دانلود مقاله سنگ

موضوع مکانیک سنگ از سال 1950شروع شد وبرپا یه فیزیک سنگها وبتدریج در سال 1960 مکانیک سنگ یعنی عکس المعل سنگ در برابر نیروهایی که به آن اعمال می شود که این نیروهامی توانند بر اثرعملیات انسانی بوجودآیند.

مکانیک سنگ در رنجی ازکلیه ی علوم مهندسی کار برددارد.ازجمله مهندسی پی نیروگاهای هسته ای وپا یداری چا های نفتی وکاربرد های جدید تری مثل انرژی زمین گرمایی و دفنی زباله های هسته ای.

درزمینه مهندسی معدن و مکانیک سنگ کاربرد مکانیک سنگ بر می گردد به سال 1960 یعنی در واقع در سال 1960 تاکید زیادی بر روی رفتار سنگ بکی و در سال 1970 روی ناپیوستگی ها توده سنگ شده بود.

و در سال 1980 تاکید بیشتری در جهت آنالیز عددی شد.

در سال 1963 یکی از کارهای ویژه ای که انجام شد تشکیل انجمنی علمی مکانیک سنگ بود که بطور فزاینده ای رو به رشد بود و در سال 1997 حدود 7000 عضو از 37 کشور دنیا داشت.

سنگ به عنوان یک ماده مهندسی
یکی از موارد بسیار مهم مکانیک سنگ و مهندسی سنگ که اغلب هم نادیده گرفته می شود این است که ما یک ماده ای را استفاده می کنیم که بشدت دارای خواص متغیری می باشد.

این را در شکل های 1-2 تا 3-2 می توان دید.

( ص 12و13) سنگ بکار می رود به عنوان یک ماده مهندسی برای ساختمان سازی بطوریکه سازه از سنگ ساخته می شود و یا سازه هایی روی سنگ ساخته
می شود تا سازه در داخل سنگ ساخته شود.

در بسیاری از مواد مهندسی عمران، سنگ برداشته می شود تا سازه در داخل آن قرار گیرد و بطور مثال حفاری سنگ جهت قرار دادن دستگاه های هیدروالکتریک در آن.

در چنین مواردی بجای انیکه از مواد سنگی استفاده شود انها را برداشته و به بیرون منتقل می کنند.

و اما از بعد معدنی سنگ ممکن است حفاری شود مثلا در یک معدن روباز و مادر این حالت درگیر می شویم با پایداری کناره های معدن روباز در این مثال ها و سایر مثال های مشابه مهندسی سنگ، سنگ یک ماده طبیعی است.

ما بعنوان یک مهندس بایستی به خواص ماد و تنش های از قبل موجود در زمین و ارتباط آنها با اهداف و پروژه های مهندسی توجه کند،
در مهندسی عمران هدف اصلی، ابعاد کردن یک سازه با برداشتن سنگ
می باشد.

اما در مهندسی معدن هدف بدست آوردن موادی و سنگ هایی سات که برداشته و استخراج می شوند.

بعنوان یک پایه اطلاعات اولیه زا هر کدام از این فعالیت ها این است که مادانش کافی از لایه زمین شناسی، هوازدگی مواد سنگی و پارامتر در زمین شناسی و وجود گسل های کوچک و بزرگ مقایس و درزهها داشته باشیم.

مکانیک سنگ بکار رفته در علم مهندسی هم یک علم و اهم هدف است.

تاثیر فاکتورهای زمین شناسی روی سنگ ها و توده سنگها:
به منظور تعیین تاثیر فاکتور در زمین شناسی روی سنگها موضوع زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

از بعد مسائل مکانیکی ما بایستی ماده سنگ و نیروهایی که به آن اعمال می شود را در نظر بگیریم و ما سنگ بکر را دادیم که تقسیم می شود به نام پیوستگی های را سنگ بکر:
1- سنگ بکر:
سنگ بکر در اصطلاح مهندسی سنگی است که فاقد هر گونه ترک باشد.

سودمندترین و مهمترین توصیف رفتار و مکانیکی این سنگها توصیف منحنی تنش – کرنش در فشار تک محوری است که تشکیل چنین منحنی کاملی به وضعیت میکروساختارها که با توجه به خصوصیات این میکروترکها شکل منحنی متغیر خواهد بود و بستگی دارد به یکی از پارامترهای مهم در این بحث صلبیت و مدول الاستیته سنگ است.

بعنوان مثال می بنید شکل های 10-3 و 11-2 کتاب هاریسون را.

2- همانطور که از اشکال پیداست سنگ تا قبل از نقطه مقاومت نهایی رفتار لااستیک از خود نشان می دهند و اگر مواد الاستیک کامل باشند هیچ انرژی جذب نمی کند و قادر به تحمل هر ترازی از تنش هستند.

3 - ناپیوستگی ها و ساختار سنگ: همانطور که در بخش قبل گفته شد یکی از شاخص های اصلی سنگ بکر، صلبیت stiffness است که بعنوان مدول یانگE تعریف می شود.

یعنی قبل از نقطه شکست منحنی کم و بیش رفتار الاستیک از خود نشان می داد.

اما گاهی اوقات در طول پروسه ی طبیعی زمین شناسی و تاریخ زمین شناسی سنگ ها تحت شرایط پیچیده بارگذاری واقع می شوند و در نتیجه ترکهایی در سنگ تشکیل می شود و تشکیل بلوک های سنگ را می دهد.

بعنوان مثال چنینی ساختاری مثل شکل 14-2 در انالیز مکانیکی و تنش در حالت کلی فرض می شود که سنگ پیوسته است اما فاکتورها و عوامل زمین شناسی مثل گسلها، درزه ها، صفحات لایه بندی و شکافهای ریز هم می توانند سنگ را حالت پیوسته به ناپیوسته تبدیل کنند.

این ناپیوستگی ها خیلی خصوصیات زمین شناس و مکانیکی دارند که در واقع رفتار توده سنگ را کنترل می کنند.

ناپیوستگی ها شکل و اندازه معینی دارند و در جهات معینی هم توسعه پیدا می کنند.

مشخصه کلی ناپیوستگی ها در توده سنگ را اصطلاحا ساختار سنگ roclestrueture گویند که برای اهداف مهندسی خیلی مهم است که ما بفهمیم این ساختار ژئومتریک است.

اگرچه مهندسین سنگ رفتار مکانیکی سنگها را پر اهمیت تر می دانند.

اما این خیلی سودمند است جهت فهماندن مهندسی که ناپیوستگی ها اساس چگونه تشکیل شده اند تا بتوانند احتمالا ایده ای اولیه ای از رفتار مکانیکی آنها داشته باشیم.

اساس روش وجود ندارد که باعث تشکیل ترک می شود frathre یکی با پروسه کشش و دو تا با پروسه ی برش.

شکل های 15-2 و 17-2 انواع مختلف ناپیوستگی ها را که به سادگی باز می شوند و تشکیل درزه ای را می دهند نشان می دهد.

شکل 15-2 و شکل های 16-2و 17-2.

بوسیله حرکات جانبی و زونهای موجود می آیند و اصطلاحا حاوی زونهای برش و گسل ها می شوند.

چنین ساختارهایی در اکثر سنگ ها وجود دارد در فضاهای مختلفی و این گاهی اوقات تعجب آور است که رفتار واقعی سنگ، تغییر شکل سنگ و مقاومت توده سنگ تابع آنهاست.

یکی از شاخص های مشخص اینست که نفوذپذیری بطور کامل تابع خصوصیات آنهاست.

و هم مهندسین پذیرفته اند که گسیختگی اغلب مربوط می شود مستقیما به ناپیوستگی ها زیرا انها بعنوان ضعیف ترین لینک و اتصال و عوامل طبیعی از قبل موجود در سنگ هستند و علاوه بر این تفاوت بین درزه ها و گسلها هم خیلی مهم است.

اگر دو کناری یک ترک فشار داده شوند.

نسبت به همدیگر ( شکل 17-2 و شکل 16-2) ناپیوستگی ها مقاومت ناچیزی دارند نسبت به تنش های برش اضافی که بوسیله فعالیت های مهندسی بوجود می آیند.

بنابراین مهندس باید علم کافی نسبت به ساختارهای زمین کناری و ساختارهای سنگ داشته باشد و گاهی اوقات ژن ناپیوستگی ها و خواص مکانیکی مختلفی را از خود بروز می دهد.

شکل 20-2 تا شکل 18-2 مثلا در شکل 18-2 یک درزه باز را نشان می دهد که واضح است که در اثر شکستگی سنگ پیوسته بوجود آمده.

همانطور که دیده می شود تنش ها از عرض این ناپیوستگی ها قادر به انتقال نیستند.

زیرا دو قابلیت کناری بهم وصل نیستند.

و از طرف دیگر بازشدگی در داخل توده سنگ بعنوان یک مجرای باز عمل می کند که نفوذپذیری و حرکت آب را روان می سازد.

در شکل 19-2 یک نوع خاصی از ناپیوستگی ها دیده می شود که بیشتر در سنگ های آهکی و دولومیتی اتفاق می افتد که مقاومت برش زیادی را از خود نشان می دهد و این بخاطر اینست که مواد در عرض ناپیوستگی ها کاملا به هم متصل شده اند اگرچه این مقاومت از مقاومت سنگ بکر هنوز هم کمتر است.

همچنین نفوذپذیری در این سنگ از سنگ بکر بیشتر است و در شکل 20-2 گرافی از سطح یک شکل صیقلی شده را نشان می دهد و این طور استنتاج می شود که ناپیوستگی ها در اثر حرکت لغزشی تحت تنش وصل شده سات که باعث هوازدگی و فرسایش سطوح ناپیوستگی شده است و این هشدارهایی برای مهندس است که بالاخص در مناطق گسیختگی معمولا از محل این ساختارها رخ می دهد.

3- تنش های از قبل موجود در سنگ: در مسائل مکانیک معمولا یک جسم مشخص با خواص تحت تاثیر نیروها و تنشها مشخص قرار گیرد.

اما ما بایستی بخاطر داشته باشیم که سنگ یک ماده طبیعی natured است که ممکن است تحت تاثیر تنش ها از قبل قرار گرفته باشد در نظر بگیرید یک پی سد را که شبیه به مسائل مکانیکی معمولی تحت تاثیر نیرویی قرار گرفته سات و در موارد دیگری مثل دیواره یک تونل هیچ نیرویی در حفریات بدون نگهداری وارد نشده است، و این بخطار تنش های از قبل موجودات که دوباره بوسیله فعالیت های مهندسی توزیع شده اند شکل 22-2 بنابراین تنش ها در بعضی جاها کم و در بعضی از جاها زیاد و توزیع می شوند و یک مهندس بایستی اطلاعات کافی از حالت تنشها داشته باشد.

و در هر دو حالت تنش های طبیعی و اعمالی.

4- سیالات منفذی و جریان آب: در مکانیک خاک جریان های منفذی در کل توده قرار دارند و این بدلیل اینست که خاکها از ذرات نابجا با فضای خالی اطرافشان و در اثر انتقال بوجود آمده اند.

بنابراین سیالات براحتی از بین خاک عبور می کنند.

که آب می تواند تحت فشار قرار گرفته و تاثیر تنش های اعمالی را کاهش بدهد که این شرط بعنوان تنش موثر شناخته شده است.

اما سنگ ها چنین رفتاری ندارند هر چند آنها حاوی ترکها هستند این اثر است که جریان آب و جریان های منفذی در سنگ ها خیلی مشکل تر است تا خاکها خیلی سنگها در طبیعت بکرشان نفوذپذیری کمی دارند و جریان آب از طریق نفوذپذیری ثانویه و از درون ترکها از قبلموجود است.

و جریان آب در توده سنگ تابعی از ناپیوستگی هاست.

ارتباط منافذ و تاثیرشان هر دو تنش ها و جریان آب تابعی از فعالیت های مهندسی هستند.

5- تاثیر زمان: یکی از فاکتورهای مهم دیگر اثر زمان است.

مواد مهندسی سنگ میلیون ها سال سنی دارند اما سازه های مهندسی فقط برای ماکزیمم یک قرن و کمتر طراحی و ساخته می شوند.

بنابراین دو رفتار قابل بررسی است پروسه زمین شناسی در جاییکه تعادل وجود خواهد آمد با فعالیت های فعلی زمین شناسی و با تقریبا در اثر پروسه های سریع مهندسی و با گذشت میلیون ها سال تنشهای برجا سنگ پیوسته در حال رسیدن به تعالد بودند و بطور مشابه نفوذپذیری سنگ هم یک حالت پایدار پیدا کرده است.

اما فعالیت های زمین شناسی باعث تغییرات هیدروژئولوژی می شود.

اما نقطه مقابل ان واکنش سنگ نسبت به فعالیت های مهندسی در زمان خیلی کوتاهی انجام می شود در حالیکه فعالیت های زمین شناسی در زمانهای خیلی طولانی انجام می گیرد.

که هر دو رفتار شکننده و شکل پذیر ممکن است بوجود بیاید.

تاثیر زمان از این جهت مهم است که مقاومت سنگ در طول زمان کاهش می یابد و کریب و آزادسازی relaxation نیز در سنگ بوجود می آید.

کریپ یعنی افزایش کرنش در تنش ثابت و relaxation یعنی کاهش تنش در کرنش ثابت.

تنش: تنش از اموال اصلی مکانیک سنگ کاربردهای آن است.

علت مطالعه تنش در مهندسی سنگ و مکانیک سنگ سه دلیل اساسی برای یک مهندس وجود دارد که بفهمد تنش را از دید مکانیک سنگ: زمین دارای یک حالت تنش از قبل می باشد و ما بایستی آنرا بفهمیم یکی بطور مستقیم و دیگری از این جهت که حالت تنش در انالیز و طراحی نقش عمده یا دارد.

هنگام فعالیت های مهندسی تنش های به طور چشمگیری تغییر می یابند و این بدلیل اینست که سنگی که از قبل حاوی تنش بوده است برداشته می شود و بارهای آن قسمت در جایی دیگر توزیع می شوند که یان خود تابعمعیارهای تغییر شکل و تنش معینی می باشند.

تنش یک مقدار تانسور است ما یک تانسور در جه 2 که 9 جز دارد که 6 تای آنها غیر مستقل هستند.

مقادیر آنها تابع خواص هر نقطه است مقادیر آنها تابع جهت است 6 تای آنها در یک جهت خاص مقدار صفر می گیرند سه جز اصلی دارند بدون فهم عمیق از پایه و اصول تنش فهم این پارامترها امکان پذیر نیست اختلاف بین اسکالر، بردار و تانسور: بین این واژه ها اختلاف اساسی وجود دارد: اسکالر یک مقدرا از جهت بزرگی است.

مثال دما، زمان، جرم، این واژه ها فقط با یک مقدار بیان می شوند.

(درجه، ثانیه، کیلوگرم) یک بردار مقداری با بزرگی و جهت است و مثل بردار نیرو و سرعت، شتاب، فرکانس از ترکها که در طول خطی از توده سنگ وجود دارند که اینها