Kaya malzemelerinin basma ve çekme dayanımları üzerinde birim deformasyon hızının etkisi
Effect of strain rate on compressive and tensile strength of rock materials
Yazar: MUSTAFA ALTUN
Danışman: PROF. DR. İHSAN ÖZKAN
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining

Özet:
Bu çalışmanın amacı, laboratuvar ortamında seçilen model doğal (mermer) ve yapay (beton) kayalar üzerinde farklı gerilmeler altında ortaya çıkan zamana dayalı pekleşme davranışların belirlenmesi, değerlendirilmesi ve genel bir yaklaşımın geliştirilmesi olmuştur. 
Bu amaç doğrultusunda öncelikle kaynak araştırması gerçekleştirilmiştir. Bu araştırmada kaya mühendislik yapılarının tahkimat tasarım çalışmalarında kaya malzeme ve kaya kütle özelliklerinin öncelikle dikkate alındığı görülmüştür. Kaya mühendislik yapılarının tahkimat tasarım çalışmalarında gerekli olan kaya mekaniği deneylerine yönelik ISRM ve ASTM tarafından ortaya konan öneriler bulunmaktadır. Ancak yoğun bir şekilde kullanılan kaya malzeme ve kütle mühendislik özelliklerinin belirlenmesine yönelik deney prosedürlerinin birçoğunda zaman etkisi dikkate alınmamaktadır. Bununla birlikte sahada yapılan ölçüm, gözlem ve incelemelerde kaya malzeme ve kütlesinin bilinen dayanım değerlerinin altında kalan düşük gerilme değerlerinde bile kaya malzemesinin pekleşme süreci sonrasında yenildiği ve duraysızlıkların olduğu gözlenebilmektedir. Özellikle yeraltı kaya mühendislik yapılarına ait tasarım çalışmasında dikkate alınan rutin deney sonuçları, uzun dönemde kazı açıklıklardan beklenen duraylılıkların sağlanamaması sorununu gündeme getirmektedir. Bundan dolayı zamana dayalı olarak gerilme altındaki bir kaya malzemesinde gözlenen pekleşme (hardening) ve yumuşama (softening) sonucundaki dayanım değerlerinin belirlenmesi ve tahkimat tasarım analizlerinde bu değerlerin dikkate alınması daha doğru olacaktır.  
Yukarıda ortaya konan problemin çözümü için laboratuvar ortamında bir seri deneyin gerçekleştirilmesi planlanmıştır. Bu çalışmada zamanın etkisini incelemek için deneylerde kullanılmak üzere 0-20 MPa, 20-40 MPa, 40-60 MPa, 60-80 MPa, 80-100 MPa dayanım aralıklarında 5 adet model doğal (mermer) kaya malzemesi (DKM) ve 5 adet model yapay (beton) kaya malzemesi (YKM) seçilmiştir. Bu modeller üzerinde servo kontrollü hidrolik pres yardımıyla gerilme-hız-kontrollü (Grup1) ve sabit-gerilme-kontrollü-sünme (Grup2) deneyleri gerçekleştirilmiştir. DKM ve YKM model malzemeleri üzerinde öncelikle ISRM (1981, 2007) tarafından önerilen kaya mekaniği deneyleri gerçekleştirilerek hakem niteliği taşıyan temel kaya mekaniği veri tabanı hazırlanmıştır. İkinci aşamada araştırma amaçlı kaya mekaniği çalışmaları kapsamında Grup1 olarak tanımlanan gerilme-hız-kontrollü deneylerinde pekleşmeye dayalı model kaya malzemesinin dayanım özelliklerinin değişimi, farklı yükleme hız (MPa/s) değerlerinde incelenmiştir. Deneyler sonucunda yükleme hız değerlerinin azalmasıyla malzemenin yenilme değerlerinin düştüğü buna karşın yenilme sürelerinin arttığı gözlemlenmiştir. Bu durum kritik pekleşme olarak değerlendirilmiş ve farklı yükleme hızlarına maruz kalan model malzemelerin pekleşmeye dayalı kritik sınır yenilme değerleri belirlenmiştir. Benzer şekilde araştırma amaçlı kaya mekaniği çalışmaları kapsamında Grup2 olarak tanımlanan sabit-gerilme-kontrollü-sünme deneylerinde pekleşmeye dayalı dayanım davranış değişimi, farklı sabit yük (kN) değerlerinde araştırılmıştır. Sünme deneyleri sonucunda sabit yük değerlerinin azalmasıyla malzemenin yenilmediği gözlemlenerek, bu durum kritik pekleşme olarak değerlendirilmiştir. Farklı sabit yüklere maruz kalan model malzemelerin pekleşmeye dayalı kritik sınır yenilme değerleri ortaya konmuştur. Farklı iki deney sonuçları ile belirlenen pekleşmeye dayalı malzeme özelliklerinin birbirleriyle örtüştüğü görülmüştür. Bu yüzden DKM ve YKM deney sonuçları birleştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında model olarak seçilen kaya malzemelerine ait pekleşmeye dayalı kritik sınır dayanım değerleri SPSS istatistik programı kullanılarak belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında güçlü R2 değerleri ile açıklanan pekleşmeye dayalı tek eksenli basma dayanımı (σc(t)), dolaylı çekme dayanımı (σtB(t)), elastik modül (Ei(t)), kohezyon (c(t)), içsel sürtünme açı (Φ(t)), değerlerini veren matematiksel modeller ortaya konmuştur. Ayrıca deneyler esnasında yenilme öncesi elastik modül (Ei) ile yenilme sonrası elastik modül (Ed) değerleri belirlenmiş, her iki büyüklük arasında güçlü bir ilişki belirlenerek bir matematiksel model ile ifade edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Birim deformasyon, gerilme, kaya malzeme özellikleri, kaya mekaniği, matematiksel modelleme, zamana bağlı pekleşme davranışı.

Abstract:
The aim of this study was to determine and evaluate the time-dependent hardening behavior of selected model natural (marble) and artificial (concrete) rocks under different stresses and to develop a general approach. 
In line with this objective, a literature review was conducted. In this research, it has been seen that rock material and rock mass properties are primarily taken into consideration in the support design studies of rock engineering structures. There are recommendations put forward by ISRM and ASTM for rock mechanics tests required in the support design studies of rock engineering structures. However, the time effect is not taken into account in most of the test procedures for determining rock material and mass engineering properties that are used extensively. However, in field measurements, observations and investigations, it can be observed that even at low stress values below the known strength values of the rock material and mass, the rock material is defeated and unstable after the hardening process. Routine test results, which are taken into consideration especially in the design work of underground rock engineering structures, bring up the problem of not providing the expected stability of the excavation openings in the long term. Therefore, it would be more accurate to determine the strength values as a result of hardening and softening observed in a rock material under stress based on time and to take these values into account in support design analysis.  
In order to solve the above problem, a series of experiments were planned to be carried out in the laboratory environment. In this study, in order to examine the effect of time, 5 models of natural (marble) rock material (DKM) and 5 models of artificial (concrete) rock material (YKM) were selected in the strength ranges of 0-20 MPa, 20-40 MPa, 40-60 MPa, 60-80 MPa, 80-100 MPa to be used in the experiments. Strength-velocity-controlled (Group 1) and constant-strength-controlled-creep (Group 2) experiments were carried out on these models with the help of servo-controlled hydraulic press. Firstly, rock mechanics experiments recommended by ISRM (1981, 2007) were carried out on DKM and YKM model materials and a basic rock mechanics database was prepared. In the second stage, the changes in the strength properties of the model rock material based on hardening were investigated at different loading rate values (MPa/s) in stress-velocity-controlled experiments defined as Group 1 within the scope of exploratory rock mechanics studies. As a result of the experiments, it was observed that the failure values of the material decreased with decreasing loading rate values, while the failure times increased. This situation was considered as critical hardening and the critical limit failure values of the model materials exposed to different loading rates were determined based on hardening. Similarly, within the scope of exploratory rock mechanics studies, the change in strength behavior due to hardening in constant-stress-controlled-breakdown experiments, defined as Group 2, was investigated at different constant load (kN) values.As a result of the creep experiments, it was observed that the material did not fail as the constant load values decreased, and this was considered as critical hardening. The critical limit failure values of the model materials subjected to different constant loads based on hardening were determined. It was observed that the material properties based on hardening determined by the results of two different experiments overlapped with each other. Therefore, DKM and YKM test results were combined. As a result, the critical limit strength values of the rock materials selected as models in this thesis were determined using SPSS statistical program. In this thesis, mathematical models that give the values of uniaxial compressive strength (σc(t)), indirect tensile strength (σtB(t)), elastic modulus (Ei(t)), cohesion (c(t)), internal friction angle (Φ(t)), based on hardening, which are explained by strong R2 values, were presented. In addition, pre-failure elastic modulus (Ei) and post-failure elastic modulus (Ed) values were determined during the experiments, and a strong relationship between both quantities was determined and expressed by a mathematical model.

Keywords: Mathematical modeling, rock material properties, rock mechanics, strength, strain, time-dependent hardening behavior.