ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ ADANA BASENİ TERSİYER BİRİMLERİNDEN SEÇİLMİŞ KUMTAŞLARININ YÖNLERE BAĞLI DAYANIM VE DEFORMASYON ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2007

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ADANA BASENİ TERSİYER BİRİMLERİNDEN SEÇİLMİŞ KUMTAŞLARININ YÖNLERE BAĞLI DAYANIM VE DEFORMASYON ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez.../.../2007 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. İmza... İmza... İmza... Yrd.Doç.Dr. Tolga ÇAN Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Doç. Dr. Harun SÖNMEZ DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalında Hazırlanmıştır. Kod No: Prof.Dr.Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Bu çalışma Çukurova Üniversitesi Araştırma Fonu Tarafından Desteklenmiştir. Proje no:mmf2007yl5 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunu'ndaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ ADANA BASENİ TERSİYER BİRİMLERİNDEN SEÇİLMİŞ KUMTAŞLARININ YÖNLERE BAĞLI DAYANIM VE DEFORMASYON ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman: Yrd.Doç.Dr. Tolga ÇAN Yıl: 2007, Sayfa: 115 Jüri: Yrd.Doç.Dr.Tolga ÇAN Prof.Dr. Aziz ERTUNÇ Doç.Dr. Harun SÖNMEZ Kayalarda anizotropi, kayacın sahip olduğu yönlü fabrik, mikroyapı ve mevcut süreksizliklerin etkisiyle dayanım ve deformasyon özelliklerinin yönlere göre değişiklik göstermesidir. Bu çalışmada Adana Baseni, Tersiyer istifine ait Cingöz formasyonundan seçilmiş 7 adet laminalı kumtaşı bloğu üzerinde dayanım ile statik ve dinamik deformasyon özelliklerinin yönlere bağlı olarak değişimi araştırılmıştır. Mineralojik ve petrografik değerlendirmeler sonucu seçilen numunelerin litik kumtaşı ve tane boyu sınıflamasına göre blokların çok ince (4), ince (1,2,3 ve 5) ve orta taneli (6-7) kumtaşı olduğu saptanmıştır. Kumtaşı bloklarından, laminalanma düzlemleri dikkate alınarak 0, 30, 45, 60 ve 90 derecelik yönelim açılarına sahip 310 adet karot numunesi alınmıştır. Fiziksel özelliklerden yoğunluk, porozite ve ağırlıkça su emme oranları belirlenmiştir. Statik ve dinamik özelliklerin belirlenmesi amacıyla, tek eksenli sıkışma dayanımı (σ c ), dolaylı çekme dayanımı (σ t ), statik deformasyon modülü (E st ) ve P (V p ) ile S (V s ) dalga hızlarına göre dinamik deformasyon modülü (E din ) parametrelerinin yönelim açısına (β) göre değişimleri incelenmiştir. Tek eksenli sıkışma dayanımı deneylerine göre kumtaşlarının dayanım anizotropisi oranlarının (R c : σ cmax /σ cmin ) 1,27 2,07 arasında değiştiği ve zayıf-orta anizotropi derecelerine sahip olduğu belirlenmiştir. Deneylerlerden elde edilen σ c, E st, V p, V s, ve E din parametreleri arasında basit regresyon ilişkileri sonucu 0.83 ile 0.98 arasında değişen yüksek korelasyon katsayıları elde edilmiştir. Ayrıca, tek eksenli sıkışma dayanımının yönelim açısı (β) ve yoğunluk (ρ) ile değişiminin dikkate alınarak kestirilmesine yönelik basit ve çoklu doğrusal olmayan regresyon modelleri ile değerlendirilmesi sonucu sırasıyla 0.96 ve 0.93 korelasyon katsayılarına sahip regresyon modelleri elde edilmiştir. Anahtar kelimeler: Kumtaşı, anizotropi, anizotropi oranı, regresyon, çoklu regresyon. I

4 ABSTRACT Msc. Thesis INVESTIGATION OF ANISOTROPIC STRENGTH AND DEFORMATION PROPERTIES OF THE SELECTED SANDSTONES FROM TERTIARY UNITS OF THE ADANA BASIN DEPARTMENT OF GEOLOGICAL ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Assist.Prof.Dr. Tolga ÇAN Year:2007, Page: 115 Jury : Assist.Prof.Dr. Tolga ÇAN Prof.Dr. Aziz ERTUNÇ Assoc.Prof.Dr. Harun SÖNMEZ Rock anisotropy, may be defined as variation of the physical and mechanical behavior of the rocks with respect to the direction of the fabric such as foliation, stratification or jointing. In this study, the variation of anisotropic strength, static and dynamic properties of 7 laminated sandstone blocks, selected from the Cingöz formation of Tertiary sequence of the Adana Basin were investigated. According to the mineralogical and petrographic assessments, selected sandstones were classified as lithic sandstones representing very fine(block 4), fine (1,2,3 and 4) and medium (6-7) grained sandstones. 310 core samples were prepared with respect to the various lamination surfaces as 0, 30, 45, 60, and 90 degrees. Density, porosity and water absorption ratios were determined from the physical properties. Strength anisotropy characteristics were determined from unconfined compressive and indirect tensile tests. Static and dynamic deformation anisotropy characteristics were determined from elasticity modulus and sonic wave velocity tests, respectively. According to the uniaxial strength test results, the strength anisotropy ratio (R c : σ cmax /σ cmin ) values were found between referring to low and medium degree anisotropy. Simple regression relations among the uniaxial compressive strength, static and dynamic elasticity modulus, s and p-wave velocities were obtained depicting high coefficients of correlations varying between 0.83 and 0.98 Besides, the variation of uniaxial compressive strength regarding to the orientation angle and density were assessed based on simple and multiple non-linear regression models where coefficient of correlations were found 0.96 and 0.93, respectively. Keywords: Sandstone, anisotropy, anisotropy ratio, regression, multiple regression. II

5 TEŞEKKÜR Yüksek lisans tezimi hazırladığım sırada, görüşleri ve yapıcı eleştirileri ile beni yönlendiren, bana her türlü maddi ve manevi yardım ve kolaylığı gösteren danışman hocam Sayın Yrd.Dr.Tolga Çan a teşekkür ederim. Çalışmalarım sırasında bölüm imkanlarını kullanmamı sağlayan Ç.Ü. Müh- Mim. Fakültesi Jeoloji Mühendisliği Bölüm Başkanımız Sayın Prof.Dr.Ulvi Can Ünlügenç e teşekkür ederim. Çalışmalarımda gerekli olan sonik hız deney aletini temin etmeme yardımcı olan Maden Mühendisliği Bölümü hocamız Sayın Prof.Dr.Adem Ersoy a teşekkür ederim. Kumtaşları üzerinde yaptığım petrografik ve mineralojik çalışmalar sırasında yardımlarını gördüğüm Sayın Prof.Dr.Kemal Gürbüz e teşekkür ederim. Çalışmamın çeşitli aşamalarındaki katkılarından dolayı Sayın Ertuğrul Çanakçı ve iş arkadaşlarım İbrahim Çelik, Mahmut Çömlek, Ural Yalçın a teşekkür ederim. Eğitim hayatım boyunca bana maddi ve manevi olarak sürekli destek olan sevgili AİLEME teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA NO ÖZ......I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER...IV ŞEKİLLER DİZİNİ...VI ÇİZELGELER DİZİNİ...IIX SİMGELER ve KISALTMALAR... X 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Genel Jeoloji ile İlgili Önceki Çalışmalar Kayalarda Anizotropi ile İlgili Önceki Çalışmalar Kayalarda Dayanım Anizotropisi ile İlgili Önceki Çalışmalar Kayalarda Statik Deformasyon Anizotropisi ile İlgili Önceki Çalışmalar Kayalarda Dinamik Özellik Anizotropisi ile İlgili Önceki Çalışmalar MATERYAL ve METOD Materyal Metod ARAŞTIRMA BULGULARI Kumtaşlarının Petrografik ve Mineralojik Özellikleri Kumtaşlarının Fiziksel Özellikleri Kumtaşlarının Dayanım Anizotropisi Tek Eksenli Sıkışma Dayanımına Göre Dayanım Anizotropisi Dolaylı Çekme Dayanımına Göre Dayanım Anizotropisi Kumtaşlarının Deformasyon ve Dinamik Özellik Anizotropisi Statik Deformasyon Anizotropisi Dinamik Özellik Anizotropisi Kumtaşlarının Dayanım, Deformasyon ve Dinamik Özellikleri Arasındaki İlişkiler Anizotropik Kumtaşlarında Kesitirim Yöntemleri IV

7 Singh ve diğ. (1989) nin Önerdiği Kestirim Yöntemi Regresyon Yöntemleri ile Kestirim Basit Regresyon Yöntemleri ile Cingöz Formasyonu Kumtaşlarının Tek Eksenli Sıkışma Dayanımının Kestirilmesi Doğrusal Olmayan Çoklu Regresyon Yöntemleri ile Cingöz Formasyonu Kumtaşlarının Tek Eksenli Sıkışma Dayınımının kestirilmesi SONUÇLAR ve ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ V

8 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 2.1. Adana Baseni yerbulduru haritası... 4 Şekil 2.2. Martinsburg arduvazında direnç-dilinim yönelimi ilişkisi Şekil 2.3. Yönelim açısı (β) nın gösterimi Şekil 2.4. Deneysel ile öngörülen (teorik) tek eksenli sıkışma dayanımı ve yönelim açısına göre değişimi Şekil 2.5. Kayalarda gözlenen anizotropi modelleri ve bu modeller için çizilen eğriler Şekil 2.6. Kayalarda gözlenen anizotropi tipleri Şekil 2.7. Birbirine dik iki adet süreksizlik takımı içeren kumtaşı örneğine ait W tipi dayanım anizotropisi eğrisi Şekil 2.8. Farklı yönelim açıları ile alınmış gözenekli riyolit karot örnekleri Şekil 2.9. Gözenekli riyolit kayacında yönelim açısına göre tek eksenli sıkışma dayanımının değişimi Şekil β / açısının gösterimi Şekil β / açısı ile dolaylı çekme dayanımının değişimi Şekil β / ve φ açısının gösterimi Şekil Birbirine dik iki adet süreksizlik takımı içeren kumtaşlarında 0, 45 ve 90 'lik yönelim açılarına sahip karotlar üzerinde yapılan deneyler sonucu elde edilen gerilme-birim deformasyon eğrileri Şekil Deformasyon modülünün tek eksenli sıkışma altında farklı yönelim açılarındaki değişimi Şekil Farklı yönelim açılarında tespit edilen birim deformasyon-gerilme eğrileri Şekil σ t, σ cji, σ cd ve σ p kritik gerilmeleri altında oluşan deformasyonlar ve bunların birbirleri ile olan ilişkisi Şekil Mikro kırık ve boşlukların deformasyon üzerindeki etkisi Şekil P (Basınç) ve S (Kesme) Dalgaları Şekil Sonik Hız ölçümlerinde kullanılan düzeneğin şematik gösterimi VI

9 Şekil Artan hücre basıncı altında dinamik deformasyon modülü ve poisson oranı arasındaki ilişki (Deliormanlı ve diğ, 2007) Şekil 3.1. Adana Baseni sedimanter istifine ait stratigrafik kesit Şekil 3.2. Adana Baseni kuzey kesimi Tersiyer fasiyes dağılım haritası Şekil 3.3. Yönlü karot alma makinesinin çalışma mekanizması Şekil 3.4. (a), (b) Yönlü karot ve silindirik numuneler Şekil 3.5. Laminalanma yüzeylerine göre 4 nolu (a) ve 6 nolu (b) numunelerden 0,30,45,60,90 lik yönelim açıları ile alınmış karot tipi numuneler Şekil 3.6. Dolaylı çekme dayanımı deney hücresi Şekil 3.7. Silindirik numunelerin dolaylı çekme dayanımı deney hücresi içindeki konumu Şekil 3.8. φ=0 yönelimli silindirik örnek Şekil 3.9. φ=45 yönelimli silindirik örnek Şekil Silindirik örneğin β / =0 konumda deney hücresi içine yerleştiriltiğini gösteren resim Şekil β / =0 de yenilmesi sağlanmış φ=60 yönelimli silindirik örnek Şekil Dolaylı çekme dayanımı hücresinin ELE ADR 2000 ( ) yükleme aleti içindeki konumu Şekil 4.1. Friedman&Sanders (1978) tane boyu ölçeği Şekil 4.2. Küresellik değerlendirmesinde kullanılan standart fotoğraflar Şekil 4.3. Çok ince (a), ince (b) ve orta taneli (c) kumtaşı bloklarının ince kesit görünümleri Şekil (a), 2 (b), 3 (c), 4 (d), 5 (e), 6 (f) ve 7. (g) bloklara ait ince kesit görüntüleri Şekil 4.5. İnce kesitlerde gözlenen ince uzamış mika Şekil 4.6. İnce kesitlerde gözlenen opak mineraller Şekil 4.7. İnce kesitlerde gözlenen fosil kırıntısı Şekil 4.8. Kumtaşı sınıflandırma üçgeni (Travis, 1970) Şekil (a), 2 (b), 3 (c), 4 (d), 5 (e), 6 (f) ve 7. (g) blokta tek eksenli sıkışma dayanımının (T.S.D) yönelim açısı β ile değişimi VII

10 Şekil , 2, 3, 4, 5, 6 ve 7. bloklarda σ max değerine göre diğer yönelim açılarındaki yüzde dayanım azalışları Şekil β / ve φ açılarının tanımlaması Şekil β / 90 iken farklı φ açı değerlerinde uygulanan deney Şekil Çalışmada uygulanan yöntem Şekil (a), 2 (b), 3 (c), 4 (d), 5 (e), 6 (f) ve 7. (g) blokta dolaylı çekme dayanımının (D.Ç.D) anizotropi açısı (φ) ile değişimi Şekil (a), 2. (b), 3. (c), 4. (d), 5. (e), 6. (f) ve 7. (g) blokta yönelim açısı ile statik deformasyon modülü arasındaki ilişki Şekil (a), 2. (b), 3. (c), 4. (d), 5. (e), 6. (f) ve 7. (g) blokta yönelim açısı ile dinamik deformasyon modülü arasındaki ilişki Şekil V p -V s, σ c -E st, σ c -V p, σ c -E din, E st -V p, E st -E din parametreleri arasındaki ilişkiler Şekil Deneysel ve teorik değerler arasındaki ilişki; Tek eksenli sıkışma dayanımı (σ c ) Şekil Deneysel ve teorik değerler arasındaki ilişki; Statik deformasyon modülü (E st ) Şekil Deneysel ve teorik değerler arasındaki ilişki; P dalga hızı (V p ) Şekil Deneysel ve öngörülen değerler arasındaki ilişki; S dalga hızı (V s ) Şekil Deneysel ve öngörülen değerler arasındaki ilişki; Dinamik deformasyon modülü (E din ) Şekil σ c parametresinin yoğunluk (ρ) ile korelasyonu Şekil Normalize edilmiş σ c parametresinin yoğunluk (ρ) ile korelasyonu Şekil Deneysel ve tahmini tek eksenli sıkışma dayanımlarının çapraz korelasyon grafiği Şekil σ c parametresinin yoğunluk (ρ) ile korelasyonu Şekil σ c parametresine ait regresyon modelinin 3 boyutlu grafiği Şekil σ c parametresine ait 3 boyutlu artık grafiği Şekil Deneysel ve tahmini tek eksenli sıkışma dayanımlarının çapraz korelasyon grafiği VIII

11 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. Anizotropi oranına göre kayaların sınıflandırılması ve bazı örnek kaya tipleri Çizelge 2.2. 'n' parametresine göre anizotropi sınıflandırma tablosu Çizelge 4.1. Araziden alınan bloklar üzerinde gözlenen yapısal özellikler Çizelge 4.2. Her bir bloğun tane boyu dağılım yüzdesi ve küresellik değerlendirmesi Çizelge 4.3. Tane boyu analizine ait istatistiksel sonuçlar Çizelge 4.4. Her bir bloğa ait mineralojik bileşim Çizelge 4.5. Kumtaşı bloklarının içerdiği kuvars, feldspat ve kaya parçası oranlarına göre Travis, 1970 e sınıflaması Çizelge 4.6. Kumtaşlarının fiziksel özellikleri Çizelge 4.7. Kumtaşlarında ölçülen tek eksenli sıkışma dayanımı deney sonuçları.. 61 Çizelge 4.8. Kumtaşı örneklerinde saptanan anizotropi oranları ve dereceleri Çizelge 4.9. Kumtaşlarında ölçülen dolaylı çekme dayanımı değerleri Çizelge Kumtaşlarında ölçülen teğetsel deformasyon modülleri Çizelge Kumtaşı örneklerinde saptanan deformasyon modülü oranları (E max /E min ) Çizelge Kumtaşlarında yapılan sonik hız deneylerinden elde edilen dalga hızları ve dinamik deformasyon modülleri Çizelge Kumtaşı blokları için hesaplanmış regresyon denklemleri Çizelge Yönelim açısı ve anizotropi derecesine göre elde edilen anizotropi düzeltme faktörleri Çizelge Basit regresyon modeline ait istatistiksel parametreler Çizelge Çoklu regresyon modeline ait istatistiksel parametreler IX

12 SİMGELER ve KISALTMALAR A : Singh ve diğ. (1989) un önerdiği kestirim denklemlerinde, 0,30 ve 90 lik yönelim değerlerinde elde edilen gerçek deney verilerinden hesaplanan sabit sayı AC : Asidik kaya parçası AR : Regresyon analizinde hata terimlerinin ortalamasını ifade eden istatistiksel ifade A w B BX c c eklem CR D : Ağırlıkça su emme oranı : Singh ve diğ. (1989) nin önerdiği kestirim denklemlerinde, 0,30 ve 90 lik yönelim değerlerinde elde edilen gerçek deney verilerinden hesaplanan sabit sayı : Çapı 42,0 mm boyu 84,0-105,0 mm arasında değişen karot tipi : Kohezyon : Süreksizliğin kohezyonu : Karbonat kayaç parçası : Brazilian örneğinde çap D.Ç.D : Dolaylı çekme dayanımı DW : Regresyon analizinde ardaşık hata farklarının kare toplamının hata kareler toplamına oranlanmasıyla elde edilen istatistiksel ifade e : Regresyon analizinde tesadüfi olduğu varsayılan hata E : Deformasyon modülü (Young modülü) E 1 : Anizotropi düzlemine paralel yükleme durumundaki deformasyon modülü E 2 E din E dincj E max E min E st : Anizotropi düzlemine dik yükleme durumundaki deformasyon modülü : Dinamik deformasyon modülü : Öngörülen dinamik deformasyon modülü : En yüksek deformasyon modülü : En küçük deformasyon modülü : Statik deformasyon modülü X

13 E : Anizotropi düzlemine paralel yükleme durumundaki deformasyon modülü // E : Anizotropi düzlemine dik yükleme durumundaki deformasyon modülü E stcj E β F G G 1 : Öngörülen statik deformasyon modülü : β konumunda elde edilen deformasyon modülü : Brazilian deneyinde uygulan kuvvet : Rijitlik modülü : Anizotropi düzlemine paralel yükleme durumundaki rijitlik modülü G 2 KF ME MI MQ n NX OF OQ P P P cj PL P max P min : Anizotropi düzlemine dik yükleme durumundaki rijitlik modülü : Potasyumlu Feldspat : Metamorfik kayaç parçası : Mika : Monokristilen kuvars : Porozite : Çapı 54,7 mm boyu 109,4-136,8 mm arasında değişen karot tipi : Ofiyolitik kayaç parçası : Opak mineral : Basınç dalgası : Yoğunluk : Öngörülen P dalga hızı : Plajioklas : En yüksek basınç dalgası hızı : En küçük basınç dalgası hızı. P ort PQ R 2 Ra 2 R c : Ortalama basınç dalgası hızı : Polikristalen kuvars : Korelasyon katsayısı : Düzeltilmiş korelasyon katsayısı : Dayanım anizotropisi oranı RMSE : Regresyon analizinde hata kareleri toplamınının veri sayısına bölümünün karekökünü ifade eden istatistiksel ifade q : Dolaylı çekme dayanımında uygulanan basınç ile merkezde oluşan gerilme XI

14 arasındaki ilişkiyi veren katsayı S : Kesme dalgası S cj SR SEE SSE t : Öngörülen S dalga hızı : Regresyon analizinde hata terimlerinin toplamını ifade eden istatistiksel ifade : Regresyon analizinde tahminin standart hatasını ifade eden istatistiksel ifade : Regresyon analizinde hata kareleri toplamını ifade eden istatistiksel ifade : Brazilian örneğinin kalınlığı T.S.D : Tek eksenli sıkışma dayanımı V ave V A V L V max V min VO V p V s x j y j α β : Ortalama P dalgası hızı : Arazide ölçülen P dalga hızı : Laboratuvarda ölçülen P dalga hızı : Maksimum P dalgası hızı : En düşük P dalgası hızı : Volkanik kayaç parçası : Basınç dalgası hızı : Kesme dalgası hızı : Regresyon analizinde bağımsız değişken : Regresyon analizinde bağımlı değişken : Brazilian deneyinde basınç uygulanan yayın merkezi gören açısal değeri : Yönelim açısı β : Dolaylı çekme dayanımı deneyinde yönelim açısı φ : İçsel sürtünme açısı γ δ φ σ σ 1 σ 2 σ 3 σ c90 : Birim hacim ağırlık : Tek eksenli sıkışma dayanımının en küçük olduğu konum açısı : Dolaylı çekme dayanımı deneyinde anizotropi açısı : Normal gerilme : En büyük asal gerilme : Ortanca asal gerilme : En küçük asal gerilme : 90 lik yönelim açısında elde edilen tek eksenli sıkışma dayanımı XII

15 σ cj σ cd σ cji σ cp σ c σ cd σ ci σ cmax σ cmin σ t σ tmin σ tmax σ p υ υ 1 υ 2 υ 3 υ din υ st : Öngörülen tek eksenli sıkışma dayanımı değeri : Kırılma Gerilimi : Kırılmaların gelişmeye başladığı andaki gerilme : Zirve Dayanımı : Tek sıkışma basınç dayanımı : Kırılma gerilimi : Kırılmaların gelişmeye başladığı gerilme : En büyük tek eksenli sıkışma dayanımı : En küçük tek eksenli sıkışma dayanımı : Dolaylı çekme dayanımı : En küçük dolaylı çekme dayanımı : En büyük dolaylı çekme dayanımı : Zirve dayanımı : Poisson oranı : Anizotropi düzlemine paralel yükleme durumunda ölçülen Poisson oranı : Anizotropi düzlemine dik yükleme durumunda ölçülen Poisson oranı : Anizotropi düzlemine paralel ve dik yükleme durumunda elde edilen birim boy değişimlerinin oranı : Dinamik Poisson oranı : Statik Poisson oranı ASTM : American Society for Testing and Materials. ISRM : International Society of Rock Mechanics. XIII

16 1. GİRİŞ 1. GİRİŞ Yaklaşık 16 km kalınlığındaki yer kabuğunun %95 ini magmatik ve metamorfik kayaların oluşturmasına rağmen yeryüzünde yüzeylemekte olan kayaların %75 i sedimanter kayalardır (West, 1995). Bu sebepten dolayı mühendislik projelerin çoğu bu kaya ortamlarında gerçekleştirilir. Yeraltında yapılan nükleer ve kimyasal atık depoları, enerji santralleri, sivil savunma amaçlı yeraltı açıklıkları, ulaşım tünelleri ve madenlerin çıkartılması aşamasında, emniyet ve ekonomikliği sağlamak amacıyla, ayrıntılı saha ve laboratuvar çalışmaları yapılarak jeomekanik parametrelerin belirlenmesi esastır. Fakat bilindiği gibi doğadaki jeolojik oluşumların büyük bir kısmı anizotropik bir özellik gösterir. Kayalarda anizotropi, yaygın olarak kayacı oluşturan minerallerin ve/veya tanelerin yönelimi sonucu oluşur. Anizotropi; kayacın etkilendiği gerilme ve deformasyonlara bağlı olarak foliasyon gösteren metamorfik, laminalı-ince tabakalı sedimanter ve akış ile mineral sıralanması gösteren magmatik kayalarda daha belirgin gözlenir. Bu sebepten tasarım projelerinin hazırlanması aşamasında anizotropi dikkate alınması gereken bir durumdur (Amadei, 1996). Amadei (1996), anizotropinin önemli olduğu başlıca mühendislik faaliyetlerini yerüstü ve yeraltı kazılarının duraylılığı, delme patlatma işleri, temellerin duraylılığı, petrol doğalgaz ve yer altı suyu akışı, sondaj kuyuların deformasyonu ve yenilmesi olarak sıralamıştır. Kaya ortamında iki türlü anizotropiden söz edilebilir. Bunlardan birincisi ve daha etkili olan, kayanın oluşum sürecinden itibaren etkilendiği gerilmelerin neticesinde oluşan süreksizliklerin neden olduğu kaya kütlelerindeki anizotropidir. İkincisi ise kayayı oluşturan malzemenin etkileşimi-sıralanımıyla oluşan bünyesel anizotropidir (Ramamurthy, 1993). Yapılan çalışmanın türüne bağlı olarak hangi tip anizotropinin etkileyici olduğu ortaya çıkar. Kayalarda mevcut olan (bünyesel) anizotropinin özellikleri, dayanım ve deformasyon anizotropisi olarak sınıflandırılmaktadır. Bu davranışların tanımlanmasında, kayacın sahip olduğu anizotropi düzlemleri (foliasyon, klivaj, ince laminalanma-tabakalanma, tanelerde sıralanma vb. gibi süreksizlikler) göz önününe 1

17 1. GİRİŞ alınarak dik, yatay ve değişik açılarda konumlandırılmış örneklere, dayanım ve deformasyon deneyleri uygulanır. Kayalarda dayanım, deformasyon ve dinamik özelliklerin anizotropi ile ilişkisini ortaya koymak özellikle; Lekhnitski (1963), Donath A. Fred (1964), Hobbs (1964), Hoek (1964), Mclamore ve Gray (1964, 1967), Akai (1971), Barla ve Innaurato (1973), Attewell ve Sandford (1974), Mccabe ve Koerner (1975), Jeager ve Cook (1976), Allirot ve Boehler (1979), Boreccki ve diğ. (1979), Kwasniewski (1983), Ramamurthy (1986, 1993, 2001), Rao ve diğ. (1986), Ramamurthy ve diğ. (1988, 1993, 1994, 2002), Singh (1988), Singh ve diğ. (1989), Wittke (1990), King ve diğ. (1991), Wu ve diğ. (1991), Amadei (1983, 1996, 1998), Brady ve Brown (1993), Jonhston ve Christensen (1993), Priest (1993), Worotnicki (1993), Mukerji ve Mavko (1994), Remi ve diğ. (1994), Hwong ve Nihei (1995), Chen ve diğ. (1996, 1998), Kumtepe (1996), Nassari ve diğ. (1996, 2003), Al-Harthi (1998), Çolak (1998), Ajalloeian ve Lashkaripour (2000), Exadaktylos (2001), Tien ve diğ (2001, 2006), Amadei ve Tonon (2002), Angabini (2002), Gatalier ve diğ. (2002), Matsukara ve diğ. (2002), Bayrak (2005), Corkum ve Martin (2007), Deliormanlı (2007), Hakala ve diğ. (2007) metamorfik, sedimanter ve magmatik kayalar üzerinde bir çok araştırma yapmışlardır. Bu araştırmaların detayları önceki çalışmalar bölümünde verilmiştir. Anizotropik özellik gösteren ortamlarda yapılan çalışmalarda, tasarım parametrelerinin gerçeğe yakın olarak belirlenmesi, projelerin uygulanması aşamasında olumsuz belirsizlikleri en aza indireceğinden, hem emniyet hem de ekonomiklik açısından çok önemlidir. Bu nedenle, Adana Baseni Cingöz formasyonu kumtaşı seviyelerinin hem mühendislik özelliklerinin belirlenmesi, hem de bu özelliklerin anizotropi ile ilişkisini ortaya koymak için yapılan bu çalışmada, kumtaşlarının tabakalanma ve laminalanmaya göre değişik yönlerdeki dayanım, deformasyon ve dinamik özelliklerin belirlenmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın birinci bölümünde, dayanım, deformasyon ve dinamik özelliklerin anizotropi ile ilişkisini anlamak amacı ile literatürde yeralan önceki çalışmalar derlenmiştir. Bir sonraki aşamada ise kumtaşı örneklerinin petrografik ve minerolojik özelliklerinin belirlenmesi amacı ile ince kesit çalışmaları yapılmıştır. 2

18 1. GİRİŞ Kumtaşı örneklerinin yoğunluk (ρ), porozite (n) ve ağırlıkça su emme oranı (A w ) gibi fiziksel özelliklerin belirlenmesi için fiziksel deneyler yapılmıştır. Kumtaşlarında dinamik özelliklerin anizotropi ile olan ilişkisinin saptanması için 0, 30, 45, 60 ve 90 lik yönelim açılarına sahip yönlü örnekler üzerinde sonik hız deneyleri yapılmıştır. Kumtaşlarında dayanım anizotropisinin cinsi, oranı ve derecesinin belirlenmesi için 0, 30, 45, 60, 90 lik yönelim açılarına sahip yönelim açılarına sahip örnekler üzerinde tek eksenli sıkışma deneyi yapılmıştır. Dayanım deneylerinden olan dolaylı çekme dayanımının anizotropi ile ilişkisini belirlemek amacı ile 0, 30, 45, 60, 90 lik yönelim açılarına sahip silindirik örnekler üzerinde dolaylı çekme dayanımı deneyleri yapılmıştır. Yine kayaların statik deformasyon modüllerinin (E st ) yönelim açısı ile değişimini belirlemek amacıyla, statik deformasyon deneyleri yapılmıştır. Daha sonra her bir örnek için deneylerden elde edilen tek eksenli sıkışma dayanımı (σ c ), statik deformasyon modülü (E st ), P dalga hızı (V p ), S dalga hızı (V s ) ve dinamik deformasyon modülü (E dn ) parametreleri arasındaki ilişkiler basit regresyon eşitlikleri ile ifade edilmiştir ve yüksek korelasyon katsayıları elde edilmiştir. Çalışmanın sonunda mekanik ve dinamik parametrelerini kestirmek için iki farklı kesitirim yönteminden yararlanılmıştır. İlk yöntemde σ c, E st, V p, V s ve E din parametrelerini değişik yönelim açılarında (β) kestirmek için Singh ve diğ. (1989) in önerdiği kestirim denklemleri hesaplanmış ve teorik eğriler çizdirilmiştir. Singh ve diğ. (1989) un önerdiği kestirim denklemlerinden teorik değerler hesaplanmış ve gerçek deney verileri ile uyumları incelenmiştir. Diğer bir kestirim yöntemi olarak regresyon yöntemlerinden yararlanılmıştır. σ c parametresinin kestirilmesine yönelik basit ve çoklu doğrusal olmayan regresyon yöntemlerinden yararlanılmış yüksek korelasyon katsayılarına sahip modeller oluşturulmuştur. 3

19 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Önceki çalışmalar başlığı, genel jeoloji ve anizotropi ile ilgili önceki çalışmalar olmak üzere iki ana başlık altında değerlendirilmiştir Genel Jeoloji ile İlgili Önceki Çalışmalar Adana Baseni; batıda Ecemiş fay kuşağı, kuzeyde Aladağlar, güneyde Akdeniz ve doğuda Ceyhan ilçesi arasında kalan bölgeyi içermektedir (Şekil 2.1). Günümüze kadar Adana Baseni ile ilgili, genel jeoloji, paleontoloji, stratigrafi, sedimantoloji ve tektonik gibi konularda birçok araştırmalar yapılmıştır. Şekil 2.1. Adana Baseni yerbulduru haritası (Usta ve Beyazçiçek, 2006 dan). Blumenthal (1941), Adana ile Niğde illeri arasında yapmış olduğu jeolojik etütler sonucunda bölgenin 1/ ölçekli jeoloji haritasını yapmıştır. Ternek (1957), Adana Basenini Alt-Miyosen yaşlı formasyonlar üzerinde ayrıntılı bir inceleme yaparak, bunların diğer formasyonlarla ilişkilerini incelemiş ve havzanın petrol olanaklarını araştırmıştır. 4

20 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Schmidt (1961), Adana Baseni genel stratigrafisi hakkında ilk sistemli çalışma araştırmacı tarafından hazırlanmıştır. Araştırmacının yılları arasında yapıtığı sistemli çalışmalar sonucunda 47 kaya stratigrafi birimi isimlendirilmiştir. Ayrıca bu çalışmalar, Bulgur Dağı petrol sahasının belirlenmesini sağlamıştır. Özer ve diğ. (1974), Antalya-Mut- Adana Neojen havzaları üzerine yaptıkları jeolojik etütlerde bu üç havzayı yapısal ve bölgesel özellikleri ile araştırıp deneştirmişlerdir. Öztümer ve diğ. (1974), Antalya-Mut ve Adana havzalarında biyostratigrafik çalışmalar yapmışlardır. Adana havzasında aldıkları Karaisalı-Adana kesiti sonucunda Güvenç formasyonunun Langiyen-Serravaliyen yaşında olduğunu ortaya koymuşlardır. İlker (1975), Adana Baseninin KB kesiminin jeolojisini inceleyerek bölgenin 1/ ölçekli jeoloji haritasını çıkarmış, havzanın petrol olanaklarını araştırmıştır. Görür (1980), Karaisalı kireçtaşını sedimantolojik yönden inceleyerek, altı alt fasiyese ayıklamıştır. Ayrıca Karaisalı kireçtaşının, Miyosen öncesi topografik yükseltiler üzerinde ve yakın çevresinde benkler şeklinde geliştiğini; çökelme ve onu izleyen evre içersinde biyolojik, fiziko-kimyasal, fiziksel işlevlerin etkisi altında bir takım değişikliklere uğradığını ortaya koymuştur. Üşenmez (1981), Belemedik yöresinde yapmış olduğu jeolojik çalışmalar ile bölgenin 1/ ölçekli jeoloji haritasını yapmıştır. Şaroğlu (1985), Orta Toroslar ile Orta Anadolu nun güneyinde Neotektonik dönemin Üst-Miyosen de başladığını ve Orta Torosların bugünkü yüksekliğine Orta Miyosen den sonra bir kıvrımlanma ile ulaştığını belirtmişdir. Nazik (1983), Güvenç formasyonunun planktonik foraminiferleri ile biyostratigrafik incelemesini yüksek lisans tezi olarak hazırlamış, biri Langiyen e diğeri de Serrevaliyen e karşılık gelen iki biyostratigrafik zon ayırtlamıştır. Yalçın ve Görür (1983), Adana Baseninin sedimantolojik evrimi üzerine yaptıkları çalışmada, havzadaki Neojen istifinin Burdigaliyen-Güncel zaman aralığında değişik fasiyeslerde çökeldiğini ve denizel çökelmenin Kuvaterner de büyük ölçüde sona ermiş olduğunu bildirmişlerdir. 5

21 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Yetiş ve Demirkol (1984), Adana Baseninin KB temel stratigrafisine ilişkin gözlemlerinde, Maden Boğazı (Çamardı) dolayında denizel Lütesiyen mostralarının üzerine karasal Oligosen çökellerinin geldiğini böylece daha önce Burdigaliyen de çökeldiği bildirilen Gildirli formasyonunun Oligosen de belki de Üst Eosen de çökelmeye başlamış olabileceğini belirtmişlerdir. Gürbüz (1985), Cingöz formasyonu türbiditik kumtaşları üzerine yaptığı doktora çalışmasında, bu kumtaşlarını sedimantolojik ve petrografik açıdan ele alıp incelemiş ve özellikle kumtaşlarının provenansına (kaynak alanı) ışık tutmuştur. Bu formasyonu oluşturan iki adet denizaltı yelpazesinin varlığını ilk defa ortaya koymuş ve detaylı sedimantolojik özelliklerini açıklamıştır. Nazik ve Toker (1985), Miyosen yaşlı Güvenç formasyonu içerisindeki planktonik foraminiferlerin evrimini çalışmışlardır. Diğer yandan formasyon içerisindeki bentonik ve planktonik foraminiferlerin dağılımını ortaya çıkarmışlardır. Çalışmanın sonucunda derin deniz şeyllerinin içerisinde bazı sığ birimlerinde yer aldığını belirtmişlerdir. Abacı ve Yurtmen (1986), Karsantı formasyonu nun sedimanter, petrografik özelliklerini çalışmış ve bu formasyonun kaynak alanı olan dağ arası (intermontante) bölgenin Karsantı formasyonu nun kuzeyinde yer aldığını belirtmişlerdir. Lagap (1986), Adana nın KB sında yeralan Kıralan Karakılıç-Karaisalı dolaylarında yapmış olduğu yüksek lisans çalışmasında, Yerköprü ve Yellikaya formasyonlarını adlandırmıştır. Ünlügenç (1986), Kızıldağ Yayla (Adana) dolayının jeoloji incelemesi adlı yüksek lisans tez çalışmasında inceleme alanında farklı stratigrafik dizilim ve yapısal konum sunan Allokton ve Otokton birimleri ayırtlamıştır. Paraotokton konumlu birimleri; Permo-Karbonifer yaşlı Karahamzauşağı formasyonu, Mesozoyik yaşlı Demirkazık kireçtaşı ve Yavça formasyonu nun oluşturduğunu belirtmiştir. Allokton konumlu olduğu belirtilen ve ilk kez adlandırılan Kızıldağ Melanjı ile Faraşa Ofiyolitinin Alt-Mestrihtiyen sonrası bölgeye yerleştiğini belirtmiştir. Tersiyer e ait Otokton birimleri ise Oligosen-Alt Miyosen yaşlı Gildirli, Alt-Miyosen yaşlı Kaplankaya ve Orta-Miyosen yaşlı Karaisalı kireçtaşının oluşturduğunu bildirmiştir. 6

22 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Yetiş ve Demirkol (1986), Adana Baseni batı kesimi detay jeoloji etüdü isimli çalışmalarında, bölgede yer alan temel birimleri ve temel içerisindeki Allokton konumlu Üst-Kretase yaşlı Kızıldağ melanjı ve Faraşa ofiyolitinin yerleşimlerini incelemişlerdir. Karsantı formasyonunun yaşının, önceki çalışmaların aksine Oligosen-Miyosen değil, Üst-Miyosen olduğunu saptamışlardır. Karsantı arenitleri detritik malzemesinin bazik-ultrabazik kayalarca zengin (Toros Ofiyolitik yitilme karmaşığı) bir provenanstan türediği ve Yay-Hendek bölgesi yakın çevresinde çökeldiğini ortaya koymuşlardır. Yetiş ve diğ. (1986), Tortoniyen yaşında olduğu bildirilen Kuzgun formasyonunun başlıca alüvyal örgülü nehir nitelikli dönemler ile sığ denizel çökellerden oluşan iki bölüme ayrıldığını belirtmişlerdir. Gökçen ve diğ. (1987), Misis yapısal yükseliminin gelişimini incelemişlerdir. Misis Bölgesi türbiditik serilerinin evrimi incelemek için jeokimyasal, yapısal ve sedimanter petrografik incelemelerde bulunmuşlardır. Araştırmacılar Misis kompleksi ve Adana Baseni (Adana ve İskenderun Baseni) için Perisutural Kıtaönü Basen modelini önermişlerdir. Yetiş (1988), Adana Baseninin Tersiyer (Oligosen - Pliyosen) stratigrafisini yeniden düzenlemiştir. Daha önce tanımlanan litostratigrafik birimlerin yeniden gözden geçirilmesini önermiştir. Ayrıca Adana Baseni (Cingöz formasyonu) Tersiyer serilerindeki türbiditik istiflerde ayrıntılı çalışmaların yetersizliğini belirtmiştir. Schmidt in Kuzgun formasyonu, Memişli formasyonu ve Salbaş Tüf Üyesi olarak adlandırdığı birimleri, Kuzgun formasyonu olarak yeniden tanımlamıştır. Ünlügenç ve Demirkol (1988), Adana İlinin KB sında yer alan Kızıldağ- Yayla dolaylarında yaptıkları çalışmalarda, Karahamzauşağı formasyonu ile Üst- Kretase yaşlı Kızıldağ melanjını ayırtlayarak adlandırmışlardır. Kızıldağ melanjı ile Faraşa ofiyolitinin Allokton olduğunu, Kızıldağ melanjının Cilgürliz sürüklenimi, Faraşa ofiyolitinin ise Gerdağı sürüklenimi ile Üst Mestrihtiyen ve sonrasında bölgeye yerleştiğini saptamışlardır. Ayrıca Demirkazık formasyonu ile Karahamzauşağı formasyonu üzerine gelen Tersiyer çökelleri arasında açısal uyumsuzlukların var olduğunu tespit etmişlerdir. 7

23 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ünlügenç ve diğ. (1990), Adana Baseninin tektono stratigrafik gelişimi ile ilgili çalışmalar yapmış ve stratigrafik olarak yeni bazı fikirler ortaya sürmüşlerdir. Araştırmacılar özellikle Yetiş (1981) tarafından ortaya atılan bazı litostratigrafik görüşlere karşı çıkmışlardır. Kaplankaya ve Güvenç formasyonlarının doğal ve stratigrafik konumları konusunda farklı görüşler arz etmişlerdir. Nazik ve Gürbüz (1992), Cingöz formasyonunda yaptıkları paleontolojik inceleme sonucunda 14 planktonik foraminifer türü ve bunların yayılımı ile 3 biyozon ayırtlamışlardır. Bu bulgular sonucunda formasyon yaşının Üst Burdigaliyen-Serravaliyen olduğunu tespit etmişlerdir. Gürbüz ve Kelling (1993), Adana Baseni Cingöz formasyonu türbiditik kumtaşlarının provenansına tespitine yönelik yaptıkları çalışmalarında, Dickonson (1983) diyagramlarıyla Molinaroli nin (1985) DFA testini uygulayarak her iki yöntemi karşılaştırmışlardır. Bu tür provenans çalışmalarında Molinaroli nin DFA tekniğinin daha başarılı olduğunu tespit etmişlerdir. Sonuçta iki adet denizaltı yelpazesi şeklinde tanımladıkları denizaltı yelpazelerinden, batıdakinin kuzeybatıdan, doğudaki yelpazenin ise kuzeyden taşındığını tespit etmişlerdir. Ayrıca Dickinson (1983) yönteminin yalnız başına kullanılmasının bazı provenans çalışmalarında yeterli olmadığını belirtmişlerdir. Provenans tespit çalışmalarında verilerin kimyasal bulgular ve ağır mineral çalışmaları ile desteklenmesi gerektiğini savunmuşlardır. Ünlügenç ve diğ. (1993), Adana Baseni nin K-KD sunda yer alan Karsantı bölgesi ve dolaylarında yaptıkları stratigrafik, sedimantolojik ve paleontolojik çalışmalar sonucunda; inceleme alanında yüzeyleyen kırıntılı istifin Alt-Üst Oligosen sırasında, Adana Baseninin oluşumu öncesinde dağlar arası bir bölgede küçük bir basen içerisinde çökeldiğini saptamışlardır. Alt Oligosen sırasında bölgenin sığ bir deniz ortamında çökelimini sürdüğü, Üst Oligosen de ise havzanın sübsidans ve tektonizma etkisi ile güney sınırının normal faylanmalar sonucu düştüğünü belirtmişlerdir. Özçelik ve Yetiş (1994), Adana Baseni Güvenç formasyonunun fasiyes ve ortamsal niteliklerini belirlemeye yönelik yaptıkları çalışmalarında birimin resif ilerisi şeyllerle başlayıp, basenin göreceli derinleşmesine bağlı olarak derin denizel 8

24 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR şeyllere ve üste doğru ise Adana Baseni nin bölgesel ölçekteki sığlaşmasına bağlı olarak regresif dönemi karakterize eden kırıntılı sediman oranının artması ile sığ deniz çökellerine geçtiğini tespit etmişlerdir. Usta ve Yetiş (1994), Kuşçular Belemedik (KB Adana) alanının stratigrafisini açıklamışlardır. Yılmaz (1997), Cingöz formasyonu türbidit kumtaşlarının ağır mineral analizi ve provenansını, yüksek lisans tezi olarak çalışmıştır. Ünlügenç ve Şafak (1998), Adana Baseni Tortoniyen tortulları ve resif gelişimini incelemiştir. Gürbüz ve Ünlügenç (2000), Cingöz formasyonu denizaltı yelpazelerinde alt yelpaze/basen düzlüğü sedimanları üzerinde yer alan ince taneli kırıntılı istif üzerine gelen bölümün önceki araştırmalarda belirtildiği gibi türbiditler olmadığı; kıyı ötesinde gelişmiş olan kumca zengin fırtına sedimanları olduğunu belirtmişlerdir. Öğrünç ve diğ. (2000), Adana Basenini Üst Miyosen Pliyosen istifindeki çökellerinin, Messiniyen tuzluluk krizi sırasında ve sonrasındaki stratigrafisi ve paleoekolojisini incelemişlerdir. Demircan ve Toker (2003, 2004), Adana Baseni Cingöz formasyonu doğu ve batı yelpazesinin iz fosillerini incelemişlerdir. Avşar ve diğ. (2006), Adana Baseni Neojen istifinde çeşitli paleontolojik ve ortamsal çalışmalar yapmıştır Kayalarda Anizotropi ile İlgili Önceki Çalışmalar Kayalarda anizotropi ile ilgili önceki çalışmalar, kayalarda dayanım anizotropisi, deformasyon ve dinamik özellik anizotropisi ile ilgili önceki çalışmalar olmak üzere 3 alt başlık altında sunulmuştur Kayalarda Dayanım Anizotropisi ile İlgili Önceki Çalışmalar Bir kayacın sahip olduğu mekanik ve dinamik özelliklerin yönlü değişim göstermesi anizotropi olarak tanımlanır. Sağlam kaya, nadiren izotropik olmaktadır. Genel olarak sağlam metamorfik kayalar magmatik ve sedimanter kayalardan daha 9

25 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR şiddetli anizotropik davranış gösterirler. Sedimanter kayalar, depolanma esnasında gelişen farklı tabakalarda farklı mineral kompozizyonu oluşumuna bağlı olarak gelişen özellikler nedeni ile anizotropik yapı kazanırlar. Metamorfik kayalar ise ısı ve basınç altında oluşumları sırasında kazandıkları foliasyon vb. gibi yapılar nedeniyle anizotropik yapı kazanır ve daha şiddetli anizotropik özellik sunar. Magmatik kayalar ise akış sırasında kazandıkları mineral dizilimlerine bağlı olarak anizotropik özellik sunabilir (Ramamurthy, 1993). Donath A. Fred (1964), anizotropinin dayanım üzerindeki etkisini araştırmak için düzlemsel foliasyonları mükemmel gelişmiş olan sleytlerde dayanım deneyleri yapmıştır. Araştırmacı 0-90 ye kadar 15 er derece artışlar ile hazırladığı numuneler üzerinde yaptığı deneylerde, en yüksek basınç direncinin 90 de oluştuğunu tespit etmiştir. Benzer şekilde 0 ve 75 lik yönlenimlerde de basınç direncinin yüksek olduğunu belirtmiştir (Şekil 2.2). Diğer yönden, bütün yönelimlerdeki yenilmelerin ya dilinim yüzeyleri boyunca ya da bunlara hemen hemen paralel yönlerde geliştiğini belirtmiştir. Şekil 2.2. Martinsburg arduvazında direnç-dilinim yönelimi ilişkisi (Donath A. Fred, 1964). Mclamore ve Gray (1964), kayaların bir ya da daha fazla düzlem tarafından kesilmesi durumunda ve örneklerin bu düzlemler boyunca kırılması halinde U tipi 10

26 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR anizotropi görüleceğini ve en yüksek tek eksenli sıkışma dayanımı değerinin β=90 de gerçekleştiğini belirtmişlerdir. Mclamore ve Gray (1967), kayalardaki anizotropiyi kökensel olarak sınıflandırmıştır. Buna göre anizotropi: (i) düzlemsel tip anizotropi ve (ii) çizgisel tip anizotropi olarak değerlendirilir. Düzlemsel tip anizotropi, şist ve sleyt gibi kayalarda klivaj veya şistozitenin etkisi ile meydana gelir. Çizgisel tip anizotropi ise, klivaj veya şistozite olmaksızın tabakalanma düzlemleri ile ilgilidir. Çizgisel tip anizotropide kaya malzemesinin tabakalanmaya bağlı dizilimi önem kazanmaktadır. Attewell ve Sandford (1974), sleytler üzerinde yaptıkları deneylerde tek eksenli sıkışma dayanımı sonuçlarına dayanarak elde ettikleri verilerde, en düşük basınç dayanımın her zaman β=30 de gerçekleştiğini belirtmiştir. Jeager ve Cook (1976), kayaların hiçbir süreksizlik düzlemi içermeseler bile, oluşumları sırasında kazandıkları bünyesel özelliklere bağlı olarak, anizotropik özellik gösterebileceğini vurgulamıştır. Anizotropinin tanımlanması için, dayanımın konum açısına göre değişiminin saptanması gerektiğini belirtmişlerdir. Yönelim açısını (β), anizotropi düzleminin düşey ile yaptığı dar açı olarak tanımlamışlardır (Şekil 2.3). Şekil 2.3. Yönelim açısı (β) nın gösterimi. Singh ve diğ. (1989), malzeme dizilimi, eklem, tabakalanma, foliasyon ve klivaj gibi bünyesel unsurlar içeren kayalarda en yüksek basınç dayanımının β= 0 ve 11

27 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR β= 90 lik yönelim açılarında gerçekleştiğini, en düşük değerlerin ise β=30 ya da (45-φ )/2 de oluştuğunu belirtmişlerdir (φ ; kaya bünyesindeki gevrek, çatlak veya kayma düzlemlerinin içsel sürtünme açısıdır). Ayrıca anizotropinin tanımlamasında, 0-90 arasındaki değişik konum açılarında elde edilen basınç dayanımı değerlerinden, 90 deki basınç dayanımının (σ c90 ), elde edilen en düşük basınç dayanımına (σ cmin ) oranlamasının (R c ) kullanılabileceğini belirmişlerdir (Çizelge 2.1) Çizelge 2.1. Anizotropi oranına göre kayaların sınıflandırılması ve bazı örnek kaya tipleri (Singh ve diğ, 1989). Anizotropi Oranı Anizotropi Tanımı Örnek Kaya Tipi (R c ) (σ c90 /σ cmin ) 1,0-1,1 İzotropik Kumtaşı, Kireçtaşı, Dolomit 1,1-2,0 Düşük Anizotropi Kumtaşı, Şeyl 2,0-4,0 Orta Anizotropi Şeyl-Sleyt-Fillit 4,0-6,0 Yüksek Anizotropi Sleyt ve Fillit >6,0 Çok Yüksek Anizotropi Araştırmacılar ayrıca U tipi anizotropi gösteren kayalarda, 0, 30 ve 90 lik yönelim açılarındaki tek eksenli sıkışma dayanımı değerlerinin bilinmesi koşulunda, diğer β açılarına karşılık gelen σ c değerlerinin tahmin edilebileceğini vurgulamış ve bu durumu aşağıdaki eşitlik ile açıklamıştır. σ cj = A B [cos2(δ-β)] (2.1) Burada, σ cj ; 0, 30 ve 90 dışındaki herhangi bir yönelim açısındaki öngörülen (teorik) tek eksenli sıkışma dayanımını, δ; tek eksenli sıkışma dayanımının en küçük olduğu yönelim açısı değerini (genellikle 30 olarak kabul edilmektedir), β; basınç dayanımı değerinin bulunması istenen yönelim açısı değerini, A ve B ise, kaya örneği için belirlenebilen katsayıları ifade etmektedir. Bu katsayılar, β=0 ve β=30, β=30 ve β=90 deki (0 β δ ve δ β 90 ) tek eksenli sıkışma dayanımı değerleri kullanılarak hesaplanabilmektedir. Araştırmacıların önerdiği kestirim denklemlerinin hesaplanmasında sadece 0,30 ve 90 lik yönelim 12

28 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR açılarındaki deney verileri kullanıldığından bazı durumlarda ara yönelim değerlerinde büyük hatalara sebebiyet verebilmektedir. Yine genelleştirme yapılamaması ve sadece bir deney grubu için kullanılabildiği için resgresyon modelleri ile yapılan kestirim yöntemlerine göre kullanışlı değildir. Singh ve ark. (1989), fillitler üzerinde yaptıkları çalışmada, tek eksenli sıkışma dayanımı ve yönelim açısı arasında çizilen eğrinin şekline göre U tipi anizotropi görüldüğünü belirtmiştir (Şekil 2.4). Şekil 2.4. Deneysel ile öngörülen (teorik) tek eksenli sıkışma dayanımı ve yönelim açısına göre değişimi ( Singh ve diğ.1989). Priest (1993) ve Brady ve Brown (1993), anizotropi oranının tespit edilmesinde σ c90 yerine σ cmax değerinin kullanılmasının daha doğru bir sonuç vereceğini belirtmiştir. Araştırmacılar buna neden olarak, en yüksek basınç dayanımın her zaman β=90 olduğu durumda gerçekleşmediğini, bazı durumlarda β=90 den farklı değerlerde de gerçekleşebileceğini göstermişlerdir. Örnek olarak omuz tipi anizotropi gösteren kumtaşlarında ve volkanik cam kümeleri içeren 13

29 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR volkanik kayaçlarda en yüksek basınç dayanımı genellikle yönelimin 0 olduğu durumda ortaya çıkmaktadır. Ramamurthy (1993), kayaların gerilmeler altındaki davranışlarının, mineral dizilimlerine bağlı olduğunu ve kaya malzemesinin tek eksenli sıkışma altındaki yenilme şeklinin, tek bir yenilme düzlemi ve çoklu yenilme düzlemleri için farklı olduğunu belirtmiştir (Şekil 2.5). Şekil 2.5. Kayalarda gözlenen anizotropi modelleri ve bu modeller için çizilen eğriler (Ramamurthy, 1993). Ayrıca konum açısı β ile tek eksenli sıkışma dayanımı arasında çizilen eğrinin şeklinin, dayanım anizotropisinin doğasını tanımladığını belirtmiştir. Araştırmacı ayrıca elde edilen eğrinin şekli değerlendirilerek maksimum ve minimum basınç değerleri ve kritik konum açılarının belirlenebileceğini vurgulamıştır. Araştırmacı basınç dayanımı ve konum açısı arasında çizilen eğrinin şekline göre üç tip anizotropiden bahsedilebileceğini belirtmiştir. Bunları; U tipi dayanım anizotropisi, omuz tipi dayanım anizotropisi ve dalgalı tip dayanım anizotropisi olarak sınıflandırmıştır. Araştırmacı U tipi anizotropide, en yüksek tek eksenli sıkışma dayanımının (σ cmax ) β nın 90 e olduğu durumda, en düşük tek eksenli sıkışma dayanımının (σ cmin ) ise yaklaşık olarak β=30 de gerçekleştiğini belirtmiştir. Bu tip 14

30 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR anizotropinin daha çok paralel olarak foliasyon ve yapraklanma gösteren metamorfik türü kayalarda görüldüğü vurgulamıştır. Omuz tipi anizotropinin ise genellikle, tabakalanma gösteren kayalarda görüldüğünü, β nın düşük ve yüksek değerlerinde dayanımın hemen hemen sabit kaldığını belirtmiştir. Yine bu tip kayalarda σ cmin değerinin β nın arasında gerçekleştiğini belirmiştir. Araştırmacı ayrıca dalgalı tip anizotropinin ise daha çok diatomit ve kömür gibi biyokimyasal kayalar yanında çok sayıda süreksizliğin geliştiği kayalarda görüldüğünü belirtmiştir. Burada σ cmax değerinin, β nın 90 e olduğu, σ cmin değerinin ise β nın 30 olduğu durumda ortaya çıktığını belirtmiştir (Şekil 2.6). Şekil 2.6. Kayalarda gözlenen anizotropi tipleri (Ramamurthy, 1993). Al-Harthi (1998), kumtaşları üzerinde yaptığı çalışmalarda, kumtaşların anizotropik özelliklerinin şekillenmesinde en önemli faktörün depolanma sırasında kazandığı laminalanma, tane sıralanımı ve mikrofissür gibi süreksizlikler olduğunu belirtmiştir. Diğer yandan kayaların birbirine dik iki adet süreksizlik düzlemi 15

31 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR içermesi halinde oluşacak anizotropi eğirisinin biçimin değişeceğini ve birbirine dik iki süreksizlik takımı içeren kayalarda bu eğirinin şeklinin genellikle W şeklinde olacağını belirtmiştir (Şekil 2.7). Şekil 2.7. Birbirine dik iki adet süreksizlik takımı içeren kumtaşı örneğine ait W tipi dayanım anizotropisi eğrisi (Al-Harthy, 1998). Çolak (1998), kumtaşları, siltaşları ve kiltaşları üzerinde yaptığı doktora çalışmasında kumtaşlarında anizotropik özelliklerin şekillenmesinde laminalanmanın çok önemli bir faktör olduğunu belirtmiştir. Laminalanma göstermeyen veya belirgin laminalanmasız yapı sunan kumtaşlarının izotropik bir yapıya yaklaştığını belirtmiştir. Diğer yandan kumtaşlarında düşük derece anizotropi görülürken, siltaşı ve kiltaşlarında ise orta derece anizotropi görüldüğünü belirtmiştir. Kumtaşları üzerinde gözlenen yenilmelerin nadiren laminalanma yüzeyi boyunca olduğunu siltaşı ve kiltaşlarında ise yenilmelerin laminalanma yüzeyleri boyunca olduğunu belirtmiştir. Ajalloeian ve Lashkaripour (2000), yapraklanma gösteren silttaşı ve çamurtaşları üzerinde yaptıkları deneylerde, bu tip kayaların kumtaşlarına göre daha şiddetli anizotropik bir davranış gösterdiğini belirtmişlerdir. Silttaşları ve çamurtaşlarının orta derecede anizotropik özellik gösterdiğini belirmiştir. Yönelim 16

32 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR açısı (β) ile tek eksenli sıkışma dayanımı arasında çizilen eğrilerin iki kaya tipi için de U tipi olduğunu belirmişlerdir. Matsukara ve diğ. (2002), kayacın mikroyapısal özelliklerine bağlı olarak anizotropik özelliklerin önemli ölçüde değiştiğini belirtmek için riyolit cinsi kayalar üzerinde birçok deney yapmışlardır. Deneyler için 0 den 90 ye kadar 15 lik artışlarla numuler almışlardır (Şekil 2.8). Şekil 2.8. Farklı yönelim açıları ile alınmış gözenekli riyolit karot örnekleri (Matsukura ve diğ, 2002). Yaptıkları deneylerde en yüksek basınç dayanımı değerlerinin β=0 de, en düşük basınç dayanımı değerlerinin ise β=90 ve β=60 arasında gerçekleştiğini tespit etmiştir (Şekil 2.9). Araştırmacılar bu normal olmayan durumunun kayacın mikroyapısı ile ilgili olduğunu belirtmişlerdir. Araştırmacılar bu durumu riyolitin içinde kümelenmiş olan cam sütunlarının düşey kuvvetlere karşı düşük dayanım göstermesi olarak açıklamışlardır. 17

33 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Şekil 2.9. Gözenekli riyolit kayacında yönelim açısına göre tek eksenli sıkışma dayanımının değişimi (Matsukura ve diğ., 2002). Bayrak (2005), Niğde masifi temel kayaların anizotropik dayanım ve deformasyon özelliklerinin incelenmesi isimli yüksek lisans çalışmasında, şist ve metagabro kayaları üzerinde yaptığı tek eksenli sıkışma dayanımı deneylerinde σ max değerinin her zaman β nın 90, σ min değerinin ise β nın 30 e olduğu durumda ortaya çıktığını belirtmiştir. Şist ve metagabrolarda U tipi dayanım anizotropisinin görüldüğünü belirtmiştir. Diğer yandan şistlerin orta ve yüksek derece dayanım anizotropisi gösterirdiği metagabroların ise daha düşük anizotropi oranı değerlerine sahip olduğunu belirtmiştir. Tien ve diğ (2006), değişik oranlarda kaolinit ve çimento içeren iki farklı malzemeden oluşan ve özel olarak transversal anizotropik takliti olarak hazırlanmış yapay örnekler üzerinde yaptıkları araştırmalarda, tek eksenli sıkışma dayanımı altında gerçekleşen yenilmelerde, yenilmenin β nın 15 ve 45 arasında süreksizlik boyunca gerçekleştiğini belirtmişlerdir. 18

34 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Anizotropik dayanım özelliklerinin belirlenmesinde bir diğer deneyde Brazilian (dolaylı çekme dayımı) deneyidir. Dolaylı çekme dayanımı deneyinin uygulanmasında araştırmacıların ilgi gösterdiği en önemli konu anizotropik özellik gösteren kayaların yenilme davranışları olmuştur. Hondros (1959), disk şeklindeki elastik izotropik bir malzemeye F yükü uygulandığında disk yüzeyinde oluşan gerilmenin aşağıdaki eşitlik yardımı ile bulunabileceğini belirtmiştir. F P = αdt D: Örnek çapı (mm) t: Örnek kalınlığı (mm) (2.2) α: Brazilian deneyinde basınç uygulanan yayın merkezi gören açısal değeri Bu gerilme değerinin hesaplaması sonucunda, diskin merkezinde oluşacak düşey konumlu basınç ve yatay konumlu çekme gerilmelerinin de aşağıdaki eşitlikler ile hesaplanabileceğini belirtmiştir. 2P σ x = ( sin 2α α ) (düşey) (2.3) π 2P σ y = ( sin 2α + α ) (yatay) (2.4) π α radyan cinsinden olmalıdır. Dolaylı çekme dayanımı aletine uygun olarak, 2α, 10 alındığında, disk şeklindeki örneğin merkezinde oluşan basınç ve çekme gerilmelerinin oranı (σ x / σ y ), 3,02 olarak elde edilmiştir. Hobbs (1964), ortası delikli diskler üzerinde yaptığı çalışmalarda, β / açısı (Şekil 2.10) ile dolaylı çekme dayanımı arasındaki ilişkiyi incelemiştir. Çalışmalarında disklerde enine kesit alanında yataya göre oluşan açılara (β / ) göre 0 den 90 ye kadar 15 lik artışlar ile değişik açılarda konumlandırdığı örnekler üzerinde dolaylı çekme dayanımı deneyleri yapmıştır. Silttaşı ve çamurtaşı üzerinde yaptığı deneylerde maksimum çekme dayanımının genellikle 0 de, minumum çekme dayanımının ise 90 de elde edildiğini belirmiştir (Şekil 2.11). 19