GaPs.ir - Geology and Petroleum Science - حفاری ضربه‌ای

 زمین شناسی مهندسی

تاریخچه و سیر تحولی

 از قرنها پیش معماران و سازندگان بناها بر این نکته معترف بودند که برای جلوگیری از نشست، کج شدن یا فرو ریختن ساختمانشان محتاج آگاهی از شرایط زمین هستند. البته ساختمانهای قدیمی همواره با توجه به تجربیات سازنده بنا و اغلب به روش آزمون و خطا احداث می‌شد. در سال 1776 و زمانی که «کولن» برای اولین بار تئوریهای مربوط به فشار زمین را ارائه داد، استفاده از روشهای تحلیلی در بررسی زمین آغاز شد.

بررسی‌های کولن بر روی دیواره‌های حائل نشان داد که وقتی دیوار حائلی کج می‌شود، گوه‌ای از خاک ناپایدار در پشت آن ایجاد می‌گردد که یک طرف آن ، دیوار و سمت دیگر آن یک سطح گسیختگی است. کولن فشار اولیه وارده به دیوار را به وزن گوه و مقاومت برشی در امتداد سطح برش ، که برحسب اصطکاک داخلی بیان نمود، مربوط کرد. در سال 1871 «اتو مور»فرضیه‌ای عمودی برای مقاومت مصالح زمین شناسی در برابر گسیختگی ارائه داد.

سالها گذشت تا آنکه «ترزاقی» مکانیک خاک را به صورت شاخه‌ای از مهندسی عمران مطرح نمود. دانش مکانیک خاک با اولین کنفرانس بین المللی در مورد مکانیک خاک و مهندسی پی که در سال 1936 میلادی در دانشگاه هاروارد آمریکا برگزار شد، در سطح جهانی تثبیت گردید.

از سالهای دور مهندسان و زمین شناسان مفاهیم مربوط به رفتار مکانیکی سنگها را در معدن‌کاری و صنعت نفت به کار می‌گرفتند، ولی این رشته تا اوایل دهه 60 میلادی مخصوصا تا سال 1996 که اولین کنفرانس بین المللی مکانیک سنگ در شهر لیسبون پرتغال برگزار شد، هنوز به طور رسمی به عنوان شاخه‌ای از دانش مهندسی به حساب نمی‌آمد.

واژه «ژئوتکنیک» اولین بار در سال 1948 میلادی توسط انستیتوی مهندسان ساختمان بریتانیا به کار گرفته شد و به تدریج مفهوم آن غنای بیشتری یافت، تا اینکه در سال 1974 «مهندسی ژئوتکنیک» به عنوان رشته‌ای خاص توسط انجمن مهندسان ساختمان ایالات متحده امریکا نیز به رسمیت شناخته شد.

امروزه واژه ژئوتکنیک به مفهوم مجموعه‌ای مشتمل بر سه دانش مکانیک خاک ، مکانیک سنگ و زمین شناسی مهندسی به کار گرفته می‌شود.

زمین و سازه‌های مهندسی

سازه‌ های مهندسی صرفنظر از آن که ما آن را مجموعا «محیط شناسی» می‌نامیم ، تاثیر می‌پذیرند. شاید بتوان عناصر تشکیل دهنده محیط زمین شناسی را به نحو زیر به چهار جز مختلف تقسیم کرد:

«  فرآیندهای زمین شناسی: چون فرسایش ، رسوب گذاری ، زمین لرزه و آتشفشان

«  ساختمانهای زمین شناسی: چون لایه بندی ، گسلها ، کوه یا دره یک رود

«  مواد زمین شناسی: چون سنگ و خاک و آب و هوا

« زمان: که همه چیز در ارتباط با آن در تغییر دائم است.

مواد و مصالح زمین شناسی از دیدگاه مهندسی

مواد جامد و طبیعی تشکیل دهنده ، بخشهای خارجی زمین را به دو گروه اصلی سنگ و خاک تقسیم می‌کنند.

سنگ : از نقطه نظر زمین شناسی ، سنگ به موادی از پوسته زمین اطلاق می‌شود که از یک یا چند کانی که با یکدیگر پیوند یافته‌اند، درست شده است.

خاک : خاک توده‌ای از ذرات یا دانه‌های منفصل یا دارای پیوند سست است که بر اثر هوازدگی سنگ بطور بر جا تشکیل شده است درجه سخت و سنگ شدگی خاک ناچیز تا صفر بوده و در بسیاری موارد حاوی مواد آلی است و گیاهان می‌توانند بر روی آن رشد کنند.

ژئودینامیک

یکی از وظایف مهم زمین شناسی مهندسی تشخیص احتمال وقوع فرآیندهای ژئودینامیکی ، مثل سیل و زمین لرزه ، که شاید بتوان آنها را «بلایای زمین شناسی» نیز نامید، قادرند ضمن ایجاد تلفات جانی ، خسارات جبران ناپذیری نیز به سازه مهندسی وارد آورند. مهندسانی که در پروژه‌های عمرانی و ساختمانی فعالیت دارند، باید از شرایط طبیعی که منجر به بروز این مشکلات می‌شود، آگاهی داشته باشند، تا به این وسیله بتوانند احتمال رخداد هر یک از آنها را در محدوده سازه مورد نظر برآورد نمایند.

نقش زمین شناسی مهندسی و مسئولیت ‌های حرفه‌ای

زمین شناسی مهندسی واقعیت‌های علمی مشاهده شده یا اندازه گیری شده را که سرشت فیزیکی یگانه پوسته زمین را توصیف می‌کند به صورت اطلاعات زمین شناسی در می‌آورد و این اطلاعات را بر تشخیص مرز محدودیت‌های مهم فیزیکی که می‌تواند در طراحی ، ساخت و نگهداری هر پروژه مهندسی موثر باشد به دانسته‌های مهندسی تبدیل می‌کند. زمین شناسی مهندسی با ایفای این نقش ویژگیهای زمین شناختی محل اجرای پروژه را که در صورت داشتن شرایط نامطلوب سبب افزایش هزینه و در صورت داشتن شرایط مطلوب سبب کاهش هزینه خواهند شد، مشخص می‌کند. بدین ترتیب زمین شناسی مهندسی را می‌توان صاحب حرفه‌ای دو سویه نگر در نظر گرفت که از یک سو فرآیندهای زمین شناسی را در نظر دارد و از طرفی محصولات مهندسی مورد نظر اوست. بطورکلی مسئولیت‌های حرفه‌ای او را بصورت زیر می‌توان خلاصه کرد:

 توصیف محیط زمین شناختی مربوط به پروژه مهندسی

 توصیف مواد زمین ، توزیع آنها ، و ویژگیهای فیزیکی- شیمیایی آنها

 استنتاج پیشینه رویدادهای موثر در زمین مواد

 پیش بینی رویدادهای آتی و شرایطی که می‌تواند ایجاد شود.

 توصیه مواد معرف برای نمونه برداری و آزمون

 توصیه نحوه‌های کار و عمل با مواد و فرآیندهای گوناگون زمین .

 توصیه یا ارائه معیارهای طراحی استخراج بخصوص در مورد زاویه شیبهای برش در موادی که آزمون مهندسی آنها نامناسب بوده است، یا در جاهایی که عناصر زمین شناسی عامل کنترل پایداری هستند.

 وارسی حین کار ساختمانی برای تحقیق شرایط.

به منظور آگاهی از شرایط زمین شناسی و ژئوتکنیکی اعماق بیشتر زمین ، معمولا گمانه‌هایی حفر می‌شود. گمانه در واقع چاه قائمی است که توسط وسایل مکانیکی در خاک یا سنگ حفر می‌شود. گمانه‌های کم عمق گاه توسط دستگاه ساده‌ای به نام اوگر(auger) که طرز کار آن مانند مته بخاری است، حفر می‌شوند. حفاری گمانه‌ها به صورتهای مختلف انجام می‌شود. در روش حفاری ضربه‌ای پیشروی توسط ضربات پی در پی به سر مته تیغه‌ای شکل انجام می‌شود و مدار کنده شده و خرد شده هر چند مدت یکبار بوسیله ابزار مخصوصی به نام گل کش از چاه خارج می‌شود. حفاری ضربه‌ای بیشتر در آبرفتها و رسوبات ناپیوسته ، مخصوصا اکتشاف زیر زمینی بکار می‌روند. نمونه‌هایی که به این ترتیب بدست می‌آید، کاملا دست خورده است.

 حفاری شوئیدنی  (Wash boring)

 مته دورانی  (Ratary drill)

 اوگر مارپیچی ممتد

 اوگر میان تهی

 اوگرهای با قطر زیاد

 حفاری ضربه‌ای

 مته چکشی

 مته ضربه‌ای بادی

 روش توربینی

 ماشین های حفر تونل ( نحوه تخلیه ، قیمت آنها ، اجزاء این ماشین ها)