چکیده

در بسیاری از پروژه های عمرانی که بدلیل شرایط خاص توپوگرافی یا نوع پروژه، احداث سازه یا سازه ها در زیر زمین الزامی می باشد مانند نیروگاه های زیرزمینی، تونل ها و طبقات زیرین سازه های شهری، انجام عملیات حفاری در توده سنگ ضروری می باشد. در چنین شرایطی، تعیین تنش های درجا در توده سنگ برای تحلیل رفتار توده سنگ و محاسبات تنش-کرنش الزامی است. در بسیاری از لایه های زیرسطحی سنگ به دلیل شرایط خاص زمین ساختی و فعالیت های درونی زمین، شاید تنش های اصلی افقی درجا به مراتب از تنش اصلی قائم بیشتر باشد. به همین دلیل تعیین کمیت و جهت این تنش ها و تغییر شکل ناشی از عملیات حفاری در سنگ بر اثر رها شده تنش های افقی برای ارزیابی کیفی توده سنگ اطراف و تغییر شکل های حاصل در سازه های مجاور، در مطالعات ژئوتکنیکی این گونه سازه ها مد نظر قرار می گیرد. یکی از آزمایش های رایج جهت انجام این عملیات آزمایش شکست هیدرولیکی می باشد.

کلمات کلیدی: تنش درجا، سنگ، شکست، تنش اصلی، شکست هیدرولیکی

۱٫ مقدمه

تعیین تنش در سنگ ها در مهندسی معدن، عمران، نفت، ژئوفیزیک و زمین شناسی از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. تنظیم تنش های اطراف بازشوهای زیرزمینی نظیر تونل ها، معادن، محورهای عبور آب، شفت ها و حفره های زیرزمینی از جمله موارد ضروری در تعیین تنش ها در سنگ ها می باشند. یکی از پارامترهای مهمی که تعیین آن در اینگونه فعالیت ها ضروری می باشد تنش های برجا اطراف سنگ ها می باشند. تنش های برجا در محیط ها معمولاً ناشی از بارهای ثقلی، بارهای سازه های فوقانی و کرنش های ایجاد شده توسط فعالیت های تکتونیکی پوسته زمین می باشد. تنش هایبرجا در سنگ ها معمولاً از روش های تئوری بدست می آیند لکن، این روش های تخمینی دقت خوبی ندارند زیرا عواملی نظیر لایه یندی، درزها و ترک ها، گسل ها و چین خوردگی ها و ناهمگنی های میکروسکوپی مقادیر تنش واقعی را متفاوت از مقادیر تنش تئوری می سازند. به همین دلیل محققین تلاش نمودند تا روشهای مناسب صحرایی و آزمایشگاهی برای برآورد مقدار این تنش تعریف کنند.

از جمله این روش ها عبارتند از:

روشهای هیدرولیکی، جک زدن، آزادسازی احیای کرنش، گسیختگی گمانه، تجلیل اطلاعات لغزش گسل و …

۱

فلسفه این روشها تعیین تنش در سنگ ها عبارتند از ایجاد اغتشاش در سنگ و اندازه گیری و تحلیل پاسخ متناظر با اغتشاش ایجاد شده (به شکل کرنش، جابجایی و یا ثبت فشار هیدرولیک)

یکی از مرسوم ترین این روشها شکست هیدرولیکی (Hydraulic Fracture) می باشد که در ادامه به بررسی آن پرداخته شده است.

آزمایش شکست هیدرولیکی یا هیدروفراک اساساً با هدف ارزیابی مقدار تنش درجا در توده های سنگی ابداع شده است و در داخل گمانه حفر شده در سنگ صورت می پذیرد. در شرایطی که گمانه در جهت قائم باشد، تنش اصلی در همین جهت و برابر تنش سربار در نظر گرفته خواهد شد.

۲٫ معرفی آزمایش

از آزمایش شکست هیدرولیکی می توان به عنوان یک روش مناسب اشاره نمود. در واقع شکست هیدرولیکی مهم ترین تکنیک تعیین تنش برجای سنگ می باشد که به طور موفق برای اندازه گیری تنش های بر جای زمین در گمانه های عمیق تا اعماق ۶ تا ۹ کیلو متر به کار گرفته می شود. شکست هیدرولیکی (HF) یک روش آزمایش صحرایی گمانه ای است که برای دستیابی به حالت تنش برجا در پوسته زمین می باشد. این روش تحت عنوان Hydrofrac و بعضی مواقع Minifrac نیز بیان می شود.

روش تعیین تنش HF در واقع از یک تکنیک در صنعت نفت که برای افزایش تولید نفت بوسیله افزایش تخلل و نفوذپذیری سنگ می باشد، منشعب شده است. این روش هم بصورت افقی و هم بصورت قائم انجام می گیرد و در آن با پمپ کردن مقادیر زیادی از یک سیال (که معمولاً بصورت گل مایع و یا مخلوط آب و افزودنی های شیمیایی می باشد) به درون خاک، حجم محدوده آزمایش را افزایش داده و در نتیجه ترک هایی را بوجود می آورند. وقتی که عملیات تزریق کامل شد فشار داخلی سنگ باعث می شود که این سیال به سطح زمین باز گردد و به این سیال برگشتی “آب تولید شده” و یا “جریان برگشتی” می گویند. این مایع بعد از برگشت به سطح زمین قبل از بازیافت و یا دور ریختن در تانکرها و یا پیت هایی ذخیره می شوند.

ویژگی اصلی روش شکست هیدرولیکی اندازه گیری تنش های برجا از طریق مجزا کردن مقطعی از یک گمانه توسط پکر ها و اعمال فشار هیدرولیکی به دیواره های آن می باشد. نتیجه آزمایشهای موفق HF،عموماً یک تخمین مناسب از حالت تنش برجا (بزرگی وجهت)، در صفحه عمود بر محور گمانه می باشد. زمانی که گمانه و شکاف هیدرولیکی تقریباً در حالت عمودی هستند، جهت تنش به نسبت محور گمانه به صورت اولیه بوده و برابر با وزن سربـاره (مصالح رویی) می باشد.