کاربردهای مکانیک سنگ

کاربرد آزمایش مکانیک سنگ

امروزه زمینه‌های کاربرد مکانیک سنگ در حد وسیعی رو به گسترش است؛ به طوری که در صنعت سد سازی، راه سازی، استخراج معادن روباز، حفاری فضاهای زیرزمینی بزرگ و تونلبری بدون بررسی‌های زمین شناسی مهندسی و مطالعات مکانیک سنگ اجرای پروژه امکان‌پذیر نمی‌باشد.

ساختمان‌های مهندسی که بر روی خاک یا آبرفت ساخته می‌شوند، معمولاً به بررسی و مطالعۀ رفتار و خواص مهندسی سنگ نیازی ندارند. مگر اینکه سنگ بستر در عمق کم قرار گرفته باشد و یا اینکه ارتفاع سازه و ابعاد آن به اندازه‌ای بزرگ باشد که مطالعۀ ویژگی‌های سنگ کف را الزامی نماید. ولی احداث سازه بر روی سنگ و یا درون آن به شناخت خصوصیات کامل سنگ نیاز دارد.

سدسازی

در سدهای بتنی به‌ویژه بتنی قوسی و بتنی پشت بنددار، تنش‌های عمده بر روی پی سد و تکیه‌گاه‌ها اعمال می‌گردد. به کمک مطالعات زمین شناسی مهندسی و مکانیک سنگ، نوع و ابعاد سد تعیین می‌شود. موضوع تجزیه و تحلیل تغییر شکل و پایداری سنگ به عنوان بخشی از مطالعات طراحی در گرو بررسی‌های مکانیک سنگ می‌باشد.

کاربرد مکانیک سنگ در سدسازی

انتخاب مصالح مورد نیاز سد برای مثال سنگ‌چین محافظ (rip-rap) شیب‌های خاکریز در مقابل فرسایش امواج دریاچه، سنگدانه (aggregate) مورد نیاز برای تهیه بتن با توجه به بررسی‌های زمین شناسی مهندسی و مکانیک سنگ انتخاب می‌گردد. در چنین شرایطی انجام آزمایش‌های تعیین مقاومت و دوام سنگ ضروری است.

راهسازی

پس از اینکه با انجام مطالعات زمین شناسی مهندسی، مسیر جاده، بزرگراه، آزادراه، راه آهن، کانال و خطوط لوله در مناطق کوهستانی تعیین و نقاط بحرانی مسیر مشخص گردید، برای عبور از توده‌های سنگی به حفاری نیاز می‌باشد. با انجام مطالعات مکانیک سنگ و ارزیابی کمّی مقاومت سنگ، شیب‌های مطلوب برای حفاری ترانشه‌ها معیّن می‌شود. یکی از موارد مهم برای حفاری، توجه به وضعیت سیستم‌های شکستگی موجود در توده‌های سنگی است.

مکانیک سنگ در راهسازی

در چنین شرایطی، با مطالعه‌ی شکستگی‌های توده سنگ و یافتن امتداد غالب آن‌ها جهت مناسب حفاری را می‌توان عمود بر این امتداد انتخاب کرد و به کاهش هزینه‌ها کمک نمود. ولی ذکر این نکته ضروری است که یافتن جهت مناسب حفاری با این روش همواره عملی نیست و پیچیدگی‌های بسیاری دارد.

معادن روباز

استخراج معادن روباز و بهره‌برداری بهینه مستلزم انجام مطالعات زمین شناسی مهندسی و آزمایش‌های مکانیک سنگ است. معمولاً با شروع استخراج و با بهره‌برداری قسمت‌های میانی این نوع معادن و رسیدن به بخش‌های کناری و عمیق‌تر، شناخت شیب‌های سنگی مناسب برای پلکان‌ها الزامی می‌باشد. تعیین شیب‌های مناسب سنگی با مشخص کردن پارامترهای مقاومت بُرشی سنگ و مطالعۀ دقیق ناپیوستگی‌های توده‌های سنگی امکان‌پذیر خواهد بود.

معدنکاری و مکانیک سنگ

مغار‌ها

حفاری فضاهای زیرزمینی بزرگ، با توجه به حجم زیاد برداشت سنگ، به مطالعات زمین شناسی مهندسی و مکانیک سنگ بسیار وابسته است. انجام طراحی فضای زیرزمینی، تعیین روش حفاری و نوع دستگاه حفاری با توجه به شرایط توده سنگ و با انجام آزمایشات دقیق مکانیک سنگ امکان‌پذیر است.

مشخص کردن حالت تنش در سنگ از مسائل مهم در حفاری‌های بزرگ زیرزمینی می‌باشد. نمونه‌ای از این نوع فضاهای زیرزمینی بزرگ، مغار نیروگاه سد شهید عباس‌پور (کارون۱) در استان خوزستان است.

تونلبری

حفر تونل‌های معدنی، ترابری، انحراف و یا انتقال آب بعد از مطالعات زمین شناسی مهندسی با توجه به وضعیت شکستگی‌های موجود در توده‌های سنگی، مقاومت و شکل‌پذیری سنگ انجام می‌شود. موضوع پایداری سقف و دیواره‌های تونل‌ها بدون شناخت خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگ مقدور نمی‌باشد. عدم توجه  به ویژگی‌های بعضی از انواع سنگ‌ها مثل شیل در هنگام حفاری تونل در زیر سطح آب زیرزمینی به بروز مسائلی از قبیل تورم (swelling) و شکفتگی (slaking) سنگ منجر می‌گردد که قادر است هزینۀ حفاری را بالا برده و به توقف طولانی کار منجر شود.

علاوه بر موارد یاد شده در بالا، مطالعات مکانیک سنگ در چگونگی ذخیره‌سازی گازهای طبیعی مایع در حجره‌های زیرزمینی کاربرد دارد. در اینگونه موارد تعیین خصوصیات سنگ تحت شرایط بسیار سرد و تجزیه و تحلیل انتقال حرارتی حائز اهمیت زیادی است.

ذخیره‌سازی نفت در حجره‌های زیرسطحی نیازمند عایق نبودن محیط زیرزمین است. هر نوع حجره زیرزمینی بزرگ بایستی بدون سیستم نگهدارنده پایدار باشد که این موضوع به حالت تنش و الگوی ناپیوستگی‌های موجود در سنگ وابسته است.

ژژئوتکنیک تونلبری

در صنعت مهندسی حفاری نفت، طراحی مته‌های حفاری به خصوصیات سنگ وابسته است. مقاومت مته‌ها عامل مهمی در کاهش و یا افزایش هزینه حفاری می‌باشد. در انجام حفاری‌های عمیق زیرزمینی مطالعات مکانیک سنگ در حل مسائل حفریات عمیق زیرزمینی نقش عمده‌ای دارد. برای مثال سنگ‌هایی از قبیل شیل و نمک به علت تورم و جریان یافتن می‌توانند به سرعت چاه حفاری شده را مسدود کنند.

پدیده شکست هیدرولیکی

شکست هیدرولیکی (hydraulic fracturing) که در کارهای ژئوتکنیکی و نیز در صنعت نفت کاربرد وسیعی پیدا کرده است، با توجه به شناخت خصوصیات فیزیکی و مکانیک سنگ انجام می‌شود. شناخت عواملی از قبیل نفوذپذیری و مقاومت کششی سنگ همراه با بررسی رفتار مکانیکی آن موفقیت در اجرای شکست هیدرولیکی را به دنبال خواهد داشت.

بایستی توجه داشت که در مهندسی عمران و معدن روش کار در طراحی به این صورت است که ابتدا طرحی تجربی انتخاب می‌شود و بر اساس آن رفتاری برای سنگ پیش‌بینی می‌شود که مبنای معادلات نظری و تجربی از مکانیک است. در حالی که انجام مطالعات آزمایشگاهی و میدانی ضروری می‌باشد؛ زیرا که خصوصیات مکانیکی سنگ بکر یا ماده سنگ تفاوت مشخصی با ویژگی‌های توده سنگ دارد. بنابراین، رفتار توده‌ای از سنگ که در معرض تغییر تنش قرار گرفته باشد، تحت تأثیر خصوصیات مکانیکی ماده سنگ، تعداد و طبیعت ناپیوستگی‌های زمین شناختی موجود در توده سنگ می‌باشد.

منبع: کتاب زمین شناسی مهندسی – تألیف دکتر محمدحسین قبادی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *