درسنامه کامل زمین شناسی فصل 4 زمین شناسی و سازه های مهندسی

یکی از مسائل اصلی در ساخت و نگهداری سازه ها، پایداری زمین است.

وظایف زمین شناس:

۱- تشخیص احتمال وقوع فرآیندهای مخرب

۲- ارائه روش‌های مقابله با آن‌ها

سازه: مواردی مانند سد، نیروگاه، بزرگراه، پل، مجتمع های تجاری، مسکونی، برج ها و ....

موارد مورد مطالعه:

۱- ناهمواری‌های سطح زمین

۲- استحکام سنگ‌ها

۳- نفوذ پذیری

۴-پایداری دامنه‌ ها در برابر ریزش ها

۵- جنس مصالح به کار رفته در سازه

۱) میزان فشار آب در پشت سد به لایه‌های زیرین، تکیه گاه‌ها و بدنه سد

۲) وزن خود سد و میزان مقاومت سنگ‌های پی سد در برابر تنش‌های ناشی از وزن سد

هرگاه به سنگ نیرویی از خارج وارد شود، در داخل سنگ نیز نیرویی بر واحد سطح وارد می‌شود که تنش نام دارد.

واحد تنش: نیوتن بر متر مربع 

نتیجه تنش: تغییر شکل خاک یا سنگ

۱)فشاری —> متراکم شدن سنگ

۲) کششی —> گسستگی سنگ

۳) برشی —> پریدن سنگ

مقاومت سنگ:

حداکثر تنش یا ترکیبی از تنش‌ها است که سنگ می تواند تحمل کند بدون آن که بشکند.

کاهش مقاومت سنگ در برابر تنش —> افزایش ناپایداری در سنگ —> ایجاد سطوح شکست بیشتر در سنگ —> ناپایداری خاک یا سنگ در پی سازه

۱) نمونه برداری از خاک یا سنگ پی سازه از طریق حفر گمانه

گمانه:

چال هایی باریک و عمیقی هستند که در نقاط مختلف محل احداث سازه برای این هدف حفر می‌شوند.

۲) مغزه گیری: نمونه‌های استوانه‌ای شکلی هستند که از داخل گمانه برداشت می‌شود.

۳) ارسال نمونه‌ها به آزمایشگاه‌های تخصصی

۴) بررسی مقدار مقاومت سنگ و خاک در برابر تنش‌های وارده

مواد در برابر تنش تغییر شکل می‌دهند.

۱) کشسان (الاستیک):

مواد با اعمال تنش، تغییر شکل می‌دهند ولی با رفع تنش به حالت اولیهٔ خود باز می گردند.

۲) خمیرسان (پلاستیک):

مواد در برابر تنش تغییر شکل می‌دهند ولی با رفع تنش به طور کامل به حالت اولیهٔ خود برنمی گردند. (چین خوردگی)

۳) شکننده:

اگر تنش از حد مقاومت سنگ بیشتر شود، سنگ می‌شکند.

۱) سنگ‌های آذرین:

تکیه گاه مناسبی برای سازه‌ها هستند.

۲) سنگ‌های دگرگونی:

کوارتزیت و هورنفلس: تکیه گاه مناسبی برای سازه‌های سنگین هستند، زیرا مقاومت زیادی دارند.

شیست ها: برای پی سازه‌ها مناسب نیستند به علت سست و ضعیف بودن.

۳) سنگ های رسوبی:

ماسه سنگ‌ها: استحکام لازم برای ساخت سازه را دارند.

سنگ‌های تبخیری: در برابر تنش مقاومت نیستند به علت انحلال پذیری بودنشان. مثال گچ و نمک و ژیپس

شیل ها: مقاوم نیستند به علت تورق و سست بودن.

سنگ‌های کربناتی: نامناسب اند. مثال کلسیت و دولومیت به علت درزه و انحلال و کارستی شدن (غار آهکی)

نفوذ پذیری: توانایی سنگ یا رسوب برای عبور آب

الف) سنگ‌های کربناتی:

۱) سنگ‌های رسوبی هستند که بیش از ۵۰ درصد آن‌ها از کانی های کربناتی (کلسیت و دولومیت) تشکیل شده است.

۲) دارای درزه و شکاف هستند، به علت حل شدن کانی ها بر اثر نفوذ آب که در نتیجه موجب ایجاد حفرات شده‌اند:

۱- سنگ آهک دارای حفرات انحلالی: برای پی یا تکیه گاه سازه نامناسب می‌باشد که در نتیجه موجب فرار آب و نشست زمین می‌شود.

۲- سنگ آهک ضخیم لایه فاقد حفرات انحلالی: پی و تکیه‌گاه مناسبی برای ساخت سازه هستند.

ب) سنگ‌های تبخیری:

۱) قدرت انحلال پذیری بیشتری نسبت به سنگ‌های آهکی دارند.

۲) برای پی یا تکیه گاه سازه (مثلاً سد) نامناسب هستند، به دلیل وجود حفرات انحلالی و فضاهای خالی که موجب:

۱- فرار آب از مخزن سد

۲- ناپایداری بدنه سد

سد، سازه‌ای است که با اهداف زیر احداث می‌شود:

۱- ذخیره آب

۲- مهار سیلاب

۳- تأمین آب شرب و کشاورزی

۴- تولید نیروی الکتریسیته

انواع سدها از نظر نوع مصالح ساختمانی:

۱- خاکی ۲- بتنی

مهمترین عامل در تعیین نوع سد و محل احداث آن:

۱- شرایط زمین‌شناسی منطقه

۲- مصالح مورد نیاز

۱) مخزن سد

۲) تکیه گاههای سند (چپ و راست)

۳) بدنه سد

۴) پی سد

بررسی وضعیت مخزن، تکیه‌گاه و پی سد به دو منظور:

۱- پایداری سد

۲- جلوگیری از فرار آب

عوامل مورد بررسی به منظور آگاهی از پایداری بدنه سد و جلوگیری از فرار آب:

۱) جنس خاک و سنگ‌های پی سد (دیواره‌ها و کف مخزن سد، نفوذناپذیر باشند و یا نفوذپذیری بسیار اندکی داشته باشند.)

۲) وضعیت شیب و امتداد لایه‌های تشکیل دهنده سد

این بررسی با هدف تعیین حالت مطلوب یا نامطلوب بودن احداث یک سد، انجام می‌شود.

الف) مطلوب ترین

۱) امتداد لایه‌ها به موازات محور سد —> یکسان بودن جنس تکیه گاه سمت راست و چپ سد —> استحکام بیشتر سد

۲) شیب لایه‌ها سمت داخل مخزن سد —> هدایت آب به داخل مخزن سد و کاهش فرار آب

ب) نامطلوب

۱) امتداد لایه ها عمود بر محور سد —> تنوع بسیاری زیاد لایه‌ها در تکیه‌گاه‌های‌ سد —> کاهش استحکام تکیه‌گاه‌های سد

۲) شیب لایه‌ها قائم و به سمت پایین —> افزایش احتمال فرار آب

پ) مطلوب

شکل ناودیسی سد —> امتداد لایه‌ها عمود بر محور سد و شیب لایه‌ها به سمت مخزن سد —> کاهش احتمال فرار آب

ت) نامطلوب ترین

شکل تاقدیسی سد —> امتداد لایه‌ها عمود بر محور سد و شیب لایه‌ها به سمت بیرون مخزن سد —> افزایش احتمال فرار آب

نقش رسوبات حمل شده از طریق رودها به مخزن سد:

کاهش تدریجی ظرفیت مخزن سد، ز بین رفتن بخش قابل توجهی از کارایی سد به علت انباشته شدن رسوبات، کاهش عمر مفید سد نیاز به لایروبی دارد.

علت فرار آب از مخزن سد لار:

وجود سنگ‌های تشکیل دهنده آهکی مخزن سد و قابلیت کارستی شدن آن‌ها

انواع حفاری‌های زیرزمینی:

۱) تونل:

استفاده به منظور حمل و نقل، انتقال آب، انتقال فاضلاب و یا استخراج مواد معدنی.

۲) مغار:

۱- فضاهای زیرزمینی بزرگ تر از تونل‌ها هستند.

۲- برای ایجاد تأسیسات زیرزمینی مانند نیروگاه‌ها، ایستگاه‌های مترو، ذخیره نفت و ... کاربرد دارند.

زمین‌هایی با مقاومت کافی یعنی مناطقی با کمترین خردشدگی، هوازدگی و نشت آب مکان‌های مناسبی هستند.

اهمیت آب‌های زیرزمینی بر ایمنی و پایداری سازه‌های سطحی و زیرزمینی:

برآورد و کنترل جریان و فشار آب زیرزمینی (در تونل‌ها، ترانشه، زمین‌های زیرسازه‌ها و درون سازه‌هایی مانند سدها).

موقعیت سطح ایستابی:

تونل‌هایی که در بالای سطح ایستابی قرار دارند، پایدارتر هستند.

الف) محور تونل موازی با لایه بندی:

در این حالت مسیر حفر تونل، فقط از یک لایه عبور میکند (عدم وجود تنوع در لایه بندی از لحاظ جنس لایه‌های تشکیل دهنده) و با توجه به فرض صورت سؤال که این لایه را محکم در نظر گرفته است. امکان ریزش تونل کمتر خواهد بود و تونل مستحکم تر می‌باشد.

ب) محور تونل عمود بر لایه بندی:

در این حالت مسیر حفر تونل، از لایه‌های سنگی با جنس‌های مختلف عبور می‌کند. (تنوع در لایه بندی) در نتیجه به علت متفاوت بودن جنس سنگ‌ها، شاهد وجود مقاومت‌های مختلفی در برابر تنش‌ها و فشارها خواهیم بود. پس امکان ریزش تونل بیشتر می‌باشد.

انواع سازه‌های دریایی:

اسکله‌ها، پایه‌های نفتی، تونل‌های زیر دریایی و ... (در سواحل دریا و یا در دریا).

در مکان یابی سازه‌های دریایی می‌بایست به نکات زیر توجه کرد:

۱- مطالعات زمین شناسی

۲- توجه به جریان‌های دریایی

۳- ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آب دریا

موارد ضروری در مطالعات مکان‌یابی سازه‌ها:

الف) بررسی وجود یا عدم وجود گسل‌های فعال در منطقه 

روش‌ها و مراحل بررسی مطالعات مکان یابی سازه‌ها:

۱) استفاده از عکس‌های هوایی و ماهواره‌ای  

۲) بازدیدهای صحرایی

۳) استفاده از داده‌های ثبت شده توسط دستگاه‌های لرزه نگار 

۴) مطالعه اطلاعات تاریخی زمین لرزه‌ها به منظور بررسی احتمال فعالیت مجدد گسل‌ها و وقوع زمین لرزه 

۵)‌ قرار دادن این اطلاعات در اختیار مهندسان عمران به منظور طراحی سازه 

ب) پایداری محل احداث سازه در برابر حرکات دامنه‌ای (ریزش، لغزش، خزش، جریان گلی و ....) 

۱) ایجاد دیوار حائل به منظور پایدارسازی شیب دامنه‌ها  

۲) استفاده از دیوارهای سنگی با تورهای سیمی (گابیون) 

۳) زهکشی برای تخلیه آب اضافی 

۴) ایجاد پوشش گیاهی 

۵) میخ کوبی

۱- ایجاد امواج خطرناک در مخزن سد

۲- کاهش ظرفیت و عمر مفید مخزن سد

میخ کوبی:

روشی است برای پایدارسازی دامنه‌ها و ترانشه‌ها 

ترانشه:

فرورفتگی های مصنوعی یا طبیعی در سطح زمین هستند که ژرفای آن‌ها از پهنای آن‌ها بیشتر است. (طویل و عمیق هستند)

هدف از احداث ترانشه: انتقال آب، جاده سازی، قرار دادن لوله‌های نفت و ...

اثرات مثبت:

۱) متراکم شدن خاک توسط ریشه گیاهان و افزایش پایداری دامنه‌ها در برابر ریزش و لغزش

۲) جلوگیری از فرسایش خاک و مقاوم کردن خاک در برابر باران باد و سیل

اثرات منفی:

۱) احتمال ریزش دامنه‌ها به علت وزن درختان

۲) نفوذ ریشه گیاهان به داخل درز و شکاف سنگ‌ها و احتمال خردشدگی آن‌ها 

۳) نفوذ آب به داخل خاک و احتمال لغزش و جریان‌های گلی

موارد قابل بررسی در آزمایشگاه‌های مکانیک خاک یا سنگ:

۱) اندازه گیری مقاومت خاک یا سنگ

۲) تعيين مقدار نفوذپذیری

۳) تعیین اندازه دانه‌ ها

مصالح مورد نیاز در سازه‌ های مختلف متفاوت است:

در سد های بتنی: سیمان، ماسه، شن، میلگرد

در سد های خاکی: خاک رس، ماسه، شن، قلوه سنگ

علت استفاده از هسته رسی برای ساخت سد های خاکی:

رس ها نفوذپذیری بسیار اندکی دارند. این هسته رسی به عنوان یک عایق رطوبتی عمل می‌کند و مانع نفوذ آب به قسمت‌های زیرین سد می‌شود. در نتیجه پایداری سد در برابر نفوذ آب افزایش می‌یابد.

مبنای طبقه بندی مهندسی خاک‌ها

۱) دانه‌ بندی 

۲) درجه خمیری بودن

۳) مقدار مواد آلی

طبقه بندی خاکها بر مبنای دانه بندی:

۱) ریزدانه: ذرات کوچکتر از ۰/۰۷۵ میلی‌متر (۷۵ میکرون). مثال: رس و لای 

۲) درشت دانه: ذرات بزرگ تر از ۰/۰۷۵ میلی‌متر. مثال: ماسه و شن

۱) ساخت بدنه سدهای خاکی

۲) زیرسازی جاده‌ها و باند فرودگاه‌ها

برش عرضی از یک جاده (از عمق به سطح)

الف) زیرسازی

۱- زیر اساس

به عنوان لایه زهکش عمل می‌کند.

از مخلوط شن و ماسه یا سنگ شکسته تشکیل شده است.

۲- اساس

ب) روسازی

۱- آستر

۲- رویه

۱) آستر و رویه بایستی مقاوم باشند.

۲) از جنس آسفالت می‌باشند.

آسفالت: مخلوطی از شن، ماسه و قیر

بالاست: قطعات سنگی و خرده سنگی به کار رفته در زیرسازی و تکیه‌گاه ریل‌های راه آهن است.

کاربرد:

۱) نگهداری ریل ها 

۲) توزیع بار چرخ ها

۳) عمل زهکشی

چگونگی تأمین بالاست: خرد کردن سنگ‌هایی که از معدن استخراج می‌شوند.

زمین شناسی مهندسی: بررسی رفتار و ویژگی‌های مواد سطحی زمین از لحاظ:

۱) مقاومت در برابر فشارهای وارده 

۲) امکان ساخت یک سازه در محلی خاص از زمین (انتخاب مناسب ترین محل برای ساخت سازه)