقاومت باقيمانده ي سنگ بعد از شکست مي‌‌باشيم. ◄ منابع: 1-اورت هوک ؛ ترجمه‌ي طاهريان؛ "مهندسي سنگ کاربردي" ، انتشارات دهخدا، چاپ اول 2-وتوکوري؛ ترجمه ي محمد فاروق حسيني؛ "در آمدي بر مکانيک سنگ" ، نشر کتاب دانشگاهي، چاپ چهارم. 3-سيد رحمان ترابي؛ "مقدمه‌‌اي بر مکانيک سنگ" ، انتشارات دانشگاه شاهرود، چاپ اول.