Experimental Rock Mechanics

کتاب مکانیک سنگ آزمایشگاهی با هدف پوشش نظام مند تمامی مسائل مربوط به مکانیک سنگ نوشته نشده است. در عوض به موضوعاتی منتخب از مسائل بنیادی به ویژه مسائلی که با فیزیک صفحات زمین و لرزه شناسی سروکار دارد می پردازد. به علاوه، تلاشی برای مرور تمام پیشرفت های انجام شده نمی کند بلکه صرفا بر کارهای تحقیقاتی نویسنده در زمینه مکانیک سنگ آزمایشگاهی تمرکز می کند. نویسنده به عنوان یک متخصص ژئوفیزیک و لرزه شناسی، از همان ابتدای شروع کار تحقیقاتی اش به شکست و جاری شدن سنگ ها تحت تنش علاقه داشته است. در زمینه لرزه شناسی، کتاب “پیش بینی زلزله” (Earthquake Prediction) توسط نویسنده این کتاب نوشته شده است. به موازات این تحقیقات، نویسنده از حدود سال 1960 مطالعات آزمایشگاهی رفتار مکانیکی سنگ ها را دنبال کرده است.

در کتاب مکانیک سنگ آزمایشگاهی، روش های آزمایشگاهی توسعه یافته و نتایج به دست آمده از تحقیقات نویسنده و همکارانش در طول سالیان کارشان به خصوص در موسسه تحقیقات زلزله در دانشگاه توکیو ارائه شده است. به ویژه، بسیاری از صفحات این کتاب به مسئله مطالعات آزمایشگاهی تغییر شکل و شکست نمونه های سنگ تحت حالت کلی آزمایش سه محوری فشاری که در آن تمام سه مولفه تنش متفاوت اند اختصاص یافته است. اگرچه این مسئله یکی از بنیادی ترین و مهم ترین مسائل است، هیچ کتابی که در آن به طور کامل و بر پایه نتایج آزمایشگاهی قابل اطمینان در این مورد بحث کرده باشد وجود ندارد. در فصل 3، نتایج آزمایشگاهی اثر تنش اصلی میانی، که در دهه 1970 توسط نویسنده به دست آمده، به شکل های گرافیکی و عددی، به صورت جزئی ارائه شده است. این نتایج اهمیت اثر قابل اعتنای تنش اصلی میانی را بر مقاومت نهایی سنگ ها نشان می دهد. از این مورد به طریق غیر قابل توجیهی در تئوری های کولمب (1773)، موهر، گریفیث و دیگر تئوری های مقاومتی که برای زمانی طولانی به کار گرفته شده غفلت شده است. آن ها همچنین نشان دادند که تنش اصلی میانی، قویا حالات تغییر شکل و گسیختگی سنگ ها را تحت تاثیر قرار می دهد. در این نتایج آزمایشگاهی، یک معیار گسیختگی (شکست و جاری شدن) جدید ارائه شده است. به علاوه، پدیده انتشار صوت در سنگ تحت شرایط تنش مختلف و اصطکاک محاسبه شده در سنگ ها به وسیله ماشین طراحی شده تست برشی، در رابطه با پدیده زلزله مورد بحث قرار گرفته اند. به دنبال این موضوعات، برخی از ویژگی های قابل توجه در وقوع زلزله های بزرگ اخیر نیز مورد بحث قرار گرفته است.

مکانیک سنگ، شاخه ای از علوم مواد را به خود اختصاص می دهد. در علوم مواد، تولید و ساخت مواد را در بسیاری از موارد می توان کنترل کرد. هرچند سنگ ها موادی طبیعی هستند که فرآیند ایجاد و تاریخچه تغییراتشان در پوسته زمین پیچیده بوده و به طور کلی ناشناس است. در مراحل ابتدایی توسعه مکانیک سنگ، محاسبات فراوانی در آزمایشگاه بدون توجه دقیق به پیچیدگی مصالح سنگی انجام گرفته است. بنابراین، به عنوان مثال، مقدار مقاومت فشاری نمونه های گرفته شده از توده های سنگی به حد زیادی نوسان می کنند. این داده ها ممکن است برای مقاصد کاربردی سودمند باشند. با این حال، باید میان فرمول بندی تجربی به دست آمده از آن ها و فرمول بندی طبیعی که معنای فیزیکی مشخصی دارند تمایز قائل شد. به منظور ترویج مکانیک سنگ به عنوان یک دانش امروزی در مورد مواد، روش های آزمایشگاهی دقیق و مشخصی را باید ابداع کرد. زمانی که در مورد ویژگی های بنیادی سنگ ها تحقیق انجام می شود، کاهش نوسانات بیرونی داده ها و افزایش تکرارپذیری نتایج آزمایشگاهی بیشترین اهمیت را دارد. برای رسیدن به این هدف، انتخاب نمونه های سنگی یکنواخت و کافی و توسعه تجهیزات جدید برای تست های آزمایشگاهی با دقت بالا ضروری است.

از سویی دیگر، مصالح سنگی و توده های سنگی بسیاری ساختاری غیر همگن و غیر همسان دارند. در کتاب مکانیک سنگ آزمایشگاهی برخی از نتایج آزمایشگاهی ارائه شده که نشان می دهد که چگونه این ویژگی های ذاتی، حالات تغییر شکل و گسیختگی سنگ ها را تحت تاثیر قرار داده و حتی ممکن است کنترل کند.

همانطور که پیشتر عنوان شد، این کتاب فقط با موضوعات مشخصی از زمینه مکانیک سنگ آزمایشگاهی سروکار دارد. در نتیجه، منابع نیز محدود است؛ دکتر پَتِرسون و وانگ به صورت نظام مند تقریبا تمام شاخه های باقی مانده از مکانیک سنگ را مرور کرده و لیست بسیاری از منابع را در کتابشان (Experimental Rock Deformation) آورده اند. کتاب آن ها برای هر کسی که به مطالبی که در این کتاب بیان نشده علاقه مندند می تواند مفید باشد.

توضیحاتی در مورد انتشار صوت

عبارت انتشار صوت به طور گسترده برای بیان پدیده ای به کار می رود که در آن مصالح و سازه ها، در اثر وقوع ناگهانی شکست یا لغزش اصطکاکی در طول سطوح ناپیوسته، امواج الاستیکی از نوع تکان ناگهانی و در برخی موارد پیوسته منتشر می کنند. این پدیده در موارد متنوعی اتفاق می افتد، بنابراین در مورد آن در زمینه های مختلفی از جمله علوم مواد، مهندسی عمران، مهندسی معدن و لرزه شناسی مطالعاتی انجام گرفته است. از این جهت، در مراحل اولیه این پدیده در زمینه های مختلف به صورت مستقل بررسی می شده و برای آن عبارات مختلفی به کار می رفته است، مثلا در مهندسی فلزات عبارت انتشار صوت (acoustic emission) و در مهندسی معدن عبارت فعالیت ریز لرزه ای (microseismic activity) استفاده می شد. نویسنده این کتاب در مقالات اولیه خود عبارت شوک الاستیک (elastic shock) را به کار می برد. از دهه 1970، از عبارت انتشار صوت به طور گسترده استفاده شده است. در فصل چهارم کتاب مکانیک سنگ آزمایشگاهی، برخی از موضوعات مربوط به مطالعات آزمایشگاهی در مورد پدیده انتشار صوت در سنگ و مصالح شبیه به سنگ به طور عمده بر اساس آزمایش های نویسنده ارائه شده است.

احتمالا اولین آزمایش های پدیده انتشار صوت ناشی از شکست مصالح صلب توسط یک لرزه شناس ژاپنی به نام کیشی نویه (1937) انجام گرفته است. او امواج الاستیک با فرکانس بالای ناشی از شکست حاصل از خمش نمونه چوبی به شکل تیر را به منظور شبیه سازی تغییرات زمانی فعالیت زلزله ایتو (1930 ژاپن) محاسبه کرد. در دهه 1940، اُبِرت و دووال (مثلا در سال 1945)، به عنوان بخشی از کار تحقیقاتی شان بر روی مسئله طراحی معدن و جلوگیری از انفجار سنگ، آزمایش هایی بر روی پدیده انتشار صوت انجام دادند. در مهندسی فلزات، کرِیسِر (1953) به ویژگی مهمی از انتشار صوت پی برد که بعد ها به اثر کرِیسِر (Kraiser effect) معروف شد.

در لرزه شناسی، تعدادی از محققان آزمایش هایی را بر روی پدیده انتشار صوت در ارتباط با برخی از مشکلات زلزله گزارش کرده اند. از سال 1959 مجموعه ای نظام مند از تست های آزمایشگاهی بر روی پدیده انتشار صوت توسط نویسنده این کتاب در شرایط مختلف و بر اساس این دیدگاه که زلزله ها رخداد های انتشار صوت بزرگ مقیاس هستند، انجام گرفته است. به طور مشخص از اواخر دهه 1960، مطالعات در مورد انتشار صوت ترویج یافت و به عنوان زمینه جدید در فیزیک سنگ توسعه یافت.

مطالعه در مورد منشا محل رخداد انتشار صوت در نمونه های سنگ جذاب بوده و جنبه مهمی از فیزیک سنگ است. اولین تحقیق توسط شولز (1968) بر روی نمونه های استوانه ای گرانیت وسترلی تحت شرایط تنش سه محوری فشاری انجام گرفت. سپس موگی (1968) برای بررسی این مسئله آزمایش هایی بر روی نمونه های به شکل تیر از سنگ های مختلف تحت بارگذاری خمشی انجام داد. به هنگام مرور این مطالعات ابتدایی، جمله ای از هاردی (1972) می تواند جالب توجه باشد:

“اگرچه مطالعات شولز پیشگام انجام مطالعات در مورد محل انتشار صوت در مقیاس آزمایشگاهی در مصالح زمین شناسی بوده، با توجه به مطالعات محدود انجام شده و دقت بحث برانگیز محل انتشار (تقریبا 0/1 اینچ)، نتایج باید با توجه خاصی بررسی شوند. نظرهای ارائه شده قبلی توسط هاردینگ (1970) و موگی (1968) این نظر را بیشتر تقویت می کند. شاید برجسته ترین تحقیق در مورد این موضوع که با توجه به مصالح زمین شناسی بررسی شده توسط موگی (1968) انجام گرفته باشد. به منظور ارائه هندسه ای ساده تر، موگی از نمونه های تیر شکل تغییر شکل یافته تحت چهار نقطه بارگذاری استفاده کرد. در حین این مطالعات، موگی سه نمونه سنگ مرمر، سه نمونه سنگ گرانیت، یک تراکیت و یک آندسیت به کار برد.”

نویسنده کتاب مکانیک سنگ آزمایشگاهی در قسمت توضیحات مقاله اش به این شکل می نویسد (موگی 1968): “اخیرا شولز (1968) با استفاده از تکان های اولیه امواج S، سعی در تعیین محل شوک های الاستیک پیش از شکست نمونه های گرانیتی داشت. او وجود دسته ای از ریز شکست ها بر روی سطح نهایی گسل را متذکر شد. در تحقیق او، جمعا بیست و دو شوک جایگذاری شد و نتایج با خطاهای محسوسی همراه بود، بنابراین در فرآیند شکست ویژگی های دقیق در محل های منبع انتشار واضح نبود. روش آزمایشگاهی حاضر با استفاده از تکان های اولیه امواج P بسیار ساده تر بوده و نتایج دقیقی را ارائه می کند. به وسیله این روش جدید، تعداد زیادی از محل های منابع انتشار در مراحل پی دی پی در فرآیند شکست برای نمونه های سنگی مختلآف با ساختارهای متفاوت تعیین شده است.”

اونویی (1974) رئیس گروه تحقیقاتی انتشار صوت در ژاپن، در مقاله مروری خود نوشته است که، آزمایش موگی به عنوان اولین مطالعه قابل اطمینان در جهان معروف است که در آن فرآیند پخش شکست به وسیله روش محل منبع انتشار صوت ردیابی شده است.