بخشی از مقاله
تعیین مدول تغییر شکل پذیري توده سنگ ساختگاه سد چم شیر
چکیده
مدول تغییر شکل پذیري از مهمترین پارامترهاي مکانیکی توده سنگ می باشد که براي تحلیل و محاسبه جابجایی هاي توده سنگ به کار برده می شود. به منظور اندازه گیري مدول هاي تغییر شکل پذیري و الاستیک توده سنگ ساختگاه سد چم شیر، دو گالري در جناحین تنگه چم شیر حفاري شده و آزمایشات بارگذاري صفحه اي و دیلاتومتري جهت اندازه گرفتن مدول هاي مذکور انجام گرفته است. این مقاله نتایج حاصل از این آزمایشات را مورد بررسی قرار می دهد.
واژه هاي کلیدي: آزمایش برجا ، بارگذاري صفحه اي ، دیلاتومتر ، تغییر شکل پذیري ، الاستیسیته
-1 مقدمه
مطالعات متعددي در زمینه روش هاي اندازه گیري مدول تغییر شکل پذیري توده هاي سنگ انجام شده است .[1]
آزمایشات برجاي دیلاتومتري و بارگذاري صفحه اي از متداول ترین آزمایش هاي برجا براي تعیین مدول تغییر شکل توده سنگ می باشند. در هر دو روش آزمایش، مدول تغییر شکل پذیري توده سنگ بر اساس تئوري الاستیسیته و با استفاده از جابجایی هاي ایجاد شده در توده سنگ در اثر اعمال بار در حین آزمایش محاسبه می گردد. با توجه به تاثیر عوامل طبیعی از جمله ناپیوستگی هاي موجود و آماده سازي هاي مربوط به آزمایشات (مانند حفاري گمانه و گالري هاي آزمایش) و همچنین سطوح تحت تاثیر بارگذاري نتایج به دست آمده از این دو روش در یک توده سنگ مشابه با هم برابر نیستند. به منظور اندازه گیري مدول هاي تغییر شکل پذیري توده سنگ ساختگاه طرح سدهاي تنظیمی 1 و 2 و تونل انتقال آب سد مخزنی چم شیر دو گالري در جناحین تنگه چم شیر به طول 50 متر، عرض 2 متر و ارتفاع 2
متر در رقوم ارتفاعی بالاتر از کف رودخانه حفاري شده است.آزمایشات انجام شده شامل 4 آزمایش بارگذاري صفحه اي و 30 آزمایش دیلاتومتري می باشد که نتایج به دست آمده از آزمایشات فوق در این مقاله ارائه و دو روش فوق با هم مقایسه می گردد.
-2 مشخصات تونل و زمین شناسی منطقه
طرح سدهاي تنظیمی 1 و 2 و تونل انتقال آب سد مخزنی چم شیر شامل دو گزینه محل سد و محل تونل انتقال آب می باشد. سد مخزنی چم شیر بر روي رودخانه زهره در 20 کیلومتري جنوب شرقی شهرستان گچساران در محل تنگه چم شیر در پایین دست روستاي متروکه چم شیر در نظر گرفته شده است. سد اصلی و سد تنظیمی و تونلها و کانالهاي انتقال در محدوده استانهاي بوشهر و کهکیلویه و بویر احمد و خوزستان قرار دارد. تونل انتقال آب سد مخزنی چم شیر در پایین دست رودخانه زهره و قبل از اتصال رودخانه خیر آباد به رودخانه زهره می باشد که داراي مقطع نعل اسبی و به طول 830 متر و عرض دهانه 4 متر می باشد. توده سنگ مسیر تونل از لحاظ ساختار زمین شناسی و خواص ژئومکانیکی به سه بخش A، B، و C تقسیم شده است. مشخصات این سه بخش با توجه به اطلاعات به دست
170
آمده از مرحله اکتشافی و آزمون هاي آزمایشگاهی انجام شده بر مغزه هاي به دست آمده از حفر گمانه هاي مطالعاتی،
در جدول 1 آورده شده است 2] و :.[3
جدول -1 پارامترهاي سنگ بکر براي سه بخش تونل (جمشیدي و شهریار، (1382
متراژ (m) وزن مقاومت تک مقاومت میانگین مدول ضریب
کششی
بخش جنس سنگ مخصوص محوره متوسط متوسط الاستیسیته پواسون
از تا 3 (MPa) (GPa)
(ton/m ) (MPa)
ماسه سنگ قهوه اي 0 230 2,1 17,3 2,3 12,6 0,254
A روشن با سنگ رسی و
گچ
گل سنگ قهوه اي 230 550 2,3 15,5 1,7 9,9 0,245
B روشن با ماسه سنگ و
گچ
C گل سنگ هوازده قهوه 550 830 2,4 9,7 1,1 9,5 0,254
اي تا سبز روشن و گچ
-3 آزمایش بارگذاري صفحه اي
در آزمایش بارگذاري صفحه اي بار از طریق یک جفت صفحه فولادي صلب دایره اي به قطر یک متر به توده سنگ منتقل می گردد. تغییر مکان توسط کشیدگی سنج هاي چند نقطه اي که در گمانه هاي حفر شده در دو سطح متقابل و در اعماق مختلف نصب گردیده اند کنترل می گردد (شکل .(1 در این آزمایش بار توسط جکهاي هیدرولیکی به توده سنگ وارد و منجر به تغییر شکل توده سنگ می شود. تغییر مکان ها توسط کشیدگی سنج هاي چند نقطه اي اندازه گیري می شوند. محل قرارگیري کشیدگی سنج ها درون گمانه هاي تقریبا 6,5 متري و با توجه به شرایط مغزه هاي حفاري و عوارض موجود از جمله درزه ها و لایه ها انتخاب می شوند. بلندترین کشیدگی سنج به عنوان نقطه ثابت در نظر گرفته شده و حرکت سایر کشیدگی سنج ها و نیز سطح صفحات بارگذاري نسبت به آن سنجیده می شود. آماده سازي و اجراي آزمایش و محاسبات مربوطه مطابق با استاندارد [4] ASTM D4395 می باشد.
شکل - 1 تصویر شماتیک نحوه انجام آزمایش بارگذاري صفحه اي
-4 آزمایش دیلاتومتري
آزمایش دیلاتومتري به دلیل سهولت انجام آزمایش یکی از متداولترین روش هـاي انـدازه گیـري مـدول تغییـر شـکل پذیري توده هاي سنگ به صورت برجا می باشد. آزمایش دیلاتومتري بر اسـاس اسـتاندارد [5] ISRM انجـام گرفتـه است. در این آزمایش دیلاتومتر در محلی از گمانه پیش حفاري شده که با توجه به بررسی مغزه هاي حفاري مـشخص شده قرار می گیرد. سپس با استفاده از فشار اولیه اي، تماس کامل و بدون لغزشی بین غشاي دیلاتومتر و دیواره گمانه
171
برقرار می گردد که به عنوان حداقل فشار آزمایش شناخته می شود. سپس فشار در چند مرحله افزایش داده می شـود تا به میزان نهایی تعیین شده برسد. در هر مرحله فشار را براي مدت زمان مشخصی ثابت نگهداشته و میزان اتساع غشا قرائت و ثبت می گردد. منحنی فشار – اتساع در طول هر مرحله از آزمایش ترسیم می گردد.
دیلاتومتر مورد استفاده براي انجام آزمایشات طرح سدهاي تنظیمی و تونـل انتقـال آب سـد مخزنـی چـم شـیر مـدل IF096 ساخت شرکت Interfels می باشد. سلول دستگاه داراي قطر خارجی 96 میلیمتر و طول یک متر اسـت کـه بصورت استوانه اي، از یک بدنه فولادي و یک غلاف لاستیکی مسلح تشکیل شده است. در هر دو انتها، غلاف لاستیکی
(پکر) توسط قطعات مهار به بدنه فولادي متصل شده است که هم باعث جلوگیري از ورود آب به دستگاه می شود و هم اتصال مکانیکی دستگاه را فراهم می کند. سه سنسور در بخش مرکزي سلول قرار گرفته اند کـه امکـان انـدازه گیـري تغییرات در قطر را تا میزان 25 میلیمتر و دقت یک میکرون فراهم می کنند. این سه سنسور با اختلاف 120 درجه و با گردش ساعتگرد و فاصله 75 میلیمتر در طول سلول نسبت بهم قرار دارند.
-5 عوامل تاثیر گذار بر آزمایش هاي بارگذاري صفحه اي و دیلاتومتر
هر دو آزمایش بارگذاري صفحه اي و دیلاتومتري مبتنی بر تئوري الاستیسیته و روابط ارائه شده براي بارگذاري در مرز ماده نیمه متناهی می باشند. در این تئوري ماده مورد نظر به صورت ماده الاستیک، ایزوتروپ، هموژن و نیمه متناهی فرض می گردد. ولی در عمل شرایط توده سنگ به طور کامل با فرضیات فوق منطبق نمی باشد زیرا عوامل ساختاري توده سنگ بر نتایج آزمایش تاثیر می گذارد. عوامل عمده اي که بر نتایج آزمایش بارگذاري صفحه اي موثر می باشند عبارتند از میدان تنش برجا، وجود درزه و شکستگی در توده سنگ و موقعیت آنها نسبت به دیواره و صفحه بارگذاري، آسیبهاي ایجاد شده بر توده سنگ و رهایی تنش در اثر آتشباري و عملیات حفر گالري. در آزمایش دیلاتومتري نیز میدان تنش برجا، وجود درزه و ترك در توده سنگ، و همچنین ناهمواریها و آسیب دیواره گمانه آزمایش در اثر عملیات حفاري از جمله عواملی هستند که بر نتایج آزمایش موثر بوده و می توانند منشا خطا باشند.
-6 بررسی نتایج
ایجاد تغییرشکل در توده هاي سنگ در اثر بسته شدن درزه و ترك ها و تغییر شکل هاي الاستیک و پلاستیک مربوط به جنس سنگ می باشد. در بسیاري موارد، سنگ ها در مقیاس آزمایشگاهی الاستیک تلقی می شوند ولی در مقیاس بزرگتر و در صورت انجام آزمایش هاي صحرایی به دلیل وجود درزه و ترك، صفحات لایه بندي، یا نواحی دگرگون شده داراي خصوصیات پلاستیک می باشند. . مدول تغییر شکل پذیري سنگ به عوامل متعددي از جمله ضریب پواسون، میزان تنش وارد بر سنگ، شعاع صفحات بارگذاري، فاصله از محل بارگذاري، و عمق بستگی دارد. با توجه به اینکه میزان تغییر شکل غیر قابل برگشت توده سنگ در طراحی سازه ها اهمیت زیادي دارد آزمایشات برجا در چرخه هاي بارگذاري و باربرداري انجام می شود و نتایج چرخه ها مورد بررسی قرار می گیرد.
جدول 2 نتایج آزمایشات بارگذاري صفحه اي انجام شده براي طرح سدهاي تنظیمی و تونل انتقال آب سد مخزنی چم شیر را در چرخه هاي بارگذاري و باربرداري به طور خلاصه ارائه می نماید. مجموعا چهار آزمایش بارگذاري صفحه اي براي این پروژه انجام شد که دو آزمایش به صورت قائم و دو آزمایش به صورت افقی انجام گرفته است. لازم به ذکر است که نتایج درج شده تنها شامل قرائت هاي سطحی انجام شده در طول آزمایش می باشد. مدول هاي تغییرشکل پذیري بر اساس جابجایی هاي ثبت شده در اعماق بیشتر بسیار بالا بوده و از مقادیر به دست آمده از آزمون هاي آزمایشگاهی که بر روي نمونه هاي سالم به دست آمده انجام شده نیز بالاتر بود. به همین دلیل از نتایج مذکور براي تحلیل صرفنظر شد.
172
شکل -2 تصویر شماتیک نحوه انجام آزمایش دیلاتومتري در یک گمانه
جدول - 2 نتایج قرائت هاي سطحی در چرخه هاي مختلف آزمایش بارگذاري صفحه اي
مدول تغییر شکل پذیري در چرخه باربرداري (GPa) مدول تغییر شکل پذیري در چرخه بارگذاري (GPa)
متوسط حداکثر حداقل چرخه آزمایش جهت متوسط حداکثر حداقل چرخه آزمایش جهت
11,32 16,83 8,77 C1 2,33 2,76 1,71 C1
9,23 15,03 5,34 C2 افقی 4,50 6,62 3,16 C2 افقی
11,24 18,23 6,02 C3 7,69 11,69 4,61 C3
13,69 22,87 8,44 C4 9,26 13,78 5,39 C4
12,59 21,18 6,66 C5 11,06 17,73 7,43 C5
متوسط حداکثر حداقل چرخه آزمایش جهت متوسط حداکثر حداقل چرخه آزمایش جهت
13,39 34,12 6,01 C1 1,32 1,61 1,03 C1
20,54 57,76 7,71 C2 قائم 3,89 5,92 3,11 C2 قائم
10,39 14,93 6,27 C3 6,93 12,31 4,09 C3
17,43 36,70 9,20 C4 9,50 13,60 5,27 C4
14,42 25,87 9,99 C5 6,87 9,56 4,54 C5
همانگونه که مشاهده می شود مدول تغییر شکل پذیري چرخه اول کوچکتر بوده و در چرخه هاي بعد به تدریج افزایش می یابد. این مورد در شکل 3 نیز قابل مشاهده می باشد و در نمودار هایی که بر اساس قرائتهاي سطحی ترسیم شده است شیب چرخه اول بیش از شیب چرخه دوم بوده و در چرخه هاي بعد تغییرات شیب کاهش می یابد.
دلیل این امر این است که تاثیرات آتشباري در سطح بیشتر بروز نموده و توده سنگ در عمق کمتر تحت تاثیر آسیبهاي آتشباري قرار می گیرد.
تعداد 30 آزمایش دیلاتومتري در چهار گمانه انجام شده است. خلاصه نتایج چرخه هاي بارگذاري و باربرداري آزمایشات دیلاتومتري در جدول 3 آورده شده است.
