مکانيک سنگ شاخه اي از علم مهندسي است که در آن چگونگي رفتار سنگ در برابر نيروها و عوامل خارجي مورد بحث قرار مي گيرد.مکانيک سنگ از دو کلمه rock به معني سنگ و mechanics به معني مکانيک گرفته شده است. مکانيک سنگ مبحثي از علوم مهندسي است که در آن چگونگي رفتار سنگ در برابر عوامل بيروني و دروني و تغييرات آنها مورد بحث قرار مي‌گيرد و چون رفتار سنگ بستگي کامل به ويژگيهاي آن دارد، از اينرو بررسي آن گروه از خواص سنگها که در اين مورد اهميت دارد نيز بخشي از مبحث مکانيک سنگ را تشکيل مي‌دهد. در ادامه مطلب به صورت خلاصه در موارد زير بحث مي کنم :

◄   تاريخچه
بناها و آثاري چون سدهاي مربوط به سده‌هاي 29 و 30 قبل از ميلاد در مصر و عراق ، اهرام ثلاثه مصر ، کاخ تخت جمشيد و مقبره‌هاي نقش رستم که بر سنگ (از سنگ و يا در سنگ) ساخته شده‌اند گواه بکارگيري روشهاي دقيق در امر انتخاب ، استخراج و کندوکاو سنگ و لذا کاربرد مکانيک سنگ از دير زمان‌اند. ارتباط تنگاتنگ ما با سنگ به پيش از تاريخ بر مي‌گردد. در آن زمان ، پيکانها ، ابزار معمولي و ظروف ، استحکامات ، خانه‌ها و حتي تونلها از سنگ يا در سنگ ساخته مي‌شد. ساختها و مجسمه‌هايي مانند معبد ابوسمبل از مصر نشان دهنده استفاده از روشهاي بسيار دقيق در امر انتخاب محل ، استخراج و کندوکاو بر سنگ است.
در قرون هجدهم و نوزدهم تونلهاي بزرگ به منظور تهويه و زهکشي معادن ، فاضلاب ، کانال کشي و حمل و نقل با راه آهن زده‌ ‌شد. در همين قرن ما ، ساختن مجسمه‌هاي عظيم در مونت راشمو ميل به درگيري براي ساختن پيکرهاي بزرگ سنگي و به همان اندازه انتخاب گرانيت خوب را ، با وجود روي آوردن مهندسان به مصالح ديگر ، به جهانيان ثابت کرد. در اين عصر که مهندسان مواد مي‌توانند به اقتضاي نيازهاي خاص و عجيب آلياژها و پلاستيکها را بسازند ، سنگ کاري هنوز انرژي صنايع و تخيل مهندسان را به خود مشغول داشته است.

◄   نقش مکانيک سنگ در زندگي انسان
از آنجايي که حفاريها و بناهايي چون تونلهاي راه آهن زيرزميني ، تامين آب ، زهکشي و نيروگاههاي زميني ، حفره‌هاي ذخيره آب ، نفت ، گاز ، هوا و غيره و نيز دفن زباله‌هاي هسته‌اي ، معادن زيرزميني ، معادن روباز ، برشهاي عميق براي آب ريز و … در سنگ و يا بر سنگ صورت مي‌گيرد، لذا لزوم شناخت سنگها و مکانيک سنگ براي انسان امري انکار ناپذير است.
علم مکانيک سنگ امروزه کاربرد وسيعي پيدا کرده است علاوه بر کار هاي معدني در طراحي فضاهاي استخراجي سطحي و زير زميني , در مواردي نظير تونل هاي راه و آب , راه آهن هاي زير زميني , پناهگاها , نيروگاهها و مخازن زير زميني کاربرد فنون مکانيک سنگ براي مهندسين معدن و ژئوتکنيک اجتناب ناپذير شده است .گسردگي و تنوع عمليات پروژه هاي سنگي به ويژه در زير زمين و اطراف ديگر طبيعت ناسازگار و نا همگونسنگها و شرايط متغر زمين ساختي و تکتونيکي در فن آوري حفاري ها و حفظ فضا ها پيشرفت هاي شگرفي ايجاد کرده است . در همين راستا علم مکانيک سنگ با تکيه بر روش هاي صحرائي و آزمايشگاهي به کمک ابزارهاي تحليلي و عددي حيطه وسيعي را شامل گشته است.
امروزه عمده موارد کاربرد علم مکانيک سنگ بشرح زير مي باشد :
در ساخت ابنيه سطحي نظير پل سازي , ساختمان , ساخت نيروگاه هاي سطحي و سد سازي. در راهسازي نظير ساخت بزرگراهها و راه آهن , کانال ها و مسرهاي لوله گذاري و سيستم ها کنترل جريان آب نيرو گاهها ،در حفاري هاي سطحي نظير معادن سطحي و کانالهاي سريز در سدها ،در حفاري هاي زير زميني مانند معادن زير زميني , تونل ها , فضاهاي زير زميني براي تاسيسات دفاعي و غيره… ،در حفاري هاي مربوط به انرژي مانند حفاري هاي نفتي , حفاري هاي مربوط به استفاده از زميت گرمائي , نيروگاههاي اتمي زيرزميني , دفن زباله ها اتمي و مخازن زيرزميني سوخت و آب.

◄   مباحث مربوط به مکانيک سنگ
      +   رده‌بندي زمين شناختي سنگها :

سنگها را از نظر نحوه تکوين آنها ، معمولا به سه گروه آذرين ، دگرگوني و رسوبي تقسيم مي‌کنند.

      +   ويژگيهاي شاخص سيستمهاي سنگ :

 براي طبقه‌ بندي مهندسي سنگها ، لازم است که ويژگيهاي شاخص سنگها ارزيابي شوند و با در نظر گرفتن مجموعه آنها با همديگر ، شخصي باتجربه مي‌تواند، همبستگيهاي مفيدي را بين آنها ، براي کاربردهاي عملي، بيايبد. بعضي از اين ويژگيهاي شاخص عبارتند از : تخلخل ، چگالي ، تراوايي و استحکام.

      +   استحکام و معيارهاي ريزش سنگ :

 در اين بحث از مکانيک خاک معيارهاي ريزش سنگ مثل خمش ، برش و خرد شدن و يا عوامل ديگري که باعث ريزش مي‌شوند، بررسي مي‌شوند.

      +   تنشهاي اوليه در سنگها و اندازه‌ گيري آنها :

 در نزديکي سطح زمين در نواحي کوهستاني ، تنش در جاي سنگ ممکن است در بعضي نقاط به صفر نزديک شود و در نقاطي ديگر ممکن است نزديک به استحکام سنگ باشد، دستکاري و برهم زدن ميدان تنش از طريق حفر تونل يا حتي گودبرداريهاي سطحي ، ممکن است محرک آزاد سازي شديد انرژي ذخيره شده شود. در اين قسمت به بررسي و تعيين بزرگي و جهت تنشهاي اوليه در ساختگاه يک پروژه مي‌پردازند.

      +   دگرشکل پذيري سنگها :

دگرشکل پذيري ، ظرفيت سنگ براي واتنش در مقابل بار اعمال شده يا پاسخ به باربرداري ناشي از گودبرداري است.

◄   ارتباط با ساير علوم
ويژگي مصالحي از قبيل سنگ و خاک در مقايسه با مصالح ديگر مهندسي اين است که اين مصالح کمتر قابل انتخاب است و به عبارت ديگر مهندسين طراح بايد طرح را براي مواد و محيطي در نظر بگيرند که خصوصيات آن محيط الزاما مطابق خواست آنها نيست و نيز اين خصوصيات از محلي به محل ديگر متفاوت است، از اينرو شناخت کليه خواص فيزيکي ، مکانيکي ، زمين شناسي ، هيدروديناميکي و حتي کاني شناسي و چينه شناسي سنگها معمولا مفيد و در مواردي حتما ضروري است.

◄   کاربردهاي مکانيک سنگ
برخي کارهاي مهندسي که در حد چشمگيري با مکانيک سنگ در ارتباط هستند، شامل موارد زير مي‌باشند.
      +   پروژه‌هاي سازنده‌هاي سطحي :

 اين پروژه‌ها شامل مواردي چون پل ، ساختمانهاي بلند ، نيروگاهها و سدها مي‌باشند.
      +   مسيرهاي حمل و نقل :

مانند بزرگراه ، خط آهن ، کانال و خط لوله
      +   گودبرداريهاي سطحي :

مثل معدن روباز
      +   گودبرداريهاي زيرزميني :

مثل تونلها ، حجره‌هاي زيرزميني و کارهاي دفاعي
      +   بهره‌ برداري از منابع انرژي :

مثل استخراج نفت و دفن زباله‌هاي اتمي

◄   اندازه گيري ويژگيهاي سنگ
در زمان انجام طراحي هاي مهندسي، علاوه بر اطلاعات توصيفي و کيفي که توسط بررسيهاي صحرايي و اکتشافات زير زميني گردآوري مي شود، داده هاي کمي و عددي درباره ويژگيهاي ذاتي يا اکتسابي مصالح نيز مورد نياز است. از اين رو سنگ و خاک را در آزمايشگاه، يا در صحرا و به طور برجا، مورد آزمايش قرار مي دهيم . هدف از بررسيهاي مربوط به تعيين ويژگيهاي مصالح زمين شناسي را به گونه زيرمي توان خلاصه کرد:
      ●   شناسايي و طبقه بندي مصالح(سنگ و خاک)
      ●   تعيين روابطي که ما بين ويژگيهاي مختلف مصالح وجود دارد.
      ●   تجزيه و تحليلها و ارزيابيهاي مهندسي

◄   ويژگيهاي ژئوتکنيکي مصالح
ويژگيهاي ژئو تکنيکي مصالح زمين شناسي را مي توان با توجه طبيعت و کارائي هايشان به 4 گروه زير تقسيم کرد:

      +   ويژگيهاي اساسي:

به ويژگيهاي پايه اي مصالح اطلاق مي شود و براي شناسايي و تعيين ارتباط و همبستگي(کرولاسيون) بين مصالح بکار مي روند. برخي از اين مشخصات در محاسبات مهندسي نيز کاربرد دارند. تخلخل ، رطوبت، چگالي و سختي از ويژگيهاي اساسي مصالح اند.

      +   ويژگيهاي شاخص:

 گروهي از ويژگيهاي فيزيکي است که اساساً در طبقه بندي و همچنين براي تعيين ارتباط (همبستگي يا کرولاسيون) با ويژگيهاي مهندسي به کار مي روند. دانه بندي ، حد رواني ، خميري و مقاومت فشاري تک محوري و شاخص بار گذاري نقطهاي از ويژگيهاي شاخص مصالح اند.

      +   ويژگيهاي هيدروليکي:

 گروهي از ويژگيهاي مصالح اند که بر حسب نفوذ پذيري بيان مي شوند. ويژگيهاي هيدروليکي، وضعيت جريان سيالات را در محيط زمين شناسي مشخص مي کنند.

      +   ويژگيهاي مکانيکي:

 مقاومت مصالح در برابر گسيختگي و مشخصات مربوط به تغيير شکل غير شکننده از اين گرو ه اند. اين بخش از ويژگيهاي مصالح به دو گروه استاتيک و ديناميک تقسيم مي شوند.

از ميان چهار گروه فوق، اندازه گيري ويژگيهاي مکانيکي و هيدروليکي، که پايه اي براي تمام تجزيه و تحليلهاي مهندسي اند، اغلب پر خرج و اجراي دقيق آنها معمولاً وقتگير و مشکل است. ويژگيهاي هيدروليکي و مکانيکي مصالح را مجموعاً ويژگيهاي مهندسي نيز مي نامند. گرد آوري اطلاعات در مورد ويژگيهاي ژئو تکنيکي مصالح ممکن است توسط آزمونهاي آزمايشگاهي يا صحرايي حاصل شود.
نمونه هاي سنگ بکر که بصورت مغزه سنگي از حفاري بدست مي ايد اغلب در آزمايشگاه و به ندرت در صحرا آزمايش مي شوند. مغزه هاي سنگي در درجه اول براي تعيين ويژگيهاي اساسي و شاخص مورد آزمايش قرار مي گيرند. بطور کلي ويژگيهاي مهندسي مهم سنگ را نمي توان از روي نمونه کوچکي از سنگ يکپارچه تعيين نمود.

◄   ويژگيهاي اساسي و شاخص سنگ بکر
ويژگيهاي اساسي سنگ بکر عبارت است از: روابط وزني و حجمي، ويژگيهاي شاخص سنگ بکر نيز عبارت است از: مقاومت فشاري تک محوري، شاخص بار گذاري نقطه اي و سرعت امواج صوتي در سنگ. بررسيها و اندازه گيريهاي فوق در آزمايشگاه و بر روي نمونه سنگ بکر، يا نمونه تا حدي هوازده ولي عاري از سطوح ضعيف و گسستگي اجام مي شود.

      +   روابط وزني و حجمي:

 در ارتباط با روابط وزني و حجمي سنگ، ذکر چند نکته ضروري است:
      ●   چگالي نسبي اغلب کانيهاي تشکيل دهنده ي سنگها دامنه اي از 65/2 الي80/2 دارد.البته در مواردي که کانيهاي سنگينتر مثل هورنبلند، اوژيت يا هماتيت وجود داشته باشد، نسبي مي تواند از 3 تا5 باشد.
      ●   تخلخل در سنگهاي آذرين، وابسته به ميزان حفرات و در سنگهاي رسوبي وابسته به درجه سيماني شدن سنگ است. علاوه بر آن در نمونه دستي سنگ بکر ميزان تخلخل وابسته به حفرات موجود در سنگ است. در چنين نمونه هايي نفوذپذيري ارتباط مستقيم با تخلخل دارد. خلاصه اينکه ارتباطي قوي بين چگالي، تخلخل و مقاومت سنگ بکر موجود است.

◄   ويژگيهاي اساسي و شاخص توده سنگ
مفهوم توده سنگ در مورد وضعيت سنگ در صحرا و بطور برجا به کاربرده مي شود. بديهي است که توده سنگ ممکن است حاوي سطوح ضعف گوناگون يا درجات مختلفي از هوازدگي باشد. بطور کلي از ميان ويژگيهاي اساسي توده سنگ مي توان چگالي و از ميان ويژگيهاي شاخص آن سرعت امواج صوتي و کيفيت مغزه حفاري ( RQD) را نام برد.

      +   چگالي توده سنگ:

مناسبترين روش براي تعيين چگالي سنگ بطور برجا استفاده از روش چاهنگاري ژئوفيزيکي گاماگاما است. نتايج اين روش از هوازدگي، شکستگيها، بازشدگيها و حفرات کوچک موجود در سنگ، که مجموعاً عوامل کاهش دهنده چگالي اند، تأثير پذيرفته و در نتيجه واقعي چگالي واقعي توده سنگ برجا را به دست مي دهد.

      +   قابليت حفاري:

 اين واژه براي نمايش ميزان سهولت خرد شدن سنگ بار وسايل ساختماني حفاري و گودبرداري به کار مي رود و چون رابطه مستقيمي با کيفيت سنگ از نقطه نظر سختي و ميزان شکستگيها دارد لذا مي توان آنرا با روش لرزه اي انکساري تعيين نمود. در مواردي که سنگي با وسايل مکانيکي مرسوم قابل حفاري نباشد بايد از چالزن هواي فشرده و آتشکاري استفاده کرد.

◄   ويژگيهاي هيدروليکي سنگها
در سنگ بکر ،نفوذپذيري به اندازه فضاهاي موجود در سنگ و نحوه ارتباط آنها و درصد اشباع سنگ وابسته است. مقدار ضريب نفوذپذيري(K) در توده سنگ بيش از همه متاثر از مشخصات شکستگيهاي سنگ ميزان اشباع، و طبيعت تنش اعمال شده است. به عنوان مثال، تنشهاي کششي در زير يک سد بتني قادر است درزها و فولياسيونها را به مقدار قابل توجه بار نموده و به اين ترتيب نفوذپذيري را افزايش مي دهد.

علیرضا رستگار

عاشق شروع کردن هستم، هنر من جنگیدن برای آرزوهام هست؛ دنبال این هستم که درک درستی از زندگی پیدا کنم و ازش لذت ببرم برای همین بیشترین سرمایه‌گذاری رو روی خودم می‌کنم.