با انواع آزمایش های سنگ آشنا شوید
به كمك آزمون هاي آزمايشگاهي مي توان يك برآورد كمي از خواص نمونه هاي سنگ بكر انجام داد. آزمایش های سنگ لزوماً معرف خواص توده سنگ برجا نيستند چرا كه درزه ها، صفحات ضعيف و ديگر نواقص موجود در سنگ برجا، در نمونه هاي آزمايشگاهي ديده نمي شوند. علاوه بر اين، مكانيزم رفتار سنگ در آزمايشگاه همواره مشابه مكانيزم رفتار سنگ برجا نمي باشد. با اين وجود آزمایش های سنگ که در آزمایشگاه انجام می شوند، براي تعيين رفتار برجاي سنگ ها، راهنماي خوبي محسوب مي شوند. براي تعيين خواص معرف شرايط برجا لازم است تا آزمايش هاي برجا انجام گيرند. در این نوشتار به انواع آزمایش های سنگ جهت تعيين پارامترهاي مورد نياز برای طراحی می پردازیم، با ما همراه باشید.
استانداردها و روش آزمايش هاي مكانيك سنگ در استانداردهاي ASTM، توصيه هاي ISRM و هندبوك Rock Testing موجود هستند. برخي از اين آزمايش ها را مي توان به عنوان آزمايش هاي شاخص برشمرد كه معمولاً براي مقايسه استفاده مي شوند. در حالي كه ديگر آزمايش ها مستقيماً خصوصياتي از سنگ را اندازه مي گيرند. متداول ترين آزمون هاي آزمايشگاهي مكانيك سنگ كه براي سازه هاي زير زميني استفاده مي شوند در جدول 1 ارائه شده اند.
جدول 1 – متداول ترين آزمون هاي آزمايشگاهي مكانيك سنگ
موارد زير برخي از كاربردهاي خاص آزمايش ها و داده هاي حاصل از آنها را نشان مي دهد:
1 – تنوع سنگ (الف – آزمايش هاي شاخص، ب – آزمايش هاي بار نقطه اي)
2 – پايداري در سنگ هاي همگن (محيط پيوسته) مطابق شكل 1 (الف- مقاومت فشاري تك محوري (UCS) ب- تنش برجا)
3 – پايداري در سنگ هاي درزه دار (محيط ناپيوسته) مطابق شكل 1 (الف- داده ها و اطلاعات شاخص توده سنگ، ب- مقاومت فشاري تك محوري (UCS) پ- مقاومت برشي درزه ها ت- تنش برجا)
4 – فشار و جريان آب هاي زيرزميني (الف- نفوذپذيري برجا، ب- فشار آب برجا، پ– تخلخل، ت- اطلاعات آزمايش هاي پمپاژ
5 – حساسيت نسبت به تغييرات مقدار آب و در معرض هوا قرار گرفتن (الف- آزمايش دوام در برابر تورق، ب- شاخص تورم، پ- دانسيته، ت- ميزان رطوبت، ث- كاني شناسي)
6 – مدل سازي كامپيوتري با استفاده از روش هاي عددي، روش هاي تعادل حدي و … (الف- تنش برجا، ب- مدول يانگ، پ- ضريب پواسون، ت- اطلاعات و داده هاي مربوط به مقاومت تك محوري و سه محوري)
به طور كلي پارامترهاي سنگ را مي توان به دو دسته كلي پارامترهاي مقاومتي و تغيير شكل پذيري (سختي) دسته بندي كرد. پارامترهاي مقاومتي شامل چسبندگي، زاويه اصطكاك داخلي، مقاومت فشاري تك محوري (UCS) و مقاومت كششي می باشند. پارامترهاي تغيير شكل پذيري نيز شامل مدول يانگ (E) و ضريب پواسون مي باشند.
همانطور كه ذكر شد، روش بدست آوردن پارامترهاي مذكور مفصلاً در استانداردهاي ASTM و ISRM ارائه شده است. صرفاً در اينجا در مورد روش به دست آوردن مهمترين پارامترهاي لازم براي طراحي به خصوص طراحی تونل ها توضيحاتي داده مي شود.
شكل 1 – شكل شماتيك محيط هاي پيوسته و ناپيوسته
روش محاسبه مقاومت فشاري تك محوري سنگ (UCS)
مقاومت فشاري تك محوري سنگ را مي توان با استفاده از سه روش مقاومت سنجي مختلف نظير مقاومت فشاري تك محوري، بار نقطه اي و چكش اشميت بدست آورد.
الف- آزمايش مقاومت فشاري تك محوري (نامحصور)
اين آزمايش متداول ترين آزمون آزمايشگاهي براي مطالعات مكانيك سنگي روي ماده سنگ مي باشد. در اين آزمايش نمونه سنگ در داخل يك فريم قرار داده شده و توسط يك جك با ظرفيت مناسب بارگذاري مي گردد. براي نمونه هاي با قطر مختلف از جك هاي با ظرفيت مختلف (تا 450 تن) استفاده مي شود. براي اينكه بارگذاري كاملاً غيرنقطه اي باشد از يك مفصل كروي بر روي نمونه استفاده مي شود. بارگذاري تحت سرعت كنترل شده، تا زمان وقوع شكست در سنگ ادامه مي يابد. در صورتي كه از فريم هاي غيرصلب براي بارگذاري نمونه ها استفاده گردد، تنها مي توان مقدار مقاومت نهايي سنگ را ثبت نمود و اطلاعي از رفتار پس از شكست در اختيار قرار نمي گيرد. در صورتي كه آگاهي از رفتار پس از شكست سنگ ضروري باشد بايد از فريم هاي صلب استفاده كرد. با استفاده از اين آزمايش همچنين مي توان مدول يانگ و ضريب پواسون را نيز به دست آورد.
ب- آزمايش مقاومت فشاري تك محوري با استفاده از دستگاه MTS
دستگاه پرس صلب كنترل اتوماتيك MTS، داراي بدنه اي كاملاً صلب بوده كه آن را قادر مي سازد تا بتواند رفتار سنگ هاي با مقاومت بسيار بالا را در شرايط بارگذاري تك محوري و سه محوري تعيين نمايد. بدين ترتيب مي توان سازه هايي را كه در آن سنگ تا سرحد مقاومت نهايي اش بارگذاري شده را نيز طراحي نمود. شرايط مختلف بارگذاري در اين دستگاه به صورت كاملاً كامپيوتري برنامه ريزي شده و قابل تعريف مي باشد. دستگاه مذكور داراي ظرفيت 450 تن در فشار و 240 تن در كشش مي باشد. با استفاده از سنسورهاي مختلفي كه همراه دستگاه وجود دارد مي توان كرنش هاي طولي، عرضي و نيروهاي قائم را به دقت تعيين و در حين آزمايش به صورت ديجيتالي ثبت كرد. در اين دستگاه مي توان بارگذاري ثابت، جابجايي ثابت، كرنش طولي و يا عرضي ثابت و بارگذاري ديناميكي را تعريف و با دقت اعمال كرد. سپس نتايج را در فايل كامپيوتري ثبت كرده تا براي طراحي هاي بعدي مورد استفاده قرار گيرند. شكل 2 دستگاه MTS موجود در آزمايشگاه مكانيك سنگ دانشگاه تهران را نشان مي دهد كه علاوه بر تعيين مقاومت سنگ هاي بسيار مقاوم، به سهولت مي تواند رفتار پس از شكست آن ها را نيز تعيين كند.
شكل 2 – دستگاه MTS موجود در آزمايشگاه مكانيك سنگ دانشگاه تهران ( از آزمایش های سنگ )
پ – آزمايش شاخص بار نقطه اي
در اين آزمايش که از انواع آزمایش های سنگ می باشد، نمونه سنگ (كه مي تواند به شكل مغزه و يا كلوخه اي نامنظم باشد) توسط اعمال بار نقطه اي از طريق يك جفت فك مخروطي شكل با نوك كروي شكسته مي شود (شكل 3). در هنگام شكست نمونه، مقدار بار اعمالي بر روي گيج هاي موجود ثبت شده و سپس انديس بار نقطه اي و مقاومت تك محوري سنگ تعيين مي شود. اين دستگاه قابل حمل بوده و وسيله مناسبي براي مطالعات اوليه و صحرايي مي باشد.
شكل 3 – دستگاه آزمايش بار نقطه اي
ت – آزمايش چكش اشميت
اين آزمايش براي تعيين سختي و مقاومت سنگ در صحرا و يا در آزمايشگاه طراحي شده و عمدتاً در مورد سنگ هاي با سختي متوسط كاربرد دارد. ضمناً به كمك اين آزمايش مي توان سختي سطوح درزه سنگي را نيز برآورد نمود. براي انجام اين آزمايش، ميله چكش روي نمونه قرار گرفته و با فشار دادن چكش به سنگ، فنر داخل چكش فشرده مي شود. در اثر انرژي ذخيره شده، ضامن فنر در سطح انرژي تراكمي مشخصي آزاد شده و به وزنه اي كه روي ميله چكش قرار گرفته ضربه مي زند. ارتفاع و جهش وزنه از روي خط كش دستگاه قرائت شده و به عنوان مقياسي براي تعيين سختي سنگ استفاده مي شود (شكل 4).
شكل 4 – چكش اشميت
روش محاسبه پارامترهاي مقاومتي چسبندگي (C) و زاويه اصطكاك داخلي (φ)
با استفاده از نتايج آزمايش مقاومت فشاري سه محوري مي توان مقادير چسبندگي و زاويه اصطكاك داخلي را بدست آورد.
آزمايش مقاومت فشاري سه محوري
از اين آزمايش براي شبيه سازي شرايط تنش سه محوري كه در اعماق زمين به سنگ ها وارد مي گردد، استفاده مي شود. ساده ترين روش اعمال تنش سه محوري در آزمايشگاه به نمونه سنگ، استفاده از سلول هوك مي باشد كه توسط آن ضمن اعمال يك فشار جانبي هيدروليكي، نمونه تحت تنش قائم نيز قرار مي گيرد. با انجام اين آزمايش تحت مقادير مختلف تنش جانبي، پوش گسيختگي سنگ ترسيم شده و بر اساس آن پارامترهاي مقاومتي چسبندگي و زاويه اصطكاك داخلي تعيين مي گردند (شكل 5).
شكل 5 – سلول هوك جهت انجام آزمايش مقاومت فشاري سه محوري از آزمایش های سنگ
روش محاسبه مقاومت كششي سنگ (UTS)
به دليل مشكلات اندازه گيري مستقيم مقاومت كششي سنگ معمولاً از آزمايش برزيلي براي اين منظور استفاده مي شود. در اين آزمايش نمونه هايي به شكل ديسكي بين دو فك به صورت قطري تحت بارگذاري قرار گرفته تا با گسترش يك ترك قائم كششي گسيخته شود. با توجه به روابطي كه در اين زمينه موجود است مقاومت كششي سنگ برآورد مي شود. نمونه اي از شكست كششي ماسه سنگ با استفاده از آزمايش برزيلي در شكل 6 نشان داده شده است.
شكل 6 – آزمايش برزيلي از آزمایش های سنگ جهت تعيين مقاومت كششي
روش محاسبه پارامترهاي مقاومت برشي درزه ها
برای به دست آوردن پارامترهاي برشي درزه ها از آزمايش مقاومت برشي درزه استفاده مي شود. در اين آزمايش مقاومت برشي نمونه در امتداد يك ناپيوستگي و يا سطح ضعيف از پيش تعيين شده اندازه گيري مي شود. نمونه سنگ در پلاستر يا سيمان تثبيت شده، سپس بين دو فك (كه يكي ثابت و ديگري متحرك مي باشد) قرار مي گيرد و در حالي كه تحت اثر نيرويي قائم قرار دارد، توسط نيروي افقي تحت برش قرار مي گيرد. در حین انجام آزمايش، نيروهاي قائم و برشي و همچنين جابجايي قائم و برشي اندازه گيري مي شود. در شكل 7 نماي كلي اين آزمايش نشان داده شده است.
شكل 7 – نماي كلي تجهيزات مورد نياز براي انجام آزمايش مقاومت برشي درزه از آزمایش های سنگ
روش به دست آوردن شاخص دوام سنگ ها
اين آزمايش براي تعيين ميزان دوام يك نمونه سنگ تحت تاثير مراحل متوالي تر و خشك شدن طراحي شده است. شاخص دوام برابر با درصد وزن مواد باقي مانده از نمونه سنگي پس از تر و خشك شدن متوالي به وزن اوليه تعريف شده كه نشانگر ميزان پايداري سنگ در برار هوازدگي طبيعي است، می باشد. هر چه مقدار اين شاخص بيشتر باشد، ميزان فرسايش، انحلال و خرد شدن در برابر هوازدگي كمتر است. نمايي از دستگاه اندازه گيري شاخص دوام در شكل 8 نشان داده شده است.
شكل 8 – دستگاه اندازه گيري شاخص دوام
آزمايش بارگذاري صفحه اي (جكينگ)
آزمايش بارگذاري صفحه اي يكي از آزمايش هاي برجا مكانيك سنگ است كه براي تعيين مدول هاي تغيير شكل و الاستيك توده سنگ به كار مي رود. در اين روش، مدول تغيير شكل الاستيك توده سنگ با استفاده از نتايج جابجايي توده سنگ، ناشي از بار نرمال اعمال شده، محاسبه مي گردد. محل آزمايش معمولاً يك تونل اكتشافي مي باشد كه در آن ديواره هاي تونل، نيروي عكس العمل باري را كه توسط جك ها اعمال شده است و هم جهت با بار ناشي از سازه مي باشد را ايجاد مي كند. انجام اين آزمايش در سطح زمين نيز ميسر مي باشد كه در اين صورت نيروي عكس العمل توسط كابل هاي ميخ شده در عمق زمين مهيا مي شود. جدول 2 مشخصات فني تجهيزات بارگذاري صفحه اي و شكل 9 تجهیزات این آزمايش را نشان مي دهد.
جدول 2 – مشخصات فني دو نمونه تجهيزات بارگذاري صفحه اي
شكل 9 – تجهیزات آزمايش بارگذاري صفحه اي در سنگ
آزمايش مقاومت برشي مستقيم برجا در سنگ
هنگامي كه سازه اي در شيب تندي قرار گرفته باشد و يا بارهاي جانبي قابل ملاحظه اي وجود داشته باشند، ممكن است پي سازه در اثر شكست برشي، حتي در تنش هاي بسيار كمتر از حد مجاز باربري سنگ، دچار گسيختگي و مشكل شود. سطح شكستگي برشي مي تواند سطح يك شكستگي تقريباً موازي با جهت بار اعمالي باشد و يا تلفيقي از سطوح شكست و شكستگي در سنگ يكپارچه باشد. مورد اول مي تواند در سنگ به شدت درزه دار اتفاق بيفتد، در حالي كه مورد دوم در سنگ هاي با درزه داري كم مشاهده مي شود. پارامترهاي مقاومتي سطح برش را مي توان هم توسط آزمايش مقاومت برشي مستقيم آزمايشگاهي و هم توسط آزمايش مقاومت برشي مستقيم برجا محاسبه نمود. در جاهایي كه به دست آوردن نمونه دست نخورده ممكن نباشد و يا نمونه به اندازه كافي براي آزمون آزمايشگاهي نباشد، آزمايش هاي برجا موضوعيت پيدا مي كنند. با اين آزمايش، مقاومت برشي مستقيم نهايي و ماندگار سنگ به صورت تابعي از تنش عمودي اعمال شده بر صفحه برش تعيين مي گردد. صفحه برش معمولاً سطح يك ناپيوستگي مثل درزه و ترك، لايه بندي، تورق، گسل و يا فصل مشترك سنگ با بتن يا خاك مي باشد. جدول 3 مشخصات فني تجهيزات آزمايش برش مستقيم برجا را در سنگ نشان مي دهد. شكل 10 دستگاه آزمايش برش مستقيم را نشان مي دهد.
جدول 3 – مشخصات فني تجهيزات آزمايش برش مستقيم برجا
شكل 10 – دستگاه آزمايش برش مستقيم سنگ
آزمايش ديلاتومتري
آزمايش ديلاتومتري يكي از آزمايش هاي سنگ به صورت برجا، براي تعيين مدول تغيير شكل توده سنگ مي باشد. در اين آزمايش، بار يكنواختي به صورت شعاعي به ديواره هاي گمانه وارد مي شود و جابجايي هاي ناشي از آن توسط تعدادي LVDT تعبيه شده در غشاي لاستيكي ديلاتومتر اندازه گيري مي شوند. ابزارهاي اندازه گيري نسبت بهم زاويه دار مي باشند و از اين رو مي توان ميزان آنيزوتروپي را در توده سنگ تعيين كرد. جدول 4 مشخصات فني تجهيزات آزمايش ديلاتومتري را نشان مي دهد. شكل 11 تجهيزات آزمايش ديلاتومتري را نشان مي دهد.
جدول 4 – مشخصات فني يك نمونه ديلاتومتر
شكل 11 – تجهيزات آزمايش ديلاتومتري از آزمایش های سنگ به صورت برجا
آزمايش شكاف ديواره گمانه (اسلاتر)
آزمايش شكاف ديواره گمانه يكي از تكنيك هاي قابل اطمينان براي اندازه گيري دقيق تنش برجا مي باشد. اين تكنيك براي عمليات سريع و تعداد زياد اندازه گيري در گمانه طراحي شده است. روش شكاف ديواره گمانه جزء دسته روش هاي آزادسازي تنش مي باشد. در اين روش يك شكاف قوسي شكل به طور شعاعي در ديواره چال ايجاد مي شود و تغييرات كرنش مماسي در ديواره گمانه و در مجاورت شكاف يعني جایی كه رهاسازي تنش صورت گرفته است، توسط يك سنسور مخصوص با حساسيت بالا اندازه گيري مي شود. براي تعيين تنش هاي برجا در دو بعد بايد شش شكاف در ديواره گمانه ايجاد گردد، كه اين شش شكاف با فاصله 120 درجه نسبت بهم، در هر دسته سه تايي و هر دسته در مجاورت هم به فاصله 10 سانتي متر و با اختلاف شعاعي 30 درجه، در ديواره گمانه ايجاد مي شوند. مجموعه اين شش شكاف و رهاسازي كرنش مربوط به آن ها مجموعاً تشكيل يك آزمايش را مي دهند. با استفاده از نتايج چنين آزمايشي مي توان دامنه و جهت تنش هاي حداكثر و حداقل را در صفحه اي عمود بر محور گمانه محاسبه نمود. با انجام آزمايش در سه جهت مختلف مي توان تنش هاي اصلي برجا را در سه بعد تعيين كرد. شكل 12 نحوه انجام آزمايش اسلاتر را نشان مي دهد.
شكل 12 – مشخصات فني و شكل يك نمونه تجهيزات انجام آزمايش اسلاتر
روش شكست هيدروليكي
اين روش براي اندازه گيري ميدان تنش برجاي توده سنگ در عمق زمين به كار مي رود و با استفاده از آن مي توان مقدار و جهت تنش هاي اصلي بزرگ تر و كوچك تر را در صفحه اي عمود بر امتداد گمانه تعيين نمود. در اين روش، اعمال فشار هيدروليكي به قسمتي از يك گمانه كه توسط پكر جدا شده است باعث ايجاد ترك، گسترش شكستگي و يا باز شدن مجدد ترك هاي موجود مي گردد. ميزان اين فشار به ميدان تنش برجا بستگي دارد و جهت گسترش ترك ها نشان دهنده جهت تنش هاي اصلي مي باشد. براي تعيين تنش برجا در اعماق بيشتر از 50 متر، شكست هيدروليكي تنها روش ممكن و نسبتاً موفق است. اين روش در گمانه هايي با اقطار مختلف و نيز چاله اي كوتاه قابل اجرا مي باشد. عدم نياز به اطلاعات كامل در مورد ويژگي هاي الاستيك سنگ و همچنين امكان اجراي آن در زير سطح آب زيرزميني از مزاياي اين روش است. دقت اين روش در مورد سنگ هاي شكننده، همگن، الاستيك، همسان گرد و غير متخلخل به حداكثر مي رسد. شكل 13 نحوه انجام آزمايش شكست هيدروليكي را نشان مي دهد.
شكل 13 – نحوه انجام آزمايش شكست هيدروليكي
روش بيش مغزه گيري
در اين روش در كف گمانه اي كه قبلاً حفر شده، سوراخ باريكي حفر مي كنند و در آن دستگاه كرنش سنج قرار مي دهند و بدين ترتيب تغيير شكل حاصله را اندازه گيري مي كنند. سپس با مغزه گيري از كف گمانه، بخشي را كه كرنش سنج در آن نصب شده است، از بقيه سنگ ها جدا مي سازند. با مقايسه كرنش اوليه و آنچه كه پس از مغزه گيري مجدد برجا مي ماند، وضعيت تنش هاي برجا محاسبه مي شود. اين روش شامل تكنيك هاي اندازه گيري تنش و كرنش آزاد شده مي باشد. اين روش شامل يك اندازه گيري سه بعدي كرنش آزاد شده كه در بدنه سنگ هاي اطراف احاطه شده است، مي باشد. تانسور تنش سه بعدي متعاقباً مي تواند با اطلاعات تانسور تسليم شده سنگ به صورت كامل محاسبه شود. دو مانع جهت اندازه گيري تنش وجود دارد كه مزيت هاي اين روش را محدود مي كند. اولاً اندازه گيري ها بايد در نزديكي سطح زمين باشد و كرنش آزاد شده در يك محدوده خيلي كوچك (ميلي متر مربع تا سانتي متر مربع) تعيين مي شود. همچنين نشان داده شده است كه اندازه گيري هاي نزديك سطح زمين (نزديك تر از حد معمول) متاثر از توپوگرافي محلي، آنيزوتروپي سنگ و شكست طبيعي مي باشد. شكل 14 نحوه انجام آزمايش بيش مغزه گيري را نشان مي دهد.
شكل 14 – نحوه انجام آزمايش بيش مغزه گيري
آزمايش لوژان
بررسي و شناخت خاصيت نفوذپذيري محيط هاي سنگي به منظور ارزيابي و محاسبه پوشش داخلي تونل ها از اهميت خاصي برخوردار مي باشد. نفوذپذيري عبارت است از قابليت سنگ براي عبور دادن مايعات از داخل خود بدون اينكه تغييري در ساختمان آن ايجاد شود. تعيين تراوايي سنگ هاي درزه دار معمولاً به وسيله آزمايش فشار آب معروف به آزمايش لوژان صورت مي گيرد. در اين آزمايش قسمتي از طول گمانه با پكر مسدود شده و آب با فشار به آن تزريق مي شود. نفوذپذيري توده سنگ با توجه به نرخ خورند آب، فشار آزمايش و طول مقطع آزمايش تعيين مي شود. شكل 15 نحوه انجام آزمايش لوژان را نشان مي دهد.
پیشنهاد مطالعه : معرفی کامل آزمایش لوژان و نحوه انجام آن
شكل 15 – تجهيزات و نحوه اجراي آزمايش لوژان
فشارهاي آزمايش به صورت پله اي تا فشار ماكزيمم افزايش و سپس به فشار اوليه كاهش مي يابند. با مقايسه نتايج به دست آمده در اين پله هاي فشار، رفتار جريان در درزه ها تعيين گرديده و مقدار آبي كه طي آزمايش با فشار به درون درزه ها رانده مي شود، در يكاي زمان و فشار ثبت مي گردد و با توجه به آن، مقدار نفوذپذيري معرف براي مقطع مورد آزمايش انتخاب مي شود.
