دراسة خصائص فيزيائية-ميكانيكية ونموذج تشكلي للضرر لمواد شبيهة بالحصى الرملي

لماذا يهتم المهندسون بالصخور المقلدة

من الأنفاق العميقة إلى خطوط المترو والسدود، تُنَفَّذ العديد من مشاريعنا الهندسية الكبرى في الصخور أو محيطة بها. قبل أن يبدأ أحدهم الحفر في تل حقيقي، غالبًا ما يبني المهندسون نماذج فيزيائية مصغرة ليروا كيف قد يتشقق الصخر المحيط بالنفق أو المنحدر ويتعرض للفشل. تطرح هذه الدراسة سؤالًا يبدو بسيطًا لكن له أهمية كبيرة: هل يمكننا تصنيع حجر رملي اصطناعي يتصرف بشدة مماثلة للحجر الرملي الحقيقي ليعطي نتائج موثوقة في هذه الاختبارات النموذجية؟

فحص دقيق للحجر الرملي الحقيقي

بدأ الباحثون بفحص حجر رملي مأخوذ من عمق يقارب كيلومترًا تحت سطح الأرض في منجم فحم صيني. قسموه إلى ثلاث فئات بناءً على حجم الحبيبات: خشن ومتوسط ودقيق. تحت المجهر وجدوا أن الثلاثة يتكوَّنون أساسًا من نفس المكونات، مثل الكوارتز والفلسبار، لكن ترتيب الحبيبات وحجمها يختلفان. الحجر الرملي الدقيق يحتوي على أكبر نسبة من الكوارتز وله حبيبات أصغر وأكثر تماسكا. كما قيَّم الفريق كيفية امتصاص الصخور للماء ومدى قوتها في اختبارات السحق، سواء بدون ضغط محيط أو تحت ضغوط مماثلة لتلك التي تتعرض لها الصخور العميقة جوفًا.

كيف يغير الماء بنية الصخر الداخلية

الماء لاعب هادئ لكنه قوي في سلوك الصخور. من خلال نقع عينات الحجر الرملي ثم تصويرها بمجهر إلكتروني عالي الدقة، راقب الفريق كيف تغيرت المسامات والجزيئات الرقيقة داخليًا. في الحجر الرملي الخشن والمتوسط، ما كان يبدو سابقًا هيكلًا كثيفًا ومسطحًا ارتخى مع تسرب الماء الذي ذاب بعضًا من المادة بين الحبيبات وفتح مسارات جديدة. أما الحجر الرملي الدقيق فلم يتغير كثيرًا في بنية المسام، وإن كان بعض الجزيئات الشبيهة بالطين على السطح قد انتفخت. تساعد هذه الاختلافات في تفسير سبب قدرة الحجر الرملي الخشن على امتصاص المزيد من الماء ولماذا تختلف قوته وأنماط تشققه عن المادة الأ أدق.

بناء بديل مقنع للصخر

مسلحين بهذه المعرفة، شرع المؤلفون في تصميم مادة شبيهة بالصخر تحاكي هذه الخصائص. مزجوا رمل الكوارتز، مسحوق الحديد، الأسمنت، الجبس والماء بمركبات مخططة بعناية، ثم صبّوا ومعالجوا حراريًا 243 عينة أسطوانية بأحجام حبيبات مختلفة. خضعت كل دفعة لاختبارات سحق بدون ضغط وتحت مستويين من الضغط المحيط لقياس صلابتها وقوتها وهشاشتها. كما قاسوا كمية الماء التي تستطيع كل خلطية امتصاصها. بمقارنة هذه النتائج مع سلوك الحصايا الرملية الطبيعية، حدَّدوا وصفة مثلى: مادة صلبة تتكون من 70 بالمئة من الركام، مع ضعف كمية رمل الكوارتز مقارنة بمسحوق الحديد، والأسمنت كالمُلازم الوحيد، والماء بما يعادل ربع كتلة المادة الصلبة.

التقاط كيفية تراكم الضرر

الاهتمام بأرقام القوة البسيطة لا يكفي؛ يحتاج المهندسون أيضًا إلى معرفة كيف يبدأ الضرر وينمو داخل المادة أثناء ضغطها. حلل الفريق كيفية تشوه الحجر الرملي الاصطناعي على ثلاث مراحل: مرحلة مرنة أولية، ثم مرحلة بلاستيكية تدريجية حيث تنتشر الشقوق الدقيقة، وأخيرًا مرحلة فشل حيث تنخفض القوة. ترجموا هذا السلوك إلى نموذج رياضي للضرر يعامل الصخر كمجموعة من العناصر الصغيرة التي يمكن أن تفشل واحدة تلو الأخرى. إحدى الأفكار الأساسية أن المادة تُظهر عتبة واضحة: تحت مقدار إجهاد معين لا يحدث ضرر حقيقي، وفوقه يتراكم الضرر بطريقة قابلة للتنبؤ. من خلال ملاءمة النموذج مع بيانات اختباراتهم، أظهروا أنه قادر على إعادة إنتاج جزأي منحنى الإجهاد-الانفعال الصاعد والهابط تحت ضغوط مختلفة.

ماذا يعني هذا للأنفاق والمنحدرات

لغير المتخصصين، الخلاصة أن الدراسة لا تقدم وصفة لمادة شبيهة بالحجر الرملي الواقعي فحسب، بل أيضًا طريقة لوصف كيف تضعف تحت الحمل. المزيج المختار يتصرف إلى حد كبير مثل الحجر الرملي الحقيقي من حيث القوة والصلابة وامتصاص الماء ونمط التشقق، والنموذج الجديد للضرر يتتبع استجابته بثبات أثناء انتقالها من حالة سليمة إلى حالة متكسرة. يزود هذا المزيج المهندسين ببديل مختبري أكثر موثوقية عن الصخر الجوفي الحقيقي، مما يساعدهم على استكشاف كيفية تصرف أنفاق ومناجم ومنحدرات المستقبل قبل أي حفريات حقيقية.

الاستشهاد: Zhang, S., Qiao, W., Song, W. et al. Study on physico-mechanical properties and damage constitutive model of sandstone-like materials. Sci Rep 16, 15561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46993-x

الكلمات المفتاحية: حجر رملي, مادة شبيهة بالصخر, اختبارات نماذج جيولوجية-هندسية, نموذج تشكلي للضرر, ضغط ثلاثي المحاور