شرح مختصری از دو آزمایش مکانیک سنگ
مقدمه
بر اساس آزمایش نمونه‌های کوچک آزمایشگاهی یا آزمایش‌های در محل، می‌توان خواص مکانیکی سنگها را به دست آورد. چنانچه نمونه آزمایشگاهی با دقت و از محلی تهیه شود که بیانگر خواص سنگ در آن منطقه باشد، می‌تواند به عنوان نمونه تلقی گردد. در نمونه‌گیری باید دقت گردد تا کمترین آسیبی به نمونه وارد آید، چراکه شکستگی‌ها و آسیب دیدگی‌ها در به دست آوردن نتایج و محاسبات مارا دچار اشتباه خواهد نمود. اگر نمونه از هر آسیبی مصون باشد به آن نمونه سالم (Intact) گفته می‌شود. لازم به ذکر است که دقت نتایج بدست آمده از روشهای «در محل» کمتر از نتایج آزمایشگاهی می‌باشند. با بدست آوردن نتایج آزمایشگاهی می‌توان محاسبات و نظرات تکمیلی مهندسی مکانیک سنگ را جهت انجام پروژه هایی از قبیل سدسازی، تونلسازی، راه سازی، برج سازی و ... ابراز نمود که این مطلب بیانگر اهمیت چنین آزمایشهایی می‌باشد. در صورت بروز هرگونه خطا مشکلاتی پیش خواهد آمد که ممکن است باعث پیدایش خسارات جبران ناپذیری گردد.
1- آزمایش مقاومت کششی
تعیین مقاومت کششی یک نمونه سنگ بر این اساس است که نمونه‌ای استوانه‌ای و سالم از سنگ، تحت تأثیر نیروی محوری کششی قرار می‌گیرد تا شکسته شود، اما این روش مستقیم با مشکلاتی مواجه است که موجب تقریب نتایج می‌گردد، مثلاً قرار گرفتن نمونه در فک‌های دستگاه موجب می‌شود که تنشهای اضافی در بخشی از نمونه ایجاد شود. به علت همین دشواریها روشهای دیگری پیشنهاد شده که در این روشها مقاومت کششی به نحو دیگری و با دقت بیشتری تعیین می‌شود، هر چند ممکن است هزینه زیادتری را در بر داشته باشد.
یکی از روشهای معمول در تعیین مقاومت کششی نمونه، آزمایش تست برزیلی (Brazillian) می‌باشد. در این روش نمونه‌ای به قطر D و طول L در امتداد قطری تحت تأثیر بار فشاری قرار می‌گیرد تا به دو نیمه شکسته شود. بر اساس تئوری الاستیسیته، مقاومت کششی این نمونه از رابطه‌ی زیر تعیین می‌گردد:
(σt=2P/(πDL
در رابطه فوق الذکر، P بار قائم فشاری که موجب شکست در نمونه می‌شود و σt مقاومت کششی نمونه می‌باشند.
تجربه‌ها نشان داده که نتایج تست برزیلی مقاومت سنگ را از 1 تا 10 برابر مقاومت کششی سنگ حاصل از آزمایش کششی مستقیم نشان می‌دهد و این اختلاف به این علت است که در شرایط آزمایش کششی مستقیم شکافهای ذره بینی سریعاً باز می‌شود و از این رو از مقاومت سنگ کاسته می‌شود. در صورتیکه در آزمایش برزیلی شکافهای ذره بینی در ابتدا به هم نزدیک شده، بخشی از مقاومت را افزایش می‌دهند.
تست برزیلی در استاندارد ASTM-C496-71 شرح داده شده است.
2- آزمایش بار نقطه‌ای (Point Load Test)
روش بار نقطه‌ای که توسط «ریچموت، بروچ ، فرانکلین» شرح داده شده است بر این اساس پایدار است که نمونه‌ای ترجیحاً استوانه‌ای بین دو میله‌ی فولادی با انتهای مخروطی تحت فشار استاتیک قرار می‌گیرد تا نمونه شکسته شود. اگر مقدار نیروی موجب شکسته شدن P باشد، شاخص بار نقطه‌ای عبارت است از: Is=P/D2
در رابطه فوق D فاصله‌ی بین دو نقطه بارگذاری در لحظه‌ی شکست می‌باشد.
بر اساس نتایج این آزمایش، مقاومت کششی و فشاری نمونه، به ترتیب از روابط ذیل محاسبه خواهند شد:
σt=0.96.Is
σc=21.σt+4000 psi
در این روابط کمیت‌ها بر حسب پوند و اینچ جایگزین می‌شوند.
همچنین می‌توان از رابطه ذیل
(qu=24 Is (50
مقاومت فشاری تک محوری سنگ را تعیین نمود. البته روابط ذکر شده فراگیر نیستند و ارتباطهای نشان داده شده بین مقاومت و شاخص بار نقطه‌ای در سنگهای مختلف، متفاوت می‌باشد. در رابطه فوق علامت (50) بیانگر شاخص بار نقطه‌ای برای نمونه‌ی استوانه‌ای با قطر 50 میلیمتر می‌باشد. در عمل می‌توان با دقت کافی، مقاومت کششی را حدود 5% تا 10% مقاومت فشاری تک محوری همان نمونه‌ی سنگ در نظر گرفت. البته دقت بیش از این حد به سبب تفاوت‌های زیاد در سنگها از نوعی به نوع دیگر و از نقطه‌ای به نقطه دیگر نه تنها میسر نیست بلکه در مواردی نیز حائز اهمیت نمی‌باشد.
در آزمایشهای بار نقطه‌ای باید ترجیحاً از نمونه‌ای استوانه‌ای که طول آن 4/1 برابر قطر آن است استفاده شود. این نمونه‌ها را می‌توان مستقیماً از مغزه‌های گمانه زنی و حفاری بدست آورد. تجربه نشان می‌دهد که اندازه‌ی قطعات مورد آزمایش در مقدار شاخص بار نقطه‌ای تأثیر محسوسی دارد و نمونه‌های بزرگتر مقدار محاسبه شده‌ی شاخص را کوچکتر نشان می‌دهد، مثلاً شاخص بار نقطه‌ای نمونه‌های با ضخامت 10 میلیمتر حدود 3 برابر شاخص مربوط به نمونه‌های با ضخامت 70 میلیمتر است. البته مقدار این تفاوت در انواع سنگها متفاوت است. با وجود این منحنی کاهش مقدار شاخص بار نقطه‌ای بر حسب اندازه قطعات به یک مقدار حدی می‌رسد و از آن اندازه به بعد مقدار آن ثابت می‌ماند. جهت یکسان بودن نتایج و مقایسه‌ی مقاومت نمونه‌های مختلف، شاخص بار نقطه‌ای را برای نمونه‌های استوانه‌ای با قطر 50 میلیمتر در نظر می‌گیرند.
------------------------------
منبع:
وفائیان، محمود- خواص مهندسی سنگها، تئوریها و کاربردهای اجرایی- نشر ارکان اصفهان- 1376
گردآوری: سینا رستم‌آبادی، دانشجوی کارشناسی مهندسی معدن- استخراج

Linkback: https://irmeta.com/meta/b130/t294/