مقاله مکانیک سنگ

توضیحات محصول

دانلود مقاله مکانیک سنگ با فرمت ورد ودر 53 صفحه قابل ویرایش

قسمتی از متن مقاله مکانیک سنگ

موضوع مكانيك سنگ از سال 1950شروع شد وبرپا يه فيزيك سنگها وبتدريج در سال 1960 مكانيك سنگ يعني عكس المعل سنگ در برابر نيروهايي كه به آن اعمال مي شود كه اين نيروهامي توانند بر اثرعمليات انساني بوجودآيند. مكانيك سنگ در رنجي ازكليه ي علوم مهندسي كار برددارد.ازجمله مهندسي پي نيروگاهاي هسته اي وپا يداري چا هاي نفتي وكاربرد هاي جديد تري مثل انرژي زمين گرمايي و دفني زباله هاي هسته اي. درزمينه مهندسي معدن  و مكانيك سنگ كاربرد مكانيك سنگ بر مي گردد به سال 1960 يعني در واقع در سال 1960 تاكيد زيادي بر روي رفتار سنگ بكی و در سال 1970 روي ناپيوستگي ها توده سنگ شده بود. و در سال 1980 تاكيد بيشتري در جهت آناليز عددي شد.

در سال 1963 يكي از كارهاي ويژه اي كه انجام شد تشكيل انجمني علمي مكانيك سنگ بود كه بطور فزاينده اي رو به رشد بود و در سال 1997 حدود 7000 عضو از 37 كشور دنيا داشت.

 
مقاله مکانیک سنگ
 

 

سنگ به عنوان يك ماده مهندسي

يكي از موارد بسيار مهم مكانيك سنگ و مهندسي سنگ كه اغلب هم ناديده گرفته مي شود اين است كه ما يك ماده اي را استفاده مي كنيم كه بشدت داراي خواص متغيري مي باشد. اين را در شكل هاي 1-2 تا 3-2 مي توان ديد. ( ص 12و13) سنگ بكار مي رود به عنوان يك ماده مهندسي براي ساختمان سازي بطوريكه سازه از سنگ ساخته مي شود و يا سازه هايي روي سنگ ساخته
مي شود تا سازه در داخل سنگ ساخته شود. در بسياري از مواد مهندسي عمران، سنگ برداشته مي شود تا سازه در داخل آن قرار گيرد و بطور مثال حفاري سنگ جهت قرار دادن دستگاه هاي هيدروالكتريك در آن. در چنين مواردي بجاي انيكه از مواد سنگي استفاده شود انها را برداشته و به بيرون منتقل مي كنند. و اما از بعد معدني سنگ ممكن است حفاري شود مثلا در يك معدن روباز و مادر اين حالت درگير مي شويم با پايداري كناره هاي معدن روباز در اين مثال ها و ساير مثال هاي مشابه مهندسي سنگ، سنگ يك ماده طبيعي است. ما بعنوان يك مهندس بايستي به خواص ماد و تنش هاي از قبل موجود در زمين و ارتباط آنها با اهداف و پروژه هاي مهندسي توجه كند،

مقاله مکانیک سنگ

در مهندسي عمران هدف اصلي، ابعاد كردن يك سازه با برداشتن سنگ
مي باشد. اما در مهندسي معدن هدف بدست آوردن موادي و سنگ هايي سات كه برداشته و استخراج مي شوند. بعنوان يك پايه اطلاعات اوليه زا هر كدام از اين فعاليت ها اين است كه مادانش كافي از لايه زمين شناسي، هوازدگي مواد سنگي و پارامتر در زمين شناسي و وجود گسل هاي كوچك و بزرگ مقايس و درزهها داشته باشيم.

مكانيك سنگ بكار رفته در علم مهندسي هم يك علم و اهم هدف است.

تاثير فاكتورهاي زمين شناسي روي سنگ ها و توده سنگها:

به منظور تعيين تاثير فاكتور در زمين شناسي روي سنگها موضوع زير مورد بحث قرار خواهد گرفت. از بعد مسائل مكانيكي ما بايستي ماده سنگ و نيروهايي كه به آن اعمال مي شود را در نظر بگيريم و ما سنگ بكر را داديم كه تقسيم مي شود به نام پيوستگي هاي را سنگ بكر:

1- سنگ بكر:

سنگ بكر در اصطلاح مهندسي سنگي است كه فاقد هر گونه ترك باشد. سودمندترين و مهمترين توصيف رفتار و مكانيكي اين سنگها توصيف منحني تنش – كرنش در فشار تك محوري است كه تشكيل چنين منحني كاملي به وضعيت ميكروساختارها كه با توجه به خصوصيات اين ميكروتركها شكل منحني متغير خواهد بود و بستگي دارد به يكي از پارامترهاي مهم در اين بحث صلبيت و مدول الاستيته سنگ است.

بعنوان مثال مي بنيد شكل هاي 10-3 و 11-2 كتاب هاريسون را.

2- همانطور كه از اشكال پيداست سنگ تا قبل از نقطه مقاومت نهايي رفتار لااستيك از خود نشان مي دهند و اگر مواد الاستيك كامل باشند هيچ انرژي جذب نمي كند و قادر به تحمل هر ترازي از تنش هستند.

3 - ناپيوستگي ها و ساختار سنگ: همانطور كه در بخش قبل گفته شد يكي از شاخص هاي اصلي سنگ  بكر، صلبيت stiffness است كه بعنوان مدول يانگE تعريف مي شود. يعني قبل از نقطه شكست منحني كم و بيش رفتار الاستيك از خود نشان مي داد. اما گاهي اوقات در طول پروسه ي طبيعي زمين شناسي و تاريخ زمين شناسي سنگ ها تحت شرايط پيچيده بارگذاري واقع مي شوند و در نتيجه تركهايي در سنگ تشكيل مي شود و تشكيل بلوك هاي سنگ را مي دهد. بعنوان مثال چنيني ساختاري مثل شكل 14-2 در اناليز مكانيكي و تنش در حالت كلي فرض مي شود كه سنگ پيوسته است اما فاكتورها و عوامل زمين شناسي مثل گسلها، درزه ها، صفحات لايه بندي و شكافهاي ريز هم مي توانند سنگ را حالت پيوسته به ناپيوسته تبديل كنند.

مقاله مکانیک سنگ

اين ناپيوستگي ها خيلي خصوصيات زمين شناس و مكانيكي دارند كه در واقع رفتار توده سنگ را كنترل مي كنند. ناپيوستگي ها شكل و اندازه معيني دارند و در جهات معيني هم توسعه پيدا مي كنند. مشخصه كلي ناپيوستگي ها در توده سنگ را اصطلاحا ساختار سنگ roclestrueture گويند كه براي اهداف مهندسي خيلي مهم است كه ما بفهميم اين ساختار ژئومتريك است. اگرچه مهندسين سنگ رفتار مكانيكي سنگها را پر اهميت تر مي دانند. اما اين خيلي سودمند است جهت فهماندن مهندسي كه ناپيوستگي ها اساس چگونه تشكيل شده اند تا بتوانند احتمالا ايده اي اوليه اي از رفتار مكانيكي آنها داشته باشيم. اساس روش وجود ندارد كه باعث تشكيل ترك مي شود frathre يكي با پروسه كشش و دو تا با پروسه ي برش.

شكل هاي 15-2 و 17-2 انواع مختلف ناپيوستگي ها را كه به سادگي باز مي شوند و تشكيل درزه اي را مي دهند نشان مي دهد. شكل 15-2 و شكل هاي 16-2و 17-2.

بوسيله حركات جانبي و زونهاي موجود مي آيند و اصطلاحا حاوي زونهاي برش و گسل ها مي شوند. چنين ساختارهايي در اكثر سنگ ها وجود دارد در فضاهاي مختلفي و اين گاهي اوقات تعجب آور است كه رفتار واقعي سنگ، تغيير شكل سنگ و مقاومت توده سنگ تابع آنهاست. يكي از شاخص هاي مشخص اينست كه نفوذپذيري بطور كامل تابع خصوصيات آنهاست. و هم مهندسين پذيرفته اند كه گسيختگي اغلب مربوط مي شود مستقيما به ناپيوستگي ها زيرا انها بعنوان ضعيف ترين لينك و اتصال و عوامل طبيعي از قبل موجود در سنگ هستند و علاوه بر اين تفاوت بين درزه ها و گسلها هم خيلي مهم است. اگر دو كناري يك ترك فشار داده شوند. نسبت به همديگر ( شكل 17-2 و شكل 16-2) ناپيوستگي ها مقاومت ناچيزي دارند نسبت به تنش هاي برش اضافي كه بوسيله فعاليت هاي مهندسي بوجود مي آيند. بنابراين مهندس بايد علم كافي نسبت به ساختارهاي زمين كناري و ساختارهاي سنگ داشته باشد و گاهي اوقات ژن ناپيوستگي ها و خواص مكانيكي مختلفي را از خود بروز مي دهد. شكل 20-2 تا شكل 18-2 مثلا در شكل 18-2 يك درزه باز را نشان مي دهد كه واضح است كه در اثر شكستگي سنگ پيوسته بوجود آمده. همانطور كه ديده مي شود تنش ها از عرض اين ناپيوستگي ها قادر به انتقال نيستند. زيرا دو قابليت كناري بهم وصل نيستند. و از طرف ديگر بازشدگي در داخل توده سنگ بعنوان يك مجراي باز عمل مي كند كه نفوذپذيري و حركت آب را روان
مي سازد.

مقاله مکانیک سنگ

در شكل 19-2 يك نوع خاصي از ناپيوستگي ها ديده مي شود كه بيشتر در سنگ هاي آهكي و دولوميتي اتفاق مي افتد كه مقاومت برش زيادي را از خود نشان مي دهد و اين بخاطر اينست كه مواد در عرض ناپيوستگي ها كاملا به هم متصل شده اند اگرچه اين مقاومت از مقاومت سنگ بكر هنوز هم كمتر است. همچنين نفوذپذيري در اين سنگ از سنگ بكر بيشتر است و در شكل 20-2 گرافي از سطح يك شكل صيقلي شده را نشان مي دهد و اين طور استنتاج مي شود كه ناپيوستگي ها در اثر حركت لغزشي تحت تنش وصل شده سات كه باعث هوازدگي و فرسايش سطوح ناپيوستگي شده است و اين هشدارهايي براي مهندس است كه بالاخص در مناطق گسيختگي معمولا از محل اين ساختارها رخ مي دهد.

3- تنش هاي از قبل موجود در سنگ:

در مسائل مكانيك معمولا يك جسم مشخص با خواص تحت تاثير نيروها و تنشها مشخص قرار گيرد. اما ما بايستي بخاطر داشته باشيم كه سنگ يك ماده طبيعي natured است كه ممكن است تحت تاثير تنش ها از قبل قرار گرفته باشد در نظر بگيريد يك پي سد را كه شبيه به مسائل مكانيكي معمولي تحت تاثير نيرويي قرار گرفته سات و در موارد ديگري مثل ديواره يك تونل هيچ نيرويي در حفريات بدون نگهداري وارد نشده است، و اين بخطار تنش هاي از قبل موجودات كه دوباره بوسيله فعاليت هاي مهندسي توزيع شده اند شكل 22-2 بنابراين تنش ها در بعضي جاها كم و در بعضي از جاها زياد و توزيع مي شوند و يك  مهندس بايستي اطلاعات كافي از حالت تنشها داشته باشد. و در هر دو حالت تنش هاي طبيعي و اعمالي.

4- سيالات منفذي و جريان آب: در مكانيك خاك جريان هاي منفذي در كل توده قرار دارند و اين بدليل اينست كه خاكها از ذرات نابجا با فضاي خالي اطرافشان و در اثر انتقال بوجود آمده اند. بنابراين سيالات براحتي از بين خاك عبور مي كنند. كه آب مي تواند تحت فشار قرار گرفته و تاثير تنش هاي اعمالي را كاهش بدهد كه اين شرط بعنوان تنش موثر شناخته شده است. اما سنگ ها چنين رفتاري ندارند هر چند آنها حاوي تركها هستند اين اثر است كه جريان آب و جريان هاي منفذي در سنگ ها خيلي مشكل تر است تا خاكها خيلي سنگها در طبيعت بكرشان نفوذپذيري كمي دارند و جريان آب از طريق نفوذپذيري ثانويه و از درون تركها از قبلموجود است. و جريان آب در توده سنگ تابعي از ناپيوستگي هاست.

ارتباط منافذ و تاثيرشان هر دو تنش ها و جريان آب تابعي از فعاليت هاي مهندسي هستند.

مقاله مکانیک سنگ

5- تاثير زمان: يكي از فاكتورهاي مهم ديگر اثر زمان است. مواد مهندسي سنگ ميليون ها سال سني دارند اما سازه هاي مهندسي فقط براي ماكزيمم يك قرن و كمتر طراحي و ساخته مي شوند. بنابراين دو رفتار قابل بررسي است پروسه زمين شناسي در جاييكه تعادل وجود خواهد آمد با فعاليت هاي فعلي زمين شناسي و با تقريبا در اثر پروسه هاي سريع مهندسي و با گذشت ميليون ها سال تنشهاي برجا سنگ پيوسته در حال رسيدن به تعالد بودند و بطور مشابه نفوذپذيري سنگ هم يك حالت پايدار پيدا كرده است. اما فعاليت هاي زمين شناسي باعث تغييرات هيدروژئولوژي مي شود. اما نقطه مقابل ان واكنش سنگ نسبت به فعاليت هاي مهندسي در زمان خيلي كوتاهي انجام مي شود در حاليكه فعاليت هاي زمين شناسي در زمانهاي خيلي طولاني انجام مي گيرد.

كه هر دو رفتار شكننده و شكل پذير ممكن است بوجود بيايد. تاثير زمان از اين جهت مهم است كه مقاومت سنگ در طول زمان كاهش مي يابد و كريب و آزادسازي relaxation نيز در سنگ بوجود مي آيد. كريپ يعني افزايش كرنش در تنش ثابت و relaxation يعني كاهش تنش در كرنش ثابت.

تنش: تنش از اموال اصلي مكانيك سنگ  كاربردهاي آن است.

علت مطالعه تنش در مهندسي سنگ و مكانيك سنگ سه دليل اساسي براي يك مهندس وجود دارد كه بفهمد تنش را از ديد مكانيك سنگ:
 

• زمين داراي يك حالت تنش از قبل مي باشد و ما بايستي آنرا بفهميم يكي بطور مستقيم و ديگري از اين جهت كه حالت تنش در اناليز و طراحي نقش عمده يا دارد.
• هنگام فعاليت هاي مهندسي تنش هاي به طور چشمگيري تغيير مي يابند و اين بدليل اينست كه سنگي كه از قبل حاوي تنش بوده است برداشته مي شود و بارهاي آن قسمت در جايي ديگر توزيع مي شوند كه يان خود تابعمعيارهاي تغيير شكل و تنش معيني مي باشند.
• تنش يك مقدار تانسور است ما يك تانسور در جه 2 كه 9 جز دارد كه 6 تاي آنها غير مستقل هستند.

مقاله مکانیک سنگ

مقادير آنها تابع خواص هر نقطه است
 

• مقادير آنها تابع جهت است
• 6 تاي آنها در يك جهت خاص مقدار صفر مي گيرند
• سه جز اصلي دارند

بدون فهم عميق از پايه و اصول تنش فهم اين پارامترها امكان پذير نيست

اختلاف بين اسكالر، بردار و تانسور:

بين اين واژه ها اختلاف اساسي وجود دارد: اسكالر يك مقدرا از جهت بزرگي است. مثال دما، زمان، جرم، اين واژه ها فقط با يك مقدار بيان مي شوند. (درجه، ثانيه، كيلوگرم) يك بردار مقداري با بزرگي و جهت است و مثل بردار نيرو و سرعت، شتاب، فركانس از تركها كه در طول خطي از توده سنگ وجود دارند كه اينها با سه مقدار در جهات x,y,z بيان مي شوند كه هر دو جهت و مقدار را دارند. يك تانسور يك مقداري است داراي بزرگي و جهت و صفحه اي كه ان اعمال مي شود مثال هاي از تانسور مانند تنش- كرنش و نفوذ  پذيري و ممان اينرسي كهم اينها با oy مقدار توصيف مي شوند.