تعیین پارامترهای مکانیکی سنگ

بسیاری از پروژه های عمرانی کشور نظیر سدسازی، راهسازی، معادن روباز و زیرزمینی همواره با حجم سنگینی از عملیات سنگی روبرو هستند. بدیهی است که تعیین پارامترهای مکانیکی سنگ، نقش کلیدی در طراحی صحیح این پروژه ها ایفا می کند. از آنجایی که انجام آزمایش های صحرایی همواره به سادگی امکان پذیر نبوده و هزینه بالایی در بر دارد، آزمایش های آزمایشگاهی هنوز نیز عمدتا به عنوان منبع اصلی شناسایی خواص سنگ مطرح می باشد.

آماده سازی نمونه، کرگیری و برش سنگ (Coring and Cutting)

در صورتی که نمونه های مورد نظر آزمایش به صورت مغزه نباشد، در آزمایشگاه از قطعات بزرگ سنگ مغزه گیری می شود.  و نمونه های اخذ شده سپس توسط اره سنگ برش داده می شود. در صورتی که سطوح انتهایی نمونه ها نیاز به صیقلی شدن داشته باشند، این کار توسط تراش و سنگ مخصوص انجام می پذیرد. هدف از مجموعه این عملیات، آماده سازی نمونه ها طبق استاندارد های موجود برای انجام سایر آزمایش ها می باشد.

 

آزمایش های اندیس (Index Tests)

 

هدف از انجام آزمایش های Index تعیین پارامترهای زیر می باشد:

آب محتوی (Water Content): منظور از درصد آب محتوی، نسبت وزن آب موجود در منافذ نمونه سنگ به وزن نمونه کاملا خشک شده آن بر حسب درصد است.
تخلخل (Porosity): تخلخل در سنگ ها که عبارت است از نسبت حجم فضاهای خالی بین دانه ها به حجم کل، عامل مهمی در رفتار مکانیکی و هیدرولیکی سنگ می باشد. تخلخل به دلایل مختلفی از جمله شرایط تشکیل (تخلخل اولیه) و فرآیندهای ثانوی مثل هوازدگی، دگرسانی، انحلال کانی ها، تبلور مجدد و غیره (تخلخل ثانویه) به وجود می آید که در این آزمایش این مقدار به صورت کمی تعیین می شود.
درصد اشباع (Saturation Degree): نسبت حجم آب موجود در سنگ به حجم کل فضاهای خالی موجود بیانگر درصد اشباع سنگ می باشد که در تعیین میزان نفوذ آب به سازه نقش بسزایی دارد.
وزن حجمی (Unit Weight): وزن حجمی معمولا در سه حالت وزن حجمی کل (γ)، وزن حجمی خشک (dryγ) و وزن حجمی اشباع (satγ) بیان می شود. این پارامتر یکی از عوامل کنترل کننده فشار وارد بر سازه های زیرزمینی می باشد. پارامترهای فوق با استفاده از ترازوی دقیق و خشک کن (Oven) تعیین می شوند.

دستگاه تعیین مقاومت فشاری تک محوره و مدول یانگ (Uniaxial Compressive Test and Young's Modulus)

آزمایش مقاومت تک محوره (یا نامحصور) متداول ترین آزمون آزمایشگاهی برای مطالعات مکانیک سنگی بر روی ماده سنگ می باشد. در این آزمایش نمونه سنگ در داخل یک فریم قرار داده شده و توسط یک جک با ظرفیت مناسب تحت بارگذاری قرار می گیرد. برای نمونه های مختلف از جک های با ظرفیت مختلف (تا 450 تن) استفاده می شود. برای آنکه بارگذاری کاملا غیر نقطه ای باشد از یک مفصل کروی بر روی نمونه استفاده می شود.
 

بارگذاری تحت سرعت کنترل شده تا زمان وقوع شکستگی در سنگ ادامه می یابد. در صورتی که از فریم های غیر صلب برای بارگذاری نمونه ها استفاده شود، تنها می توان مقدار مقاومت نهایی سنگ را ثبت نمود و اطلاعی از رفتار پس از شکست سنگ در اختیار قرار نمی گیرد. در صورتی که آگاهی از رفتار پس از شکست سنگ ضروری باشد، باید از فریم های صلب استفاده نمود.

 

آزمایش با دستگاه پرس صلب کنترل اتوماتیک MTS

این دستگاه دارای بدنه های کاملا صلب بوده که آن را قادر می سازد تا بتواند رفتار پس از شکست نمونه ها را در شرایط بارگذاری تک محوره و سه محوره تعیین نماید. بدین ترتیب می توان سازه هایی را که در آن سنگ تا سر حد مقاومت نهایی اش بارگذاری شده را نیز طراحی نمود. شرایط مختلف بارگذاری در این دستگاه به صورت کاملا کامپیوتری برنامه ریزی شده و قابل تعریف می باشد. دستگاه مذکور دارای ظرفیت 450 تن در فشار و 240 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 نمود. 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 و نتایج را در فایل کامپیوتری ثبت تا برای موارد طراحی بعدی مورد استفاده قرار داد.

 

آزمایش مقاومت فشاری سه محوره (Triaxial Compressive Test)

 

برای شبیه سازی تنش سه محوره که به سنگ در اعماق رمین وارد می شود، از این آزمایش استفاده می شود. متداول ترین روش اعمال تنش سه محوری در آزمایشگاه به نمونه سنگ، استفاده از سلول هوک می باشد که در آن ضمن اعمال یک فشار جانبی هیدرولیکی، نمونه تحت تنش قائم قرار می گیرد.

با انجام این آزمایش تحت مقادیر مختلف تنش جانبی، پوش گسیختگی سنگ ترسیم و بر اساس آن پارامترهای مقاومت سنگ (نظیر پارامترهای Ф و C) تعیین می گردد.

به منظور انجام تست سه محوره ثابت نگه داشتن فشار جانبی امری بسیار مهم است. زیرا در طول انجام تست به دلیل تغییرات حجمی نمونه این مقدار افزایش یا کاهش می یابد لذا بدین منظور یک سیستم الکترونیکی تنظیم فشار جانبی در آزمایشگاه طراحی و ساخته شده است. این سیستم دارای 2 بخش مکانیکی و کنترل­کننده (بخش الکتریکی) می­باشد. برای به حرکت در آوردن جک یک موتور به گیربکس متصل شده است. موتور با دوران گیربکس دومیله‌ی دنده کبریتی را حرکت می‌دهد. میله های دنده کبریتی انتهای پیستون را در سیلندر جابجا می‌کند. با حرکت سیلندر رو به جلو روغن به مدار تزریق شده و در نتیجه شاهدِ افزایشِ فشار در مدار خواهیم بود. همچنین با عوض شدنِ جهتِ دورانِ موتور سیلندر از پیستون خارج شده و در نتیجه شاهدِ کاهشِ فشار خواهیم بود.

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

 

آزمایش شاخص دوام (Slake-Durability Index)

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 پس از تر و خش