2 LİTERATÜR. Çizelge 1 Nokta yükleme dayanım indeksi ve tek eksenli basma dayanımı arasında farklı araştırmacılar tarafından kurulan ilişkiler

Transkript

1 KAYAMEK 2004-VII. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC 2004-VIIth Regional Rock Mechanics Symposium, 2004, Sivas, Türkiye Kayaçların tek eksenli basınç dayanımının basit deney yöntemleriyle tahmini Predicting uniaxial compressive strength of rocks from simple test methods H. Başarır & M. Kumral Maden Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi Malatya A. Özsan Jeoloji Mühendisliği Bölümü Ankara Üniversitesi Ankara ÖZET: Tek eksenli basma dayanımı hem kaya mekaniği hemde mühendislik jeolojisi uygulamalarında yaygın olarak kullanılan parametrelerden birisidir. Fakat bazı durumlarda bu deney için numune hazırlanması ve deneyin yapılması pahalı ve zaman harcayıcıdır. Bu nedenle nokta yükleme dayanım indeksi, Schmidt sertlik çekici ve sonik hız gibi basit deney yöntemlerinin tek eksenli basma dayanımını kestirmek amacıyla kullanımı oldukça yaygındır. Bu basit deney yöntemleri hızlı, kolay, portatif ve ucuzdur ayrıca numune hazırlama işlemi de gerektirmeyebilirler. Bu makalenin amacı kayalar üzerinde bahsedilen basit deney yöntemlerini ve tek eksenli basma dayanım deneylerini uygulayarak, kayanın tek eksenli basma dayanımı ile basit deney yöntemleri arasında ilişkiler kurmaktır. Kayaç örnekleri üzerinde nokta yükleme dayanım indeksi, Schmidt çekici ve sonic hız deneyleri ve tek eksenli basma dayanım deneyleri ISRM yöntemlerine göre yapılmıştır. Bu sonuçlar kullanılarak basit doğrusal regresyon analizleri yapılmış ve tek eksenli basma dayanım değeri tahmininde kullanılabilecek eşitlikler elde edilmiştir. Elde edilen ilişkilerle diğer araştırmacılar tarafından önerilen ilişkiler karşılaştırılmış ve sonuçlar kıyaslanmıştır. ABSTRACT: Uniaxial compressive strength test (UCS) is the most widely used design test in both engineering geological and rock engineering projects. However, in some cases it can be quite difficult, time consuming and expensive to prepare specimens and to conduct this test. For these reasons, simple test methods such as point load strength test (I s(50) ), Schmidt hammer hardness test (SHV) and sonic velocity test (VP) are used widely. These simple tests have been world widely used to estimate the UCS of rocks, because of their rapidity, simplicity, portability, low cost, non-destructiveness and easiness in both specimen preparation and test conduction. The objective of this paper is to establish links between these simple test methods and UCS. Uniaxial compressive strength test, point load strength test, sonic velocity test and Schmidt hammer hardness tests were all conducted in accordance with the ISRM suggested methods. Simple regression modeling was employed to obtain equations, required for predicting UCS of rocks. UCS values obtained from simple regression analysis and UCS tests are compared and the results are discussed. 1 GİRİŞ Kayaçların tek eksenli basma dayanımı değerleri gerek yer üstü gerekse de yeraltı mühendislik yapılarının tasarımında sıklıkla kullanılmaktadır. Tek eksenli basma dayanımı deneyinin uygulanmasındaki standart prosedür Amerikan Test ve Malzeme Topluluğu (ASTM 1984) ve Uluslararası Kaya Mekaniği Topluluğu (ISRM 1981) tarafından belirtilmiştir. Deneyin uygulanabilmesi için gelişmiş bir kaya mekaniği laboratuvarına ihtiyaç duyulur. Tek eksenli basma dayanım deneyi basit deney yöntemleri ile karşılaştırıldığında numune hazırlanması zaman alıcı ve pahalı olmanın yanısıra hasarlı deneyler grubuna girer. Sözedilen basit deneyler için gerekli aletler daha ucuzdur ve uygulanması gereken kurallar açısından daha kolaydırlar. Dolayısıyla nokta yükleme dayanım deneyi (I s(50) ), Schmidt çekici (SHV) ve sonik hız (SV) gibi basit deneyler UCS tahmini için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu basit deney yöntemleri sayesinde çabuk ve ucuz tek eksenli basma dayanımı tahmini mümkündür. Deneylerin yapıldığı kayaç grubu Ankara etrafında yaygın olarak görülen günümüzde üzerinde pek çok önemli yapının inşa edildiği Ankara dasitidir. Bu makalede Ankara dasitinin tek eksenli basma dayanımının tahmini için numuneler üzerinde laboratuvar ve sahada yukarıda anılan basit deney yöntemleri uygulanmıştır. Laboratuvar deneyleri

2 Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ) Maden Mühendisliği kaya mekaniği ve Elektrik İşleri Etud İdaresi (EIEI) kaya mekaniği laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. 2 LİTERATÜR Basit deney yöntemleri pek çok araştırmacı tarafından UCS nin tahmininde kullanılmıştır. Nokta yükleme deneyi numunenin mekanik dayanımının belirlenmesi için yaygın olarak kullanılan bir deney yöntemidir. D Andrea vd. (1964), Brock & Franklin (1972), Bieniawski (1975), Hassani vd. (1980), Read vd. (1980), Forster (1983), Gunsallus & Kulhway (1984), ISRM (1981), Cargill & Shakoor (1990), Chau & Wong (1996), Grasso vd. (1992), Kahraman (1996), Tugrul & Zarif (1999) gibi pek çok araştırmacı I S(50) ile UCS arasındaki ilişki kurmak için çalışmışlar ve çeşitli emprik bağıntılar önermişlerdir. Bu çalışmaların çoğunda doğrusal regresyon ilişkileri kullanılmıştır. Kahraman (2001) bu amaçla literatürde yer alan 48 adet veriyi kullanmıştır. Tugrul & Zarif (1999) çalışmalarında I S(50), diğer kaya özellikleri ve kayacın mineralojik bileşimi hakkında değerlendirme yapmıştır. Farklı araştırmacılar tarafından I S(50) ve UCS arasında kurulan ilişkiler Çizelge 1 de verilmiştir. Schmidt sertlik çekici hızlı sonuç veren, hasarsız ve arazide kolaylıkla uygulanabilen bir deney yöntemidir. Bu özelliklerinin yanısıra numune toplama, hazırlama gibi masrafları da yoktur. Schmidt sertlik çekici; Inoue & Ohomi (1984), Deere & Miller (1966), Aufmuth (1973), Beverly vd. (1979), Kidbinsky (1968), ISRM (1981), Singh vd. (1983), Shorey vd. (1984), Haramy & De Marco (1985), Ghose & Chacraborti (1986), O Rourke (1989), Sachpazis (1990), Xu vd. (1990), Gokceoglu (1996), Kahraman (1996, 2001), Katz (1999) ile Yilmaz & Sendir (2002) gibi pek çok araştırmacı tarafından UCS tahmini için kullanılmışlardır. Bunun yanısıra Schmidt sertlik çekici başka amaçlar içinde kullanılmıştır. Örneğin kaya kütlesindeki süreksizliklerin tespiti için (Young 1978), yeraltında tavan kalitesinin kontrolü için (Kidbinsky 1968), tünel açma makinalarının performans değerlendirmeleri için (Poole & Farmer 1978) kullanılmıştır. Bu araştırmacılar tarafından SHV den UCS tahmini için kullanılması önerilen emprik bağıntılar Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 1 Nokta yükleme dayanım indeksi ve tek eksenli basma dayanımı arasında farklı araştırmacılar tarafından kurulan ilişkiler Araştırmacı Model D andre et al. (1964) UCS=15.3 I s(50) Broch & Franklin 1972 UCS=24 I s(50) Bieniawski (1975) UCS=23 I s(50) Hassani et al. (1980) UCS=29 I s(50) Read vd. (1980) Sedimanter kayaç Bazalt UCS=16 I s(50) UCS=20 I s(50) Forster (1983) UCS=14.5 I s(50) Gunsallus & Kulhway (1984) 16.5 I s(50)+51 ISRM (1981) UCS=20.25 I s(50) Cargill & Shakoor (1990) UCS=23 I s(54)+13 Grasso vd. (1992) UCS=9.30 I s(50) Chau & Wong (1996) UCS=12.5 I s(50) Kahraman (1996) Kömür yan kayaçları UCS=23.62 I s(50)-2.69 Diğer kayaçlar UCS=8.48 I s(50)+9.51 Bu çalışma UCS = I s(50) Çizelge 2 UCS in SHV den bulunması için farklı araştırmacılar tarafından önerilen bağıntılar Araştırmacı Model Deere & Miller (1966) UCS=6.9x10 ( γSHV) Aufmuth (1973) UCS=6.9x10 (1.348log(SHVγ-1,325) Beverly vd. (1979) UCS=12.74e (0.185γN) Kidbinsky (1968) UCS=0.447e [0.045(N+3.5)+γ] Singh vd. (1983) UCS=2SHV Shorey vd. (1984) UCS=0.4SHV-3.6 Haramy & De Marco (1985) UCS=0.994SHV Ghose & Chacraborti (1986) UCS=0.88SHV O Rourke (1989) UCS=703SHV-1104 Sachpazis (1990) UCS=(SHV )/0.239 Xu vd. (1990) UCS=e (ashv+b) Gokceoglu (1996) UCS=0.0001SHV Kahraman (1996) UCS=4.5*10-4 (γshv) 2.46 Kahraman (2001) UCS=6.97e 0.014γSHV Yilmaz & Sendir (2002) ( SHV) UCS = e Bu çalışma UCS =4.72 (SHV) 0.69 Gaviglio (1989) sonik hız ve diğer kayaç özellikleri arasındaki ilişkileri araştırmıştır. Fakat SV ile UCS arasında ilişkilerin araştırılması, Inoue & Ohomi (1981), Goktan (1988) ve Kahraman (2001) tarafından yapılmıştır. Bu araştırmacılar tarafından önerilen empirik ilişkiler Çizelge 3 te sunulmuştur. Çizelge 3 Sonik hız ve tek eksenli basma dayanımı arasında farklı araştırmacılar tarafından kurulan ilişkiler Araştırmacı Model Inoue ve Ohomi (1981) UCS=kγV 2 p +A Goktan (1988) UCS=0.036V p Kahraman (2001) 1.21 UCS=9.95V p Bu çalışma UCS = 0.68 ρ VP 2.69

3 3 DENEY PROGRAMI Ankara Bağlum bölgesi Kurduçayır ve Taşocağı mevkilerinden blok numuneler laboratuvar deneyleri için toplanmıştır. Tek eksenli basma dayanım deneyi için Bağlum Kurduçayir mevkine ait bloklardan 45 adet BX çaplı numune ve Bağlum Taşocağı mevkiine ait bloklardan ise 150 adet BX çaplı numune alınmıştır. Numuneler üzerinde yoğunluk, sonik hız, tek eksenli basma dayanımı, nokta yükleme dayanım ve Schmidt çekici deneyleri yapılmıştır. Bütün laboratuvar deneyleri ISRM (1981) tarafından önerilen standartlara uygun olarak yapılmıştır. Tek eksenli basma dayanım deneyi sonuçları Çizelge 4 te verilmiştir. Çizelge 4 Ankara Bağlum bölgesine ait numuneler üzerinde yapılan tek eksenli basma dayanım deneyi sonuçları Numune Grup No Min. Max. Ortalama Standart Sapma MPa MPa MPa % Nokta yükleme dayanım deneyi Kayaçların dayanımları nokta yükleme deney düzeneği sayesinde laboratuvarda silindirik numuneler üzerinde veya arazide düzensiz blok numuneler kullanılarak belirlenmiştir. Standart deney yönteminde numune iki konik uç arasına yerleştirilir ve hidrolik olarak uygulanan yük alt kısımdaki konik ucu kaldırır. Üst kısım ise çerçeveye sabitlenmiştir. Bu çerçeve silindirik veya düzensiz numunelerin yerleştirilebileceği şekilde tasarlanmıştır. Konik uçlar arasındaki mesafe ve uygulanan yük çerçeve üzerindeki cetvelden ve basınç göstergesinden belirlenebilir. 108 numune üzerinde nokta yükleme dayanım deneyleri yapılmıştır ve deney sonuçları Çizelge 5 te verilmiştir. Çizelge 5 Ankara Bağlum bölgesi dasitlerinin nokta yükleme dayanım indeks deney sonuçları Numune Grup No Min. Max. Ortalama Standart Sapma MPa MPa MPa % Schmidt sertlik çekici Schmidt sertlik çekici kayaçların Schmidt sertliği değerini belirlemek için kulanılmaktadır. Belirlenen sertlik değeri ise UCS tahmininde ve kayaların sınıflanmasında kullanılır. Yanlız yöntem çok yumuşak ve çok sert kayaçlarda uygulanamaz. Farklı enerji seviyelerinde Schmidt çekiçleri bulunmaktadır. Bunlar sırası ile L ve N tipi çekiçlerdir. Minimum maksimum ve ortalama Schmidt sertlik değerleri Çizelge 6 da verilmiştir. Çizelge 6 Bağlum bölgesi dasitlerine ait Schmidt çekici sertlik değerleri Numune Grup No Min. Max. Ortalama Standart Sapma MPa MPa MPa % İSTATİSTİKSEL ANALİZ Her bir bağımsız değişken için basit regresyon analizleri yapılmıştır. Elde edilen ilişkiler arasında deneysel sonuçlarını en iyi temsil eden ilişki belirlenmiştir. İlişkinin kuvveti R² kullanılarak değerlendirilmiştir. I s(50) ile UCS arasındaki ilişkiyi gösterir grafik Şekil 1 de verilmiştir. Bu ilişki aşağıdaki formülle ifade edilmiştir.

4 UCS = Is (50) I s(50) ile UCS arasındaki ilişkinin kuvvetini ifade eden R 2 = 0.62 bulunmuştur. Bu çıkarımdan, bulunan eşitliğin gözlemlenen 10 deney sonucundaki değişimin %62 sini açıkladığı anlaşılmaktadır. Şekil 3 UCS ve VP arasındaki ilişki Her bir bağımsız değişken için yapılan basit regresyon analizleri ve bulunan modeller ve bunların kuvvetlerini temsil eden R 2 değerleri toplu halde Çizelge 7 de verilmiştir. Şekil 1 UCS ve I s(50) arasındaki ilişki SHV ve UCS arasındaki ilişki Şekil 2 de gösterilmiştir. Bu grafiğe göre bulunan eşitliğin kuvveti R 2 = 0.66 olarak bulunmuş ve eşitlik aşağıda verilmiştir. UCS = 4.72SHV 0.69 Çizelge 7 Basit regresyon sonucunda bulunan modeller ve R 2 değerleri Parametre Eşitlik R 2 Nokta yükleme dayanım UCS= I s(50) 0.62 indeksi I s(50) Schmidt çekici sertlik değeri, UCS=4.72 SHV SHV Sonic hız, VP UCS=0.68 ρ VP SONUÇ Şekil 2 UCS ve SHV arasındaki ilişki VP ile UCS arasındaki ilişkide birim ağırlığın eşitliğe katılması ile ilişki kuvvetinin tek değişkenin VP olduğu duruma göre daha yükseldiği görülmüştür. İlişki Şekil 3 te verilmiştir. Bu ilişkinin kuvveti R 2 =0.66 ve elde edilen eşitlik ise aşağıdaki gibi belirlenmiştir. UCS = 0.68ρVP 2.69 Bu çalışmada basit deney yöntemlerinden UCS nın tahmin edilmesi için basit regresyon analizleri yapılmıştır. Elde edilen ilişkilerin kuvvetleri biraz düşük olsalarda UCS nın ilk mühendislik proje tasarım aşamasında kullanılmasına yeterlidir. Ankara dasitlerinin UCS değerleri gerek diğer araştırmacıların eşitlikleri ve gereksede bu çalışmada elde edilen eşitlikler kulanılarak tahmin edilmiştir. Deneylerden elde edilen UCS değerleri ve farklı araştırmacılara ait eşitliklerden elde edilen UCS değerleri Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6 da verilmiştir. Örneğin Şekil 5 te numune gruplarına ait eşitliklerden elde edilen tahmini UCS değerleri y ekseninde verilirken aynı gruplara ait deneysel UCS değerleri x ekseninde verilmiştir. Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6 dan anlaşılacağı gibi diğer araştırmacılar tarafından geliştirilen modeller Ankara dasitleri için tutarlı sonuçlar vermelerine rağmen en yakın sonuçları bu çalışmada elde edilen modeller vermektedir. Bu sonuca dayanarak bu tür regresyon analiz sonuçlarının ait oldukları kayaç türleri için kullanılmalarının daha hassas ve güvenilir sonuçlar vereceği söylenebilir. Ayrıca bu

5 çalışmada bulunan eşitliklerin kullanılabilirliğini ve hassasiyetini artırkmak için daha fazla sayıda kayaç türüne bunun içinse gelecekte yapılacak olan destekleyici deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil 4 I s(50) ye bağlı tahmini UCS değerleri ve deneysel UCS değerleri Şekil 5 SHV ye bağlı tahmini UCS değerleri ve deneysel UCS değerleri

6 Şekil 6 VP ye bağlı tahmini UCS değerleri ve deneysel UCS değerleri TEŞEKKÜR Bu araştırmanın laboratuvar deneyleri ODTÜ Maden Mühendisliği Bölümü ve EIEI Kaya Mekaniği Laboratuvarında yapılmıştır. Bu laboratuvarların çalışanlarına ve yöneticilerine yardımlarından dolayı, Dr. Yusuf Kadıoğlu ve Volkan Sönmez e arazi çalışmalarındaki katkılarından dolayı yazarlar teşekkürlerini sunmaktadırlar. KAYNAKLAR ASTM American Society for Testing and Materials. Standard test method for unconfined compressive strength of intact core specimens. Soil and Rock, Building Stones: Annual Book of ASTM Standards Philadeplhia, Pennsylvania: ASTM, Aufmuth R.E A systematic determination of engineering criteria for rocks. Bull. Assoc. Eng. Geol. 11, Beverly B.E., Schoenwolf D.A. & Brierly G.S., Correlations of rock index values with engineering properties and the classification of intact rock. Bieniawski Z.T Point load test in geotechnical practice. Eng Geol v: 9(1), Broch E., Franklin J.A Point-load strength test. Int J Rock Mech Min Sci v: 9(6), Cargill JS, Shakoor A Evaluation of empirical methods for measuring the uniaxial compressive strength. Int J Rock Mech Min Sci v: 27, Chau KT & Wong RHC Uniaxial compressive strength and point load strength. Int J Rock Mech Min Sci v: 33, [Technical note]. D Andrea DV, Fisher RL & Fogelson DE Prediction of compression strength from other rock properties. Colo Sch Mines Q. v: 59(4B), Deere DU & Miller RP. Engineering classification and index properties for intact rock Air Force Weapons Lab. Tech. Report, AFWL-TR , Kirtland Base, New Mexico. Forster IR The in.uence of core sample geometry on the axial point-load test. Int J Rock Mech Min Sci v: 20, Gardner GHF, Gardner LW & Gregory AR Formation velocity and density: the diagnostic basis for stratigraphic. Geophysics v: 39, Gaviglio P Longitudinal waves propagation in a limestone: the relationship between velocity and density. Rock Mech Rock Eng v: 22, Ghose A.K. & Chakraborti, S Empirical strength indices of Indian coals an investigation. Proceedings of 27th US Symp. on Rock Mechanics. Balkema, Rotterdam, Gokceoglu C., Schmidt sertlik cekici kullanilarak tahmin edilen tek eksenli basinc dayanimi verilerinin guvenilirligi uzerine bir degerlendirme. Jeol. Muhendisligi 48, (In Turkish). Goktan R.M Theoretical and practical analysis of rock rippability. Ph.D. thesis, Istanbul Technical University. Kahraman S Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 38 (2001) Grasso P, Xu S & Mahtab A. Problems and promises of index testing of rocks In: Tillerson, Wawersik, editors. Rock Mechanics. Balkema, Rotterdam, ISBN , Gunsallus KL & Kulhawy FH A comparative evaluation of rock strength measures. Int J Rock Mech Min Sci v: 21,

7 Haramy K.Y. & DeMarco, M.J Use of Schmidt hammer for rock and coal testing. 26th US Symp. on Rock Mechanics, June, Rapid City. Balkema, Rotterdam, Hassani FP, Scoble MJ & Whittaker BN Application of point load index test to strength determination of rock and proposals for new size-correction chart. In: Proceedings of the 21st US Symposium on Rock Mechanics, Rolla, Howart DF, Adamson WR & Berndt JR Correlation of model tunnel boring and drilling machine performances with rock properties. Int J Rock Mech Min Sci v: 23, p:171. Inoue M & Ohomi M. Relation between uniaxial compressive strength and elastic wave velocity of soft rock In: Akai K, Mayashi M, Nishimatsu Y, editors. Proceedings of the International Symposium on Weak Rock, Tokyo, ISRM ISRM Suggested Methods, In: Brown, E.T.,editor. Rock characterization testing & monitoring, ISRM Suggested Methods, New York: Pergamon Press, 211p. Kahraman S The reliability of using Schmidt hammer and point load strength test in assessing uniaxial compressive strength In: Korkmaz ve, S., Akcay, M. (Eds.), K.T.U. Department of Geological Engineering 30 th year symposium book. Trabzon, (In Turkish). Kahraman S., Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 38 (2001) Katz O., Reches Z. & Roegiers, J-C Evaluation of mechanical rock properties using a Schmidt Hammer. International J. Of Rock Mech. Min. Sci. V: 37, Kidybinski A. Rebound number and the quality of mine roof strata Int J Rock Mech Min Sci v: 5, Li X, Rupert G, Summers DA, Santi P & Liu D Analysis of impact hammer rebound to estimate rock drillability. Rock Mech Rock Eng v: 33(1), O Rourke J.E Rock index properties for geoengineering in underground development. Min. Eng., Poole RW & Farmer IW Geotechnical factors acting on tunneling machine performance in coal measures rocks. Tunnel Tunnelling, Read JRL, Thornten PN & Regan WM A rational approach to the point load test. In: Proceedings Aust-N.Z. Geomechanics, vol. 2,. p Sachpazis C.I Correlating Schmidt hardness with compressive strength and Young s modulus of carbonate rocks. Bull. Int. Assoc. Eng. Geol. 42, Shorey P.R., Barat D., Das M.N., Mukherjee K.P. & Singh B Schmidt hammer rebound data for estimation of large scale in-situ coal strength (Technical Note). Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. v: 21, Singh R.N., Hassani F.P. & Elkington, P.A.S., The application of strength and deformation index testing to the stability assessment of coal measures excavations. Proc. 24th US Symp. On Rock Mech., Texas A&M Univ., AEG. Balkema, Rotterdam, Tugrul A. & Zarif, I.H Correlation of mineralogical and textural characteristics with engineering properties of selected granitic rocks from Turkey. Engineering Geology v: 51, Xu S., Grasso P. & Mahtab A., Use of Schmidt hammer for estimating mechanical properties of weak rock. 6th Int. IAEG Congress. Balkema, Rotterdam, Yilmaz I. & Sendir H Correlation of Schmidt hardness with unconfined compressive strength and Young s modulus in gypsum from Sivas (Turkey). Engineering Geology v: 66, Young RP Assessing rock discontinuities. Tunnel Tunnelling, 45 8.