KAYALARIN MÜHENDĠSLĠK ÖZELLĠKLERĠ

Kaya özellikleri doğası gereği araĢtırma, tasarım, yapım ve inĢaat mühendisliği projelerinin yapım sonrası evrelerinin bir parçasıdır. Kaya sınıflamaları çoğu karakteristiklerini sağlar.

mühendislik

uygulamaları

için

kayanın

adı

ve

jeolojik

Buna ek olarak, kayaların mühendislik amaçlı kullanımları kayaları daha genel iki parçada ele almayı gerektirir. KAYA MALZEMESĠ/KAYA KÜTLESĠ KAYA MALZEMESĠ/SAĞLAM KAYA (Rock Material/Intact Rock): kaya eklem, tabakalanma gibi süreksizlikler içermez. KAYA KÜTLESĠ (Rock Mass):kaya malzemesi ile süreksizliklerin birlikte oluĢturdukları kütle veya sistemdir.

Intact rock

Discontinuities Tunnel being constructed

Rock mass properties

Sağlam Kaya/Kaya Malzemesi Kaya malzemesini tanımlayan özellikler:  Kaya türü  Renk  Tane boyu  Doku ve yapı  Bozunma  Sertlik  Dayanıklılık  Porozite  Yoğunluk  Dayanım  Sonik Hız  Young modülü  Poisson oranı  Birincil Geçirgenlik Tüm bu özellikler kayanın mühendislik amaçlı kullanımları için dolaylı bir anlam ifade eder. Jeolojik terminoloji aydınlatıcıdır ama mühendise ihtiyacı olan niteleyici veriyi sağlamaz.

KAYA DAYANIMI Kayanın mühendislik kullanımında, süreksizliklerin varlığı, mühendislik karakterini genellikle kaya malzemesinin fiziksel özelliklerinden daha büyük ölçüde etkiler. Ancak, kaya malzemesi özelliklerinin mühendislik değerinin çok yüksek olduğu durumlar da vardır. Gerilim ve elastik özelliği son derece yüksek kayalarda yapılan açıklıklarda deformasyon miktarları ve oranlarının tahmini bunun tipik bir örneğidir.

Tünel açma makinelerinin (TBM) performansı bir anlamda kaya malzemesinin mineraloji, doku, tane boyu ve foliasyon gibi bazı faktörlerine bağlıdır. Kaya malzemesinin dayanım ve elastisitesi, deformasyon ve yenilme karakteristikleri baraj ve basınçlı tünellerin tasarımı ve bir yapının tahmini performansında kullanılır. Ufalanma ve fiziksel bozunmayı önlemek için yüzeydeki taze kaya yapısını koruma ihtiyacı ve bunun için yeterli zaman ayrıca kaya malzemesi özelliklerinin işlevleridir. Kayanın yenildiği anda uygulanan gerilim miktarı bu kayanın dayanımını ifade eder.

Uygulanan gerilim: SıkıĢma (Compressive) Makaslama (Shear) Çekilme (Tensile) Burulma (Torsion) Bunların arasında mühendislik uygulamalarında, sıkışma dayanımı en sık kullanılandır.

TEK EKSENLĠ SIKIġMA DAYANIMI UCS (uniaxial compressive strength) için kaya örnekleri ======> silindirik karot örnek

KAROTLAR NASIL ELDE EDĠLĠR? -Arazide sondaj yoluyla -Laboratuvarda blok örneklerden

UCS = F / A (MPa)

Tek ekseli sıkışma dayanımı için standart bir karot örneğin L/D oranı 2.5-3 olmalıdır.

Length

Displacement (shortening of specimen)

Stress (load/area)

Load

Compressive strength

E (Young’s modulus) Strain (displacement/length)

Birim deformasyonu ölçmek için

E&m Deformasyon ölçerler (strain gauges)

Belirlenir.

ÜÇ EKSENLĠ SIKIġMA & MAKASLAMA DAYANIMI Kullanım alanları: - Temellerin taşıma kapasitesinde - Maden sütunlarının makaslama dayanımlarında - Yeraltı yapılarında

1

 3





1

Axial stress

3

Confining stress

3

2

1

2 1

3

1

Üç eksenli deney hücreleri (Hoek hücreleri-1), kılıflar (2), ve küresel başlıklar (3).

Axial Stress (1)

Strength Envelope

  arcsin

Dayanım Zarfı

m 1 m 1

arctanm

Si  b

b Confining Stress (3)

Shear Stress ()

veya



Sİ

3

1

Normal Stress (n)

  S i   n  tan 

1  sin  2 cos 

c 

a cos 

  sin 1 (tan )

Şekil 5.2. (a) Üç eksenli yenilmede gerilme koşulları ve (b) Mohr-Coulomb yenilme zarfı.

Kaya Malzemesi Ġçin Deere & Miller Sınıflaması UCS

E

Dayanım

c (kg/cm2)

Sınıf

Modül Oranı

Değer

A

Çok yüksek

> 2200

H

Yüksek

> 500

B

Yüksek

1100-2200

M

Orta

200-500

C

Orta

550-1100

L

Düşük

< 200

D

Düşük

275-550 < 275

16

8

4

16

D

E

C

32 B

2

3

(Ib/in x10 ) A

20

o Ra ti ati o

M od

lu od u M

LL

0.5

20

0.5

M

1

ow

1

ul us

od ul 2

-M ed iu 0: m 1

2

sR

5

us

4

10

Ra tio

8

H 50 -Hig 0: h 1 M

Çok düşük

Modulus of Elasticity

E

(Ib/in2x106)

2

4

(kg/cm x10 )

Sınıf

0.25

4 75 125 250

8 500

c

2

3

(Ib/in x10 ) 20 30 40 2 1000 2000 4000 (kg/cm )

ÇEKĠLME DAYANIMI F

DOLAYLI YÖNTEM

BRAZILIAN DENEYĠ

Loading frames (Yükleme plakaları)

F

0.636 F t  tD

F: yenilme anındaki yük  D: çap T: kalınlık

Çekilme dayanımı, yer altı kazılarındaki tavan açıklıklarının tasarımı ve çekilme ile geliĢen ani yenilmelerin tahmini gibi kaya mühendisliği uygulamalarında önemli bir rol oynar.

c   t KAYA DEFORMASYONU STATĠK ELASTĠSĠTE MODÜLÜ& POSSON ORANI

Failure

%50 of strength

Axial Compressive Strength

EM : eksenel sıkışmadan kaynaklı eksenel deformasyon, gerilim-birim deformasyon eğrisi ile gösterilir.

Es50

Ortalama elastisite modülü: eğrinin doğrusal bölümünün eğiminden elde edilir.

STRESS  E  STRAIN 

Et50

Axial Strain



E av



  

  Kiriş (sekant) modülü (Es) ve teğet (tanjant) modülü (Et), mühendislik uygulamalarında daha yaygın olarak kullanılır. Standartlaştırmak için, sekant ve tanjant değerleri doruk dayanımın yüzdesinden veya sabit bir değerinden elde edilir. %50 seviyesi bugün sekant modülü Es50 ve tanjant modülü şeklinde sıklıkla kullanılmaktadır. Sekant modülü daha tutucudur. Doruk dayanımın seçilen yüzdesinde oluşabilecek maksimum elastik deformasyonu tahmin eder.

Poisson oranı, m, kullanıĢlı bir mühendislik özelliktir çünkü eksenel sıkıĢıma gerilimi altında uzunluktaki değiĢme ile beraber çaptaki değiĢimi ifade eder.

m=

çaptaki birim değişim boydaki birim değişim

m nün maksimum değeri 0.5’tir ve hem sıkıĢma dayanımı hem de elastisite modülü ile ters orantılıdır.

BAZI KAYALAR ĠÇĠN E & m DEĞERLERĠ GRANITE

BASALT

GNEISS

SCHIST

QUARZITE

MARBLE

LIME STONE

SAND STONE

SHALE

Eav (GPa)

59.3

62.6

58.6

42.4

70.9

46.3

50.4

15.3

13.7

m

0.23

0.25

0.21

0.21

0.15

0.23

0.25

0.24

0.08

E & m DĠNAMĠĞĠ Kaya üzerinde hızlı gerilim uygulamalarıyla dinamik parametreler elde edilir. SıkıĢma ve makaslama dalga üreteci (generator) veya çevirgeci (transducers) karot kaya örneğine bağlanır.

SONĠK HIZ EKĠPMANI

Transducers

SAMPLE

Oscilloscope

Microseismic Timer

Örnek boyunca ilerleyen dalganın hızı, üreteçten karĢı uçtaki bir alıcıya varıĢ süresinden hesaplanır.

Makaslama dalga hızı (VS), sıkıĢma dalga hızının (Vp) yaklaĢık olarak 2/3’ü kadardır. Genellikle Ed , Es’den büyüktür. Çünkü örneğin çok kısa süreli birim deformasyon ve düĢük gerilim seviyeleri için tepkisi özünde tamamen elastiktir.

Ed = k • p • V

2 S

μd =

(3V • (V

Vp2 - Vs2

(

2 Vp2 - Vs2

2 p 2 p

)

- 4Vp2 - Vs2

)

) ρ = yoğunluk Vp = P veya sıkıĢma dalgasının yayılma hızı Vs = S veya makaslama dalgasının yayılma hızı

γ d = ρ • Vs2

k = birim sabiti

ÖRNEK: Karot boyu= 0.123 m = 2.643 g/cm3 P-dalgası varıĢ süresi (karot boyunca) = 2.88*10-5 sec S-dalgası varıĢ süresi (karot boyunca) = 5.426*10-5 sec Hız hesaplamaları: P-Dalgası, VP =

0.123m 4270.8m = (2.88 × 10 5 sec) sec

S-Dalgası, VS =

0.123m 2266.9m (5.426 ×10 5 sec) = sec

k=1000.6 (kütle yoğunluğuna çevirme)

Ed = 1000.6 × 2.643 × 2266.9

2

[(3 × 4270.82 ) (4 × 2266.92 )] × (4270.82 2266.92 )

Ed = 35.44 ×109 Pa = 35.44 GPa

4270.8 (2 × 2266.92 ) μd = 2 2 = 0.304 ( 2 × 4270.8 2266.9 )

BOZUNMA Kaya kütlesinin bozunması bünyesindeki bozunmuĢ süreksizliklerdeki bozunmanın etkisine göre tanımlanabilir.

maddelerin

dağılımına

ve

KĠMYASAL BOZUNMANIN MÜHENDĠSLĠK YÖNÜ Kaya malzemesinin fiziksel özellikleri kimyasal bozunma ile önemli derecede değiĢebilir. Kaya kütlelerinde sağlam (intact) özelliklerini etkilemeden blok boyunda küçülmeye neden olan fiziksel yada mekanik bozunmanın aksine, kimyasal bozunma kaya malzemesi boyunca yayılabilir.

JEOTEKNĠK UYGULAMA

Kısa vadeli etki

Uzun vadeli etki

Bölgedeki kayanın üzerindeki etkisi.

Gerek yüzeyde gerekse yer altında kayayı elementlere maruz bırakan yapım sırasında ve sonrasındaki problemler. Kayanın bu kısa dönemli bozunmaya karĢı duyarlılığı bozunabilirlik olarak adlandırılabilir. Ör: bazı kil içeren kayalarda ufalanma

fiziksel

durumu

Kimyasal bozunmanın derecesi bölgedeki zaman, iĢlemler ve durumu yansıtacaktır.

KAYA ÖZELLĠKLERĠ: Sağlam kayanın alterasyonu veya kimyasal bozunmasından kaynaklanan sıkıĢma dayanımındaki azalma en önemli jeoteknik sonuçtur. Bozunma derecesi

c & E

KAYA MALZEMESĠ BOZUNMA SINIFLAMASI Tanım

Açıklama bozunduğuna

Sınıf

Taze

Kaya malzemesinin görünür bir işaret yok

dair

IA

Hafif Bozunmuş

Ana süreksizlik yüzeyinde renk değişimi

IB

Az Bozunmuş

Kaya malzemesi ve süreksizlik yüzeyinde renk değişimi.Kaya malzemesinde bozunma nedeniyle renk değişimi olabilir ve ilk durumuna göre kısmen daha zayıf olabilir

II

Orta-Derece Bozunmuş

Kaya malzemesinin yarısından azında ayrışma ve/veya parçalanma. Taze veya solmuş kaya ya sürekli bir yapı veya çekirdek taşı olarak bulunmakta.

III

Yüksek-Derece Bozunmuş

Kaya malzemesinin yarıdan fazlası ayrışmış ve/veya parçalanmış. Taze veya solmuş kaya ya süreksiz bir yapı veya çekirdek taşı olarak bulunmakta.

IV

Tamamen Bozunmuş

Tüm kaya malzemesi ayrışmış ve/veya parçalanmış. Orijinal kütle yapısı hala çoğunlukla sağlam.

V

Rezidüel(Artık) Toprak

Tüm kaya malzemesi toprağa dönüşmüş. Kütle yapısı ve malzeme dokusu tahrip olmuş. Hacimde büyük bir değişiklik var ama toprağın önemli bir kısmı taşınmamış (yerinde).

VI

ĠNDEKS DENEYLER: Kaya malzemesi için dayanım,bozunabilirlik ve bozunma derecesinin belirlenmesini sağlayan çeĢitli saha ve laboratuvar deneyleri mevcuttur. Bunlara ĠNDEKS DENEYLER denir. Ġndeks deneylerin avantajları ve dezavantajları: deney hazırlığının ekonomikliği  deney süresinin kısalığı deney ekipmanının az geliĢmiĢ olması çoğu jeoteknik uygulamaları için genellikle temsil edici ve niteleyici oluĢu  standart laboratuvar deneylerinden daha kesin ve doğru olmayıĢı (UCS, t etc)

Nokta Yükü Ġndeksi & Schmidt Çekici (Point Load Index)

(Schmidt Hammer)

En sıklıkla kullanılan

c, t & E tahmininde Nokta Yükü Ġndeksi KarĢılıklı iki konik çelik yüzey tarafından kaya örneğine uygulanan sıkıĢma gerilmesinin ile örnek yenilir.

IS = F/D2 Ġki nokta arasındaki mesafe

Çekme gerilmesi, IS yaklaĢık olarak %80’i kadardır . c = k*IS(50) 50 mm mesafe için IS düzeltmesi.

k, 9’dan 50’ye değiĢir.

F Eksenel deney

F

D = 1.1  0.005 L

D

D

F L

L

F

Çapsal deney L > 0.7D

F

Blok ve düzensiz örneklerde deney

D ~= 50 mm

D = L

D

1.0 -1.4

F L

Nokta yükleme deney aleti

SCHMĠDT ÇEKĠCĠ DENEYĠ UCS & E belirlenmesi için kullanılır.

Schmidt sertlik çekici deneyinin laboratuvarda yapılması

Schmidt sertlik ve tek eksenli sıkışma dayanımı arasındaki ilişki (Deere and Miller, 1966)

SUDA DAĞILMAYA KARġI DURAYLILIK ĠNDEKSĠ (SLAKE DURABĠLĠTY) DENEYĠ

Zengin kil içerikli toprak ve kayaların bozunma ve parçalanma karakteristiklerinin mühendislik önemi büyüktür. Kil içeriği yüksek kayaların bozunabilirliği problem teĢkil etmektedir. Çünkü bu kayaların performansları suya maruz bırakıldıklarında pekiĢme derecesi açısından yanlıĢ yönlendirecek gözlemlere neden olabilir. Ġki çevrimli suda dağılmaya karĢı duraylılık indeks deneyi kil içeriği yüksek kayaların bozunma sınıflaması için standart olarak önerilmiĢtir.

Suda dağılmaya karşı duraylılık indeksi deney düzeneği

Id2 Sınıflaması Id2 (%)

Sınıflama

0-30

Çok düşük

30-60

Düşük

60-85

Orta

85-95

Orta derecede yüksek

95-98

Yüksek

98-100

Çok yüksek

Taşınabilir makaslama kutusuyla doğrudan makaslama deneyinin yapılışı

Creep (Akma) DavranıĢı: Aslında, gerilim altında malzemeler mükemmel elastik davranıĢ göstermezler. Tüm malzemeler:  elastik  plastik  akma

davranıĢı gösterir.

Sabit bir gerilim altındaki malzemenin zamana bağlı deformasyonu akma (creep) olarak tanımlanabilir.



Failure

t (time)

Be gi

elastic strain

nni

ng

of c

ree

p

creep strain =f(t)

Primary Creep

Steady creep behaviour under medium stresses Secondary Creep

Accelerated creep behaviour under high stresses & failure phase



Tertiary Creep

t

Bir noktadaki gerilim: Surface (yüzey)

z: depth

örtü yükünün birim hacim ağırlığı, 

σv = γ • z

(derinlik)

σh = k • σ v

(A noktası)

Point A

σh k= σv

Yatay gerilim DüĢey gerilim

gerilim alanı katsayısı

Terzaghi-Richard YaklaĢımı:

k=

μ 1 μ

ortalamahorizontal yatay gerilim, hav Average stress, hav düşey gerilim, v  Vertical stress, v

derinlik, Yüzeyden Depth from surface,z (m) z (m)

k=

(100/z + 0.3) < k < (1500/z + 0.5)