مقدمه

طراحی واجرای موفق سازههای عمرانی در گرو شناخت ویژگیهای فیزیکی، مکانیکی، ترکیب کانی شناسی و آگاهی از رفتار مهندسی سنگها در محل پروژه است که در مواردی مانند سد سازی، تونلبری و جاده سازی این موضوع از اهمیت بیشتری برخوردار است. سازند گچساران به عنوان یکی از سازندهای تبخیری ناحیه زاگرس در مناطق جنوبی و جنوبغربی کشور گسترش زیادی دارد. بسیاری از راههای ارتباطی در این مناطق از این سازند عبور میکنند. سدهای زیادی در این مناطق احداث شدهاند که مخزن آنها روی این سازند واقع است (سدهای مارون، سلمان فارسی، تنگ سرخ، گتوند، کارون۳، کرخه، چم شیر، تنگ شمیران). تمام و یا قسمتی از تونلهای بزرگراه خرم آباد-پل زال هم در سازند گچسارانحفاری شدهاند. همواره اجرای پروژه-های عمرانی و مهندسی بر روی این سازند با مشکلاتی همراه میباشد. انحلال ژیپسها، متورم شدن مارنها و پایین بودن مقاومت مکانیکی سنگهای سازند گچساران، از جمله این مشکلات مهندسی است که میتوانند برای پروژههای مهندسی، هزینهساز باشند. در منطقه رامهرمز، سازند گچساران گسترش زیادی

داشته و پروژههایی مثل مخزن سد جره، سازه پارک کوهستان، دیوارهای حایل پارک کوهستان، جاده رامهرمز به شهرهای باغملک، ایذه، مسجد سلیمان، هفتکل و شوشتر، دیوارهای حایل مسیر جاده، دکلهای فشار قوی انتقال برق رامهرمز، خط لوله انتقال نفت رامهرمز-اصفهان و غیره بر روی سازند گچساران احداث شدهاند. عدم توجه به مسائل مهندسی سازند گچساران، ممکن است که مشکلاتی را برای این پروژهها ایجاد کند. هدف از انجام این پژوهش، مطالعه خصوصیات مهندسی سنگهای سازند گچساران، مطالعه انحلالپذیری ژیپسها، مطالعه تورم مارنها و ارائه یک مدل کامپیوتری برای سازند گچساران، جهت تعیین مقاومت مکانیکی سنگها با استفاده از دیگر پارامترها است. در این پژوهش سعی شده تا با انجام آزمایش، خصوصیات مهندسی سازند گچساران بهویژه در مخزن سد جره، بصورت عددی بیان گردد تا در پروژههای در حال اجرا بر روی این سازند، بکار گرفته شده و جلوی ایجاد مشکلات بیشتر را بگیرد.

۱

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

مطالعه خصوصیات زمین شناسی مهندسی واحدهای مارنی ایران مورد توجه پژوهشگران داخلی و خارجی بوده است. خامهچیان، ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی سنگهای مارنی-رسی از دو سازند آغاجاری، میشان و لایههای مارن تبریز را مورد مطالعه قرار داد و نتیجه گرفت که درصد رس و کربنات و نوع رس از عوامل اصلی کنترل کننده ویژگیهای زمین شناسی مهندسی این سنگها میباشد. به نحوی که با افزایش درصد کربنات در سنگهای مارنی-رسی خصوصیات فیزیکی و مکانیکی آنها بهبود مییابد و حساسیت سنگ در برابر آب کاهشپیدا میکند (خامهچیان،.(۱۳۶۹

مطالعه خصوصیات زمین شناسی مهندسی سنگهای مارنی (سازند تلخ) ساختگاه سد دوستی نشان داد که بسیاری از خواص فیزیکی و مکانیکی مارنها تابع ترکیب شیمیایی آنها بوده و این سنگها از نظر رفتار مکانیکی در ضعیف ترین گروه سنگی قرار میگیرند (رضایی،.(۱۳۷۹ نتایج مطالعه دوام سنگهای مارنی و انحلال پذیری ژیپسهای سازند آغاجاری در محل سد خیرآباد نشان داد که بین شاخص دوام و ترکیب کانیشناسی سنگها ارتباط مشخصی وجود دارد بگونهای که سنگهای دارای درصد کربنات بیشتر از شاخص دوام و شکفتگی بالاتری برخوردار میباشند. همچنین با افزایش مقدار رطوبت، شاخص خمیری و فشار تورم، دوام به مقدار قابل ملاحظهای کاهش پیدا کند (موسوی،.(۱۳۸۵

مطالعه خصوصیات زمین شناسی مهندسی سازند قم در شمال و شمال شرق همدان نشان داد که ویژگیهای مکانیکی سنگ ها متأثر از ترکیب کانی شناسی، اندازه دانه ها، ساخت و بافت میباشد. همچنین مشخص شد که درصد کربنات و کانی رسی موجود در مارنها تأثیر بسزایی در رفتار مهندسی آنها دارد (کاپلهی ،.(۱۳۸۷ عمرانی و همکاران، ویژگیهای مهندسی مارنهای نئوژن در جنوب شرقی اسپانیا را مورد مطالعه قرار دادند و نتیجه گرفتند که میزان کربنات کلسیم با مقامت برشی ارتباط مستقیم داشته و با شاخص واگرایی و رفتار تورمی رابطه عکس دارد .(Amrani et al., 1998) صدر کریمی و همکاران ویژگیهای ژئوتکنیکی مارنهای شهر تبریز را مورد مطالعه قرار دادند و نتیجه گرفتند که حد روانی و حد خمیری مارنها به ترتیب بین ۳۲ تا ۱۰۰ و ۷ تا ۶۰ در تغییر است. همچنین درصد تورم و فشار تورمی به ترتیب حدود %۱۳/۶ و ۱۰۲۰ کیلو پاسکال اندازه گیری شد (Sadrekarimi et al., .2006) لوآنا و همکاران، ویژگیهای کانی شناسی و ژئوتکنیکی سنگهای ضعیف در مناطق مرکزی یونان را مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند که با کاهش مقدار کانیهای رسی در سنگ، مقاومت و شاخص دوام افزایش یافت
.(Loanna et al., 2009)

سنگهای سولفاته مثل ژیپس به دلیل گسترش و اهمیتی که دارند توسط پژوهشگران مورد مطالعه قرار گرفتهاند. بل، خصوصیات مهندسی انیدریت و ژیپسهای مناطق شمال و مناطق میانی انگلستان را مورد مطالعه قرار داد، و نتیجه گرفت که کانیهای یاد شده تخلخل کمی دارند و بر اساس آزمون مقاومت تراکمی تک محوری، ژیپس دارای مقاومت متوسطی می باشد (Bell .F., 1994) یلماز (Yilmaz I., 2007)، تفاوت در خصوصیات ژئوتکنیکی دو نوع ژیپس در ترکیه را مورد مطالعه قرار داد و نتیجه گرفت که بافت، بهویژه اندازه و شکل دانهها، نقش مهمی در کنترل و تفاوت خصوصیات مکانیکی دو نوع ژیپس دارد. همچنین در سالهای اخیر تحقیقاتی در ارتباط با انحلال ژیپس در محل تعدادی از سدهای کشور انجام گردیده است. مطالعه انحلال پذیری ژیپسهای سازند گچساران در محل سد تنگ شمیران ایلام (باغداردخت، (۱۳۸۴، ارزیابی میزان انحلال ژیپسهای سازند آغاجاری در

×بهار ۹۲، شماره ۷

ساختگاه سد خیرآباد بهبهان (موسوی، (۱۳۸۵ ، تعیین انحلال ژیپسهای سازند گچساران در سد تنگ سرخ (پرهیزکار، (۱۳۸۶ و مطالعه انحلال پذیری ژیپسهای سازند گچساران در محل سد چم شیر (ترابی، (۱۳۸۹ نمونههایی از پژوهشهای انجام شده است. نتیجه این مطالعات، لزوم توجه به میزان انحلال ژیپس و احتمال فرار آب از طریق این سنگ را مشخصتر کرد. ساخت سازه-های عمرانی در هر منطقه نیازمند پی مناسب است. یافتن پی مناسب از میان چند لیتولوژی با رفتارهای مکانیکی متفاوت، مثل لیتولوژیهای سازند گچساران به مطالعه زیادتری نیاز دارد. دراین تحقیق جهت پیش بینی مقاومت واحدهای سنگی سازند گچساران و یافتن مقاومت حداکثر از ترکیب شبکه عصبی و منطق فازی در قالب سیستم neuro-fuzzy و با عنوان ANFIS استفاده شده است. ANFIS برای حل بسیاری از مسائل ژئوتکنیکی مثل مدل کردن زاویه اصطکاک خاک، آنالیز پایداری تونل، تخمین عمق جوشش در اطراف گروه شمعها، پیش بینی مقاومت تراکمی تک محوره تخمین پتانسیل تورم و تخمین نفوذپذیری خاک بکار گرفته شد که بسیار مفید واقع شد

.(Cabalar et al., 2012)

زمین شناسی

در منطقه رامهرمز سازندهای عهد حاضر رخمون دارند که در این بین سازند گچساران بیشترین گسترش را دارد (شکل.(۱ سازند گچساران که نام آن از میدان نفتی گچساران گرفته شده از ۷ بخش (ممبر) تشکیل شده که بخش ۱ بصورت همشیب در بالای مخزن نفتی آهک آسماری قرار گرفته و مهمترین بخش میباشد که پوش سنگ نامیده میشود. بخش ۷ بصورت همشیب زیر سازند میشان قرار گرفته و شامل لایههای ژیپس، مارنهای سبز و قرمز، آهک ماسه ای و نمک می باشد .(James and Wynd,1965) در ناحیه مورد مطالعه سازند گچساران در دو بخش رخنمون دارد: یک بخش از جنوب شرق تا شمال غرب شهر رامهرمز با طول حدود۱۰۰ و با پهنای ۴ تا ۱۱ کیلومتر که در نتیجه عملکرد گسل رامهرمز در مجاورت دشت رامهرمز رخنمون پیدا کرده است (محمدیان و همکاران، .(۱۳۸۹ بخش دیگر کهتقریباً به موازات بخش قبلی است، در اثر عملکرد گسل جره رخنمون پیدا کرده (شکل(۲ و در حدود دو سوم از مخزن سد جره در شمال شهر رامهرمز را در بر میگیرد (برجسته و برقی،.(۱۳۸۸ بارزترین مشخصه سازند گچساران چرخهای بودن نهشتههای آن میباشد. این چرخه به ترتیب شامل ردیفی از مارنهای رنگی، کربناتها، انیدریت، ژیپس و نمکها میباشند. سازند گچساران در منطقه رامهرمز شامل تناوبی از لایههای ژیپس، انواع مارن و آهک ماسهای است (شکل.(۳ ژیپسها بیشترین ضخامت و گسترش را در منطقه دارند اما رخنمونهای آهک بصورت لایههای نازک گسترش کمی دارند. مارنهای سازند گچساران بعد از ژیپس بیشترین پراکندگی را دارد و به رنگهای مختلفی دیده میشوند. مارنهای خاکستری تا سبز و مارن های قرمز دارای گسترش بیشتری میباشند. با توجه به فرسایش ژیپس و مارنها سازند گچساران دارای مورفولوژی تپه ماهوری است. وجود چینهای بسیار کوچک و متعدد از ویژگیهای این سازند محسوب میگردد. دراین منطقه، نمک به دلیل انحلال سریع در رخنمون ها بسیار کم دیده میشود. در نتیجه انحلال نمک، آبهای خارج شده از این سازند دارای شوری بالایی بوده و سبب ایجاد نمکزارهایی در منطقه شدهاند. بر اساس مطالعات صحرایی، سازند گچساران در منطقه مورد مطالعه همراه با سازند میشان رخنمون دارد. از این رو، سازند گچساران در منطقه رامهرمز در مقایسه با مقطع تیپ، معادل بخش هفتم سازند گچساران است.

۲

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار ۹۲، شماره ۷

شکل.۱ نقشه زمینشناسی منطقه رامهرمز (اقتباس از نقشه ۱:۱۰۰۰۰۰ شرکت نفت)

شکل.۲ رخنمون سازند گچساران در مخزن سد جره در شمال رامهرمز (دید به سمت شمالشرق)

۳

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×بهار ۹۲، شماره ۷

شکل.۳مقطع چینه شناسی سازند گچساران در منطقه رامهرمز

روش کار

در این پژوهش بلوکهای سنگی از مخزن سد جره و دیگر بخشهای مختلف سازند گچساران در منطقه رامهرمز به آزمایشگاه زمین شناسی مهندسی دانشگاه بو علی سینا همدان انتقال داده شد و از آنها مقاطع نازک تهیه گردید. با استفاده از آزمایش کلسیمتری به روش “تیتراسیون برگشتی” مقدار کربنات کلسیم نمونههای مارن و آهک ماسهای تعیین شد. جهت تفکیک کردن مارن از سیلتستون، آزمایش هیدرومتری بر روی نمونهها انجام گردید. برای تعیین نوع کانیهای رسی، از آنالیز XRD استفاده شد. بر اساس ویژگیهای سنگ شناسی، نمونههای سنگی طبقه بندی شدند. به منظور انجام آزمایشات فیزیکی و مکانیکی بر روی نمونهها، از بلوکهای سنگی مغزهگیری به عمل آمد. خصوصیات فیزیکی مثل وزن مخصوص بخش جامد، وزن واحد حجم، درصد رطوبت، درصد جذب آب، درصد تخلخل، سختی اشمیت و ویژگیهای مکانیکی سنگ مانند شاخص مقاومت بار نقطهای، مقاومت تراکمی تک محوره و مقاومت کششی بر اساس استانداردهای ASTM و ISRM بدست آمد. جهت تعیین میزان انحلال پذیری ژیپس، از آزمایش انحلال به روش سیرکولاسیون استفاده شد. تورم نمونههای مارن با استفاده از دستگاه تحکیم و طبق استاندار ISRM تعیین گردید. برای پیش بینی مقاومت واحدهای سنگی با استفاده از دادههای آزمایشگاهی، از سیستم ANFIS استفاده شد. به این منظور نرم افزار

MATLAB به کار گرفته شده که در آن دادههای آزمایشگاهی به عنوان ورودی منظور شدند و گرافهای پیش بینی مقاومت سنگ، نقش خروجی را داشتند.
سنگشناسی

بر اساس مطالعات سنگشناسی که توسط میکروسکوپ نوری انجام شده، سنگهای منطقه مورد مطالعه شامل ژیپس، مارن و آهک ماسهای میباشند.

ژیپس

سولفاتهای سازند گچساران ابتدا بصورت ژیپس بوده اما با افزایش عمق و دما، آب خود را از دست داده و به انیدریت تبدیل شدهاند. در اثر فرایندهای تکتونیکی انیدریت به سطح آمده و در شرایط فشار و دمای کمتر قرار میگیرد که در اثر آبگیری مجدد به ژیپس تبدیل میشود. بنابر این سولفاتهای سازند گچساران در اعماق زیاد (مثل میدانهای نفتی) به صورت انیدریت بوده و در سطح زمین بصورت ژیپس نمایان میشوند. بر اساس مطالعات میکروسکوپی، ژیپسهای مورد مطالعه با دو بافت آلاباستر و پورفیریتیک دیده میشوند. ژیپسهای آلاباستر و پورفیریتیک ثانویه میباشند. ژیپس آلاباستر، بصورت ژیپس تودهای بسیار متراکم، بافت بسیاریزدانه، معمولاً سفید برفی و مات بوده اما گاهی اوقات دارای رنگ زرد، قهوه ای، قرمز، نارنجی یا سبز دیده میشوند. ژیپس پورفیریتیک، دارای بافت درشت دانه بوده که در آن بلورهای بزرگ در

۴

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

زمینهای از ریز دانهها دیده میشوند. ژیپس پورفیریتیک درشت دانه در اثر آبگیری انیدریت تشکیل شده است. ژیپس پورفیریتیک در مقطع میکروسکوپی دارای بلورهای درشت انیدریت((An و زمینه ریزدانه ژیپس((Gyp است (شکل-۴الف) و آنالیز XRD نشان داده که ناخالصیندارد. ژیپسآلاباستر ریزدانه بعد از ژیپسپورفیریتیک و در نزدیکی سطح زمین تشکیل میگردد .(Tony et al,2005) این نوع ژیپس در مقطع دارای بلورهای ریز ژیپس (Gyp) و کانی رسی (کلریت-(Chl است و بافت ریزدانه دارد (شکل-۴ ب) و آنالیز XRD نشان داد که کانی رسی کلریت در آن وجود دارد (شکل-۴ د). به دلیل وجود کلریت، این نوع ژیپس در نمونه دستی سبز رنگ دیده میشود.

آهک ماسهای رسدار

این سنگ در مقطع نازک از کلسیت، دولومیت، کوارتز و کانیهای رسی تشکیل شده و فسیل نیز در آن نمایان است(شکل -۴ ج). بر اساس نتایج آزمایش کلسیمتری به روش تیتراسیون برگشتی، کربنات این سنگ %۴۵می-باشد، مواد باقی مانده در آزمایش کلسیمتری حدود %۳۵ کوارتز و %۲۰کانی-های رسیاست. نتایج آنالیز XRD نشان میدهد که این سنگ از کانیهای کلسیت، دولومیت، کوارتز و ایلیت تشکیل شده است. آهکهای سازند گچساران از نوع میکریتی و دولومیکریتی بوده که در مقطع نازک شبیه دولومیتها دیده میشوند. دانههای کوارتز که در آزمایش کلسیمتری جدا شده بودند، در زیر میکروسکوپ پلاریزان مطالعه شدند. در این مطالعه مشخص شد که دانههای کوارتز زرد نخودی و مات هستند که میتواند تأیید کننده منشاء بادی این ماسهها باشد.

مارن

به سنگهایی گفته میشود که دارای ۳۵ تا ۶۵ کربنات بوده و بین ۶۵ تا %۳۵ رس داشته باشد (آدابی،.(۱۳۶۶ در منطقه مارنها به رنگهای قرمز، سبز، کرمی و خاکستری دیده میشوند. در بین انواع مارن، دو نوع مارن قرمز و سبز گسترش بیشتری در منطقه دارند. درصد سیلت و کانی رسی نمونهها با آزمایش هیدرومتری تعیین و نوع کانی رسی با آنالیز XRD تعیین شد. با آزمایش کلسیمتری به روش “تیتراسیون برگشتی” مقدار کربنات کلسیم نمونهها معین گردید و از طریق تعیین هدایت الکتریکی مارنها، مقدار درصد ژیپس نمونهها مشخص شد. بر اساس ترکیب کانی شناسی، مارنها به ۴ واحد تقسیم شدند (جدول.(۱اکسید آهن فریک و هماتیت باعث ایجاد رنگ قرمز و احیاء هماتیت و وجود آهن فرو در شبکه کانیهای ایلیت و کلریت سبب ایجاد رنگ سبز در مارنها شده است. در منطقه مارنهایی دیده میشود که دارای رگههای نازک ژیپس فیبری ثانویه به ضخامت ۱cm یا کمتر میباشند، ژیپسها در مدت انحلال حمل شده و در شکستگیهایی که جهت یافتگی مختلف دارند، تزریق شده و رگهها را ایجاد کردهاند. در بخشهایی مارنها دارای لامینههایی از ماسه و سیلت بوده که منشأ بادیدارند، این نوع مارنها می توانند به عنوان مرز سیکلهای رسوبگذاری در نظر گرفته شوند .(Gill et al., 1972)

دوام پذیری

دوام به قدرت مقاومت مواد در برابر عوامل مخرب فیزیکی و شیمیایی اتلاق میشود. عوامل کنترل کننده دوام یک نمونه تابع کانی غالب، شکستگی-های ریز، تجزیه و هوازدگی سنگ است. نوسان مخزن سد نیز، تاثیر فراوانی بر

۵

×بهار ۹۲، شماره ۷

دوام سطح آب و پایداری سنگها دارد. آزمون دوام پذیری براساس استاندارد ASTM D4644 در ۱۵ سیکل برای نمونههای ژیپس، آهک ماسه ای، واحدهای ۱و۲ مارنی و در ۱۰ سیکل برای واحدهای ۳ و ۴ مارنی انجام گردید. شاخص دوام شکفتگی((Id برای هر سیکل به عنوان درصدی از نسبت بین وزن خشک ابتدایی و نهایی سنگ بعد از سیکلهای تر و خشکشدگی محاسبه شد. جهت خشک کردن نمونههای ژیپس و مارنهای حاوی ژیپس از دمای کمتر از ۵۰ درجه آون استفاده گردید زیرا که ژیپس در تغییرات زیاد دما ناپایدار بوده و تغییر حالت میدهد. نمودار شاخص دوام در مقابل تعداد سیکلها در آب مقطر برای نمونهها ترسیم گردید (شکل.(۵ همانطور که مشاهده میشود با افزایش تعداد سیکلها شاخص دوام شکفتگی همه نمونهها کاهش پیدا میکند. ژیپس آلاباستر به دلیل داشتن بافت ریزدانه، دارای سطح در معرض تماس بیشتری بوده و به این علت دوام کمتری نسبت به ژیپس پورفیریتیک دارد. دوام سنگهای مارنی شدیداً تابع میزان کربنات کلسیم آن بوده و با افزایش درصد کربنات کلسیم، شاخص دوام افزایش مییابد.

ویژگی های فیزیکی

ویژگیهای فیزیکی ژیپسها و آهکهای ماسهای بر اساس استاندارد ASTM,1981 تعیین شدند (جدول.(۲ با توجه به حساسیت مارنها در برابر آب، برای تعیین ویژگیهای فیزیکی مارنها از روش تلوئن استفاده شد. نمونه-های ژیپس تفاوت قابل توجهای در وزن واحد حجم نداشتند زیرا مقدار ناخالصی آنها پایین است. وزن واحد حجم سنگهای مارنی تابع ترکیب کانی-شناسی و میزان تخلخل و همچنین میزان گسترش فرایندهای تکتونیکی نظیر ریز ترکها و درزههاست. با افزایش میزان کربنات کلسیم چگالی مارنها کاهش مییابد زیرا بطور کلیکائولینیت، مونتموریلونیت، ایلیت و کلریت چگالی بیشتری نسبت به کربناتها (کلسیت) دارند. با افزایش کربنات کلسیم فراوانی کانیهای رسی کمتر شده لذا چگالی سنگ مارنی کاهش مییابد.