Farklı doygunluk koşullarında kayaların dayanım parametreleri ile P-dalga hızı arasındaki ilişkilerin araştırılması
Investigation of relationships between strength parameters and P-wave velocity of rocks at different saturation conditions
Yazar: HASAN KARAKUL
Danışman: PROF. DR. REŞAT ULUSAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Basınç dayanımı = Compressive strength ; P dalgası = P wave ; Çekme dayanımı = Tensile strength

Özet:
Kaya malzemelerinin dayanım ve deformasyon özelliklerinin kestirimi amacıyla çeşitli indeks deneylerin (nokta yükü dayanım indeksi, Schmidt çekici deneyi, disk makaslama indeks deneyi vd.) yanı sıra, sismik dalga hızlarının kullanımı da son dönemde yaygınlaşmıştır. Ancak bugüne değin, P-dalga hızı kullanılarak dayanım özelliklerinin kestirimi ile ilgili çalışmalarda doygunluğun etkisi yeterli düzeyde dikkate alınmamıştır. Bu çalışma, farklı doygunluk koşullarına sahip kaya malzemelerinin dayanım özelliklerinin (tek eksenli sıkışma ve çekilme dayanımları) P-dalga hızı kullanılarak kestirimi (tahmini) amacıyla yapılmıştır. Çalışma kapsamında; değişik kaya türlerinden derlenmiş örnekler üzerinde farklı doygunluk koşullarında elastisite modülü, tek eksenli sıkışma ve çekilme dayanımı deneyleri ve P-dalga hızı tayinleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, doygunluğa bağlı olarak dayanım özelliklerinin ve elastisite modülünün azaldığını göstermiştir. P-dalga hızı ise, farklı kaya türlerinde doygunluğa bağlı olarak azalma ve artış olarak iki ana eğilim sergilemiştir. Dayanım özellikleri ile P-dalga hızı arasındaki ilişkilerin farklı kaya türleri için fiziksel özellikler kullanılarak tayin edilmesine çalışılmıştır. Ancak yapılan analizler sonucunda tek eksenli sıkışma ( ? c), çekilme ( ? t) dayanımları ile dalga hızı (Vp) ve yoğunluk ( ? ) gibi özellikleri içeren ? c/Vp ve ( ? c/((Vp)2 ? ) ? t/Vp ve ( ? t/((Vp)2 ? ) oranları ile doygunluk arasında fiziksel özellikler kullanılarak kestirim performansı yüksek ilişkilerin kurulamayacağı anlaşılmıştır. Bu nedenle, dayanım özellikleri ile P-dalga hızı arasındaki ilişkiler basit ve çok değişkenli doğrusal regresyon analizleriyle araştırılmıştır. Basit regresyon analizlerinden dayanım özelliklerinin kestirimi olanaklı olmakla birlikte, bu analizlerde belirli düzeyde kestirim hatalarının varlığı saptanmıştır. Buna karşın, P-dalga hızı, doygunluk ve doygunluktaki etkin kil içeriği (DEKİ) gibi bağımsız değişkenler kullanılarak gerçekleştirilen çok değişkenli doğrusal regresyon analizleriyle belirlenen ilişkilerin kestirim performanslarının oldukça yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca farklı özellikte kaya türleri için Gassmann-Biot kuramsal P-dalga hızları da hesaplanmış ve bunlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Doygunluktaki etkin kil içeriği yüksek olan kaya türleri için Gassmann-Biot hızlarının farklı doygunluk düzeylerinde deneysel verilerle uyumsuz olduğu anlaşılmıştır. Bu nedenle doygunluktaki etkin kil içeriği yüksek olan kaya türleri için kuramsal hızlardan yararlanılmasının doğru olmayacağı sonucuna varılmıştır. Ayrıca bu çalışmada, kullanılan kaya türleri için modül ve dayanım oranı sınıflamaları da yapılmış ve bu kayaların genel olarak düşük ve orta modül ve dayanım oranları sınıflarında yer aldıkları belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: P-dalga hızı, tek eksenli sıkışma dayanımı, çekilme dayanımı, elastisite modülü, Gassman-Biot kuramı, doygunluktaki etkin kil içeriği, görgül ilişki

Abstract:
For the purpose of prediction of strength and deformability properties of rock materials, in addition to various index tests (point load strength index test, Schmidt hammer test, block punch index test etc.), the use of seismic wave velocities became to be widely used. But up to now, saturation effect has not been taken into consideration adequately in the studies about the prediction of strength properties from the P-wave velocity. This study was performed to predict strength properties (uniaxial compressive and tensile strengths) of rocks under different saturation conditions by using their P-wave velocity. Within the scope of the study, modulus of elasticity, uniaxial compressive strength, tensile strength and P-wave velocity tests were performed on different types of rock under different saturation degrees. The results indicated that, depending on saturation, strength properties and modulus of elasticity have decreased. The relationships between strength properties and P-wave velocity by using physical properties for different rock types were investigated. But the analysis results suggested that empirical relationships with high prediction performance could not be established between the ratios of ? c/Vp , ( ? c/((Vp)2 ? ) ? t/Vp and ( ? t/((Vp)2 ? ) ratios, which include uniaxial compressive ( ? c) and tensile ( ? t) strength, P-wave velocity and density ( ? ), and saturation by using physical properties. Therefore, relationships between strength properties and P-wave velocity were investigated by simple and multiple regression analyses. Although prediction of strength properties seems to be possible by using simple regression analyses, prediction errors were determined at a certain level in these analyses. While, prediction performances of relationships determined based on the multiple regression analyses, which have independent variables of P-wave velocity, saturation and effective clay content on saturation, were very high. In addition, Gassmann-Biot theoretical P-wave velocities were also calculated and compared with the experimental results. The Gassmann-Biot velocities determined at different saturations showed inconsistencies with experimental results obtained from rocks with high effective clay content on saturation. Therefore, it was concluded that the use of theoretical velocities will not be suitable for rock types with high effective clay content on saturation. Besides, in this study, modulus and strength ratio classifications for the rock types studied were also performed and it was determined that these rocks generally fall into low-to-moderate modulus and strength classes.Keywords: P-wave velocity, uniaxial compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity, Gassmann-Biot theory, effective clay content on saturation, empirical relationshipAdvisor: Prof. Dr. Reşat ULUSAY, Hacettepe University, Geological Engineering Department, Applied Geology Division.