نشریه زمین شناسی مهندسی

---

از چالش‌های اساسی در مقابل حفر تونل، عبور تونل از مناطق با پتانسیل مچاله‌شوندگی شدید است و در صورت کاربرد حفاری مکانیزه، بررسی تراست مورد نیاز حفاری در این مناطق اجتناب‌ناپذیر است. تونل انتقال آب بهشت‌آباد به طول 65 کیلومتر با هدف انتقال سالیانه یک میلیارد مترمکعب آب به بخش ایران مرکزی در حال بررسی است و با توجه به بررسی‌های زمین‌شناسی، در پهنۀ نوزدهم تونل، پتانسیل مچاله‌شوندگی شدید است. به همین سبب در این مقاله روش‌های ارزیابی تراست لازم بررسی، و مقدار نیروی محوری لازم برای نفوذ در جبهۀ ‌کار محاسبه شده است. سپس نحوۀ شبیه‌سازی عددی به‌منظور ارزیابی تراست در پهنۀ مذکور، شرح داده شده و نتایج آن بررسی شده است. هم‌چنین با استفاده از روش رامونی (2010) تراست لازم محاسبه و نتایج آن با شبیه‌سازی عددی مقایسه شده است. با توجه به نتایج مدل‌سازی عددی به‌منظور کاربرد ماشین‌های حفار تمام ‌مقطع سپردوبل در کیلومتر 31600-29030 و 34900-37490 در شرایط ژئومکانیکی بیشینۀ سه سانتی‌متر و در شرایط ژئومکانیکی کمینۀ ده سانتی‌متر اضافه‌ حفاری لازم است و تصمیم‌گیری در ارتباط با کاربرد ماشین‌های حفار تمام مقطع در کیلومتر 31600-34900 منوط به حفر گالری اکتشافی و انجام آزمایش‌های تکمیلی به‌منظور تعیین پارامترهای تابع زمان سنگ است. 

---

    کوبش متوالی چکش شمع‌کوب بر سر شمع پیش ساخته برای نصب شمع در زمین را شمع‌کوبی ضربه‌ای می‌نامند. امروزه کاربرد وسیع روش شمع‌کوبی ضربه‌ای در اجرای پی‌های عمیق (شمع‌ها) غیرقابل انکار است؛ به‌طوری‌که در میان منابع تولید کننده ارتعاشات در زمین، شمع‌کوبی متداول‌ترین منبع تولید‌کننده ارتعاشات ساخت‌و‌ساز است. این ارتعاشات زمین در حین شمع‌کوبی مهم‌ترین عامل محدود‌کننده به‌کارگیری این روش است، از این رو، برای جلوگیری از خرابی سازه‌ای و حفظ آرامش ساکنین پیش‌بینی قابل قبول از دامنۀ ارتعاشات پیش از اجرای هر پروژه ضروری است. برای این منظور، بی‌تردید مدل‌سازی عددی سریع‌ترین، دقیق‌ترین و اقتصادی‌ترین گزینه است، اما تا به امروز مدل‌سازی روند صحیح نصب شمع یکی از مشکلات اصلی در مدل‌سازی عددی شمع‌کوبی بوده است. پژوهش حاضر تلاش دارد که با استفاده از نرم‌افزار اجزای محدود ABAQUS مدل‌سازی عددی عملیات شمع‌کوبی ضربه‌ای به‌طور موفقیت‌آمیز از سطح زمین تا عمق دلخواه بدون در نظرگیری فرضیات ساده‌کننده متداول محققان گذشته و با در نظرگیری جزئیات مشابه کارهای عملی، تطابق بهتر ارتعاشات نسبت به نتایج عددی گذشته با نتایج صحرایی بر حسب حداکثر سرعت ذره (PPV) نتیجه گردد.

---

به‌منظور به‌سازی خاک در محل مخازن نفت پرژۀ انبار نفت ماهشهر، به‌علت وجود لایه‌های زیرسطحی نرم رسی و بالا بودن تراز آب زیرزمینی در ناحیۀ بررسی شده، برای نداشتن خسارات ناشی از نشست‌های تحکیمی دراز مدت در اثر ساخت مخازن، از روش پیش بارگذاری به‌کمک خاک‌ریز به‌همراه زهکش‌های قائم پیش‌ساخته (PVD) با الگوی مثلثی استفاده شده است. برای کنترل نتایج محاسباتی و عملکرد مناسب خاک‌ریزها از ابزار دقیق­هایی نظیر نشست‌سنج­ها و پیزومترها که در تمامی نقاط خاک‌ریز نصب شده‌اند، بهره گرفته شده است. در این مقاله آنالیز برگشتی با استفاده از نتایج ابزار دقیق و به‌کمک نرم‌افزار تفاضل محدود Settle ۳D انجام شده و نتایج به‌دست آمده با یک‌دیگر مقایسه شده است. در این راستا پارامترهای تأثیرگذار ژئوتکنیکی اولیۀ حاصل از آزمایش‌های آزمایشگاهی و صحرایی با استفاده از این روش تصحیح شده است. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد که پارامتر‌های آزمایشگاهی مؤثر در نظر گرفته شده برای محاسبات اولیۀ نشست تحکیمی خاک نظیر (C_c) و (Pc)، به‌ترتیب بیش‌تر و کم‌تر از مقادیر واقعی اندازه‌گیری شده است و پارامتر‌های آزمایشگاهی مؤثر در نظر گرفته شده برای محاسبات زمان تحکیم خاک (K_h وK_v ) از مقادیر واقعی اندازه‌گیری شده کم‌تر پیش‌بینی شده است. هم‌چنین نتایج حاصل بر مبنای بررسی‌های پارامتریک انجام شده در مورد آرایش و عمق زهکش­های قائم، نشان داد که با افزایش طول زهکش‌ها نسبت به فواصل آن‌ها می‌توان کارایی این روش را افزایش داد.

---

تسلیح خاک به‌وسیلۀ ژئوسنتتیک­ها روشی مؤثر برای افزایش مقاومت برخاس^] سازه­های مدفون است. در این مقاله از المان مسلح­کنندۀ جدیدی که شامل تعدادی صفحات مهاری است و به ژئوگرید متصل می­شود و موجب افزایش مقاومت بیرون­کشیدگی ژئوگرید می­شود استفاده شده است که به آن سیستم مهار- شبکه گفته می­شود. بررسی عددی سه‌بعدی با استفاده از نرم­افزار تفاضل محدود FLAC-3D برای بررسی مقاومت برخاست خطوط لولۀ مدفون در ماسۀ مسلح­شده با این سیستم جدید انجام شده است. نتایج نشان می­دهند که به‌علت گسترده­تر شدن سطح گسیختگی خاک، استفاده از این سیستم مهار-شبکه در تودۀ خاک، مقاومت برخاست خطوط لولۀ مدفون را به‌طور چشم‌گیری افزایش می­دهد. طوری‌که جهت لوله با قطر خارجی 50 میلی‌متر، استفاده از سیستم مسلح­کننده مهار- شبکه موجب افزایش مقاومت برخاست لوله به‌میزان 3_/2 برابر حالت استفاده از ژئوگرید و 7_/3 برابر حالت بدون مسلح­کننده می­شود. در مقایسه با چند لایۀ مسلح­کننده، بازدهی استفاده از یک لایۀ مسلح­کننده بیش‌تر است. هم‌چنین بازدهی لایۀ مسلح­کننده در خاک‌های سست بیش‌تر از خاک‌های متراکم است. به‌علاوه، با افزایش قطر لوله، تأثیر لایۀ مسلح­کننده کم‌تر خواهد بود

---

سنگ‌های ساختمانی ذخایر معدنی با ارزش هستند و صنعت سنگ‌ساختمانی نیز به‌عنوان صنعت اقتصادی مهم به‌شمار می‌رود. این صنعت به‌صورت یک زنجیره است و کنترل کیفیت، حلقۀ گم شده این زنجیره در ایران است که موجب کاهش بهره‌وری این صنعت شده است. کیفیت سنگ ساختمانی تابع عوامل مختلفی است و وجود ناپیوستگی‌ها، حفره‌ها، فضاهای خالی و لایه‌بندی‌های ظریف روی کیفیت سنگ تأثیر منفی دارند. در پژوهش حاضر از روش ژئوفیزیکی غیرمخرب رادار نفوذی به زمین (GPR) برای ارزیابی و کنترل کیفیت بلوک‌های استخراجی تراورتن مجتمع معدنی حاجی‌آباد محلات در استان مرکزی، قبل از عملیات فرآوری، استفاده شده است. برای این منظور ابتدا با استفاده از برنامه مدل‌سازی عددی پیش‌رو، به‌روش تفاضل محدود دوبعدی بهبود یافته در حوزۀ فرکانس در محیط نرم‌افزار MATLAB، پاسخ GPR دوبعدی مدل‌های مصنوعی فرضی به‌شکل مکعب مستطیل (معرف کوپ‌های سنگی) شامل لایه‌بندی‌های ظریف و ناپیوستگی در جهت‌های مختلف، شبیه‌سازی شد تا از نتایج آن‌ها برای تفسیر نگاشت‌های راداری واقعی استفاده شود. نتایج مدل‌سازی نشان می‌دهد که پاسخ GPR مرزهای مشترک لایه‌ها (ناشی از وجود لایه‌بندی‌های ظریف) و ناپیوستگی‌های برجسته درون بلوک سنگ، در نگاشت‌های راداری به‌وضوح قابل تشخیص هستند. بررسی نتایج حاصل از تفسیر نگاشت‌های راداری واقعی، پس از اعمال فیلترهای مختلف نیز حاکی از قابلیت بالای روش GPR در شناسایی لایه‌بندی‌های ظریف و ناپیوستگی‌های درون بلوک‌های سنگی و در نتیجه تعیین کیفیت آن‌ها در محدودۀ بررسی شده است. در هر صورت در مورد داده‌های واقعی به‌دلیل ناهمگنی لایه‌های ظریف، وجود انواع مختلف نوفه‌ها و بازتاب‌های چندگانه، پاسخ ناپیوستگی‌های ساختاری کوچک واقع در زیر ناپیوستگی‌های برجستۀ کم عمق، با پاسخ‌های دیگر پوشش داده شده و قابل شناسایی نیستند

---

در صنعت نفت به‌منظور افزایش شاخص تولید و بازیافت از چاه‌هایی که به‌علت برداشت طولانی مدت، بازدۀ آن کاهش یافته است یا سنگ‌های اطراف چاه میزان نفوذپذیری کمی دارند از شکست هیدرولیکی استفاده می‌شود. از آن‌جاکه عملیات شکست هیدرولیکی، عملیاتی پر هزینه است، به‌دست آوردن فشار لازم برای شکست هیدرولیکی و تعیین پمپ مناسب برای این عملیات، برای مجریان پروژه، اهمیت به‌سزایی دارد. در این تحقیق به مدل‌سازی آزمایشگاهی و عددی شکست هیدرولیکی در ماسه سنگ‌های لوشان پرداخته شد. هدف از این مدل‌سازی‌ها بررسی نحوۀ شکست هیدرولیکی، وضعیت تنش‌های اصلی در هنگام آغاز شکست و فشار لازم برای آغاز شکست در این سنگ‌ها است. در این تحقیق، مدل‌های عددی ساخته شده بدون ترک و شکستگی پیش فرض است و مسیر و نحوۀ رشد ترک بدون هیچ پیش‌داوری و تعیین قبلی بررسی شد. فشار شکست‌های به‌دست آمده از مدل‌سازی عددی با آن‌چه از آزمایشگاه به‌دست آمده است اختلاف کمی دارد. در اغلب موارد ترک از قسمت مرکزی نمونه آغاز شده و به‌سمت دو سر نمونه گسترش می‌یابد و راستای گسترش ترک در راستای محور گمانه و عمود بر تنش جانبی است. مجریان طرح شکست هیدرولیکی می‌توانند با روش ارائه شده در این تحقیق و مدل‌سازی آزمایشگاهی و عددی شکست هیدرولیکی، فشار شکست هیدرولیکی در شرایط مختلف را به‌دست آورده و پمپ مناسب برای عملیات را انتخاب کنند. با توجه به این‌که نتایج به‌دست آمده از مدل‌سازی‌های عددی مطابقت خوبی با نتایج مدل‌سازی‌های آزمایشگاهی دارد، محدودیت ظرفیت پمپ موجود در آزمایشگاه را می‌توان با مدل‌سازی عددی جبران کرد. 
 

---

عوامل مؤثر در نشست سطح زمین در روش حفاری مکانیزه را می‌توان عمدتاً به چهار دسته عوامل هندسی، عوامل ژئومکانیکی، پارامترهای کاری  ماشین حفاری و پارامترهای مدیریتی و اجرایی تقسیم‌بندی کرد. عوامل هندسی شامل عمق و قطر تونل هستند پارامترهای کاری ماشین شامل فشار وارد بر جبهه حفاری، فشار تزریق در پشت سگمنت‌ها و نیز میزان تغییر قطر (کاهش قطر دستگاه در طول) دستگاه است و پارامترهای ژئومکانیکی شامل مشخصات مکانیکی لایه‌های خاک بین تونل تا سطح زمین است. در تونل‌های مناطق شهری که بیش‌تر در عمق کم و در بستر خاکی حفر می‌شوند، فشار جبهه کار می‌تواند یکی از عوامل پیش‌گیری کنندۀ نشست سطح زمین باشد. در پروژۀ خطA  مترو قم، تونل با ماشین حفاری مکانیزه از نوع متعادل کنندۀ فشار زمین (EPB) حفر می‌شود. در این تحقیق با تمرکز روی پنج مقطع از این تونل، تأثیر فشار جبهه کار بر نشست سطح زمین تحلیل شده است. این پنج مقطع در کیلومترهای مختلف تونل در مکان‌هایی انتخاب شدند که در سطح  زمین پین‌های نشست  سنجی نصب شده‌اند و نتایج مدل‌سازی عددی قابل صحت‌سنجی هستند. برای بررسی اثر فشار سینه‌کار روی حداکثر نشست سطح زمین، چهار سطح فشار 100، 150، 200 و 400 کیلوپاسکال  بررسی شد. این فشارها  به‌ترتیب 1، 5/1، 2، و 4 برابر فشار اولیه جبهۀ کار بودند. نشست سطح زمین در این چهار سطح فشار با استفاده از نرم‌افزار اجزا محدود PLAXIS 3D TUNNEL ارزیابی شده است. اعتبارسنجی نتایج با استفاده از ابزاربندی در سطح زمین (پین‌های نشست سنجی) و روی تمامی این مقاطع انجام شده است. اعتبارسنجی انجام شده نشان داد که نتایج مدل‌سازی تطابق خوبی با نتایج پین‌های نشست‌سنجی دارد. مقایسۀ نتایج نشان می‌دهد افزایش 4 برابری فشار جبهۀ کار، حداکثر سبب کاهش 4.45 میلی متری نشست بیشینه می‌شود. بنابراین افزایش فشار جبهۀ کار، میزان نشست را کاهش می‌دهد اما این مقدار بسیار ناچیز است. هم‌چنین مشخص شد که افزایش بیش از اندازۀ فشار سینۀ کار (بیش از 200 کیلوپاسکال) نه‌تنها حداکثر نشست سطح زمین را کاهش نمی‌دهد بلکه باعث ایجاد شکست غیرفعال (Passive failure) یا همان بالازدگی در جلوی سپر روی سطح زمین زمین می‌شود.
 

---

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. 
 

---

این تحقیق به‌بررسی اثر نصب میکروپایل بر خاک ماسه‌ای اشباع، به‌کمک روش المان محدود می‌پردازد. نتایج به‌دست آمده از مدل‌سازی عددی با نتایج حاصل از ساختگاه مقایسه می‌شود. عملکرد نرم‌افزار با شبیه‌سازی آزمایش نفوذ استاندارد صحت‌سنجی شده است. اثر برخی تغییرات در فاصلۀ (3 متر، 6/1 متر و 8/0 متر) و تغییرمکان مرز مدل معادل فشار تزریق (1 سانتی‌متر، 5/2 سانتی‌متر، 5 سانتی‌متر و 10 سانتی‌متر) میکروپایل‌ها بر پاسخ روان‌گرایی خاک بحث شد. نتایج نشان می‌دهد که مدل عددی در تخمین پتانسیل روان‌گرایی محافظه‌کار است. اصلاح خاک با افزایش فشار تزریق افزایش می‌یابد. هم‌چنین مشاهده شد اثر فاصلۀ میکروپایل‌ها نسبت به اثر فشار تزریق (تا فاصلۀ آزاد 1 متری میکروپایل‌ها) کم‌تر است. پس برای فواصل نزدیک‌تر اثر توأمان فاصله و فشار تزریق شدیدتر می‌شود. به‌علت رابطۀ مستقیم عدد نفوذ استاندارد (N_SPT) و پتانسیل روان‌گرایی، شبیه‌سازی آزمایش نفوذ استاندارد و صحت‌سنجی با داده‌های ساختگاه، پیش و پس از نصب میکروپایل‌ها ضروری به‌نظر می‌رسد. این روش می‌تواند ترفند مناسبی برای پیش‌بینی راندمان عملیات اصلاح خاک به‌کمک میکروپایل‌ها باشد و می‌تواند در هزینۀ و زمان صرفه‌جویی کند. 

---

کنترل جابه‌جایی­های ناشی از حفاری تونل در محیط­های شهری اهمیت ویژه‌ای دارد. یکـی از دلایـل اساسـی افزایش جابه‌جایی­ها، عدم اعمال فشار مناسب در جبهه کار تونل است. این پارامتر به‌ویژه در مواردی که تونل در محیط­های شهری حفر می­شود اهمیت بیش‌تری پیدا می­کند. تعیین مقدار این فشار برای جلوگیری از تخریب جبهۀ کار و نشست زمین از یک سو و ممانعت از بالازدگی زمین از سوی دیگر بسیار مهم است. به‌طورکلی روش­های تعیین فشار جبهه کار به سه دستۀ تجربی، تحلیلی و عددی تقسیم می­شوند. فشار نگه‌داری جبهۀ کار تونل به عوامل متعددی نظیـر نوع و مشخصات مهندسی خاک از جمله مدول الاستیسیته، چسبندگی و زاویۀ اصطکاک داخلی، شرایط آب زیرزمینی، میزان روباره و سطح مقطع تونل وابسته است که در تحقیق حاضر، با کاربرد نرم‌افزار المان محدود ABAQUS به بررسی تأثیر برخی از این پارامترها بر میزان مناسب فشار جبهه کار تونل­های مکانیزه می‌پردازیم. با تحلیل مدل­های سه‌بعدی و اندازه­گیری مقادیر جابه‌جایی­های جبهه کار تونل به‌ازای مقادیر متفاوت فشار جبهه کار و پارامترهای بررسی شده، مقدار مناسب فشار نگه‌دارنده تخمین زده شده است. صحت‌سنجی روند مدل­سازی بر اساس نتایج ابزار‌بندی پروژۀ خط 2 مترو تبریز انجام یافته است. نتایج حاصل نشان­دهندۀ تأثیر چشم‌گیر مدول الاستیسیته خاک در مقدار فشار جبهه کار است و به‌عنوان الگوی کلی، با افزایش مدول الاستیسیته فشار مناسب جبهه کار کاهش می­یابد. هم‌چنین، مقادیر مناسب فشار جبهه کار به‌دست آمده با روش­های تحلیلی جانکسز-استاینر، آنگونستا-کواری و روش تجربی COB مقایسه شده است که بیش­ترین تطابق با روش  COBمشاهده شده است. لازم به ذکر است با پایین رفتن تراز آب زیرزمینی و در مدول­های الاستیسیته کم (کم­تر از 20 مگاپاسکال در پژوهش انجام شده)، رابطۀ COB فشار جبهه کار کم­تری نسبت به حالت مناسب ارائه می‌دهد که باید در محاسبات فشار جبهه کار در نظر گرفته شود.