کارشناسی ارشد, مفاهیم علمی

با انواع آزمایش های سنگ آشنا شوید

8312

به کمک آزمون های آزمایشگاهی می توان یک برآورد کمی از خواص نمونه های سنگ بکر انجام داد. آزمایش های سنگ لزوماً معرف خواص توده سنگ برجا نیستند چرا که درزه ها، صفحات ضعیف و دیگر نواقص موجود در سنگ برجا، در نمونه های آزمایشگاهی دیده نمی شوند. علاوه بر این، مکانیزم رفتار سنگ در آزمایشگاه همواره مشابه مکانیزم رفتار سنگ برجا نمی باشد. با این وجود آزمایش های سنگ که در آزمایشگاه انجام می شوند، برای تعیین رفتار برجای سنگ ها، راهنمای خوبی محسوب می شوند. برای تعیین خواص معرف شرایط برجا لازم است تا آزمایش های برجا انجام گیرند. در این نوشتار به انواع آزمایش های سنگ جهت تعیین پارامترهای مورد نیاز برای طراحی می پردازیم، با ما همراه باشید.

استانداردها و روش آزمایش های مکانیک سنگ در استانداردهای ASTM، توصیه های ISRM و هندبوک Rock Testing موجود هستند. برخی از این آزمایش ها را می توان به عنوان آزمایش های شاخص برشمرد که معمولاً برای مقایسه استفاده می شوند. در حالی که دیگر آزمایش ها مستقیماً خصوصیاتی از سنگ را اندازه می گیرند. متداول ترین آزمون های آزمایشگاهی مکانیک سنگ که برای سازه های زیر زمینی استفاده می شوند در جدول ۱ ارائه شده اند.

جدول ۱ – متداول ترین آزمون های آزمایشگاهی مکانیک سنگ

جدول 1

موارد زیر برخی از کاربردهای خاص آزمایش ها و داده های حاصل از آنها را نشان می دهد:

۱ – تنوع سنگ (الف – آزمایش های شاخص، ب – آزمایش های بار نقطه ای)

۲ – پایداری در سنگ های همگن (محیط پیوسته) مطابق شکل ۱ (الف- مقاومت فشاری تک محوری (UCS) ب- تنش برجا)

۳ – پایداری در سنگ های درزه دار (محیط ناپیوسته) مطابق شکل ۱ (الف- داده ها و اطلاعات شاخص توده سنگ، ب- مقاومت فشاری تک محوری (UCS) پ- مقاومت برشی درزه ها ت- تنش برجا)

۴ – فشار و جریان آب های زیرزمینی (الف- نفوذپذیری برجا، ب- فشار آب برجا، پتخلخل، ت- اطلاعات آزمایش های پمپاژ

۵ – حساسیت نسبت به تغییرات مقدار آب و در معرض هوا قرار گرفتن (الف- آزمایش دوام در برابر تورق، ب- شاخص تورم، پ- دانسیته، ت- میزان رطوبت، ث- کانی شناسی)

۶ – مدل سازی کامپیوتری با استفاده از روش های عددی، روش های تعادل حدی و …  (الف- تنش برجا، ب- مدول یانگ، پ- ضریب پواسون، ت- اطلاعات و داده های مربوط به مقاومت تک محوری و سه محوری)

به طور کلی پارامترهای سنگ را می توان به دو دسته کلی پارامترهای مقاومتی و تغییر شکل پذیری (سختی) دسته بندی کرد. پارامترهای مقاومتی شامل چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی، مقاومت فشاری تک محوری (UCS) و مقاومت کششی می باشند. پارامترهای تغییر شکل پذیری نیز شامل مدول یانگ (E) و ضریب پواسون می باشند.

همانطور که ذکر شد، روش بدست آوردن پارامترهای مذکور مفصلاً در استانداردهای ASTM و ISRM ارائه شده است. صرفاً در اینجا در مورد روش به دست آوردن مهمترین پارامترهای لازم برای طراحی به خصوص طراحی تونل ها توضیحاتی داده می شود.

آزمایش های سنگ

شکل ۱ – شکل شماتیک محیط های پیوسته و ناپیوسته

روش محاسبه مقاومت فشاری تک محوری سنگ (UCS)

مقاومت فشاری تک محوری سنگ را می توان با استفاده از سه روش مقاومت سنجی مختلف نظیر مقاومت فشاری تک محوری، بار نقطه ای و چکش اشمیت بدست آورد.

الف- آزمایش مقاومت فشاری تک محوری (نامحصور)

این آزمایش متداول ترین آزمون آزمایشگاهی برای مطالعات مکانیک سنگی روی ماده سنگ می باشد. در این آزمایش نمونه سنگ در داخل یک فریم قرار داده شده و توسط یک جک با ظرفیت مناسب بارگذاری می گردد. برای نمونه های با قطر مختلف از جک های با ظرفیت مختلف (تا ۴۵۰ تن) استفاده می شود. برای اینکه بارگذاری کاملاً غیرنقطه ای باشد از یک مفصل کروی بر روی نمونه استفاده می شود. بارگذاری تحت سرعت کنترل شده، تا زمان وقوع شکست در سنگ ادامه می یابد. در صورتی که از فریم های غیرصلب برای بارگذاری نمونه ها استفاده گردد، تنها می توان مقدار مقاومت نهایی سنگ را ثبت نمود و اطلاعی از رفتار پس از شکست در اختیار قرار نمی گیرد. در صورتی که آگاهی از رفتار پس از شکست سنگ ضروری باشد باید از فریم های صلب استفاده کرد. با استفاده از این آزمایش همچنین می توان مدول یانگ و ضریب پواسون را نیز به دست آورد.

ب- آزمایش مقاومت فشاری تک محوری با استفاده از دستگاه MTS

دستگاه پرس صلب کنترل اتوماتیک MTS، دارای بدنه ای کاملاً صلب بوده که آن را قادر می سازد تا بتواند رفتار سنگ های با مقاومت بسیار بالا را در شرایط بارگذاری تک محوری و سه محوری تعیین نماید. بدین ترتیب می توان سازه هایی را که در آن سنگ تا سرحد مقاومت نهایی اش بارگذاری شده را نیز طراحی نمود. شرایط مختلف بارگذاری در این دستگاه به صورت کاملاً کامپیوتری برنامه ریزی شده و قابل تعریف می باشد. دستگاه مذکور دارای ظرفیت ۴۵۰ تن در فشار و ۲۴۰ تن در کشش می باشد. با استفاده از سنسورهای مختلفی که همراه دستگاه وجود دارد می توان کرنش های طولی، عرضی و نیروهای قائم را به دقت تعیین و در حین آزمایش به صورت دیجیتالی ثبت کرد. در این دستگاه می توان بارگذاری ثابت، جابجایی ثابت، کرنش طولی و یا عرضی ثابت و بارگذاری دینامیکی را تعریف و با دقت اعمال کرد. سپس نتایج را در فایل کامپیوتری ثبت کرده تا برای طراحی های بعدی مورد استفاده قرار گیرند. شکل ۲ دستگاه MTS موجود در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشگاه تهران را نشان می دهد که علاوه بر تعیین مقاومت سنگ های بسیار مقاوم، به سهولت می تواند رفتار پس از شکست آن ها را نیز تعیین کند.

دستگاه MTS

شکل ۲ – دستگاه MTS موجود در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشگاه تهران ( از آزمایش های سنگ )

پ – آزمایش شاخص بار نقطه ای

در این آزمایش که از انواع آزمایش های سنگ می باشد، نمونه سنگ (که می تواند به شکل مغزه و یا کلوخه ای نامنظم باشد) توسط اعمال بار نقطه ای از طریق یک جفت فک مخروطی شکل با نوک کروی شکسته می شود (شکل ۳). در هنگام شکست نمونه، مقدار بار اعمالی بر روی گیج های موجود ثبت شده و سپس اندیس بار نقطه ای و مقاومت تک محوری سنگ تعیین می شود. این دستگاه قابل حمل بوده و وسیله مناسبی برای مطالعات اولیه و صحرایی می باشد.

دستگاه آزمایش بار نقطه ای

شکل ۳ – دستگاه آزمایش بار نقطه ای

ت – آزمایش چکش اشمیت

این آزمایش برای تعیین سختی و مقاومت سنگ در صحرا و یا در آزمایشگاه طراحی شده و عمدتاً در مورد سنگ های با سختی متوسط کاربرد دارد. ضمناً به کمک این آزمایش می توان سختی سطوح درزه سنگی را نیز برآورد نمود. برای انجام این آزمایش، میله چکش روی نمونه قرار گرفته و با فشار دادن چکش به سنگ، فنر داخل چکش فشرده می شود. در اثر انرژی ذخیره شده، ضامن فنر در سطح انرژی تراکمی مشخصی آزاد شده و به وزنه ای که روی میله چکش قرار گرفته ضربه می زند. ارتفاع و جهش وزنه از روی خط کش دستگاه قرائت شده و به عنوان مقیاسی برای تعیین سختی سنگ استفاده می شود (شکل ۴).

چکش اشمیت

شکل ۴ – چکش اشمیت

روش محاسبه پارامترهای مقاومتی چسبندگی (C) و زاویه اصطکاک داخلی (φ)

با استفاده از نتایج آزمایش مقاومت فشاری سه محوری می توان مقادیر چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی را بدست آورد.

آزمایش مقاومت فشاری سه محوری

از این آزمایش برای شبیه سازی شرایط تنش سه محوری که در اعماق زمین به سنگ ها وارد می گردد، استفاده می شود. ساده ترین روش اعمال تنش سه محوری در آزمایشگاه به نمونه سنگ، استفاده از سلول هوک می باشد که توسط آن ضمن اعمال یک فشار جانبی هیدرولیکی، نمونه تحت تنش قائم نیز قرار می گیرد. با انجام این آزمایش تحت مقادیر مختلف تنش جانبی، پوش گسیختگی سنگ ترسیم شده و بر اساس آن پارامترهای مقاومتی چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی تعیین می گردند (شکل ۵).

سلول هوک

شکل ۵ – سلول هوک جهت انجام آزمایش مقاومت فشاری سه محوری از آزمایش های سنگ

روش محاسبه مقاومت کششی سنگ (UTS)

به دلیل مشکلات اندازه گیری مستقیم مقاومت کششی سنگ معمولاً از آزمایش برزیلی برای این منظور استفاده می شود. در این آزمایش نمونه هایی به شکل دیسکی بین دو فک به صورت قطری تحت بارگذاری قرار گرفته تا با گسترش یک ترک قائم کششی گسیخته شود. با توجه به روابطی که در این زمینه موجود است مقاومت کششی سنگ برآورد می شود. نمونه ای از شکست کششی ماسه سنگ با استفاده از آزمایش برزیلی در شکل ۶ نشان داده شده است.

تست برزیلی

شکل ۶ – آزمایش برزیلی از آزمایش های سنگ جهت تعیین مقاومت کششی

روش محاسبه پارامترهای مقاومت برشی درزه ها

برای به دست آوردن پارامترهای برشی درزه ها از آزمایش مقاومت برشی درزه استفاده می شود. در این آزمایش مقاومت برشی نمونه در امتداد یک ناپیوستگی و یا سطح ضعیف از پیش تعیین شده اندازه گیری می شود. نمونه سنگ در پلاستر یا سیمان تثبیت شده، سپس بین دو فک (که یکی ثابت و دیگری متحرک می باشد) قرار می گیرد و در حالی که تحت اثر نیرویی قائم قرار دارد، توسط نیروی افقی تحت برش قرار می گیرد. در حین انجام آزمایش، نیروهای قائم و برشی و همچنین جابجایی قائم و برشی اندازه گیری می شود. در شکل ۷ نمای کلی این آزمایش نشان داده شده است.

مقاومت برشی درزه

شکل ۷ – نمای کلی تجهیزات مورد نیاز برای انجام آزمایش مقاومت برشی درزه از آزمایش های سنگ

روش به دست آوردن شاخص دوام سنگ ها

این آزمایش برای تعیین میزان دوام یک نمونه سنگ تحت تاثیر مراحل متوالی تر و خشک شدن طراحی شده است. شاخص دوام برابر با درصد وزن مواد باقی مانده از نمونه سنگی پس از تر و خشک شدن متوالی به وزن اولیه تعریف شده که نشانگر میزان پایداری سنگ در برار هوازدگی طبیعی است، می باشد. هر چه مقدار این شاخص بیشتر باشد، میزان فرسایش، انحلال و خرد شدن در برابر هوازدگی کمتر است. نمایی از دستگاه اندازه گیری شاخص دوام در شکل ۸ نشان داده شده است.

شاخص دوام سنگ

شکل ۸ – دستگاه اندازه گیری شاخص دوام

آزمایش بارگذاری صفحه ای (جکینگ)

آزمایش بارگذاری صفحه ای یکی از آزمایش های برجا مکانیک سنگ است که برای تعیین مدول های تغییر شکل و الاستیک توده سنگ به کار می رود. در این روش، مدول تغییر شکل الاستیک توده سنگ با استفاده از نتایج جابجایی توده سنگ، ناشی از بار نرمال اعمال شده، محاسبه می گردد. محل آزمایش معمولاً یک تونل اکتشافی می باشد که در آن دیواره های تونل، نیروی عکس العمل باری را که توسط جک ها اعمال شده است و هم جهت با بار ناشی از سازه می باشد را ایجاد می کند. انجام این آزمایش در سطح زمین نیز میسر می باشد که در این صورت نیروی عکس العمل توسط کابل های میخ شده در عمق زمین مهیا می شود. جدول ۲ مشخصات فنی تجهیزات بارگذاری صفحه ای و شکل ۹ تجهیزات این آزمایش را نشان می دهد.

جدول ۲ – مشخصات فنی دو نمونه تجهیزات بارگذاری صفحه ای

جدول 2

آزمایش بارگذاری صفحه

شکل ۹ – تجهیزات آزمایش بارگذاری صفحه ای در سنگ

آزمایش مقاومت برشی مستقیم برجا در سنگ

هنگامی که سازه ای در شیب تندی قرار گرفته باشد و یا بارهای جانبی قابل ملاحظه ای وجود داشته باشند، ممکن است پی سازه در اثر شکست برشی، حتی در تنش های بسیار کمتر از حد مجاز باربری سنگ، دچار گسیختگی و مشکل شود. سطح شکستگی برشی می تواند سطح یک شکستگی تقریباً موازی با جهت بار اعمالی باشد و یا تلفیقی از سطوح شکست و شکستگی در سنگ یکپارچه باشد. مورد اول می تواند در سنگ به شدت درزه دار اتفاق بیفتد، در حالی که مورد دوم در سنگ های با درزه داری کم مشاهده می شود. پارامترهای مقاومتی سطح برش را می توان هم توسط آزمایش مقاومت برشی مستقیم آزمایشگاهی و هم توسط آزمایش مقاومت برشی مستقیم برجا محاسبه نمود. در جاهایی که به دست آوردن نمونه دست نخورده ممکن نباشد و یا نمونه به اندازه کافی برای آزمون آزمایشگاهی نباشد، آزمایش های برجا موضوعیت پیدا می کنند. با این آزمایش، مقاومت برشی مستقیم نهایی و ماندگار سنگ به صورت تابعی از تنش عمودی اعمال شده بر صفحه برش تعیین می گردد. صفحه برش معمولاً سطح یک ناپیوستگی مثل درزه و ترک، لایه بندی، تورق، گسل و یا فصل مشترک سنگ با بتن یا خاک می باشد. جدول ۳ مشخصات فنی تجهیزات آزمایش برش مستقیم برجا را در سنگ نشان می دهد. شکل ۱۰ دستگاه آزمایش برش مستقیم را نشان می دهد.

جدول ۳ – مشخصات فنی تجهیزات آزمایش برش مستقیم برجا

جدول 3

آزمایش برش مستقیم

شکل ۱۰ – دستگاه آزمایش برش مستقیم سنگ

آزمایش دیلاتومتری

آزمایش دیلاتومتری یکی از آزمایش های سنگ به صورت برجا، برای تعیین مدول تغییر شکل توده سنگ می باشد. در این آزمایش، بار یکنواختی به صورت شعاعی به دیواره های گمانه وارد می شود و جابجایی های ناشی از آن توسط تعدادی LVDT تعبیه شده در غشای لاستیکی دیلاتومتر اندازه گیری می شوند. ابزارهای اندازه گیری نسبت بهم زاویه دار می باشند و از این رو می توان میزان آنیزوتروپی را در توده سنگ تعیین کرد. جدول ۴ مشخصات فنی تجهیزات آزمایش دیلاتومتری را نشان می دهد. شکل ۱۱ تجهیزات آزمایش دیلاتومتری را نشان می دهد.

جدول ۴ – مشخصات فنی یک نمونه دیلاتومتر

جدول 4

آزمایش دیلاتومتری

شکل ۱۱ – تجهیزات آزمایش دیلاتومتری از آزمایش های سنگ به صورت برجا

آزمایش شکاف دیواره گمانه (اسلاتر)

آزمایش شکاف دیواره گمانه یکی از تکنیک های قابل اطمینان برای اندازه گیری دقیق تنش برجا می باشد. این تکنیک برای عملیات سریع و تعداد زیاد اندازه گیری در گمانه طراحی شده است. روش شکاف دیواره گمانه جزء دسته روش های آزادسازی تنش می باشد. در این روش یک شکاف قوسی شکل به طور شعاعی در دیواره چال ایجاد می شود و تغییرات کرنش مماسی در دیواره گمانه و در مجاورت شکاف یعنی جایی که رهاسازی تنش صورت گرفته است، توسط یک سنسور مخصوص با حساسیت بالا اندازه گیری می شود. برای تعیین تنش های برجا در دو بعد باید شش شکاف در دیواره گمانه ایجاد گردد، که این شش شکاف با فاصله ۱۲۰ درجه نسبت بهم، در هر دسته سه تایی و هر دسته در مجاورت هم به فاصله ۱۰ سانتی متر و با اختلاف شعاعی ۳۰ درجه، در دیواره گمانه ایجاد می شوند. مجموعه این شش شکاف و رهاسازی کرنش مربوط به آن ها مجموعاً تشکیل یک آزمایش را می دهند. با استفاده از نتایج چنین آزمایشی می توان دامنه و جهت تنش های حداکثر و حداقل را در صفحه ای عمود بر محور گمانه محاسبه نمود. با انجام آزمایش در سه جهت مختلف می توان تنش های اصلی برجا را در سه بعد تعیین کرد. شکل ۱۲ نحوه انجام آزمایش اسلاتر را نشان می دهد.

آزمایش اسلاتر

شکل ۱۲ – مشخصات فنی و شکل یک نمونه تجهیزات انجام آزمایش اسلاتر

روش شکست هیدرولیکی

این روش برای اندازه گیری میدان تنش برجای توده سنگ در عمق زمین به کار می رود و با استفاده از آن می توان مقدار و جهت تنش های اصلی بزرگ تر و کوچک تر را در صفحه ای عمود بر امتداد گمانه تعیین نمود. در این روش، اعمال فشار هیدرولیکی به قسمتی از یک گمانه که توسط پکر جدا شده است باعث ایجاد ترک، گسترش شکستگی و یا باز شدن مجدد ترک های موجود می گردد. میزان این فشار به میدان تنش برجا بستگی دارد و جهت گسترش ترک ها نشان دهنده جهت تنش های اصلی می باشد. برای تعیین تنش برجا در اعماق بیشتر از ۵۰ متر، شکست هیدرولیکی تنها روش ممکن و نسبتاً موفق است. این روش در گمانه هایی با اقطار مختلف و نیز چاله ای کوتاه قابل اجرا می باشد. عدم نیاز به اطلاعات کامل در مورد ویژگی های الاستیک سنگ و همچنین امکان اجرای آن در زیر سطح آب زیرزمینی از مزایای این روش است. دقت این روش در مورد سنگ های شکننده، همگن، الاستیک، همسان گرد و غیر متخلخل به حداکثر می رسد. شکل ۱۳ نحوه انجام آزمایش شکست هیدرولیکی را نشان می دهد.

آزمایش شکست هیدرولیکی

شکل ۱۳ – نحوه انجام آزمایش شکست هیدرولیکی

روش بیش مغزه گیری

در این روش در کف گمانه ای که قبلاً حفر شده، سوراخ باریکی حفر می کنند و در آن دستگاه کرنش سنج قرار می دهند و بدین ترتیب تغییر شکل حاصله را اندازه گیری می کنند. سپس با مغزه گیری از کف گمانه، بخشی را که کرنش سنج در آن نصب شده است، از بقیه سنگ ها جدا می سازند. با مقایسه کرنش اولیه و آنچه که پس از مغزه گیری مجدد برجا می ماند، وضعیت تنش های برجا محاسبه می شود. این روش شامل تکنیک های اندازه گیری تنش و کرنش آزاد شده می باشد. این روش شامل یک اندازه گیری سه بعدی کرنش آزاد شده که در بدنه سنگ های اطراف احاطه شده است، می باشد. تانسور تنش سه بعدی متعاقباً می تواند با اطلاعات تانسور تسلیم شده سنگ به صورت کامل محاسبه شود. دو مانع جهت اندازه گیری تنش وجود دارد که مزیت های این روش را محدود می کند. اولاً اندازه گیری ها باید در نزدیکی سطح زمین باشد و کرنش آزاد شده در یک محدوده خیلی کوچک (میلی متر مربع تا سانتی متر مربع) تعیین می شود. همچنین نشان داده شده است که اندازه گیری های نزدیک سطح زمین (نزدیک تر از حد معمول) متاثر از توپوگرافی محلی، آنیزوتروپی سنگ و شکست طبیعی می باشد. شکل ۱۴ نحوه انجام آزمایش بیش مغزه گیری را نشان می دهد.

آزمایش بیش مغزه گیری

شکل ۱۴ – نحوه انجام آزمایش بیش مغزه گیری

آزمایش لوژان

بررسی و شناخت خاصیت نفوذپذیری محیط های سنگی به منظور ارزیابی و محاسبه پوشش داخلی تونل ها از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. نفوذپذیری عبارت است از قابلیت سنگ برای عبور دادن مایعات از داخل خود بدون اینکه تغییری در ساختمان آن ایجاد شود. تعیین تراوایی سنگ های درزه دار معمولاً به وسیله آزمایش فشار آب معروف به آزمایش لوژان صورت می گیرد. در این آزمایش قسمتی از طول گمانه با پکر مسدود شده و آب با فشار به آن تزریق می شود. نفوذپذیری توده سنگ با توجه به نرخ خورند آب، فشار آزمایش و طول مقطع آزمایش تعیین می شود. شکل ۱۵ نحوه انجام آزمایش لوژان را نشان می دهد.

پیشنهاد مطالعه : معرفی کامل آزمایش لوژان و نحوه انجام آن

آزمایش لوژان

شکل ۱۵ – تجهیزات و نحوه اجرای آزمایش لوژان

فشارهای آزمایش به صورت پله ای تا فشار ماکزیمم افزایش و سپس به فشار اولیه کاهش می یابند. با مقایسه نتایج به دست آمده در این پله های فشار، رفتار جریان در درزه ها تعیین گردیده و مقدار آبی که طی آزمایش با فشار به درون درزه ها رانده می شود، در یکای زمان و فشار ثبت می گردد و با توجه به آن، مقدار نفوذپذیری معرف برای مقطع مورد آزمایش انتخاب می شود.

author-avatar

درباره مجید غواصیه

فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی عمران از دانشگاه شیراز هستم. موضوعات مورد علاقه من راه سازی، حمل و نقل، مهندسی ترافیک و مسائل مربوط به محیط زیست می باشد.

1 دیدگاه در “با انواع آزمایش های سنگ آشنا شوید

  1. حاتمی گفت:

    عالی بود جناب مهندس

دیدگاهتان را بنویسید