دراسة تجريبية للسلوك الميكانيكي لصخور مختلطة موجهة تحت اختبار الانضغاط القُطري باستخدام قياس الإزاحة الصوري الرقمي

لماذا تهم الصخور المختلطة في الحياة اليومية

العديد من المنحدرات والأنفاق والأساسات ليست محفورة في صخر صلب نقي. بدلاً من ذلك، تمر عبر أرض مختلطة تتألف من قطع صخرية صلبة عائمة في مادة أضعف تشبه «الملاط». تُعرف هذه الصخور ذات الكتل ضمن المصفوفة باسم bimrocks، ويمكن أن تنهار بطرق مفاجئة، مما يجعل إنشاء بنية تحتية آمنة أمراً صعباً ومكلفاً. تطرح هذه الدراسة سؤالاً عملياً ذا تبعات هندسية كبيرة: كيف يغير مقدار ومحاذاة القطع الصخرية الصلبة داخل مثل هذه الخلائط طريقة تشققها تحت الشد، وهل يمكن لاختبار معملي شائع أن يقيس فعلاً قوتها؟

صخور مكونة من قطع

توجد الصخور المختلطة في أنحاء العالم في انزلاقات التربة، والمناطق التكتونية، وتدفّقات الحطام القديمة. تشبه مظهرها مهلبية صخرية: كتل حجرية قوية بأحجام مختلفة مغروسة في مصفوفة أضعف ذات حبيبات دقيقة. غالباً ما يبسط المهندسون هذه التعقيدات بتجاهل الكتل والتصميم على أساس وجود المصفوفة اللينة فقط. وعلى الرغم من أن هذا يبدو حذراً، فقد يكون مضللًا، لأن الكتل تحرف الشقوق ويمكنها أن تقوّي أو تضعف الأرض اعتماداً على ترتيبها. إحدى السمات الأساسية هي اتجاه الكتل: ما إذا كانت المحاور الطويلة للكتل تقع معظمها رأسياً، أفقياً، أو في موضع ما بينهما، وهو «نسيج» يعكس كيفية تشكّل المادة في الطبيعة.

سحق أقراص صخرية لكشف القوة الخفية

لفحص كيف يؤثر محتوى الكتل واتجاهها على سلوك الشد، صنع المؤلفون صخوراً مختلطة صناعية في المختبر. صبّوا كتلاً بيضاوية «صخرية» من خليط قوي من الجبس والأسمنت وغرسوها عشوائياً داخل مصفوفة أضعف غنية بالمساحيق، مع التحكم بعناية في نسبة حجم الكتل (من 0 إلى 50 بالمئة) ومحاذاة محاور الكتل الطويلة عند زوايا محددة بالنسبة لاتجاه التحميل. من هذه الخلائط قصّوا عينات على شكل أقراص وحملوها عبر القطر في اختبار «البرازيل» القياسي، حيث ينتج الضغط عند الحواف حالة شد داخل القرص. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لتقدير مقاومة الشد للصخور لأنها بسيطة التنفيذ.

مراقبة تشكّل الشقوق في الوقت الحقيقي

بدلاً من الاعتماد فقط على قراءات القوة والعيّنات المكسورة، استخدمت المجموعة تقنية مطابقة الصور الرقمية، وهي طريقة بصرية تتعقب حركات سطحية دقيقة بين آلاف بكسلات الصورة. من خلال رش نمط نقطي على أسطح الأقراص وتصوير الاختبارات، أعادوا بناء خرائط كاملة للإجهاد—مقدار امتداد كل جزء—خلال التحميل. أظهرت هذه الخرائط أين تراكم الإجهاد المحلي، وأين ظهرت الشقوق أولاً، وكيف امتدت عبر أو حول الكتل المدمجة. ثم حلل الباحثون 87 اختباراً إحصائياً، مستخدمين طرق سطح الاستجابة وتحليل التباين لفصل تأثير نسبة الكتل والاتجاه ولقبض تأثيراتهما المشتركة وغير الخطية على الحد الأقصى للحمل الذي يمكن للأقراص تحمّله.

كيف يعيد محتوى الكتل والاتجاه تشكيل التشقق

كشفت التجارب أن حتى كمية صغيرة من الكتل تغير السلوك بشكل جذري. عندما لم تكن هناك كتل، تصرف القرص كما تتنبأ به الكتب: تركز الإجهاد في المركز واشتقّ شق واحد مستقيم قسم القرص على طول القطر المحمّل. بمجرد أن شغلت الكتل نسبة 12.5 بالمئة من الحجم، انخفض الحمل الأقصى بشكل حاد وبدأت الشقوق تفضل الواجهات بين الكتل والمصفوفة، وهي أضعف المناطق في الخليط. عند محتويات أعلى من الكتل، تباطأ الانخفاض في القوة، لكن مسارات الشقوق أصبحت أكثر تعقيداً. بدلاً من أن تبدأ من المركز، كثيراً ما بدأت عند حواف الكتل أو بالقرب من نقاط التحميل وزحفت متعرجة حول عدة كتل. كما تحكم اتجاه الكتل في القوة: كانت الأقراص ذات الكتل المحاذية موازية لاتجاه التحميل الأضعف، بينما قاومت تلك التي دُوِّرت باتجاه أفقي أحمالاً أعلى، خصوصاً عند وجود العديد من الكتل. يعكس هذا كيف تصطف أو لا تصطف حدود الكتل الطويلة مع إجهادات الشد الرئيسية.

عندما يتوقف اختبار معياري عن قول الحقيقة

توفر خرائط الإجهاد من مطابقة الصور الرقمية تحذيراً للمهندسين. يفترض التفسير المعتاد لاختبار البرازيل وجود شق مركزي واحد ناجم عن توتر داخلي متجانس إلى حد ما. في التجارب، لم يكن هذا الافتراض صحيحاً إلا لمادة المصفوفة النقية. مع زيادة محتوى الكتل، بدأت الشقوق بعيداً عن المركز، وعند 50 بالمئة كتل تكونت عدة شقوق ونمت في آن واحد، محولة الاختبار من قياس مادي بسيط إلى فشل هيكلي معقد. تحت هذه الظروف، لم يعد الرقم المعلن بوصفه «قوة الشد» يمثل خاصية أساسية للصخور المختلطة، بل نمط الكتل الخاص بكل عيّنة.

ما يعنيه هذا للأنفاق والمنحدرات والتصميم

بالنسبة لقرّاء غير المتخصصين، الخلاصة هي أن الصخور المختلطة التي تحتوي على عدد كبير من القطع الصلبة لا تنهار مثل المواد المتجانسة، وأن اختباراً معملياً واسع الاستخدام قد يقدم إجابات مبسطة ومضللة. تُظهر هذه الدراسة أن نسبة الكتل، والأهم من ذلك اتجاهها المفضل، تتحكمان في كيفية بدء الشقوق وانتقالها. عند محتويات عالية من الكتل، يصبح اختبار البرازيل غير صالح لقياس مقاومة الشد الحقيقية؛ وحتى عند المحتويات الأدنى، تعتمد النتائج بقوة على حجم ومحاذاة الكتل الكبيرة. يوصي المؤلفون بأن يستخدم المصممون العاملون في مثل هذه الرواسب المعقدة هذه الرؤى لتفسير نتائج الاختبار بحذر، ورسم خرائط لاتجاه الكتل في الموقع، وعند وجود تفاوتات شديدة في الظروف، النظر في اختبارات شد مباشرة بديلة عندما تعتمد السلامة على تقديرات قوة دقيقة.

الاستشهاد: Rostamlo-Jooshin, R., Bahaaddini, M. & Khosravi, M.H. Experimental study of the mechanical behavior of oriented bimrocks under diametral compression test using DIC. Sci Rep 16, 9544 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40334-8

الكلمات المفتاحية: صخور مختلطة, قوة الشد, اختبار البرازيل, مطابقة الصور الرقمية, الهندسة الجيوتكنيكية