Geometrik tasarım değiştirgelerinin derin yeraltı açıklıklarında yenilme bölgesinin boyutlarına etkilerinin statik ve dinamik koşullarda araştırılması
Investigation of the effects of geometrical design parameters on the dimensions of failure zone occuring around deep underground openings under static and dynamic conditions
Yazar: MELİH GENİŞ
Danışman: PROF. DR. HASAN GERÇEK
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2002
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Analitik çözümler = Analytical solutions ; Dinamik yükler = Dynamic loads ; Gerilme analizi = Stress analysis ; Kararlılık = Stability ; Tüneller = Tunnels ; Yer altı açıklıkları = Underground openings

Özet:
ÖZET Doktora Tezi GEOMETRİK TASARIM DEĞİŞTİRGELERİNİN DERİN YERALTI AÇIKLIKLARINDA YENİLME BÖLGESİNİN BOYUTLARINA ETKİLERİNİN STATİK VE DİNAMİK KOŞULLARDA ARAŞTIRILMASI Melih GENİŞ Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Danışmanı: Prof. Dr. Hasan GERÇEK Ağustos 2002, 352 sayfa. Bir yeraltı açıklığının şekli ve konumu, ikincil gerilmelerden kaynaklanan duraysızlıklarla karşılaşan kaya mühendislerinin sınırlı ama önemli tasarım seçenekleri arasındadır. Eğer proje sınırlamaları açıklık şekli ve konumunu kapsamıyorsa, duraylılık açısından en uygun tasarım seçeneklerinin belirlenmesi mühendislerin başlıca görevleri arasındadır. Ayrıca, sismik açıdan etkin bölgelerde planlanan yeraltı açıklıklarında, duraylılık değerlendirmeleri yalnızca statik koşullan değil, ayrıca dinamik yükleri de göz önünde bulundurmalıdır. mÖZET (devam ediyor) Bu tez çalışması, bazı geometrik tasarım değiştirgelerinin derin yeraltı açıklıkları çevresinde oluşan yenilme bölgesinin boyutlarına statik ve dinamik koşullardaki etkilerinin araştırılmasıyla ilgilidir. Önce, ikinci bölümde, yüksek ikincil gerilmelere maruz kalan yeraltı açıklıklarındaki duraysızlıkların değerlendirilmesi için ilgili yayınlarda bulunan çeşitli ölçütler ve yaklaşımlar özetlenmiştir. Sonra, üçüncü bölümde, açıklığın kesit şekli ve genişlik/yükseklik (W/H) oram gibi bazı geometrik tasarım değiştirgelerinin duraylılık etkileri araştırılmış ve açıklığın birincil gerilmelere göre uygun konumlan değerlendirilmiştir. Açıklıklar çevresinde oluşan aşın gerilme veya yenilme bölgelerinin belirlenmesinde iki- boyutlu gerilme çözümlemeleri kullanılmıştır. Doğrusal-elastik çözümlemelerde bir matematiksel çözüm kullanılırken, elasto-plastik çözümlemelerde de FLAC2D (sonlu farklar gerilme çözümlemesi) programından yararlanılmıştır. Açıklığın uygun konumlandırılmasının belirlenmesi amacıyla iki birincil gerilme alanı göz önünde bulundurulmuştur: anizotropik (üç asal bileşen farklı büyüklüklerde) ve düzlemsel anizotropik (üç asal bileşenden ikisi eşit büyüklükte) gerilme durumları. Çalışmada; değişik W/H oranlan olan eliptik, ovaloid, kemer tavanlı ve dikdörtgen açıklıklar karşılaştırılmıştır. Statik analizler sonucunda, incelenen tüm açıklık şekilleri arasında dikdörtgen geometri duraylılık açısından en olumsuz durumu oluşturmuştur. Anizotropik birincil gerilme alanında; düşey birincil gerilme en küçük bileşen olduğunda, açıklığın uzun ekseni en büyük yatay birincil gerilmeye paralel konumlandırılmalıdır. Tersine düşey birincil gerilme en büyük bileşen olduğunda, açıklığın uzun ekseni en küçük yatay birincil gerilmeye paralel ivÖZET (devam ediyor) konumlandırılmalıdır. Düzlemsel anizotropik birincil gerilme alanında; düşey birincil gerilme en büyük bileşen olduğunda, açıklığın en uygun konumlandırması açıklığın W/H oranı ile birincil gerilmeler oranına bağlıdır. Dördüncü bölümde, derin yeraltı açıklıklarının dinamik yükler altındaki davranışlarına ilişkin yapılan çalışmalar özetlenmiştir. Beşinci bölümde, dinamik yükleme değiştirgelerinin, birincil gerilme alanının, ortamın mekanik özelliklerinin derin yeraltı açıklıkları çevresinde oluşan yenilme bölgesinin alanına olan etkisi araştırılmıştır. İki boyutlu dinamik çözümlemelerde, açıklığın uzun eksenine dik yayılan kesme dalgalarının neden olduğu ilave etkiler değerlendirilmiştir. Dinamik çözümlemeler sonucu; genlikleri aynı olduğu sürece, etkiyen sismik dalga şekillerinin yenilme bölgesinin büyüklüğü üzerinde pek de önemli bir etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Ayrıca, incelenen açıklık geometrisinde, dalga yayılma yönü yenilme bölgesinin geometrisini önemli derecede etkilememiştir. Beklendiği gibi, dalga frekansındaki bir azalış veya en büyük arazi ivmesindeki bir artış yenilme bölgesi büyüklüğünü artırmaktadır. Açıklığın birincil gerilmelere göre belirlenen statik koşullardaki en uygun konumları, dinamik yükleme koşullarında da değişmemiştir. Anahtar Sözcükler: yeraltı açıklıkları; tüneller; açıklık çevresindeki gerilmeler; analitik çözümlemeler; sayısal gerilme analizleri; aşın gerilme / yenilme bölgesi; dinamik yüklerin etkisi; duraylılık. Bilim Kodu: 607.01.02

Abstract:
ABSTRACT Ph. D. Thesis INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF GEOMETRICAL DESIGN PARAMETERS ON THE DIMENSIONS OF FAILURE ZONE OCCURING AROUND DEEP UNDERGROUND OPENINGS UNDER STATIC AND DYNAMIC CONDITIONS Melih GENİŞ Zonguldak Karaelmas University Graduate School of Natural Applied Sciences Department of Mining Engineering Thesis Advisor: Prof. Dr. Hasan GERÇEK August 2002, 352 pages. The shape and orientation of an underground opening are among the limited but important design alternatives of rock engineers who encounter instabilities due to induced stresses. If the project constraints do not include the shape and orientation of the opening, determination of the optimum design alternatives is among the primary tasks of the engineers. In addition, for underground openings planned in seismically active regions, the evaluation of stability should take into account not only the static conditions but also the dynamic loads. VIABSTRACT (continued) This thesis research involves the investigation of the effects of some geometrical design parameters on the dimensions of failure zone occurring around deep underground openings under static and dynamic conditions. Firstly, in the second section, various criteria and approaches existing in the literature have been summarized for the assessment of instabilities of underground openings subjected to high induced stresses. Then, in the third section, the stability effects of some geometrical design parameters, such as the cross-sectional shape and width-to-height (W/H) ratio of an opening, have been investigated and favorable orientations of the opening with respect to the in situ stress field have been evaluated. Two-dimensional stress analyses have been used for determination of overstressed or yielded regions occurring around the openings. In linear-elastic analyses, a mathematical solution has been used while FLAC2D (finite difference stress analysis) program has been utilized in the elasto-plastic analyses. In order to determine the favorable orientation of the openings, two in-situ stress fields have been considered: anisotropic (three principles components are of different magnitudes) and transversely anisotropic (two of the three principle components are of equal magnitudes) states of stress. In the study; elliptical, ovaloidal, arched-roof and rectangular opening shapes with varying aspect ratios have been compared. The results of the static analyses have shown that among all the opening shapes studied, the rectangular geometry has resulted in the worst stability. In an anisotropic in-situ stress field; when the vertical stress is the minimum component, the longitudinal axis of the opening should be oriented parallel to the VllABSTRACT (continued) maximum of the horizontal stresses. Conversely, if the vertical stress is the maximum component, the longitudinal axis of the opening should be oriented parallel to the minimum of the horizontal stresses. In transversely anisotropic in- situ stress field; when the vertical in-situ stress is the maximum component, the favorable orientation of the opening depends on the W/H ratio of opening and on the ratio of in-situ stresses field. In the fourth section, the information related to the studies on the behaviour of deep underground openings subjected to dynamic stresses has been summarized. In the fifth section; the effects of dynamic loading parameters, in-situ stress field and mechanical properties of the rock mass on the size of the failure zone occurring around a deep underground opening have been investigated. In the two- dimensional dynamic analyses, the additional effects caused by a shear wave, propagating normal to the longitudinal axis of the opening, have been evaluated. It has been observed that, as long as the amplitudes are same, the shapes of the acting seismic wave do not have an important effect on the size of yield zone. Also, for the opening shape studied, the direction of a propagating wave has not greatly affected the geometry of the yield zone. As expected, a decrease in the value of the wave frequency or an increase in the value of the maximum ground acceleration increases the size of the yield zone. The favorable orientations of an underground opening determined under static conditions have not changed under seismic conditions. Keywords: underground excavations; tunnels; stress around openings; analytical solutions; numerical stress analysis; overstressed / yield zone; influence of dynamic loads; stability. Science Code: 607.01.02 Vlll