سنگها وکاربرد مهندسی آنها

مقدمه:
در زمین شناسی آنجه پوسته جامد زمین را می سازدسنگ نام دارد .در این بخش منظور از سنگ ، واحدهای رسوبی و آذرین و دگرگونی است که انسجام دارندو یا مجموعه ذرات سنگی به هم چسبیده که مقاومت فشاری داشته باشد و یا به یک عبارت " قراردادی " مجموعه ذرات به هم چسبیده که حداقل 14 کیلوگرم برمتر مربع فشار را تحمل کند سنگ نام دارد.عمده ترین سنگها بر حسب تفکیک رده آنها به شرح زیر می باشد:

سنگهای آذرین: گرانیت ، سینیت ، دیوریت ، گابرو، دولریت ، ریولیت ، تراکیت ، آندزیت ، بازالت

سنگهای رسوبی: کنگلومرا، برش ، شیل ، ماسه سنگ ، آهک ( کربنات کلسیم ) ، دولومیت( کربنات مضاعف کلسیم و منیزیم ) ،سیلت استون ( سنگ لای )،کلی استون ( سنگ رسی )، ژیپس(سنگ گچ)

سنگهای دگرگونی : گنایس ، کوارتزیت ، اسلیت ، آمفیبولیت ، مرمریت ، شیست ( شیل دگرگونی)

در این مبحث سعی می شود خصوصیات سنگها از دیدگاه کاربرد مهندسی مورد بررسی قرار گیرد. نکته ای که باید مورد توجه باشد این است که این کاربرد دو گانه است:
الف: کاربرد سنگ بطور در جا که عمدتاً استفاده از آن به عنوان تکیه گاه که بطور کلی در احداث سدها یا در احداث بناها و پلها است.
ب: کاربرد سنگ به عنوان واحد مصالح ساختمانی که در این قسمت هم ممکن است با دو زمینه کاری مورد توجه واقع شود

استفاده مستقیم از قطعات سنگی که می تواند شکل داده شده باشد ( مالون ) که به آن سنگ کار شده نیز گفته می شود یا لینکه شکل داده نشده باشد مانند لاشه سنگ.

استفاده از سنگ به منظور خرد کردن و تهیه سنگدانه باشد که اصطلاحاً سنگ خرد شده گفته می شود.

با توجه به موارد فوق و به لحاظ استفاده از سنگ و گزینش آن جهت کاربرد( به صورت در جا ، قطعه کار شده، قطعه کار نشده ، خرد شده ) لازم است که خصوصیات مهندسی سنگ مورد بررسی قرار گیرد. لذا در ادامه این قسمت روشهای مطالعه مهندسی ، بررسی خصوصیات مهندسی سنگ آورده می شود.

خواص فیزیکی و مهندسی سنگها
وزن مخصوص نسبی :
وزن مخصوص عبارت است از وزن سنگ به وزن آ ب هم حجمش یا به عبارت دیگر ، وزن واحد حجم سنگ که به نسبت وزن واحد حجم آب سنجیده می شود. بنابراین وزن مخصوص ، بعد ( دیمانسیون ) ندارد. SG = WV.γw
وزن مخصوص سنگ با دو عبارت فیزیکی وزن مخصوص ظاهری و وزن مخصوص حقیقی بیان می گردد.
وزن مخصوص ظاهری عبارت است از وزن سنگ به حجم کل سنگ که به نسبت وزن مخصوص آب سنجیده شده باشد.
وزن مخصوص حقیقی عبارت است از وزن سنگ به حجم واقعی سنگ ، حجم واقعی سنگ عبارت است از حجم کل منهای حجم فضای خالی سنگ.
وزن مخصوص سنگهای معمولی ( عمده سنگهایی که در کارهای عمرانی استفاده می شوند )بین 4/2تا 9/2 است. معمولاً سنگهای با وزن مخصوص کمتر از 4/2 در کارهای مهندسی که هدف باربری در آن لحاظ باشد مورد استفاده قرار نمی گیرند. مقایسه وزن مخصوص ظاهری با وزن مخصوص حقیقی می تواند نشان دهند که سنگ تا چه حد تو پر ومحکم است.زیرا تفاوت زیاد این دو عدد که سنگ درجه پوکی و تخلخل بالایی دارد.
نسبت تخلخل:
نسبت تخلخل عبارت است از نسبت حجم فضای خالی سنگ به حجم بخش جامد سنگ .
e =Vv / Vs
= e درصد پوکی
= Vv حجم فضای خالی سنگ
= Vs حجم بخش جامد solid ) ( خاک
پوکی:
پوکی عبارت است از نسبت حجم فضای خالی به حجم کل سنگ که که به درصد بیان می شود.
n = (Vv / Vt ) 100
= n در صد پوکی
= Vv حجم فضای خالی
= Vt حجم کل سنگ
سنگها دارای پوکی متفاوتی هستند و بطور کلی سنگهای متا مورفیک نسبت به سنگهای آذرین پوکی کمتری دارند و سنگهای رسوبی درجه پوکی بیشتراز سنگهای آذرین دارند.

قابلیت جذب:
آبی که در شرایط غوطه وری جذب سنگ می شود ، در داخل خلل و فرج آن ( فضا یا فضاهای خالی سنگ ) قرار می گیرد که ممکن است پس از خروج سنگ از حالت غوطه وری قسمتی از آن آب خارج گردد.فضاهای خالی سنگ ممکن است منافذ جدا از هم و یا از طریق لوله مویینه پیوسته باشند . در هنگام غوطه وری ممکن است همه فضاهای خالی سنگ از آب انباشته نشوند.یا سنگهایی که کانیهای رسی را در مجموعه خود دارند به دلیل اینکه رس تورم زا است هنگام جذب آب راه نفوذ آزاد آب مسدود می شود. بنابراین سنگ ممکن است حتی در شرایط غوطه وری هم اشباع نگردد.
درصد آب جذب شده را می توان از اختلاف وزن جای گرفته در آب ( پس از غوطه ور نمودن آن به مدت معلوم) و وزن خشک آن و تقسیم آن به وزن خشک بدست آورد که به درصد بیان می شود:
ω = ( Wm – Wd ) .100 / Wd
= ω درصد آب موجود در سنگ
= Wm وزن سنگ آبدار
= Wd وزن سنگ در حالت کاملاً خشک
برای خشک کردن سنگ لازم است آنرا به مدت 24 ساعت در داخل گرمخانه در حرارت 105 درجه سانتیگراد قرار داد.توجه شود سنگی که دارای کانی ژیپس ( گچ ) است باید در حرارت حداکثر 140 درجه سانتیگراد و به مدت 48 ساعت در گرمخانه قرار داد.

درجه اشباع:
درجه اشباع عبارت است از نسبت حجم فضاهای پر شده از آب به کل حجم فضاهای خالی سنگ که به درصد بیان می گردد: Sr= ( Vw / Vv ) 100
منظور از کل فضاهای خالی سنگ فضاهایی است که در شرایط خشک از هوا اشغال می شود. با توجه به اینکه در شرایط عادی سنگ بطور کامل از آب اشباع نمی شود یعنی تمام فضاهای خالی سنگ از آب انباشته نمی گردد لذا سنگ در این شرایط صد در صد اشباع نخواهد بود. میزان اشباع شدن سنگ در شرایط عادی بستگی به توپری سنگ و تفاوت وزن مخصوص حقیقی آن دارد یا به عبارت دیگر به درجه پوکی سنگ بستگی دارد.البته چنانچه سنگ در زیر ارتفاعی از آب قرار گیرد ( مانند زیر مخزن سد ) درجه اشباع آن افزایش خواهد یافت و می تواند تا صددر صد اشباع گردد.
وزن واحد حجم:
وزن واحد حجم عبارت است از وزن تقسیم بر حجم کل سنگ . با این وصف می تواندحالات گوناگون داشته باشد شامل وزن واحد حجم خشک، وزن واحد حجم مرطوب، وزن واحد حجم اشباع، وزن واحد حجم مستغرق. γ= W/V
نکته قابل توجه اینکه چنانچه سنگ درجه پوکی پائینی داشته باشددر شرایط غوطه وری در آب به اندازه وزن آب هم حجمش از وزن آن کاسته می گردد. ولی چنانچه درجه پوکی آن بالا باشد به اندازه وزن آب هم حجمش منهای مقدار آب جمع شده در فضاهای خالی آن از وزن سنگ کاسته می گردداین نکته در پیهای غوطه ور در آب مانند سد ونیروگاههای هیدرولیکی اهمیت بسیار دارد.
نفوذ پذیری:
نفوذ پذیری عبــارت است از قابلیت واستعداد عبور آب از داخل مجموعه ( توده خاک یا سنگ ) که به عوامل متعدد بستگی داردمانند: تراکم و قوام و انسجام و استحکام ، میزان ارتباط منافذ بافت با یکدیگر،شکل دانه های سازنده توده ، ساختمان فیزکو شیمیایی توده ، خاصیت اسمزی ، فشار حاکم بر جریان ( شیب هیدرولیکــی) ، غلظت آب، جهت لایه بندی خاک و سنگ.
نفوذ پذیری سنـگ در آزمایشگـاه و هـمچنین بطور درجا ( در صـحرا بدون جدا کردن از مـحیط و در اعـماق مختلف) قابل اندازه گیری است.در کارهای مهندسی صحرایی اندازه گیری نفوذ پذیری سنگ از طریق پـمپاژ آب و تزریق تحت فشار (آزمایش لوژون) انجام می گردد. میزان فشار تابع عواملی است و انتخاب آن از طریق محاسبات مهندسی است.
استحکام سنگ:
منظور از استحکام ، پایـــداری سنگ در مقابل نیروهای ( استرس Stress ) است که برآن وارد می شود ممکن است این استرسها فشاری، برشی و کششی باشد. در هر صورت با اعمال این تنش ها تغییر شکلی حاصل می شود که آن استرین ( strain ) نام دارد.
تنش:
چنانچه نیروی عمودی بر یک سطح وارد شود ، استرس عمودی عبارت خواهد بود از مقدار نیرو تقسیم بر سطح . مثلاً اگر مقدار نیرو 10 تن و سطح مقطع 200 سانتیمتر مربع باشد تنش فشاری معادل 50 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع خواهد بود .در هر نقطه که تحت نیرویی واقع شود ، نیروی عمل و نیروی عکس العمل وجود دارد که این مجموعه پدیده استرس را سبب می شود.در هر نقطه که پدید ه استرس وجود دارد نیروی وارد بر صفحـه را می توان در روی صفحه در دو مؤلفه تعریف نمود که یکی عمود بر صفحه است و تنش فشــاری و یا تـنش نـرمـال است و دیگری در امتداد صفحه که تنش برشی می باشد.
تغییر وضعیت- کرنش( استرس):
استرین تغییر وضعیتی است که با اعمال استرس حاصل می شود. این تغییر وضعیت ممکن است با تغییر حجم و یا بدون تغییر حجم انجام گردد.اگر جسمی را که خصوصیات فیزیکی آن در همه جـهات یکسـان اسـت در داخـل مایعی قرار دهیم و به مایع فشاری وارد سازیم این فشار به همه نقاط آن یکسان وارد می شود و شـکل جسم تغییر نمی کند اما حجم آن بر اثر فشار وارده تغیـیر مـی یابد و اگر فشـار وارده را از روی جسم برداریم مـمـکن اسـت جسم منبسط شود ولی شکل آن تغییر نمی یابد.
استحکام فشاری سنگ:
تـاب فشـاری سنـگ عبارت است از حاصل اعمال نیروی عمودی بر واحد سطح تا حد شکستن آن ، معمولاً برای اندازه گیـری تاب فشاری سنگ نمونه ای استوانـه ای با متـه تـو خـالی از سنـگ جدا می کنندو در زیر دستــگاه تعیین مقاومت فشاری، تاب فشاری آن تعیین می شود.ارتفاع نمونـه آزمـایشی آن بایـد دو برابر قـطـر آن باشد.در صورتی که این نسبت کمتر( تا حد یک برابر) باشد ، می توان از طریق فرمول نتیجه را اصلاح نمود. P=F/A
=p تاب فشاری
=F نیروی وارده بر کل سطح
=A سطح زیر بار
لازم به ذکر است که طریقه تعیین تاب فشاری سنگ آزمایش تک محوری ( فشار آزاد)
) Unconfined compression Test ( است که در فوق شرح داده شد.
سنگ مورد استفاده در کارهای ساختمانی و عمرانی باید تاب فشاری قابل قبول داشته باشد:
سنگها را از نظر محدوده تاب فشاری می توان بشرح زیر تقسیم بندی نمود:
الف: سنگهای با تاب فشاری خیلی زیاد تلقی می گردند که تاب فشاری بیش از 2500 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع داشته باشند.مانند گرانیت دانه ریز، ماسه سنگ بسیار متراکم ، سنگ آهک بسیار متراکم و یا کوارتزیت که تاب فشاری بالغ بر 3000 کیلو گرم بر سانتـیمتر مـربع دارد و بازالـت چنـانچه فرسوده نشده باشد تاب فشـاری در حد 5000 کیلو گرم بر سانتیمتر مزبع دارد.
ب: سنگهای با تاب فشاری زیاد که مقاومتی در حدود 1250 تا 2500 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع دارند مانند ماسه سنگ معمولی و یا گرانیت دانه متوسط.
ج: سنگهای با تـاب فشـاری مـتوسط که مقـاومتی در حد 800 تا 1200 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع دارند مانند گرانیت دانه درشت ، سنگ آهک
د: سنگهایی با تاب فشاری کم که مقاومتی در حد 400 تا 800 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع دارندمانند بعضی از ماسه سنگها ،سنگ آهک معمولی
سنگهای با تاب فشاری کمتر از400 کیلـوگرم بـر سـانتیمتـر مربع دارنـد در کارهای ساختمانی و عمرانی به عنوان واحدهای باربر استفاده نمی شوند.مانند شیلها
عموماً تاب فشلری سنگ با جذب آب کاهش می یابد.آندسته از سنگها مرغوبترند که ضمن بالا بودن مقاومت فشاری ، مقاومت آنها در حالت خشک و تر تفاوت فاحشی نداشته باشد.
درسنگهای رسوبی، نوع سیمان سنگ ( خمیری که دانه ها را به هم می چسباند)در مقاومت فشاری سنگ بسیار مؤثراست.این نکته درکنگلومرا ، برش، ماسه سنگ به خصـوص مصـداق فـراوان دارد.خمیـر سیلیسی بیشترین استحکام را به سنگ می دهد.
استحکام کششی سنگ:
سنگها استحکام کششی زیادی ندارندبه عنوان مثال سنگ گرانیت استحکام کششی در حد80تا100کیلوگرم بر سانتیمتر مربع دارد. استحکام کششی را می توان اندازه گرفت. با اعمال نیرو مطابق شکل زیرمقدار تاب کششی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود. P= 3 f 1/2 b t
=p تاب کششی
=f نیرو
=1 فاصله دو تکیه گاه
=bعرض سنگ
=tضخامت سنگ
با توجه به اینکه تاب کششی سنگ کم است ، در مکانهایی که صفحه روی دو تکیه گاه قرار میگیرد نباید از سنگ استفاده شود.
استحکام برشی سنگ :
استحکام برشی سنگ تابعی از زاویه اصطکاک داخلی مواد Internal Friction Angle) ) و میزان ضریب چسبندگی ( choesion ) است و میتوان با رابطه زیر آنرا تعریف نمود.: F tan Ф+ C = τ
τ = تنش برشی
=F تنش فشاری
Ф = زاویه اصطکاک داخلی
=C ضریب چسبندگی که از جنس تنش است
تأثیر تنش بر سنگ به دو شکل ممکن است بروز نماید یکی بصورت جدا شدن و دیگری بصورت عمل درمحیط مواد پلاستیک. محیط پلاستیکی بیشتر در سنگهایی است که بصورت توده ای شکل یافته اند.در این سنگها ضریب چسبندگی ( C ) زیاد است و زاویه اصطکاکی داخلی (Ф) کم است مانند سنگ بازالت ، ماسه سنگ با سیمان رسی
• آزمایش سه محوری : با انجام آزمایش سه محوری می توان مقدار زاویه اصطکاک داخلی (Ф) و ضریب چسبندگی ( C ) سنگ را تعیین نمود در آزمایش سه محوری نمونه سنگ که استوانه ای است در داخل محفظه ای ( Cell ) قرار داده می شود و محفظه از یک مایع (آب،روغن،نفت) پر می شودو توسط پمپ ، مایع داخل محفظه تحت فشار قرار می گیرد که این فشار به تمام نقاط سنگ به یک میزان وارد می شود سپس از طریق دستگاه به سنگ فشار عمودی وارد می گردد زمانی انسجام سنگ تسلیم می شود که فشار عمودی بر فشار جانبی وانسجام سنگ غلبه نماید.حال اگر در مرحله بعدی فشار محفظه برای نمونه دیگری از همان سنگ دو برابر شود واضح است که فشار عمودی بیشتری برای متلاشی کردن سنگ لازم خواهد بود.

تجانس کانی ها:
سنگهایی که از چند کانی تشکیل یافته اند به دلیل اینکه انقباض و انبساط کانی ها در مقابل سرد وگرم شدن مساوی نیست، به تدریج و در طول زمان سنگ ترک خورده و فرسوده می گردد مانن گرانیت
مقاومت در مقابل سایش:
آندسته از سنگها که در آزمایش لوس آنجلس سایش بیشتری نشان میدهند دوام آنها در جسم ساخته های مهندسی کمتر است.حد قابل قبول سایش که به طریقه لوس آنجلس اندازه گیری می شود در آئین نامه های مربوطه قید شده است.
مقاومت در مقابل یخبندان:
یخبندان و تناوب آن از جمله عوارضی است که تأثیر سو بر سنگها دارد و باعث فرسایش و متلاشی شده سنگ می گردد.سنگهایی مرغوبترند که در این تناوب دچار شکستگی و فرسایش کمتر می شوند.آزمایش یخبندان می تواند میزان این تأثیر پذیری را مشخص نماید.
مقاومت در مقابل حرارت:
بیشتر سنگها در حرارت بالای 850 درجه سانتیگراد تجزیه و متلاشی می شوند سنگهای معمولی به ترتیبی که در اثرحرارت کمتر دچار آسیب می شوند در زیر آورده می شوند:

ماسه سنگها

گرانیت دانه ریز

گرانیت دانه درشت

سنگ آهک

مرمر و کنایس: سنگهای آهکی در حرارت 600 درجه سانتیگراد شروع به تکلیس می نمایند و در حرارت بالای 900 درجه سانتیگراد به کلی تجزیه و متلاشی می شوند.بعضی از رسها در مقابل حرارت مقاوم بوده و نقطه ذوب آنها به 1750 درجه می رسد.

خاصیت الاستیک سنگها:
سنگها دارای خاصیت الاستیک می باشند به این معنی که چنانچه تحت تأثیر تنش قرار گیرند (مادام که مقدار تنش به حد تسلیم و برش نرسیده)تغییر وضعیت سنگ را سبب می گردد و اگر تنش از سنگ برداشته شود ، سنگ به حالت اولیه خود برمی گردد.هر چقدر مقاومت سنگ در برابر تنش بیشتر باشد مقدار تغییر وضعیت کمتر است و مقدار الاستیسه سنگ بیشتر است.رابطه خاصیت الاستیسه سنگ با فشار و تغییر شکل بشرح زیر است. E= P/ε=P/( ∆1/ 1)
=E مدل الاستیسیته = ضریب یانگ= ضریب برجهندگی( برحسب واحد تنش)
=P تنش ε = نسبت تغییر شکل طولی
∆ = مقدار تغییر شکل طولی =1 طول تحت تأثیر تنش
بنابراین مدل الاستیسیته سنگ عبارت است از نسبت فشار به نسبت تغییر شکل طولی
معادله فوق در مورد سنگهایی صادق است که در تمام جهات خاصیت ارتجاعی یکسانی دارند
با توجه به اینکه اکثر سنگها در جهات مختلف خاصیت یکسانی ندارند لذا مقدار ضریب الاستیسیته درجات مختلف سنگ یکسان نیست.در شرایط زیر ضریب یانگ افزایش می یابد:
1- اکثر اً موقعی که سنگ در زیر سطح ایستابی قرار می گیرد ضریب یانگ افزایش می یابد در بعضی موارد منجمله سنگ آهک این موضوع صادق نیست و با اشباع آن ضریب یانگ کاهش می یابد.( برای سنگهایی که در زیر آب قرار می گیرند یا به طریقی احتمال مرطوب شدن آنها وجود داشته باشد تعیین ضریب الاستیسیته در شرایط خشک صحیح نیست)
2- در صورتی که سنگ زمان زیادی تحت تأثیر وزن قرار گرفته باشدضریب الاستیسیته آن افرایش می یابد.
3- در صورتی که سنگ در جهت عمود بر لایه بندی سنگ تحت فشار قرار گیرد مقدار ضیریب یانگ بیشتر حالتی خواهد بود که در جهت لایه بندی سنگ تحت فشار واقع شود.
برای محاسبات دقیق ضریب پواسون (μ) را هم در رابطه می آورند: E = P 1 (1-μ) /∆
ضریب پواسون (μ) عبارت است از نسبت (ε) عرضی به (ε) طولی = (∆D/D)/(∆1/1) μ
=D قطر نمونه تحت فشار

برای آگاهی ، ضریب پواسون تعدادی از سنگها در زیر آورده می شوند:

گرانیت 15/0 تا 25/0
سنگ رسی 08/0 تا 20/0
مرمر 25/0 تا 35/0
سنگ آهک 16/0 تا 23/0
ملاحظه می شود که ضریب پواسون سنگها در محدوده خاصی است.

برای آشنایی ، مقادیر ضریب یانگ تعدادی از سنگها در زیر آورده می شود

سنگ آهک 300000 تا 500000 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع
سنگ مرمر 500000 تا 700000 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع
ماسه سنگ 160000 تا 200000 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع
سنگ لوح 600000 تا 900000 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع
گرانیت 320000 تا 620000 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع

http://forum.jtkhco.com

سنگها وکاربرد مهندسی آنها

مطالب مشابه :

تحلیل ابعادی

تحليل ابعادي

سنگها وکاربرد مهندسی آنها

توان و بازده پمپ

قانون جهانی گرانش

آنالیز ابعادی (دیمانسیونی)

گزارش کار فنر ساده

کمیت های فیزیکی و فرمول های آنها

محلول سازی

نرم‌افزار Section Surfer