مقایسه رده بندی صحرایی توده سنگ بر اساس پیمایش صحرایی

چكيده فارسی

مطالعات زمین شناسی مهندسی اولین گام جهت مطالعات تحلیل پایداری و پایدارسازی سازه های بزرگ است. انجام درزه نگاری قسمت اصلی این مطالعات به طور معمول زمان بر است و بنا بر این به درستی انجام و از آن بهره برداری نمی گردد. هدف از این تحقیق انجام رده بندی صحرایی توده سنگ در برگیرنده دیواره معدن آهک جاجرم و مقایسه این روش با روش درزه نگاری به روش خط برداشت است. این مطالعه ابتدا با درزه نگاری به روش خط برداشت در 3 بخش معدن آهک در مجموع به طول 90 متر انجام گرفت سپس پیمایش به روش رده بندی صحرایی به طول 3400 متر انجام و معدن بعد از رده بندی با استفاده از روشهای  RMR, MRMR, Q-Slope, GSI(HOEK), GSI(SONMEZ & ULUSAY)   به 23 بخش اصلی ژئومکانیکی تفکیک و سپس اطلاعات رده بندی صحرایی با رده بندی حاصل از درزه نگاری مقایسه گردید که نتایج موید انطباق قابل قبول روش رده بندی صحرایی توده سنگ با رده بندی حاصل از روش درزه نگاری با صرف زمان و نیروی کمتر بود علاوه بر این اطلاعات اولیه بیشتری نسبت به روش خط برداشت از قبیل نقشه کامل گسل ها و آزمایش چکش اشمیت و JRC به دست آمد.

1-مقدمه

توده های سنگی مواد پیچیده ای هستند که طراح مهندسی را با مشکلات منحصر به فردی مواجه می کند. آنها ناهمگن هستند زیرا منشأ آنها با فرآیندهای کانی شناسی ناشی از پدیده های رسوبی، زمین ساختی و آتشفشانی مرتبط است ]1[. پایداری شیب های سنگی اغلب به طور قابل توجهی تحت تأثیر زمین شناسی ساختاری سنگی است که در آن حفر شده است. زمین شناسی ساختاری شکستگی های طبیعی در سنگ مانند صفحات لایه بندی، درزه ها و گسل هاست که عموماً به آنها ناپیوستگی می گویند ]2[. بررسی های ژئوتکنیکی یکی از مهم ترین مراحل فعالیت های عمرانی و معدنی است و اجرای پروژه بدون مطالعات ژئوتکنیکی می تواند خسارات جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد ]3[. اکثر توده‌های سنگی، به‌ویژه آن‌هایی که در فاصله چند صد متری از سطح قرار دارند، به‌صورت ناپیوسته رفتار می‌کنند، با مطالعه ناپیوستگی‌ها  تا حد زیادی رفتار مکانیکی توده سنگ را در مکان مورد نظر تعیین می‌شود. بنابراین ضروری است که هم ساختار توده سنگ و هم ماهیت ناپیوستگی‌های آن، علاوه بر توصیف سنگ‌شناسی، به دقت توصیف شوند ]4[. مطالعات درزه نگاری به روش خط برداشت شامل اندازه گیری و ثبت ویژگی های تمام ساختارهایی است که یک خط برداشت معین را قطع می کنند. این تکنیک برای سال‌ها در معدن و مهندسی عمران مورد استفاده قرار گرفته است و توسط تعدادی از نویسندگان به خوبی مستند شده است ]5[. طول خط برداشت به تعدادی پیش نیاز اندازه گیری بستگی دارد، اگرچه توافق قطعی در مورد تعداد وجود ندارد. (1993) Priest پیشنهاد کرد که 150 تا 350 اندازه گیری شیب و جهت شیب باید انجام شود که تعداد کمتر برای یک توده سنگ حاوی سه دسته درزه و تعداد بیشتر برای یک توده سنگی حاوی حداکثر شش دسته درزه کافی است. (1972) Savely پیشنهاد کرد که حداقل 60 و Villaescusa   (1991) پیشنهاد کرد که حداقل 40 اندازه گیری شیب و جهت شیب برای مطالعه مورد نیاز است. برای هر پروژه پیشنهاد می شود که حداقل تعداد در هر برداشت بر اساس شرایط پروژه تعیین شود ]6[.  به طور معمول مطالعات درزه نگاری اولین مرحله از مطالعات پایداری و طراحی شیب واحدهای سنگی است که بر مبناي رده‏بندي توده‏سنگ انجام می شود و  بر اساس دو هدف سادگي و سازماندهي مجهولات پايه‏گذاري شده‏ و مي‏توان با استفاده از رده‏بندي‏هاي خاص بر عدم قطعيت ‏هاي زمين‏شناسي و ژئوتکنيکي غلبه نمود. از طرف ديگر روش تحليلي مبتني بر فرضيات نامعلومي بوده و علاوه بر آن تعيين مقادير صحيح مولفه های ورودي زمان‏بر و پرهزينه است در  نتيجه گردآوری و استفاده از مطالعات و داده‌های زمین‌شناسی مهندسی و  فهم روش‏هايي که جزء روش‏هاي تجربي قرار مي‏گيرند از آن‌جا که انجام مطالعات پرهزینه در مرحله امکان سنجی توجیح اقتصادی نخواهد داشت راه گشا خواهد بود. لازم به ذکر است درزه نگاری به روش خط برداشت در کنار مزایای بیشمار زمان بر بوده و متولیان مطالعات به طور معمول از آن سرباز می زنند. اهمیت ویژه این مطالعات، نیاز به اطلاعات گسترده تر، گروه را مجاب به بررسی روش رده بندی صحرایی توده سنگ کرد.

2-معرفی محدوده مطالعاتی

معدن آهک یکی از معادن مجموعه معدنی جاجرم وابسته به شرکت آلومینای ایران است که با استخراج سالیانه 500 هزار تن نقش مهمی را در تولید پودر آلومینا ایفا می کند. معدن آهک جاجرم در یک پهنه شمال شرقی – جنوب غربی قرار گرفته که گسترش طولی پهنه اصلی در حدود 1/1 کیلومتر است. موقعیت معدن بر روی تصویر پهبادی در شکل (1) نشان داده شده است.

شکل(1) – موقعیت معدن آهک جاجرم

3 برداشت مهندسی توده سنگ در محدوده مطالعاتی

3-1 برداشت ناپیوستگی ها به روش خط برداشت

سه خط برداشت به طول مجموع 90 متر در دیواره های شرقی، غربی و جنوبی مطابق شکل (2)  طراحی و برداشت گردید.

شکل(2) – موقعیت خطوط برداشت درزه نگاری

در برداشت‏های درزه‏نگاری بر اساس شرایط و نیازهای طراح ویژگی‏هایی از قبیل: RQD، مقاومت فشاری (چکش اشمیت)، نوع ناپیوستگی (درزه،گسل، لایه بندی …)، اندازه و جهت شیب ناپیوستگی، تداوم، فاصله‏داری (روی خط برداشت و نرمال)، وضعیت شروع و انتهای ناپیوستگی، JRC، شکل سطح، توصیف زبری، هوازدگی، بازشدگی، نوع پرکننده، مقاومت پرکننده، وضعیت نشت آب، درصد حجمی سنگ ضعیف به سنگ قوی، شکل بلوک‏های تشکیل شده از برخورد ناپیوستگی‏ها، وضعیت آتشکاری(3 پارامتر خاص رده‏بندی MRMR)، پارامترهای O-factor،  Jᵃwice، SRF-Slope (3 پارامتر خاص رده‏بندی Q-Slope) برداشت شد. پس از ویرایش برداشت‏های درزه‏نگاری با استفاده از نرم‏افزار Dips دسته‏بندی درزه‏ها انجام گرفت. محدوده سازند لار شامل 4 دسته درزه اصلی می­باشد. در شکل­ (3) مشخصات سیستم ناپيوستگي‌ها به نمایش درآمده است. در جدول (1) خصوصیات زمین شناختی ناپیوستگی ها نشان داده شده است.

شکل (3) – مشخصات سیستم ناپیوستگی ها

3-2 رده بندی توده سنگ با استفاده از داده های خطوط برداشت

برای رده بندی توده سنگ با استفاده از داده های خطوط برداشت از روش های RMR93 [7], MRMR [8], Q-Slope [9], GSI(Hoek) [10], GSI(Sonmez & Ulusay) [11] استفاده شد. در جدول (2) نتایج رده بندی توده سنگ با استفاده از خطوط برداشت نشان داده شده است.

شکل (3) – مشخصات سیستم ناپیوستگی ها

3-3 برداشت های رده بندی صحرایی توده سنگ

در پیمایش رده بندی صحرایی در ابتدا بنا به خصوصیات ظاهری محدوده به 23 بخش شکل (4) تقسیم شد.

شکل (4)- خطوط پیمایش صحرایی رده بندی توده سنگ

سپس مشخصات مورد نیاز به تفکیک هر زون در فرمی مطابق با جدول (3)  حاوی مولفه های مورد نیاز رده بندی ثبت گردید.

3-4 رده بندی توده سنگ بر اساس پیمایش صحرایی

در این مرحله  ابتدا RQD با توجه به برداشت فاصله داری درزه ها و با استفاده از شکل (5) محاسبه  شد.

شکل (4)- خطوط پیمایش صحرایی رده بندی توده سنگ

سپس با استفاده از داده های جمع آوری شده رده بندی توده سنگ مطابق با جدول (4) در 23 بخش موجود انجام شد.

جدول (4)- رده بندی توده سنگ بخش های 23 گانه

4 – مقایسه رده بندی توده سنگ بر اساس پیمایش صحرایی و رده بندی توده سنگ بر اساس برداشت ناپیوستگی ها

با جانمایی زون های پیمایش و خطوط برداشت و مطابقت مکانی زون های مجاور به هر خط برداشت در 3 بخش می توان نتایج هر دو روش را مقایسه کرد. در جدول (5) این دو روش مقایسه شده اند.

با مقایسه اطلاعات به دست آمده از طبقه بندی توده های سنگی به روشهای پیمایش صحرایی و برداشت ناپیوستگی ها و برقراری ارتباط بین انواع روشهای رده بندی به نتایج زیر می رسیم:

همانطور که ملاحظه می شود با تقریب قابل قبولی نتایج در طبقه بندی های RMR93, Q-Slope, GSI(Hoek), GSI(Sonmez & Ulusay) یک رده کیفی قرار می گیرند. در طبقه بندی MRMR اختلاف معنی داری مشاهده می شود. در بررسی این اختلاف مولفه فاصله داری به عنوان عامل اختلاف شناخته شد. به نظر می رسد در روش پیمایش می بایست حساسیت بیشتری بر روی ثبت داده های فاصله داری نشان داد.

5- نتیجه گیری

در روش رده بندی توده سنگ بر اساس پیمایش صحرایی در زمان کمتر به داده ها و اطلاعات بیشتری می توان دسترسی پیدا کرد و از نظر زون بندی ژئوتکنیکی نیز روش بهتری به لحاظ گستردگی و اشراف به بخش های بیشتر از محدوده مورد مطالعه خواهد بود زیرا داده ها پیوسته بوده و امکان انطباق زون های مجاور با خصوصیات ژئومکانیکی مشابه ایجاد خواهد شد که در روش درزه نگاری به دلیل عدم امکان برداشت کل محدوده مورد مطالعه، زون بندی دقیق امکان پذیر نخواهد بود. همچنین با برداشت کل گسلهای محدوده می توان اطلاعات جامع تری را به دست آورد. در شکل (11) نقشه گسل های برداشت شده در پیمایش صحرایی آورده شده است.

شکل (11) – نقشه گسل های معدن آهک جاجرم

در روش درزه نگاری اطلاعات با دقت بالاتری ثبت می شوند که این اطلاعات در مراحل مختلف طراحی قابل استفاده بوده و فقط برای طبقه بندی تجربی سنگ مورد استفاده قرار نمی گیرند. این روش قابلیت استفاده در رده بندی های دیگری از قبیل SMR را دارد. با عنایت به نمودار پراکندگی انواع روش های طبقه بندی ضریب های تبدیل انواع رده بندی محاسبه و در جدول (6) آورده شد.

مراجع

[۱] Celada, B., Bieniawski, Z.T.; Ground Characterization and Structural Analyses for Tunnel Design, CRC Press, Boca Raton, 2020.

[۲] Wyllie, D.C.; Rock Slope Engineering: Civil Applications, 5th Edition, CRC Press, Boca Raton, 2018.

[۳] Shirdel, B.; “Geological Engineering Survey and Geotechnical Analysis of Substrate Soil of Erbil Steel Fusion Company”, Modern Applied Science, Vol. 10, No. 3, pp. 133-142, 2016. DOI:10.5539/mas.v10n3p133

[۴] Ulusay, R., Hudson, J.A. (Eds.); The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 1974-2006, ISRM, Ankara, 2007.

[۵] Priest, S.D., Hudson, J.A.; “Estimation of Discontinuity Spacing and Trace Length Using Scanline Surveys”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 18, No. 3, pp. 183–197, 1981. DOI:10.1016/0148-9062(81)90973-6

[۶] Read, J., Stacey, P.; Guidelines for Open Pit Slope Design, CSIRO Publishing, Collingwood, 2009.

[۷] Bieniawski, Z.T.; “Classification of Rock Masses for Engineering: The RMR System and Future Trends”, in Rock Mechanics and Engineering Volume 2: Laboratory and Field Testing, CRC Press, pp. 553-573, 2014. DOI:10.1016/B978-0-08-042066-0.50028-8

[۸] Jakubec, J., Laubscher, D.H.; “The MRMR Rock Mass Rating Classification System in Mining Practice”, in Proceedings of MassMin 2000, Brisbane, Australia, pp. 413–422, 2000.

[۹] Bar, N., Barton, N.; “The Q-Slope Method for Rock Slope Engineering”, Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 50, No. 12, pp. 3307–3322, 2017. DOI:10.1007/s00603-017-1305-0

[۱۰] Hoek, E., Carter, T.G., Diederichs, M.S.; “Quantification of the Geological Strength Index Chart”, in Proceedings of the 2015 ISRM Congress, Montreal, Canada, 2015. [۱۱] Sonmez, H., Ulusay, R.; “Modifications to the Geological Strength Index (GSI) and Their Applicability to Stability of Slopes”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 36, No. 6, pp. 743–760, 1999. DOI:10.1016/S0148-9062(99)00043-1