SÜREKSİZLİK DÜZLEMLERİNDE AYRIŞMANIN PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDEKİ ETKİSİ * Effect Of Alteration On Roughness In Discontinuities Surfaces *

Transkript

1 SÜREKSİZLİK DÜZLEMLERİNDE AYRIŞMANIN PÜRÜZLÜLÜK ÜZERİNDEKİ ETKİSİ * Effect Of Alteration On Roughness In Discontinuities Surfaces * Burcu ÖZVAN Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı Altay ACAR Jeoloji Mühendisliği Anabilim Dalı ÖZET 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 ABSTRACT 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. Key words: Shear strength, stylolites, roughness, crystallized limestone, granite * Yüksek Lisans Tezi-MSc. Thesis

2 Giriş 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. 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. Materyal ve Metod Çalışma kapsamında malzeme olarak çalışma alanındaki kaya kütleleri, harita, karot makineleri, deney ekipmanları kullanılmıştır. Çalışmada izlenen yöntem ise üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada arazide haritala çalışmaları yapılarak örnekler alınmıştır. Alınan örnekler çalışmanın ikinci aşamasında deneye tabi tutularak bazı fiziksel ve mekanik özellikleri ile süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımı değerleri belirlenmiştir. Son aşamada ise elde edilen veriler değerlendirilerek çalışmaya ait sonuçlar ortaya çıkarılmıştır. Bulgular ve Tartışma Çalışmada kullanılan granit ve kristalize kireçtaşı örnekleri iki farklı çalışma sahasından elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan granit örnekleri Karadeniz bölgesinde Giresun ili güneyinde Dereli Şebinkarahisar arasında kalan kesimden alınmıştır. Bu örnekler arazide gözlenen 3 farklı ayrışma ölçütüne sahip granitten alınmıştır (Şekil 1). Çalışmada kullanılan ikinci ana kaya olan kristalize kireçtaşları ise Yumurtalık bölgesinin kuzey kesiminde yüzlek veren Üst Kretase Alt Eosen yaşlı birimler içerisinden alınmıştır (Şekil 2). Birim arazide bol eklemli ve grimsi renkli olarak gözlenmektedir. Eklem yüzeyleri ayrışmış ve eklem açıklıkları 1cm den büyük olabilmektedir. Yapılan arazi çalışmalarında birim içersindeki eklem yüzeylerinin bozuşmuş ve pürüzlü olduğu gözlenmiştir

3 Şekil 1. Granitoyidlerin örnekleme alanı ve yakın civarındaki dağılımını gösterir harita (Yılmaz, 1995). Şekil 2. Çalışma alanı ve yakın civarının genel jeolojisi (Özvan, 2009)

4 Çalışmada Kullanılan Kayaların Bazı Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Çalışma alanlarında seçilen kayaların fiziksel ve mekanik özellikler ile kaya kütlesinin süreksizlik düzlemlerine ait kesme dayanımını belirlemek amacıyla çeşitli deneyler yapılmıştır. Bu çalışmaların ilk aşamasında örnekler üzerinde yapılan sondajlar ile karot örnekler alınmıştır. İkinci aşamada, örneklere ait kuru birim hacim ağırlık değeri ve tek eksenli basma dayanımı değerleri belirlenmiştir. Çalışma alanlarından alınan örnekler üzerinde mekanik deneyler yapılmadan önce ISRM (1981) de belirtilen şekilde örneklerin alt ve üst yüzeyleri düzeltilmiş ve boy/çap ilişkileri belirlenmiştir. Deneysel çalışmanın ilk aşamasında seçilen dört farklı kayanın kuru birim hacim ağırlıkları belirlenmiştir (Çizelge 1). Çizelge 1. Seçilen farklı kayalara ait kuru birim hacim ağırlık değerleri En büyük ( k, kn/m 3 ) En küçük değer değer Ortalama W 1 (bozunmamış) W 2 (az bozunmuş) W 3 (orta derecede bozunmuş) Kristalize Kireçtaşı Deneylerin ikinci aşamasında ise süreksizlik düzlemlerinin yan kayacını oluşturan sağlam örneklerden arazide ve laboratuvarda karotlar alınarak ISRM, 1981 de belirtilen şekilde, uzunluk/çap oranı arasında olan silindirik şekilli örnekler hazırlanmıştır. Bu oranı sağlamayan örnekler için Brook (1990) tarafından önerilen düzeltme faktörü kullanılarak tek eksenli basma dayanımı değerleri ve sonik hız değerleri belirlenmiştir. Yapılan deneysel çalışma sonucunda en yüksek sonik hız ve tek eksenli basma dayanımı değerinin bozunmamış granite ait olduğu elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen en düşük sonik hız ve tek eksenli basma dayanımı değeri ise orta derecede bozunmuş granitten elde edilmiştir (Çizelge 2 3). Bu deneyler için her bir örneğe ait 5 adet karot numunesi kullanılmıştır. Çizelge 2. Seçilen farklı kayalara ait Sonik Hız değerleri (Vp, km/s) En büyük değer En küçük değer Ortalama W 1 (bozunmamış) W 2 (az bozunmuş) W 3 (orta derecede bozunmuş) Kristalize Kireçtaşı

5 Çizelge 3. Seçilen farklı kayalara ait tek eksenli basma dayanımı değerleri (UCS, MPa) En büyük değer En küçük değer Ortalama W 1 (bozunmamış) W 2 (az bozunmuş) W 3 (orta derecede bozunmuş) Kristalize Kireçtaşı Süreksizlik Düzlemlerinin Kesme Dayanımı Özellikleri Çalışmada belirlenen sahalardan alınan süreksizlik düzlemine sahip örnekler üzerinde doğrudan kesme deneyleri yapılarak bu düzlemlerin kesme (makaslama) dayanımları belirlenmiştir. Karotlu sondaj ile alınan örneklerde kesme dayanımı için doğal süreksizlik düzlemlerine sahip eklem yüzeyleri alınmıştır. Özellikle kinematik açıdan incelenen süreksizlik düzlemlerinin kesme dayanımı özellikleri kaya şevlerinde ve tünel çalışmalarında tasarımın en önemli adımını oluşturmaktadır. Bozunmamış granit (W 1 ) örneği üzerinde yapılan doğrudan kesme deneyi sonucunda elde edilen normal gerilim ile kesme gerilmesi arasındaki ilişkiye bakıldığında, bozunmamış granitte ortaya çıkan süreksizlik düzlemine ait doruk (pik) içsel sürtünme açısı ( p ) 33 o olarak bulunmuştur. Bu örneğin artık (rezidüel) içsel sürtünme açısı ( r ) ise 28 o olarak bulunmuştur (Şekil 3). Doruk ve artık içsel sürtünme açıları arasındaki bu farklılık süreksizlik düzleminin ilk kesilme anından sonraki pürüzlülüğünün ortadan kalkmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 3. Bozunmamış granit (W 1 ) örneğine ait kesme dayanımı ( ) normal gerilim ( ) grafiği

6 Az bozunmuş granit (W 2 ) olarak tanımlanan örnek üzerinde de normal gerilim ile kesme gerilmesi arasındaki ilişkiye bakıldığında, az bozunmuş granitte ortaya çıkan süreksizlik düzlemine ait doruk (pik) içsel sürtünme açısı ( p ) 30 o olarak bulunmuştur. Bu örneğin artık (rezidüel) içsel sürtünme açısı ( r ) ise 27 o olarak bulunmuştur (Şekil 4). Şekil 4. Az bozunmuş granit (W 2 ) örneğine ait kesme dayanımı ( ) normal gerilim ( ) grafiği. Granitin el ve ince kesit örneklerinde bozunma derecesinin belirgin olarak seçilebildiği ve bu bozunmanın arazide süreksizlik düzlemlerinde kolayca gözlenebildiği orta derecede bozunmuş granit (W 3 ) olarak tanımlanan örnek üzerinde de doğrudan kesme deneyi yapılmıştır. Deney sonucunda elde edilen normal gerilim ile kesme gerilmesi arasındaki ilişkiye bakıldığında, orta derecede bozunmuş granitte ortaya çıkan süreksizlik düzlemine ait doruk (pik) içsel sürtünme açısı ( p ) 28 o, artık (rezidüel) içsel sürtünme açısı ( r ) ise 26 o olarak bulunmuştur (Şekil 5). Kristalize kireçtaşı örneği için normal gerilim ile kesme gerilmesi arasındaki ilişkiye bakıldığında, süreksizlik düzlemine ait doruk (pik) içsel sürtünme açısı ( p ) 34 o, artık (rezidüel) içsel sürtünme açısı ( r ) ise 27 o olarak bulunmuştur (Şekil 6). Bu örnekte elde edilen kesme yerdeğiştirmesi değerleri granit örneklerinden daha yüksek çıkmaktadır. Bunun nedeni, bu örneğe ait süreksizlik düzlemlerinin pürüzlülük değerlerinin, diğer örneklerden daha yüksek bir i açısına sahip olmasıdır. Genel pürüzlülük açısı değerlerine bakılacak olursa en yüksek değerin kristalize kireçtaşında en düşük değerin ise az bozunmuş (W 2 ) granit örneğinde olduğu görülmektedir. Bozunmamış haldeki granit örneklerinde ortaya çıkan pürüzlülük kırılma yüzeyinin dalgalı olmasına neden olmaktadır. Bu süreksizlik düzlemleri üzerinde hareket eden su zamanla kayanın yüzeyinde dalgalılığı ortadan kaldırarak daha az dalgalı bir düzlem yaratmaktadır. Düzlem üzerindeki bozuşmanın artmasıyla kayanın bünyesindeki feldispatlar ayrışarak kile dönüşürken kuvars taneleri arenitleşme sonucunda kuma dönüşmektedir

7 Ortamdan uzaklaşan kile karşı ortamda kalan kuvars taneleri pürüzlü bir yüzeyin oluşmasını sağlamaktadır. Pürüzlülüğün artmasına bağlı olarak granitlerde beklenen kesme dayanımı artışı ise deneyler sonucunda gözlenememiştir. Bunun nedeni ise pürüzlülüğü oluşturan kuvars tanelerinin zayıf killeşmiş bir ortam içersinde olmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 5. Orta derecede bozunmuş granit (W 3 ) örneğine ait kesme dayanımı ( ) normal gerilim ( ) grafiği. Şekil 6. Kristalize kireçtaşı örneğine ait kesme dayanımı ( ) normal gerilim ( ) grafiği. Stilolit oluşumuna bağlı olarak gelişen, arazide ve ince kesitlerde net olarak gözlenen, pürüzlü yüzeyler ise çalışmada kullanılan kristalize kireçtaşı örneklerinde yaygın olarak gözlenmektedir. Bu düzlemler özellikle kaya şevlerinin ve tünel gibi yer altı kazılarının tasarımlarında dikkate alınması gereken bir özelliktir. Bu özelliğin kaya kütlelerinin dayanım özellikleri belirlenirken analizlerde göz önüne alınması gerekmektedir. Çalışma alanında bu özellikten dolayı, genel kaya malzemesi ve kütlesel dayanım özellikleri çok yüksek olmamasına karşın, kristalize

8 kireçtaşları yüksek açılı süreksizlik düzlemlerinde stabil olarak kalmaktadır (Şekil 7). Şekil 7. Granit (a) ve kristalize kireçtaşı (b) kütlelerinin süreksizlik düzlemlerinin arazideki eğim açılarına ait bir görüntü. Sonuçlar ve Öneriler Çalışmada iki farklı sahada örnekleme yapılmıştır. Saha gözlemleri sonucunda farklı derecelerde ayrışan granitlerin bozuşma derecesi artıkça pürüzlülük derecesinin arttığı belirlenmiştir. Ayrıca kristalize kireçtaşlarında yapılan incelemeler sonucunda da örnekleme yapılan sahada ayrışmanın pürüzlülüğü arttırdığı gözlenmiştir. Stilolit oluşumuna bağlı olarak gelişen pürüzlülüklerin kinematik açıdan şev açısının yüksek seçilmesine neden olduğu belirlenmiştir. Süreksizlik düzlemlerinin komşu kayasını oluşturan birimler içerisinden karot örnekler alınarak kaya malzemesine ait kuru birim hacim ağırlık değeri, sonik hız değerleri ve tek eksenli basma dayanımı değerleri belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda en

9 yüksek kaya malzeme özelliği bozunmamış granitlerde en düşük değerler ise orta derecede bozunmuş granitlerde elde edilmiştir. Çalışmada yapılan kesme dayanımı deneyleri sonucunda kullanılan örnekler içersinde en yüksek kesme dayanımı değerlerin kristalize kireçtaşında, en düşük kesme dayanımı değerlerinin ise orta derecede bozuşmuş granit örneklerinde olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada ilk kez stilolit oluşumlarının kaya şev kütleleri içersindeki süreksizlik düzlemlerinin kayma açılarını etkilediği belirlenmiştir. Kayacın fiziksel ve mekaniksel özellileri düşük olsa da süreksizlik düzlemlerindeki kaymaya karşı koyan etkenlerin yüksek olduğu ortaya çıkarılmıştır. ISRM (1981) de pürüzlülüğün artması ile süreksizlik düzlemlerinde kesme dayanımının her zaman artacağı kabul edilmektedir. Bu çalışma sonucunda, tüm kayalar için bu durumun geçerli olmadığı belirlenmiştir. Bozuşmanın bazı kayaların süreksizlik düzlemlerinde oluşan kesme dayanımını azaltmadığı, özellikle stilolit gibi düzlemlerin aksine kesme dayanımını arttırdığı ortaya çıkarılmıştır. Kaynaklar BROOK, N., Testing Methods for Rock Mechanics. Mining Engineering Department, Leeds University, UK, (basılmamış ders notları). ISRM (International Society for Rock Mechanics), Rock characterization, testing and monitoring: ISRM Sugested Methods. E.T. Brown (ed), Pergamon Pres, Oxford, 211pp. ÖZVAN, A., Toprakkale - Yumurtalık (Doğu Akdeniz) Civarındaki Kireçtaşı ve Bazalt Birimlerinin Hidrolik Yapılarda Kullanılabilirliği. Çukurova Üniv., Fen Bilimleri Enst. Doktora tezi, s 197 (yayınlanmamış). YILMAZ, S., Dereli-Şebinkarahisar (Giresun Güneyi) Arası Granitoyid Plütonlarının Karşılaştırmalı İncelemesi. Cumhuriyet Üniv., Fen Bilimleri Enst. Doktora tezi, s 310 (yayınlanmamış). Teşekkür Bu çalışmanın yürütülmesi aşamasında çalışmayı MMF2008 YL22 nolu proje ile destekleyen Ç.Ü. Bilimsel Araştırmalar Proje Başkanlığına ve Jeoloji Mühendisliği Bölümü öğretim elemanları ve çalışanlarına teşekkür ederiz