JEO302 Kaya Mekaniği

Transkript

1 JEO302 Kaya Mekaniği Ders Notları Ders İçeriği 1) Giriş 1.1. Tanım, hedefler ve amaç 1.2. Kaya ve zemin 1.3. Kaya kütleleri 2) Kayaların Fiziksel ve Mekanik Özellikleri 2.1. Kaya karakteristikleri 2.2. Kırıksız kayanın fiziksel özellikleri 2.3. Jeoteknik amaçlar için kaya sınıflaması 2.4. Kaya kütlesi sınıflaması 2.5. Kayalarda bozuşma 2.6. Bozuşma süreçleri 2.7. Kırıksız kayanın bozuşması 2.8. Kaya kütlelerinin bozuşması 2.9. Yeraltısuyu Geçirgenlik ve su akışı Suyun kaya kütlesi özelliklerine etkileri 2 1

2 Ders İçeriği 3) Kayalarda Gerilme ve Birim Deformasyon 3.1. Kuvvet ve gerilme 3.2. Bir düzlemdeki gerilme 3.3. Üç boyutta gerilme 3.4. Dayanım ve yenilme 3.5. Temel kavramlar 3.6. Yenilme mekanizmaları 3.7. Kayada gerilme birim deformasyon ilişkileri 3.8. Dayanım ölçütleri 4) Kırıksız Kayanın Dayanımı ve Şekil Değiştirebilirliği 4.1. Dayanım ve ilgili parametreler 4.2. Anizotropi ve boşluk basıncının dayanım üzerine etkileri 4.3. Yenilme ölçütleri 4.4. Mohr-Coulomb kriteri 4.5. Hoek-Brown kriteri 4.6. Şekil değiştirebilirlik 4.7. Dayanım ve şekil değiştirebilirlik 3 Ders İçeriği 5) Süreksizlikler 7.1. Kaya kütlesi davranışına etkileri 7.2. Süreksizlik çeşitleri 7.3. Süreksizliklerin özellikleri 7.4. Süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımları 7.5. Barton ve Choubey ölçütü 7.6. Dolgulu süreksizlikler 7.7. Doğrudan kesme dayanımı laboratuvar deneyi 7.8. Geçirgenlik su basıncı 6) Kaya Kütlelerinin Dayanımı ve Şekil Değiştirebilirliği 8.1. Kaya kütlesi daynımı 8.2. İzotrop kaya kütleleri için yenilme ölçütleri 8.3. Anizotrop kaya kütleleri için yenilme ölçütleri 8.4. Kaya kütlesinin şekil değiştirebilirliği 8.5. Arazide şekil değiştirebilirlik deneyleri 8.6. Jeofizik yöntemler 8.7. Ampirik korelasyonlar 8.8. Geçirgenlik ve su basıncı 8.9. Ölçek etkisi 4 2

3 Ders İçeriği 7) Arazideki Gerilmeler 7.1. Arazi gerilmelerinin çeşitleri ve kökeni 7.2. Gerilme durumunu etkileyen jeolojik ve morfolojik faktörler 7.3. Arazi gerilmelerini ölçme yöntemleri 7.4. Gerilme yönlerinin jeolojik yöntemlerle ölçülmesi 7.5. Gerilme büyüklüğünün ampirik ilişkilerden bulunması 7.6. Gerilme yönelimi ve büyüklüğünü aletlerle ölçme yöntemleri 8) Kaya Kütlesi Sınıflamaları 8.1. RMR sınıflaması 8.2. Uygulamadaki jeomekanik sınıflamalar 9) Kaya Mekaniği Uygulama Alanları 9.1. Şev duraylılığı 9.2. Yeraltı açıklıkları 9.3. Taşıma gücü 5 kaynaklar Amedei, B. and Stefanson, O., Rock Stress and Its Measurement. Chapman & Hall, London, 490p. Bell, F.G., 1983, Engineering Propeties of Soils and Rocks. Butterworth & Co., Second Edition, Kent, England, 149p. Goodman, R.E Introduction to Rock Mechanics. Wiley, 2nd ed., New York, 562p. Hoek, E. and Bray, J.W., Rock Slope Stability. IMM, London, 402p. Hoek, E. and Brown, E.T. Underground Excavations in Rock. Institution of Mining and Metallurgy, London, 527p. Hoek, E., Rock Engineering Course Notes. Hudson, J.A. and Harrison, J.P Engineering Rock Mechanics. Elsevier Science Ltd., Oxford, 444p. ISRM, The Complete ISRM Suggested Methods for Characterization, Testing and Monitoring: Eds: Ulusay and Hudson. Ankara, Turkey. 6 3

4 kaynaklar Jumikis, A.R., Rock Mechanics. Trans Tech Pub., 2nd ed., Texas, 613p. Karpuz, C ve Hindistan, M.A Kaya Mekaniği İlkeleri, uygulamaları. TMMOB Maden Mühendisleri Odası, Yayın No: 116, Ümit Ofset, 2. Baskı, Ankara, 346s. Tuncay, E., Kayaç Mekaniği Ders Notları. Hacettepe Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 259s (yayımlanmamış). Ulusay, R Uygulamalı Jeoteknik Bilgiler. TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası, 5. Baskı, Ankara, 458s. Ulusay, R. ve Sönmez, H., Kaya Kütlelerinin Mühendislik Özellikleri. TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası, 2. Baskı, Ankara, 292s. Ulusay, R., Gökçeoğlu, C., Binal, A., Kaya Mekaniği Laboratuvar Deneyleri. TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası, 3. Baskı, Ankara, 167s. Vallejo LG, Ferrer M, (2011) Geological Engineering. CRC Press, Taylor & Francis Group, London, 678p; (2014) Mühendislik Jeolojisi. Çeviri: Kamil Kayabalı, Ankara Üniversitesi Yayınevi, Ankara, 674s. Wyllie, D.C., Foundations on Rock. Chapman & Hall, London, 490p. 7 Değerlendirme Ara Sınav (%30) Laboratuvar (%20) Final (%50) 8 4

5 1. Giriş; Tanım, hedefler ve amaç Kaya mekaniği; teoride ve uygulamada kaya malzemelerinin özelliklerini ve kendi fiziksel ortamlarında üzerlerine etkiyen kuvvetlere tepki olarak mekanik davranışın incelenmesini kapsar. Kaya mekaniğinin uygulama alanları kayanın kendisinin yapı olduğu; tünel kazıları, galeriler, ve yamaçlar, insan eseri yapılar için destek olduğu; bina veya baraj temelleri kayanın kendisinin inşaat malzemesi olarak kullanıldığı; kaya dolgular 9 Kayalar genellikle kaya kütlesini kırıksız kaya bloklarına bölen süreksizlikler veya zayıflık yüzeyleri ihtiva eder. Kaya kütlesini süreksiz ve anizotrop yapan süreksizlik düzlemleri, zemin mekaniği ile kaya mekaniği arasındaki başlıca farktır. 10 5

6 Kaya üzerindeki herhangi bir kazı veya inşaat kayadaki ilk koşulları değiştirir; sonuçta kaya şekil değiştirebilir veya yenilebilir. Kaya kütlesi ölçeğinde şekil değiştirmeler ve yenilme genellikle süreksizlik düzlemleri boyunca gelişir. 11 Bir kaya malzemesinin belli koşullar altında maruz kalabileceği gerilmelerin ve birim deformasyonların anlaşılması, mühendislik yapısının tasarım ve planlanması için onun mekanik davranışının değerlendirilmesine olanak verir. 12 6

7 Kırıksız kayanın dayanım ve şekil değiştirebilirlik karakteristiklerini kontrol eden faktörler; mineral bileşimi, yoğunluk, yapı ve doku, gözeneklilik, geçirgenlik, kararlılık (durability) ve sertlik gibi fiziksel özellikleridir ( ) 14 7

8 Kaya kütlelerinin mekanik davranışı; litoloji ve stratigrafi, jeolojik koşullar, tektonik eklemler ve diyajenetik süreksizlikler ile arazi gerilme durumu gibi jeolojik karakteristiklerden etkilenir. 15 Kırıksız kaya ve kaya kütlesi ölçeklerinde mekanik tepki ayrıca; hidrojeolojik koşullara, çevresel koşullara; jeolojik ortama etkiyen ve kayalar ile kaya kütlelerinin orijinal özelliklerini değiştiren bozuşma süreçlerine neden olan iklimsel ve meteorolojik olaylara bağlıdır. 16 8

9 Kaya mekaniğinin ana konusunu jeolojik yapı ve süreksizliklerin incelenmesi oluşturur. Kırıksız kaya bloklarının kaya kütlesinin toplam davranışını nereye kadar etkileyeceği hususu; kaya malzemesi ve süreksizliklerin bağıl özelliklerine, süreksizliklerin sayı, tür ve karakteristiklerine ve çalışılan projenin ölçeğine bağlıdır. Suyun varlığı kaya kütlesi dayanımını azaltır. 17 Vallejo LG, Ferrer M, (2011) Geological Engineering. CRC Press, Taylor & Francis Group, London, 678 p. 18 9

10 Kazılmış kaya yüzeylerinin bozuşması, doğal gerilmenin boşalması ve süreksizliklerin açılması ya da su akışında değişimler gibi gerçekleşmesi yüzbinlerce yıl süren bazı doğal süreçler mühendislik yapısıyla hızlanır. Bunların hepsi de kaya kütlesi dayanımının kısa zaman içinde (birkaç yıl, hatta birkaç ayda) azalmasına neden olurlar. 19 Zamana bağlı en önemli süreç başta killi kayalar olmak üzere kaya malzemesini parçalayıp çürüten bozuşmadır. Şişme gibi diğer süreçler gerilme rahatlaması veya kimyasal reaksiyonlar -ör. anhidritin su alarak jipse dönüşmesi- sonucunda sadece bir kısım kayalarda meydana gelebilir

11 21 Jeomekanik özellikleri belirlemede kullanılan araçlar; arazi ve laboratuvar deney verileri, analizler, görgül (empirical) dayanım ölçütleri fiziksel/matematiksel modeller 22 11

12 Laboratuvar deneyleri kırıksız kaya davranışını tanımlayan fiziksel ve mekanik özelliklerin belirlenmesinde kullanılır. Arazi deneyleri kaya kütlesinin özelliklerini ve içinde bulunduğu koşulları temsil edici bir ölçekte ölçer. 23 Kaya ve zemin Kaya; mineral taneciklerinin sağlam kohezif kuvvetlerle birbirine bağlandığı sert bir doğal yığışım olup, genellikle devamlı bir sistem oluşturduğu düşünülür. Zemin; komşu taneciklerin yüzeyine hafif mekanik mekanizmalarla dokunulduğunda veya karıştırıldığında ve suyla karşılaştığında kırılabilecek temas kuvvetleriyle bağlanan mineral taneciklerinin doğal yığışımlarıdır

13

14 Kaya ve zemin Kırıksız kayanın belli başlı fiziksel ve mekanik karakteristiklerinden bazıları şunlardır Deformasyon sırasında yenilme mekanizmalarının ve düzlemlerinin gelişmesi Zeminlerinkinden daha büyük deformasyon modülü Zeminlerinkinden daha küçük geçirgenlik Arazi koşulları veya karakteristikleri açısından zeminlerle aralarındaki bir diğer fark; tektonizma ile ilişkili gerilmeye maruz kalmalarıdır. 27 Kaya ve zemin Mühendislik jeolojisinde zemin ile kırıksız kaya arasındaki sınırları ayırmada yaygın olarak kullanılan bir ölçüt tek eksenli sıkışma dayanımıdır. Sert zeminler ve yumuşak kayalar geçiş zonunda bulunurlar. Tek eksenli sıkışma dayanımına göre kaya zemin geçişi yaklaşık MPa civarındadır

15 (Nefeslioglu, 2013; Engineering Geology 160, 8 20) 29 Kaya kütlesi Kaya kütleleri kırıksız kaya bloklarını birbirinden ayıran süreksizlikler veya zayıflık düzlemleri içerirler. Tabakalanma düzlemleri veya laminalanma gibi belli bir yönelime sahip sistematik süreksizliklerin varlığı da mekanik özelliklerin yönlere göre değiştiği anizotrop davravışa işaret eder. Kaya kütlelerinin bir diğer karakteristiği de heterojenlik veya fiziksel ve mekanik özelliklerin kaya kütlesinin farklı zonlardaki değişkenliğidir

16 31 Kaya kütlesi Laminasyon, mikro-çatlaklar, minerallerin tercihli yönelimi ve benzer özelliklerin varlığından dolayı, mikroskobik ölçekte ve hatta bir laboratuvar numunesi olarak kırıksız kaya; süreksiz, anizotrop ve heterojendir. Ancak; jeoteknik açıdan kırıksız kayanın; birçok kaya mekaniği uygulamasında kaya kütlesinin bütünüyle ilişkili olarak sürekli ve izotrop olduğu düşünülür

17 Kaya kütlesi Süreksizlik yüzeyleri çoğu durumlarda (formasyonun dayanımını zonlar, deformasyon mekanizmaları ve yenilme şeklinde bir bütün olarak kontrol etmek suretiyle) kaya kütlelerinin jeomekanik davranışını denetleyen zayıflık düzlemlerini oluştururlar. Süreksizliklerin sert kaya kütlelerinde kesin bir kontrolü söz konusudur. Çamurtaşı, şeyl veya marn gibi yumuşak kaya kütlelerinde blok ve süreksizliklerin dayanımları arasındaki fark çok önemli olmayabilir. 33 Kaya kütlesi Mekanik davranış sistematik takımlar yerine kaya kütlesini etkileyen fay, dayk veya litolojik ayırma yüzeylerinin varlığı ile de kontrol edilebilir. Kaya kütlelerinin davranışını ve mekanik özelliklerini belirleyen jeolojik faktörler şunlardır; Kırıksız kayanın türü ve özellikleri Jeolojik yapı ve süreksizlikler Malzemenin maruz kaldığı gerilme durumu Bozuşma derecesi Hidrojeolojik koşullar 34 17

18

19 37 19