نحوه انجام آزمایش تورم سنجی سنگ

در این مقاله قصد داریم شما را با آزمایش بررسی خاک، آزمایش تورم سنجی سنگ یا همان آزمایش آزمون آماس سنگ آشنا کنیم. انجام دادن این آزمایش پارامترها و مشخصه‌های مهمی در مورد رفتار سنگ‌های سطح زمین و سنگ‌های زیرزمینی در اختیار مهندسان و پیمانکاران قرار می‌دهد. تمام پروژه‌هایی که برای اجرایی شدن نیاز به حفر فضاهای زیرزمینی دارند، ممکن است در لایه‌های مختلف زمین، با شرایط محیطی مختلفی روبرو شوند. به همین دلیل، قبل از استارت زدن پروژه، باید نسبت به رفتار لایه‌های زیرزمینی سنگ‌ها اطلاعاتی را به دست بیاورند. آزمایش تورم سنجی سنگ مقدار افزایش حجم سنگ در اثر جذب کردن آب و رطوبت را بررسی می‌کند. بررسی مقدار متورم شدن سنگ‌ها در اثر جذب آب اطلاعات بسیار مفید و حیاتی را در اختیار ما قرار می‌دهد.

آزمایش تورم سنجی سنگ

سنگ‌های مختلف در مواجهه با آب و رطوبت، رفتارهای مختلفی را از خود نشان می‌دهند. برخی اصلاً هیچ آبی را جذب نمی‌کنند، برخی با جذب مقدار کمی آب، اندکی متورم می‌شوند و گروهی دیگر از سنگ‌ها، آب زیادی به خود جذب کرده و با تورم‌های زیاد، خواص و رفتارهای متفاوتی را از خود بروز می‌دهند. افزایش حجم سنگ‌ها در اثر جذب کردن آب، با پدیده آزادسازی تنش (Stress relief) مرتبط است.

سنگی که آب زیادی به خود جذب کرده باشد، در اثر از دست دادن آب می‌تواند تنش زیادی را آزاد کرده و به سازه فوقانی خود آسیب وارد کند. جذب آب و از دست دادن آب توسط سنگ، می‌تواند تمام خواص سنگ از جمله مقاومت در برابر فشار و تنش و نسبت جرم به حجم سنگ (چگالی) را کاهش یا افزایش دهد.

 انجام آزمایش تورم سنجی سنگ در پروژه‌هایی نظیر تونل‌سازی، سدسازی، ایجاد اسکله، حفر فضاهای زیرزمینی، لوله‌کشی زیرزمین، ساخت بنادر و به‌طور کلی، هر پروژه‌ای که در معرض دسترسی به آب‌های زیرزمینی و آب‌های آزاد دارد، به‌منظور رعایت موارد ایمنی و استحکام سازه بسیار مهم و ضروری به نظر می‌رسد. عدم انجام آزمایش تورم سنجی سنگ می‌تواند حوادث ناگوار مالی و جانی زیادی را در پی داشته باشد.

هدف اصلی از انجام آزمایش تورم سنجی سنگ، تعیین فشار لازم برای ثابت نگه‌داشتن حجم نمونه ماده سنگ است. در طی این آزمایش باید نمونه سنگ تحتانی محل پروژه عمرانی را در یک ظرف آب غوطه‌ور کرده و سپس میزان جذب آب سنگ، میزان تنش آزادسازی شده در اثر خشک شدن سنگ و تغییرات حجم سنگ را مورد بررسی قرار داد. برای انجام دادن این آزمایش، به ابزار و تجهیزات خاصی نیاز خواهیم داشت.

بیشتر بخوانید: پایدارسازی گود

ابزار و تجهیزات مورد نیاز برای انجام دادن آزمایش تورم سنجی سنگ

برای انجام دادن این آزمایش، به دستگاه مخصوصی نیاز دارید که بسیار شبیه به دستگاه آزمایش تحکیم خاک است. دستگاه مخصوصی که از قطعات و ابزار زیر تشکیل شده است:

• حلقه‌های فلزی (Metal Rings): برای شروع آزمایش، نیاز به مهار کردن نمونه خواهید داشت. نمونه داخل دستگاه به‌وسیله این حلقه‌های فلزی احاطه می‌شوند تا روند تغییر شکل جانبی نمونه در اختیار شما باشد. سطح داخلی حلقه‌ها برای کاهش اصطکاک صیقلی بوده و روغن‌کاری می‌شود.
• سنگ‌های متخلخل بالا و پایین نمونه (Porous rocks above and below the sample): یکی دیگر از اجزای مهم دستگاه مخصوص آزمایش تورم سنجی سنگ، سنگ‌های متخلخلی هستند که امکان جاری شدن آب از بالا به سمت پایین نمونه را فراهم می‌کنند. قطر صفحه بالایی باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که امکان لغزیدن آزادانه درون حلقه فلزی را داشته باشد. برای کاهش اصطکاک بین نمونه و این صفحات، می‌توانید از صافی‌ها و فیلترهای مخصوص استفاده کنید. این سنگ‌ها پس از هر بار آزمایش و به‌منظور جلوگیری از ایجاد گرفتگی در حفره‌ها، باید شسته و تمیزکاری شوند.
• سلول آزمایش (Test Cell): سلول آزمایش اصلی‌ترین بخش سازنده دستگاه است. سلول آزمایش در واقع همان محفظه‌ای است که نمونه را در بر گرفته و آن را در آب غوطه‌ور می‌سازد. این سلول باید گنجایش مدنظر برای غوطه‌ور کردن کامل نمونه در آب را داشته باشد. سطح آب باید بالاتر از صفحه متخلخل بالایی قرار داشته باشد.

میخکوبی یا نیلینگ چیست؟

• جابه‌جایی سنج (gauge displacement): برای اندازه‌گیری دقیق جابه‌جایی‌های ناشی از جذب آب و تورم سنگ، به یک جابه‌جایی سنج دقیق نیاز پیدا خواهیم کرد. این جابه‌جایی سنج که بر روی محور مرکزی نمونه نصب می‌شود، باید دقتی معادل با ۰.۰۲۵ میلی‌متر داشته باشد تا بتواند کوچک‌ترین تورم‌های سنگ را که ناشی از جذب آب است، محاسبه کند.
• سیستم بارگذاری (Load system): دستگاه بارگذاری یا دستگاه لود (برای مثال، جک‌های پیچی)، به سیستمی گفته می‌شود که با تنظیم مداوم بار، حجم نمونه سنگ متورم شده در طول آزمایش را ثابت نگه می‌دارد.
• سیستم اندازه‌گیری بار (Load measuring system): سیستم اندازه‌گیری بار همان‌طور که از نامش مشخص است، برای اندازه‌گیری بار مورد نیاز جهت مقابله با تورم نمونه سنگ کاربرد دارد. این سیستم باید دقتی معادل با ۱ درصد بار اعمال‌شده داشته باشد.

درصد رطوبت طبیعی نمونه باید حداکثر ۱ درصد با درصد رطوبت نمونه در محل تفاوت داشته باشد. برای شروع آزمایش به دو نمونه صحرایی نیاز خواهید داشت؛ یکی برای تورم سنجی و دیگری برای تعیین درصد آب و رطوبت نمونه. نمونه‌ها قبل از شروع آزمایش باید در یک محیط با رطوبت ثابت قرار بگیرند.

از آنجایی که شکل سلول آزمایش به شکل استوانه است، شکل نمونه‌های نیز تا جای ممکن باید به‌گونه‌ای انتخاب شوند که بیشترین سازگاری ممکن را برای بارگذاری داشته باشند. فضای داخلی حلقه دستگاه باید به‌صورت کامل توسط نمونه پر شود. قطر استوانه سلول آزمایش ۲.۵ برابر بیشتر از ضخامت شیشه آن است. همچنین، ضخامت استوانه باید از ۱۵ میلی‌متر یا از ۱۰ برابر قطر بزرگ‌ترین سنگ‌دانه نمونه (هرکدام که عدد بزرگ‌تری است)، بزرگ‌تر باشد.

انکراژ یا مهارگذاری روشی اقتصادی و نسبتاً جدید جهت پایدارسازی شیب ها و… می‌باشد.

مراحل انجام آزمایش تورم سنجی سنگ

مراحل انجام آزمایش تورم سنجی سنگ به ترتیب زیر است:

• نمونه وارد دستگاه شده و دستگاه سرهم می‌شود. سپس نیرویی معادل با ۱۰ کیلوپاسکال به نمونه اعمال می‌شود.
• پس از اعمال فشار، سلول آزمایش تا بالای صفحه متخلخل بالایی از آب پر می‌شود.
• ضخامت نمونه باید با دقت ۰.۰۱ میلی‌متر ثابت نگه داشته شود و همچنین، نیروی وارد بر نمونه باید طوری تنظیم شده باشد که از افزایش حجم نمونه در مدت زمان آزمایش، جلوگیری کند.
• نیروی تورم تا رسیدن به یک مقدار موردنظر، به‌صورت تابعی از زمان اندازه‌گیری و ثبت می‌شود.

در انتها، شاخص فشار تورمی از فرمول زیر حاصل می‌شود:

• F = حداکثر نیروی محوری که در طول زمان آزمایش، بر حسب کیلو پاسکال ثبت شده است
• A = سطح مقطع نمونه بر حسب سانتی‌متر مربع

میکروپایل (ریزشمع) علاوه بر آنکه به عنوان یک المان باربر و مقاوم h در برابر نشست عمل می‌کند، به دلیل تزریق دوغاب سیمان، سبب بهبود مشخصات مقاومتی خاک اطراف نیز می گردد.

سخن پایانی

باتوجه به گفته‌های فوق برای تشخیص پارامترها و رفتارهای سنگ‌های سطح زمین و سنگ‌های زیرزمینی نیاز به انجام آزمایشات و طی کردن مراحلی دارد. قبل از استارت خوردن پروژه حتما آزمایش‌های مربوطه انجام گردد.