مکانیک سنگ از دو کلمه Rock به معنی سنگ و Mechanics به معنی مکانیک گرفته شده است. مکانیک سنگ مبحثی از علوم مهندسی است که در آن چگونگی رفتار سنگ در برابر عوامل بیرونی و درونی و تغییرات آنها مورد بحث قرار می‌گیرد و چون رفتار سنگ بستگی کامل به ویژگی‌های آن دارد، از این رو بررسی آن گروه از خواص سنگ‌ها که در این مورد اهمیت دارد نیز بخشی از مبحث مکانیک سنگ را تشکیل می‌دهد.
تاریخچه
بناها و آثاری چون سدهای مربوط به سده‌های 29 و 30 قبل از میلاد در مصر، عراق، اهرام ثلاثه مصر، کاخ تخت جمشید و مقبره‌های نقش رستم که بر سنگ (از سنگ و یا در سنگ) ساخته شده‌اند گواه به کارگیری روش‌های دقیق در امر انتخاب، استخراج و کندوکاو سنگ و لذا کاربرد مکانیک سنگ از دیر زمان‌اند.
ارتباط تنگاتنگ ما با سنگ به پیش از تاریخ بر می‌گردد. در آن زمان، پیکان‌ها، ابزار معمولی و ظروف، استحکامات، خانه‌ها و حتی تونل‌ها از سنگ یا در سنگ ساخته می‌شد. ساخت‌ها و مجسمه‌هایی مانند معبد ابوسمبل از مصر نشان دهنده استفاده از روش‌های بسیار دقیق در امر انتخاب محل، استخراج و کندوکاو بر سنگ است.
سیر تحولی و رشد
در قرون هجدهم و نوزدهم تونل‌های بزرگ به منظور تهویه و زهکشی معادن، فاضلاب، کانال کشی و حمل و نقل با راه آهن زده شد. در همین قرن ما، ساختن مجسمه‌های عظیم در مونت راشمو میل به درگیری برای ساختن پیکرهای بزرگ سنگی و به همان اندازه انتخاب گرانیت خوب را، با وجود روی آوردن مهندسان به مصالح دیگر، به جهانیان ثابت کرد. در این عصر که مهندسان مواد می‌توانند به اقتضای نیازهای خاص و عجیب آلیاژها و پلاستیک‌ها را بسازند، سنگ کاری هنوز انرژی صنایع و تخیل مهندسان را به خود مشغول داشته است.
نقش مکانیک سنگ در زندگی انسان
از آنجایی که حفاری‌ها و بناهایی چون تونل‌های راه آهن زیرزمینی، تامین آب، زهکشی و نیروگاه‌های زمینی، حفره‌های ذخیره آب، نفت، گاز، هوا و غیره و نیز دفن زباله‌های هسته‌ای، معادن زیرزمینی، معادن روباز، برش‌های عمیق برای آب ریز و … در سنگ و یا بر سنگ صورت می‌گیرد، لذا لزوم شناخت سنگ‌ها و مکانیک سنگ برای انسان امری انکار ناپذیر است.
مباحث مربوط به مکانیک سنگ
رده‌بندی زمین شناختی سنگ‌ها: سنگ‌ها را از نظر نحوه تکوین آنها، معمولا به سه گروه آذرین، دگرگونی و رسوبی تقسیم می‌کنند.
ویژگی‌های شاخص سیستم‌های سنگ: برای طبقهبندی مهندسی سنگ‌ها، لازم است که ویژگی‌های شاخص سنگ‌ها ارزیابی شوند و با در نظر گرفتن مجموعه آنها با همدیگر، شخصی باتجربه می‌تواند، همبستگی‌های مفیدی را بین آنها، برای کاربردهای عملی، بیایبد. بعضی از این ویژگی‌های شاخص عبارتند از: تخلخل، چگالی، تراوایی و استحکام.
استحکام و معیارهای ریزش سنگ: در این بحث از مکانیک خاک معیارهای ریزش سنگ مثل خمش، برش و خرد شدن و یا عوامل دیگری که باعث ریزش می‌شوند، بررسی می‌شوند.
تنش‌های اولیه در سنگ‌ها و اندازهگیری آنها: در نزدیکی سطح زمین در نواحی کوهستانی، تنش در جای سنگ ممکن است در بعضی نقاط به صفر نزدیک شود و در نقاطی دیگر ممکن است نزدیک به استحکام سنگ باشد، دستکاری و برهم زدن میدان تنش از طریق حفر تونل یا حتی گودبرداری‌های سطحی، ممکن است محرک آزاد سازی شدید انرژی ذخیره شده شود. در این قسمت به بررسی و تعیین بزرگی و جهت تنش‌های اولیه در ساختگاه یک پروژه می‌پردازند.
دگرشکل پذیری سنگ‌ها: دگرشکل پذیری، ظرفیت سنگ برای واکنش در مقابل بار اعمال شده یا پاسخ به باربرداری ناشی از گودبرداری است.
ارتباط با سایر علوم
ویژگی مصالحی از قبیل سنگ و خاک در مقایسه با مصالح دیگر مهندسی این است که این مصالح کمتر قابل انتخاب است و به عبارت دیگر مهندسین طراح باید طرح را برای مواد و محیطی در نظر بگیرند که خصوصیات آن محیط الزاما مطابق خواست آنها نیست و نیز این خصوصیات از محلی به محل دیگر متفاوت است، از این رو شناخت کلیه خواص فیزیکی، مکانیکی، زمین‌شناسی، هیدرودینامیکی و حتی کانی‌شناسی و چینه‌شناسی سنگ‌ها معمولا مفید و در مواردی حتما ضروری است.
کاربردهای مکانیک سنگ
برخی کارهای مهندسی که در حد چشمگیری با مکانیک سنگ در ارتباط هستند، شامل موارد زیر می‌باشند.
- پروژه‌های سازنده‌های سطحی: این پروژه‌ها شامل مواردی چون پل، ساختمان‌های بلند، نیروگاه‌ها و سدها می‌باشند.
- مسیرهای حمل و نقل: مانند بزرگراه، خط آهن، کانال و خط لوله
- گودبرداری‌های سطحی: مثل معدن روباز
- گودبرداری‌های زیرزمینی: مثل تونل‌ها، حجره‌های زیرزمینی و کارهای دفاعی
- بهره‌‌برداری از منابع انرژی: مثل استخراج نفت و دفن زباله‌های اتمی
اندازهگیری ویژگی‌های سنگ
در زمان انجام طراحی‌های مهندسی، علاوه بر اطلاعات توصیفی و کیفی که توسط بررسی‌های صحرایی و اکتشافات زیرزمینی گردآوری می‌شود، داده‌های کمی و عددی درباره ویژگی‌های ذاتی یا اکتسابی مصالح نیز مورد نیاز است. از این رو سنگ وخاکرا در آزمایشگاه، یا در صحرا و به طور برجا، مورد آزمایش قرار می‌دهیم. هدف از بررسی‌های مربوط به تعیینویژگی‌های مصالح زمین شناسی را به گونه زیر می‌توان خلاصه کرد:
الف) شناسایی و طبقهبندی مصالح (سنگ و خاک)
ب) تعیین روابطی که ما بین ویژگی‌های مختلف مصالح وجود دارد
ج) تجزیه و تحلیل‌ها و ارزیابی‌های مهندسی
ویژگی‌های ژئوتکنیکی مصالح
ویژگی‌های ژئوتکنیکی مصالح زمین‌شناسی را می‌توان با توجه طبیعت و کارایی‌هایشان به 4 گروه زیر تقسیم کرد:
- ویژگی‌های اساسی
به ویژگی‌های پایه ای مصالح اطلاق می‌شود و برای شناسایی و تعیین ارتباط و همبستگی (کرولاسیون) بین مصالح به کار می‌روند. برخی از این مشخصات در محاسبات مهندسی نیز کاربرد دارند. تخلخل، رطوبت، چگالی و سختی از ویژگی‌های اساسی مصالح‌اند.
- ویژگی‌های شاخص
گروهی از ویژگی‌های فیزیکی است که اساساً در طبقهبندی و همچنین برای تعیین ارتباط (همبستگی یا کرولاسیون) با ویژگی‌های مهندسی به کار می‌روند. دانه‌بندی، حد روانی، خمیری و مقاومت فشاری تک محوری و شاخص بارگذاری نقطه‌ای از ویژگی‌های شاخص مصالح‌اند.
- ویژگی‌های هیدرولیکی
گروهی از ویژگی‌های مصالح‌اند که بر حسب نفوذپذیری بیان می‌شوند. ویژگی‌های هیدرولیکی، وضعیت جریان سیالات را در محیط زمین‌شناسی مشخص می‌کنند.
- ویژگی‌های مکانیکی
مقاومت مصالح در برابر گسیختگی و مشخصات مربوط به تغییر شکل غیر شکننده از این گروه‌اند. این بخش از ویژگی‌های مصالح به دو گروه استاتیک و دینامیک تقسیم می‌شوند.
از میان چهار گروه فوق، اندازهگیری ویژگی‌های مکانیکی و هیدرولیکی، که پایه‌ای برای تمام تجزیه و تحلیل‌های مهندسی‌اند، اغلب پر‌خرج و اجرای دقیق آنها معمولاً وقت‌گیر و مشکل است. ویژگی‌های هیدرولیکی و مکانیکی مصالح را مجموعاً ویژگی‌های مهندسی نیز می‌نامند. گردآوری اطلاعات در مورد ویژگی‌های ژئوتکنیکی مصالح ممکن است توسط آزمون‌های آزمایشگاهی یا صحرایی حاصل شود.
نمونه‌های سنگ بکر که به صورت مغزه سنگی از حفاری بدست می‌آید اغلب در آزمایشگاه و به ندرت در صحرا آزمایش می‌شوند. مغزه‌های سنگی در درجه اول برای تعیین ویژگی‌های اساسی و شاخص مورد آزمایش قرار می‌گیرند. به طور کلی ویژگی‌های مهندسی مهم سنگ را نمی‌توان از روی نمونه کوچکی از سنگ یکپارچه تعیین نمود.
ویژگی‌های اساسی و شاخص سنگ بکر
ویژگی‌های اساسی سنگ بکر عبارت است از: روابط وزنی و حجمی، ویژگی‌های شاخص سنگ بکر نیز عبارت است از: مقاومت فشاری تک محوری، شاخص بارگذاری نقطه‌ای و سرعت امواج صوتی در سنگ. بررسی‌ها و اندازه‌گیری‌های فوق در آزمایشگاه و بر روی نمونه سنگ بکر، یا نمونه تا حدی هوازده ولی عاری از سطوح ضعیف و گسستگی اجام می‌شود.
روابط وزنی و حجمی
درارتباط با روابط وزنی و حجمی سنگ، ذکر چند نکته ضروری است:
الف) چگالی نسبی اغلب کانی‌های تشکیل دهنده‌ی سنگ‌ها دامنه‌ای از 65/2 الی 80/2 دارد.البته در مواردی که کانی‌های سنگین‌تر مثل هورنبلند، اوژیتیاهماتیت وجود داشته باشد، نسبی می‌تواند از 3 تا 5 باشد.
ب) تخلخل در سنگ‌های آذرین، وابسته به میزان حفرات و درسنگ‌های رسوبی وابسته به درجه سیمانی شدن سنگ است. علاوه بر آن در نمونه دستی سنگ بکر میزان تخلخل وابسته به حفرات موجود در سنگ است. در چنین نمونه‌هایی نفوذپذیری ارتباط مستقیم با تخلخل دارد. خلاصه اینکه ارتباطی قوی بین چگالی، تخلخل و مقاومت سنگ بکر موجود است.
ویژگی‌های اساسی و شاخص توده سنگ
مفهوم توده سنگ در مورد وضعیت سنگ در صحرا و به طور برجا به کاربرده می‌شود. بدیهی است که توده سنگ ممکن است حاوی سطوح ضعف گوناگون یا درجات مختلفی از هوازدگی باشد. به طور کلی از میان ویژگی‌های اساسی توده سنگ می‌توان چگالی و از میان ویژگی‌های شاخص آن سرعت امواج صوتی و کیفیت مغزه حفاری (RQD) را نام برد.
چگالی توده سنگ: مناسب‌ترین روش برای تعیین چگالی سنگ به طور برجا استفاده از روش چاه نگاری ژئوفیزیکی گاما است. نتایج این روش از هوازدگی، شکستگی‌ها، بازشدگی‌ها و حفرات کوچک موجوددر سنگ، که مجموعاً عوامل کاهش دهنده چگالی‌اند، تأثیر پذیرفته و در نتیجه واقعی چگالی واقعی توده سنگ برجا را به دست می‌دهد.
قابلیت حفاری: این واژه برای نمایش میزان سهولت خرد شدن سنگ بار وسایل ساختمانی حفاری و گودبرداری به کار می‌رود و چون رابطه مستقیمی با کیفیت سنگ از نقطه نظر سختی و میزان شکستگی‌ها دارد لذا می‌توان آن را با روش لرزه‌ای انکساری تعیین نمود. در مواردی که سنگی با وسایل مکانیکی مرسوم قابل حفاری نباشد باید از چالزن هوای فشرده و آتشکاری استفاده کرد.
ویژگی‌های هیدرولیکی سنگ‌ها
در سنگ بکر، نفوذپذیری به اندازه فضاهای موجود در سنگ و نحوه ارتباط آنها و درصد اشباع سنگ وابسته است. مقدار ضریب نفوذپذیری (k) در توده سنگ بیش از همه متاثر از مشخصات شکستگی‌های سنگ میزان اشباع، و طبیعت تنش اعمال شده است. به عنوان مثال، تنش‌های کششی در زیر یک سد بتنی قادر است درزها و فولیاسیون‌ها را به مقدار قابل توجه بار نموده و به این ترتیب نفوذپذیری را افزایش می‌دهد.
