- KAYA KÜTLELERİNDE SÜREKSİZLİKLER - Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Trabzon
1. Giriş Günümüzde, mühendislik jeolojisi içerisinde yer alan kaya mühendisliği uygulamaları radyoaktif atıkların depolanması için inşa edilen büyük yer altı açıklıklarını oluşturulması, açık maden ocağı işletmeleri, karayolu yapımı esnasında oluşan şevlerin stabilitesi, tüneller ve yer altında madene ulaşılmak üzere yapılan kazılar gibi bir çok mühendislik uygulamasını içermektedir. Tüneller Şev stabilitesi Ankraj Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -1-
2. Kaya kütlesi, malzemesi ve süreksizlik kavramı Kaya kütleleri, sürekli, homojen ve izotrop malzemeler olmayıp, çeşitli süreksizlikler tarafından kesilirler. Bu nedenle, dış yüklere maruz kalabilen kaya kütlelerinin davranışı içerdikleri süreksizliklerin özellikleri dikkate alınmadan gerçeğe yakın şekilde analiz edilemez. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -2-
2. Kaya kütlesi, malzemesi ve süreksizlik kavramı a. Süreksizlik Kaya kütlelerinde çekilme dayanımına sahip olmayan (veya çok küçük) tabakalanma, şistozite, fay vb. gibi zayıflık düzlemlerine süreksizlik adı verilir. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -3-
2. Süreksizlik, Kaya malzemesi ve Kaykütlesi kavramları b. Kaya Malzemesi Kaya kütlesinde eklem, tabakalanma, şistozite, fay vb. gibi doğal süreksizliklerin arasında kalan ve malzemenin çekilme dayanımının azalmasına neden olabilecek kırık veya zayıflık düzlemi içermeyen kaya parçası. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -4-
2. Kaya kütlesi, malzemesi ve süreksizlik kavramı c. Kaya kütlesi Süreksizlik ağı ile kaya malzemesinin birlikte oluşturdukları kütle. 3 farklı süreksizlik takımı içeren kaya kütlesi Şekillerde birbirinden bağımsız 3 ayrı süreksizlik takımı görülmektedir (1, 2 ve 3 numaralı düzlemler) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -5-
3. Başlıca kaya kütlesi türleri Eklemsiz (Masif) Kaya Kütlesi: Bu tür kaya kütleleri bozunma zonunun altında bulunurlar ve masif kumtaşları ve granitler gibi foliasyon içermeyen kaya kütleleri bu gruba girer. Bu tür kütleler, sürekli, homojen, izotrop kayalar olarak kabul edilirler. Kısmen Eklemli Kaya Kütlesi: Üçten az sayıdasüreksizlik içeren, devamlılıkları fazla olmayan ve kazıldıkları zaman münferit blokların elde edilemediği kaya kütleleridir. Kısmen Bloklu Kaya Kütlesi: Üçten az süreksizlik içeren, ancak süreksizliklerin arasını yumuşak malzemece dolmuş ve kapalı ikincil süreksizlikler içeren kaya kütleleridir. Kapalı eklem setlerinin birinin deformasyona bağlı olarak açılması durumunda kaya kütlesinde bloklanma gelişir. Boşluklu Kaya Kütlesi: Bu grupta çözünebilir özellikteki kireçtaşları, dolomit, jips, kaya tuzu ve çözülebilir bir çimentoyla tutturulmuş kırıntılı tortul kayaçlar yer almaktadır. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -6-
3. Başlıca kaya kütlesi türleri Bloklu Kaya Kütlesi: İyi gelişmiş, açık veya yumuşak dolgu içeren, devamlılığı yüksek, 3 ten fazla sayıda süreksizlik takımı içeren kaya kütleleridir. Bu tür kaya kütlelerinden kazı sırasında blok elde etmek kolaydır. Çok Gözenekli Kaya Kütlesi: Bu tür kaya kütlelerinde, önemli miktardaki gözenekler, kayanın mekanik davranışlarını etkilerler. İleri Derecede Fisürlü Kaya Kütlesi: Fisürlü kayalar, önemli ölçüde kırılganlığa ve anizotropiye, ayrıca tüm mekanik özellikleri açısından sapmalara neden olan sık aralıklı küçük süreksizlikler içerirler. Sıkışan ve Şişen Kaya Kütlesi: Bu tür kaya kütleleri, suyla temas ettiklerinde ani veya gecikmeli olarak çatlayarak hacim değişikliğine uğrarlar ve aktif kil mineralleri içerirler. Bu tür kayaçlara zemin mekaniğinin temel prensipleri uygulanabilir. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -7-
4. Süreksizlik türleri a. Dokanak İki farklı litolojik sınır arasındaki sınır olup, bu sınır ya uyumlu olur yada uyumsuz veya geçişli olan bir süreksizlik yüzeyidir. b. Tabaka yüzeyi Tortul kayaçların oluşumu sırasında tane boyu ve yönelimi, mineralojik bileşim, renk ve sertlik gibi faktörlerdeki değişime bağlı olarak gelişen yüzeylerdir. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -8-
4. Süreksizlik türleri c. Fay Birkaç cm den km lerce uzunluğa kadar göreceli bir yer değiştirmenin meydana geldiği makaslama yenilmesine maruz kalmış yüzeylerdir. d. Çatlak Yüzeyi boyunca her hangi bir yer değiştirmenin meydana gelmediği kırıklardır. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -9-
4. Süreksizlik türleri e. Foliasyon Yüksek basınç ve/veya sıcaklık altında minerallerin tercihli yönelimi ile ortaya çıkan metamorfik kökenli zayıflık düzlemleridir. f. Dayk, sil vb. Çevre kayasından farklı özellikteki bir malzeme tarafından doldurulmuş kırıklardır. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -10-
5. Kaya kütlelerinin tanımlanması Süreksizliklerin özellikleri mostrada veya sondaj karotlarında değişik ölçüm tekniklerinden yararlanılarak tespit edilir. Kaya kütlelerinin tanımlanması amacıyla, süreksizliklerin aşağıdaki blok diyagramda gösterilen özellikleri belirlenmelidir. 1. Süreksizlik setleri 2. Süreksizlik yönelimi 3. Süreksizlik açıklığı 4. Süreksizlik ara uzaklığı 5. Süreksizlik yüzey pürüzlülüğü 6. Süreksizlik yüzey dalgalılığı 7. Süreksizliklerde dolgu 8. Süreksizliklerde su durumu 9. Blok boyutu Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -11-
5. Kaya kütlelerinin tanımlanması Süreksizliklerin toplanmasında istatistiksel anlamda en tatmin edici sonuçların alındığı yöntem, hat etüdü yöntemidir. Jenning (1970) tarafından önerilen yöntem, ISRM (1978) tarafından geliştirilmiştir. Ölçüm hattı Hat Etüdü Yöntemi Süreksizliklerden doğrudan ölçüm alınmasına olanak kılan bu yöntemin ilk olarak süreksizlik ara uzaklığı ve devamlılığına bağlı olarak uygun uzunlukta mostra yüzeyleri seçilir, ölçümler genellikle tek hat üzerinde yapılır. Mostranın seçiminde, süreksizliklerin en az % 50 sinin ucu görünecek şekilde olması ve en az 150 adet süreksizliğin ölçülebilmesi koşulu dikkate alınmalıdır. Ölçümün yapılacağı hattın üzerine şerit metre serilir ve hattın başlangıç ve bitiş noktaları ahşap kazıkla işaretlenir. Şerit metre merkezde olmak üzere hattın 50 cm üzerinde ve altında kalan kısımlar esas alınır. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -12-
5.1. Süreksizlik yönelimi Süreksizliklerin uzaydaki konumları, eğim ve doğrultularıyla tanımlanır. Süreksizlik konumları jeoteknik çalışmalarda, pusula ile eğim yönü açısı ve eğim derecesi ölçülerek belirlenir. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -13-
5.2. Süreksizlik yönelimi Yönelimleri hemen hemen bir birleriyle aynı olan münferit süreksizliklerin oluşturduğu topluluğa süreksizlik takımı adı verilir. Kaya kütleleri çoğu kez birden fazla süreksizlik takımı ile bölünmüştür. Süreksizlik konumu verileri grafiksel olarak; 1. gül diyagramları, 2. histogramlar 3. stereografik izdüşüm teknikleriyle değerlendirilir. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -14-
5.3. Süreksizlik aralığı (ara uzaklığı) Süreksizlik aralığı (veya ara uzaklığı) kaya kütlelerinde komşu konumlu 2 süreksizlik veya birbirine paralel süreksizliklerden oluşmuş bir süreksizlik takımındaki iki süreksizliğin arasındaki uzaklıktır. Bu değer mostra yüzeyi üzerinde belirli bir yönde serilen şerit metre boyunca bu şerit metreyi kesen süreksizliklerden ölçülebileceği gibi, sondaj karotlarından da tayin edilir. Süreksizlik aralığı Kaya kütleleri için süreksizlik aralığı parametresinin tanımlanması amacıyla tabloda görülen ve ISRM (2007) tarafından önerilen tanımlama ölçütleri kullanılmaktadır Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -15-
5.3. Süreksizlik aralığı (ara uzaklığı) Bir süreksizlik takımını oluşturan süreksizliklerin birbirlerine tam paralel olması mümkün olmadığı için gerçek aralık parametresi ölçüm hattının yöneliminden veya ölçümün yapıldığı mostra yüzeyinin konumundan etkilenir. Bu nedenle görünür aralık değerinin ölçülmesi uygulamada daha yaygındır. Süreksizlik konumun dik olmayan ölçüm hattı (hat etüdü) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -16-
5.3. Süreksizlik aralığı (ara uzaklığı) Detaylı mühendislik uygulamalarında ölçülen görünür süreksizlik aralığı değerinin şekillerde görüldüğü gibi gerçek aralık değerine dönüştürülmesi gerekmektedir. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -17-
5.4. Süreksizlik devamlılığı Süreksizliklerin devamlılığı, süreksizliklerin bir düzlemdeki alansal yayılımının göstergesi olup duraylılığı etkileyen önemli bir parametredir. Devamlılık arttıkça şev duraysızlığı artar. Devamlılık kaya mostrasında doğrudan şerit metre ile ölçülür ve üç boyutlu bir kavram olduğu için yönü kaydedilir. Devamlılığın ölçülmesi için en az 10 metre uzunluğunda milimetre bölmeli şerit metre kullanılır ve bir veya her iki ucunun mostrada gözlenip gözlenmediği de belirtilmelidir. Özellikle tabakalanma ve fay düzlemleri uygulamada oldukça yüksek devamlılığa sahip süreksizlik türleri olarak dikkate alınmaktadır. Devamlılığın sınıflandırılması ve tanımlanması amacıyla ISRM (2007) tarafından önerilen tablo aşağıda verilmiştir. Ölçüm Hattı Ölçüm Hattı Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -18-
5.5. Süreksizlik pürüzlülük ve dalgalılığı Pürüzlülük bir süreksizlik yüzeyinin küçük ölçekte, dalgalılık ise bir süreksizlik yüzeyinin büyük ölçekte düzlemsellikten sapmasıdır. Her iki özellikte süreksizlik düzlemlerinin makaslama dayanımının önemli bir bileşenidir. Ancak süreksizlik açıklığının ve dolgu malzemesi kalınlığının artması pürüzlülüğün makaslama dayanımı üzerindeki etkisini azaltır. Süreksizliklerdeki dalgalılığın ölçülmesi için 1 metre uzunluğundaki cetvel süreksizlik yüzeyine dayanır ve yüzeyin cetvele olan uzaklığı ölçülür. Bu ölçüm süreksizlik yüzeyinin genliğini verir ve yüzey boyunca değişik noktalarda tekrarlanmalıdır. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -19-
5.5. Süreksizlik pürüzlülük ve dalgalılığı Süreksizliklerdeki pürüzlülük, uygulamada genellikle metal telli profilometre ile ölçülür. Kullanılan bu gereç, süreksizlik yüzeyinin üzerine elle bastırılarak tellerin süreksizlik yüzeyinin şeklini alması sağlanır. Daha sonra süreksizlik yüzeyinin şekline göre dizilen tellerin konumundan ortaya çıkan kalemle bir kağıda çizilir ve gerekirse sayısallaştırılarak bilgisayar ortamında değerlendirilir. Pürüzlülük profilleri ve bunlara karşılık gelen eklem pürüzlülük katsayısı (JRC) değerleri (ISRM, 1981) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -20-
5.6. Süreksizlik açıklığı KAYA KÜTLELERİ Bir süreksizliğin karşılıklı iki yüzeyi arasındaki dik uzaklık olup, boş olabileceği gibi su veya her hangi bir dolgu malzemesi tarafından doldurulmuş olabilir. Açıklık, kaya kütlesinin gevşemesi ve sıvıları iletme özelliği açısından önem taşır. Süreksizlik açıklığı mm nin 1/10 hassasiyetli mikrometrelerle ölçülür. Açıklık Süreksizlik açıklıklarının tanımlanması amacıyla ISRM (2007) tarafından önerilen aşağıdaki tablo kullanılır. Açıklık parametresi değerlendirilirken her süreksizlik seti için ortalama açıklık değeri belirlenir ve ortalama değerden daha büyük açıklıklara sahip süreksizliklerin konumları ve yönelimleri tanımlanır. Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -21-
5.7. Süreksizlik yüzeylerinin bozunma derecesi ve dayanımı Kaya kütleleri yüzeye yakın kesimlerde genellikle bozunmuş, daha derinlerde ise hidrotermal süreçlere bağlı olarak alterasyona uğramış olabilirler. Bu nedenle süreksizlik yüzeylerinin dayanımı, bu yüzeylerin ve yakın çevredeki kayaç malzemesinin bozunma derecesiyle yakından ilişkilidir. Bu amaçla ISRM (2007) tarafından, arazi çalışması sırasında kullanılabilecek bozunma sınıflaması ölçütleri önerilmiştir Kaya kütlelerinin bozuşma dereceleri ve tanımlanması (ISRM, 2007) Süreksizliklerin dayanımları ve tanımlanması (ISRM, 1981) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -22-
5.7. Süreksizlik yüzeylerinin bozunma derecesi ve dayanımı ISRM (1981) tarafından önerilen Bu sınıflamalar tamamen gözleme dayalı olduklarından bazı durumlarda öznel değerlendirmelere yol açmaktadır. Bu nedenle bazı araştırmacılar dayanım ve bozunma derecesinin tahmin edilmesi amacıyla Schmidt çekici geri tepme sayısından yararlanmışlardır. Wc: bozunma katsayısı (Gökçeoğlu, 1997) Dayanımın tahmin edilmesi amacıyla Schmidt çekici geri tepme sayısından yararlanılmaktadır. Rf: taze yüzeyin Schmidt geri tepme sayısı, Rw: bozunma sınıflaması yapılan süreksizlik yüzeyinin Schmidt geri tepme sayısıdır. Süreksizliklerin bozunma dereceleri ile İlgili sınıflama (Gökçeoğlu, 1997) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -23-
6. Hacimsel eklem sayısı Hacimsel eklem sayısı (Jv), birim hacimdeki bir kaya kütlesinde gözlenen süreksizliklerin toplamıdır. Bu parametrenin tayininde rastgele gelişmiş süreksizlikler de dikkate alınabilir. Ancak tanımlanan hacimsel eklem sayısını önemli ölçüde etkilemez. Bu konuda elde edilen deneyimler, ölçüm hattı uzunluklarının 5-10 metre arasında seçilebileceğini göstermiştir. Hacimsel eklem sayısı aşağıdaki formül yardımıyla belirlenir; Burada, Nn: gözlenen her bir eklem seti için ölçüm hattı boyunca sayılan süreksizliklerin sayısı, Ln: gözlenen her bir eklem setine dik yönde seçilmiş ölçüm hattının uzunluğudur Hacimsel eklem sayısına (J v ) göre blok boyutu tanımlaması (ISRM, 1981) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -24-
7. Kaya kalite göstergesi (RQD) % RQD, bir sondajda boyu 10 cm ve daha büyük olan ve silindirik şeklini koruyan karot parçalarının toplam uzunluğunun, ilerleme aralığının uzunluğuna oranıdır. Yandaki formül yardımıyla hesaplanır. Burada, n: ilerleme aralığındaki karot parçalarının sayısı;, l: 10 cm ve daha büyük olan karot parçalarının boyları, L: ilerleme uzunluğudur. Sondaj karot sandığı Sondaj yapılamayan alanlarda ise RQD aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanır (Priest ve Hudson, 1976) Burada λ: 1 m uzunluktaki ölçüm hattını kesen ortalama çatlak sayısıdır. RQD sınıflaması (Deere, 1964) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -25-
7. Kaya kalite göstergesi (RQD) % RQD, bir sondajda boyu 10 cm ve daha büyük olan ve silindirik şeklini koruyan karot parçalarının toplam uzunluğunun, ilerleme aralığının uzunluğuna oranıdır. Yandaki formül yardımıyla hesaplanır. Burada, n: ilerleme aralığındaki karot parçalarının sayısı;, l: 10 cm ve daha büyük olan karot parçalarının boyları, L: ilerleme uzunluğudur. Sondaj karot sandığı Sondaj yapılamayan alanlarda ise RQD aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanır (Palmstrom, 2005) % RQD = 110 2,5 Jv Burada Jv: Hacimsel eklem sayısıdır. Not: RQD = 115-3,3 Jv (Palmstrom, 1974) RQD sınıflaması (Deere, 1964) Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -26-
8. Toplam ve sağlam karot verimi TOPLAM KAROT VERİMİ: Bir ilerleme aralığındaki karot parçalarının toplam uzunluğunun ilerleme aralığının uzunluğuna oranının yüzde olarak ifadesidir. SAĞLAM KAROT VERİMİ: Bir ilerleme aralığında silindirik şeklini koruyarak (tam çaplı) alınmış karot parçalarının toplam uzunluğunun ilerleme aralığının uzunluğuna oranının yüzde olarak ifadesidir. Sondaj karot sandığı Mühendislik Jeolojisi Ders Notları Süreksizlikler -27-