Derinliğin düşük dayanımlı kaya kütlelerinin deformasyon modülü üzerindeki etkisinin araştırılması
Investigating the effect of depth on modulus of deformation of rock masses with low strength
Yazar: KÜRŞAT TOKGÖZOĞLU
Danışman: PROF. DR. CANDAN GÖKÇEOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uygulamalı Jeoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Mühendislik tasarımları açısından çok önemli olan ve kaya kütlesinin deformasyon davranışını ifade eden kaya kütlesi deformasyon modülü, yerinde deneylerin yanı sıra; çeşitli yaklaşımlar ile elde edilen ampirik eşitliklerle de belirlenebilmektedir. Bu çalışmada, kaya kütlesi deformasyon modülünün tahmininde derinlik ve örtü yükünün etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, farklı kaya gruplarından faydalanılarak 12 yeni kestirim modeli geliştirilmiştir. Kestirim modellerinin geliştirilmesinde kullanılmak üzere oluşturulan veri tabanı, İstanbul İli'nde 4 farklı çalışma bölgesinden 124 adet araştırma sondajından yerinde ölçülen kaya kütlesi deformasyon modülü, kaya kalite göstergesi (RQD), kaya kütle puanı (RMR), kaya malzemesi tek eksenli sıkışma dayanımı, elastisite modülü ve birim hacim ağırlık verilerini içermektedir. Tespit edilen kaya grupları ve tüm parametreler için, veri tabanının güvenilirliğini artırmak ve genel dağılıma aykırı verilerin tespitini sağlamak amacı ile uç değer analizleri gerçekleştirilmiştir. Rafine edilen veri tabanı kullanılarak, deformasyon modülünün tespitinde 10 mevcut ampirik eşitlik yardımı ile deformasyon modülleri hesaplanmış, yerinde ölçülen deformasyon modülleri karşılaştırılarak bu eşitliklerin performansları irdelenmiştir. Deformasyon modülünün derinlikle ilişkisini araştırmak amacı ile, öncelikle korelasyon analizleri ve basit regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan korelasyon analizlerinde, kaya kütlesi deformasyon modülü ve RMR puanlarının derinlik – örtü yükü ile anlamlı bir ilişki içerisinde olduğu; kaya malzemesi parametrelerinin derinlik ile daha düşük anlamlılık derecesine sahip olduğu anlaşılmıştır. Gerçekleştirilen basit regresyon analizlerinde; veri çiftlerinin önemli bir kısmında 0.40 ve üzeri korelasyon katsayıları hesaplanmıştır. Kaya kütlesi deformasyon modülünün derinlik – örtü yükü ve diğer parametrelerle kestirimine yönelik olarak, nihai modelin oluşturulması ve ampirik eşitliklerin ortaya konulması amacıyla, çok değişkenli doğrusal ve doğrusal olmayan regresyon modelleri çalışılmıştır. Elde edilen modellerde, deformasyon modülünün kestiriminde en yüksek performansın örtü yükü ve RMR puanı kullanılan modellerden elde edildiği tespit edilmiştir. Oluşturulan 12 farklı ampirik eşitlik için, 0.40 – 0.84 arası korelasyon katsayıları elde edilmiştir. Söz konusu eşitliklerin tahmin performanslarını değerlendirebilmek için, VAF ve RMSE indeksleri hesaplanmıştır. Elde edilen RMSE ve VAF değerlerine göre; ampirik eşitliklerin tahmin performanslarının yüksek ve başarılı olduğunu belirlenmiştir. Elde edilen ampirik eşitliklerde, sığ derinliklerde (< 5 m) ve masif kayalarda kullanıma yönelik sınırlamalar bulunmaktadır. Sonuç olarak, kaya kütlesinde deformasyon modülünün derinlik ve örtü yükü ile değişiminin belirgin olduğu çalışmada ortaya konulmuş ve ampirik olarak ifade edilmiştir

Abstract:
Rock mass deformation modulus, which has a very important role in engineering design and which is the parameter that controls the deformation behavior of rock masses, could be obtained with empirical equations obtained with various approaches besides in – situ tests. In this study, the effect of depth and vertical stress on the estimation of deformation modulus was investigated. For this purpose, 12 new prediction models were developed by using different rock types. The database used to develope the prediction models consisted of parameters such as Rock Mass Deformation Modulus, Rock Quality Designation (RQD), Rock Mass Rating (RMR), Uniaxial Compressive Strength (UCS), Intact Elasticity Modulus (Ei) and unit weight, which have been evaluated on 4 different study areas of the İstanbul province. For the descripted parameters, outlier analyses were carried out in order to increase the reliability of the data and in order to determine the extreme values against the general distribution. Using the refined database, deformation modulus values were calculated with the help of the 10 existing empirical equations commonly used in the literature by comparing calculated along with discussing estimated deformation modulus values and the performances of these equations. In order to investigate the relationship between deformation modulus and depth – vertical stress, correlation and regression analyses were carried out. In the correlation analysis, it was found out that the rock mass deformation modulus and RMR given significant correlations with depth – vertical stress. On the other hand, it was found out that the intact rock parameters led to less significant correlations with depth/vertical stress. Within the simple regression analyses, correlation coefficients of 0.40 and above were calculated for most of the variable pairs. With the aim of prediction of the rock mass deformation modulus with depth – vertical stress and other rock parameters, multivariate linear and nonlinear regression models were utilized to establish the final prediction models and hence, to validate the reliability of the empirical equations. For the obtained models, it was determined that the best perfomance for prediction of the deformation modulus was obtained in models used depth – vertical stress and RMR score. For the 12 different empirical equations obtained, correlation coefficients were determined to vary between 0.40 and 0.84. In order to assess the prediction performance of the empirical equations obtained in the present study, VAF and RMSE indices were calculated. According to the RMSE and VAF values, it was found out that the prediction performances of the empirical equations were high and hece, acceptable. For the generated equations, some limitations existed in regards to the utilization of the equations in shallow depths (< 5m) and for massive rock conditions. As a conclusion, it was determined and empirically validated that the variation of rock mass deformation modulus with depth – vertical stress wass evident.