مقدمه
بسیاری از پروژه های عمرانی کشور مانند سدسازی، راه سازی، معادن روباز و زیرزمینی همواره با حجم عظیمی از عملیات سنگی روبرو هستند. بدیهی است که تعیین پارامترهای مکانیکی سنگ، نقشی کلیدی در طراحی صحیح این پروژه ها ایفا می کند. از آنجا که انجام آزمایش های صحرائی همواره به سادگی امکانپذیر نیست و هزینه های بالایی در بر دارد، آزمون های آزمایشگاهی اغلب به عنوان منبع اصلی شناسایی ویژگی های سنگی مورد توجه قرار می گیرند.
دانشکده مهندسی معدن دانشگاه صنعتی سهند به عنوان اولین مرکز آموزشی و پژوهشی در رشته معدن در شمال غرب کشور شناخته شده و آزمایشگاه مکانیک سنگ این دانشکده با استفاده از توان اعضا هیئت علمی و تجهیزات خود، آماده سرویس دهی به پروژه های گوناگون در راستای اهداف ذکر شده است. مجموعه آزمایش ها و تجهیزاتی موجود در این آزمایشگاه، به اختصار در این مجموعه تشریح شده است.
مغزه گیری و برش سنگ (Rock Coring and Cutting)
در صورتی که نمونه های مورد نظر برای انجام آزمایش ها به صورت مغزه نباشند، در آزمایشگاه از قطعات بزرگ سنگ، مغزه گیری می شود. سپس نمونه های به دست آمده بوسیله اره سنگ برش داده می شوند. این کار با استفاده از دستگاه تراش و سنگ ویژه انجام می گیرد. هدف از مجموعه این عملیات، آماده سازی نمونهها، طبق استانداردهای موجود، برای انجام سایر آزمایش ها می باشد.
 |
|
95 mm |
54 mm |
42 mm |
38 mm |
قطر مغزه های قابل تهیه |
|
آزمایش های اندیس (Index Tests)
آزمایش های اندیس، با هدف تعیین پارامترهای زیر انجام میشوند:
-
آب محتوی (Water Content): منظور از درصد آب محتوی، نسبت وزن آب موجود در منافذ نمونه سنگ به وزن نمونه کاملاً خشک شده آن بر حسب درصد است.
-
تخلخل (Porosity): تخلخل در سنگها عبارت است از حجم فضاهای خالی بین دانهها به حجم کل. تخلخل عامل مهمی در رفتار مکانیکی و هیدرولیکی سنگهاست. تخلخل به دلایل مختلفی از جمله شرایط تشکیل (تخلخل اولیه) و فرآیندهای ثانوی مثل هوازدگی، دگرسانی، انحلال کانیها، تبلور مجدد و ... (تخلخل ثانویه) به وجود می آید. با انجام آزمایش های مربوطه، میتوان تخلخل را به صورت کمّی تعیین نمود.
-
درصد اشباع (Degree of Saturation): نسبت حجم آب موجود در سنگ به حجم کل فضاهای خالی، بیانگر درصد اشباع سنگ می باشد.
-
وزن حجمی (Unit Weight): وزن حجمی معمولاً در سه حالت وزن حجمی کل (γ)، وزن حجمی خشک (γdry) و وزن حجمی اشباع (γsat) بیان می شود. این پارامتر یکی از عوامل کنترل کننده فشار وارد بر سازه های زیرزمینی است. پارامترهای یاد شده با استفاده از ترازوی دقیق و خشککن (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)، متداولترین آزمون آزمایشگاهی برای مطالعات مکانیک سنگی بر روی ماده سنگ میباشد. در این آزمایش، نمونه سنگ در داخل یک فریم قرار داده شده و با استفاده از یک جک با ظرفیت مناسب، تحت بارگذاری قرار می گیرد. برای اینکه بارگذاری کاملاً غیر نقطه ای باشد، از یک مفصل کروی بر روی نمونه استفاده می شود. بارگذاری با سرعت کنترل شده، تا زمان وقوع شکستگی در سنگ ادامه می یابد. با استفاده از سنسورهای مختلف، میتوان کرنشهای طولی، عرضی و نیروهای قائم را به دقت تعیین و ثبت نمود و نمودارهای بار – تغییر شکل های محوری و بار – تغییر شکل های قطری را برای تعیین پارامترهای مدول یانگ و ضریب پوآسون، به دست آورد.
 |
|
2000 kN |
ظرفیت اعمال بار محوری |
|
آزمایش مقاومت فشاری سه محوره (Triaxial Compressive Test)
برای شبیه سازی شرایط تنش سه محوره، که به سنگ در اعماق زمین وارد می شود، از این آزمایش استفاده می شود. متداولترین روش برای اعمال تنش سه محوری در آزمایشگاه به نمونه سنگی، 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 شده و بر اساس آن، پارامترهای مقاومت سنگ (چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی) تعیین می شود. اعمال بار قائم با دستگاه مقاومت فشاری تک محوری انجام می گیرد.
 |
|
700 bar |
ظرفیت اعمال فشار جانبی |
|
آزمایش مقاومت برشی درزه
(Direct Shear Test on Joints)
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 و سپس میان دو فک (که یکی ثابت و دیگری متحرک است) قرار می گیرد. نمونه در حالی که تحت اثر نیروی قائم قرار دارد، بوسیله نیرویی افقی تحت برش قرار می گیرد. به هنگام انجام این آزمایش، نیروهای قائم، برشی و همچنین جابجایی قائم و برشی، اندازه گیری می شود.
 |
|
50 kN |
ظرفیت اعمال نیروی قائم |
|
50 kN |
ظرفیت اعمال نیروی برشی |
|
آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم (Brazilian Test)
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 میان دو فک به صورت قطری تحت بارگذاری قرار میگیرد تا با گسترش یک ترک قائم کششی، گسیخته شود. با توجه به روابط موجود، میتوان مقاومت کششی سنگ را برآورد نمود.
آزمایش اندیس بار نقطهای (Point Load Strength Test)
در این آزمایش، نمونه سنگ، که می تواند به شکل مغزه یا کلوخ های نامنظم باشد، با 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 ساده و قابل حمل بوده و وسیله مناسبی برای انجام مطالعات اولیه و صحرائی می باشد.
آزمایش چکش اشمیت (Schmidt Hammer Test)
این آزمایش برای تعیین سختی سنگ در صحرا و یا در آزمایشگاه طراحی شده است و در مورد سنگ های با سختی متوسط به کار می رود و میتوان به کمک آن، سختی سطوح درزه سنگی را نیز برآرود 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 این ذخیره شدن انرژی، ضامن فنر در سطح انرژی تراکمی مشخصی آزاد شده و به وزنهای که روی میله چکش قرار گرفته، ضربه میزند. ارتفاع واجهشی وزنه از روی خطکش دستگاه قرائت شده و به عنوان مقیاسی برای تعیین سختی سنگ استفاده می شود.
آزمایش تعیین سرعت عبور موج از داخل سنگ (P-Wave Speed Test)
این آزمایش برای تعیین سرعت گذر امواج از داخل سنگ طراحی شده است. با این دستگاه، موجی از نوع فشاری به داخل مغزه ارسال شده و زمان عبور آن بوسیله سنسورهای مناسبی که در دو طرف نمونه قرار میگیرد، اندازه گیری می شود. با اطلاع از سرعت انتشار امواج طولی و عرضی میتوان برآوردهایی از خواص دینامیکی سنگ به دست آورد.
آزمایش نفوذپذیری (Permeability Test)
سهولت عبور جریان مایعات از داخل حفره های رسوبها یا سنگها را نفوذپذیری می نامند. مقدار نفوذپذیری به اندازه حفره ها، غلظت مایع و نیروی کششی، که با کاهش اندازه دانه ها کم می شود، بستگی دارد. در واقع، عواملی که بر تخلخل اولیه موثرند، در میزان نفوذپذیری نیز موثر می باشند. با این آزمایش، میتوان مقدار نفوذپذیری نمونه های مختلف سنگی را تعیین نمود.
 |
|
4000 kPa |
ظرفیت اعمال هد ثابت |
|
آزمایش کشش بولت (Pull-Out Test)
این آزمایش برای تعیین ظرفیت چسبندگی بولت به سیمان انجام می شود. در این آزمایش، انواع مختلف بولت که در دوغاب سیمان قرار گرفته، تحت آزمایش بیرون کشی قرار می گیرد تا در مورد بهترین نوع بولت و ترکیب دوغاب، قضاوت کرد. این آزمایش را هم میتوان در آزمایشگاه و هم در سایت انجام داد. در این آزمایش، سنسورهای دقیق جابجایی سنجی و فشار که همگی از طریق سیستم اتوماتیک جمع آوری داده به کامپیوتر متصل می باشند، رفتار دقیق بولت را در هنگام آزمایش، ثبت می کنند.