ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - دستورالعمل تعیین تنش برجا و ضریب تغییر شکل پذیری با استفاده از روش جک تخت (Flat Jack Method)

با انجام آزمایش جک تخت (Flat Jack)، تنش بر جای توده سنگ و ضرایب شکل پذیری در سطوح رخنمون یافته ناشی از حفاری های زیرزمینی تعیین می شود. لازم به ذکر است دستورالعمل آزمایش جک مسطح بر پایه آیین نامه ASTM D4729 تدوین شده است.


اهمیت و موارد استفاده آزمایش جک تخت


آزمایش جک تخت در اکثر موارد در داخل گالری انجام می شود. در این آزمایش به منظور تعیین تانسور تنش، میزان تنش برجا در جهت عمود بر محور شکاف در چندین راستا محاسبه می شود. از نکات قابل توجه آزمایش جک تخت این است که به طور کلی جک مسطح، تنش های موازی محور تونل در جهات قائم را دقیق تر اندازه گیری می کند زیرا این تنش ها خیلی کمتر تحت تاثیر وجود تونل قرار می گیرند. علاوه بر این، درصورتی که یکی از مولفه های تنش از سایر مولفه ها، به مقدار قابل توجهی بیشتر باشد (حدود 3 الی 4 برابر) ممکن است در نقاط مشخصی از گالری، فشار خیلی کم یا حتی به صورت تنش کششی وجود داشته باشد. در این صورت آزمایش جک مسطح ممکن است نتایج غیرقابل قبولی به دست دهد. به دلیل احتمال تاثیر این عوامل، درازای گالری آزمایشی باید دست کم، دو یا ترجیحا تا 5 برابر قطر گالری آزمایش باشد. آزمایش جک مسطح در سه مقطع مستقیم که با یکدیگر زاویه 90 درجه می سازند، انجام می شود تا نتایج قابل اعتمادی به دست آید و چنانچه نتایج در یک راستا غیرعادی باشد، می توان با استفاده از آزمایش در دو مقطع دیگر، اطلاعات مناسب و قابل استفاده ای به دست آورد.


تعاریف


  • فشار برگشت پذیری (فشار جبرانی): فشاری که لازم است تا سنگ به وضعیت اولیه بازگردد.
  • تنش جداری: تنش مماسی در سطح فضای حفاری شده را تنش جداری می نامند.
  • تنش دست نخورده: به میدان تنش توده سنگ پیش از ایجاد فضای زیرزمینی گفته می شود.

محدودیت آزمایش جک تخت


  • آزمایش جک مسطح، اندازه تنش را تنها در سطح محل آزمایش تعیین می کند. مقدار تنش واقعی (دست نخورده) با کمک روابط نظری با توجه به اطلاعات به دست آمده، محاسبه خواهد شد.
  • فرآیند رهاسازی تنش غالباً الاستیک و برگشت پذیر فرض می شود. این فرض ممکن است در سنگ های ناهمگن و یا شدیداً خرد شده لزوماً فرض صحیحی نباشد.
  • در معادلات، توده سنگ همسانگرد و همگن فرض می شود. با توجه به این موضوع میزان اثرات ناهمسانگردی باید به کمک آزمایش جک مسطح در راستاهای مختلف تخمین زده شود.
  • بازده عملکرد جک مسطح 100 درصد فرض می شود. نیازمندی های طراحی و اندازه تجهیزات اشاره شده تنها با چند درصد خطا باید تامین گردد.
  • راستای قرارگیری جک در سطح فضای حفر شده در راستای تنش های اصلی فرض می شود. از تنش برشی ایجاد شده با فشار جک، صرف نظر نمی شود. انجام آزمایش جک تخت در سه راستای مختلف، حداقل از امکان ایجاد خطای مفرط در یکی از آزمایش ها می تواند جلوگیری کند.
  • این دستورالعمل شامل تمامی مسائل ایمنی نمی شود. به همین دلیل مسئولین امر باید از آیین نامه های دیگر موجود در این زمینه برای جلوگیری از هر گونه مشکل ایمنی کمک بگیرند.

تجهیزات آزمایش جک مسطح


مجموعه تجهیزات و جزئیات مربوط به آزمایش جک مسطح در ادامه این مقاله ذکر شده است.


الف) جک های مسطح:


جک های تخت یا مسطح زمانی که به درستی نصب شده باشند، باید بتوانند در فشار چندین کیلوپاسکال عملکرد قابل قبولی را ارائه دهند. جک ها باید طوری نصب شوند که دو صفحه اصلی در صورت لزوم در راستای موازی و در محدوده بیش تر از جک قابلیت جا به جایی داشته باشد. محدوده جا به جایی باید حداقل 6.35 میلی متر باشد. شکل سطح جک ها باید مربع بوده و ضخامت صفحات موازی، باید کم تر از 1 میلی متر باشد.

نمونه ای از صفحات استفاده شده در آزمایش Flat jack
نمونه ای از صفحات استفاده شده در آزمایش Flat jack

ب) ابزار برش


تجهیزات لازم برای ایجاد برش سنگ مانند ماشین برش با تیغه دیسکی الماسه، باید بتواند شکاف هایی با ابعاد مناسب ایجاد کند. چنانچه ایجاد شکاف آزمایش از طریق چال های همپوشان صورت می گیرد، دستگاه چالزنی و قاب مناسب برای این کار ضروری است.


ج) وسایل اندازه گیری فشار


برای سنجش فشار جک، از سنجشگر فشار با قابلیت اندازه گیری حداقل 0.14± استفاده می شود. این مقدار شامل خطای تجهیزات قرائت می باشد.


د) وسایل اندازه گیری تغییر شکل


برای اندازه گیری تغییر شکل از مجموعه سنسور های کرنش سنج ویته مور (Whitte More) یا جابه جایی سنج  (LVDT) های با حداقل دقت 0.0025± میلی متر و با حساسیت 0.0013 استفاده می شود. لازم به ذکر است که هر یک از ادوات مذکور، پیش از استفاده در آزمایش جک تخت باید واسنجی شوند تا از عملکرد مناسب آنها در حین آزمایش، اطمینان کافی حاصل گردد. تاثیر روغن هیدرولیکی و افزایش فشار محصور کننده بر روی سنجشگرها (گیج) باید پیش از آزمایش جک تخت تعیین شود.


ه) ملات


ملات سیمان مورد استفاده باید به گونه ای باشد که جک مسطح در داخل شکاف را به سرعت به مقاومت اولیه بالا رسانده و از مواد غیرقابل انقباض ساخته شود. ملات ممکن است شامل بیش از 50 درصد وزنی ماسه تمیز با ابعاد دانه بندی بین 20 و 60 مش باشد. برای ساخت ملات از آب تمیز و قابل آشامیدن استفاده شود. مقاومت ملات عمل آوری شده، باید بیش از تنش اعمالی بر جک مسطح باشد. مدول ملات باید تعیین شده و از مدول سنگ متمایز شود.


مراحل انجام آزمایش جک مسطح


1- مشخص نمودن چیدمان جک ها در هر ایستگاه آزمایش:


در هر مقطع گالری دست کم باید یک سری از جک ها نصب شوند. هر مرتبه، باید شامل 3 جک مسطح باشد که به صورت افقی، با شیب 45 درجه و قائم نصب شوند. جک های هر گروه باید با فواصل طولی حداقل 6 متر از یکدیگر قرار داده باشند.


2- آماده سازی سطح سنگ و ایجاد حفره:


در آماده سازی سطح سنگ و ایجاد حفره، موارد زیر باید رعایت گردند:


  • کیفیت سنگ: برای انجام آزمایش جک مسطح به سطحی مقاوم و صاف با کمی تقعر نیاز می باشد. جک تخت را نباید در مناطق شکسته شده کار گذاشت. روش تشخیص این گونه سنگ ها اعمال ضربه با چکش است چرا که این گونه مناطق در اثر ضربه چکش صدای پوکی می دهند، درحالی که مناطق سالم صدای زنگ دار تولید می کنند. در صورت نامناسب بودن سطح، لازم است با وسایل حفاری دستی و بادی شکل هندسی تونل تا حد امکان اصلاح شود.
  • ابعاد: سطح آماده شده باید حاقل 0.3 متر از هر انتهای شکاف جک مسطح و نیز 0.3 متر دورتر از نقاط اندازه گیری، گسترش داشته باشد.
آرایش تجهیزات اندازه گیری جک مسطح در اطراف شکاف
آرایش تجهیزات اندازه گیری جک مسطح در اطراف شکاف

  • روش آماده سازی سطح:

برای حفاری تا یک عمق یکنواخت، نیازمند آماده سازی سطح سنگ می باشد. در آماده سازی به روش حفر چال های هم پوشان، سنگ باقی مانده بین چال های حفاری ممکن است با حرکت رو به جلو و عقب سرمته خارج شود. این حرکت تا زمانی ادامه می یابد که یک سطح صاف از سنگ ایجاد شود. به جای این کار در سنگ  سالم، می توان از خرج گذاری به صورت کاملاً کنترل شده استفاده نمود و سپس سنگ باقی مانده را از شکاف خارج کرد. در سنگ های نرمتر ممکن است ابزار برش و یا دیگر وسایل خرد کننده مورد استفاده قرار گیرد. پس از انجام این عملیات، باید سطح سنگ صاف شود. اختلاف بیشترین برآمدگی تا بیشترین فرورفتگی نیاید از 50 میلی متر تجاوز نماید.


3- نصب ورارسان:


ورارسان در مرکز و عمود بر جک مسطح در سطح یا در ژرفا نصب می شوند. ورارسان هایی که برای اندازه گیری تنش به کار می روند، باید در محدوده L/2 شکاف جک مسطح نصب شوند. (پهنای جک تخت = L)


4- ایجاد شکاف:


شکاف، با استفاده از اره یا حفاری نزدیک به هم چال ها در سنگ های سست یا شدیداً ترک خورده ایجاد می شود. در هنگام ایجاد شکاف، باید میزان لرزش به حداقل برسد تا از تغییر بیش از اندازه در شرایط تنش سنگ محوطه جلوگیری شود. پهنای شکاف نباید بیش از 74 میلی متر و راستای آن نیز نباید بیش از 75 میلی متر از لبه های جک مسطح گسترش داشته باشد. شکاف باید به اندازه کافی عمیق باشد تا جک مسطح قابلیت داخل شدن در شکاف با فاصله 75 میلی متر را داشته باشد و در کنار پایین ترین نقطه اندازه گیری در مجاورت سنگ سالم شکاف برسد.


5- قرائت تغییر شکل ها پس از ایجاد شکاف:


تغییر شکل به جود آمده در اثر رهایی (Relaxation) ایجاد شده در سنگ، پیش از جایگذاری جک ها باید توسط ابزارهای موجود اندازه گیری شود.


6- نصب صفحات جک:


جک مسطح باید در مرکز شکاف و در عمق 75 میلی متری از سطح صاف حفاری قرار بگیرد، تا احتمال گسیختگی در هنگام اعمال فشار به حداقل برسد. در صورت استفاده از ملات باید اطراف جک پر شده و عاری از هرگونه حباب هوا یا حفره باشد. زمان کافی برای گیرش، به ملات داده شود تا مقاومت فشاری بیش از تنش پیش بینی شده جک را داشته باشد.


7- آزمایش جک مسطح:


برای شروع، میزان فشار بین صفحات جک با گام 0.7 مگاپاسکال شروع به افزایش می کند. پس از هر مرحله افزایش فشار، تغییر شکل باید اندازه گیری شود. برای اندازه گیری مقدار تغییر شکل وابسته به زمان، باید مقدار فشار حداکثر به مدت 15 دقیقه ثابت و بدون تغییر باقی بماند. برای جلوگیری از بروز خطاهای مختلف به ویژه خطای قرائت، قرائت تغییر شکل باید هر 5 دقیقه یک بار صورت بگیرد. در مرحله بعدی فشار با گام 0.6 مگاپاسکال تا صفر کاهش یافته و مجدداً تغییر شکل اندازه گیری می شود. پس از رسیدن به هدف آزمایش جک مسطح یعنی کسب تغییر شکل وابسته به زمان، فشار صفر باید 15 دقیقه حفظ شود و دوباره قرائت تغییر شکل باید هر 5 دقیقه یک بار انجام گیرد. چرخه بارگذاری باید حداقل دو بار با گام های مساوی افزایشی و کاهشی تکرار و قرائت ها یادداشت شود. بهتر است تنش حداکثر در این چرخه ها تا حد امکان زیاد باشد تا نتایج بهتری از آزمایش جک مسطح حاصل شود. البته این مقدار به عواملی نظیر محل جک، مشخصات جک، مقاومت سنگ و فشار برگشت پذیری بستگی دارد. در شکل زیر اصطلاحات هندسی آزمایش جک تخت نشان داده شده است.

اصطلاحات هندسی در روش جک مسطح
اصطلاحات هندسی در روش جک مسطح

ثبت اطلاعات مورد نیاز


اطلاعات حاضر در جدول زیر، حداقل اطلاعاتی است که باید در این آزمایش توسط آزمونگر ثبت شود.

مشخصات تجهیزات و وسایل آزمایش جک تخت
مشخصات تجهیزات و وسایل آزمایش جک تخت

جدول ثبت قرائت های آزمایش
جدول ثبت قرائت های آزمایش

محاسبات


یکی از چالش های موجود در این آزمایش، وابستگی محاسبات تنش و مدول تغییر شکل به دست آمده به هندسه پیچیده بارگذاری است. زیرا فشار جک تنها در یک جهت گسترش می یابد. بنابراین مولفه های جانبی و برشی تنش ذخیره نمی شود. تاثیر این موضوع زمانی قابل توجه می شود که جک در مسیری غیر از مسیر تنش های اصلی قرار گرفته باشد. معادلات ارائه شده در این قسمت تا حد قابل قبولی در بسیاری از موارد، نتایج قابل اعتمادی را در مقایسه با سایر روش ها ارائه نموده است. با این حال، تجزیه و تحلیل اطلاعات به عوامل مختلف نظیر میدان های تنش و مشخصات زمین شناسی بستگی دارد. به همین دلیل توصیه می شود که برای حصول اطمینان بیشتر از نرم افزارهای مدلسازی عددی در کنار آزمایش برجا استفاده گردد.


  • فشار لازم برای برگشت جا به جایی های ایجاد شده

محاسبات مربوط به تنش جداری به دو گروه اصلی تقسیم می شود. یک گروه شامل تغییر شکل های اندازه گیری شده در هر طرف شکاف و گروه دیگر شامل تغییر شکل های اندازه گیری شده در میان شکاف می باشد:


  • زمانی که تغییر شکل بین نقاط در یک سمت شکاف جک تخت اندازه گیری می شود تنش سطحی با استفاده از تئوری الاستیسیته محاسبه می شود. کرنش محاسبه شده با ایجاد شکاف، مشابه با کرنش ایجاد شده با یک حفره دراز بیضی شکل در یک صفحه الاستیک است و کرنش ایجاد شده با جک مسطح همانند بارگذاری یکنواخت در لبه یک صفحه تقریباً نامتناهی می باشد. در جدول زیر نسبت تنش اولیه به فشار برگرداننده برای سنجش جابه جایی در فواصل متفاوت از شفت، در ضریب پواسون مختلف، بیان شده است.
نسبت تنش سطحی به فشار لازم برای برگشت جابه جایی ها برای جک تخت با مساحت یک متر مربع
نسبت تنش سطحی به فشار لازم برای برگشت جابه جایی ها برای جک تخت با مساحت یک متر مربع

  • هنگامی که تغییر شکل بین نقاط در دو طرف شکاف جک مسطح، اندازه گیری می شود، از تئوری الاستیسیته برای محاسبه تنش سطحی استفاده می شود. تغییرشکل ایجاد شده در اثر شکاف در یک طرف جک (W) به کمک رابطه زیر محاسبه می شود:
فرمول در اثر شکاف در یک طرف جک

 در این روابط متغیرها به شکل زیر تعریف می گردد:


W0 = جابه جایی در یک طرف شکاف در هنگام برش یک شکاف نازک نامحدود (میلی متر)

W1 = جابه جایی در یک طرف شکاف ناشی از تنش دو محوره (میلی متر)

W2 = جابه جایی در یک طرف شکاف ناشی از تنش دو محوره (میلی متر)

Q = تنش سنگ در راستای موازی با جک (مگاپاسکال)

S = تنش سنگ در راستای عمود با جک (مگاپاسکال)

C = نصف طول شکاف (میلی متر)

Y = فاصله نقطه اندازه گیری تا خط مرکزی جک (میلی متر)

Y0 = نصف پهنای شکاف (میلی متر)

ϑ = ضریب پواسون

E = ضریب تغییرشکل پذیری توده سنگ (گیگاپاسکال)

تغییرشکل ایجاد شده با اعمال فشار جک (Wj) با کمک رابطه بالا به صورت رابطه زیر محاسبه می شود:

تغییرشکل ایجاد شده با اعمال فشار جک
تغییر شکل ایجاد شده با اعمال فشار جک

P = فشار جک (مگاپاسکال)

C0 = نصف طول جک (میلی متر)

** در این شرایط فشار لازم برای برگرداندن جا به جایی های صورت گرفته برابر است با:

W = Wi


 تعیین ضرایب شکل پذیری:

در محاسبه ضریب شکل پذیری نیز محاسبات به دو روش انجام می گیرد:


الف) حالتی که تغییرشکل در یک طرف شکاف اندازه گیری شده است:

تعیین ضرایب شکل پذیری

P = فشار جک (مگاپاسکال)

L = فواصل بین نقاط اندازه گیری (میلی متر)

Y∆ = تغییر شکل بین نقاط اندازه گیری (میلی متر)

R = ضریب پراکنش تنش

** این ضریب از طریق معادله زیر محاسبه می شود:

ضریب پراکنش تنش

در این رابطه Az و Aq در حقیقت زاویه بین نقاط اندازه گیری با لبه های جک تخت استفاده شده در آزمایش جک مسطح بر حسب رادیان است. این زوایا در شکل مربوط به اصلاحات هندسی نشان داده شده است.

ب) با در دست داشتن مقدار تغییرشکل در میانه شکاف، ضریب ارتجاعی (مدول الاستیسیته) به روش زیر محاسبه می گردد:

ضریب ارتجاعی

P = فشار جک (مگاپاسکال)

K = ضریب وابستگی به شکل هندسی آزمایش

Y∆ = تغییر شکل بین نقاط اندازه گیری (میلی متر)


گزارش نتایج


بخش های مختلف گزارش نهایی آزمایش جک مسطح باید موارد زیر را شامل شود:


1- مقدمه گزارش:


  • موقعیت و جهت هر یک از جک ها
  • اصول انتخاب موقعیت با ذکر جزئیات و دلایل قانع کننده
  • محدودیت های آزمایش
  • خلاصه ای از شرایط زمین شناسی محل آزمایش (باید در این بخش مشخصات سنگ از نظر مشخصات درزه ها، میزان هوازدگی و… ذکر گردد.)

2- روش انجام آزمایش:


  • مشخصات وسایل و تجهیزات به کار رفته در آزمایش
  • ذکر روش اجرای آزمایش به صورت جزء به جزء
  • ذکر اثر تغییرات بر نتایج آزمایش
  • اگر تجهیزات اصلی مورد استفاده، متفاوت از تجهیزات یاد شده در این روش باشد، هرگونه تغییر و دلایل آن باید آورده شود.

3- پیشینه نظریه آزمایش


  • کلیه محاسبات شامل روابط و تبدیل داده های انجام شده
  • ذکر فرضیات اصلی

4- نتایج آزمایش


  • تهیه جدول نتایج شامل نوع سنگ، راستاهای قرارگیری جک مسطح، میانگین فشار لازم برای برطرف کردن جا به جایی ها، تنش سطحی و میانگین مقادیر ضرایب تغییر شکل، دامنه تغییرات و مقادیر غیرقطعی باید بیان شده باشد.
  • ارائه جدولی شامل تعداد آزمایش، انواع سنگ دیده شده در محل، راستاها، تغییر شکل، فشار لازم برای برطرف کردن جا به جایی ها، تنش سطحی و مقادیر ضریب تغییر شکل
  • ترسیم منحنی های فشار – تغییرشکل برای هر یک از انواع سنگ
  • هیستوگرام نتایج
  • مقایسه نتایج با دیگر آزمایش های برجا
  • تخمین سطوح به هم خورده تنش
  • بررسی مقایسه نتایج با دیگر مطالعات

منابع:

  1. نشریه شماره 737 سازمان برنامه و بودجه کشور “دستورالعمل انجام آزمون های آزمایشگاهی و صحرایی مکانیک سنگ”

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

سایر مقاله ها

خطا ها و محدودیت ها و مزایای مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

نیروهای حجمی ناشی از گرانش نقش بسیار مهمی در مسائل [...]


بیشتر بخوانید

تئوری، ساز و کار و فرضیات مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

یکی از بهترین روش های بررسی یک پدیده در مهندسی، [...]


بیشتر بخوانید

قوانین مقیاس و کاربرد‌های مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

یکی از بهترین روش های بررسی یک پدیده در مهندسی، [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش آماس سنگ (Swelling testing of rock)

در طی حفر فضاهای زیرزمینی احتمال وجود شرایط مختلف زمین [...]


بیشتر بخوانید