یکی از عوامل موثر در زمان و هزینه های ساخت تونل های سنگی، ورود مقادیر زیاد آب به درون تونل است که با خطراتی همراه است. روش های متعدد تحلیلی، تجربی و عددی برای پیش بینی ورود آب به درون تونل های سنگی ارائه شده است. این روش ها قادر به پیش بینی ورود آب به درون تونل ها از ساختارهای منفرد زمین شناسی که بیشترین مخاطرات را به همراه دارند نیستند. هدف این تحقیق ارائه روشی مناسب برای رفع این مشکل است. روش این تحقیق، یک روش امتیازدهی و طبقه بندی توده سنگ است که با درنظر گرفتن شرایط زمین شناسی ارائه شده است. برای این منظور حدود 70 کیلومتر تونل که در ایران ساخته شده مورد تحلیل قرار گرفته است. ابتدا مدل های زمین شناسی مرجع از مسیر تونل ها تهیه شده و با بررسی های زمین شناسی، عوامل موثر در ورود آب به درون تونل ها شامل ساختار توده سنگ، نوع سنگ، مقاومت تراکمی تک محوری، درصد رس سنگ و عمق تونل شناسایی شده است. به کمک روش تحلیل سلسله مراتبی و روش های آماری وزن هر یک از عوامل موثر تعیین شده است. در پایان، پس از اعتبارسنجی روش که بر روی 8 کیلومتر تونل دیگر انجام شده، خطر ورود آب به درون تونل سبزکوه پهنه بندی شده است. نتایج اعتبارسنجی نشان می دهد که مقادیر پیش بینی شده همخوانی قابل قبولی با مقادیر اندازه گیری شده در تونل های مورد مطالعه دارد. نتایج این مطالعه نشان می دهد که گسل های امتدادلغز بیشترین تاثیر و گسل های معکوس کمترین تاثیر را در ورود آب به درون تونل ها دارند. در گسل های متشکل از سنگ های متخلخل با درصد رس بالا، تراوایی و ورود آب کاهش می یابد. عمق تونل رفتاری دو گانه در مقابل ورود آب دارد از طرفی باعث کاهش تراویی و از طرف دیگر باعث افزایش هد هیدرولیکی می گردد. مقدار کاهش تراوایی با عمق به نوع سنگ و درصد رس موجود در سنگ بستگی دارد.

علاوه بر داده¬های سرعت، داده¬های شکل موج عبوری از نمونه نیز ثبت شده و برای تحلیل¬های عددی استفاده شد. برای مدل سازی عددی از روش المان مجزا و نرم افزار udec استفاده شده است. دلیل انتخاب این روش، توانایی بالای آن در تعریف ویژگی¬های ناپیوستگی است. نتایج حاصل از این پژوهش مشخص کرد که وجود درزه تأثیر به سزایی در افت دامنه و انرژی موج عبوری از نمونه دارد و این تأثیر وابسته به زاویه ناهمسانگردی است. به گونه ای که در نمونه هایی با زاویه درزه ?? درجه نسبت به محور انتشار، موج بلافاصله بعد از عبور از درزه، ?? درصد انرژی خود را از دست می¬دهد. درحالی که در نمونه ای که درزه موازی محور انتشار موج است. این کاهش در حدود 55 درصد است. تغییرات آمار توصیفی داده های شکل موج عبوری از نمونه، انطباق خوبی با تغییرات سرعت نشان می¬دهد؛ یعنی دامنه موج که بیانگر انرژی موج عبوری است رابطه مستقیمی با سرعت موج دارد. همچنین با وجود محدودیت های موجود در توصیف دقیق شرایط آزمایشگاه، لیکن مدل سازی عددی تا حد زیادی تأییدکننده نتایج به دست آمده است. این پژوهش نشان داد روش المان مجزا که توانایی آن در شبیه سازی دینامیکی امواج فرکانس پایین به اثبات رسیده است، توانایی نسبتاً خوبی در شبیه سازی موج فرکانس بالا را نیز دارد.

شیل ها از فراوان ترین سنگ های رسوبی هستند و به دلیل مشکلات ناشی از این سنگ ها در اجرای پروژه های مهندسی، شناخت رفتار مکانیکی و خواص فیزیکی آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این تحقیق به بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی شیل های سازند شمشک و بررسی ارتباط بین این خواص، پرداخته شده است. بدین-منظور نمونه های شیل از گمانه های حفاری شده در منطقه ی سیاه بیشه به دست آمد و خواص فیزیکی و مکانیکی آنها در آزمایشگاه تعیین شد. بررسی خواص پتروگرافی، رفتار تنش- کرنش، پیش بینی مقاومت تراکمی نامحصور از روشهای غیر مستقیم، دوام و وارفتگی، ارزیابی کارایی معیارهای شکست و بررسی رفتار تورمی شیل ها، مباحث اصلی این تحقیق را در مورد سنگ بکر تشکیل می دهند. نتایج به دست آمده از داده های آزمایشگاهی نشان می دهد که خواص پتروگرافی، حد روانی و شاخص های دوام و وارفتگی سیکل های سوم و چهارم آزمایش، مهمترین عوامل کنترل کننده ی رفتار مکانیکی این سنگ ها هستند. در ادامه با استفاده از خواص به دست آمده در آزمایشگاه و داده-های صحرایی، مقطعی از تونلهای انتقال آب نیروگاه سیاه بیشه که در برخورد با تناوبی از لایه های ماسه سنگ، شیل و سیلتستون است، به روش عددی المانهای مجزاء مدلسازی گردید. نتایج مدلسازی عددی نشان دهنده ی اثر میان لایه های شیل بر ناپایداری سیستم نگهداری پیشنهاد شده توسط روشهای تجربی، به دلیل رفتار ناهمگون توده-سنگ، است.

ایران به دلیل شرایط خاص زمین شناسی، توپوگرافی و آب و هوایی از کشور های زمین لغزش خیز به شمار می آید. اثرات مخرب این پدیده، در مناطق فعال تکتونیکی، لرزه خیز، سیل خیز و دارای سازندهای حساس به فرسایش به وضوح دیده می شود. پیش بینی و جلوگیری از خطرات زمین شناسی در مسیر توسعه تاسیسات استخراج و انتقال گاز در تاقدیس کنگان با بیش از30 حلقه چاه در استان بوشهر اهمیت قابل توجهی دارد. در این تحقیق پهنه بندی خطر زمین لغزش در محیط gis به کمک چهار عامل لیتولوژی، شیب، تراکم گسل ها و آبراه ها انجام شده است. امتیازدهی عوامل فوق به کمک مشاهدات صحرایی و آزمون های آزمایشگاهی صورت گرفته است. چهار پهنه خطر نسبی (کم: 15-0، متوسط 30-15: ، بالا: 45-30 و بسیار بالا: 60-45 درصد) در قسمت میانی تاقدیس کنگان تعریف شده است. پوشش سطحی هر یک از این پهنه های خطر به ترتیب 36، 32، 27 و 3 درصد است. تحلیل نقشه نهایی نشان می دهد که هیچگاه بحرانی ترین مقدار تمام عوامل در تعیین خطر یکجا و همراه هم دیده نمی شوند. اعتبارسنجی نقشه نهایی پهنه بندی با شناسایی 220 نقطه ناپایدار در تصویر ماهواره ای (سیاه و سفید 2.1 متری – ماهواره irs) انجام گرفت. هر یک از چهار پهنه خطر (کم، متوسط، بالا و بسیار بالا) به ترتیب 5، 14، 33 و 48 درصد تعداد این نقاط را پوشش می دهند.

این تحقیق با هدف بررسی رفتار مهندسی سازند شمشک به عنوان یک توده ی سنگ مرکب از تناوبی از لایه های سست و سخت تعریف و انجام پذیرفته است. سازه های مهندسی که با میزبانی این سازند اجرا می شوند همواره با مشکلات اجرایی قابل توجهی مواجه می باشند که بخش عمده ای از این مشکلات به ویژگی خاص این سازند یعنی وجود توده های سنگی متشکل از تناوبی از لایه های سست و سخت با خواص مکانیکی و مهندسی کاملاً متفاوت مرتبط می شود. شناخت رفتار این سازند نیاز به بررسی رفتار آن در میزبانی سازه های مختلف و شناخت ویژگی های فیزیکی و مکانیکی لایه های سست و سخت تشکیل دهنده ی آن دارد. مجموعه فعالیت های انجام شده در این تحقیق را می توان به دو دسته ی کلی تقسیم کرد: الف) آزمون های آزمایشگاهی و ب) بررسی های صحرایی و برداشت های برجا.در بخش آزمون های آزمایشگاهی ضمن تعیین ویژگی های مکانیکی و فیزیکی نمونه های سنگی اخذ شده از گمانه های اکتشافی و بلوک های سنگی در هر آزمایش، بررسی برخی از عوامل موثر بر نتایج آزمایش ها در دستور کار قرار گرفته است. در آزمایش های تراکمی تک محوره ضمن تعیین مقاومت تراکمی تک محوره و مدول های الاستیسیته ی نمونه های سنگی با لیتولوژی ماسه سنگ (انواع مختلف لیت آرنایت، فلدسپاتیک لیت آرنایت، سد آرنایت، چرت آرنایت و ساب لیت آرنایت) و اجزای دارای رس (شیل، مادستون و سیلتستون)، تأثیر شکل شکست بر مقاومت تراکمی تک محوره و نیز تأثیر میان لایه های سست بر مقاومت تراکمی تک محوره ی نمونه های مرکب نیز بررسی شده است. در ضمن در این بخش با مشخص بودن لیتولوژی و پتروگرافی نمونه های سنگی (با مطالعه ی مقاطع نازک میکروسکوپی تهیه شده) به بررسی ارتباط بین ویژگی پتروگرافی سنگ ها و نتایج آزمایش های تراکمی تک محوره (مقاومت تراکمی تک محوره و مدول های الاستیسیته) اقدام شده است. در آزمایش های تعیین سرعت های موج طولی و عرضی نیز ضمن اندازه گیری سرعت امواج طولی و عرضی نمونه های سنگی مورد استفاده در آزمایش های مختلف، مقادیر مدول های دینامیک سنگ ها (که هدف انجام این آزمایشات می باشد) با استفاده از روابط موجود تعیین شده است. در این قسمت، رابطه ی بین سرعت موج طولی و موج عرضی، رابطه ی بین سرعت های موج و مقاومت تراکمی تک محوره و مدول های الاستیسیته و رابطه ی بین مدول های دینامیکی و استاتیکی از جمله مواردی است که بررسی شده است. در آزمایش های بار نقطه ای مهمترین بخش رابطه ی بین مقاومت تراکمی تک محوره و شاخص بار نقطه ای می باشد، بررسی شکل شکست نمونه و عمق نفوذ مخروط از دیگر مباحث مهم مطرح شده در این بخش می باشد. مقاومت کششی از پارامتر های مقاومتی مهم سنگ ها می باشد که به دلیل پایین بودن آن عامل بسیاری از گسیختگی های پی سازه ها و فضاهای زیر زمینی می باشد. از میان روش های مختلف تعیین مقاومت کششی استفاده از آزمایش برزیلین که یک روش غیر مستقیم تعیین مقاومت کششی می باشد در این تحقیق مد نظر قرار گرفته و ارتباط بین مقاومت کششی، مقاومت تراکمی تک محوره، مدول های الاستیسیته و ویژگی های پتروگرافی از جمله مباحثی است که در بخش مقاومت کششی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. اهمیت دوام پذیری سنگ ها (به ویژه سنگ های دارای رس) در برابر هوازدگی و قرار گرفتن در معرض سیکل های خشک و تر شدن بر کسی پوشیده نیست. دوام پذیری سنگ ها با آزمایش های دوام تعیین می گردد. در این بخش علاوه بر تعیین دوام پذیری و شاخص دوام نمونه های سنگی مورد مطالعه، تأثیر تعداد سیکل خشک و تر شدن و مدت زمان هر سیکل نیز مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی تأثیر میزان گوشه داری قطعات سنگی بر شاخص دوام و رابطه ی بین مقاومت تراکمی تک محوره و شاخص دوام، پتروگرافی نمونه ها و شاخص دوام، خواص فیزیکی نمونه ها و شاخص دوام از دیگر مباحث مورد بررسی در این بخش می باشد. در نهایت به دلیل وجود شباهت های مکانیزمی دوام و تورم نمونه های دارای رس بررسی تورم این نمونه ها نیز در این بخش صورت گرفته است. در نهایت آزمایش های تراکمی سه محوره که به تعیین مقادیر مقاومت چسبندگی و زاویه ی اصطکاک داخلی سنگ های مورد بررسی می انجامد آخرین دسته آزمون های آزمایشگاهی می باشد که نتایج در فصل هشتم به طور کامل ارائه شده است. علاوه بر آزمایش های فوق الذکر، آزمایش های تعیین خواص فیزیکی سنگ ها (دانسیته ی خشک و اشباع، تخلخل و درصد جذب آب) و نیز تهیه ی مقاطع نازک میکروسکوپی و توصیف پتروگرافی آنها و آزمایش های xrd روی نمونه های دارای رس از دیگر فعالیت های آزمایشگاهی می باشد که در قالب این تحقیق و بر روی تمام نمونه های مورد بررسی انجام شده است. در بخش فعالیت های صحرایی، برداشت های زمین شناسی لازم از تونل ها و ترانشه ها (شامل برداشت سیستم های درزو شکاف و لایه بندی، لیتولوژی و تهیه ی نقشه های زمین شناسی عین ساخت)، بررسی مغزه های سنگی مربوط به گمانه های اکتشافی و رده بندی مهندسی توده های سنگی میزبان فضاهای زیر زمینی و ترانشه ها از جمله فعالیت های انجام شده می باشد.در نهایت نتایج مطالعات آزمایشگاهی (فصول دو تا هشت) و بررسی های صحرایی و برجا (فصول اول و نهم) به ارائه ی جدول تعدیل تأثیر ضخامت و شیب لایه های سست در طبقه بندی rmr برای تحلیل رفتار توده سنگ مرکب سازند شمشک و ارائه ی سیستم های نگهدارنده ی مناسب برای این سازند منجر شده است.