طبقه‌بندی توده سنگ در مهندسی عمران — معرفی انواع سیستم‌های طبقه‌بندی

سیستم‌های «طبقه‌بندی توده سنگ» (Rock Mass Classification) کاربرد گسترده‌ای در طراحی‌های مهندسی و تحلیل‌های پایداری دارند. مبنای این سیستم‌ها روابط تجربی بین پارامترهای توده سنگ و سازه‌های مهندسی (نظیر تونل‌ها، شیب‌ها، پی‌ها) و قابلیت حفاری در آن‌ها است.

در مهندسی سازه‌های سنگی، روش طراحی سازه‌ها به سه گروه تحلیلی، تجربی و عددی تقسیم می‌شود. منظور از روش‌های تجربی همان طبقه‌بندی توده سنگ است. این روش‌ها به طور گسترده برای مطالعات اولیه (پیش از طراحی) و امکان‌سنجی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، روش‌های تجربی اغلب در طراحی‌های نهایی نیز به کار می‌روند. در این مقاله، شما را با سیستم‌های طبقه‌بندی توده سنگ و کاربرد هر یک از آن‌ها آشنا خواهیم کرد.

اهداف طبقه‌بندی توده سنگ

اهداف طبقه‌بندی‌های توده سنگ عبارت‌اند از:

فیلم آموزش مکانیک سنگ – بخش اول

کلیک کنید

1. تشخیص مهم‌ترین پارامترهای تأثیرگذار بر روی رفتار توده سنگ
2. تقسیم‌بندی توده سنگ‌ها به گروه‌هایی با رفتار مشابه – کلاس‌هایی با کیفیت متفاوت
3. فراهم کردن مبنایی برای درک ابتدایی از خصوصیات هر کلاس توده سنگ
4. ایجاد ارتباط بین شرایط موجود در یک پروژه با شرایط موجود در پروژه‌های دیگر
5. تهیه دستورالعمل‌ و داده‌های کمی برای طراحی مهندسی
6. فراهم کردن یک مبنای تئوری مشترک برای تبادل نظر بین مهندسین و زمین‌شناسان

مزایای استفاده از طبقه‌بندی توده سنگ

مزایای اصلی طبقه‌بندی‌های توده سنگ را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

1. بهبود کیفیت مطالعات کارگاهی با درخواست حداقل داده‌های ورودی مورد نیاز به عنوان پارامترهای طبقه‌بندی
2. فراهم کردن اطلاعات کمی برای مقاصد طراحی
3. بهبود قضاوت مهندسی و تبادل نظر بهتر در یک پروژه
4. فراهم کردن مبنایی برای درک خصوصیات توده سنگ‌های مختلف

انواع سیستم طبقه‌بندی توده سنگ

در ادامه به معرفی برخی از انواع سیستم‌های طبقه‌بندی توده سنگ و روش‌های موجود در هر گروه می‌پردازیم.

فیلم آموزش مکانیک سنگ – بخش اول در فرادرس

کلیک کنید

سیستم‌های مورد استفاده در تونل سازی: کمی

• «رده‌بندی توده سنگ» (Rock Mass Rating) یا «RMR»

سیستم رده‌بندی توده سنگ در بین سال‌های 1972 تا 1973 توسط «بینیاوسکی» (Bieniawski) توسعه یافت. RMR، مهم‌ترین پارامترهای زمین‌شناسی را با هم ترکیب می‌کند و یک شاخص کلی و جامع را برای بیان کیفیت توده سنگ ارائه می‌دهد. این شاخص به منظور طراحی و ساخت حفریات سنگی نظیر تونل‌ها، معادن، شیب‌ها و پی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• «سیستم کیو» (Q-system)

سیستم Q توسط «بارتن» (Barton)، «لیِن» (Lien) و «لونده» (Lunde) توسعه یافته است. این سیستم، بر اساس خواص مرتبط با هندسه بلوک‌های بکر در توده سنگ، مقاومت برشی در امتداد ناپیوستگی‌ها و وضعیت تنش در بلوک‌های بکر و ناپیوستگی‌های اطراف حفریه زیرزمینی، کیفیت توده سنگ را به صورت یک مقدار عددی (مقدار Q) بیان می‌کند.

• «رده‌بندی توده سنگ معدنکاری» (Mining Rock Mass Rating) یا «MRMR»

رده‌بندی توده سنگ معدنکاری توسط «متیوز لابشر» (Mathews Laubscher) توسعه یافته است. این رده‌بندی تعدیل روش RMR برای معدنکاری زیرزمینی به حساب می‌آید. در رده‌بندی توده سنگ معدنکاری، پارامترهایی نظیر مقاومت سنگ بکر، RQD، فاصله‌داری بین ناپیوستگی‌ها و وضعیت ناپیوستگی‌ها (همچنین حضور آب زیرزمینی، فشار آب زیرزمینی و میزان جریان آب زیرزمینی به داخل فضاهای زیرزمینی)، به منظور تعیین پایداری و انتخاب نوع نگهداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نهایت، با به کارگیری چند ضریب مرتبط با عواملی مانند روش حفاری، جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها، تنش‌های القایی و هوازدگی، امتیاز این MRMR تعدیل می‌شود.

سیستم‌های مورد استفاده در مهندسی شیب

• «رده‌بندی توده شیب» (Slope Mass Rating) یا «SMR»

رده‌بندی توده شیب توسط «مانوئل رومانا» (Manuel Romana) و به منظور بیان مقاومت یک رخنمون یا شیب سنگی توسعه داده شده است. برای امتیازدهی در این رده‌بندی از پنج پارامتر اول RMR شامل مقاومت تک‌محوری سنگ بکر، RQD، فاصله‌داری درزه، وضعیت درزه (جمع پنج زیرمجموعه وضعیت درزه) و وضعیت آب زیرزمینی استفاده می‌شود. نرم‌افزار «SMRTool» می‌تواند شاخص SMR را محاسبه کند.

• «Q-slope»

Q-slope روشی است که به منظور طبقه‌بندی توده سنگ و مهندسی شیب‌های سنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش توسط بارتون و «بار» (Bar) توسعه یافته است و کیفیت سنگ از نظر پایداری شیب را با استفاده از مقدار Q-slope بیان می‌کند. پارامترهای مورد استفاده در این طبقه‌بندی مشابه پارامترهای سیستم Q هستند. با این وجود، مقادیر مورد استفاده در این پارامترها برای مسائل پایداری شیب تعدیل شده‌اند.

• «طبقه‌بندی احتمال پایداری شیب» (Slope Stability Probability Classification) یا «SSPC»

طبقه‌بندی احتمال پایداری شیب، یک سیستم طبقه‌بندی توده سنگ برای مهندسی شیب و ارزیابی پایداری شیب است. این سیستم در سال 1988 توسط «هنری رابرت هک» (Henri Robert Hack) توسعه یافت. SSPC از یک فرآیند سه مرحله‌ای شامل تعیین رخنمون توده سنگ و توده سنگ مبنا و احتمال پایداری شیب برای طبقه‌بندی توده سنگ استفاده می‌کند. به علاوه، با توجه به وضعیت فعلی یا آتی هوازدگی و میزان آسیب‌دیدگی توده در اثر حفاری، چند ضریب تبدیل نیز بین مراحل مختلف اعمال می‌شود. در نهایت، پایداری شیب مورد نظر به صورت احتمال رخ دادن مکانیسم‌های مختلف شکست بیان می‌شود.

دیگر سیستم‌های طبقه‌بندی: کیفی

• «روش جدید تونل سازی اتریشی» (New Austrian Tunnelling Method) یا «NATM»

روش جدید تونل سازی اتریشی، یک روش مدرن برای طراحی و ساخت تونل است. NATM با عنوان «روش حفاری مرحله‌ای» (Sequential Excavation Method) یا اصطلاحاً «SEM» نیز شناخته می‌شود. این روش در بین سال‌های 1957 تا 1965 توسط محققین اتریشی توسعه یافت و در اوایل دهه 1960 برای اولین بار توجه طراحان را به خود جلب کرد. NATM یا SEM در مقایسه با روش‌های قدیمی از مزیت‌های اقتصادی بیشتری بهره می‌برد. مقاومت توده سنگ محل حفاری، پوشش با شاتکریت، نظارت و اندازه‌گیری تغییرات، نگهداری انعطاف‌پذیر، بستن کف تونل، ترتیب قراردادی حفاری و طبقه‌بندی توده سنگ، هفت مؤلفه اصلی در این روش هستند.

• «طبقه‌بندی اندازه-مقاومت» (Size Strength Classification)

در زمین‌شناسی، طبقه‌بندی اندازه-مقاومت، روشی مبتنی بر دو پارامتر مقاومت سنگ بکر و فاصله دارای ناپیوستگی‌ها در توده سنگ است. این طبقه‌بندی بین سال‌های 1970 تا 1975 توسط «لوئیس» (Louis) و «فرانکلین» (Franklin) توسعه یافت. رویکرد اندازه-مقاومت در مسائل مختلف عمرانی و معدنی کاربرد دارد.

اولین سیستم‌های طبقه‌بندی توده سنگ

• «روش طبقه‌بندی بار سنگ» (Rock Load Classification Method)

روش طبقه‌بندی بار سنگ یکی از روش‌های اولیه در طبقه‌بندی مهندسی توده سنگ به حساب می‌آید. «کارن فون ترزاقی» (Karl von Terzaghi) در دهه 1940 میلادی این روش را برای تونل‌هایی با نگهداری فولادی توسعه داد. امروزه طبقه‌بندی بار سنگ و فرضیات آن در مورد رفتار مکانیکی توده سنگ از دیدگاه بسیاری از محققین به عنوان یک روش منسوخ شده محسوب می‌شود که استفاده از آن برای روش‌های تونل سازی مدرن با نگهداری راک بولت و شاتکریت مناسب نیست.

فیلم آموزش تعیین خواص مکانیکی سنگ ها با روش های آزمایشگاهی در فرادرس

کلیک کنید

• «طبقه‌بندی زمان پابرجایی» (Stand Up Time Classification)

طبقه‌بندی زمان پابرجایی توسط «لافر» (Lauffer) ارائه شده است. این طبقه‌بندی به عنوان منشأ NATM شناخته می‌شود. فرم اصلی این طبقه‌بندی امروزه به عنوان یک روش منسوخ شده به حساب می‌آید اما ایده آن در علوم مکانیک سنگ امروزی مانند رابطه بین دهانه تونل و زمان پابرجایی و همچنین NATM به کار گرفته شده است.

• «شاخص کیفی سنگ» (Rock Quality Designation) یا «RQD»

شاخص کیفی سنگ در دهه 1960 میلادی توسط «دیر» (Deere) توسعه یافت. هدف این شاخص، طبقه‌بندی کیفیت مغزه سنگی بر اساس سلامت مغزه‌های حفاری شده بود. امروزه به کارگیری مستقل این سیستم طبقه‌بندی رایج نیست. با این وجود، در تمام حفاری‌های ژئوتکنیکی، تعیین RQD به عنوان یک روش استاندارد و شاخصی برای بیان کیفیت مغزه سنگی به حساب می‌آید. به علاوه، این شاخص در محاسبات سیستم‌هایی نظیر RMR و Q نیز به کار گرفته می‌شود.

• «رده‌بندی ساختار سنگ» (Rock Structure Rating) یا «RSR»

سیستم رده‌بندی ساختار سنگ، یک روش کیفی برای توصیف کیفیت توده سنگی و نگهداری مناسب زمین (مخصوصاً برای قاب‌های فولادی) است. این روش در دهه 1970 میلادی توسط «ویکهام» (Wickham)، «تایدیمن» (Tiedemann) و «اسکینر» (Skinner) توسعه یافت.