Süreksizliklerin Kesme Dayanımının Sadece Bir Kesme Deneyiyle Tayini

Transkript

1 Süreksizliklerin Kesme Dayanımının Sadece Bir Kesme Deneyiyle Tayini Proje No: 16H Proje Yürütücüsü: Prof. Dr. Kamil KAYABALI Yardımcı Araştırmacı: Farhad HABIBZADEH EYLÜL 2016 ANKARA

2 İÇİNDEKİLER Sayfa No. ÖZET ABSTRACT ii iii 1. GİRİŞ 1 2. ÇALIŞMADA KULLANILAN MALZEMELER 4 3. ÇALIŞMADA KULLANILAN YÖNTEMLER Tek Eksenli Sıkışma Deneyi Profilometre ile Pürüzlülük Açısı Tayini Deneyi Tiltmetre ile Temel Sürtünme Açısı Tayini Seyyar Kesme Kutusu ile Süreksizlik Dayanım Deneyi Wille Marka Kesme Cihazı ile Süreksizlik Dayanım Deneyi DENEYSEL BULGULAR Seyyar Düzenekten Elde Edilen Sonuçlar Bilgisayar Kontrollü Düzenekten Elde Edilen Sonuçlar SONUÇLAR KAYNAKLAR 24 i

3 ÖZET Kaya kütlesinin kesme dayanımının doğru bir şekilde tayini kaya üzerine veya içine inşa edilen mühendislik yapıları açısından büyük önem taşır. Bununla ilgili dayanım parametrelerini belirlemeye yönelik laboratuvar deneyleri için birkaç adet özdeş numune gerekir. Kaya kütlesinden süreksizlik içeren bir bloğun alınması genellikle zor bir işlemdir. Aynı lokasyondan birkaç adet numune alınabilse bile, numunelere ait süreksizliklerin özdeş özelliklere sahip olması mümkün değildir. Bir süreksizliğin kesme dayanımını belirlemede en çok benimsenen yöntem çift eğrili yenilme kriteridir. Bu yöntemde süreksizlik yüzeyinin hem düşük hem de yüksek normal gerilme koşullarında makaslanması gerekir. Çift eğrili bir yenilme zarfının elde edilebilmesi için normal gerilme kesme gerilmesi veri çiftinden birkaç (4-6) adet gereklidir. Bu çalışmanın amacı, çift eğrili yenilme zarfının sadece bir adet kesme deneyi ile veya tek veri çiftiyle elde edilip edilemeyeceğinin incelenmesidir. Bu çalışmada kullanılan olan malzemeler, tek eksenli sıkışma dayanımı değişken 5 çeşit mağmatik kayadan oluşmaktadır. Ebatları 10x10x10 cm olacak şekilde kesilen kübik numuneler ortasından özel bir balta presi marifetiyle ikiye yarılarak yapay süreksizlik yüzeyleri elde edilmiştir. Bu yapay süreksizliklerinin tam anlamıyla özdeş olması beklenmemekle birlikte pratik amaçlar açısından özdeş olduğu kabul edilebilir. Yapay süreksizlikler içeren kübik bloklar doğrudan kesme deneyine tabi tutulmuştur. Normal gerilme değerleri 0,25, 0,5, 1,0, 2,0, 4,0, and 8,0 MPa olarak uygulanmıştır. İlk üç normal gerilme uygulamasıyla çift eğrili zarfın birinci kısmı; son üç normal gerilme uygulaması ile de zarfın ikinci kısmı elde edilmiştir. Süreksizlik yüzeylerine dolgu uygulanmamıştır. Kübik blokların testere ile kesilmiş düz yüzeyleri eğdirme (tilt) deneylerine tabi tutularak kayaların temel sürtünme açıları belirlenmiştir. Yapay süreksizlik yüzeyleri de çözünürlüğü yüksek bir profilometre ile taranarak, her kaya için süreksizlik yüzey pürüzlülüğü açıları elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında her bir kaya türüne ait tek örnek sadece 4 MPa lık normal gerilme altında doğrudan kesme deneyine tabi tutulmuştur. Yenilme sırasında kaydedilen kesme gerilmesi ile bu normal gerilmeden elde edilen veri çifti yeni bir grafiğe tek nokta olarak aktarılmış; bu noktadan eğimi temel sürtünme açısına eşit bir doğru parçası çizilmiştir. Bu çizgi çift eğrili zarfın daha az eğimli olan ikinci kısmıdır. Eğrinin birinci kısmı da eğimi temel sürtünme açısı ile pürüzlülük açısının toplamına eşit olan ve orijinden geçen ikinci doğru parçasından meydana gelir. Birkaç numune kullanarak yapılan, çok noktalı kesme deneylerinden elde edilecek çift-eğrili yenilme zarfı ile tek noktalı doğrudan kesme deneyinden elde edilen çift yenilme zarfı arasında karşılaştırma yapılmıştır. Tek noktalı deneyden elde edilen yenilme zarfının çok noktalı deneylerden elde edilen yenilme zarfına büyük benzerlik gösterdiği gözlenmiştir. Buna göre, bir süreksizlik yüzeyinin pürüzlülük açısı ile düz kaya yüzeyinin temel sürtünme açısı bilindiğinde, sadece bir kesme deneyi ile çift-eğrili yenilme zarfı elde edilebilir. ii

4 ABSTRACT Proper determination of the shear strength of a rock mass is critically important for engineering structures built on or in a rock mass. Laboratory tests conducted for this purpose usually require several samples collected from the project site, as the character of such tests necessitates the use of identical samples. Sampling of a rock mass in situ to include a discontinuity surface is a difficult task. In addition, the surface roughness of the collected samples would not be identical. Bilinear failure criterion is the most commonly employed technique to determine the shear strength of a discontinuity surface. It involves shear testing of a discontinuity at both low- and high-normal stress conditions. Several pairs of normal stress and shear stress are required to construct a bilinear failure envelope. The scope of this investigation is to illustrate whether a bilinear failure envelope for a discontinuity plane could be established using only a single shear test on a discontinuity surface. The materials used for this investigation consist of five igneous rocks of varying uniaxial compressive strength. Cubic blocks with dimensions of 10x10x10 cm were prepared through saw cuts. The blocks were then carefully split into two blocks using a compression machine fitted with a pair of specially designed jaws. In this way, a sufficient number of artificially prepared discontinuity surfaces were obtained. Although the artificially constructed discontinuities are not exactly the same in regard to the surface asperities, they could be considered identical for practical purposes. Cubic rock blocks with the artificial discontinuity surfaces were first subjected to a direct shear test conducted under normal stresses of 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, and 8.0 MPa. The first three normal stresses were intended to obtain the first and steeper part of the bilinear failure curve, whereas the last three were intended to simulate the high-normal stress conditions. The shear stresses at failure were determined and the failure envelopes were obtained for each rock type. No infilling material was applied to the discontinuity planes. Saw-cut surfaces of cubic blocks were subjected to tilt tests to determine the basic friction angle for each rock. The artificial discontinuity planes were scanned through a high-precision profilometer to obtain the asperity angle of the plane. For the second part of the direct shear test, only one discontinuity plane was sheared under a normal stress of 4 MPa. The resulting shear stress was plotted on a new diagram along with the applied normal stress. A straight line was drawn through the plotted point at the angle of basic friction to represent the second and less steep part of the failure envelope. The first part of the failure envelope was constructed such that it has an inclination angle of the basic friction angle plus the asperity angle. Eventually, a failure envelope consisting of two parts was constructed for each rock. The failure envelopes obtained from the multi-point direct shear tests and the single-point direct shear tests were compared for each rock. The degree of similarity between the two envelopes was significantly high. The present investigation showed that the bilinear failure envelope of a discontinuity surface could be constructed using a single direct shear test providing that the basic friction and the asperity angles are known. iii

5 1. GİRİŞ Kaya kütleleri kırıksız kaya bloklarını birbirinden ayıran süreksizlikler veya zayıflık düzlemleri içerirler. Kaya kütlesi davranışının incelenmesi hem kırıksız kayanın hem de süreksizliklerin özelliklerinin incelenmesini kapsamalıdır. Süreksizlik yüzeyleri çoğu durumlarda kaya kütlelerinin jeomekanik davranışını denetleyen zayıflık düzlemleri oluştururlar. Kırıksız kaya bloklarının dayanımının bunları birbirinden ayıran düzlemlerin dayanımından çok daha yüksek olduğu granit veya kuvarsit gibi kayalarda süreksizliklerin sert kaya kütlelerinde kesin bir kontrolü söz konusudur. Çamurtaşı, şeyl veya marn gibi yumuşak kaya kütlelerinde her iki bileşenin (blok ve süreksizliklerin) dayanımları arasındaki fark çok önemli olmayabilir; böyle durumlarda kaya kütlesinin bir bütün olarak davranışı kırıksız kaya özellikleri tarafından bile kontrol edilebilir. Süreksizlik düzlemlerinin dayanımı Mohr-Coulomb yenilme ölçütünden elde edilir ve laboratuvarda doğrudan kesme deneyiyle tayin edilir. Süreksizliklerin kesme dayanımı esas itibariyle düzlemlerin sürtünme özelliğine ve daha az olarak da kohezyonuna bağlıdır. Süreksizlik duvarlarının pürüzlülüğü veya düzensizliği (özellikle düşük normal gerilmelere maruz kalan süreksizliklerde) sürtünme dayanımı üzerinde en etkili faktörlerden biridir. Düz süreksizliklerdeki pik kesme dayanımı (τ p, ) Mohr-Coulomb denklemi ile tanımlanır (Şekil 1): τ p = c, + σ n, tanφ p, Burada, σ p, : süreksizlik düzlemi üzerindeki normal etkin gerilme, c : kohezyon ve φ p, : etkin gerilme cinsinden içsel sürtünme açısıdır. Patton (1966) süreksizliklerde genellikle bulunan düzensizliklerin veya pürüzlüğün etkisine dayalı bir çift-eğrili bir yenilme modeli önermiştir. Bir süreksizlik düzleminin düzensizliği pürüzlülük açısı (i) ile tanımlanabilir. Pürüzlülük açısı temel sürtünme açısına ( b) eklenerek yüzeyin toplam p değeri elde edilir: p = b + i i parametresi düzensizliğin süreksizlik düzlemi ile yaptığı açı olup, süreksizliklerin jeomekanik davranışları üzerindeki etkisi çok büyüktür; esasen, pürüzlülüğün (i) tanımlanması ve ölçülmesinin ana nedeni düzlemlerin kesme dayanımının tayin edilmesidir. p nin tipik değerleri genellikle 30 o ile 70 o arasında; b açısınınki de genellikle 20 o ile 40 o arasında değişmektedir. i açısı sıfır ile 40 o arasında değişebilir. Şekil 2 ye göre, süreksizliğin kohezyonu sıfır ise: ve n tan = */ n* / n = tan ( + i) Süreksizlik düzlemine düşük normal gerilme altında kesme gerilmesi uygulandığı zaman düzlem boyunca yerdeğiştirme gerçekleşir. Ayrıca, yerdeğiştirmenin gerçekleşebilmesi için i açısının aşılması gerektiğinden, süreksizlik duvarlarının açılarak birbirinden uzaklaştığı genleşme (dilation) oluşur. Bu noktada etkin sürtünme açısı ( b + i) devreye girer (Şekil 3) ve p nin değeri (c = 0 alınarak) aşağıdaki gibi ifade edilir: τ p = σ n, tan (φ b + i) 1

6 Şekil 1. a) Düzlemsel süreksizlikler için tipik kesme gerilmesi-kesme yerdeğiştirmesi ( - ). b) Bir düzlemsel süreksizliğin teorik kesme dayanımı. Şekil 2. Pürüzlülük açısının süreksizlik kesme dayanımına etkisi. Patton ın çift-eğrili yenilme ölçütünün büküm noktası n nin özel bir değerine karşılık gelir. Pürüzlü süreksizlik yüzeyleri üzerindeki yenilme için (bunlar üzerine etkiyen normal gerilme ile kesme gerilmesine bağlı olarak) birçok yazar Patton ın ölçütüne dayalı ampirik ölçütler geliştirmişlerdir. Bunlara örnekler Barton ve Choubey ile Ladanyi ve Archambault olup (Şekil 4), birincisi daha yaygın biçimde kullanılmaktadır (Vallejo ve Ferrer, 2011). Şekil 4 de değişik n değerleri için pürüzlü süreksizlikler üzerindeki kesme deneylerinin sonuçları görülmektedir. Grafik a da n = 0 olan en üstteki eğride genleşme söz konusu olup, etkin sürtünme sıfır olduğundan (b grafiği) kesme dayanımı pratikte sıfır olacaktır. n değeri artırılırsa, ona karşılık gelen eğri genleşmede ya da açılmada azalım, dayanımda artış gösterir. 2

7 Şekil 3. a) Pürüzlü süreksizlikler için tipik kesme gerilmesi-kesme yerdeğiştirmesi ( - ) eğrileri. b) Pürüzlü süreksizlikler için çift-eğrili yenilme ölçütü. Şekil 4. Pürüzlü süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımını normal gerilmenin fonksiyonu olarak kestirmede Patton ın doğrusal ölçütü ile Ladanyi ve Archambault un doğrusal-olmayan ölçütünün temsili (Vallejo ve Ferrer, 2011). Kesme yerdeğiştirmesi devam ederken en keskin kenarlar kırılabilir ve pürüzlülük düzleşebilir ; iki yüzey temasa gelerek b baskın olur. Düzlem üzerindeki n gerilmesi artarsa genleşmeyi önleyen bir değere ulaşılır ve yerdeğiştirmenin gerçekleşmesi için düzensizliklerin yenilmesi gerekir. Bu noktada - n eğrisinin eğimi rezidüel sürtünme açısınınki ( r) ile yaklaşık aynıdır. Yüksek normal gerilmeler için: p = n tan r Bu çalışmanın amacı, elde yeterli numune olduğu zaman değişik normal gerilme koşullarında 5-6 deney tekrarı ile elde edilen çift eğrili yenilme ölçütünün sadece bir adet doğrudan kesme deneyi ile elde edilip edilemeyeceğini belirlemektir. 3

8 2. ÇALIŞMADA KULLANILAN MALZEMELER Çalışmada 5 farklı kübik kaya kullanılmıştır. Kayalardan pürüzlü ve pürüzsüz yüzeyler elde edilmiş ve karotlar alınmıştır. Kübik şekilli kayalar farklı dayanımlardadır. Kayalar ortasından testereyle kesilerek yapay süreksizlikler oluşturulmuştur. Disk kaya kesiciler kullanılarak kayalardan pürüzsüz yüzeyler elde edilmiştir. Karot alıcılarla kayalardan 43 ve 53 mm çaplarında karotlar alınmıştır (Şekil 5). Şekil 5. Deneyde kullanılan pürüzlü, pürüzsüz yüzeyleri ve karotlar. Çalışmada, statik kesme dayanımı değerleri elde etmek için taşınabilir kesme kutusu düzeneği ve bilgisayar kontrolü Wille marka kesme kutusu cihazı, pürüzlülük açısı değerleri elde etmek için profilometre cihazı, temel içsel sürtünme açısı değerleri elde etmek için tiltmetre aleti, tek eksenli sıkışma dayanımı değerleri elde etmek için tek eksenli sıkışma dayanımı test düzeneği, karot alıcı cihaz ve kaya kesici diskler kullanılmıştır. Portatif kesme kutusu düzeneği statik kesme dayanımı verileri elde etmek için kullanılmıştır. Bu düzenek üzerinde yağ haznesinden beslenerek düşey ve yatay gerilmeler sağlayan metal kollar, elde edilen basınçları okumak üzere yerleştirilmiş barometreler ve basıncı kesme kutusuna ileten hortumlar bulunmaktadır. Sistemin bir diğer parçası ise kalıp kutusudur. Kalıp kutusu kaya parçalarının etrafında alçı kalıp oluşturmak için kullanılmıştır. Kalıp kutusu içindeki kayaların altına da alçı girmesini sağlamak için 2 cm yüksekliğinde tahta bloklar kullanılmıştır. Kenar ortalayıcı tahtalar ise kaya, kesme kutusu içine alındığında kalıpların birbiri üzerine tam oturmasını sağlamak için kullanılmıştır. Kalıp içindeki alçı kuruduktan sonra kutudan vidalar sökülerek çıkarılır (Şekil 6). Wille Geotechnik tarafından üretilen bilgisayar kontrollü kesme kutusu düzeneği, normal yük altında ve statik - dinamik koşullarda kayalardaki süreksizlikler üzerinde kesme dayanımı elde etmek içindir (Şekil 7). 4

9 Şekil 6. Portatif kesme kutusu düzeneği. Şekil 7. Bilgisayar kontrollü Wille marka kesme cihazı. 5

10 Kayaların temel içsel sürtünme açılarını belirlemek amacıyla Tiltmetre düzeneği kullanılmıştır. Cihaz üzerinde çevirici kol ve hassas ölçüm yapabilmek için derecelenmiş açı ölçer ve bulunmaktadır (Şekil 8). Şekil 8. Tiltmetre düzeneği. Profilometre cihazı kaya süreksizliklerinin yüzey pürüzlülüğünü ölçmek amacıyla kullanılmıştır. Bu cihaz mikron boyutunda hassasiyetle ölçüm yapmaktadır. Geliştirilen yazılım sayesinde bilgisayara bağlanarak ölçümler almakta ve hesaplamalar yaparak pürüzlülük açısı elde etmektedir (Şekil 9 ve 10). Şekil 9. Pürüzlülük açısı ölçme cihazı (profilometre). 6

11 Şekil 10. Pürüzlülük açısı kavramı (Barton & Choubey 1977). Kayaların hangi yük altında ilksel özelliğini kaybederek deforme olacağını belirlemek amacıyla tek eksenli sıkışma dayanımı cihazı (Şekil 11) kullanılmıştır. Bu cihazda karotlar çelik silindir üzerindeki plaka ve press monteli küresel başlık arasına yerleştirilerek kırılmaktadır. Numunenin tek eksenli sıkışma dayanımı değeri (σ c) yenilme yükünün (F) yük uygulanan numune yüzey alanına (A) bölünmesiyle hesaplanmaktadır. 3. ÇALIŞMADA KULLANILAN YÖNTEMLER 3.1 Tek Eksenli Sıkışma Deneyi Bu deney silindirik bir şekle sahip kaya malzemesi örneklerinin dayanım ve kaya kütlesi sınıflamasında, ayrıca tasarımda yaygın derecede kullanılan tek eksenli sıkışma dayanımının tayini amacıyla yapılır. Deney sırasında eksenel deformasyon ölçülerek, kayanın deformasyon ve yenilme karakteristikleri de değerlendirilebilir. Deney sırasında örneğe sabit bir hızla ve sürekli olarak eksenel yükleme yapabilecek yeterli kapasitede hidrolik press kullanılır. Yenilmenin 5-10 dakika arasında gerçekleşebilmesi için yükleme presinin kapasitesinin kayacın dayanımına uygun olarak seçilmesi gerekir. 7

12 Prese monteli küresel başlık veya karot çapına uygun küresel yüzeyli çelik diskler veya silindirler gereklidir. Numunenin boyunu ve çapını ölçmek için kumpas gereklidir. Şekil 11. Tek eksenli sıkışma dayanımı test cihazı. 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 2,5-3,0 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. 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 konulur. Hidrolik preslerde numunenin üzerine konulduğu alt tabla yukarı doğru hareket eder. Hız kontrolü elle veya otomatik olarak gerçekleştirilirken yük takibi 8

13 ibreli veya dijital göstergelerden veya bilgisayardan yapılır. Hidrolik pres tablaları arasında boşluk kalmayana kadar pres çalıştırılarak alt tabla yükseltilir. Numune 5-10 dakika süre içerisinde yenilecek şekilde veya hız saniyede 0,5-1,0 MPa olacak şekilde numune üzerine düşey yük uygulanır. Uygulanan yük doğrultusunda numune sıkıştırıldığından veya yükün sıkışma şelinde 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 sınırıdır. 3.2 Profilometre ile Pürüzlülük Açısı Tayini Deneyi Bu deneyde amaç kayaların yüzey pürüzlülüğünün ölçümünden yararlanılarak pürüzlülük açısının elde edilmesidir. Deneyde kullanılan gereçler otomatik ve 0,0001 mm hassasiyete sahip yüzey pürüzlülük ölçüm cihazı (Profilometre) ve çeşitli yüzey pürüzlüklerine sahip numunelerdir. Mekanik profilometreler, elmas sivri bir ucun malzeme yüzeyinde gezdirilmesi sırasında sivri ucun, malzeme yüzeyindeki girinti ve çıkıntılardan geçerek malzemenin yüzey profilinin çıkarılması prensibine dayalı olarak çalışır. Elmas uç, belirli bir eğrilik yarıçapındaki bir destek ile desteklenmiştir. Tutucu kol sürücü ünitesine bağlıdır. Sivri elmas ucun malzeme yüzeyinde gezdirilmesi sırasında çıkıntı ve girintilerden geçerken dikey eksen boyunca hareket eder. Meydana gelen dikey yer değişimleri elektro-mekanik dönüştürücüler ile elektrik sinyallerine dönüştürülürler. Üretilen elektrik sinyalleri güçlendiricilerden geçirilir. Güçlendiricilerden geçirilen elektrik sinyalleri, pürüzlülük ve dalgalılık sonuçlarının elde edilmesi için üç farklı işlemci ile beslenir. Pürüzlülük işlemcisine beslenen sinyaller yüksek geçirimli filtrelerden geçirilirken, dalgalılık belirleme işlemcisine beslenen elektrik sinyalleri düşük geçirimli filtrelerden geçirilir. Sonuçta elde edilen bütün değerler kayıt edici tarafından saklanır. Yüzey pürüzlülüğü ölçümü için gerekli şartlar belirlenir (ölçüm yapılacak standart, pürüzlülük profili, örnekleme mesafesi, ölçüm yapılacak toplam mesafe, ölçüm hızı gibi). Algılayıcı uç (stylus) malzeme üzerine temas ettirilir. Uç malzeme üzerinde iken malzemenin hareket etmemesine özen gösterilmelidir. Algılayıcı uç, incelenecek yüzey üzerinde belirlenen ölçüm mesafesi boyunca hareket ettirilerek tarama yapılır. Yüzeydeki girinti ve çıkıntılar uç vasıtasıyla tespit edilir. Ucun dik yöndeki hareketleri bir dönüştürücü aracılığıyla elektrik işaretine çevrilir. Daha sonra bu işaretler yükseltici ile büyütülür ve bilgisayar vasıtasıyla çizilerek yüzey pürüzlülüğü grafiği hazırlanmış olur. 9

14 3.3 Tiltmetre ile Temel Sürtünme Açısı Tayini Bu deney kayanın mekanik özelliklerinden biri olan içsel sürtünme açısının ölçülmesi için yapılmaktadır. Kullanılan araç gereçler ise açı ölçer monte edilmiş tiltmetre aleti ve çalışmada kullanılan çeşitli özellikteki kayalardır. Kayaların pürüzsüz şekilde kesilen yüzeylerinden biri tiltmetrenin haznesine yerleştirilir. Kayanın kesilen diğer parçası da pürüzsüz yüzeyi üstte kalacak şekilde diğerinin üzerine simetrik olarak yerleştirilir. Tiltmetre üzerindeki kol açı ölçer üzerindeki değerler gözlenerek yavaş haraeketlerle çevrilir. İki parça halinde olan kaya birbiri üzerinde kaymaya başlar, üstteki parça düştüğü anda durulur ve açı ölçerden okuma yapılır. 3.4 Seyyar Kesme Kutusu ile Süreksizlik Dayanım Deneyi Bu deney, taşınabilir bir makaslama düzeneği kullanılarak, kaya kütlelerinin içerdiği doğal süreksizlik yüzeylerinin makaslama dayanımı parametrelerinin tayini amacıyla yapılır. Deney sonuçları, örneğin; şev duraylılığı analizlerinde, temel tasarımında ve ayrıca yeraltı açıklıklarında süreksizliklerin kesişmesiyle oluşan kaya bloklarının veya kamaların duraylılık analizinde kullanılır. Deneye tabi tutulacak süreksizlik yüzeyinin eğimi, pürüzlülüğü ve süreksizlik yüzeyinin profili forma kaydedilir. Baltalı presle ortadan ikiye bölünerek süreksizlik yüzeyi elde edilen kayanın bir parçası, pürüzlü yüzeyi üstte olacak şekilde daha önceden gress yağı sürülmüş ve altıana 2 x 2 x 2 cm boyutlarında yükselticiler koyulmuş metal kalıba yerleştirilir. Metal kalıp içindeki numune 2 x 2 x 1,5 cm boyutlarındaki ortalacıyılar ile kutu ve kaya arasında kalan 4 kenara yerleştirilerek ortalanır. Ortalayıcılar işlevini tamamladıktan sonra kaldırılır. Alçı ve su plastik kapta spatula ile karıştırılarak kalıbın içine dökülür ve boşluk kalmaması sağlanır. Bağlayıcı malzeme ile kaya yüzeyi arasında ½ cm olması gerekmektedir. Bağlayıcı kuruduktan sonra vidalar sökülerek, numune kalıptan çıkarılır. İki kalıp halinde hazırlanan deney örneği portatif makaslama aletinin alt ve üst kutularına yerleştirilir (Şekil 12 ve 13). Normal yük askısı yerine takılarak önceden belirlenmiş normal yük değerine ulaşılana kadar hidrolik pompa ile yükleme yapılır. Hidrolik basınç, hidrolik el pompası kullanılarak dengelenir. Kaya, makaslama kuvvetini sağlayan pompa kullanılarak, süreksizlik yüzeyinin üzerinde kaydırılır. Bu hareketin sürekli ve sabit hızla yapılmasına özen gösterilir ve pik dayanım değerine ulaşılınca okuma alınır. Deney sonunda yükleme pompalarının vanaları açılarak, yenilen örnek alçı kalıplarıyla birlikte makaslama kutusundan çıkarılır ve kutu temizlenir. Süreksizlik yüzeyinin yenilme zarfının çizilebilmesi için, bu yüzeyi temsil eden en az iki örnek daha aynı yöntem izlenerek deneye tabi tutulur. 10

15 Şekil 12. Portatif kesme kutusunda pürüzsüz yüzeyin deneyden önceki hali. Şekil 13. Portatif kesme kutusunda pürüzlü yüzeyin deneyden sonraki hali. 11

16 3.5 Wille Marka Kesme Cihazı ile Süreksizlik Dayanım Deneyi Wille marka bilgisayar kontrollü cihaz statik ve dinamik koşullarda normal yük uygulanarak kesme gerilmesi ve deformasyon değeri vermektedir. Cihazın bu özelliklerinden faydalanarak statik koşullarda farklı yük değerleri altında, farklı kesme gerilmesi değerleri elde etmek amaçlanmıştır. Bu yöntemde kullanılan araç gereçler: Wille marka bilgisayar kontrollü kesme cihazı, deneyde kullanılacak çeşitli boylardaki kayalar, kayaları yerleştirmek için metalden yapılmış dayanıklı kutular, aynı boyutlardaki metal yükselticiler ve ortalayıcılar, kutu ve kaya arasındaki boşlukları doldurmak için alçıdır. Metal kutunun iç ve yanak kısımlarına deney bittikten sonra alçı ve numunenin kutu içinden kolay çıkmasını sağlamak için gres yağı sürülür. Metal kutular içine 2 x 2 cm boyutlarında tahta veya metalden yapılmış yükselticiler yerleştirilir (Şekil 14). Yükselticiler kesme işlemi sırasında, metal kutuların kesme cihazı haznesi içinde birbirine sürtünmesini engeller. Numunenin makaslama yönü, kutuların parçalarını birbirine tutturmak için kullanılan büyük cıvatalara paralel olacak şekilde yerleştirilir (Şekil 15). Şekil 14. Gress yağı sürülmüş numune kutuları ve yükselticilerin konumu. Şekil 15. Numunenin makaslama yönü ve kutuların üzerindeki cıvatalar. Numuneler metal vidalarla ortalanır. Metal vidalar numuneye gereğinden fazla baskı yapmadan sıkılır (Şekil 16). Numune kutuları makaslama yönleri çakışacak şekilde üst üste koyulur (Şekil 17) ve bu konumda ince ayar yapılır. İnce ayar yapılırken kutuların tam olarak üst üste geldiğine dikkat edilmelidir. Kutuların tam olarak üst üste gelmesinin sebebi dinamik kesme makinasının haznesine (Şekil 18) kutuların rahat girmesini sağlamaktır. Alçı ile kutu ve kaya arasında kalan kısımlar doldurulur. Numuneye alçı damlamamasına dikkat edilmelidir. Kutuların homojen olarak alçı ile dolabilmesi için alçının kıvamı cıvık olmalıdır. Bütün işlemler bittikten sonra alçı 1 gün süre ile kurumaya bırakılır (Şekil 19). 12

17 Şekil 16. Numunelerin kutu içinde ortalanması. Şekil 17. Numune kutuların üst üste olan konumu. Şekil 18. Dinamik kesme makinasının haznesi. Şekil 19. Numune kutularının alçı ile doldurulmuş hali. Deneye başlamadan önce dinamik kesme makinasının ön kısmındaki kapaklar yuvalarından çıkarılır, soğutuculara su göndermek üzere kullanılan su vanası açılır, motoru çalıştıran valf çevrilir. Cihazın bağlı olduğu bilgisayarda kurulu olan Geosys Premium programı çalıştırılır. Bu işlemlerden sonra hazne kenarlardan tutularak kızaklar vasıtası ile modifiye metal masaya kadar çekilir. Hareketli makaranın bir parçası haznenin üst kısmına sonradan takılan vidaya, diğer parçası ise makinanın kasa kısmında bulunan vidaya bağlanır. Hareketli makara üzerinde bulunan kol çevrilerek haznenin bir parçası yukarı kaldırılır. Hazne içinde bulunan silikon koruyucular çıkarılır. Kutular masadan tek tek taşıyıcıya alınır, dinamik kesme makinasının ön kısmında bulunan modifiye metal sehpaya üst üste yerleştirilir ve hazneye itilir. Hareketli makara ile yukarıda tutulan haznenin üst kısmı yine hareketli makara ile yavaşça indirilir (Şekil 20). Makara sistemi ve hazne üzerindeki kanca çıkarılır. Hazneyi tutan alt ve üst parçalar vidalarla hazneye tutturularak yerleştirilir (Şekil 21). Hazne pistonun altına gelecek şekilde ayarlanmış olan çizgiye kadar itilir. Normal gerilmeyi sağlayan piston Geosys Premium programı ile hazne üzerine indirilir. Burada dikkat edilmesi gereken kısım pistonun haznenin üst kısmında bulunan boşluğa 13

18 tam olarak oturmasını sağlamaktır. Gerekirse pistonunu üst kısmında bulunan ağırlık sağa sola hareket ettirilerek pistonun boşluğa tam olarak oturması sağlanmalıdır. Deneyde kullanılacak veriler bilgisayar programına girilerek deney başlatılır. Deney sonuçlarına yine bu programdan ulaşılmaktadır. Şekil 20. Hareketli kanca ve numune sehpasındaki kutular. Şekil 21. Hazne, sabitleme vidaları, alt ve üst kutu parçaları. 4. DENEYSEL BULGULAR Tek eksenli sıkışma cihazıyla yapılan deney sonuçları ve ortalama tek eksenli sıkışma dayanımı değerleri Tablo 1 de her numune için yapılan 7 deneyle verilmiştir. Tablo 1. S-1 numunesi için tek eksenli sıkışma dayanımları. KAYA NO ÇAP (mm) BOY (mm) Yük (kn) Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı c (MPa) S S S S S S S Ortalama 48 14

19 Tablo 2. S-2 numunesi için tek eksenli sıkışma dayanımları. KAYA NO Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı c (MPa) ÇAP (mm) BOY (mm) Yük (kn) S S S S S S S Ortalama 30 Tablo 4. S-3 numunesi için tek eksenli sıkışma dayanımları. KAYA NO Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı c (MPa) ÇAP (mm) BOY (mm) Yük (kn) S S S S S S S Ortalama 59 Tablo 4. S-4 numunesi için tek eksenli sıkışma dayanımları. KAYA NO Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı c (MPa) ÇAP (mm) BOY (mm) Yük (kn) S S S S S S S Ortalama 6 15

20 Tiltmetre cihazı ile yapılan deneylerden elde edilen temel içsel sürtünme açısı değerleri her numune için tek tablo ile gösterilmiştir (Tablo 5). Tablo 3. Kayaların Tiltmetre'de ölçülen temel sürtünme açıları. No b Açısı S S S S S Profilometre ile yapılan pürüzlülük deneyleri sonuçları ve ortalama değerleri tablolar ile aşağıda gösterilmiştir (Tablolar 6-9). Kayalar üzerinde merkezden, kenar ve köşelerden ölçümler alınmıştır. Şekil 22. Kısaltmalar ve profiller düzlemleri. Kısaltmalar: MD: Merkezden dikey yönde, KÖ.1-2: 1. ve 2. Köşeden, KE.1-2: 1. ve 2. Kenardan alınan ölçümler. 16

21 Tablo 6. S-1 numunesi için Profilometre ile ölçülen pürüzlülük açıları. S-1.1 S-1.2 S-1.3 MD KÖ.1 KÖ.2 KE.1 KE.2 MY MD KÖ.1 KÖ.2 MY MD KÖ.1 KÖ.2 MY S-1 ORT: 6.43 Tablo 4. S-2 numunesi için Profilometre ile ölçülen pürüzlülük açıları. S-2.1 S-2.2 S-2.3 MD KÖ.1 KÖ.2 KE.1 KE.2 MY MD KÖ.1 KÖ.2 KE.1 KE.2 MY MD KE.1 KE.2 MY KÖ.1 KÖ S-2 ORT:

22 Tablo 5. S-3 numunesi için Profilometre ile ölçülen pürüzlülük açıları. S-3.1 S-3.2 S-3.3 MD KÖ.1 KÖ.2 KE.1 KE.2 MY DMY H1 H2 MMY MD KÖ.1 KÖ.2 MY S-3 ORT: 4.88 Tablo 6. S-4 numunesi için Profilometre ile ölçülen pürüzlülük açıları. S-4.1 S-4.2 S-4.3 MD KÖ.1 KÖ.2 KE.1 KE.2 MY KÖ.1 KÖ.2 MD MY MD KÖ.1 KÖ.2 KE.1 KE.2 MY S-4 ORT:

23 Kaya numunelerinde seyyar kesme kutusu düzeneği ve bilgisayar kontrollü cihaz ile yapılan kesme dayanımı değerleri 2 başlık altında aşağıda verilmiştir. 4.1 Seyyar Düzenekten Elde Edilen Sonuçlar Seyyar kesme kutusu düzeneğinden elde edilen veriler ve ortalama değerleri aşağıda tablolar ile gösterilmiştir (Tablolar 10.11,12,13). Tablo 7. S-1 numunesi için seyyar kesme kutusu cihazından elde edilen veriler. Pürüzlü Yüzey S-1 (PÜRÜZLÜ) S-1 (PÜRÜZSÜZ) Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Pürüzsüz Yüzey Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Deney Deney Deney Deney 3 4 Fail ORTALAMA ORTALAMA ORTALAMA Tablo 8. S-2 numunesi için seyyar kesme kutusu cihazından elde edilen veriler. Pürüzlü Yüzey S-2 (PÜRÜZLÜ) S-2 (PÜRÜZSÜZ) Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Pürüzsüz Yüzey Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Deney Deney Deney Deney 2 Deney Deney 3 ORTALAMA ORTALAMA ORTALAMA Tablo 9. S-3 numunesi için seyyar kesme kutusu Cihazından elde edilen veriler. Pürüzlü Yüzey S-3 (PÜRÜZLÜ) S-3 (PÜRÜZSÜZ) Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Pürüzsüz Yüzey Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Deney Deney Deney Deney ORTALAMA ORTALAMA ORTALAMA

24 Tablo 10. S-4 numunesi için seyyar kesme kutusu cihazından elde edilen veriler. Pürüzlü Yüzey S-4 (PÜRÜZLÜ) S-4 (PÜRÜZSÜZ) Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Pürüzsüz Yüzey Normal Gerilme Kesme Gerilmesi Deney Deney Deney Deney 3 4 Fail ORTALAMA ORTALAMA ORTALAMA Bilgisayar Kontrollü Düzenekten Elde Edilen Sonuçlar Bilgisayar kontrolünde çalışan, Wille marka otomatik kesme cihazından elde edilen kesme dayanımı verileri ve ortalama değerleri her numune için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Her numune için 8 farklı normal gerilme değerine karşılık gelen kesme dayanımı değerleri tablolar ile gösterilmiştir. Ayrıca içsel sürtünme açıları ve pürüzlülük açıları tabloların altında verilmiştir. Tablo 11. S-1 numunesi için Wille marka cihazda 3 farklı boyuttan elde edilen makaslama gerilmelerinin sonuçları. S-1 20 cm 15 cm 10 cm (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa)

25 Tablo 15. S-2 numunesi için Wille marka cihazda 3 farklı boyuttan elde edilen makaslama gerilmelerinin sonuçları. S-2 20 cm 15 cm 10 cm (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Tablo 16. S-3 numunesi için Wille marka cihazda 2 farklı boyuttan elde edilen makaslama gerilmelerinin sonuçları. S-3 15 cm 10 cm (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Tablo 17. S-4 numunesi için Wille marka cihazda 3 farklı boyuttan elde edilen makaslama gerilmelerinin sonuçları. S-4 20 cm 15 cm 10 cm (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Fail 21

26 Profilometre, Tiltmetre ve tek eksenli sıkışma deneyinden elde edilen sonuçlar Tablo 18 de özet halinde verilmiştir. Tablo 18. Profilometre, Tiltmetre ve tek eksenli sıkışma deney sonuçlarının özeti. No. Tek eksenli sıkışma dayanımı c (MPa) Pürüzlülük açısı, i ( o ) (Profilometreden) Temel sürtünme açısı, b ( o ) (Tiltmetreden) Toplam sürtünme açısı, b + i ( o ) Beş değişik kaya örneğinden bilgisayar kontrollü düzenekle elde edilen sonuçlar grafiğe aktarıldığında, üç farklı boyutta numune üzerinde gerçekleştirilen deneylerden elde edilen çifteğrili grafiklerin birbirine benzer karakterde olduğu gözlenmiştir. Bunlardan sadece 10 cm lik kübik numuneler üzerinde yapılan deneylere ait normal gerilme kesme dayanımı verileri 5 numune için Şekil 23 de grafiğe aktarılmıştır. Şekil 23. deki grafikler incelendiğinde, iki yenilme zarfının kesişim noktasına karşılık gelen normal gerilme değerinin 4 MPa dan küçük olduğu görülmektedir. Bu durum dikkate alınarak, seyyar kesme düzeneğinde 4 MPa lık normal gerilme altında elde edilen kesme değerlerine göre yeni kırılma zarfları çizilmiştir (Şekil 23, kırmızı çizgiler). Bu yapılırken, 4 MPa lık normal gerilmeye karşılık gelen kesme gerilmesini temsil eden noktadan yatay ile (Tiltmetreden elde edilen) temel sürtünme açısı çizilmiştir. Eğrinin ikinci kısmı orijinden geçecek şekilde çizilmiş olup, yatayla yaptığı açı ( b + i) tiltmetreden ve profilometreden elde edilen iki açının toplamı olarak alınmıştır. Bu şekilde, sadece bir kesme deneyine ait normal gerilme kesme gerilmesi veri çifti temel sürtünme açısı ve pürüzlülük açısı ile birlikte kullanılarak yeni kırılma zarfları elde edilmiştir (Şekil 23, kırmızı çizgiler). Bilgisayar kontrollü kesme düzeneğinden çoklu olarak gerçekleştirilen doğrudan kesme deneylerinden elde edilen yenilme zarflarının, seyyar kesme düzeneğinden elde edilen tek nokta yenilme zarfları ile oldukça uyumlu olduğu görülmektedir. 22

27 Şekil 23. Bilgisayar kontrollü kesme düzeneğinden elde edilen verilerin (mavi noktalar) tek nokta deneyinden elde edilen verilerle karşılaştırılması. 23

28 5. SONUÇLAR Bu çalışmadan şu sonuç elde edilmiştir: Bir süreksizlik yüzeyine ait pürüzlülük açısıyla, aynı kayanın testereyle kesilmiş düz yüzeyinden elde edilen temel sürtünme açısı kolaylıkla bulunabilmektedir. Çift eğrili yenilme zarfının ikinci kısmında kalacak (4,0 MPa gibi) bir normal gerilme altında makaslanan tek süreksizlik deneyinden çift eğrili yenilme dayanımı elde edilebilmektedir. 6. KAYNAKLAR Barton, N. and Choubey, V. (1977). The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics, vol. 10, 1/2, pp Ladanyi B., Arehambault G Simulation of shear behaviour of a jointed rock mass. 11th U.S. Rock Mech. Symp., Patton, F.D. (1966) Multiple modes of shear failure in rock. Proceedings 1st Congress on Rock Mechanics, ISR Lisbon. Vol. 1, pp Vallejo, L. G. and Ferrer, M., 2011, Geological Engineering: CRC Press, 678 pp. 24