ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Burcu ÖZVAN SÜREKSİZLİK DÜZLEMLERİNDE AYRIŞMANIN PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDEKİ ETKİSİ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2010

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ SÜREKSİZLİK DÜZLEMLERİNDE AYRIŞMANIN PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDEKİ ETKİSİ Burcu ÖZVAN YÜKSEK LİSANS TEZİ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez 01 / 02 / 2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği İle Kabul Edilmiştir. İmza... İmza İmza... Yrd. Doç. Dr. İ.Altay ACAR Doç.Dr. Sedat TÜRKMEN Doç.Dr. Suphi URAL Danışman Üye Üye Bu tez Enstitümüz Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: MMF 2008YL22 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ SÜREKSİZLİK DÜZLEMLERİNDE AYRIŞMANIN PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDEKİ ETKİSİ Burcu ÖZVAN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman Jüri : Yrd. Doç. Dr. Altay ACAR Yıl :2010, Sayfa:74 : Yrd. Doç. Dr. Altay ACAR Doç.Dr. Sedat TÜRKMEN Doç.Dr. Suphi URAL Süreksizlik düzlemleri üzerindeki kesme dayanımı, jeoteknik tasarımların oluşturulmasında önemli bir bileşendir. Burada, dayanımı kontrol eden en önemli parametre ise pürüzlülüktür. Ayrışma sonucunda süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımı düşmektedir. Pürüzlü yüzeyler ise kesme dayanımı arttırmaktadır. Bazı kayalarda ayrışmanın artmasıyla pürüzlülük artabilmektedir. Bu çalışmada, ayrışma sonucu pürüzlü yüzeylerin oluştuğu granit ve kristalize kireçtaşı gibi kayaların kesme dayanımı değerlerinin, pürüzlülük ve bozuşma ile olan ilişkisi ortaya konmuştur. Granitlerde pürüzlülük, bozuşarak ortamdan uzaklaşan feldspat mineralleri sonucu oluşurken, kristalize kireçtaşlarında ise stilolit oluşumları pürüzlü yüzeylerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Granitlerde oluşan pürüzlü yüzeyler kesme dayanımını arttırmazken, stilolitlere bağlı oluşan pürüzlülük, kesme dayanımın artmasına neden olmaktadır. Anahtar Kelimeler: Kesme dayanımı, stilolit, pürüzlülük, kristalize kireçtaşı, granit. I

4 ABSTRACT MSc THESIS EFFECT OF ALTERATION ON ROUGHNESS IN DISCONTINUITIES SURFACES Burcu ÖZVAN DEPARTMENT OF GEOLOGICAL ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor : Asst.Prof.Dr. Altay ACAR Year: 2010, Pages: 74 Jury : Asst.Prof.Dr. Altay ACAR Assoc.Prof. Dr. Sedat TÜRKMEN Assoc.Prof.Dr. Suphi URAL Shear strength of discontinuities is an important component of geotechnical design development. The most important parameter that controls the strength is roughness. As a result of separation, the shear strength of discontinuities decreases. Rough surfaces should increase the shear strength. In some rock materials the roughness may increase while separation increases. In this study, the relation of shear strength of rocks, in which a rough surface is formed after separation such as granite and crystallized limestone, with roughness and decomposition are specified. While the roughness in granites are formed as a result of separation of feldspar minerals, stylolites formation is the reason for rough surface formation in crystallized limestones. Although, the rough surface formation in granites does not increase the shear strength, rough surface formation as a result of stylolites formation cause an increase in shear strength. KeyWords: Shear strength, stylolites, roughness, crystallized limestone, granite. II

5 TEŞEKKÜR Çukurova Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalında tamamlamış olduğum bu çalışmada, beni yönlendiren danışman hocam Sayın Yrd.Doç.Dr. Altay ACAR a teşekkür ederim. Ayrıca, üç yıl süren yüksek lisans eğitimimde çalışmalarım boyunca göstermiş oldukları yardımlardan dolayı Prof. Dr. Ulvi Can ÜNLÜGENÇ e, laboratuvarlarını kullanmamıza izin veren Maden Mühendisliği Bölüm Başkanı Prof.Dr. Adem ERSOY a ve diğer bölüm öğretim üyelerine teşekkür ederim. Çalışmalarım sırasında, deneysel aşamada göstermiş oldukları yardımlardan dolayı Çukurova Üniversitesinden Arş.Gör. Ulaş İnan SEVİMLİ ye, Jeo.Yük.Müh. Engin ÇİL e ve Jeoloji Mühendisi Yasemin DİM e, ince kesitlerin hazırlanması ve yorumlanması aşamasında yardımlarını esirgemeyen Yüzüncü Yıl Üniversitesinden Jeo.Yük.Müh. Vural OYAN a teşekkür ederim. Bu çalışmada, hayatım boyunca benden hiçbir şekilde emeğini esirgemeyen ERGEZ ve ÖZVAN ailelerine ve en büyük destekçim oğlum Onur Seyhan a sonsuz teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VI ŞEKİLLER DİZİNİ... VII SİMGELER VE KISALTMALAR... XII 1. GİRİŞ Amaç Örnek Alanlarının Coğrafi Konumu Kaya Kütlesinin ve Süreksizliklerin Genel Özellikleri Süreksizlik Düzlemlerinin Pürüzlülüğü Süreksizlik Düzlemlerinde Pürüzlülüğün Ölçülmesi Süreksizlik Düzlemlerinin Kesme Dayanımı Süreksizlik Düzlemlerindeki Ayrışmanın Kesilme Dayanımı Etkisi ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOD Materyal Metod Literatür Taraması Arazi Çalışmaları Laboratuvar Çalışmaları Petrografik Analizler Mekaniksel Analizler BULGULAR VE TARTIŞMA Jeoloji Çalışmada Kullanılan Kayaçların Petrografik Özellikleri Çalışmada Kullanılan Granitlerin Petrografik Özellikleri IV

7 Çalışmada Kullanılan Kireçtaşlarının Petrografik Özellikleri Çalışmada Kullanılan Kayaların Bazı Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Süreksizlik Düzlemlerinin Kesme Dayanımı Özellikleri SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sonuçlar Öneriler.. 70 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 4.1. Kaya kütlelerinin bozunma derecesini gösteren sınıflama.. 41 Çizelge 4.2. Seçilen farklı kayalara ait kuru birim hacim ağırlık değerleri Çizelge 4.3. Seçilen farklı kayalara ait Sonik Hız değerleri 55 Çizelge 4.4. Seçilen farklı kayalara ait tek eksenli basma dayanımı değerleri.. 55 VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Granitoyid örneklerinin alındığı alanına ait yer bulduru haritası... 3 Şekil 1.2. Kristalize kireçtaşı örneklerinin alındığı alanına ait yer bulduru haritası.. 4 Şekil 1.3. Kaya kütlelerinde gözlenen yenilme türleri.. 6 Şekil 1.4. Pürüzlü yüzeylerde birinci ve ikinci derece düzensizliklerdeki i açısına ait yaklaşık değerler.. 7 Şekil 1.5. Kristalize kireçtaşlarında birinci ve ikinci derece düzensizliklere ait arazi görüntüsü 8 Şekil 1.6. Barton tip tel profil metreye ait görüntü 9 Şekil 1.7. Süreksizlik düzlemlerindeki pürüzlülük ve dalgalılık ilişkisi 10 Şekil 1.8. Taşınabilir doğrudan makaslama deney aleti 11 Şekil 1.9. Tilt testi için kullanılan cihaza ait çizim görüntüsü.. 12 Şekil Süreksizlik düzlemlerinde farklı normal gerilmeler altında ε τ ilişkisi 13 Şekil Bir süreksizlik düzleminin kesme dayanımının tanımı 13 Şekil Eğimli bir yüzeyde kesme gerilmesi 15 Şekil Pürüzlü tabakalanma yüzeylerine sahip kireçtaşlarının çalışma sahasında yüksek şev açısındaki görünüşleri.. 15 Şekil Pürüzlülük ve normal gerilmenin sürtünme açısı üzerindeki etkisi.. 16 Şekil Granitoyidlerdeki çalışma alanında süreksizlik düzlemlerinin yarattığı bloklu yapı Şekil Taze yüzeyli granit eklemlerinde gözlenen pürüzlülük profili. 18 Şekil Ayrışmış granit eklemlerinde gözlenen pürüzlülük profile Şekil 2.1. Patton a ait testere dişli pürüzlülük modeli.. 20 Şekil 2.2. Pürüzlülük görüntüleri ve Eklem Pürüzlülük Katsayısı VII

10 (JRC). 22 Şekil 2.3. ISRM 1978 e göre farklı ölçeklerde gözlenen pürüzlülükler. 23 Şekil 2.4 ISRM, 1981 e göre pürüzlülük görüntüleri ve kesme dayanımı arasındaki ilişki. 24 Şekil 3.1. Deney öncesi örnek kalıplarının hazırlanması ve kullanılan alçı (a, b, c) ile taşınabilir kaya kesme (makaslama) düzeneği (d). 27 Şekil 3.2. Çalışma alanlarından sondaj (a, c) ve blok örnek (b) alımına ait görüntüler 28 Şekil 3.3. Arazide tel profil metre ile süreksizlik düzlemlerinin pürüzlülüklerinin ölçülmesi.. 29 Şekil 3.4. Profil metre ile yapılan ölçümler (a, c) ile bunların 8 ayrı hatta göre sonuçlarının kaydedilmesi (b, d).. 31 Şekil 3.5. Kaya örnekleri sabitlemek için kullanılan alçı (a) ve örneğin kalıba yerleştirilmesi aşamaları (b, c, d).. 32 Şekil 3.6. Alçı içersindeki örneğin deney aletine yerleştirilmesi aşamaları 33 Şekil 3.7. Taşınabilir doğrudan kesme (makaslama) deney düzeneğine ait bir görüntü. 33 Şekil 3.8. Deney sonrası kayada gözlenen yer değiştirme (a) ve örselenmeye ait bir görüntü (b). 34 Şekil 3.9. Makaslama (Kesme) gerilimi (τ) Makaslama(Kesme) yerdeğiştirmesi (δ) grafiği. 34 Şekil 4.1. Granitlerde MnO boyalı ayrışma yüzeyleri Şekil 4.2. Granitlerde arenitleşme ve ayrışma ile oluşan pürüzlü yüzey görüntüsü 37 Şekil 4.3. Granitoyidlerin örnekleme alanı ve yakın civarındaki dağılımını gösterir harita Şekil 4.4. Çalışma alanı ve yakın civarının genel jeolojisi 39 VIII

11 Şekil 4.5. Kristalize kireçtaşlarının arazideki görünüşü 39 Şekil 4.6. Kristalize kireçtaşlarındaki pürüzlü yüzeylerin arazideki görünüşü 40 Şekil 4.7. Çalışma alanında gözlenen sağlam kaya kütlesine ait görüntü.. 42 Şekil 4.8. Çalışma alanında gözlenen tamamen bozuşmuş kaya kütlesine ait görüntü.. 42 Şekil 4.9. Bozunmamış granit örneğine ait görüntü.. 43 Şekil Bozunmamış granodiyorit örneğine ait ince kesitte çift nikol görüntüsü. 44 Şekil Bozunmamış granodiyorit örneğine ait ince kesitte tek nikol görüntüsü.. 44 Şekil Az bozunmuş granit örneğine ait ince kesitte çift nikol görüntüsü ve çatlaklı kuvars kristalleri. 45 Şekil Az bozunmuş granit örneğine ait tek nikol görüntüsü.. 46 Şekil Çift nikolde az bozunmuş granit örneğindeki serisitleşmeye ait görüntü. 46 Şekil Tek nikolde az bozunmuş granitteki feldispatlar gözlenen serisitleşme 47 Şekil Çift nikolde orta derecede bozunmuş granit örneğine ait görüntü. 48 Şekil Tek nikolde orta derecede bozunmuş granit örneğine ait görüntü.. 48 Şekil Orta derecede bozunmuş granit örneğinin çift nikol görüntüsü.. 49 Şekil Orta derecede bozunmuş granit örneğinin tek nikol görüntüsü.. 49 Şekil Alizarin Red-S yapılan kayaya ait ince kesit ve çips görüntüsü Şekil Çift nikolde kalsit mineralleri ve stilolit oluşumuna ait görüntü.. 51 IX

12 Şekil Tek nikolde kalsit mineralleri ve stilolit oluşumuna ait görüntü.. 52 Şekil Arazide kristalize kireçtaşlarında gözlenen pürüzlü yüzeylere ait görüntü. 53 Şekil Deneysel çalışmalarda kullanılan karot örneklerin arazide (a) ve laboratuvarda (b) alınış görüntüsü.. 53 Şekil Doğrudan kesme deneyi için kullanılan bozunmamış granit örneklerine ait bir görüntü 56 Şekil Deneylerde kullanılan karot örneklerin iki eksene göre ölçülen çap değerlerine ait bir görüntü 57 Şekil Bozunmamış (W 1 ) bir granit örneğinin süreksizlik düzlemine ait tel profilmetre görüntüsü 57 Şekil Az bozunmuş (W 2 ) bir granit örneğinin süreksizlik düzlemine ait tel profilmetre görüntüsü 58 Şekil Orta derecede bozunmuş (W 3 ) bir granit örneğinin süreksizlik düzlemine ait tel profilmetre görüntüsü.. 58 Şekil Deneylerde kullanılan kristalize kireçtaşı örneklerine bir görüntü.. 59 Şekil Kristalize kireçtaşı örneğinin süreksizlik düzlemine ait bir tel profilmetre görüntüsü.. 59 Şekil Bozunmamış granit (W 1 ) örneğine ait kesme gerilmesi (τ) - kesme yerdeğiştirmesi (δ) grafiği.. 60 Şekil Bozunmamış granit (W 1 ) örneğine ait kesme dayanımı (τ) normal gerilim (σ) grafiği.. 61 Şekil Az bozunmuş granit (W 2 ) örneğine ait kesme gerilmesi (τ) - kesme yerdeğiştirmesi (δ) grafiği Şekil Az bozunmuş granit (W 2 ) örneğine ait kesme dayanımı (τ) normal gerilim (σ) grafiği.. 62 Şekil Orta derecede bozunmuş granit (W 3 ) örneğine ait kesme gerilmesi (τ) - kesme yerdeğiştirmesi (δ) grafiği.. 63 X

13 Şekil Orta derecede bozunmuş granit (W 3 ) örneğine ait kesme dayanımı (τ) normal gerilim (σ) grafiği. 64 Şekil Kristalize kireçtaşı örneğine ait kesme gerilmesi (τ) - kesme yerdeğiştirmesi (δ) grafiği.. 65 Şekil Kristalize kireçtaşı örneğine ait kesme dayanımı (τ) normal gerilim (σ) grafiği. 65 Şekil Çalışmada kullanılan örneklere ait genel pürüzlülük açısı değerleri.. 66 Şekil Stilolitlere bağlı olarak gelişen pürüzlü yüzeylerin arazi (a) ve ince kesitteki (b) görüntüsü.. 67 Şekil Granit (a) ve kristalize kireçtaşı (b) kütlelerinin süreksizlik düzlemlerinin arazideki eğim açılarına ait bir görüntü. 68 XI

14 SİMGELER ve KISALTMALAR φ φ p φ r φ b i JRC JCS JMC ISRM ASTM σ ı σ n τ α c R e γ γ k MTA F A δ MnO kn m sn : Sürtünme açısı : Pik sürtünme açısı : Rezidüel sürtünme açısı : Temel sürtünme açısı : Yüzey pürüzlülüğü açısı : Eklem pürüzlülük katsayısı : Eklem basınç dayanımı : Eklem örtüşme katsayısı : Uluslararası kaya mekaniği derneği : Amerikan Test ve Materyal Kurumu : Süreksizlik yüzeyindeki efektif normal : Kayma yüzeyindeki normal gerilim : Kesme (makaslama) gerilmesi : Kayma açısı : Kohezyon : Schmidt çekici sıçrama değeri : Birim hacim ağırlık : Kuru birim hacim ağırlık : Maden Tetkik Arama : Örnek üzerine uygulanan yük : Alan : Kesme yer değiştirmesidir : Manganoksit : Kilonewton : Metre : Saniye XII

15 V p UCS o C MPa V : P-dalgası : Tek eksenli basma dayanımı : Derece : Megapaskal : Hız XIII

16 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN 1. GİRİŞ Bu bölümde, çalışmanın amacı ile ilgili genel bilgiler ve çalışmayı gerekli kılan nedenler açıklanmıştır Amaç Kaya kütleleri içersinde açılan, gerek tünel gibi yer altı kazıları, gerekse kaya şevlerinin tasarımları, kayayı malzeme olarak tanımlamadan öteye, kütlesel olarak kayanın geçirmiş olduğu evrimi ve bu evrim sonucunda oluşan yapısal unsurları tanımlamayı gerekli kılmaktadır. Özellikle, 1950 lerden sonra artan sanayileşme ve bununla birlikte gelişen ulaşım ihtiyaçları, zemin ve kaya mekaniği alanında birçok çalışmanın gereğini arttırmıştır. Ulaşımın ana unsurları olan şevlerin ve tünellerin tasarımları ile madenciliğin gereği olan yer altı kazılıları ile açık işletme alanlarında kaya malzemesinin özelliklerinin tek başına yeterli olmadığı ortaya çıkmıştır. Kaya malzemesinin tanımının yetersiz kaldığı koşullarda kaya kütlelerinin özelliklerinin de tasarımlarda tanımlanması gerektiği birçok çalışmada açıklanmıştır. Bu amaçla, kaya kütlesinin tanımlanmasında en önemli adımlardan olan süreksizlik düzlemlerinde pürüzlülük parametresi ve pürüzlülüğü etkileyen ayrışma konusuna bir yaklaşımda bulunmak amacıyla bu çalışma yapılmıştır. Bu çalışma, arazi etütlerinde özellikle granit ve kristalize kireçtaşlarında gözlenen pürüzlü yüzeylerin ayrışma ile artığının gözlenmesi sonucunda ortaya çıkmıştır. Bu amaçla, arazi çalışmaları sonucunda belirlenen iki farklı sahadan, granit ve kristalize kireçtaşı örnekleri alınmıştır. Bu kayalara ait ince kesit örnekleri hazırlanarak kayacın ayrışma özellikleri ve tanımlaması yapılmıştır. Ayrıca süreksizlik düzleminin kesme dayanımın belirlenmesi amacıyla doğrudan kesme (makaslama) deneyi yapılmış ve bu deney sonuçları pürüzlülük profilleri ile ilişkilendirilmiştir. Bu kapsamda yapılan çalışmalar giriş hariç dört bölümden oluşmaktadır. Çalışma alanı ve çalışma konusuyla ilgili literatür özeti Önceki Çalışmalar bölümünde, çalışma boyunca kullanılan deneysel araç gereçler ile yardımcı araçlar ve arazi çalışmaları ile laboratuvar deneyleriyle ilgili yöntemler Materyal ve Metod 1

17 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN başlığı altında verilmiştir. Çalışma alanlarının jeolojisi, tektoniği, çalışma alanından seçilen kayalara ait fiziksel ve mekanik deney sonuçları ve bunlar arasındaki ilişkiler Bulgular ve Tartışma kısmında, elde edilen sonuçların kısa özetleri ve öneriler ise Sonuçlar ve Öneriler başlığı altında verilmiştir. Bu çalışma Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsüne bağlı olarak Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalında Yüksek Lisans Tezi olarak hazırlanmıştır. Bu tez, MMF 2008 YL22 nolu proje kapsamında desteklenmiştir Örnek Alanlarının Coğrafi Konumu Bu çalışmada örnekleme iki farklı sahada gerçekleştirilmiştir. Bu sahaların ilki Granitoyid bileşimli kayaçlardan oluşan Dereli - Şebinkarahisar (Giresun) arasındaki kesimdir (Şekil 1.1). Bu kesim Giresun ilinin güneyinde Dereli Şebinkarahisar karayolu üzerinde Giresun a yaklaşık 40 km uzaklıkta bulunmaktadır. Ulaşım, Giresun Trabzon sahil yolundan, Dereli ilçesi yol ayrımına sapılarak yapılmaktadır. Yol tamamen asfalt kaplıdır. İkinci alan ise kristalize kireçtaşlarının bulunduğu Yumurtalık (Doğu Akdeniz) bölgesidir. Bu bölge, Adana Osmaniye ve Antakya illeri sınırları arasında kalan Yumurtalık ilçesinin kuzey kesimidir. Çalışma alanı Adana ilinin doğusunda bulunmaktadır. Çalışma alanına, Adana dan TEM otoyolu ve E90 karayolu ile ulaşılmaktadır ve Adana iline yaklaşık 40 km, Antakya iline yaklaşık 100 km ve Osmaniye iline yaklaşık 10 km uzaklıktadır (Şekil 1.2). Her iki çalışma alanı da deniz kıyısından başlayarak iç kesimlere doğru uzanan ve yükselen bir yüzey şekline sahiptir. İlk alanda tipik Karadeniz iklimi gözlenirken ikinci alan da ise Akdeniz bölgesi iklimi gözlenmektedir. Kayalardaki ayrışmayı hızlandıran en önemli unsurlardan biri olan atmosferik koşullar özellikle Karadeniz bölgesinde oldukça etkilidir. Karadeniz bölgesinin orta kesimlerinde yer alan Giresun ili ve güney kesimi sahile doğru yağışlı Karadeniz iklimine, güneye doğru gidildikçe ise sert karasal iklim özelliklerine sahiptir. Bölgede, Karadeniz ikliminin egemen olduğu, yağışları bol, bitki örtüsü zengin dağlar bulunmaktadır. Çalışma alanı Karadeniz kıyısı ile İç 2

18 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Anadolu sınırlında kalan bölgede olduğundan dolayı kış mevsimi boyunca kar yağışı da yoğun olarak görülmektedir. Uzun yıllar içersinde gerçekleşen ( ) ortalama en yüksek sıcaklık o C arasında, ortalama en düşük sıcaklık o C arasında, ortalama yağışlı gün sayısı en yüksek mart ayında olup 16 gün, en düşük ağustos ayında olup 1.1 gündür. Bölgedeki en çok yağış tarihinde kg/m 2, en hızlı rüzgar tarihinde km/saat olarak kaydedilmiştir ( Şekil 1.1. Granitoyid örneklerinin alındığı alanına ait yer bulduru haritası. 3

19 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Yumurtalık kesiminde yaz ayları sıcak ve kurak, kışları ılık ve yağışlı tipik Akdeniz iklimi özelliği göstermektedir. Uzun yıllar içersinde gerçekleşen ( ) ortalama en yüksek sıcaklık o C arasında, ortalama en düşük sıcaklık o C arasında, ortalama yağışlı gün sayısı en yüksek ocak ayında olup 15 gün, en düşük ağustos ayında olup 1.7 gündür. Bölgedeki en çok yağış tarihinde kg/m 2, en hızlı rüzgar tarihinde km/saat olarak kaydedilmiştir ( Şekil 1.2. Kristalize kireçtaşı örneklerinin alındığı alanına ait yer bulduru haritası. 4

20 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN 1.3. Kaya Kütlesinin ve Süreksizliklerin Genel Özellikleri Kayalar, malzeme ve kütle anlamında iki ayrı sınıfta değerlendirilmektedir. Kaya içersindeki mevcut süreksizlik düzlemleri nedeniyle diğer malzemelere göre ayrı bir bakış açısıyla değerlendirilmelidir. Kayaların farklı yükler altında göstermiş olduğu davranışlar, kaya malzemesi ile kaya kütlesinin doğru değerlendirilmesi ile yorumlanabilmektedir. Kaya malzemesini, kaya kütlesinin süreksizlikleri arasında kalan kısım olarak tanımlayabiliriz. Kaya kütlesi ise, süreksizlik düzlemlerinin oluşturduğu blok şeklindeki kaya malzemesi ile bunların içerisinden geçen ve malzemeyi, eklemler, tabaka düzlemleri, faylar, çatlaklar ve kırık gibi düzlemsel yapılarla ayıran unsurlardan oluşmaktadır. Kayanın yapısı, dışarıdan gelen etkiler ve kaya kütlesi içersinde oluşan kazılar ile değişmektedir. Bu değişimler özellikle yer altı ve yer üstü kazı çalışmalarında tasarımın oluşturulması için ortaya net olarak konmalıdır. Özellikle şev ve tünel gibi tasarımlarda kütle içersinde oluşması muhtemel hareketlerin belirlenmesi ve hareketi oluşturan unsurların mekaniksel çözümlerinin yapılması gerekmektedir. Kaya kütlesi bu anlamda doğru şekilde tanımlanmalı ve muhtemel sonuçlar ve dayanım parametreleri ortaya konmalıdır. Süreksizliklerin belli özelliklerinin ortaya konması amacıyla tünelcilik çalışmalarında Barton vd (1974) Q kaya kütlesi tanımlama sistemini, Bieniawski (1989) ise RMR sistemini geliştirmişlerdir. Arazide farklı kaya türlerinden oluşan kaya kütleleri içersinde kütleyi bölen birçok süreksizlik düzlemi bulunabilmektedir. Bu düzlemler, kayayı farklı boylarda bloklara ayırmaktadır. Bu süreksizlik düzlemleri, tansiyon gerilme etkisi, bükülme etkisi, kuruma ve soğuma etkisi, kesme gerilmesi etkisi, sedimantasyon ile oluşan yük etkisi ve deprem etkisi ile oluşmaktadır (Ketin ve Canıtez, 1979). Bu etkiler sonucu oluşan süreksizlik düzlemlerindeki en büyük problem ise stabilitedir. Şev tasarımlarında, yer altı kazılarında, açık ocak işletmeciliğinde stabilite problemlerinin giderilmesi amacıyla ilk olarak ortamdaki kaya kütlesinin doğru tanımlanması gerekmektedir. Özellikle süreksizlik düzlemlerine bağlı olarak gelişen 5

21 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN düzlemsel, kama tipi ve devrilme tipi yenilmeler kaya şevlerinde karşılaşılan en önemli stabilite problemleridir (Şekil 1.3). Şekil 1.3. Kaya kütlelerinde gözlenen yenilme türleri (Hoek, E., ve Bray, J., 1977) Süreksizlik Düzlemlerinin Pürüzlülüğü Süreksizlik düzlemlerinde stabilite açısından pürüzlü bir yüzeyin en önemli bileşeni sürtünme açısıdır. Pürüzlü bir düzlemin sürtünme açısı iki bileşen içerir. Bunlar kaya malzemesinin sürtünme açısı (φ) ve yüzeyin düzensizliklerinin ortaya çıkardığı kenetlenmedir (i) (Wyllie and Mah, 2004). Tasarım çalışmalarında pürüzlülük toplam sürtünme açısının önemli bir bileşeni olduğundan pürüzlülüğün tanımlanması gerekmektedir. Bu konuda Barton (1973) tarafından önerilen Eklem Pürüzlülük Katsayısı (JRC) değeri pürüzlülük tanımında en yaygın olarak kullanılan yaklaşımdır. JRC değeri için pürüzlü ve dalgalı yüzeylerde 20 değeri kullanılırken dalgalanma ve pürüzlülüğün azaldığı düz bir yüzey için sıfır değeri kullanılmaktadır. JRC değeri ile yüzey pürüzlülüğü (i) arasındaki doğrusal ilişki ise, JCS i = JRC log( ) ı (1.1) σ şeklinde ifade edilmektedir. Bu bağıntıda, JCS (Eklem Basınç Dayanımı) süreksizlik yüzeylerine komşu kayanın basınç dayanımı ve σ ı süreksizlik yüzeyindeki efektif normal gerilmedir. Patton (1966) ya göre bir düzlem üzerindeki düzensizlikler birinci derece ve ikinci derece şeklinde iki sınıfa ayrılır. Birinci derece düzensizlikleri Patton (1966), tabakalanma yüzeyindeki ana dalgalanmalara karşılık gelenler olarak tanımlamıştır. 6

22 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN İkinci derece düzensizlikleri ise, süreksizlik düzlemindeki küçük tümsek ve ripıllar olarak tanımlamıştır. İkinci derece düzensizliklerin i açısı her zaman için birinci derece düzensizliklerin açısından daha büyüktür (Şekil 1.4). Özellikle birinci ve ikinci derece süreksizlikler kristalize kireçtaşlarında net olarak gözlenmektedir (Şekil 1.5). Şekil 1.4. Pürüzlü yüzeylerde birinci ve ikinci derece düzensizliklerdeki i açısına ait yaklaşık değerler (Wyllie and Mah, 2004). Kaya şevlerde süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımı, yüzey pürüzlülüğü dışında, kayanın yüzey dayanımına, uygulanan normal gerilmeye ve kesme yer değiştirmesine bağlıdır. 7

23 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Şekil 1.5. Kristalize kireçtaşlarında birinci ve ikinci derece düzensizliklere ait arazi görüntüsü Süreksizlik Düzlemlerinde Pürüzlülüğün Ölçülmesi Süreksizlikleri oluşturan düzlemlerin yüzey şekilleri doğal ortamın etkisiyle rastgele dağılım gösteren pürüzlü şeklilerden oluşur. Birçok araştırmacı bu düzlemleri oluşturan etkiler ve düzlemlerin pürüzlü yapısı ve kesme (makaslama) dayanımı ile ilgili çalışmalar yürütmüşlerdir (Patton, 1966; Barton, 1976; Barton ve Choubey, 1977; Maerz vd, 1990; Cunha, 1990). Bu araştırmacılar zaman içersinde yüzey pürüzlülüğü ve kesme dayanımı arasındaki ilişkilerini belirleyerek yüzey pürüzlülüğünün önemli bir kesme bileşeni olmakla birlikte, diğer kesme bileşenleri üzerinde de etkisinin olduğunu belirtmişlerdir. Pürüzlülüğün kesme dayanımı üzerindeki etkisi kaya kütlesinin çok karmaşık bir yapıya sahip olması nedeniyle günümüze kadar tam olarak açıklanamamıştır (Ünal, 2000). Süreksizlik düzlemlerinin pürüzlülüğü, tarak (tel profilmetre), komparatör, fotoğraf tekniği, şerit metre yöntemi, lazer tekniği ve yüzey pürüzlülük tarayıcısı gibi 8

24 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN çeşitli yöntem ve aletlerle ölçülebilmektedir. Bazı yöntemler uygulanmasındaki zorluk ve karmaşıklık nedeniyle pek kullanılmamaktadır. Pürüzlülüğün ölçümünde kullanılan en basit yöntemler Barton tip tel profilmetre ve komparatör ile yapılan ölçümlerdir (Şekil 1.6). Bu çalışmada da Barton tip tel profilmetre kullanılmıştır. Süreksizlik düzlemli üzerinde pürüzlülük ölçümlerinin tek bir hat doğrultusunda yapılmaktansa birden fazla kesit hattı üzerinden yapılarak yüzey modelinin çıkarılması gerekmektedir. Bu nedenle pürüzlü düzlem üzerinde belirli aralıklarla birkaç kesit düzlemi belirlenmeli ve x y yönünde ölçümler alınmalıdır. Böylece bilgisayar programları aracılığıyla yüzey modellemesinin yapılması mümkün olmaktadır. Eğer pürüzlü yüzeylerin örtüşme dereceleri ölçülmek isteniyorsa süreksizlik düzlemlerinin alt ve üst parçalarından ölçüm alınmalıdır (Zhao, 1997). Süreksizlik düzlemlerinin örtüşme derecesi Zhao (1997) tarafından önerilen eklem örtüşme katsayısı (JMC) ile hesaplanmaktadır. Eklem örtüşme katsayısı, yüzeylerin temas alanlarının hesaplanmasıyla belirlenmektedir. Şekil 1.6. Barton tip tel profil metreye ait görüntü. 9

25 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN 1.6. Süreksizlik Düzlemlerinin Kesme Dayanımı Kaya kütlelerindeki stabiliteyi kontrol eden en önemli parametre kesme dayanımıdır. Süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımlarını kontrol eden en önemli faktör ise yüzey pürüzlülüğüdür. Yüzey pürüzlülüğü, yüksek frekanslı çıkıntı ve girinti şeklindeki düzensizlikler veya düşük frekanslı dalgalanmalar şeklinde olabilmektedir (Aktaş, 2000). ISRM, 1978 de dalgalılık ve pürüzlülük ilişkisi geniş bir şekilde ölçüm yöntemleriyle ilk olarak ortaya konmuştur (Şekil 1.7). Şekil 1.7. Süreksizlik düzlemlerindeki pürüzlülük ve dalgalılık ilişkisi. Süreksizlik düzlemlerinde gözlenen yüzey pürüzlüğü, kayanın kesme dayanımı üzerinde oldukça etkilidir. Süreksizliklerin kesme dayanımı arazide ve laboratuvarda ölçülebilmektedir. Ayrıca, kaya kütlesi kesme dayanımı benzer jeolojiye sahip birimler içersinde açılan şevlerin geriye dönük analizlerini kapsayan deneye dayalı yöntemlerle de belirlenebilir. Süreksizlik düzlemlerinde kesme dayanımını belirlerken kullanılan en genel deney doğrudan kesme (makaslama) dayanımı deneyidir (Şekil 1.8). Bunun dışında, süreksizlik düzlemlerindeki yenilmelerin belirlenmesinde kullanılan içsel sürtünme açısı ve JRC değerinin bulunması amacıyla Tilt testi de yapılabilmektedir (Şekil 1.9). Tilt testinde, örtüşme derecesi yüksek olan iki süreksizlik düzlemi üst üste getirilerek eğimli bir tabla üzerinde eğim derecesi arttırılarak deney yapılmaktadır. Böylece kayma sırasında tablanın eğiminden kayma açısı kolaylıkla okunabilir. Tilt testi sonucunda süreksizlik yüzeyinin pürüzlülük katsayısı (JRC), 10

26 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN alınabilir. αφ JRC = log σ b JCS n ile bulunur. Burada, α= Kayma açısı (1.2) σ n = Kayma yüzeyindeki normal gerilim (örneğin 0.1MPa gibi düşük değerler φ b = Temel sürtünme açısı (düz ve pürüzsüz yüzey için) JCS= Eklem basınç dayanımı dayanımı (Schmidt çekici ile bulunabilir) Şekil 1.8. Taşınabilir doğrudan makaslama deney aleti. 11

27 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Şekil 1.9. Tilt testi için kullanılan cihaza ait çizim görüntüsü. Doğrudan kesme dayanımı deneyi farklı düşey gerilmeler altında en az 3 örnek üzerinde yapılmaktadır. Düşey gerilmelerin artması ile kesilme dayanımı da artmaktadır. Kaya şevlerinin tasarımında kayma yüzeyinin kesme dayanımı Coulomb (1773) malzemesi gibi kabul edilerek, kayma yüzeyinin kesme dayanımı, kohezyon (c) ve sürtünme açısı (φ) ile ifade edilir (Wyllie and Mah, 2004). Bu dayanıma ait parametreler sabit bir yük altında kesme gerilmesi kesme yerdeğiştirmesi ilişkisinden bulunmaktadır (Şekil 1.10). Yer değiştirmenin küçük olduğu durumlarda malzeme elastik olarak davranırken, artan kesme gerilmesi ile yer değiştirme değeri doğrusal olarak artar. Malzeme artan gerilimeye bir süre direnç gösterir ve en büyük kesme gerilmesi değerine ulaşıldığı anda malzeme yenilir. Bu esnada elde edilen değer pik (doruk) değer olarak tanımlanır. Pik kesme dayanımı değeri elde edildikten sonra yer değiştirmeyi sağlamak için gereken gerilme azalır ve sonuçta malzeme sabit bir değere yani rezidüel (artık) kesme dayanımı değerine ulaşır. Farklı normal gerilme (σ) değerlerinde yapılan deney sonucunda elde edilen farklı pik kesme dayanımı verileri Mohr (1900) grafiğine aktarılarak kohezyon ve sürtünme açısı değerleri elde edilir (Şekil 1.11). 12

28 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Şekil Süreksizlik düzlemlerinde farklı normal gerilmeler altında ε τ ilişkisi (ISRM, 1981). Şekil Bir süreksizlik düzleminin kesme dayanımının tanımı (Wyllie and Mah, 2004). 13

29 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Pik veya rezidüel kesme dayanımı aşağıdaki şekilde ifade edilir. τ = c + σ tanφ (1.3) Bu eşitlikteki en önemli parametre sürtünme açısıdır. Uygulanan her bir normal gerilme değeri için pik (φ p ) ve rezidüel (φ r ) olmak üzere iki ayrı sürtünme açısı değeri elde edilir. Elde edilen rezidüel sürtünme açısı pik sürtünme açısından daha küçüktür Pürüzlü bir düzlemde kesme işlemi sonrasında yüzeyi oluşturan düzensizlikler aşınmaktadır ve yer değiştirme sonucu düzlemi bir arada tutan çimentolayıcı malzemenin aşınması sonucu kohezyon ortadan kalkmaktadır. Böylece ortaya, pürüzlülüğü az düze yakın bir yüzey ortaya çıkacaktır. Düzlemsel ve dolgu içermeyen bir yüzeyin kohezyonu sıfıra eşit olduğundan bu yüzeye ait kesme dayanımı sadece sürtünme açısı ile ifade edilir. Yukarıdaki eşitlik, süreksizlik düzleminin kesme gerilmesi yönünde (τ) geliştiği durumlar için geçerlidir. Süreksizlik düzleminin kesme gerilmesi ile i açısı yaptığı durumlarda kesme gerilmesi ile normal gerilme arasında aşağıda ilişki elde edilir (Şekil 1.12). = c + σ tan( φ + i) τ (1.4) Patton (1966) duraysız kireçtaşı şevleri üzerinde yapmış olduğu deneyler ile ortalama i açısını ölçerek bu ilişkiyi deneylerle doğrulamıştır. Patton (1966) çalışmasının sonucunda tabakalanma düzlemi izi ne kadar pürüzlü ise şev açısının da o kadar yüksek olacağını ortaya koymuştur (Şekil 1.13). Ayrıca, tabakalanma düzleminin eğiminin yaklaşık kayaların laboratuvarda düzlemsel yüzeyler üzerinde bulunan sürtünme açısı (φ) ile ortalama pürüzlülük açısının (i) toplamına eşit olduğunu belirlemiştir. 14

30 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Şekil Eğimli bir yüzeyde kesme gerilmesi (Wyllie and Mah, 2004). Şekil Pürüzlü tabakalanma yüzeylerine sahip kireçtaşlarının çalışma sahasında yüksek şev açısındaki görünüşleri. Başlangıçta örselenmemiş ve örtüşme katsayısı yüksek (kenetlenmiş) olan pürüzlü bir yüzeyin pik sürtünme açısı φ + i dir. Artan normal gerilme ve yer değiştirme ile birlikte pürüzlülük giderek azalır ve sürtünme açısı düşer ve rezidüel sürtünme açısına (φ r ) ulaşılır. Bu hacimsel genişleme makaslama ilişkisi Mohr 15

31 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN diyagramında başlangıçtaki eğimi φ + i olan ve yüksek normal gerilmelerde φ r ye düşen eğrisel bir dayanım zarfı ile temsil edilir (Wyllie and Mah, 2004) (Şekil 1.14). Şekil Pürüzlülük ve normal gerilmenin sürtünme açısı üzerindeki etkisi (TRB, 1996). Tasarımda pürüzlülük bileşeninin gerçekçi değerlerinin kullanılabilmesi için φ + i değerinin yaklaşık 50 dereceyi aşmaması gerekir (Wyllie and Mah, 2004). Bir düzlemin kohezyonunu kesme kutusu deneyi ile belirlemek ise genellikle çok zordur (Wyllie and Mah, 2004). Çünkü kohezyonun çok düşük olduğu durumlarda örselenmemiş örnek elde etmek kolay değildir Süreksizlik Düzlemlerindeki Ayrışmanın Kesilme Dayanımına Etkisi Gerilim koşulları altında kayada çatlakların açılması, yeni süreksizliklerin oluşması ve bunlara bağlı olarak tane dokanakları ve taneler boyunca oluşan çatlamalarla kaya irili ufaklı bloklara ayrılır (Şekil 1.15). Oluşan süreksizlik düzlemleri bir kaya kütlesindeki en zayıf noktalar olup, bu yüzeyler üzerinde suyun 16

32 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN ve donma çözünmenin yarattığı etki kaya malzemesinde ve kütlesinde ayrışmaya neden olmaktadır. Fookes (1970) kayaların mekanik özelliklerini belirleyen en önemli etkenin, kayaların atmosferin doğrudan etkisi altındaki geçirmiş olduğu değişim olduğunu belirtmiştir. Kayaların fiziksel ve mekanik özellikleri üzerindeki en önemli değişken ayrışma derecesidir. Özellikle süreksizlik düzlemleri üzerinde hareket eden su, bu yüzeylerdeki mineraller üzerinde farklı etkilere neden olmaktadır. Ayrıca, süreksizliklerin örtüşme derecesini de düşürerek süreksizliklerin geometrik, mekanik ve hidrolik özelliklerini de etkilemektedir (Re vd, 1997). Şekil Granitoyidlerdeki çalışma alanında süreksizlik düzlemlerinin yarattığı bloklu yapı. Ayrışmaya uğramış eklemler üzerinde Barton ve Choubey (1977) tarafından yapılan çalışma ile doruk (pik) kesilme dayanımı ölçütü ilk olarak bulunmuştur. Bu konuda yapılan birçok çalışmada, benzer pürüzlülük ölçülerine sahip eklem yüzeylerinde ayrışmaya uğramış eklem yüzeylerinin kesilme dayanımı değerlerinin, 17

33 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN sağlam olanlardan daha düşük çıktığı belirlenmiştir. Bunun nedeni olarak ayrışma sonucunda eklemlerin tek eksenli basma dayanımı değerlerinin düşmesi olduğu belirtilmiştir (Ünal, 2000). Fakat ayrışmış örneklerin tek eksenli basma dayanımı değerlerinin eklemleri tam olarak yansıtmadığı bilinmektedir ve günümüzde bu konu ile ilgili çalışmalar hala yürütülmektedir (Hastings, 1993). Bu tez kapsamıdan yapılan çalışmalarda bunlardan biridir. Özellikle, granit gibi bazı kayalarda ayrışma ile birlikte farklı yapıdaki minerallerin ayrışma koşullarındaki farklı davranışları pürüzlülük ile kesilme dayanımının ve ayrışma ile pürüzlülük arasındaki ilişkilerin denetlenmesi gerektiğini ortaya çıkarmaktadır. Yapılan arazi çalışmalarından elde edilen gözlemsel sonuçlar, granit gibi kayaçların ayrışma ile dayanımının azaldığını fakat süreksizlik düzlemlerinde pürüzlülüğün arttığını göstermiştir (Şekil ). Bu gözlemsel değerlendirme bazı kristalize kireçtaşlarında da gözlenmektedir. Özellikle saha çalışmalarında gözlenen ayrışma pürüzlülük etkileşimi bu çalışmanın yola çıkış amacını oluşturmaktadır. Ayrışma kontrolünde olan pürüzlü yüzeylerdeki kesilme dayanımı ile pürüzlülük ilişkisi her iki kayaç içinde ortaya konmaya çalışılarak bu ilişkinin farklı kayaçlar için de denetlenmesi gerektiğini ortaya koyması açısından bu çalışma önem arz etmektedir. Şekil Taze yüzeyli granit eklemlerinde gözlenen pürüzlülük profili. 18

34 1. GİRİŞ Burcu ÖZVAN Şekil Ayrışmış granit eklemlerinde gözlenen pürüzlülük profili. 19

35 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Burcu ÖZVAN 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Literatürde süreksizlik düzlemlerinin tanımlanmaları ve dayanım özellikleriyle ilgili birçok yayın bulunmaktadır. Bu bölümde tez konusuna yakın olan ve temel konuları içeren yayınlar özetlenmiştir. Patton (1966), pürüzlülük görüntülerini sayısal olarak tanımlayabilmek amacıyla görüntüleri formüle edebilen geometrik şekiller kullanmıştır. Patton, modelinde eklem yüzeylerini birbiri ile ötüşen testere dişlisi olarak tanımlamıştır. Böylece, süreksizlik davranışlarının kestirilmesine yönelik adımlar atmıştır (Şekil 2.1). Patton kesme düzlemi ile süreksizlik düzlemi arasındaki açıyı i ile göstermiştir ve örneğe etki eden kesme (makaslama) ve normal gerilmeyi i açısına bağlı olarak aşağıdaki eşitliğe göre ifade etmiştir. Burada süreksizlik düzleminin sürtünme açısı φ b ve pürüzlülük açısı ise i olarak tanımlanmıştır. τ = σ ( φ i) (2.1) n b + Şekil 2.1. Patton a ait testere dişli pürüzlülük modeli. Barton (1973), süreksizlik yüzeyinin pürüzlülüğünü sayısal olarak ilk kez tanımlamış ve deneye dayalı olarak ifade etmiştir. Yapmış olduğu deneyler sonucunda pürüzlü yüzeyleri 0 ile 20 arasında değişen değerlerle tanımlamıştır. Barton (1976), Barton un bir önceki çalışması deneysel çalışmalarla desteklenerek ve deneyler arasındaki sonuçlar birleştirilerek tekrar yorumlanmıştır. Barton 1976 yılında yapmış olduğu çalışmada düşük normal gerilmelerde 20

36 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Burcu ÖZVAN kabarmaların olacağını ve normal gerilme değerinin tek eksenli basma dayanımı değerine eşit olduğu durumlarda ise kabarmaların tamamen önleneceğini belirtmiştir. Böylece, aşağıda verilen ilk pik kesme dayanımı modelini elde etmiştir. Bu çalışmalar yapraklanmanın (foliasyonsuz) olmadığı kaya kütlelerindeki eklemler üzerinde belirlenmiştir. τ σ n σ c ( 20) log + φ = b tan (2.2) σ n Barton ve Choubey (1977), pürüzlülük görüntülerini ölçek bazında sayısal bir şekilde ifade etmişlerdir (Şekil 2.2). Eklem görüntülerini pürüzlülük açısından tanımlamak amacıyla pürüzlülük derecesini belirtmede kullanılan Eklem Pürüzlülük Katsayısı (JRC) değerlerini önermişlerdir. Böylece eklem pürüzlülüğünün sayısal olarak tanımlanmasına olanak sağlanmış ve kesme dayanımı değerlerinin belirlenmesinde önemli sonuçlar ortaya konmuştur. Süreksizlik düzlemleri üzerindeki pürüzlülüğün kesme dayanımı üzerindeki etkisini ölçmek amacıyla da bir çok çalışma yapılmıştır. Böylece 1976 de Barton tarafından yapılan çalışmanın sonuçları aşağıdaki eşitliğe indirgenmiştir. τ = tan( φ b ) σ (2.3) n Barton un 1976 da önermiş olduğu ilk eşitlikteki çekme sonucu oluşan pürüzlü eklemlerin üst sınırı olan 20 sabiti eklem pürüzlülük katsayısı ile yer değiştirmiş ve eşitlik aşağıdaki şekilde ifade edilmiştir. Böylece JRC değerinin eklem kesme dayanımı ile basma dayanımı arasındaki ilişki olduğu ortaya konulmuştur. τ σ n σ c ( JRC) log + φ = b n tan (2.4) σ 21

37 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Burcu ÖZVAN Şekil 2.2. Pürüzlülük görüntüleri ve Eklem Pürüzlülük Katsayısı (JRC). Ayrışma sonucu bozunmuş olan eklemlerin, bu çalışmaların sonuçlarını etkilediği düşüncesiyle Barton ayrıca eklem basma dayanımı (JCS) terimini geliştirerek bu değeri de bulmuş olduğu bağıntıya dahil etmiştir. Bu değeri, pik kesme dayanımı eşitliğindeki tek eksenli basma dayanımı değerine karşılık olarak önermiştir. Bozuşmamış eklemler için tek eksenli basma dayanımı değeri JCS değerine eşit olarak kabul edilmektedir. τ σ n JCS ( JRC) log + φ = b tan (2.5) σ n Bu eşitlikte, [( JRC) ( JCS / σ )] log değeri pürüzlülük açısı i ye eşdeğerdir. Yüksek gerilme düzeylerinde kaya dayanımına göre ( / ) = 1 ve düzensizliklerde kesilme olduğu zaman [( JRC) ( JCS / σ )] n JCS σ olabilmektedir n log terimi sıfıra eşit n 22

38 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Burcu ÖZVAN olmaktadır. Düşük gerilme düzeylerinde ise ( JCS / σ n ) oranı sonsuza yaklaşma eğiliminde olduğundan kesme dayanımının pürüzlülük bileşeni çok yüksek olur. Barton JCS değerinin belirlenmesi aşamasında kolay bir yöntem olan Schmidt çekici değerini kullanmayı önermiştir. JCS değeri, kayanın birim hacim ağırlığı ve Schmidt çekici sıçrama değeri (R e ) kullanılarak aşağıdaki bağıntı ile bulunabilmektedir. log( JCS ) γ ( R ) (2.6) = e ISRM (1978), pürüzlülük ölçümlerini laboratuvar (küçük ölçekli) ve arazi ölçümleri (orta ölçekli) olarak santimetrelik ölçümlerden birkaç metreye karşılık gelen ölçümler şeklinde tanımlamışlardır. Ayrıca, büyük ölçekli dalgalanmaların ise küçük ve orta ölçekli pürüzlülükleri içerdiğini ve bunlar üzerinde etkisi olduğunu belirtmişlerdir (Şekil 2.3). Şekil 2.3. ISRM 1978 e göre farklı ölçeklerde gözlenen pürüzlülükler. Hoek ve Bray (1981), Patton modelindeki gibi pürüzlü yüzeyin hep aynı kalmayacağını ve normal gerilmenin artması ile pürüzlerin kırılıp parçalanacağını belirtmişlerdir. Böylece, pürüzlülük açısının sıfırlandığını ve kesme yer değiştirmesinin Coulomb ölçütünde olduğu gibi kohezyona bağlı bir fonksiyon olduğunu ifade etmişlerdir. τ c +σ n (tanφ b ) = (2.6) 23

39 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Burcu ÖZVAN ISRM (1981), pürüzlülüğü, basamaklı, dalgalı ve düzlemsel olarak üçe ayırmış ve pürüzlülük görüntüleri ile kesme dayanımı arasındaki ilişkiyi ifade ederek pürüzlülük kesme ilişkisini ortaya koymuşlardır (Şekil 2.4). Şekil 2.4 ISRM, 1981 e göre pürüzlülük görüntüleri ve kesme dayanımı arasındaki ilişki. Maerz vd (1990), 124 profil üzerinde yaptıkları bir çalışmada JRC değerlerini standart profillerle karşılaştırmış ve elde ettikleri sonuçlardaki ortalama hatanın %20 24

40 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Burcu ÖZVAN olduğunu belirtmişlerdir. Böylece pürüzlü yüzeylerin görüntüsünün JRC ile karşılaştırılmasının sorgulanması gerektiğini vurgulamışlardır. Cunha (1990), süreksizlik yüzeyleri üzerinde gelişen kesme dayanımını değiştiren fonksiyonları açıklamıştır. Buna göre kesme dayanımının; normal gerilmelere, dolgu malzemesinin özelliklerine ve kalınlığına, süreksizlik yan duvarlarının pürüzlülüğüne ve dayanımına, kesme kuvvetinin yönü gibi özelliklere bağlı olduğunu açıklamıştır. Zhao (1997), süreksizlik düzlemlerindeki bozuşmalar nedeniyle her bir süreksizlik düzleminin farklı pürüzlülük değerine sahip olduğu belirterek eklem pürüzlülük katsayısı (JRC) modeline eklem örtüşme katsayısı (JMC) değerini eklemiştir. Bu çalışmada 0 ile 1 arasında değişen sayısal değerler ifade edilmiştir. Sıfır değeri eklem yüzeylerinde örtüşmenin olmadığı, 1 değeri ise eklem yüzeylerinin tam olarak örtüştüğünü göstermektedir. 25

41 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN 3. MATERYAL VE METOD Çalışmanın bu kısmında, deneysel ve gözlemsel analizlerde kullanılan malzemenin özellikleri ile çalışma sırasında yöntem olarak uygulanan aşamalar verilmiştir Materyal Bu çalışmada, Türkiye nin farklı bölgelerinde yapılan arazi çalışmaları sonucunda elde edilen gözlemlere dayalı olarak kaya örnekleri alınmıştır. Çalışmanın ana kaya malzemesini, ayrışma sonucunda farklı pürüzlü yüzeyler veren granit ve stilolit içeren kristalize kireçtaşları oluşturmaktadır. Arazi çalışmalarının temelinin oluşturulması amacıyla, çalışma alanlarını içeren, 1/ ölçekli topografik haritalar kullanılmıştır. Bu haritalar üzerinde bölgenin jeoloji haritalarının oluşturulması amacıyla MTA tarafından yapılan haritalar ile farklı çalışmalardan elde edilen jeoloji haritaları kullanılmıştır. Arazi çalışmalarında; jeolog çekici, lup, fotoğraf makinesi, numune torbaları ve karotlu sondaj araç ve gereçleri kullanılmıştır. Laboratuvar çalışmaları için, ince kesit malzemeleri, açı ölçer, kumpas, tel profil metre, örnek hazırlama kalıpları, alçı ve kayada kesme (makaslama) dayanımının belirlendiği taşınabilir düzenek kullanılmıştır (Şekil 3.1). Büro çalışmalarında ise bilgisayar ve yazılım programları kullanılmıştır. 26

42 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN Şekil 3.1. Deney öncesi örnek kalıplarının hazırlanması ve kullanılan alçı (a, b, c) ile taşınabilir kaya kesme (makaslama) düzeneği (d) Metod Bu çalışma genel olarak, literatür taraması, arazi çalışmaları, laboratuar analizleri ve büro çalışmaları olmak üzere dört aşamada tamamlanmıştır Literatür Taraması Çalışmanın aşamaları için önceki çalışmalar incelenmiştir. Çalışmada kullanılacak malzemenin seçimi için jeolojik ve deneysel bilgiler elde edilmiş ve konu ile ilgili yapılan diğer çalışmalara ait ilgili literatür taraması, kütüphaneler ve internet ortamında araştırılmıştır. Ayrıca araştırma ile ilgili tezler, makaleler, raporlar ve kitaplardan faydalanılmıştır. 27

43 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN Arazi Çalışmaları Arazi çalışmaları, farklı dönemlerde yapılmış olup, çalışmalara 2008 yılında başlanmıştır ve yaklaşık bir yıl sürmüştür. Çalışmanın arazi kısmı uzun bir dönem içerisinde farklı bölgelerde yapılmış gözlemsel tecrübeler sonucunda belirlenmiştir. Bu aşamada, gerek üniversite ve gerekse serbest piyasada mühendis olarak çalışan kişiler ile sözlü görüşmeler yapılmış ve olayın özü anlatılarak uygun örneklerin seçilebileceği alanlar belirlenmiştir. Belirlenen alanlarda ilk olarak jeolojik çalışmalar ve gözlemler yapılmış ve bu alanlardan arazide karot ve blok örnekler alınmıştır (Şekil 3.2). Arazide örneklerin seçimi sırasında tel profil metre ile pürüzlülüklerine bakılmış ve deney için öngörülen örnekler seçilmiştir (Şekil 3.3). Süreksizlik düzlemlerinden alınan örneklerde özellikle pürüzlü yüzeyin ayrışmış olmasına ve ayrışma sonucunda varsa gelişen pürüzlülüğe bakılmıştır. Özellikle granitler ve kristalize kireçtaşları bu konuda ilgi çekici örnekler olarak belirlenmiştir. Her iki kayanın süreksizlik düzlemleri ayrışma ile farklı pürüzlülükler kazanmaktadır. Bu nedenle belirlenen kayalardan çalışma için ideal örnekler elde edilebilmektedir. Şekil 3.2. Çalışma alanlarından sondaj (a, c) ve blok örnek (b) alımına ait görüntüler. 28

44 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN Şekil 3.3. Arazide tel profil metre ile süreksizlik düzlemlerinin pürüzlülüklerinin ölçülmesi Laboratuvar Çalışmaları Ön arazi çalışmaları sırasında belirlenen sahalardan alınan örnekler üzerinde petrografik ve mekaniksel analizler yapmak amacıyla örnekler hazırlanmıştır. Alınan örnekler üzerinde yapılan deneyler, uygun standartlar kullanılarak yapılmış ve yorumlanmıştır. Laboratuvar çalışmaları, Çukurova Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü Kaya Mekaniği ile Çukurova Üniversitesi Maden Mühendisliği Bölümü laboratuvarlarında yürütülmüştür Petrografik Analizler Çalışma alanlarından seçilen örnekler üzerinde petrografik tanımlama amacıyla ince kesitler hazırlanmış ve bu örnekler polarizan mikroskopta incelenmiştir. İncelenen örneklerde, özellikle ayrışmanın mikroskobik olarak görünümü ve şekli belirlenmiştir. İncelenen kayaların, mineral bileşimi, dokusu, mineral boyutu, opak minerallerin varlığı, boşluk miktarı, ayrışmaya uğramış minerallerin varlığı ve mikro çatlak oranları belirlenmeye çalışılmıştır Mekaniksel Analizler Çalışmanın en hassas ve ayrıntılı kısmı kaya kütlelerinin içerdiği doğal süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımı değerinin belirlenmesi amacıyla 29

45 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN yapılmıştır. Deneysel kısımda ISRM (1981 ve 2007) ile CANMET (1997b) tarafından belirtilen yöntemlerden faydalanılmıştır. Mekaniksel deneylerin ilk aşamasında, süreksizlik düzlemlerinin yan kayacını oluşturan kesimlerden alınan karot örnekler üzerinde kayanın kuru birim hacim ağırlığı ve tek eksenli basma dayanımı değerleri ISRM (1981) e göre belirlenmiştir. Kapasitesi 2000 kn olan, hidrolik baskı ile deneyler yapılmıştır. Yükleme hızı, örneklerin 5 ile 10 dakika arasında yenilecek şekilde ayarlanmıştır. Deneyde her kaya grubu için en az 5 örnek deneye tabi tutulmaya çalışılmıştır. Ayrıca, alt ve üst yüzeyi biri birine paralel olan karot örnekleri üzerinde 54 khz lik vericisi ve alıcısı olan E48 marka PUNDIT (Portable Ultrasonic Nondestructive Digital Indicating Tester) kullanılarak örneklerin P (sıkışma) dalgasının yayılma hızı belirlenmiştir. Bu deneyin uygulanış yönteminde ASTM (2003) ve ISRM (1981) tarafından önerilen hususlar dikkate alınmıştır. Mekaniksel deneylerin ikinci aşamasında ise, süreksizlik düzlemlerinin açıları ve kesme dayanımı değerleri belirlenmiştir. Bu aşamada ilk olarak süreksizlik düzleminin yatayla yapmış olduğu açı değeri okunmuş ve kumpas ile deneye tabi tutulacak örneklerin çapları farklı yönlerden belirlenmiştir. Çapları belirlenen örneklerin tel profil metre ile pürüzlülükleri 8 ayrı kesit hattına göre ölçülerek kaydedilmiştir (Şekil 3.4). Doğrudan kesme (makaslama) deneyine geçilmeden önce örneklerin deney düzeneği içersine yerleştirilebilmesi için alçı veya çimento kalıplar içersine dökülmesi gerekmektedir. Bu amaçla dayanımı yüksek, hızlı donan ve kartonpiyer yapımında kullanılan alçı malzeme tercih edilmiştir (Şekil 3.5 a). Kaya malzeme alçı içerisine iki aşamalı olarak yerleştirilmiştir. Yerleştirme işleminden önce kaya malzeme süreksizlik düzleminin ayrılmaması amacıyla bant ile sarılmış ve ilk olarak alt yarı kalıp hazırlanarak bu kalıbın donması beklenmiştir. Kaya örneği alt kalıp içerinse yerleştirilirken en önemli husus süreksizlik düzleminin kesme yönüne paralel olması gerekmektedir (Şekil 3.5 b,c). Bu nedenle örnek alçı malzeme içersine yerleştirilirken kalıbın yan tarafındaki açıklıktan süreksizlik düzleminin konumu ayarlanmalıdır. Örnek kalıp içerine yerleştirilirken süreksizlik düzleminin 4-5 mm lik bir kısmı açıkta kalacak şekilde örnekler alçı içersine gömülmüştür. Bağlayıcı alçı donmadan spatula ile yüzeyi çıkıntılar olmayacak 30

46 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN şekilde düzeltilmiştir ve bağlayıcı donmaya yakın sabitleme vidaları alçı içersine girecek şekilde sıkılmıştır. Şekil 3.4. Profil metre ile yapılan ölçümler (a, c) ile bunların 8 ayrı hatta göre sonuçlarının kaydedilmesi (b, d). Deney için örneği hazırlama aşamasının son kısmında ise alçı malzeme kalıbın diğer yarısına dökülerek donan kısım bunun üzerine oturtulmuş ve kaya örneğinin diğer yarısı alt yarıda kalan alçıya gömülmüştür (Şekil 3.5d). Tekrar spatula ile kalıpların açıklık kısmından alçının yüzeyi düzeltilmiş ve alçı donmadan önce kalıba tokmak ile hafif bir şekilde vurularak alçının kaya malzeme etrafında iyice yerleşmesi sağlanmıştır. Alçı malzeme donduktan sonra kaya örneğini tutan bant kesilerek ve sabitleme vidaları çıkartılmış ve alçı kalıplar deneye hazır hale getirilmiştir. Kalıptan çıkartılan alçılar tam olarak kuruması amacıyla deneyden önce 1-2 gün açık havada bekletilerek dayanımı daha da arttırılmıştır. 31

47 3. MATERYAL VE METOD Burcu ÖZVAN Şekil 3.5. Kaya örnekleri sabitlemek için kullanılan alçı (a) ve örneğin kalıba yerleştirilmesi aşamaları (b, c, d). Hazırlanan alçı kalıplar deney aşaması için ELE marka taşınabilir doğrudan kesme deney aletine yerleştirilerek deneye tabi tutulmuştur (Şekil 3.6). Deney her bir kayaç örneği için farklı gerilim koşullarında tekrarlanmıştır. Her bir örnek için sabit bir normal yük uygulandıktan sonra hidrolik el pompası kullanılarak her bir örneğe makaslama kuvveti uygulanmıştır (Şekil 3.7). Kesme yer değiştirme hızı, standartlarda belirtildiği şekliyle 10 dakikalık süre boyunca 0.1mm/dakikadan az olmayacak şekilde uygulanmaya çalışılmıştır. Doruk kesme değerine ulaşıldıktan sonra yer değiştirme değerleri daha sık aralıklarla okunarak deney devam ettirilmiş ve kesme kuvveti değerleri arasında %5 den daha az değerler elde edildiğinde, artık kesme (Rezidüel) dayanımına ulaşıldığı kabul edilerek deney sona erdirilmiştir (Şekil 3.8). 32