رده بندی توده سنگ (RMR) — آشنایی با RMR و کاربردهای آن

سیستم «رده‌بندی توده سنگ» (Rock Mass Rating) یا اصطلاحاً «RMR»، یک سیستم ژئومکانیکی رایج برای طبقه‌بندی سنگ‌ها است. این سیستم در بین سال‌های 1972 تا 1973 توسط «بیناوسکی» (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.

پارامترهای RMR

در فهرست زیر، شش پارامتر مورد استفاده در سیستم RMR برای طبقه‌بندی توده سنگ آورده شده است:

فیلم آموزش مکانیک سنگ – بخش اول

کلیک کنید

1. مقاومت فشاری تک‌محوری سنگ
2. «شاخص کیفیت سنگ» (Rock Quality Designation) یا «RQD»
3. فاصله‌داری ناپیوستگی‌ها
4. وضعیت ناپیوستگی‌ها (تداوم، بازشدگی، زبری، مواد پرکننده و هوازدگی ناپیوستگی)
5. وضعیت آب زیرزمینی
6. جهت‌گیری ناپیوستگی‌ها

به هر یک از این شش پارامتر، امتیازی متناسب با خواص سنگ اختصاص می‌یابد. با جمع این امتیازها، مقدار RMR در بازه 0 تا 100 به دست می‌آید.

طبقه‌بندی کیفیت سنگ‌ها بر اساس RMR

در جدول زیر، طبقه‌بندی کیفیت سنگ‌ها بر اساس مقدار RMR آن‌ها آورده شده است.

امتیاز RMR را می توان با استفاده جداول یا نمودارهای مخصوص محاسبه کرد. به کارگیری جداول برای محاسبه RMR، روش قدیمی‌تر محسوب می‌شود اما هنوز هم در مسائل مختلف کاربرد دارد. برای آشنایی کامل با مراحل این روش، مطالعه «محاسبه رده بندی توده سنگ (RMR) --- راهنمای گام به گام» را به شما پیشنهاد می‌کنیم. فرآیند استفاده از روش نمودار نیز مانند به کارگیری جداول است. این روش از سرعت و دقت بالاتری بهره می‌برد. در نمودار زیر، امتیازدهی به یکی از پارامترهای RMR را مشاهده می‌کنید. تعیین امتیاز پارامترهای دیگر نیز به همین صورت انجام می‌شود.

کاربردهای RMR

رده‌بندی توده سنگ (RMR) کاربرد گسترده‌ای در پروژه‌های مختلف مهندسی از جمله ساخت تونل‌ها، شیب‌ها، پی‌ها و معادن دارد. علاوه بر این، این رده‌بندی با «سیستم‌های خبره مبتنی بر دانش» (Knowledge-Based Expert Systems) یا اصطلاحاً «KBES» نیز سازگار است. مهندسان معمولاً سازه‌های سنگی را به دو گروه کلی زیر تقسیم‌بندی می‌کنند:

فیلم آموزش مکانیک سنگ – بخش اول در فرادرس

کلیک کنید

• توده سنگ الاستیک خطی، همسانگرد، همگن و پیوسته - مواجه با این گروه برای مهندسان ژئوتکنیک بسیار مطلوب است.
• توده سنگ غیر الاستیک، ناهمسانگرد، ناهمگن و ناپیوسته - در واقعیت اکثر توده سنگ‌ها به این صورت هستند.

سیستم‌های رده‌بندی توده سنگ، امکان در نظر گرفتن برخی از خواص مکانیکی پیچیده سنگ‌های واقعی در طراحی‌های مهندسی را فراهم می‌کنند. علاوه بر این، تخمین اولیه خصوصیات توده سنگ مانند مدول تغییر شکل (مدول الاستیک) آن معمولاً توسط سیستم‌های رده‌بندی صورت می‌گیرد. این سیستم‌ها می‌توانند به عنوان ابزاری برای تعیین سیستم‌های نگهداری مورد نیاز برای تونل و زمان پابرجایی (خودنگهداری) حفریات زیرزمینی مورد استفاده قرار گیرند.

با گذشت حدود 45 سال از به کارگیری سیستم RMR، در سال‌های اخیر توجه دوباره‌ای به سمت این سیستم جلب شد. دلیل این موضوع، کاربرد RMR در ارزیابی «قابلیت حفاری توده سنگ» (Rock Mass Excavability) یا اصطلاحاً «RME» و رابطه مستقیم آن با «انرژی ویژه حفاری» (Specific Energy of Excavation) یا به اختصار «SEE» برای دستگاه‌های حفاری تونل (TBM) است. پارامترهای مذکور (RME و SEE) کاربرد خوبی در تشخیص تغییرات آنی وضعیت حفر تونل دارند و می‌توان آن‌ها را به عنوان هشداری برای مواجه با شرایط نامساعد در هنگام اجرای عملیات در نظر گرفت.

کاربرد RMR در طراحی تونل

به منظور تسهیل طراحی تونل، معمولاً از سه نمودار برای تخمین خصوصیات اصلی توده سنگ شامل زمان خودنگهداری، مدول الاستیک (E_m) و مقاومت توده سنگ استفاده می‌شود. در نمودار اول، زمان خودنگهداری تونل به صورت تابعی از  RMR نمایش داده شده است.

در نمودار دوم، رابطه پیشرفته‌ای برای RMR های بزرگ‌تر از 56 ارائه شده است. این مسئله نشان می‌دهد که در مقادیر بالای RMR، تغییر شکل توده سنگ از طریق مدول الاستیک سنگ بکر کنترل می‌شود. در طرف مقابل، تغییر شکل در مقادیر پایین RMR به هوازدگی و مواد پرکننده درزه بستگی دارد. به این ترتیب، با استفاده از این روش، مقادیر مدول الاستیک در محدوده‌های بالا، دستِ بالا و در محدوده‌های پایین نیز دستِ پایین گرفته نمی‌شوند. این رویکرد واقع‌گرایانه‌تر از معادلات سیگموئیدی است.

در نمودار سوم، مقاومت توده سنگ به صورت تابعی از RMR آورده شده است.

انتخاب نگهداری تونل

دستورالعمل‌های طراحی نگهداری تونل بر اساس مقدار RMR، در ابتدا به صورت جداولی بودند که نوع نگهداری مناسب برای تونلی با دهانه/قطر 10 متر را پیشنهاد می‌داند. با پیشرفت تکنولوژی در زمینه به کارگیری راکت بولت، شاتکریت و قاب‌های فولادی، طراحان این دستورالعمل‌ها را برای ابعاد دیگر تونل نیز تعدیل کردند. امروزه، طراحان تونل به منظور تسهیل کار طراحی از نمودارهای مخصوص برای انتخاب نوع نگهداری استفاده می‌کنند. این نمودارها، نگهداری‌های مختلف را به صورت تابعی از اندازه و کیفیت توده سنگ در نظر می‌گیرند (نمودار زیر).

توجه داشته باشید که تعدادی معادلات سیگموئیدی برای محاسبه مدول توده سنگ با استفاده از مدول سنگ بکر و یک رده‌بندی توده سنگ ارائه شده است. در این معادلات، اگر داده‌های ورودی از دقت بالایی برخوردار باشند، تخمین خوبی از مدول توده سنگ به دست می‌آید. با این وجود، تعیین مقادیر قابل اعتماد مقاومت سنگ بکر یا مدول سنگ بکر با استفاده از آزمایش بر روی نمونه‌های آسیب‌دیده توده سنگ کار بسیار دشواری است. به دلیل این محدودیت، مقادیر حاصل از آزمایش بر روی نمونه‌های خوب به دست آمده از مناطقی با سنگ قابل قبول، به عنوان مبنای مدول بکر در نظر گرفته می‌شوند. به این ترتیب، مدول بکر یک سنگ با استفاده از اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی یا یک رابطه فرضی بین مقاومت بکر و مدول آن سنگ محاسبه می‌شود. این روش، احتمال وجود هوازدگی بالای مواد موجود در نواحی دارای سنگ ضعیف و همچنین احتمال پایین بودن مقاومت بکر در این نواحی (حتی در صورت عدم وجود هوازدگی) را نادیده می‌گیرد.