Yönser koşullarda kayaların dayanım ve deformabilite özelliklerinin ultrasonik dalga hızından tahminine yönelik görgül ilişkilerin geliştirilmesi
Development of empirical relationships for the estimation of strength and deformability properties of rocks from ultrasonic wave velocity under anisotropic conditions
Yazar: MESUT GÖKHAN GÜMRÜK
Danışman: PROF. DR. REŞAT ULUSAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Kayalar, özellikle içerdikleri farklı yönelimlere sahip tabakalanma, şistozite, eklem vb. gibi zayıflık düzlemlerinin varlığı nedeniyle genel olarak farklı düzeylerde yönserliğe (anizotropiye) sahip olup, bunların mekanik özellikleri de yönserlikten etkilenerek yönlere bağlı olarak farklılıklar göstermektedir. Yönserlikle ilişkili olarak gözlenen bu farklılıklar nedeniyle kayaların dayanım ve deformabilite özellikleri, kaya mühendisliği uygulamalarının tasarım aşamasında yönserlik durumu da gözetilerek dikkate alınması gereken özelliklerdir. Bu durum, araştırmacıları kayaların dayanım ve deformabilite özelliklerinin farklı yöntemler kullanılarak tahmin edilmeleri konusunda çalışmalar yapmaya yönlendirmiştir. Sağlam kaya malzemesi özellikleriyle ilişkilendirilebilmesi, laboratuvarda tayin edilmesinin kolay olması ve tayin edilmesi sırasında deney örneklerinin herhangi bir yenilmeye maruz kalmaması gibi özellikleri nedeniyle ultrasonik dalga hızından (Vp) yararlanılması daha da popüler olmuştur. Günümüze değin yapılan çalışmalarda kayaların dayanım ve deformabilite özellikleri ile ultrasonik dalga hızları (Vp ve Vs) arasındaki ilişkiler ayrıntılı bir şekilde araştırılmasına rağmen, yönserliğe neden olan zayıflık düzlemlerinin yönserlik etkisinin dikkate alındığı çalışmalar oldukça sınırlı sayıdadır. Ayrıca yönserliğin dikkate alındığı çalışmalar az sayıda örnek üzerinde yapılmış olup, dayanım ve deformabilite özellikleri ile ultrasonik dalga hızları arasında yönserlik açısının da dikkate alındığı tahmin (kestirim) ilişkileri geliştirilmemiştir. Bu durum gözetilerek, bu çalışma; yönserliğe sahip zayıflık düzlemlerini içeren kaya bloklarından hazırlanmış 6 kaya türüne ait örneklerin, farklı yönserlik açılarında (0°, 15° 30°, 45°, 60°, 75° ve 90°) dayanım ve deformabilite özelliklerinin P-dalga hızından yararlanılarak tahmin  edilebilmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında tek eksenli sıkışma dayanımı (UCS), dolaylı çekme dayanımı (t), elastisite modülü (E) ve P-dalga hızı (Vp) deneyleri yapılmıştır. Deney sonuçları esas alınarak UCS'ye bağlı yönserlik tipi araştırılmış ve UCS, σt, E ve Vp değerlerinin yönserlik açısına bağlı olarak değişimi değerlendirilmiştir. Kaya örneklerinin eğimli süreksizlikler içermesi halinde UCS, σt ve E değerlerinin tahmini amacıyla bu değerlerin Vp değerleri ile aralarında geçiş sağlayan bazı görgül ilişkiler önerilmiştir. Geliştirilen bu basit regresyon ilişkilerinin tahmin performansının düşük olması nedeniyle çalışmanın son aşamasında çok değişkenli doğrusal regresyon analizleri yapılarak üretilen görgül ilişkilerin tahmin performansı arttırılmıştır. Ayrıca bu ilişkiler kullanılarak tahmin edilen değerler, deneylerden belirlenen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yapılan değerlendirmeler ve karşılaştırmalar sonucunda; söz konusu görgül ilişkilerin bu çalışmada kullanılan düşük-orta derecede yönserliğe sahip kayalarda UCS ve σt'nin yönserlik açısına göre Vp'den tahmin edilmesinde yüksek bir tahmin performansı (R2 sırasıyla; 0.89 ve 0.97) sergilerken, E'nin tahmininde ise, R2=0.98 olmasına rağmen, tahmin edilen verinin 1:1 doğrusu etrafındaki dağılımına göre tahmin performansının düşük olduğu  anlaşılmıştır.

Abstract:
Rocks, particularly due to the presence of the weakness surfaces, such as bedding, schistosity, joint etc., generally have anisotropy in different degrees, and therefore, their mechanical properties are influenced by anisotropy and exhibit directional changes. Due to these anisotropy dependent differences, the strength and deformability properties of rocks are important properties which should be taken into consideration with their anisotropy conditions in the design stage of rock engineering applications. This situation has oriented the researchers to carry out studies on the estimation of strength and deformability properties using different methods. Due to the facts that it has relationships with intact rock meterial properties, can be easily determined in laboratory and is a nondestructive test, the use of ultra-sonic wave velocity (Vp) has became more popular. Although the relationships between the strength and deformability properties and ultrasonic wave velocities (Vp, Vs) of rocks have been investigated in detail, the number of studies in which the effect of anisotropy due to weakness planes have been considered, are considerably limited. Besides, these studies have been conducted on limited number of specimens and no empirical equation to estimate the relationships between the strength and deformability properties and P-wave velocity (Vp) based on anisotropy conditions, has been recommended. By considering this gap in literature, in this study, it was aimed to estimate the strength and deformability properties  from Vp at different anisotropy angles (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°) using the specimens prepared from six rock types. For this purpose, uniaxial compressive strength (UCS), indirect Brasilian strength (σt), modulus of elasticity (E) and P-vawe velocity (Vp) tests were carried out. Based on the test results, types of anisotropy for UCS and variation of UCS, σt, E and Vp with respect to the anisotropy angle were assessed. In order to indirectly estimate UCS, σt and E, when rocks include inclined weakness planes, empricial relationships using Vp were suggested. Since the prediction performance of these relationships are not strong, multiple regression analyses were carried out and the prediction performance of these new relationships was assessed. In addition, the values predicted from these analyses were compared with those obtained from the experiments. The assesments indicated that these final empirical relationship with high coefficient of determination (R2= 0.89 and 0.97, respectively) well predict the UCS and σt from Vp for different anisotropy angles. Although the empirical equations developed for the estimation of modulus of elasticity has high R2 (0.98) value, according to the distribution of the estimated data around 1:1 line, its prediction performance is not well.