بر اساس تصاویر ارسالی، شما یک برنامه جامع و تخصصی در محیط اکسل برای تعیین پارامترهای مکانیکی سنگ و ارزیابی کیفیت توده سنگ در پروژه های مهندسی سنگ (به ویژه تونل سازی و شیب های سنگی) طراحی کرده اید. این برنامه به طور سیستماتیک از روش های تجربی و تحلیلی معتبر بین المللی استفاده می کند. در زیر توضیحات کامل و ساختاریافته ای از برنامه ارائه شده است:

هدف کلی برنامه:

فایل اکسل محاسبه مقاومت ظاهری سنگ برای مدلسازی عددی الاستوپلاستیک و تحلیل پایداری تونل ها و شیب های سنگی طراحی شده و پارامترهای ورودی مورد نیاز برای نرم افزارهای تحلیلی (مانند FLAC, PLAXIS, RS2) را محاسبه می کند.

1-Introduction

ساختار کلی برنامه :

۱. بخش تعیین ویژگی های سنگ دست نخورده (Intact Rock Properties):

• از آزمایش چکش اشمیت (Schmidt Hammer) برای تخیین:
  • UCS (مقاومت فشاری تکمحوری) سنگ دست نخورده
  • Ei (مدول الاستیک) سنگ دست نخورده
• چندین فرمول تجربی برای انواع سنگ ها ارائه شده و کاربر می تواند مقادیر مناسب را انتخاب کند.
• میانگین گیری از مقادیر انتخاب شده انجام می شود.

2-GSI RQD-1

۲. بخش ارزیابی توده سنگ (Rock Mass Classification):

• سیستم Q (Barton, 1974) برای ارزیابی کیفیت توده سنگ در تونل ها:
  • پارامترهای RQD, Jn, Jr, Ja, Jw, SRF وارد می شوند.
  • مقدار Q محاسبه شده و برای طراحی سیستم نگهداری استفاده می شود.
• سیستم Q-slope (Bar & Barton, 2018) برای ارزیابی پایداری شیب های سنگی:
  • پارامترهای مشابه Q اما با ضرایب اصلاحی برای شرایط سطحی، استرس و ناپیوستگی های اصلی.
  • شیب پایدار پیشنهادی از نمودار تجربی استخراج می شود.
• شاخص مقاومت زمین شناسی (GSI):
  • از چندین روش (Hoek, Cai, Russo, Sonmez & Ulusay, Schlotfeldt & Carter) برای تخمین GSI استفاده می شود.
  • میانگین وزنی نهایی GSI محاسبه می شود.

۳. بخش محاسبات مکانیک سنگ:

• از GSI و UCS برای تخمین پارامترهای مقاومتی توده سنگ (مطابق معیار Hoek-Brown) استفاده می شود.
• پارامترهای مورد نیاز برای مدل های الاستوپلاستیک (مانند چسبندگی، اصطکاک، مدول تغییرشکل) محاسبه می شوند.

۴. بخش طراحی نگهداری تونل:

• از مقدار Q برای تعیین نوع و فاصله سیستم نگهداری (مانند بولت، شاتکریت، قاب فلزی) استفاده می شود.
• برای توده سنگ ضعیف، روش هایی مانند بولت پیش رو (Spiling Bolts) پیشنهاد شده است.

۵. بخش تحلیل تنش و تغییرشکل:

• تنش قائم و افقی در عمق تونل محاسبه می شود.
• تغییرشکل های افقی و قائم تونل بر اساس شرایط زمین شناسی و تنش برآورد می شوند.

 6. ماژول ورود داده و تعیین ویژگی های اولیه

تعیین پارامترهای سنگ دست نخورده (Intact Rock):

•   UCS و Ei با استفاده از چکش اشمیت و فرمول های تجربی مختلف برای انواع سنگ ها.
•   انتخاب هوشمند فرمول بر اساس نوع سنگ (رسوبی، آذرین، دگرگونی).
•   تبدیل بین مقادیر RL و RN اشمیت.

تعیین درجه هوازدگی (Weathering Degree):

•   طبقه بندی ISRM (1981) و Lama & Vutukuri (1978).
•   تأثیر هوازدگی بر کاهش مقاومت.

 7. ماژول طبقه بندی توده سنگ (Rock Mass Classification)

محاسبه شاخص های مختلف:

• RQD، RMR، Q (بارتون)، Q-slope، GSI، RMQR.
• تخمین GSI با روش های مختلف و محاسبه میانگین وزنی.
• ارزیابی شرایط سطح ناپیوستگی (SCR) و ساختار توده سنگ.

 8. ماژول محاسبه پارامترهای مقاومتی و تغییرشکل پذیری

پارامترهای معیار هوک-براون (Hoek-Brown):

•   محاسبه mb، s، a برای شرایط اوج (Peak) و باقیمانده (Residual).
•   در نظرگیری ضریب اختلال (D) بر اساس روش حفاری (مکانیکی، آتشباری کنترل شده، ضعیف).

تبدیل به پارامترهای معیار موهر-کولمب (Mohr-Coulomb):

•   چسبندگی (Cm) و زاویه اصطکاک داخلی (φm) توده سنگ.

محاسبه پارامترهای الاستیک توده سنگ:

•   مدول الاستیک (Em)، مدول برشی (Gm)، ضریب پواسون (νm).
• محاسبه مقاومت فشاری تکمحوری توده سنگ (σcm) با استفاده از روش های مختلف (بر پایه RMR، GSI، Q).

 9. ماژول رفتار ناپیوستگی ها (Discontinuities)

مقاومت برشی ناپیوستگی ها:

•   استفاده از مدل بارتون-باندیس (JRC, JCS, φb).
•   محاسبه زاویه اصطکاک و چسبندگی لحظه ای برای کرنش های مختلف.

سختی ناپیوستگی ها (Joint Stiffness):

•   سختی نرمال (Kn) و برشی (Ks) با استفاده از مدل گودمن (Goodman, 1976).
•   سختی مرزی (Interface Stiffness) برای مدلسازی تماس سازه-سنگ (پی، تونل).

 10. ماژول تحلیل پایداری و طراحی

تونل:

•   طراحی سیستم نگهداری بر اساس Q.
•   محاسبه تنش های قائم و افقی در عمق.
•   پیش بینی تغییرشکل های تونل (همگرایی).

شیب سنگی:

•   محاسبه Q-slope و تعیین زاویه شیب پایدار از نمودار تجربی بارتون.
•   درنظرگیری عوامل کاهش مقاومت (SRFσ, SRFb, SRFc).

 11. ماژول محاسبات تخصصی و کمکی

• سرعت امواج الاستیک در توده سنگ (Vp, Vs).
• کرنش بحرانی (Critical Strain) برای تونل زنی.
• تعیین مقاومت معادل سنگ (Equivalent IRS) برای لایه های متناوب.
• کتابخانه فرمول های تجربی برای UCS، Ei، mi و سایر پارامترها.

2-GSI RQD-2

ویژگی های بارز برنامه:

• استفاده از استانداردهای معتبر (Barton, Hoek-Brown, GSI, Q-system)
• قابلیت انتخاب فرمول های مختلف با توجه به نوع سنگ
• محاسبه میانگین وزنی برای پارامترهای کیفی مانند GSI
• ارائه خروجی های گرافیکی (نمودار شیب پایدار بر اساس Q-slope)
• مناسب برای مهندسان ژئوتکنیک، معدن و عمران

خروجی های نهایی برنامه:

1. UCS و Ei سنگ دست نخورده
2. مقدار Q توده سنگ برای تونل
3. مقدار Q-slope برای شیب های سنگی
4. مقدار GSI توده سنگ
5. پارامترهای Hoek-Brown (mb, s, a)
6. پیشنهاد سیستم نگهداری تونل
7. شیب پایدار پیشنهادی برای شیب های سنگی
8. تغییرشکل های پیش بینی شده تونل

مزایای برنامه:

• کاهش خطای محاسباتی
• سرعت بالا در تحلیل
• قابل استفاده در مرحله طراحی و اجرا
• منعطف با شرایط مختلف زمین شناسی
• کاهش زمان و خطای محاسبات: خودکارسازی محاسبات پیچیده و تکراری.
• افزایش دقت: استفاده همزمان از چندین روش و میانگین گیری هوشمند.
• یکپارچگی: گردآوری تمام مراحل تحلیل مکانیک سنگ در یک فایل.
• انعطاف پذیری: قابل استفاده برای انواع سنگ، سازه های زیرزمینی و شیب ها.
• پشتیبانی از تصمیم گیری مهندسی: ارائه طیفی از نتایج بر اساس روش های مختلف.
• اسنادسازی پروژه: ثبت کامل داده ها، فرضیات و نتایج.

2-GSI RQD-3

 نحوه کار برنامه :

1. ورود داده های پایه: مختصات، نوع سنگ، وزن مخصوص، داده های چکش اشمیت.
2. تعیین پارامترهای سنگ دست نخورده: انتخاب فرمول و محاسبه UCS و Ei.
3. ارزیابی توده سنگ: وارد کردن داده های صحرایی (RQD، تعداد دسته درزه ها، زبری، آلتراسیون، آب، تنش).
4. محاسبه شاخص های کیفی: RMR، Q، GSI، Q-slope.
5. تعیین پارامترهای مقاومتی توده سنگ:

•   انتخاب نوع سنگ و mi.
•   وارد کردن ضریب اختلال (D).
•   محاسبه پارامترهای هوک-براون و موهر-کولمب.

6. محاسبه پارامترهای تغییرشکل پذیری: Em، Gm، νm، سختی ناپیوستگی.
7. تحلیل پایداری و طراحی:

•   برای تونل: پیشنهاد سیستم نگهداری، محاسبه تغییرشکل.
•   برای شیب: پیشنهاد زاویه شیب ایمن.

8. خروجی نهایی: جدولی جامع از تمام پارامترهای مکانیکی برای استفاده در مدل سازی عددی.

نتیجه گیری:

این برنامه یک ابزار مهندسی دقیق، کاربردی و مطابق با استانداردهای روز جهان است که می تواند به طور مؤثری در تحلیل پایداری سازه های سنگی زیرزمینی و سطحی مورد استفاده قرار گیرد. ترکیب روش های Q، GSI و Hoek-Brown در کنار ارائه نتایج گرافیکی، آن را به یک نرم افزار کمکی ارزشمند برای مهندسان تبدیل کرده است.

این برنامه اکسل، در واقع یک کارگاه مجازی مهندسی سنگ است که دانش تجربی چند دهه ای (بارتون، هوک، بینیاواسکی، گودمن و …) را با قابلیت های محاسباتی اکسل ترکیب کرده است. هدف نهایی آن، تبدیل داده های خام صحرایی و آزمایشگاهی به پارامترهای مهندسی قابل اعتماد برای استفاده در نرم افزارهای تحلیلی مانند FLAC3D، PLAXIS، RS2 و Phase2 است.

این ابزار نه تنها برای مهندسان مجرب جهت سرعت بخشیدن به کارها مفید است، بلکه برای دانشجویان و مهندسان تازه کار به عنوان یک راهنمای آموزشی ساختاریافته برای درک ارتباط بین پارامترهای مختلف مکانیک سنگ نیز ارزشمند می باشد.

تصاویری از محیط برنامه:

2-GSI RQD-4

2-GSI RQD-5

2-GSI RQD-6

2-Q-Tunne-6

2-Q-Tunnel-1

2-Q-Tunnel-2

2-Q-Tunnel-3

2-Q-Tunnel-4

2-Q-Tunnel-5

3-Q-slope-1

3-Q-slope-2

3-Q-slope-3

3-Q-slope-4

3-Q-slope-5

4-UCS & Ei-1

4-UCS & Ei-2

5-Failure Criteria Param-1

5-Failure Criteria Param-2

5-Failure Criteria Param-3

5-Failure Criteria Param-4

6-Elastic & Strength Param-1

6-Elastic & Strength Param-2

6-Elastic & Strength Param-3

6-Elastic & Strength Param-4

6-Elastic & Strength Param-5

6-Elastic & Strength Param-6

6-Elastic & Strength Param-7

7-mi & MR-1

7-mi & MR-2

8-D (factor)-1

8-D (factor)-2

9-Formulas-1

9-Formulas-2

9-Formulas-3

9-Formulas-4

9-Formulas-5

9-Formulas-6