نشریه زمین شناسی مهندسی

---

امروزه ماشین‎های تونل‎بری TBM‎ (Tunnel Boring Machine) بطور وسیعی در حفر تونل‎ها بخصوص تونل‎های شهری استفاده می‎شوند. این ماشین‎ها بر اساس روش نگهداری سینه‌کار و دیواره‌های تونل، دارای انواع مختلفی می‌باشند. یکی از انواع این ماشین‌ها، سپرهای تعادلی فشار زمین EPB (Earth Pressure Balance) می‌باشد که جهت حفاری خط 1 متروی تبریز مورد استفاده قرار گرفته است. عوامل مختلفی نظیر شرایط زمین‎شناسی، خصوصیات توده سنگ، شیب مسیر و همچنین مشخصات ماشین بکار رفته بر میزان کارآیی این ماشین‎ها تأثیر می‎گذارد. یکی از راههای پیش‎بینی میزان کارآیی این ماشین‎ها، تخمین نرخ نفوذ آنها می‎باشد. در این تحقیق میزان نرخ نفوذ TBM در خط 1 متروی تبریز توسط شبکه عصبی مصنوعی پیش‌بینی گردیده است. پیش‌بینی این پارامتر، کمک شایانی در انجام مراقبت و دقت بیشتر در برخورد با مناطق دردسرساز با دانستن زمان برخورد به این مناطق و همچنین استفاده از فشار EPB مناسب در آنها می‌نماید. از نتایج مهم حاصل از این تحقیق می‌توان به پیش‌بینی میزان نرخ نفوذ با دقت قابل قبول و همچنین تعیین پارامترهای مؤثر به وسیله آنالیز حساسیت صورت گرفته توسط شبکه عصبی اشاره کرد.

---

تعیین مقاومت تک‌محوره محصور نشده (UCS) به‌عنوان یکی از پارامترهای مکانیکی برای ارزیابی مقاومت سنگ در بسیاری از پروژه­های مهندسی لازم است. در برخی از پروژه­های مهندسی نظیر حفر چاه برای استخراج مواد هیدروکربوری به­دلیل عمق زیاد حفاری، محدودیت­هایی برای اخذ نمونۀ مناسب برای تعیین مقاومت فشاری تک‌محوری وجود دارد. از طرفی تعیین این پارامتر به‌منظور آنالیز پایداری جدار چاه و برنامه­های توسعۀ چاه لازم و ضروری است. بدین‌منظور ایدۀ استفاده از خرده‌های حفاری برای تعیین این پارامتر مطرح شده است. در این مقاله به‌منظور توسعۀ روابط تجربی بین مقاومت فشاری تک‌محوری سنگ و مقاومت خرده ذرات، تعداد 7 نمونه سنگ آهک میکرایتی از رخ‌نمون­های سازند آسماری تهیه شده و پس از انجام آزمایش فشاری تک‌محوری و تعیین مقادیر UCS آن‌ها، نمونه­های مذکور خرد شد و 420 نمونه به‌عنوان خرده­های حفاری آماده­سازی شده است. با استفاده از دستگاه بارگذاری بر خرده ذرات مجزا، مقاومت فشاری تک‌ذره (SCS) خرده­های حفاری تعیین شده است. با توجه به تأثیر شکل خرده­ها بر مقاومت آن‌ها، همۀ خرده­های بررسی شده به شکل کروی در آمده است و به‌منظور بررسی اثر اندازۀ خرده بر مقاومت آن‌ها پژوهش بر روی خرده­ها، با قطرهای 2، 3 و 4 میلی‌متر انجام شده است. با تعریف متغیرهای مقاومت و اندازه، نمودارهایی برای تعیین مقاومت خرده ذرات پشنهاد شده که در آن‌ها اثر اندازۀ دانه در آزمایش بارگذاری بر ذرات مجزا حذف شده است. ضریب هم‌بستگی بین UCS و SCS در حالت­های مختلف بیش‌تر از 91/0 است که نشان‌دهندۀ هم‌بستگی قابل قبول این دو پارامتر با هم است.

---

منطقۀ بررسی شده در جیرفت و زون آتشفشانی سهند- بزمان قرار دارد و از نظر تکتونیکی فعال است. طبق پژوهش‌های قبلی و شرایط منطقه، عوامل گوناگون مؤثر بر وقوع زمین‌لغزش برآورد شده و اهمیت هرکدام به‌طور کیفی مشخص شده است. سه محدودۀ زمین‌لغزش در منطقه به‌شیوۀ مستقیم (کار صحرایی) و به‌کمک عکس‌های هوایی مشخص شده است، که یکی از آن‌ها در نزدیکی روستای محمدآباد مسکون واقع است. هدف از انجام این پژوهش ارزیابی خطر زمین‌لغزش در منطقه است که برای این منظور از دو روش فازی و هیبرید فازی- اوزان شاهد، استفاده شده است. نقشه‌های حاصل از دو روش، انطباق خوبی مخصوصاً در قسمت‌های پرخطر نشان می‌دهند و هم‌چنین با زمین لغزش‌های موجود در منطقه مطابقت دارند. روش هیبریدی با احتیاط بیش‌تر و با توجه به نقاط شاهد، مناطق مستعد لغزش را معرفی می‌کند. در نتیجه مناطق معرفی شده، نسبت به‌روش فازی مساحت کم‌تری اشغال می‌کنند. بنا بر این نقشه‌های حاصل از دو روش هیبریدی و فازی، به‌ترتیب به‌عنوان حد آستانه‌های مینیمم و ماکزیمم خطر لغزش در منطقه مورد توجه قرار گیرند.

---

به‌منظور ارزیابی رفتار وابسته به‌زمان (خستگی) مونزوگرانیت‌های الوند، آزمون‌های آزمایشگاهی لازم انجام گرفت. قبل از انجام این آزمایش‌ها و به‌منظور به‌دست آوردن اطلاعات لازم برای آزمایش‌های خستگی، چندین آزمایش در حالت بارگذاری استاتیکی انجام شد. آزمایش‌های خستگی در سه سطح بار ماکزیمم (85، 90 و 95% مقاومت تراکم تک‌محوری) و در دامنۀ بارگذاری 70%، با فرکانس بارگذاری سیکلی 1 هرتز انجام شدند. نتایج به‌دست آمده نشان داده است که تنش بیشینه تأثیر بارزی بر روی رفتار خستگی این سنگ‌ها دارد. هم‌چنین مشخص شد که عمر خستگی به‌صورت تابع توانی با افزایش سطح تنش بیشینه کاهش می‌یابد. روند آسیب خستگی انباشتی، رفتار سه مرحله‌ای شامل فاز شروع ترک، فاز رشد ترک با سرعت یک‌نواخت و فاز تسریع شونده‌ای را در گسترش ترک نشان می‌دهد. فرآیند آسیب خستگی با استفاده از پارامترهای کرنش بیشینه و کمینه محوری و جانبی، مدول‌های مماسی و متقاطع، چقرمگی و انرژی وارفتگی در هر دو شرایط بارگذاری و باربرداری ارزیابی شد. از میان پارامترهای مذکور، کرنش جانبی و محوری و مدول متقاطع رفتار آسیب خستگی سه مرحله‌ای بهتری را نشان می‌دهند. هم‌چنین قابل ذکر است که بیش‌تر ترک‌های ایجاد شده در جهت موازی با محور بارگذاری است که در نتیجۀ آن، کرنش جانبی بیش از کرنش محوری تحت تأثیر قرار خواهد گرفت

---

تعیین مقاومت فشاری تک­محوری (UCS) سنگ در بیش‌تر پروژه­های مهندسی ضروری است. در حفاری‌های عمیق برای دست‌یابی به منابع هیدروکربوری و یا حفاری­های اکتشافی برای تونل­های عمیق تهیۀ نمونۀ مناسب برای اندازه­گیری مستقیم UCS مشکل، هزینه­بر و گاهی غیرممکن است. بنا بر این استفاده از روش­های غیرمستقیم (نظیر استفاده از خرده­های حفاری) برای تخمین UCS متداول شده است. استفاده از نفوذ کننده‌ای سخت که به داخل خرده سنگ تثبیت شده در یک چسب نگه‌دارنده نفوذ می‌کند و به‌عنوان آزمایش نفوذ¹ شناخته می­شود، یکی از این روش­ها است. در این مقاله تعداد 8 نمونه سنگ آهک میکرایتی تهیه و پس از تعیین UCS آن‌ها در آزمایشگاه، نمونه­ها خرد و آزمایش نفوذ با نفوذ کننده­هایی به قطرهای 6/0، 8/0 و 1 میلی‌متر روی 720 خرده ذره با اندازه­های 2، 3 و 4 میلی‌متر انجام شده و نیروی انتقال بحرانی (CTF) که معرف مقاومت نهایی خرده ذره در مقابل ورود نفوذکننده به داخل آن است، تعیین شده است. روابط تجربی بین UCS و CTF برای نمونه­ها و نفوذکننده‌های با قطرهای مختلف با R² &ge 0.78 پیشنهاد شده است. با استفاده از رگرسیون چند متغیره، رابطه­ای کلی بین UCS، CTF، اندازۀ ذرات (D) و قطر نفوذکننده (I) با R = 0.85 ارائه شده است. صحت روابط تجربی پیشنهادی با انجام 135 آزمایش نفوذ روی 3 نمونه سنگ آهک میکرایتی و مقایسه UCS اندازه­گیری شده در آزمایشگاه با UCS تخمین زده شده ارزیابی شده که شباهت 88% آن‌ها نشان دهندۀ رواداری روابط تجربی پیشنهادی در تحقیق حاضر است.

---

طبقه‌بندی خاک یکی از بخثهای مهم در مطالعات ژئوتکنیک است، لذا ارزیابی روشهای موجود برای طبقه‌بندی خاک، در نواحی مختلف حائز اهمیت می‌باشد. برای طبقه‌بندی خاک از نتایج آزمایشهای برجا و آزمایشگاهی استفاده می‌شود. اخذ نمونه و انجام آزمایشهای شناسایی، روشی آزمایشگاهی برای طبقه‌بندی خاک است. استفاده از نتایج آزمایش نفوذ مخروط با اندازه‌گیری فشار آب منفذی ( CPTu) روشی برجا برای شناسایی و طبقه‌بندی خاک می‌باشد که به دلیل سرعت و دقت بالا امروزه کاربرد وسیعی در مطالعات ژئوتکنیک پیدا کرده است. محققان مختلف با استفاده از پارامترهایی که در آزمایش CPTu اندازه‌گیری می‌شود، نمودارهای متفاوتی برای طبقه‌بندی خاک پیشنهاد نموده‌اند. در این تحقیق، به منظور بررسی میزان کارایی این روشها، از نتایج 58 آزمایش CPTu مربوط به چهار ناحیه در جنوب ایران استفاده شده و خاک بوسیله روشهای مبتنی بر CPTu طبقه‌بندی شده، سپس با نتایج 372 آزمایش دانه‌بندی آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. نتایج نشان می‌دهد که نمودار پیشنهادی توسط روبرتسون (Robertson, 1990) که برمبنای Qt، Ft و Bq می‌باشد، بهترین تطابق را با نتایج آزمایش دانه‌بندی در مناطق مورد مطالعه دارد. سپس براساس داده‌های بدست آمده از تحقیق، نمودار اصلاح شده‌ای برای طبقه‌بندی خاکهای نواحی جنوبی ایران بر مبنای متغیرهای Rf و qt-u0/σ΄v، پیشنهاد شده که تطابق 90% با نتایج آزمایشهای دانه‌بندی را نشان می‌دهد.

---

چکش اشمیت امکان اندازه‌گیری سریع و ارزان سختی سطح سنگ را بصورت برجا و آزمایشگاهی فراهم می‌آورد. این پارامتر بطور گسترده در تخمین خواص مکانیکی سنگ‌ها از جمله مقاومت فشاری تک محوره و ضریب یانگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. سختی چکش اشمیت همچنین می‌تواند در ارزیابی کیفیت ساختاری سنگ، پیش‌بینی پارامترهای حفرپذیری و برش‌پذیری و میزان سایندگی سنگ، هوازدگی آن و تعیین مقاومت دیواره‌ی درزه مورد استفاده قرار گیرد. عوامل مختلفی مانند ابعاد نمونه‌ی مورد آزمایش، زبری سطح، هوازدگی، محتوای رطوبت، نوع چکش اشمیت و روش اندازه‌گیری و غیره بر روی نتایج سختی اشمیت اثر می‌گذارند. در مقاله‌ی حاضر بعد از مرور نتایج تحقیق‌های اخیر انجام گرفته در زمینه‌ی تاثیرات این عوامل، به بررسی آزمایشگاهی اثر عوامل رطوبت، درجه‌ی حرارت و بارگذاری تک محوری بر روی سختی اشمیت چندین نوع سنگ سالم و نیز نمونه‌ی بتن پرداخته شده است. نتایج حاصل نشان داد که رطوبت عموما سبب کاهش مقدار سختی اشمیت سنگ می‌گردد. میزان این کاهش وابسته به نوع سنگ می‌باشد. همچنین دما تاثیر زیادی بر روی مقدار سختی اشمیت دارد. رابطه‌ی بین کاهش سختی با افزایش حرارت برای سنگ‌های مورد آزمایش، به شکل خطی بوده است. از طرفی اندازه‌گیری سختی نمونه‌ی تحت بارگذاری تک محوره نشان داد که اعمال بار بر روی سنگ، سبب افزایش سختی اشمیت نمونه می‌شود. این امر باید در اندازه‌گیری برجای سختی در دیواره‌ی فضاهای زیرزمینی که سنگ‌ها تحت بارگذاری قرار دارند، مورد توجه قرار گیرد.

---

در این پژوهش رفتار خستگی سنگ‌های تونالیت  تحت بارگذاری چرخه‌ای تک‌محوره بررسی شد. بدین‌منظور دو نوع بارگذاری نیرو کنترل و جابه‌جایی کنترل استفاده شد. آزمون‌های نیرو کنترل در ترازهای تنش متغییر و دامنۀ بارگذاری ثابت (82% مقاومت تک‌محوری) و فرکانس یک هرتز انجام شد. آزمون جابه‌جایی کنترل به‌صورت پله‌ای با افزایش دامنۀ بارگذاری انجام شد. نتایج آزمون‌های خستگی انجام شده توسط پارامترهای آسیب خستگی شامل کرنش بیشینه و کمینۀ محوری، کرنش بیشینه و کمینۀ جانبی، مدول­های مماسی و متقاطع، چقرمگی و انرژی وارفتگی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که این تیپ سنگی کاهش چشم‌گیری در مقاومت خود به‌دلیل آسیب خستگی نشان می‌دهد. از بین پارامترهای آسیب خستگی، پارامتر کرنش جانبی آسیب سه‌مرحله‌ای خستگی را به بهترین شکل نشان می‌دهد. این مطلب مؤید این نکته است که ترک‌های ایجاد شده در راستای بارگذاری جهت یافته­اند. هم‌چنین، آزمون­های جابه‌جایی کنترل نشان داد که رفتار این تیپ سنگی از نوع کرنش نرم‌شوندگی است.

---

تودۀ سنگ به‌عنوان بستر میزبان در ساخت انواع سازه‏های عمرانی و معدنی سطحی و زیرزمینی مطرح است. عوامل متعددی بر نحوۀ رفتار و پایداری چنین سازه‏هایی تأثیر می‏گذارند که از جمله مهم‌ترین این پارامترها می‌توان به، رفتارشناسی تودۀ سنگ‏ها، ناپیوستگی‏ها و به‌تبع آن حضور بلوک‏های سنگی ایجاد شده در اثر برخورد این ناپیوستگی‏ها اشاره کرد.  بلوک‏های سنگی که تودۀ سنگ به آن‌ها افراز شده است، به‌لحاظ استاتیکی و دینامیکی از مهم‌ترین اجزای روند تحلیل پایداری و رفتاری سازه‏ها محسوب می‏شوند. در این تحقیق سعی شده به شناسایی بلوک‏های سنگی ایجاد شده در اثر تقاطع ناپیوستگی در سه بعد پرداخته شود. الگوریتم طراحی شده در این پژوهش، بر مبنای جستجوی سلسله مراتبی با شناسایی اجزاء بلوکی از جزء به کل عمل می‌کند که سرعت عملکرد زیادی دارد. هم‌چنین در پیاده­سازی این الگوریتم از قابلیت روش محاسبه موازی برنامه متلب نیز استفاده شده که به‌مراتب سرعت محاسبات را با حفظ دقت، افزایش می‌دهد. اجزاء تشکیل‌دهنده بلوک‏ها شامل کنج، لبه و چند ضلعی‏های تشکیل دهنده سطوح هستند. بلوک‏های سنگی براساس الگوریتم طراحی شده در محیط نرم‌افزار متلب شناسایی شده و بعد از محاسبه حجم آن‌ها و هیستوگرام حجمی آن‏ها ترسیم می‏شود. نمایش زنده روند شناسایی بلوک و هم‌چنین ثبت و نمایش موقعیت و توزیع فضایی کنج­ها و لبه­های بلوک­ها از ویژگی­های کد توسعه داده شده است. نتایج نشان می­دهد، غالباً توزیع حاکم بر حجم بلوک های ایجاد شده، نمایی است.
 

---

انفجار و لرزش‌های حاصل از آن در مقایسه با ساختارهای زمین‌شناسی و آب زیرزمینی، به‌دلیل قابلیت کنترل بهتر آن، تأثیر کم‌تری در ناپایداری حفریات زیرزمینی دارند. عدم اجرای اصولی فرآیند انفجار، ممکن است منجر به آسیب‌های جدی شود. در این تحقیق مدل‌سازی روی رمپ قره چنگول معدن سرب و روی زه‌آباد در برابر بارهای انفجاری انجام شده است. این معدن در جنوب روستای زه‌آباد واقع در70  کیلومتری شمال شهرستان قزوین در بخش طارم سفلی واقع است. به‌منظور به‌دست آوردن خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ‌های در برگیرنده رمپ و پارامترهای مقاومت برشی ناپیوستگی‌ها، آزمایش‌هایی شامل آزمایش‌های تک‌محوری، سه‌محوری، برزیلی، برش مستقیم، تعیین وزن مخصوص و سرعت امواج طولی انجام شد.  هم‌چنین برای شبیه‌سازی شرایط پیچیده حاکم بر فرایند انفجار، با توجه ناپیوسته بودن محیط، برای مدل‌سازی عددی از نرم افزار المان مجزای UDEC استفاده شد. در انجام یک تحلیل دینامیکی ابتدا باید مدل در حالت استاتیکی به تعادل برسد. بعد از تعریف شرایط مرزی جاذب، بارهای دینامیکی بر اساس مدت زمان تعریف شده به مدل وارد می‌شود. در بحث پایداری معادن و فرآیند انفجار، بار دینامیکی حاصل از آن اغلب به‌صورت یک پالس به مدل اعمال می‌شود. با وارد کردن بار دینامیکی و در نظر گرفتن سایر تغییرات یاد شده نسبت به تحلیل  استاتیکی، می‌توان پاسخ دینامیکی فضای زیرزمینی را تحت بار لرزشی انفجار و یا زلزله پیش‌بینی کرد. برای این منظور موج ضربه  ناشی از انفجار به‌صورت پالس نمایی با فشار بیشینه 41/4 مگاپاسکال و پهنای زمانی 7/0 تا 7 میلی‌ثانیه به مرز سمت چپ مدل اعمال شد. نتایج حاصل از تحلیل عددی نشان می‌دهد که در حالت استاتیکی فضای زیرزمینی مورد نظر پایدار است و بلوکی ریزش نمی‌کند. بعد از اعمال بار حاصل از انفجار نتایج نشان می‌دهد،  رمپ پایدار می‌ماند و نیازی به نصب سیستم نگه‌داری نیست و در اطراف رمپ موردنظر ریزشی صورت نمی‌گیرد. 
 

---

بررسی شکست توده‌های سنگی، همواره مورد توجه مهندسان عمران، معدن و مکانیک بوده است. چنان‌چه در قطعات سنگی، ترکی وجود داشته باشد، اهمیت موضوع شکست قطعات سنگی را دوچندان می­کند. در این راستا، از چقرمگی شکست به‌عنوان یکی از خواص مکانیکیِ مواد سنگی برای تخمین استحکام سازه­های سنگی ترک­دار استفاده می­شود. مقدار چقرمگی شکست، با انجام آزمایش‌های استاندارد روی قطعات ترک­دار سنگی محاسبه می­شود. یکی از نکات مهم در محاسبۀ مقدار چقرمگی شکست، ابعاد قطعۀ آزمایش شده است. ضخامت قطعه به‌عنوان بُعد خارج صفحه­ای، نقش مهمی در مقدار چقرمگی شکست دارد که کم‌تر به آن توجه شده است. بنابراین، در این مقاله، اثرات ضخامت در مقدار چقرمگی شکست قطعات سنگی هم در حالت بارگذاری مود I و هم در حالت بارگذاری مود II به‌صورت آزمایشگاهی بررسی می‌شود. برای این منظور، از قطعۀ نیم دیسک با ترک ­لبه­ای تحت بار خمشی متقارن و نامتقارن استفاده شده است. قطعات آزمایش شده دارای شعاع ثابت و ضخامت‌های متغییر است. نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد که با افزایش ضخامتِ قطعه، مقدار چقرمگی شکست تا ضخامت خاصی روند صعودی دارد، اما بعد از آن ضخامتِ خاص، روند کاهشی پیدا می‌کند. اختلاف مقادیر چقرمگی شکست در روند کاهشی، زیاد نبوده و می­توان مقدار تقریباً ثابتی برای چقرمگی شکست در نظر گرفت. هم‌چنین، انحنای مسیر رشد ترک در حالت مود II خالص با افزایش ضخامت قطعه بیش‌تر می­شود.

---

تونل­های کم‌عمق نقش حیاتی در برنامه­ریزی شهری و خطوط حمل و نقل ریلی و جاده‌ای دارند. وجود این حفرات زیرسطحی می­تواند باعث تمرکز تنش شده و ناپایداری این فضاها را در برابر بارهای استاتیکی به‌ویژه دینامیکی در پی داشته باشد. از این‌رو، هدف از این پژوهش ارزیابی تأثیر وجود حفره بیضوی و جهت­یابی آن بر رفتار ماسه سنگ تحت بارهای استاتیکی فشاری و دینامیکی کششی است. به‌منظور ارزیابی تأثیر حفره در برابر شرایط تنش استاتیکی دو گروه از مغزه­های ماسه سنگی بدون حفره و حفره­دار با جهت­یابی 0و 30و 60 و 90 درجه فراهم شده و تحت آزمون بارگذاری فشاری تک‌محوری قرار گرفتند. حین آزمون علاوه بر ثبت تنش، با به‌کار بردن کرنش سنج، سنسور ثبت انتشار امواج صوتی و دوربین، آسیب و تغییر شکل‌پذیری نمونه­ها ثبت شد. برای انجام آزمون بارگذاری دینامیکی از دستگاه میلۀ فشار هاپکینسون استفاده شد. به­علاوه روند گسترش آسیب با استفاده از دوربین با سرعت زیاد با نرخ یک عکس در 10 میکروثانیه، ثبت شد. نتایج به‌دست آمده نشان داد که وجود حفره باعث کاهش مقاومت سنگ در بیش‌ترین حالت (0=θ) تا 55 درصد و در کم‌ترین حالت (90=θ) تا 77 درصد مقاومت فشاری تک‌محوری می­شود. آزمون بارگذاری دینامیکی کششی نشان می­دهد که حفره بیضوی نزدیک­تر به مرز انعکاس موج فشاری به کششی به‌علت قرارگیری در منطقه سوپر پوزیشن سالم مانده در حالی­که حفره موجود در خارج از این منطقه با هر جهت یابی دچار گسیختگی ورقه­ای شده است. بررسی سطح شکست با استفاده از تجزیۀ میکرسکوپ الکترونی و بررسی مقطع نازک نشان داد که شکستگی غالب از نوع مرز بلوری بوده است و سیمان اکسید آهن نقش کلیدی در توسعه این نوع شکستگی دارد.