MÜHJEO 2015: Ulusal Mühendislik Jeolojisi Sempozyumu, 3-5 Eylül 2015, KTÜ, Trabzon

Transkript

1 Kayaçların Jeoteknik Özelliklerinin Araştırılması: Doğu Pontidler Bazaltları Üzerine Örnek Bir Çalışma The Investigation of Geotechnical Properties of Rocks: A Case Study on the Basalts of the Eastern Pontides A.E. Babacan 1,*, K. Gelişli 1, H. Ersoy 2 1 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü (*a.babacan@ktu.edu.tr) ÖZ: Kayaçlar farklı jeomekanik özelliklere sahip olup, herhangi bir etki karşısındaki mekanik davranışları bu özellikler tarafından kontrol edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, Doğu Karadeniz Bölgesi nde geniş bir yayılım gösteren Kabaköy formasyonu (Trabzon) üzerinde seçilen bir alanda yapılan 4 adet sondajdan elde edilen karot örneklerinin jeoteknik özelliklerinin belirlenmesi ve indeks özellikleri arasındaki ilişkilerin ortaya konulmasıdır. Ayrıca sinyal analizi ile örnekler içerisindeki süreksizlikler ve çatlakların tespit edilmesidir. Sondajlardan alınan karotlardan kaya kalite göstergesi (RQD) değerleri, toplam karot yüzdesi ve ayrışma dereceleri belirlenmiştir. Deneyler için sondaj karotları değerlendirilerek standartlara uygun toplam 65 adet karot örneği elde edilmiştir. Karotlardan bazaltların doygun ve kuru halleri için ultrasonik hız değerleri laboratuvarda ölçülmüştür. Ayrıca, numunelerin tek eksenli sıkışma dayanımları, görünür poroziteleri, su içerikleri ve ağırlıkça su emme oranları belirlenmiştir. Tayin edilen parametreler basit regresyon analizi kullanılarak birbirleriyle ilişkilendirilmiş ve aralarında anlamlı bir ilişkinin olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada, örneklerden elde edilen ultrasonik sinyallerin analizi de yapılmak suretiyle bazaltlar içerisindeki süreksizlikler ve mikro çatlakların varlığı tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Trabzon, Ultrasonik Hız, Zaman-Frekans Analizi, Dayanım, Görgül İlişki ABSTRACT: Rocks have different geomechnical properties and their mechanical behaviors under any mechanical impactare controlled by these properties. The aim of this study is to determine geotechnical properties of core samples obtained from four boreholes drilled in Kabaköy formation which has a wide expansion in Eastern Black Sea region and demonstrate the relationships between the index properties.in addition, cracks and discontinuities in samples are detected with signal analysis. Rock quality designation (RQD), total core recovery, weathering degree of the core samples, obtained from the boreholes, were determined. Based on the standards, a total of 65 core samples for laboratory tests were obtained from the boreholes. Ultrasonic velocities for saturated and dry samples of basalts were measured in laboratory. Moreover, the uniaxial compressive strength, apparent porosity, water saturation and water absorption in weight of samples were also determined. All parameters were correlated with each other by using the method of simple regression analysis and it was understood that there were a significant relationships between them. In this study, by analyzing ultrasonic signals obtained from core samples, the presence of discontinuities and microcracks in the basalts were defined. Keywords: Trabzon, Ultrasonic Velocity, Time-Frequency Analysis, Strength, Empirical Relationship 1. GİRİŞ Baraj, tünel, yol gibi mühendislik yapılarının inşa edileceği alanlardaki kayaçların yapısal ve dokusal özelliklerin belirlenmesi, ileride ortaya çıkabilecek ciddi problemlerin önceden önlenmesini sağlayacak mühendislik çalışmalarının önemli girdi parametrelerindendir.kayacın dokusu ve tane özelliği ile ilgili olarak kayaç malzemesini tanımlamaya yönelik özellikler, fiziksel özellikler olarak bilinmektedir (Yalçınalp vd., 2008). Kayaçlara ait fiziksel ve mekanik özelliklerin belirlenmesi için, 224

2 ultrasonik dalga hızları birçok araştırmacı tarafından kullanılmıştır (örn.,kahraman, 2001; Sharma ve Singh, 2007; Babacan, 2013; Karakul and Ulusay, 2013). Ultrasonik; duyulamayan akustik dalgaların kullanımı ve üretimiyle ilgilenen akustiğin bir dalıdır (Naggy, 2001). Yöntem ilk olarak 1950'li yıllarda İngiltere de yol araştırma laboratuvarında geliştirilmiştir (Jones ve Gatfield, 1955). Ultrasonik dalga hızları, kayaç numunelerinin yoğunluğuna ve dokusal özelliklerine bağlı olarak değişmektedir. Hasarsız, ucuz, hızlı ve kolay uygulanabilen yöntemlerden biri olan ultrasonik, araziden toplanan kaya numunelerinin enine ve boyuna dalga hızlarının laboratuvar ortamında belirlenmesinde uzun yıllardan beri kullanılmaktadır. Malzemelerin ultrasonik dalga hızlarının belirlenmesi onların elastik özelliklerinin hesaplanmasında kullanılmaktadır. Son yıllarda ultrasonik ölçümlerden elde edilen sinyallerin analizi, ilgilenilen fiziksel bilginin belirlenmesinde çok önemli bir yöntem olmaya başlamıştır (Malinaric ve Kostial, 1998). Materyaller içerisindeki süreksizliklerden yansıyan sinyaller, süreksizliğin boyutu ve yeri hakkında bilgi sağlamaktadır (Saka vd., 1989). Sinyalin Fourier dönüşümünü almak suretiyle zaman ortamındaki veri frekans ortamına aktarılır. Ancak verinin sadece frekans ortamındaki içeriğini incelemenin yetersiz olacağı göz önüne alınarak verinin hem frekans hem de zamanla değişimine bakılması gerekmektedir. Bunun için zaman frekans analiz yöntemleri uygulanarak verinin frekans içeriğinin zamanla değişimi incelenmektedir. Bu çalışmada, Doğu Pontidlerde yer alan Eosen-Neojen yaşlı olan andezit, bazalt ve proklastiklerden oluşan Kabaköy Formasyonunda 4 noktada yapılan sondaj çalışması sonucu elde edilen karotlardan kaya kalite göstergesi (RQD) ve bozunma dereceleri (WD) belirlenmiş ve standartlara uygun olarak hazırlanan 65 adet bazalt örneği üzerinde bir dizi laboratuar deneyleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar birbirleriyle ilişkilendirilerek bazı görgül ilişkiler ortaya konulmuştur. 2. YÖNTEM Ultrasonik hız ölçümleri ISRM (2007) tarafından önerilmiş yöntemlere göre gerçekleştirilmiştir. Boyuna dalga hızlarını belirlemek için farklı frekanslarda alıcı-verici problar bulunmaktadır. Bu çalışmada ise 54 khz' lik piezoelektriksel özellikteki alıcı-vericiler kullanılmıştır. Piezoelektriksel özellik sayesinde verici probtan üretilen elektriksel sinyal mekanik titreşime dönüştürülerek kaya numunesine gönderilmekte, numune içinden geçen sinyal karşı taraftaki alıcı tarafından kaydedilmektedir. Sinyalin kaya numunesi içindeki yayılım süresinden sinyal hızı belirlenir. Sinyal hızı ölçümü yapılırken, alıcı ve verici başlıklar ile numune arasına bir jel sürülmesi ve numune ile alıcı-verici başlıklara belli bir kuvvet uygulanarak başlıkların numuneye iyi temas ettirilmesi güvenilir sonuçların elde edilmesi bakımından oldukça önemlidir. Ultrasonik ölçüm teknikleri alıcı ve vericinin numune üzerindeki pozisyonlarına göre doğrudan, yarı dolaylı ve dolaylı iletim teknikleri olmak üzere 3 farklı şekilde uygulanabilmektedir. Bu çalışmada, doğrudan iletim tekniği kullanılmıştır. Kayaçların tek eksenli sıkışma dayanımları belirlenirken, ISRM (2007) tarafından önerilen yöntem kullanılmıştır. Materyaller içerisindeki süreksizlikler, mikro çatlaklar, boşluklar gibi heterojen yapılar ultrasonik sinyallerin analizi ile belirlenebilmektedir. Ultrasonik sinyalleri elde etmek için duyarlı bir osiloskop, hız ölçüm cihazına bağlanır ve elde edilen sinyaller sayısal olarak kaydedilir. Daha sonra kaydedilen sinyallerin zaman-frekans analizi yapılır. Zaman-frekans gösterimleri pek çok değişik uygulama için temel bir sinyal analiz aracıdır (Jones vebaraniuk, 1995). Değişik zaman-frekans analiz yöntemleri olup, bunların en yaygın olanlarından biri dekısa zamanlı Fourier dönüşümüdür (KFZD). Sinyalin kısa bir zaman penceresi boyunca sabit olduğu kabul edilirse,fourier dönüşümü belli bir zaman içinde sinyalin frekans içeriği ile ilgili bilgi verir. Bu zaman penceresi uygun olarak seçilirse, sinyalin frekans içeriği ortaya çıkartılır. Bu iki boyutlu gösterim kısa zaman Fourier dönüşümü (KZFD) olarak adlandırılır. Matematiksel olarak ifade edilirse; w, frekansı, T ise zamanı göstermek üzere KZFD aşağıdaki gibi tanımlanır: 225

3 -jwt KZFD = f(t)g(t-t)e dt T,w (1) Burada, f(t) zaman ortamında sinyal, g(t) pencere fonksiyonu, e -jwt ise Fourier dönüşüm operatörüdür. 3. ÇALIŞMA ALANI VE GENEL JEOLOJİSİ Bu çalışma, Trabzon ili sınırları içerisinde kalan Pelitli beldesinde gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). İnceleme alanı olarak seçilen sahada çalışmalar andezit, bazalt ve piroklastik kayaçlardan oluşan Kabaköy Formasyonu üzerinde gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). Şekil 1. a) Çalışma alanının yer bulduru ve b) jeoloji haritaları (Baykan, 2011' den değiştirilerek) Bölgede, genellikle Liyas tan Eosen e kadar belirli zaman aralıklarında gelişimini sürdüren magmatik faaliyetlerin ürünleri olan magmatik kayaçlar ve magmatik faaliyetlerin durduğu dönemlerde çökelen tortul istifler yaygındır. İnceleme alanlarında geniş yüzlekler veren tortul ara katkılı andezit, bazalt ve piroklastitlerden oluşan birim Güven (1993) tarafından tanımlanan Kabaköy Formasyonu ile benzer litolojik ve stratigrafik özellikler gösterdiği için aynı isimle adlandırılmıştır. Formasyona ait volkanik birimler Yomra Pelitli, Çukurçayır, Gölçayır, Kireçhane, Hacımehmet ve Bulak Mahalleleri nde, tortul birimler ise genellikle Değirmendere vadisi boyunca, İncesu Mevkii nde geniş yüzleklere sahiptir. 226

4 4. ARAZİ VE LABORATUVAR ÇALIŞMALARI Trabzon ili Pelitli beldesinde Kabaköy formasyonu üzerinde yüzey ve çevre incelemeleri sonucu, her birinin derinliği10 m olmak üzere dört farklı noktada toplam 40 metre sondaj yapılmıştır. Sondajlardan elde edilen karotlarda her bir kuyu için formasyonun ana kaya derinliği, litolojisi, toplam karot verimi, RQD değerleri ve ayrışma dereceleri belirlenmiştir (Şekil 2). Şekil 2. Dört sondaja ait jeoteknik loglar (M; orta derecede bozunma, S; düşük derecede bozunma, S- M; düşük -orta derecede bozunma; F:bozunmamış-taze) Sondajlar sonucu kesme ve düzeltme işleminden geçirildikten sonra toplam 65 adet karot örneği laboratuvar deneyleri için hazır hale getirilmişlerdir. Daha sonra en az 24 saat süreyle su ile doyurma işlemine tabi tutulduktan sonra tartılarak doygun ağırlıkları belirlenmiş ve doygun ultrasonik hızları ölçülmüştür. Daha sonra doygun numuneler etüv içersinde 24 saat 105 o C de bekletilerek kurutulmuş ve kuru ağırlıkları ve ultrasonik hızları belirlenmiştir. Karot numunelerinin doğal, kuru ve doygun ağırlıklarından yararlanmak suretiyle görünür porozite, su içeriği ve ağırlıkça su emme oranı değerleri hesaplanmıştır. Son aşamada ise, tek eksenli sıkışma dayanımının tayini için karot numuneleri deneye tabi tutulmuştur. Doygun ve kuru P-dalga hızları (V P ) ile tek eksenli sıkışma dayanımı, görünür porozite, su içeriği ve ağırlıkça su emme oranları arasındaki ilişkiler basit regresyon analiz yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Şekil 3a ve 3b'de örnek olarak doygun ve kuru V P hızlarının, tek eksenli sıkışma dayanımı ile olan ilişkisi görülmektedir. 65 adet karot örneğindeki doğal mikro çatlaklar ve süreksizlikler zaman-frekans analiz ile belirlenmeye çalışılmıştır. Bu karotların doğal halleri için ham sinyaller sayısal olarak kayıt edilmiştir. Zaman-frekans analiz yöntemiyle incelenerek herhangi bir zaman aralığında frekans içeriğinde değişimden karot numunelerindeki mikro çatlakların ve süreksizliklerin yerleri belirlenmeye çalışılmıştır (Şekil 3c-d). Şekil 3c'de incelenen örnekte görüldüğü gibi ultrasonik sinyalin yapısı bozulmamış ve zaman-frekans kesitindeki genlik değerlerinde belirgin bir değişim gözlenmemiştir. Bu durum incelenen örneğin sağlam olduğunu, neredeyse hiç mikro kırık veya çatlak içermediği anlamına gelmektedir. Şekil 3d incelendiğinde,kırmızı okla gösterilen bölgede mikro kırık veya çatlak etkisi belirgin bir şekilde genlik azalımına sebep olmaktadır. Ayrıca bu durum, sinyal formunda meydana gelen bozulma ile de uyumludur. Bazaltların zaman-frekans kesitlerine bakıldığında da sinyal formlarının bazı numunelerde oldukça bozulduğu, bazı numunelerde ise fazla bozulmadığı görülmektedir. 227

5 Şekil 3. (a-b)doygun ve kuru V P ile tek eksenli sıkışma dayanımı arasındaki ilişki, (c-d) ham sinyal, ham sinyalin spektrumu ve ham sinyalin zaman-frekans analiz sonuçları 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, Doğu Pontidlerdeki yer alan Eosen-Neojen yaşlı bazaltların bazı jeoteknik özellikleri laboratuvar deneyleriyle belirlenmiştir. Bazaltların, ortalama ultrasonik hızlara göre orta ve iyi, ortalama tek eksenli sıkışma dayanımı değerine göre ise orta dayanımlı bir kaya kalitesine sahip olduğu anlaşılmaktadır. Yapılan regresyon analiz sonuçlarından ultrasonik P-dalgası hızları ile tek eksenli sıkışma dayanımı, görünür porozite, su içeriği ve ağırlıkça su emme oranları arasında yüksek oranda bir ilişkinin varlığı görülmektedir. Kayaç malzemesini mühendislik sınıflaması açısından tanımlamaya yönelik özellikler indeks özellikler olup, bunların arasında yüksek korelasyon elde edilmesi mümkündür. Doğru indeks deneylerinin seçilmesi koşuluyla, kökenine bakılmaksızın, birbirine yakın indeks değerine sahip kayaçların benzer mühendislik davranışı göstermeleri beklenir. Özellikle tek eksenli sıkışma dayanımı hem kaya mekaniği hem de mühendislik jeolojisi uygulamalarında yaygın olarak kullanılan parametrelerden birisidir. Fakat tek eksenli sıkışma dayanımı deneyi için deney standartlarına uygun numune bulunması her zaman mümkün olmamaktadır. Ayrıca deney standartlarına uygun bulunan numunenin ise deneye uygun hale getirtilmesi için yapılan işlemler hem maddi anlamda pahalı hem de zaman olarak uzun bir süreç almaktadır. Bu nedenle basit indeks deneylerinden elde edilen veriler kullanılarak özellikle mekanik özelliklerin tahmin edilmesi ile jeoteknik projelerde ön tasarım amaçlı bilgiler elde edilebilir. Genel olarak bazalt örneklerinin zaman-frekans kesitleri incelendiğinde, karmaşık bir içyapıya sahip oldukları, bazı numunelerde mikro çatlak, boşluk gibi süreksizliklerinin çok az miktarda olmasına rağmen bazılarında ise fazla miktarda olduğu belirlenmiştir.mekanik laboratuvar deneylerinin ayrışmamış ve çatlaksız örnekler üzerinde yapılması gerekmektedir. Bu durum gözlemselden ziyade sinyal analizleriyle belirlenmeli, standartlara uygun örnekler bu şekilde diğer örneklerden ayırt edilmelidir. 228

6 6. KAYNAKLAR Babacan, A.E., Kabaköy formasyonuna ait volkanik kayaçların (Trabzon) mühendislik özelliklerinin sismik tomografi yöntemi ile belirlenmesi.doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,Trabzon. Baykan, İ., Trabzon ili kırmızı killerinin jeoteknik özelliklerinin araştırılması.yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon. Güven, İ.H., Doğu Pontidlerin jeolojisi ve 1/ ölçekli kompilasyonu. MTA Yayınları,Ankara, 65s. ISRM (International Society for Rock Mechanics), The complete ISRM suggested methods for rock characterization testing and monitoring.ulusay, R., Hudson J.A (eds.), Suggested Methods Prepared by the Commission on Testing Methods, International Society for Rock Mechanics, Compilation Arranged by the ISRM Turkish National Group, Ankara, Turkey, Kozan Ofset, 628 p. Jones, D.L., Baraniuk,R.G., An Adaptive Optimal-Kernel time-frequency representation.ieee Transactions on Signal Processing, 43 (10), Jones, R.,Gatfield.,E.N.,1955. Testing concrete by an ultrasonic pulse technique.dsir Road Research Technical Paper, London.34p. Kahraman, S, Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock.international Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 38, Karakul, H., Ulusay, R., 2013.Empirical correlations for predicting strength properties of rocks from P-wave velocity under different degrees of saturation.rock Mechanics and Rock Engineering, 46 (5), Malinaric, S.,Kostial.,P.,1998. Contribution to the signal processing of ultrasonic pulses. Journal of Physics D: Applied Physics, 31, Nagy, P.B., Introduction to ultrasonics. Lecture Notes. University of Cincinnati, Aerospace Engineering and Engineering Mechanics Department, Saka, M., Schneider, E., Holder, P.A., 1989.A New approach to detect and size closed cracks by ultrasonic. Research in Nondestructive Evaluation, 1 (2), Sharma, P.K., Singh, T.N., A correlation between P-wave velocity, impact strenght index, slake durability index and uniaxial compressive strength. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 67, Yalçınalp, B., Ersoy, H., Ersoy, F. A., Keke, C., Bahçecik (Gümüşhane) travertenlerinin jeolojik ve jeoteknik özellikleri. Jeoloji Mühendisliği Dergisi, 31 (2),