ġstanbul teknġk ünġversġtesġ fen bġlġmlerġ enstġtüsü kayaç dokusal özellġklerġnġn ...

220 Pages·2015·3.23 MB·English

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

KAYAÇ DOKUSAL ÖZELLĠKLERĠNĠN

SINIFLANDIRILMASI VE KAYA MÜHENDĠSLĠĞĠ

UYGULAMALARI

DOKTORA TEZĠ

Y. Müh. Cüneyt Atilla ÖZTÜRK

Anabilim Dalı : MADEN MÜHENDĠSLĠĞĠ

Programı : MADEN ĠġLETME

EKĠM 2006
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

KAYAÇ DOKUSAL ÖZELLĠKLERĠNĠN
SINIFLANDIRILMASI VE KAYA MÜHENDĠSLĠĞĠ
UYGULAMALARI

DOKTORA TEZĠ
Y. Müh. C. Atilla ÖZTÜRK
(505012001)

Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 3 Temmuz 2006

Tezin Savunulduğu Tarih : 10 Ekim 2006

Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. Erkin NASUF

Diğer Jüri Üyeleri Prof.Dr. Nuh BĠLGĠN (Ġ.T.Ü.)

Prof.Dr. Zekai ġEN (Ġ.T.Ü.)

Prof.Dr. Ali KAHRĠMAN (Ġ.Ü.)

Prof. Dr. Nuri Ali AKÇIN (K.Ü.)

Ekim 2006
ÖNSÖZ
İTÜ Maden Fakültesi Maden Mühendisliği bünyesinde gerçekleştirmiş olduğum
doktora tez çalışmalarım sırasında, tezin danışmanlığını yürüten Sn. Prof. Dr. Erkin
NASUF’ a ve tez çalışmalarım sırasında bilgi, tecrübe ve destekleri ile tezimin
sonuçlanmasında sonsuz yardımları olan hocalarım; Sn. Prof. Dr. Nuh BİLGİN ve
Sn. Prof. Dr. Zekai ŞEN’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca, Anabilim dalı
başkanımız Sn. Prof. Dr. Gündüz ÖKTEN’ e katkılarından dolayı teşekkür ederim.
Tez çalışmalarım sırasında, laboratuvar imkanlarından faydalandığım ve bilgi ve
görgüsü ile çalışmalarımın ilerlemesinde son derece önemli katkılarda bulunan Sn.
Dr. Vecihi GÜRKAN’ a ve ince kesit analizlerimin değerlendirilmesindeki
yardımlarından dolayı Sn. Araş. Gör. Orhan YAVUZ’ a sonsuz teşekkürlerimi
sunarım.
Tezimin gerçekleşmesi sırasında, sayısız saatler boyunca tartışmalar ile yaptığı
katkılarından ötürü, değerli meslektaşım ve arkadaşım Sn. Araş. Gör. Abdullah
FİŞNE’ ye ayrıca teşekkür ederim. Ayrıca, Sn. Araş. Gör. Emre ÖNSEL ve Sn. Araş.
Gör. Türker HÜDAVERDİ’ ye de katkılarından dolayı teşekkürlerimi sunarım.
Son olarak, eğitim hayatıma sabırla verdikleri destekten dolayı aileme ve her
aşamada yanımda olan sevgili nişanlım, Moleküler Biyoloji ve Genetik Mühendisi
Sn. Tuğba SOHTORİK’ e şükranlarımı sunarım.

Ekim 2006 Cüneyt Atilla ÖZTÜRK
ii
ĠÇĠNDEKĠLER

KISALTMALAR vii
TABLO LĠSTESĠ viii
ġEKĠL LĠSTESĠ x
SEMBOL LĠSTESĠ xiv
ÖZET xvi
SUMMARY xx
1 GĠRĠġ 1
2 YAPI MALZEMESĠ OLARAK KAYA KÜTLESĠ 6
2.1 Kayaçların OluĢumu ve Mineraller 7
2.2 Kayaçların Dokusal Özellikleri 9
2.2.1 Kayaç dokusunun geometrik özellikleri 9
2.2.1.1 Tanelerin alanı 10
2.2.1.2 Tanelerin çevresi 10
2.2.1.3 Tane uzunluğu ve genişliği 10
2.2.1.4 Tane oryantasyonu 11
2.2.2 Kayaç dokusunun sayısallaştırılması 11
2.2.3 Kayaçların dokusal özellikleri üzerinde gerçekleştirilen çalışmalar 16
2.3 Kayaç Malzemelerin Fiziksel, Mekanik ve Kesilebilirlik Özellikleri 20
2.3.1 Kayaçların fiziksel özellikleri 21
2.3.1.1 Yoğunluk ve birim hacim ağırlığı 21
2.3.1.2 Porozite 22
2.3.1.3 Sonik hız 22
2.3.1.4 Su içeriği 23
2.3.1.5 Ağırlıkça ve hacimce su emme 24
2.3.1.6 Agrega malzemelerinde tane şekli 24
2.3.1.7 Doluluk oranı 25
2.3.2 Kayaçların mekanik özellikleri 25
2.3.2.1 Tek eksenli basınç dayanımı 26
2.3.2.2 Nokta yük dayanımı 28
2.3.2.3 Schmidt çekiç sertliği 32
2.3.2.4 Brazilian çekme dayanımı 36
2.3.2.5 Darbe dayanımı 36
2.3.2.6 Los Angelas aşınma kaybı 37
2.3.2.7 Koni delici sertliği 38
2.3.2.8 Elastik modül 39
iii
2.3.2.9 Shore Scleroscope sertliği 41
2.3.3 Kayaçların kesilebilirlik özellikleri 42
2.3.3.1 Ortalama ve pik kesme ve dikey kuvvetleri 42
2.3.3.2 Spesifik enerji ve birim kesme mesafesinde çıkan pasa miktarı 44
2.3.3.3 Kazı makinalarının performans parametreleri 45
2.4 Kaya Kütlelerini OluĢturan Süreksizliklerin Özellikleri ve Kaya Kütle
Sınıflamaları 46
2.4.1 Kaya kütlesini oluşturan süreksizlikleri özellikleri 48
2.4.1.1 Süreksizlik aralığı 48
2.4.1.2 Süresizliklerin devamlılığı 49
2.4.1.3 Süresizliklerin pürüzlülüğü 49
2.4.1.4 Süreksizlik yüzeyinin dayanımı 49
2.4.1.5 Süreksizlik yüzeylerinin açıklığı 50
2.4.1.6 Dolgunun özellikleri 50
2.4.1.7 Su durumu 50
2.4.1.8 Süreksizlik takımı sayısı 51
2.4.1.9 Blok boyutu 51
2.4.1.10 Süreksizliklerin yönelimi 51
2.4.2 Kaya kütle sınıflamaları 52
2.4.2.1 Kaya kütle puanı (RMR) 53
3 KAYA MÜHENDĠSLĠĞĠNDE BELĠRSĠZLĠKLER ve ÇÖZÜM
YÖNTEMLERĠ 57
3.1 Kaya Kütlesinin Ġçerdiği Belirsizlikler 57
3.2 Regresyon Analizi 65
3.2.1 Regresyon eğrisinin elde edilişi 66
3.2.2 Korelasyon katsayısı 67
3.2.3 Regresyon kabulleri 68
3.3 Bulanık Mantık ve Bulanık Modelleme 69
3.3.1 Bulanıklaştırma 72
3.3.2 Bulanık kural tabanının oluşturulması 73
3.3.3 Bulanık çıkarım motoru 74
3.3.4 Durulaştırma 76
3.4 Jeoistatistik 79
3.4.1 Jeoistatistiğin kabulleri 80
3.4.2 Variogram fonksiyonunun özellikleri 81
3.4.3 Kriging 86
3.4.3.1 Tarafsızlık kabulü 86
3.4.3.2 Hata varyansı 88
3.4.3.3 Lagrange çarpanı 90
3.4.3.4 Hata varyansının minimize edilmesi 91
3.4.3.5 Variogram ve korelasyon katsayısının kullanıldığı olağan kriging 94
3.5 Model Güvenilirliği 96
iv
4 KAYAÇ MALZEMELERĠN DOKUSAL FĠZĠKSEL MEKANĠK ve
KESĠLEBĠLĠRLĠK ÖZELLLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ 98
4.1 Numune Alınan Bölgelerin Tanıtılması 99
4.1.1 TTK Amasra kömür havzası 99
4.1.2 Eyüp atıksu tüneli 100
4.1.3 Agrega numuneleri 101
4.1.4 Kayaç malzemeleri 102
4.2 Kayaçların Dokusal Özellliklerinin Tayini 102
4.2.1 TTK Amasra kömür havzası kayaç kayaç numunelerinin TC değerleri 109
4.2.2 Eyüp atıksu tüneli kaya formasyonlarının dokusal özellikleri 110
4.2.3 Agrega malzemelerinin dokusal özellikleri 111
4.2.4 Kayaç malzemelerinin dokusal özellikleri 112
4.3 Kayaçların Fiziksel, Mekanik ve Kesilebilirlik Özellikleri 113
4.3.1 TTK Amasra Kömür havzası kayaç numunelerinin mekanik fiziksel ve
kesilebilirlik özellikleri 115
4.3.2 Eyüp atıksu tünelleri kayaç numunelerinin mekanik fiziksel ve
kesilebilirlik özellikleri 116
4.3.3 Agrega numunelerinin mekanik ve fiziksel özellikleri 116
4.3.4 Kayaç malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri 117
4.4 Özet 119
5 KAYAÇLARIN DOKUSAL ÖZELLĠKLERĠ ĠLE MEKANĠK
ÖZELLLĠKLERĠ ARASINDAKĠ ĠLĠġKĠLERĠN ARAġTIRILMASI 121
5.1 Ġstatistiksel Yöntemler ile Dokusal ve Mekanik Özellikler Arasındaki
ĠliĢkilerin AraĢtırılması 121
5.1.1 Amasra kömür havzası kayaçlarının dokusal ve mekanik özellikleri
arasındaki ilişkiler 121
5.1.2 Eyüp atıksu tünel formasyonuna ait kayaçlarının dokusal ve mekanik
özellikleri arasındaki ilişkiler 128
5.1.3 Agrega malzemesinin dokusal ve mekanik özellikleri arasındaki
ilişkiler 130
5.1.4 Kayaç malzemelerinin dokusal ve mekanik özellikleri arasındaki
ilişkiler 134
5.2 Bulanık Yöntemler ile Dokusal ve Mekanik Özellikler Arasındaki
ĠliĢkilerin AraĢtırılması 142
5.2.1 Amasra kömür havzası kayaçlarının dokusal ve mekanik özellikleri
arasındaki ilişkilerin bulanıklaştırılması 143
5.2.2 Eyüp atıksu tünel formasyonunun dokusal ve mekanik özellikleri
arasındaki ilişkilerin bulanıklaştırılması 145
5.2.3 Agrega malzemelerinin dokusal ve mekanik özellikleri arasındaki
ilişkilerin bulanıklaştırılması 147
5.2.4 Kayaç malzemelerinin dokusal ve mekanik özellikleri arasındaki
ilişkilerin bulanıklaştırılması 148
5.2.5 Basınç ve nokta yük dayanımının TC’ den kestirilmesi 151
5.3 Bulanık ve Regresyon Modellerin KarĢılaĢtırılması 153
v
6 DOKUSAL ÖZELLĠKLERĠN KAYA MEKANĠĞĠ UYGULAMALARINDA
KULLANILMASI 160
6.1 Kayaç Litolojilerine Bağlı Olarak Doku Katsayısı Değerlerinin
Belirlenmesi 161
6.2 Doku Katsayısının Sınıflandırılması ve Sınıfların Dayanım Özelliklerinin
Belirlenmesi 164
6.3 Doku Katsayısının Kaya Kütle Sınıflama Sistemlerine Girdi Parametresi
Olarak Atanması 169
6.3.1 TC’ nin RMR sınıflama sistemine dahil edilmesi 169
6.4 Doku Katsayısının Bölgesel DeğiĢken Olarak Kullanılması ve
Jeoistatistiksel Yöntemlerle Dağılımının AraĢtırılması 172
6.4.1 Eyüp atıksu tüneli jeoistatistiksel modellenmesi 173
6.5 Agrega Malzemelerin Doku Katsayısılarının Değerlendirilmesi 175
6.6 Kayaç Malzemelerin Mekanik ve Kesilebilirlik Özelliklerinin Doku
Katsayısından Kestirimi 176
6.6.1 Kayaçların mekanik özelliklerinin TC’ den kestirimi 177
6.6.1.1 Tek eksenli basınç dayanımı kestirimi 177
6.6.1.2 Nokta yük dayanımı kestirimi 178
6.6.1.3 Shore sertliği kestirimi 178
6.6.1.4 Brazilian çekme dayanımı kestirimi 178
6.6.2 Kayaçların kesilebililik özelliklerinin TC’ den kestirimi 179
6.6.2.1 Spesifik enerjinin kestirimi 179
6.6.2.2 Ortalama kesme kuvvetinin kestirimi 179
6.6.2.3 Ortalama dikey kuvvet kestirimi 180
6.6.2.4 Net kazı hızının kestirimi 180
7 SONUÇLAR 181
KAYNAKLAR 188
ÖZGEÇMĠġ 197

vi
KISALTMALAR
TC : Doku katsayısı
AW : Tane yığılma ağırlığı
AR : Görünüm oranı
FF : Şekil faktörü
AF : Açı faktörü
TS : Türk standartları
ISRM : International society of rock mechanics
RMSE : Hatanın karelerinin ortalamasının karekökü
JCS : Süreksizlik yüzeylerinin dayanımı
ISI : Darbe dayanım indeksi
SE : Spesifik enerji
NKH : Net kazı hızı
KS : Keski sarfiyatı
RQD : Kayaç kalite tanımlaması
RSR : Kaya yapı puanı
RMR : Kaya kütle puanı
RMi : Kaya kütle indeksi
ReV : Bölgesel değişken
PCSV : Noktasal kümülatif semivariogram
SV : Semivariogram
Cov : Kovaryans
Var : Varyans
TTK : Türkiye taş kömürü
ĠSKĠ : İstanbul su ve kanalizasyon idaresi
MTA : Maden tetkik arama
TÜBĠTAK : Türkiye bilimsel ve teknik araştırma kurumu
ASTM : American society for testing and materials standards

vii
TABLO LĠSTESĠ
Sayfa No
Tablo 2.1 Kayaçların dokularına göre sınıflandırılması............................ 8
Tablo 2.2 Dar açı ağırlıkları hesabı........................................................... 15
Tablo 2.3 Tek eksenli basınç dayanımının sınıflandırılması..................... 29
Tablo 2.4 k katsayısının değişimi.............................................................. 31
Tablo 2.5 Bulanık model ile lineer modelin karsılaştırılması................... 32
Tablo 2.6 Nokta yük dayanımının sınıflandırılması.................................. 33
Tablo 2.7 Sing ve Gahrooee (1989) sınıflaması........................................ 35
Tablo 2.8 Gökçeoğlu (1997) sınıflaması.................................................. 35
Tablo 2.9 Bulanık ve lineer modelin karsılaştırılması............................... 36
Tablo 2.10 Kazı sırasında toplanan veriler.................................................. 45
Tablo 2.11 Kaya kütle sınıflama sistemleri................................................. 53
Tablo 2.12 RMR kaya kütle sınıflaması..................................................... 55
Tablo 2.13 Süreksizlik durumunun karakterizasyonu................................. 56
Tablo 3.1 Belirsizlik, hata ve sistematik hatanın kaya mühendisliği
disiplinindeki tanımları (Palmström, 1995).............................. 61
Tablo 4.1 Agrega numunelerinin alındığı bölgeler ve numune boyutları. 102
Tablo 4.2 A grubu kayaçlar....................................................................... 103
Tablo 4.3 B grubu kayaçlar....................................................................... 103
Tablo 4.4 Kayaç dokularının sayısallaştırılması amacına hizmet edecek
olan görüntü işleme yazılımının özellikleri............................... 104
Tablo 4.5 İnce kesit resminde sayılan tanelerin geometrik özellikleri...... 106
Tablo 4.6 TC hesabı için gerekli olan parametrelerin elde edilmesi......... 107
Tablo 4.7 Açı faktörü değerinin elde edilişi.............................................. 108
Tablo 4.8 Karotlardan alınan ince kesitlerin minerolojik tanımlamaları... 109
Tablo 4.9 Amasra kömür havzasına ait kayaç malzemelerin TC
değerleri..................................................................................... 110
Tablo 4.10 Karotlardan alınan ince kesitlerin minerolojik tanımlamaları.. 111
Tablo 4.11 Eyüp tüneli için yapılan TC analiz sonuçları............................ 111
Tablo 4.12 Agrega numunelerinin deneylerle tespit edilmiş TC değerleri. 112
Tablo 4.13 A grubu kayaçların doku katsayıları......................................... 114
Tablo 4.14 B grubu kayaçların doku katsayıları.......................................... 114
Tablo 4.15 Amasra Kömür Havzası MTA P1 Jeoteknik etüdüne ait
karotlardan alınan numunelerin deney sonuçları...................... 115
Tablo 4.16 Amasra Kömür Havzası MTA P1 Jeoteknik etüdüne ait
karotlardan alınan numunelerin kesilebilirlik deney sonuçları. 116
Tablo 4.17 Eyüp tünelinde geçilen formasyonların jeolojik ve jeoteknik
özellikleri................................................................................... 117

viii
Tablo 4.18 Agrega numuneleri üzerinde gerçekleştirilen deneylerin
sonuçları.................................................................................... 118
Tablo 4.19 A grubu kayaçların mekanik ve fiziksel özellikleri.................. 119
Tablo 4.20 B grubu kayaçların mekanik ve fiziksel özellikleri................... 119
Tablo 5.1 Amasra kömür havzası kayaçlarının dokusal ve diğer
özellikleri arasındaki istatistiksel ilişkiler................................. 122
Tablo 5.2 Eyüp atıksu tüneli kaya formasyonlarınının mekanik ve
dokusal özellikleri arasındaki ilişkiler....................................... 128
Tablo 5.3 Agrega malzemesinin dokusal ve mekanik özellikleri
arasındaki istatistiksel ilişkiler.................................................. 130
Tablo 5.4 A grubu kayaç malzemelerinin TC ile ilişkileri........................ 135
Tablo 5.5 B grubu kayaç malzemelerinin TC ile ilişkileri........................ 135
Tablo 5.6 Bulanık ve regresyon model sonuçların karşılaştırılması......... 154
Tablo 6.1 Farklı litolojideki kayaçların beklenen TC değerleri ve
değişim aralıkları....................................................................... 162
Tablo 6.2 Kayaç litolojilerine bağlı olarak sınıfların tayini ve mekanik
özelliklerinin kestirimi.............................................................. 168
Tablo 6.3 TC’ nin RMR sistemine girdi parametresi olarak atanması...... 170
Tablo 6.4 Tek eksenli basınç dayanımını kestirim modelleri.................... 177
Tablo 6.5 Nokta yük dayanımını kestirim modelleri................................. 178
Tablo 6.6 Shore sertliği kestirim modelleri............................................... 178
Tablo 6.7 Brazilian çekme dayanımı kestirim modelleri.......................... 179
Tablo 6.8 Spesifik enerji kestirim modeli................................................. 179
Tablo 6.9 Ortalama kesme kuvveti kestirim modeli.................................. 179
Tablo 6.10 Ortalama dikey kuvvet kestirim modeli.................................... 180
Tablo 6.11 Net kazı hızı kestirim modeli.................................................... 180
Tablo 7.1 TC ile ilişkileri araştırılan fiziksel, mekanik ve kesilebilirlik
özellikleri................................................................................... 182

ix