آزمایشگاه مکانیک سنگ

بسیاری از پروژه‌های عمرانی کشور مانند سدسازی، راه‌سازی، 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 پروژه‌ها ایفا می‌کند. از آن جا که انجام آزمایش‌های صحرائی، همواره به سادگی امکان پذیر نیست و هزینه‌های بالایی در بر دارد، آزمون‌های آزمایشگاهی اغلب به عنوان منبع اصلی شناسایی ویژگی‌های سنگی مورد توجه قرار می‌گیرند.
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 هیئت‌علمی و تجهیزات خود، آماده سرویس‌دهی به پروژه‌های گوناگون در راستای اهداف ذکر شده است. مجموعه آزمایش‌ها و تجهیزات موجود در این آزمایشگاه، به اختصار در این مجموعه تشریح شده است.

مغزه‌گیری و برش سنگ (Rock Coring and Cutting)
در صورتی که نمونه‌های مورد نظر برای انجام آزمایش‌ها به صورت مغزه نباشند، در آزمایشگاه از قطعات بزرگ سنگ، مغزه‌گیری می شود. سپس نمونه‌های به دست آمده به وسیله اره سنگ برش داده می‌شوند. این کار با استفاده از دستگاه تراش و سنگ ویژه انجام می‌گیرد. هدف از مجموعه این عملیات، آماده‌سازی نمونه‌ها، طبق استانداردهای موجود، برای انجام سایر آزمایش‌ها می‌باشد.

آزمایش‌های اندیس (Index Tests)
آزمایش‌های 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 سنگ‌ها است. 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 می‌آید. با انجام آزمایش‌های 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 می‌باشد.
وزن حجمی (Unit Weight): وزن حجمی معمولاً در سه حالت وزن حجمی کل (γ)، وزن حجمی خشک (γ_dry) و وزن حجمی اشباع (γ_sat) بیان می‌شود. این پارامتر یکی از عوامل کنترل کننده فشار وارد بر سازه‌های زیرزمینی است. پارامترهای یاد شده با استفاده از ترازوی دقیق و خشک‌کن (oven) تعیین می‌شوند.

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 می‌گیرد. برای این‌که بارگذاری کاملاً غیر نقطه‌ای باشد، از یک مفصل کروی بر روی نمونه استفاده می‌شود. بارگذاری با سرعت کنترل شده، تا زمان وقوع شکستگی در سنگ ادامه می‌یابد. 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 شکل‌های قطری را برای تعیین پارامترهای مدول یانگ و ضریب پوآسون، به دست آورد.

آزمایش مقاومت فشاری سه محوره (Triaxial Compressive Test)
برای شبیه‌سازی شرایط تنش سه محوره، که به سنگ در اعماق زمین وارد می‌شود، از این آزمایش استفاده می‌شود. متداول‌ترین روش برای اعمال تنش سه محوری در آزمایشگاه به نمونه سنگی، استفاده از سلول هوک می‌باشد که در آن، ضمن اعمال یک فشار جانبی هیدرولیکی، نمونه تحت تنش قائم قرار می‌گیرد.
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 می‌گیرد.

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 می‌شود. نمونه سنگ در پلاستر یا سیمان تثبیت شده و سپس میان دو فک (که یکی ثابت و دیگری متحرک است) قرار می‌گیرد. نمونه در حالی که تحت اثر نیروی قائم قرار دارد، بوسیله نیرویی افقی تحت برش قرار می‌گیرد. به هنگام انجام این آزمایش، نیروهای قائم، برشی و همچنین جابجایی قائم و برشی، اندازه‌گیری می‌شود.

آزمایش مقاومت کششی غیر مستقیم (Brazilian Test)

به دلیل مشکلات اندازه‌گیری مستقیم مقاومت کششی سنگ، معمولاً از آزمایش برزیلی برای این منظور استفاده می‌شود. در این آزمایش، نمونه‌هایی 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 می‌تواند به شکل مغزه یا کلوخ‌های نامنظم باشد، با اعمال بار نقطه‌ای، از طریق یک جفت فک مخروطی شکل با نوک کروی، شکسته می‌شود. در هنگام شکست نمونه، مقدار بار اعمالی بر روی گیج‌های موجود ثبت شده و سپس اندیس بار نقطه‌ای و مقاومت فشاری تک محوری سنگ تعیین می‌شود. این دستگاه ساده و قابل حمل بوده و وسیله مناسبی برای انجام مطالعات اولیه و صحرائی می‌باشد.

آزمایش چکش اشمیت (Schmidt Hammer Test)
این آزمایش برای تعیین سختی سنگ در صحرا و یا در آزمایشگاه طراحی شده است و در مورد سنگ‌های با سختی متوسط به کار می‌رود و می‌توان به کمک آن، سختی سطوح درزه سنگی را نیز برآورد نمود. برای انجام این آزمایش، میله چکش روی نمونه قرار گرفته و با فشار دادن چکش به سنگ، فنر داخل چکش فشرده می‌شود. 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 می‌شود.

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 به وسیله سنسورهای مناسبی که در دو طرف نمونه قرار می‌گیرد، اندازه گیری می‌شود. 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 حفره‌های رسوب‌ها یا سنگ‌ها را نفوذپذیری می‌نامند. مقدار نفوذپذیری به اندازه حفره‌ها، غلظت مایع و نیروی کششی، که با کاهش اندازه دانه‌ها کم می‌شود، بستگی دارد. در واقع، عواملی که بر تخلخل اولیه موثرند، در میزان نفوذپذیری نیز موثر می‌باشند. با این آزمایش، میتوان مقدار نفوذپذیری نمونه‌های مختلف سنگی را تعیین نمود.

آزمایش کشش بولت (Pull-Out Test)
این آزمایش برای تعیین ظرفیت چسبندگی بولت به سیمان انجام می‌شود. در این آزمایش، انواع مختلف بولت که در دوغاب سیمان قرار گرفته، تحت آزمایش بیرون کشی قرار می‌گیرد 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 جمع‌آوری داده به کامپیوتر متصل می‌باشند، رفتار دقیق بولت را در هنگام آزمایش، ثبت می‌کنند.