چکیده

تعیین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگ هاي اولترابازیک جنوب مشهد 3 2 *1 زهره نوربخش رزمی غلامرضا لشکري پور محمد غفوري 1- دانشجوي کارشناسی ارشد زمین شناسی مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد 3-2 استاد گروه زمین شناسی دانشگاه فردوسی مشهد 1 -مقدمه zohre_noorbakhsh@yahoo.com چکیده منطقه مورد مطالعه در جنوب شهر مشهد و از لحاظ زمين شناسي در محدوده زون مفصلي zone) (Suture بين ارتفاعات بينالود و کپه داغ قرار دارد. سنگ ها اولترابازيک بخشي از افيوليت ها مشهد را تشکيل مي دهند. به دليل افزايش ساخت و سازها در اين منطقه از شهر مشهد شناخت ويژگي ها ژي وتکنيکي سنگ ها در اجرا پروژه ها مهندسي از اهميت بسزايي برخوردار است. در اين پژوهش جهت شناخت خصوصيات مهندسي سنگ ها اولترابازيک منطقه نمونه هايي از اين نوع سنگ تهيه گرديده است و در ا زمايشگاه ا زمايشات مربوط به تعيين خصوصيات مکانيکي و فيزيکي ا نها از قبيل ا زمايش تک محور سه محور و برش مستقيم و نيز وزن مخصوص خشک و درصد رطوبت و غيره انجام شده است. کلمات کلیدي: افیولیت خواص ژي وتکنیکی سنگ ها اولترابازیک هاي مشهد تعيين خصوصيات فيزيکي و مکانيکي سنگ بکر در پروژه ها عمراني که با سنگ سر و کار دارند از اهميت چشم گير برخوردار است و در مراحل اوليه اجرا سازه ها مهندسي مد نظر قرار مي گيرند. اندازه گير اين پارامترها معمولا با استفاده از ا زمايشات مکانيک سنگ صورت مي گيرد. با توجه به اينکه اکثر پروژه ها بر رو توده ها سنگي و يا درون ا نها اجرا مي گردد لذا برا تحليل پايدار طراحي و اجرا پروژه ها ا گاهي از خواص مهندسي سنگ ها به ويژه مقاومت ا نها ضرور است (خانلر ١٣٨٩) اما ا ماده ساز نمونه برا ا زمايشات ا زمايشگاهي به منظور تعيين پارامترها مقاومتي زمان بر و پر هزينه است.(Diamantis et al.,2009) Koukis مطالعات زياد و همکارانش در سال ۲۰۰۱ در مورد خواص مهندسي سنگ ها انجام شده است که از ا ن جمله مي توان به اشاره نمود. ا نها معادلات مختلفي را بين دانسيته و تخلخل در سازندها مختلف زمين شناسي اراي ه داده اند. همچنين Diamantis و همکاران (۲۰۰۹) رابطه بين دانسيته و خشک را با تخلخل بررسي کردند. با توجه به اهميت پايدار شيب ها در اين سنگ ها و افزايش ساخت و سازها در قسمت جنوبي شهر مشهد نمونه بردار از سنگ ها در منطقه صورت گرفته است و با توجه به نتايج به دست ا مده از ا زمايشات بر رو نمونه ها جمع ا ور شده و نمونه ها حاصل از حفار در منطقه مقادير مربوط به پارامترها مختلف فيزيکي و مکانيکي اراي ه شده است. 2- زمین شناسی منطقه بررسي عوامل مختلف زمين شناسي و زمين ساختي هر منطقه به منظور ا گاهي از وضعيت و پايدار ا ن منطقه در برنامه ريز ها گوناگون نقش اساسي و مهمي دارد. جهت شناسايي وضعيت زمين شناسي هر منطقه بايد چگونگي وضعيت ا ن منطقه را با موقعيت کلي زمين شناسي ناحيه در نظر گرفت. ٦٨٧

منطقه مورد مطالعه در جنوب شهر مشهد و در محدوده زمين درز( zone (Suture قرار دارد و اين محدوده بين ارتفاعات بينالود و کپه داغ واقع شده است و شامل سنگ ها افيوليتي و دگرگوني است. در ناحيه مشهد افيوليت ها به صورت عدسي ها بزرگ و کشيده و کم و بيش با حالت لايه ا با رسوبات رسي دگرگون شده همراه هستند. (1980) Majidi اين سنگ ها را متعلق به پرمين مي داند. بيشتر زمين شناسان بر اين باورند که مجموعه ياد شده ضمن داشتن خاستگاه اقيانوسي نشانگر زمين درز تتيس کهن است که دو صفحه توران و ايران را از يکديگر جدا مي سازد (ا قانباتي ۱۳۸۹ ). در شکل ۱ نقشه زمين شناسي منطقه مورد مطالعه نشان داده شده است. شکل 1- نقشه زمین شناسی رقومی شده منطقه مورد مطالعه (برگرفته از نقشه هاي زمین شناسی 1:100000 مشهد و طرقبه) 3- روش ها در راستا اين پژوهش پس از حفار و نمونه بردار از منطقه ا زمايش ها مختلف فيزيکي و مکانيکي در ا زمايشگاه ها زمين شناسي مهندسي دانشگاه فردوسي مشهد و شرکت مهندسي مشاور جهدا زما انجام شده است. از جمله ا زمايش ها فيزيکي انجام شده مي توان به تعيين دانسيته خشک و تخلخل و درصد رطوبت اشاره کرد که تمامي اين ا زمايشات بر اساس استاندارد ISRM صورت گرفته است. از ا زمايشات مکانيکي انجام شده نيز مي توان به ا زمايش ها تک محور سه محور و برش مستقيم بر اساس استاندارد ASTM اشاره کرد. ٦٨٨

-4 بحث و نتایج 1-4- ویژگی هاي فیزیکی هر نوع خاص از سنگ دارا ويژگي ها خاص فيزيکي مربوط به خود است که متا ثر از نوع منشا و فرا يندها متداول زمين شناسي است که در طول زمان بر ا ن حادث شده است. خواص فيزيکي سنگ ها شامل ويژگي ها مربوط به دانسيته خشک و درصد جذب ا ب و تخلخل سنگ ها مي باشد. خواص فيزيکي سنگ بکر به ريزساختارها ا ن بستگي دارد اين ريز ساختارها شامل: کاني ها رخ مرزها دانه ا و ريز شکست ها مي باشد. ريز شکست ها بر رو مقاومت سنگ و جهت شکست تا ثير مي گذارد 2007) al,..(shalabi et در اين پژوهش جهت اندازه گير خواص فيزيکي سنگ ها اولترابازيک تعداد ۱۰ نمونه مورد ا زمايش قرار گرفت که ميانگين اندازه گير ها در جدول ۱ نشان داده شده است. در نمونه ها يابد. "بر اساس طبقه بند (Anon,1979) برا وزن مخصوص و تخلخل" مورد مطالعه با افزايش وزن مخصوص تخلخل کاهش مي (Bell, 2000) سنگ ها هايي با وزن مخصوص خيلي بالا و از نظر تخلخل در رده سنگ هايي با تخلخل خيلي پايين قرار مي گيرند. مورد مطالعه در رده سنگ جدول 1 - خلاصه نتایج حاصل از آزمایش هاي فیزیکی درصد رطوبت تخلخل دانسیته دانسیته خشک γ d(gr/cm 3 ) γ sat(gr/cm 3 ) n (%) ۲/۸۶ ۲/۸۹ ۰/۷۱ ۰/۲۵ 2-4- ویژگی هاي مکانیکی تعيين خواص مکانيکي سنگ ها مهم ترين بخش در هر پروژه زمين شناسي مهندسي مي باشد.(Diamantis,2009) شناخت ويژگي ها مکانيکي هر منطقه با توجه به نوع سازه هايي که در ا ن محل اجرا مي شود از اهميت ويژه ا برخوردار است. از جمله ا زمايشات مکانيکي مي توان به ا زمايش تک محور سه محور و برش مستقيم اشاره کرد. در بخشي از محدوده مورد مطالعه (تقاطع هاشميه و طالقاني) اين ا زمايشات بر رو حفار ۷ نمونه مغزه صورت گرفته است. شايان ذکر است اين مغزه هاحاصل ۱۸ گمانه در منطقه است که توسط شرکت مهندسين مشاور جهدا زما انجام شده است (شکل ۲ ). (b) (a) شکل 2- محل حفاريهاي مورد مطالعه در جنوب شهر مشهد (a): پروژه حفاري تقاطع طالقانی (b): پروژه حفاري تقاطع هاشمیه ٦٨٩

-1-2-4 آزمایش تک محوره سنگ D3148) (ASTM 2938, ASTM ا زمايش مقاومت فشار تک محور (UCS) مرسوم ترين ا زمون ا زمايشگاهي برا مطالعات مکانيکي سنگ بکر مي باشد. اين ا زمايش به عنوان ا زمايش پايه در اکثر پروژه ها مهندسي انجام مي شود. مقاومت سنگ بکر به عنوان يک پارامتر اصلي در اکثر سيستم ها طبقه بند توده سنگ مورد توجه قرار گرفته است. مقاومت ماده سنگ حد بالا مقاومت توده سنگ مي باشد. پريدوتيت ها در نمونه ها سنگ بکر دارا مقاومت ده ها تا بيش از ۱۰۰ مگاپاسکال هستند و به صورت مواد شکننده رفتار مي کند. Koumantakis در سال ۱۹۸۲ با ا زمايش رو ۱۳۰ نمونه مقدار ميانگين مقاومت را حدود ۹۰ مگاپاسکال پيشنهاد کرده است. خلاصه نتايج حاصل از ا زمايش تک محور در جدول ۲ نشان داده شده است. جدول 2 - خلاصه نتایج حاصل از آزمایش تک محوري υ E (GPa) دانسیته gr/cm 3 محل انجام حفاري نوع سنگ شرایط نمونه مقاومت فشاري نسبت مدولی رده سنگ Deere,) Miller, (1966 (MPa) ۰/۲۶ ۸۵۳/۸۷ ۸۶/۴۸ ۱۰۱/۲۸ ۲/۸۸ تقاطع هاشميه پريدوتيت خشک ۰/۲۹ ۸۵۶/۶۷ ۵۷/۱۰ ۶۵/۹۶ ۲/۹۳ تقاطع هاشميه پريدوتيت ۰/۲۸ DH ۶۷۳/۸۶ ۲۸/۷۰ ۴۲/۵۹ ۲/۹۱ ۰/۱۶ ۳۸۱/۵۶ ۳۷/۳۹ ۹۷/۹۹ ۲/۸۸ خشک ۰/۲۱ ۵۲۷/۸۹ ۳۱/۸۹ ۶۰/۴۱ ۲/۸۱ مقادير مقاومت فشار بين ۴۲ تا ۱۰۱ متغير است که به نظر (۲۰۰۹) اين تفاوت ممکن است ناشي از ناپيوستگي ها Diamantis داخلي تفاوت درجه سرپانتينيزاسيون و يا تفاوت پتروگرافي و پيچيدگي ساختار سرپانتين باشد. -2-2-4 آزمایش سه محوري (D264 (ASTM سنگ ها در طبيعت و در شرايط واقعي تحت تنش سه محور قرار دارند. مقاومت ا نها در چنين شرايطي برا محاسبه ظرفيت مجاز باربر پي سنگ ها طراحي سدها مطالعه مکانيزم ايجاد گسل و چين خوردگي ها و حفار ها زيرزميني حاي ز اهميت است (فهيمي فر ا. و سروش ح. ۱۳۸۰). شکل ۳ وضعيت نمونه اولترابازيک در ا زمايش سه محور قيل از ا زمايش و بعد از ا زمايش را نشان مي دهد. از نتايج حاصل از ا زمايش سه محور مي توان برا تعيين پارامترها مهندسي سنگ استفاده کرد. نتايج نهايي ا زمايش سه محور در جدول ۳ نشان داده شده است. جدول 3 - نتایج نهایی حاصل از آزمایش سه محوري φ (Deg) c (MPa) محل انجام حفاري نوع سنگ شرایط نمونه دانسیته رطوبت (%) (gr/cm3) ۲۴/۷ ۰/۲۲ ۱/۰۳ ۲/۸۹ تقاطع هاشميه پريدوتيت ۲۶/۸ ۰/۴۸ ۰/۵۲ ۲/۷۱ ٦٩٠

شکل 3 - وضعیت نمونه در آزمایش سه محوري: قبل از آزمایش در چپ و بعد از آزمایش در راست 3-3-4- آزمایش برش مستقیم مقاومت برشي ماده سنگ سطوح درزه و ناپيوستگي ها در تحليل پايدار شيرواني ها سنگي و ساير سازه هايي که در سنگ طراحي و اجرا مي شوند اهميت زياد دارد. اين ا زمايش در امتداد سطوح ضعف انجام مي گيرد. در اين منطقه تا ثير گسلش در منطقه باعث ورقه ورقه شدن برخي از سنگ ها و وجود درز و شکاف در ا ن ها شده است (مهندسين مشاور جهد ا زما ۱۳۹۲ ) نتايج حاصل از ا زمايش برش مستقيم در جدول ۳ و شکل ۲ نشان داده شده است. جدول 3 - نتایج نهایی حاصل از آزمایش برش مستقیم مقاومت برشی ماکزیمم kg/cm3 ۱۱/۲۵ تنش نرمال kg/cm3 ۲۰ دانسیته اولیه gr/cm3 ۲/۷۰ دانسیته خشک اولیه gr/cm3 ۲/۶۸ رطوبت اولیه % ۰/۹۰ شماره آزمایش ۱ Max C Kg/cm2 Max Φ deg ۲ ۰/۹۰ ۲/۶۸ ۲/۷۰ ۳۰ ۱۶.۲۴ ۰/۹۹ ۲۷/۱ ۳ ۰/۹۰ ۲/۶۸ ۲/۷۰ ۴۰ ۲۱/۴۷ شکل 2 - نمودار تنش برشی در مقابل تنش نرمال حاصل از آزمایش برش مستقیم ٦٩١

-5 نتیجه گیري دامنه ها طبيعي با شيب زياد در جنوب و جنوب غرب مشهد قرار دارد که از جنس سنگ ها اولترابازيک هستند. با توجه به افزايش ساخت و سازها در اين منطقه مطالعه خواص فيزيکي و مکانيکي اين سنگ ها حاي ز اهميت است. با توجه به مقادير مقاومت تک محوره و بر اساس طبقه بند دير و ميلر سنگ ها مورد مطالعه در رده مقاومت متوسط و نسبت مدولي بالا قرار مي گيرند که نشان دهنده مدول الاستيسيته بالا و تراکم پذير کم اين سنگ ها مي باشد. بر اساس طبقه بند Anon سنگ ها مورد مطالعه در رده سنگ ها با وزن مخصوص خيلي بالا و تخلخل خيلي پايين قرار مي گيرند. با توجه به ا زمايش برش مستقيم پارامتر چسبندگي مربوط به اين سنگ ها ۰/۹۹ کيلوگرم بر سانتي متر مربع و زاويه اصطکاک ۲۷/۱ درجه مي باشد که در محاسبات مهندسي سنگ مورد استفاده قرار مي گيرد. قدردانی نويسندگان اين مقاله بر خود لازم مي دانند تا از شرکت مهندسي مشاور جهدا زما به خاطر همکار صميمانه جهت در اختيار گذاشتن اطلاعات مورد نياز تشکر و قدرداني نمايند. منابع ا قانباتي ع. (۱۳۸۹). زمين شناسي ايران انتشارات سازمان زمين شناسي و اکتشافات معدني کشور. خانلر غ. (۱۳۸۹). اصول مکانيک سنگ انتشارات دانشگاه بوعلي سينا. فهيمي فر ا. و سرو.ش ح. (۱۳۸۰). ا زمايش ها مکانيک سنگ جلد اول انتشارات شرکت سهامي ا زمايشگاه فني و مکانيک خاک. مهندسين مشاور جهدا زما (۱۳۹۲). گزارش مطالعات مکانيک سنگ تقاطع غير هم سطح طالقاني- مشهد. مهندسين مشاور جهدا زما (۱۳۹۲). گزارش مطالعات مکانيک سنگ تقاطع غير هم سطح هاشميه- مشهد. نقشه زمين شناسي ۱:۱۰۰۰۰۰ مشهد سازمان زمين شناسي و اکتشافات معدني کشور نقشه زمين شناسي ۱:۱۰۰۰۰۰ طرقبه سازمان زمين شناسي و اکتشافات معدني کشور Bell, F.G.,(2000). Engineering properties of soils and rocks, Blackwell Science, 482p. Diamantis, K. and Gartzos, E. and Migiros, G. (2009). Study on uniaxial compressive strength, point load strength index, dynamic and physical properties of serpentinites from Central Greece: Test results and empirical relations, Engineering Geology, Vol. 108, pp. 199-207. Koukis, G. and Sabatakakis, N. and Tsiambaos, G. and Bourounis,. (2001). Correlations between physical and mechanical properties of rocks in Greek territory, Bull. Geol. Soc. Greece, Vol. 34(5), pp. 1689-1695. Majidi, B., (1980). The geochemistry and origin of the Upper Paleozoic basic and ultrabasic lava of NE Iran. Geol. Surv. Iran; Inter. Rep., 22p. Shalabi, F.I. and Cording, E.J. and Al-Hattamleh, O.H. (2007). Estimation of rock engineering properties using hardness tests, Engineering Geology, Vol. 90, pp. 138-147. ٦٩٢