Süreksizlik içeren ortamların mekanik modellemesi için pürüzlülüğün kuramsal ve deneysel yöntemler ile sayısal tanımı
Quantification of surface roughness with theoretical and experimental methods for mechanical modelling of jointed rocks
Yazar: KAYHAN DEVELİ
Danışman: PROF.DR. MAHİR VARDAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Fraktal boyut = Fractal dimension ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Bu çalışmada, süreksizliklerin yüzey pürüzlülüğünün 3 boyutlu olarak sayısal tanımlanması amaçlanmıştır. Süreksizlik yüzeylerinin sayısallaştırılması ve laboratuvar ortamında kesme dayanımlarının belirlenmesi için; tamamen bilgisayar kontrollü yeni bir yüzey tarama cihazı ile yeni bir laboratuvar direkt kesme deney cihazı bu çalışma kapsamında özel olarak tasarımlanmış ve geliştirilmiştir. Doğal süreksizliklerden alınan örneklerin alt ve üst blok yüzeyleri sayısallaştırılmış, böylece 2-boyutlu veri setleri elde edilmiştir. Bu veri setlerine iki farklı fraktal yöntem; ?güç spektrum yoğunluğu analizi, psd? ve ?üçgen prizma yüzey alanı metodu, tpsam? uygulanmış, yüzeyler için fraktal boyutlar, Dpsd ve Dtpsam, hesaplanmıştır. Örnekler laboratuvarda farklı sabit normal gerilme değerleri altında kesilmiştir. Kesme yönündeki değme alanlarının hesaplanması için yeni bir yaklaşım geliştirilmiş ve 2-boyutlu veri setlerine uygulanmıştır. Böylece literatürde tanıtılan ve kesme yönündeki yüzey geometrisini tanımlayan parametreler; ?Ae*: toplam potansiyel değme alanı, A0: maksimum olası değme alanı, 0*max: en büyük görünür eğim açısı, C: şekil parametresi ve 0*max/C: yüzey açısallığı? bu yeni yaklaşım ile de hesaplanmış, yeni bir parametre olarak ?A0/C? tanımlanmıştır. Her kesme deneyinin ardından yüzeyler tekrar sayısallaştırılarak pürüzlülük parametreleri tekrar hesaplanmış ve kesme ile değişimleri araştırılmıştır. Dtpsam değerleri ile yöne bağlı C, e*max/C, A0/C değerleri arasında önemli ilişkiler bulunmuştur. 0*max/C ve A0/C oranları arasında yüksek ilişki izlenmiştir. Dtpsam, C, 0*max/C ve A0/C değerleri ile en büyük kesme dayanımı oranları (xp/gn) arasında önemli ilişkiler elde edilmiştir. En büyük kesme dayanımı oranı (xp/gn) ile en iyi ilişkiyi A0/C oranı sağlamaktadır. Yüzeylerin sayısallaştırılması sırasında kullanılacak farklı örnekleme aralıklarının Dtpsam, 0*max, C, 0*max/C, A0/C değerleri üzerine olan etkisi araştırılmıştır. Ayrıca, süreksizlik yüzeylerinin heterojenliği ve anizotropisi ortaya konulmuştur.Anahtar Kelimeler: Yüzey pürüzlülüğü, sayısallaştırma, fraktal boyut, değme alanları, yöne bağımlı yüzey parametreleri, kesme dayanımı

Abstract:
In this study three dimensional quantification of surface roughness is aimed. In order to digitize discontinuity surfaces and also to define their frictional properties, a new computer-controlled surface scanning device and a new direct shear test device have been specially developed. Both sides of the natural discontinuities were digitized. Thus 2-D data sets were obtained. Two different fractal methods, ?power spectral density analysis, psd? and ?triangular prism surface area method, tpsam? were applied to these data sets. So surface fractal dimensions, Dpsd and Dtpsam were calculated. All samples were sheared at laboratory under different constant normal stress levels. A new approach for calculating contact areas depending on the specified shear direction has been developed and applied to the 2-D data sets. So previously given parameters in literature describing surface geometry in the shear direction; ?Ae*: total potential contact area, A0: maximum possible contact area, 0*max: maximum apparent dip angle, C: shape parameter and 0*max/C: angularity of the surface? were calculated with this new approach. As a new parameter, A0/C has been defined. Surface digitizing was repeated after each shearing. All roughness parameters were calculated again, and so variations caused by shearing were investigated. Good agreements between the values of Dtpsam and C, 0*max/C, A0/C were obtained. Also, a high correlation between the ratios e*max/C and A0/C was found. The values of Dtpsam, C, 0*max/C and A0/C show good correlations with the maximum shear strength ratios (xp/gn). The best agreement was observed between the ratios A0/C and xp/gn. Effect of sampling interval used in the surface scanning on the values of Dtpsam, 0*max, C, 0*max/C, A0/C was investigated. Additionally it was observed that discontinuity surfaces are greatly heterogeneous and anisotropic.Keywords: Surface roughness, digitizing, fractal dimension, contact areas, directional surface parameters, shear strength