درس اول مکانیک سنگ- مقدمه

برای درک مفهوم مکانیک سنگ، ابتدا معنی و مفهوم کلمات «مکانیک» و «سنگ» به صورت مجزا معرفی و سپس به تعریف مکانیک سنگ پرداخته می‌شود. مطابق متون قدیمی، مکانیک از کلمه‌ی “منجانیقون” ارشمیدس گرفته شده است و علمی است که به بررسی نیروها و اثر نیروها بر اجسام می‌پردازد. نیرو در جامدات به صورت تغییر شکل یا جابه‌جایی تأثیر می‌گذارد. سنگ، عبارت است از کلیه مواد جامد طبیعی و غیرآلی سازنده‌ی پوسته زمین به استثناء موادی که به آن‌ها خاک اطلاق می‌شود. خاک از رسوبات و تجمعات ذرات نامستحکم در اثر فرسایش و تجزیه‌ی مکانیکی و شیمیایی سنگ‌ها به وجود آمده است یا به عبارت دیگر، خاک‌ها به عنوان دانه‌های غیر سیمانی شده از ذرات جامد مواد معدنی و مواد آلی تشکیل شده‌اند.

علم مکانیک سنگ در واقع شاخه‌ای از علم وسیع‌تر ژئومکانیک است که در آن رفتار تمام مواد زمینی اعم از سنگ و خاک بررسی می‌شود. همچنین اصطلاح مهندسی ژئوتکنیک یکی از شاخه‌های نظری و عملی است که مصالح طبیعی نزدیک یا در سطح زمین را در بر می‌گیرد. به طور کلی، مهندسی ژئوتکنیک کاربرد اصول اساسی و بنیادی مکانیک خاک و مکانیک سنگ، برای مسائل مربوط به طراحی و احداث سازه‌ها در زمین است.

مکانیک سنگ در مقایسه با علوم دیگر نظیر مکانیک خاک، علمی جوان به حساب می‌آید. اگرچه سالیان دراز مهندسین در رشته‌ی ساختمان و معدن با سنگ سر و کار داشته‌اند، ولی به عنوان علم مهندسی به صورت مدون پیرامون موضوع سنگ و تحت نام “مکانیک سنگ” در سال 1966 پس از اولین کنگره بین‌المللی انجمن مکانیک سنگ ISRM (International Society of Rock Mechanics) در پرتغال شکل گرفت. تا آن تاریخ مهندسین به طور مجزا روش‌های خاص خود را برای برخورد با مسائل مهندسی سنگ داشتند که هیچ‌کدام از آن‌ها در قالب ثابت و استانداری به نام مکانیک سنگ گنجانده نشده بودند.

علم مکانیک سنگ به دلایل متعددی با دیگر علوم مهندسی متفاوت است. در رشته‌های مشابه (نظیر رشته‌ی مهندسی عمران و مکانیک) شکل سازه، بار وارده بر سازه و خواص مواد مصرفی معلوم بوده و بر اساس این معلومات طراحی با دقت خوبی قابل انجام است. اما پروژه‌های مکانیک سنگی در واقع با طراحی سازه‌ای روبرو هستند که بسیاری از عوامل موثر در آن تحت کنترل نبوده و به سادگی نیز قابل اندازه­گیری نیستند. به عنوان مثال در بسیاری از موارد، شرایط زمین شناسی محل تا حد زیادی شکل تونل را تحمیل می‌کند. بعلاوه بار وارده از طرف زمین به تونل تا حد زیادی مجهول بوده و روش‌های تعیین آن نیز متعاقباً بسیار مشکل است. همچنین خواص توده سنگی که تونل در آن حفر می‌شود نیز نامعلوم است.

دلیل به رسمیت شناختن علم مکانیک سنگ، با وجود علم مشابهی به نام مکانیک خاک، تفاوت‌های اساسی بین خاک و سنگ است که به شرح زیر بیان می‌شود:

الف) سنگ یک ماده ناهمگن و ناهمسان است در حالی که خاک (با چشم پوشی از لایه­بندی تراکمی) به صورت همگن و همسان فرض می‌شود.

ب) عوامل (یا پارامترهای) مقاومتی سنگ بسیار پیچیده­تر و متنوع­تر از پارامترهای خاک هستند.

ج) توده‌ی سنگ، به صورت یک محیط ناپیوسته‌ی درزه‌دار است در حالی که خاک، عموماً یک محیط پیوستة متخلخل فرض می‌شود.

د) شکست در سنگ در امتداد ناپیوستگی‌ها و صفحات ضعیف اتفاق می‌افتد امّا شکست در خاک در داخل بخشی از توده صورت می‌گیرد.

ه) سیالات در خاک‌ها از بین منافذ جریان می‌یابند و به آن محیط متخلخل می‌گویند. در حالی که سیالات در سنگ‌ها از میان نا پیوستگی‌ها جریان می‌یابند.