مطالعه تأثیر حفرات بزرگ مقیاس بر روی مدول تغییر شکل پذیری توده سنگ

یکی از مشکلات بزرگی که طراحان سازه های مهندسی موجود در سنگ با آن روبرو هستند، تعیین پارامترهای رفتاری توده سنگ است. یکی از پارامترهای مهم بر رفتار توده سنگ در تمام حالت های رفتاری اعم از ارتجاعی و خمیری، مدول تغییر شکل پذیری است. بطوریکه هر جا بحث تغییرشکل یا عملکرد این سازه ها مطرح می شود، تعیین این پارامتر ارتباط مستقیم با ایمنی و اقتصاد پروژه پیدا می کند. در سازه های ژئوتکنیکی نیز چگونگی نشست در تعیین پایداری یا ناپایداری سازه موثر است. ناپیوستگی ها و حفرات موجود در توده سنگ تأثیر بسزایی در پارامترهای رفتاری آن از جمله کاهش مدول تغییر شکل پذیری دارند. روابط متعددی در تأثیر درزه ها بر کاهش مدول تغییر شکل پذیری موجود است. اما برای حفرات بزرگ مقیاس به طور معمول چنین روابطی وجود ندارد. یکی از روشهای مطالعه رفتار سنگ، ساخت مدلهای فیزیکی می باشد. در این روش هر چه شرایط مدل به نمونه واقعی در طبیعت نزدیکتر باشد، شبیه سازی رفتار توده سنگ واقعی بهتر صورت گرفته است. در این تحقیق به منظور مطالعه میزان تأثیر تخلخل بر مدول تغییر شکل پذیری توده سنگ و نیز مقاومت تک محوری، پس از مطالعه تئوریک (روش میکرومکانیک) از مدلسازی آزمایشگاهی و عددی استفاده شده است. در مدلسازی آزمایشگاهی به منظور ایجاد حفرات توده سنگ در مدلهای فیزیکی، از دانه های کروی فوم با سختی و مقاومت ناچیز (در مقابل مصالحی مثل بتن و گچ)، استفاده شده است. برای مطالعه میزان تأثیر حفرات بر روی پارامترهای مکانیکی، نمونه هایی متخلخل از جنس گچ و بتن با درصدهای مختلف بین صفر تا 50 درصد وزنی از گرانول های کروی فوم با قطر 4 و 6 میلیمتر ساخته شد. سپس بر روی آنها آزمایش تک محوری انجام شد که نتایج آنها مورد بررسی قرار گرفت. طبق مشاهده های انجام شده، نتایج بدست آمده برای هر دو نوع مصالح با هم سازگار بوده و در همه نمونه های مورد نظر میزان مقاومت تک محوری و مدول تغییر شکل پذیری با افزایش درصد حفرات بصورت نمایی کاهش می یابد. بر اساس این نتایج با افزایش اندازه حفرات از 4 میلیمتر به 6 میلیمتر، میزان کاهش مقاومت تک محوری کمتر از 5 درصد و برای مدول تغییر شکل پذیری زیر 10 درصد می باشد. همچنین میزان کاهش مقاومت تک محوری در نمونه های گچی نسبت به نمونه های بتنی، کمتر از 10 درصد بوده در حالیکه این اختلاف برای مدول تغییر شکل پذیری به 20 درصد هم می رسد. در قسمت بعد، نمونه های متخلخل با توزیع یکنواخت و درصدهای مختلف حفرات کروی به قطرهای 6، 8 و 10 میلیمتر در نرم افزار اجزاء محدود abaqus مدلسازی شد. نتایج تحلیل های عددی تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت و در کلیه موارد نتایج دو روش کمتر از 10 درصد با هم اختلاف داشتند. در پایان نیز مقایسه ای بین نتایج هر دو روش با نظریه های میکرومکانیک انجام شد که سازگاری بسیار خوبی بین نتایج مشاهده گردید.