ESKİŞEHİR OSMANGAZİ ÜNİVERSİTESİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Transkript

1 ESKİŞEHİR OSMANGAZİ ÜNİVERSİTESİ MADEN MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Yrd.Doç.Dr. Ercan EMİR 2014

2 i İÇİNDEKİLER (Ders Yönetim Sistemi: ) Sayfa I. KAYA MEKANİĞİ KAVRAM VE TANIMLAMALARI II. SAĞLAM KAYA MALZEMESİ ÖZELLİKLERİ Jeolojik Özellikler Fiziksel Özellikler Doğal su içeriği tayini Kuru yoğunluk ve porozite tayini Tane yoğunluğu ve toplam porozite tayini Suda Dağılmaya Karşı Duraylılık Deneyi Dayanım Özellikleri Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı Deneyi Çekme Dayanımı Deneyleri Üç Eksenli Basınç (Sıkışma) Dayanımı Deneyi Nokta Yükü Dayanım İndeksi Deneyi Elastik Özellikler Birim deformasyon Elastisite modülü (Young modülü) Bulk modülü (Hacimce değişme modülü) Rijidite (kayma) modülü Poisson oranı ve Poisson numarası Dinamik elastisite modülü Dinamik kayma modülü Elastik, plastik ve vizkoz davranış Tek Eksenli Basınç Deneyi ile Kaya Malzemelerinin Elastisite Modülünün ve Poisson Oranının Tayini Anizotropi

3 ii İÇİNDEKİLER (devamı) Sayfa III. SÜREKSİZLİKLERİN MÜHENDİSLİK ÖZELLİKLERİ Süreksizlik Türleri Süreksizlik Aralığı Süreksizliklerin Devamlılığı Süreksizlik Yüzeylerinin Pürüzlülüğü ve Dalgalılığı Süreksizlik Yüzeylerinin Açıklığı Dolgu Malzemesinin Özellikleri Süreksizlik Yüzeylerinin Bozunma Derecesi ve Dayanımı Süreksizlik Yüzeylerindeki Su Durumu Süreksizliklerin Yönelimi ve Süreksizlik Seti Kavramı Blok Boyutu Hacimsel süreksizlik sayısı Ağırlıklı süreksizlik yoğunluğu Yüzeyde Uygulanan Genel Süreksizlik Ölçüm Teknikleri Hat etütleri Pencere haritası IV. SONDAJ KAROTLARI ÖLÇÜM KURALLARI VE JEOTEKNİK SONDAJ LOGLARI Sondaj karotlarından süreksizlik özelliklerinin tayini Sondaj karot uzunluğu ve süreksizlik aralığı ölçümü Süreksizlik düzlemlerinin eğimi Sondaj karotlarına özgü parametreler Toplam karot verimi (TKV) Sağlam karot verimi (SKV) Kaya kalite göstergesi (RQD) Eklem sıklığı (FF) Manevra Aralığına Göre Loglama Karotlarda Parçalanma ve Disklenme Jeoteknik Loglama Karotların Fotoğraflarının Çekilmesi ve Arşivlenmesi

4 iii İÇİNDEKİLER (devamı) Sayfa V. KAYA KÜTLESİ SINIFLAMA SİSTEMLERİ Terzaghi nin Kaya Kütlesi Sınıflaması Tahkimatsız Durma Zamanını İçeren Sınıflamalar Kaya Kalite Göstergesi (RQD) Kaya Yapısı Puanı (RSR) RMR Kaya Kütlesi Sınıflama Sistemi RMR Sınıflama Sisteminin Uygulama Alanları Kaya Tünelcilik Niteliği İndeksi, Q VI. YENİLME ÖLÇÜTLERİ Maksimum Çekme ve Basınç Gerilmesi Teorisi Coulomb Teorisi Mohr Ölçütü Griffith Teorisi Genelleştirilmiş Hoek-Brown Görgül Yenilme Ölçütü Barton ve Bandris in kaya eklem dayanımı ve deformasyonu için yenilmesi ölçütü (1990) Kaya Kütlesinin Deformasyon Modülü VII. ARAZİ GERİLMELERİ Gerilme Tansörü ve Bileşenleri Arazi Gerilmelerinin Sınıflandırılması Arazi Gerilmeleri Ölçüm Yöntemleri Gerilim rahatlatma (overcoring) yöntemleri Yassı kriko ile ölçüm yöntemi Hidrolik çatlatma yöntemi Akustik emisyon yöntemi Geriye dönük analiz Yöntemlerin tartışılması 7.11

5 iv İÇİNDEKİLER (devamı) Sayfa VIII. DOĞAL GERİLMELER Doğal Gerilmeleri Belirleme Yöntemleri Etkin Gerilme Yerinde Gerilme Durumuna Etki Eden Faktörler IX. ZORLAMALI GERİLMELER Daire Kesitli Kuyu Açıklıkları Çevresindeki Gerilme Dağılımı Elastik ortam Plastik ortam Uzun Ayak Çevresinde Oluşan İkincil Gerilmeler Basınç kemeri teorisi Basınç elipsoidi teorisi Kiriş teorisi Zemin mekaniği teorisi Oda-Topuklarda Oluşan İkincil Gerilmeler Topuğa etki eden basıncın hesaplanması Oda-topuk yöntemi uygulama derinliğinin hesaplanması Eğimli damarlar için oda-topuk yöntemi bağıntıları Kritik derinlik-üretim oranı ilişkisi 9.15 X. SAYISAL MODELLEME Sayısal Modelleme Yöntemleri Phase 2 Sayısal Modelleme Programı Phase 2 Programıyla Bir Galeri Açıklığının Sayısal Model Analizi

6 v İÇİNDEKİLER (devamı) Sayfa XI. TASMAN Tasmanın Oluşumu ve Tanımlar Tasmanın Genişliği Tasman Hesabı Yatay damarlarda tasman Eğimli damarlarda tasman Birbirine yakın üretim alanları Tasmanı Etkileyen Faktörler Tasmanın Oluşması İçin Gerekli Zaman Tasman Şekilleri Tasman Zararının Kontrolü Yapısal önlemler Yeraltı önlemleri Tasman Ölçümü

7 Bölüm 1 1 I. KAYA MEKANİĞİ KAVRAM VE TANIMLAMALARI İdeal malzeme: Aşağıda sıralanan özelliklere sahip malzemelerdir: homojen: Bir malzemenin fiziksel devamlılığını açıklar. Bir kaya kütlesinden alınan küçük bir numune, bu kaya kütlesinin tüm özelliklerini gösteriyor ise malzeme homojen olarak nitelendirilebilir. Bu anlamda ince taneli kayaçlar homojen, iri taneli kayaçlar ise homojen değildir. elastik: Dış kuvvetler etkisiyle cisimlerde oluşan hacimsel ve biçimsel değişimlerin bu kuvvetlerin kaldırılmasından sonra hemen tümü ile geriye dönmesine elastik davranış denir. izotrop: Bir malzeme dışarıdan kendisine uygulanan basınçlara karşı tüm doğrultularda aynı tepkiyi gösteriyorsa bu malzemeye izotrop denir. Değişik tepkiler gösteriyor ise anizotrop malzemedir. süreklilik: Kaya kütlelerinde kırık, çatlak, eklem ve gözenek hacimleriyle ilişkiyi ifade eder. Süreklilik derecesi kohezyonu ve malzemedeki gerilme dağılımını etkiler. Kaya kütlesindeki kırık ve çatlaklar süreksizlikler olarak nitelendirilir. Bir malzemede süreksizlikler arası mesafe ne kadar az ise ve süreksizlik açıklıkları ne kadar büyükse malzemenin mukavemeti o oranda düşer. Kaya mekaniğinde fiziksel veya mekanik özelliklerin değişmesine neden olan süreksizliklerin sınırladığı birim kaya elemanlarından oluşan ortam sürekli, süreksizliklerin var olduğu A ve B noktaları arasındaki ortam ise süreksiz ortamdır. Süreksizlik (discontinuity), kaya kütlelerinde çekilme dayanımı olmayan veya çok düşük çekilme dayanımına sahip tabakalanma düzlemi, eklem, fay, makaslama zonu dilinim, şistozite vb. gibi jeolojik anlamda zayıflık düzlemlerinin tümünü içeren genel bir kavramdır (Şekil 1.1). Bu kavram; süreksizliğin yaşı, geometrisi ve kökeni gibi hususları içermez. Bununla birlikte, bazı durumlarda jeolojik kökenli doğal süreksizlikler ile sondaj, patlatma ve kazı gibi işlemler sırasında oluşturulan yapay süreksizliklerin ayırt edilmesi önem taşır. Süreksizliklerin özellikleri, konumları ve yönelimleri kaya kütlelerinin deformasyon, dayanım, geçirgenlik vb. gibi özelliklerini, dolayısıyla kaya mekaniği uygulamalarını önemli derecede etkiler. Süreksizliklerin üç boyutlu karmaşık yapısı, süreksizlik ağı veya kaya yapısı olarak adlandırılır. Sağlam kaya (kayaç malzemesi) (intact rock material), kaya kütlesinde eklem, tabakalanma, şistozite fay vb. gibi doğal süreksizliklerin arasında kalan ve malzemenin çekilme dayanımının azalmasına neden olabilecek herhangi bir kırık içermeyen değişik boyutlardaki kayaç parçalarıdır. Diğer bir ifadeyle sağlam kayaç malzemesi, herhangi bir kırık tarafından ayrılmamış en küçük kaya elemanıdır. Kayaç malzemesinde bazen mikro kırıklar bulunmakla birlikte, bunlar süreksizlik veya kırık olarak dikkate alınmazlar. Bu kayaç parçaları, birkaç milimetreden metrelerce uzunluğa kadar olabilirler ve genellikle bunların elastik ve izotrop olarak davrandıkları kabul edilir.

8 Bölüm 1 2 Kaya kütlesi (rock mass) veya yerinde kaya (in-situ rock), süreksizlik ağı ile kayaç malzemesinin birlikte oluşturdukları kütle veya sistemdir (Şekil 1.1). Kaya kütlelerinde süreksizliklerle sınırlanan kayaç malzemesi blokları, taze kayaç malzemesinden bozunmuş (ayrışmış) kayaca kadar değişik özellikler sergileyebilir. Kaya kütlelerinin belirli bir gerilim altındaki davranışı, genellikle kayaç malzemesine ait bloklar ile süreksizlikler arasındaki etkileşim tarafından denetlenir. Dolayısıyla kayaç malzemesi, kendisiyle birlikte süreksizlikleri ve bozunma profilini de içine alan kaya kütlesi kavramından farklı olup, bu kavramla karıştırılmamalıdır. Şekil 1.2 de görüldüğü gibi, eklemli kaya kütlesi ortamında yeraltı açıklığının boyutu arttıkça, boyut kayaç malzemesini temsil eden bloklardan daha büyük olacağı için (4 no.lu açıklık), burada açıklığın davranışı tek başına kayaç malzemesi veya süreksizlikler tarafından değil, her iki elemanı da içeren kaya kütlesinin davranışıyla denetlenmektedir. Dolayısıyla bu örnek, tasarım parametrelerinin seçiminde ne denli dikkatli olunması gerektiğini göstermektedir. Şekil 1.1. Sağlam kaya, süreksizlik ve kaya kütlesi kavramlarını tanımlayan şematik kesit. kaya mekaniği: Kayanın mekanik özelliklerini belirleyen ve bunun değişik doğal koşullar altındaki davranışını teknik girişim öncesinde, sırasında ve sonrasında tanıtan, tanımlayan ve saptayan bilim dalıdır. duraylılık: Herhangi bir taşıyıcı sistemin öngörülen zaman aralığı içinde ilk durumunu korumasıdır. kohezyon: Taşın tanelerini bir arada tutan yapışma kuvvetidir. zemin: Taneleri arasında bağlantı bulunmayan veya suyun etkisiyle taneler arasındaki bağlantının koparılabildiği kayaçtır. konsolidasyon: Zeminin sürekli basınç altında tanelerinin arasındaki suyu ve havayı dışarı atarak sıkışmasına denir.

9 Bölüm 1 3 Şekil 1.2. Kazı boyutlarının artışıyla kaya kütlesi kavramının önem kazanmasını gösteren şematik kesit (Hudson, 1989 dan düzenlenmiştir). kaya patlaması: Yeraltı kaya yapılarının boşluğu çevreleyen kesimlerinde ani gerilme artışları, kaya direncinin zamanla yitirilmesi, statik yüklemeden birdenbire dinamik yüklemeye geçiş veya gaz ve su basınçlarındaki ani artışlar gibi nedenlerle görülen ve yeri, zamanı, şiddeti ve miktarı önceden belirlenemeyen ani sökülme, kırılma ve göçme olaylarıdır.

10 Bölüm 2 1 II. SAĞLAM KAYA MALZEMESİ ÖZELLİKLERİ 2.1. Jeolojik Özellikler Kayaçlar oluşum şekline bağlı olarak magmatik, sedimanter ve metamorfik kayaçlar olarak sınıflandırılmaktadır (Şekil 2.1). Magmatik kayaçlar derinlerde erimiş magmanın sertleşmesiyle oluşur. Bu tür kaya malzemelerinin dayanımı doku ve kristal boyutlarına ve asidik veya bazik (silis içeriğine bağlı olarak) oluşlarına göre değişir. Sedimanter kayaçlar ise genellikle su altında, önceden oluşmuş magmatik kayaçların parçalanması ve çimentolanması ile oluşurlar. Bu tür kaya malzemelerinin dayanımı daha çok çimento malzemesine bağlı olarak değişir. Metamorfik kayaçlar magmatik ve sedimanter kayaçların alterasyonu ile oluşurlar. Masif ve tabakalıdırlar. Bunlar oldukça sağlam kayaçları oluşturabilirler. Şekil 2.1. Oluşum şekillerine göre kayaçların sınıflandırılması

11 Bölüm Fiziksel Özellikler Kayaçların yoğunluk, porozite, su emme gibi fiziksel özellikleri kütle, hacim ve boşluk/gözenek içerikleri ile ilişkilidir. Kaya malzemesi yapısı içerisinde boşlukların olması kayaç yoğunluğunu azaltıp porozitesini attırmakta, bu ise kayaç dayanımını azaltarak deforme olabilirliğini etkilemektedir. Ayrıca, boşluk/gözenek içine su dolması bu etkileri artırabilmektedir. Yeraltı madencilik çalışmalarının çoğunlukla yeraltı su seviyesinin altında gerçekleştiriliyor oluşu, kaya malzemelerinin doğal su içeriklerinin de belirlenmesini gerektirmektedir. Şekil 2.2 de yeryüzü su çevrimi ile birlikte yeraltı su tablasının şematik gösterimi yer almaktadır. Şekil 2.2. Yeryüzü su çevrimi ile birlikte yeraltı su tablası Kayaç içindeki boşluklar/gözenekler kapalı olabileceği gibi birbiriyle ilişkili de olabilmektedir (Şekil 2.3). Bir kayaç suya doygun hale getirildiğinde bağlantılı boşluklar içerisine su dolar. Şekil 2.3. Kayaçlardaki boşluk/gözenek tipleri

12 Bölüm 2 3 Kapalı boşluklar su alamaz. Kapalı boşluklar kayaç oluştuktan sonra kabuk parçaları gibi çözünebilir malzemenin çözünmesinden oluşabilmektedir. Çoğunlukla düzensiz şekillidirler. Mikrondan onlarca metreye kadar değişen farklı boyutlarda olabilirler. Kapalı boşlukların su emme ve su geçirimliliği üzerine etkisi bulunmazken açık/bağlantılı boşlukların yani açık gözenekliliğin önemli etkisi bulunmaktadır. Gözeneklilik (porozite) kaya malzemesinin oluşumuna bağlı olarak artar veya azalır. Yüksek basınç ve sıcaklık altında magmatik kayaçların oluşum süreci çok az açık boşluk oluşumuna izin verir. Ancak, soğuma işlemi sırasında kuvars taneleri kendi hacminin yarısından fazlası kadar daralma gösterir ve kuvars taneleri çevresinde çatlaklar gelişir. Granit ve granit tipi kayaçlarda gözenek sisteminden daha çok çatlak sistemi boşluk sebebidir (Şekil 2.4a). Çok hızlı soğuyan bir magma veya özellikle lav, kendisinden uzaklaşan gaz ile birlikte porozitesi yüksek yani gözenekli bir kayacı oluşturur. Metamorfik kayaçlar alterasyon nedeniyle en az gözenekliliğe sahiptir. Kireçtaşından mermere yeniden kristalleşme süreci sırasında küçük kalsit tanelerinden daha büyük bir kristal yapı ve yeni bir doku oluşur. Bu büyüme ve değişim sırasında taneler arasında mikro gözenekler gelişebilmektedir. Tortul kayaçlarda ise gözenekler kompaktlaşma ve çimentolanma sürecinin sonucu olarak gelişir. Gözenek boyut ve şekillerinin neredeyse sınırsız değişimi tortul kayaçlara özgüdür. (a) Granit (b) Kireçtaşı (c) Kumtaşı Şekil 2.4. Kayaçlarda su emme ve su geçirimliliği

13 Bölüm 2 4 Kaya malzemesinde suyun girebildiği bağlantılı gözeneklerin toplam hacmine göre belirlenen poroziteye açık gözeneklilik (etkin porozite) denir. Tüm boşluklar hariç katı kısma göre belirlenen porozite ise toplam gözeneklilik olarak adlandırılır. Toplam gözeneklilik yoğunluk ve özgül ağırlık arasındaki farklılığın bir ölçütüdür. Düşük yoğunluklu kayaç genellikle çok gözeneklidir. Gözeneklilik (porozite) boşluk/gözenek oluşumunun kayaç oluşumu ile aynı zamanda olması ve sonradan oluşmasına göre sırasıyla birincil ve ikincil porozite şeklinde sınıflandırılabilmektedir. Buna göre; tortul malzemenin çökelmesi sırasında, örneğin kumtaşlarındaki taneler arası gözeneklilik (Şekil 2.4c) ve kireçtaşlarındaki kristaller arası gözeneklilik birincil poroziteyi oluştururken; çökelme sonrası çeşitli jeolojik süreçler sonrası meydana gelen, örneğin şeyl ve kireçtaşlarındaki çatlak oluşumları ve kireçtaşlarındaki erime boşluk veya mağaraları (Şekil 2.4b) ikincil porozite örnekleri olmaktadır. Birincil poroziteye sahip kayaçlar daha düzenli bir yapı gösterir. Gözenekliliğe etki eden faktörler: 1. Tane şekli, Şekil 2.5. Tane şeklinin gözenekliliğe etkisi 2. Tanelerin sıralanma şekli, Şekil 2.6. Tanelerin sıralanma şeklinin gözenekliliğe etkisi 3. Tane boyu dağılımları, Taneler birbirine ne kadar yakın boyutta ise gözeneklilik o denli artacaktır. Eğer tanelerin boyutu birbirinden farklı veya büyük kum taneleri küçük kum taneleriyle karışım halindeyse gözeneklilik azalacaktır.

14 Bölüm 2 5 Porozite %48 Porozite %14 Şekil 2.7. Tane boyu dağılımının gözenekliliğe etkisi 4. Çimentolanma derecesi: bileşimi ve bağlayıcılığı. Çimentolanma derecesi ne kadar fazlaysa gözeneklilik o denli az olur. Boşlukları dolduran bağlayıcı malzeme ve çimentolanma ile birlikte gözeneklilik azalmaktadır. 5. Sıkılaşma/kompaktlaşma: Sıkılaşma ile meydana gelen hacim azalışı gözeneklilikteki azalışın göstergesidir. (a) (b) Şekil 2.8. Çimentolanma ve sıkılaşma Çeşitli kayaçlara ait gözeneklilik değerleri aşağıda verilmiştir: Osmaniye bazaltı %0.7 Eskişehir-Süpren mermeri %1.3 İzmir-Kozak graniti %1.9 Eskişehir-Sarıcakaya pembe graniti %2.1 Denizli-Akköy sarı traverten %8.8 Eskişehir-Derbent beyaz tüfü %42.1 Nevşehir Ürgüp tüfü %41.3

15 Bölüm 2 6 Kaya malzemelerinin fiziksel özelliklerinin belirlenmesine yönelik laboratuvar deneyleri ve yöntemler aşağıda anlatılmıştır (ISRM, 2007) Doğal su içeriği tayini numune: Her birinin kütlesi en az 50 g veya en küçük numune boyutu içerdiği tane boyunun en az 10 katı olan en az 10 adet parçadan/topaktan oluşan temsili numune, Numune alma, saklama ve taşıma sırasında su içeriğinde %1 den fazla değişim olmamalıdır. deney aşamaları: Korozyona uğramayan bir malzemeden yapılmış kuru ve boş bir numune kabının kapağı ile birlikte kütlesi (A) tartılır, Numune kabı içine numune yerleştirilir, numune kabının kapağı kapatılır ve kütlesi (B) tartılır, Numune kabının kapağı açılır, kapaksız şekilde etüvde 105±3 0 C de değişmez kütleye gelinceye kadar kurutulur, Numune kabının kapağı kapatılıp desikatörde 30 dakika soğutulur ve kütlesi (C) tartılır. Aşağıdaki bağıntı yardımıyla su içeriği hesaplanır: boşluk suyu kütlesi M b B C w = x100% = x100% katı kısmın kütlesi M C A k (2.1) Kuru yoğunluk ve etkin porozite tayini Numune: Düzgün geometrik şekilli numuneler: Küp, dikdörtgenler prizması veya silindir biçiminde, Küp numune kenarı 27 mm olmalı, Veya numune en küçük boyutu içerdiği tane boyunun en az 10 katı olmalı, Her bir numunenin kütlesi 50 gram dan az olmamalı, En az 3 adet numune kullanılmalıdır. Kayaç örnekleri kurutulduğunda veya suya daldırıldığında şişme veya kolaylıkla dağılma özelliği göstermemelidir. Düzgün geometrik şekilli olmayan numuneler: Her birinin kütlesi en az 50 g veya en küçük örnek boyutu içerdiği tane boyunun en az 10 katı olan en az 10 adet agrega, topak veya parçadan oluşan temsili numune, Kayaç örnekleri kurutulduğunda veya suya daldırıldığında şişme veya kolaylıkla dağılma özelliği göstermemelidir. Numune hazırlama: Numune yüzeyleri tozdan arındırılacak şekilde su ile yıkanır. Deney aşamaları: Düzgün geometrik şekilli numunelerde numune boyutları kumpasla birkaç kez 0.1 mm hassasiyetle ölçülerek ortalama değerler bulunur ve bu değerlerden numune hacmi (V) hesaplanır.

16 Bölüm 2 7 Numune suya daldırma yoluyla 800 Pa dan daha düşük bir vakum altında en az bir saat bekletilir. Belli aralıklarla çalkalama yoluyla numunedeki hapsolmuş hava uzaklaştırılır. Yeterince suya doygun hale getirilmiş numune Arşimed terazisinin (Şekil 2.9) kefesine konularak su içerisine daldırılır. Kefe hariç numune kütlesi 0.1 gram hassasiyetle tartılır (M ds ), Nemli bez ile silinen numunenin bekletilmeksizin 0.1 gram hassasiyetle havadaki kütlesi tartılır (M dh ) (buharlaşmaya karşı kapaklı kap kullanılabilir). Numune etüvde 105±3 0 C de değişmez kütleye gelinceye kadar kurutulur, Desikatörde soğutulur, Numune kütlesinin %0.01 i hassasiyetle tartım alınabilen terazide kuru kütle M k tartımları yapılır, Şekil 2.9. Arşimed Terazisi Hesaplamalar: Katı kısım (görünür) hacmi: V = M dh M ρ w ds (2.2) Açık boşlukların hacmi: V b = M dh ρ w M k (2.3) V b Etkin porozite: n = x100 (%) (2.4) V Kuru yoğunluk: M k ρ = k V (g/cm3 ) (2.5) Kuru birim hacim ağırlığı: γ = 9.81xρ k k (kn/m 3 ) (2.6) Tane yoğunluğu ve toplam porozite tayini Numune: Kayacı temsil edecek şekilde kaya numunesi 150 μm nin altına öğütülüp birkaç tane 15 g lık örnekler alınır ve etüvde kurutulur. Deney aşamaları: Kuru ve temiz 50 ml lik bir piknometre (Şekil 2.10) kapağı ile birlikte g hassasiyetle tartılır (M p ),

17 Bölüm 2 8 Piknometre kayaçla reaksiyona girmeyecek bir sıvı olan tolüen ile doldurulup sabit sıcaklıktaki banyo içine konularak denge sıcaklığına getirilir ve piknometre doluluk seviyesi hassas şekilde 50 ml ye ayarlanır. Etrafındaki damlacıkları kuru bir bezle silinir. Tolüen dolu piknometre kapağı ile birlikte g hassasiyetle tartılır (M ps ), Piknometre içindeki sıvı tamamen boşaltılıp kapağı ile birlikte etüvde kurutulur, 15 g kuru toz numune bir huni yardımıyla piknometre içine konulur ve piknometre kapağı ile birlikte 0.01 g hassasiyetle tartılır (M pn ), Piknometre içindeki numunenin tamamen ıslanabilmesine yetecek kadar sıvı ilave edilerek yaklaşık 20 dakika bekletilir. Daha fazla sıvı eklenerek piknometre içindeki hava kabarcıkları uzaklaşıncaya kadar bekletilir. Piknometre sabit sıcaklıktaki su banyosu içine konulur ve doluluk seviyesi hassas şekilde 50 ml ye ayarlanır, Kapağı kapatılmış, içinde toz numune ve sıvı bulunan piknometre soğutulup kuru bezle çevresi kurulandıktan sonra 0.01 g hassasiyetle tartılır (M pns ), Deney diğer toz numuneler üzerinde aynı şekilde tekrarlanır. Şekil Piknometre Hesaplamalar: Tane yoğunluğu: ρ t M pn M p = M pns M V (1 M M ps pn p (2.7) ) (Burada; V piknometre hacmi olup genellikle 50 cm 3 tür.) Toplam porozite: n = 100 ρ ρ t k ρ = ρt k (%) (2.8) ρt 2.3. Suda Dağılmaya Karşı Duraylılık Deneyi Aşağıda detayları anlatılan suda dağılmaya karşı duraylılık deneyi, kayaç parçalarının su etkisiyle parçalanma ve dağılmaya karşı gösterdiği direncin ölçülebilmesine dayanmaktadır. numune: Deney numunesi her biri g 10 adet parçadan oluşan toplam g olacak şekilde hazırlanır. numune hazırlama: Köşelerin birbirine çarparak mekanik parçalanmaya neden olmaması için seçilen parçalar mümkün olduğunca küresele yakın hale gelecek şekilde yuvarlatılır.

18 Bölüm 2 9 deney düzeneği: 140 mm çaplı, yan yüzeyi 2 mm açıklıklı elekten ve alt ve üst tabanı açık şekilde üretilmiş bir tambur, tamburun içine yerleştirildiği bir su haznesi ve tamburu dakikada 20 devir/dakika döndürebilen bir motordan oluşmaktadır. Deney öncesi su haznesi tambur merkez ekseninin 20 mm altı seviyeye kadar sıcaklığı 20 C olan su ile doldurulur. deney aşamaları: Örnekler deney öncesi temiz bir tambura yerleştirildikten sonra etüvde 105 C de değişmez kütleye gelinceye (genellikle 2 ile 6 saatlik süre) kadar kurutulur. Kurutma sonrası tambur içindeki örneklerle birlikte tartılarak kaydedilir (A). Daha sonra tambur şeffaf hazne (Şekil 2.11) içerisine yerleştirilir ve dakikada 20 devir yapacak şekilde 10 dakika döndürülür. Bu çevrim sonunda tambur içindeki örneklerle birlikte tekrar etüvde 105 C de değişmez kütleye gelinceye kadar kurutulur. Etüvden çıkarılan tambur ve örnekler desikatörde soğutulup tartılır ve tartım sonucu kaydedilir (B). Aynı işlemler aynı örnek için 2 (veya 4) çevrim olacak şekilde uygulanır. Boş tambur tartım değerinden (D) ve daha önceki kaydedilmiş tartım değerlerinden aşağıdaki bağıntı yardımıyla ıslak kararlılık indeksi bulunur: B D I d2 = x100 (%) (2.9) A D Gable (1971) duraylılık sınıflandırması: Duraylılık Sınıfı çok düşük düşük orta orta-yüksek yüksek çok yüksek I d2 < >98 Şekil Suda dağılmaya karşı duraylılık indeksi deney düzeneği.

19 Bölüm Dayanım Özellikleri Bir kaya malzemesinin dayanımı dış kuvvetlere karşı direncini ifade eder. Kaya malzemesi üzerine basınç, çekme ve kesme kuvvetleri uygulanabilir. Uygulanan yük kaya malzemesinin dayanımını aştığında kaya malzemesi yenilmeye uğrar. Kaya malzemesinin yenilmesine sebep olan gerilme kaya malzemesinin dayanım değerini verir. Kaya malzemesi dayanım özelliklerini belirlemeye yönelik yaygın uygulaması olan kaya mekaniği deneyleri aşağıda sıralanmıştır: Tek eksenli sıkışma (basınç) dayanımı deneyi Çekme dayanımı deneyleri Üç eksenli sıkışma (basınç) dayanımı deneyi Nokta yükleme dayanım indeksi deneyi a) b) c) d) σ 1 σ 1 σ 1 σ 1 σ 3 Şekil a) Tek eksenli basınç, b) direkt çekme, c) indirekt çekme ve d) üç eksenli basınç durumunda numune üzerine etki eden gerilmeler Kaya malzemesi dayanımı üzerine etki eden ve laboratuvar deneylerinde dikkate alınması gereken çeşitli faktörler vardır. Bunlar; numune boyutu, numune su içeriği, sıcaklık, yükleme hızı ve tabakalanmadır. Numune boyutu ve şekli: Kaya malzemesi dayanım özellikleri alındığı kaya kütlesinin tümü için geçerli olmamaktadır. Bunun nedeni, kaya malzemesinin süreksizlikler arasından alınmış olması veya kaya kütlesindeki süreksizlikleri içermemesidir. Bu nedenle laboratuvar deneylerindeki numune boyutu kaya kütlesini temsil etmemektedir. Kaya kütlesi dayanım özelliklerini temsil edebilecek boyutlarda numuneler üzerinde laboratuvar deneyleri ise mümkün olamamaktadır. Bununla birlikte, numune boyutu büyüdükçe yapısal kusurları içerme olasılığı artar ve laboratuvar deneyleri sonucu bulunan dayanım değeri küçük boyutlu numunelere göre daha düşük değerler alır. Numune boyutu etkisi, sağlam-masif kayaçlardan çok, yumuşak-çatlaklı kayaçlar için söz konusudur. Boyut etkisi basınca nazaran çekmede daha fazla görülür. Çekme deneyinde çatlaklar açılır ve dayanımın düşmesine neden olur. Basınç deneyinde ise çatlaklar kapandığından dayanım değerinde pek fazla değişim olmaz.

20 Bölüm 2 11 Kaya mekaniği laboratuvar deneyleri yaygın olarak silindirik numuneler üzerinde gerçekleştirilir. Karot numunelerin tercih edilmesinin nedeni olarak sondaj karotlarından yararlanılması, arazide karot numune alımının mümkün olması ve karot numunelerinin küp numunelere nazaran daha düzgün şekilli olması gösterilebilir. Karotiyer türlerine göre standart karot çapları Çizelge 2.1 de verilmiştir. Karot alma işlemi Şekil 2.13 de görülmektedir. Çizelge Laboratuvarda yaygın olarak kullanılan karot alıcılar ve çapları Karotiyer Karot Çapı (mm) NX 54.7 BX 42.0 AX 30.1 EX 21.5 NQ 47.6 BQ 36.5 AQ 27.0 Şekil 2.3. Karot alma makinası Şekil Karot alma işlemi Numune su içeriği: Eğer kaya malzemesi gözenekli ve bu gözeneklerde su bulunuyor ise, bu su bir basınç oluşturarak malzemenin dayanımını düşürmek yönünde çalışır. Malzemedeki su içeriği arttıkça malzemenin dayanımı ve elastisitesi düşecektir. Kaya malzemesinin alındığı ortam şartlarına göre koşullandırılması ve sonrasında dayanım deneylerinin uygulanması daha gerçekçi dayanım değerlerinin elde edilmesini sağlayacaktır. Sıcaklık: Artan sıcaklık, kaya malzemesinin dayanımını ve elastisite modülünü düşürecektir. Laboratuvardaki sıcaklık durumu kaya malzemesinin yerindeki durumuna eş değer olmalıdır. Yükleme hızı: Yükleme hızı arttıkça kaya malzemesinin dayanım özellikleri göreceli olarak daha yüksek değerler vermektedir. Bu nedenle, dayanım deneylerinde uygun yükleme hızları uygulanmalıdır. Tabakalanma: Sedimanter ve metamorfik kayaç malzemeleri üzerinde gerçekleştirilecek dayanım deneylerinde numunelerdeki tabakalanmaya göre yükleme yönü önemli olmaktadır. Bu tür kayaçların tabakalanmaya dik uygulanan yükler karşısında dayanımları, tabakalanmaya paralel uygulamaya göre daha yüksek değerler almaktadır. Genellikle dayanım deneylerinde tabakalanmaya dik yönde kuvvet uygulanırken amaca yönelik olarak tabakalanmaya paralel ve belli açılarda yük uygulamaları da söz konusu olmaktadır.

21 Bölüm Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı Deneyi Tek eksenli sıkışma dayanımı deneyi genellikle küp veya karot (silindirik) numuneler üzerinde gerçekleştirilir. Küp numuneler daha çok mermer, beton ve kömür deneylerinde kullanılırken, kaya mekaniği deneyleri karot numuneler üzerinde gerçekleştirilir. Tek eksenli sıkışma dayanımı değeri numune boy/çap oranı arttıkça azalır. Deney için boy/çap (L/D) oranı olacak şekilde numuneler hazırlanır. Kaya mekaniği laboratuvar deneylerinde yaygın olarak NX yani 54.7 mm çaplı karotların kullanılması tercih edilmekle birlikte, uygun uzunlukta numune alımının mümkün olmadığı zayıf ve tabakalı kaya malzemelerinde karot çapı daha küçük seçilmelidir. Numunelerin deney öncesinde alındıkları ortam şartlarına göre şartlandırılması gerekir. Eğer kaya malzemesi alındığı ortamda suya doygun ise, deney öncesi numuneler suya doygun hale getirilir. Deney öncesi numune boyutları kumpasla ölçülüp kaydedilir. Numune hidrolik pres tablaları arasına yerleştirilir. Yükün numune üzerine homojen şekilde yayılmasını sağlamak amacıyla numune alt ve üst kısmına numune ile aynı çapta olan çelik diskler (tercihen boyu çapının yarısı kadar olan) konulur (Şekil 2.14). Hidrolik preslerde numunenin üzerine konulduğu alt tabla yukarı doğru hareket eder. Hız kontrolü elle veya otomatik olarak gerçekleştirilirken yük takibi ibreli veya dijital göstergelerden veya bilgisayardan yapılır. Şekil Tek eksenli basınç presi Hidrolik pres tablaları arasında boşluk kalmayana kadar pres çalıştırılarak alt tabla yükseltilir. Numune 5-10 dakika süre içerisinde yenilecek şekilde veya hız saniyede 5-10 kgf/cm 2 olacak şekilde numune üzerine düşey yük uygulanır. Uygulanan yük doğrultusunda numune sıkıştırıldığından veya yükün basınç olması nedeniyle ve ayrıca sadece düşey yük uygulandığından deney tek eksenli sıkışma (basınç) dayanımı deneyi olarak adlandırılmaktadır. Numune yenildiği anda yük göstergesinden veya bilgisayardan yenilme yükü okunur. Numune yenilmeye uğradığında uygulanan yük değeri ya aniden ya da tedrici olarak azalır. Bu değer, numune üzerine uygulanabilen en yüksek yük değerini verdiğinden numunenin dayanım sınırı olmaktadır. Numunenin tek eksenli sıkışma dayanımı değeri (σ b ) yenilme yükünün (F) yük uygulanan numune yüzey alanına (A) bölünmesiyle hesaplanır. Deney en az 5 adet numune üzerinde uygulanır ve elde edilen dayanım değerlerinin ortalaması kaya malzemesinin tek eksenli sıkışma dayanımı değerini verir.

22 Bölüm Çekme Dayanımı Deneyleri Direkt çekme deneyi: Deney herhangi bir çatlak içermeyen, alt ve üst yüzeyleri birbirine paralel, çapı 54 mm den büyük ve boy/çap oranı olan düzgün karot numuneleri üzerinde uygulanır. Deneyi yapılacak numunenin alt ve üst yüzeylerine çapı numuneyle aynı olan diskler çimento veya epoksi bağlayıcı ile yapıştırılır. Bu diskler yardımıyla hidrolik prese bağlanan numuneye çekme kuvveti uygulanır. Numune 5 dakika süre içerisinde yenilecek şekilde veya hız saniyede 5-10 kgf/cm 2 olacak şekilde yükleme hızı ayarlanır. Numunenin tek eksenli çekme dayanımı değeri (σ ç ) yenilme yükünün (F) yük uygulanan numune yüzey alanına (A) bölünmesiyle hesaplanır. Bu deneyde, numunenin her iki ucunda oluşan aşırı çekme gerilmeleri nedeniyle malzemenin çekme dayanımı yanlış olarak hesaplanabilir. Ayrıca, bağlayıcı malzemenin kullanılması pratikte sakıncalı bir durum yaratır. Yine çekme esnasında malzemede eğilme momentleri oluşabilir. Bu nedenle günümüzde direkt çekme deneyi yerine indirekt çekme deneyi uygulanmaktadır. İndirekt çekme (Brasilian) deneyi: Deney boy/çap oranı ½ olan disk şeklindeki numuneler üzerinde uygulanır. Numune hidrolik pres tablaları arasına çapsal yükleme yapılacak şekilde yerleştirilir. Bu amaçla ek parçalar kullanılabilmektedir (Şekil 2.15). Yükleme hızı numune saniye içerisinde yenilecek şekilde uygulanır. Numunenin düşey ekseni boyunca yatay çekme gerilmeleri oluşur ve malzemenin yenilme noktasındaki çekme gerilmesi, malzemenin tek eksenli çekme dayanımını verir. Çekme dayanımı aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanabilir: Şekil İndirekt çekme deneyi 2F 0.636F σ ç = = (2.10) πdt Dt Burada, F(kgf) numunenin yenilmesi anında uygulanan yük, D(cm) numune çapı ve t(cm) numune kalınlığıdır. Deney sırasında uygulanan yük arttıkça yatay çekme gerilmelerinin şiddeti de artacaktır. Yatay çekme gerilmesi numunenin çekme dayanımını aştığı anda numune yükleme doğrultusunda yarılacaktır. Numunenin yarılma çatlağına (çekme çatlağı) paralel doğrultuda bir basınç uygulandığı için bu deneye indirekt çekme deneyi denilmektedir. Deney tercihen en az 10 adet numune üzerinde gerçekleştirilir. İndirekt çekme deneylerinde anizotropinin etkisi yani kayaçtaki inklüzyonlar, kaolinize zonlar ve mikroçatlakların değişik doğrultuları farklı çekme dayanımı değerleri elde edilmesine sebep olabilir. Bu nedenle, disk şeklindeki numunelere birbirinden farklı doğrultularda yük uygulanması daha sağlıklı sonuçlar elde edilmesini sağlayacaktır.