Kaya kütlesindeki süreksizliklerin pürüzlülük ölçümleri için objektif yöntemlerin geliştirilmesi
Development of objective methods for measuring roughness of discontinuity surfaces in rock mass
Yazar: İBRAHİM EMRE ÖNSEL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT ATİLLA ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Mühendislik jeolojisi = Engineering geology

Özet:
Kaya kütlesi, sağlam kayaç malzemesi ve süreksizlik ağının birlikte oluşturduğu bir sistemdir. Süreksizlikler; kaya kütlelerindeki eklem, tabaka düzlemi, fay, klivaj, foliasyon, çatlak gibi yüzey veya kırıklardır. Varlıkları, kaya kütlesinin; dayanım, stabilite, su depolama kapasitesi ve geçirgenliği gibi mekanik ve hidrojeolojik özelliklerini kuvvetli şekilde etkiler. Süreksizliğin en temel mekanik özelliği kesme dayanımıdır. Kesme dayanımının tespit edilmesi için kaya kütlesinden süreksizliği içeren blok veya karotların elde edilerek direkt kesme deneylerinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Numunelerin elde edilmesi de, deneyin yapılması da zor, zahmetli ve zaman alıcıdır. Alternatif olarak kesme dayanımı eşitlikleri kullanılarak, direkt kesme deneyi yapılmadan kesme dayanımı bulunabilir.
Bu eşitliklerdeki, pürüzlülük parametresi haricindeki değişkenler, deneylerle objektif olarak kolayca tespit edilebilmektedir. Eklem pürüzlülük katsayısı (JRC) tespitinde kullanılan, geçerli Uluslararası Kaya Mekaniği Topluluğu (ISRM) standardı subjektif bir yöntemdir. Yüzeydeki pürüzlülüğün sayısallaştırılmasında bir abak kullanılmaktadır. Yüzey pürüzlülüğü, 10 adet 2 boyutlu pürüzlülük profil resmi ile karşılaştırılır. En çok benzetilen profilin katsayısı seçilerek sayısallaştırma yapılır. Bu durumun bir benzerine kaya kütle sınıflama sistemlerinde de karşılaşılmakta ve ciddi subjektiflik sorunu ile uğraşılmak zorunda kalınmaktadır. Kaya kütle sınıflama sistemlerinde bir abak dahi olmayıp sadece sözel tanımlamalara göre pürüzlülük derecesi belirlenmektedir.
Sayısallaştırma sırasındaki subjektiflik sorununu aşmak için çok sayıda yöntem ve ölçme tekniği geliştirilmiştir. Ölçüm yapmak için çok çeşitli cihazlar denenmiştir. Bu cihazların bir kısmı başka alanlarda kullanılmakta olan mevcut ticari ürünler veya bu iş için özel olarak geliştirilmiş cihazlardır. Bu cihazların bir kısmı laboratuvarda kullanılırken bir kısmı arazide de kullanılabilir. Bazıları çok basit mekanik sistemlerken, bazıları 0,05 μm çözünürlüğe kadar ulaşabilen optik sistemlerdir.
Bu tez kapsamında pürüzlülüğün tespiti için, çizgi lazer ve video kamera kullanarak ölçüm yapan 3 boyutlu bir tarayıcı geliştirilmiştir. Bu cihazın çalışma prensibi şu şekildedir: Dik yerleştirilen lazer ile süreksizlik yüzeyine çizgi şeklinde lazer ışını yansıtılır. Çapraz yerleştirilen bir kamera ile fotoğraf çekilir. Bu fotoğraf işlenerek lazer çizgisinin koordinatları elde edilir. Bu koordinatlar çizginin düştüğü yüzeyin profilini verir. Art arda alınan profillerin birleştirilmesiyle üç boyutlu görüntü elde edilir.
Tarayıcı, bilgisayardan kontrol edilecek şekilde tasarlanmıştır. Kamera ve lazer, sonsuz mile bağlı bir taşıyıcı üzerine monte edilmiştir. Bu taşıyıcının konumu adım motor kullanılarak değiştirilir. Bilgisayardan gelen komutlarla adım motoru ve lazeri idare etmek için elektronik kontrol kartı geliştirilmiştir. Bilgisayardaki yazılım ile tarayıcı kontrol edilebilmekte ve toplanan veriler işlenerek 3 boyutlu yüzey elde edilmektedir. Kamera ve lazerin, istenilen açıda yerleştirilebilecekleri için bir platform tasarlanmıştır. Bu platfom 45 cm uzunluğundaki ray üzerine yerleştirilmiş ve sonsuz bir vidaya bağlanmıştır. Sonsuz vida adım motora bağlanarak mekanik sistem tamamlanmıştır. Kullanılan lazer, yansıtıldığı yüzeyde çizgi şeklinde ışın vermektedir. Üzerinde odak ayarı vardır. Kamera, yatayda 1920, dikeyde 1080 adet pikselin kaydını yapabilen bir web kamerasıdır. Açısal konumu adımlar halinde değiştiren, çok hassas sinyallerle sürülen motorlara adım motorları denir. Bu cihazda kullanılan adım motor, her sinyalde 7,5 derece dönmektedir. Sonsuz mil bir tur döndüğünde, platform 1 mm ilerlediği için her adımda platform ~0,021 mm ilerlemektedir. Bu sistemin laboratuvarda pratik olarak kullanımı için bir kasa tasarlanmıştır. Kasa kapalı şekilde tasarlandığı için ışık almamakta, bu da tüm taramaların aynı kamera ayarlarında yapılabilmesini sağlamaktadır. Arazide kullanıldığı durumlarda ise tarayıcı 200 cm uzunluğundaki bir alüminyum profil ile teodolit sehpası üzerine monte edilmektedir.
Elektronik kart seri port üzerinden bilgisayara bağlanmaktadır. MAX232 entegresi kullanılarak seri port verisi PIC 16f628A mikro denetleyicisine aktarılmakta ve gelen komutlara bağlı olarak PIC, lazeri ve adım motoru kontrol etmektedir. PIC'ten gelen sinyaller ise IRLZ44N mosfeti kullanılarak adım motora iletilmektedir.
Geliştirilen tarayıcıyı kontrol etmek üzere, Microsoft Visual Basic kullanılarak, bir bilgisayar programı yazılmıştır. Yazılımın ana bölümleri; tarama işleminin yapılması, kamera kalibrasyonu, görüntü işleme, 3 boyutlu verinin hesaplanması ve görüntülenip kaydedilmesi kısımlarından oluşmaktadır.
Tarama işlemi için önce seri porttan karta bağlantı sağlanır. Daha sonra kamera seçilip, çözünürlük, odak, parlaklık, beyaz dengesi gibi ayarlar yapılır. Taranmak istenen mesafe ve bu mesafe boyunca kaç tane görüntü alınacağı bilgileri girilerek tarama işlemi başlatılır. Burada girilen parametreler tarama çözünürlüğünü belirlediği için önemlidir. Kamera çözünürlüğü seçimi, kameranın yüzeye olan uzaklığına bağlı olarak, taranan yüzeye dik olan yatay eksenin ve dikey eksenin çözünürlüğünü belirler. Taranan yüzeye paralel olan yatay eksenin çözünürlüğü de taranacak mesafedeki profil sayısına bağlıdır. Tarama bittiğinde işlenmeye hazır halde ve istenen miktarda profil görüntüsü elde edilmiş olur.
Kamera ile alınan görüntülerden lazer çizgisinin konumunun tespit edilmesi gerekmektedir. Görüntülerdeki en parlak piksellerin lazer çizgisine ait olması gerekmekte ve bu kabule dayanarak geliştirilen kod her sütundaki en parlak pikseli bulup kaydetmektedir. Bu işlem ortam şartlarına bağlı olarak her zaman doğru sonuç vermeyebilmektedir. Taranan yüzeyin parlaklık/matlık özellikleri, ortamın ışığı, kameranın ayarları, optik özellikleri ve sensör özelliklerine göre lazer çizgisi istenilen netlikte görüntüde yer almayabilir. Bu sorunu çözmek için görüntü işleme teknikleri yine bu tezin çalışmaları arasında yeralmış ve kullanılmıştır.
Bir resmin üzerinde filtre varmış gibi görüntüyü değiştirebilen algoritmalar filtre olarak adlandırılır. Bu algoritmalardan ortalama, medyan, kabartma, keskinleştirme, gauss bulanıklaştırma, yatay bulanıklaştırma, dikey keskinleştirme, gri tonlama, Laplace, sınır geliştirme, sınır tespit etme, eşik değer ve parlaklık, genel olarak konvolüsyon yöntemi kullanarak kodlanmıştır.
Kamera kalibrasyonu, kameranın yapısal geometrik ve optik karakterinin (iç parametreler) ve belirli bir dünya koordinat sistemine göre kamera çerçevesinin 3 boyutlu pozisyon ve oryantasyonun (dış parametreler) belirlenmesidir. Kalibrasyonun amacı 3 boyutlu dünya koordinatları ve bilgisayardan elde edilen 2 boyutlu görüntü koordinatları arasındaki ilişkiyi belirlemektir. Bu çalışmada 2 boyutlu direkt lineer transformasyon (DLT) metodu kullanılmıştır.
Kalibrasyon için olabildiğince hatasız boyutlandırılmış bir kalibratör üretilmiştir. Kalibratörün üstüne çizgi lazer yansıtılıp, görüntü alınır. 4 adet nokta işaretlenip, DLT parametreleri tespit edilerek kalibrasyon yapılır. Bu parametreler ve görüntülerden elde edilen koordinatlar ile yüzey profilleri elde edilir.
Yüzey profillerinin arka arkaya birleştirilmesiyle üç boyutlu nokta bulutu şeklinde yüzey elde edilir. Yüzey verisi DXF, CSV, XML veya Micromine String dosyası olarak kaydedilebilir. İstenirse program içerisinde açılıp incelenebilir.
Cihaz kullanılarak sayısallaştırılan yüzeyin analiz edilmesi için 2 adet yazılım geliştirilmiştir. İlk yazılım profillerin analizi için geliştirilmiş olan Z0, Z1, Z2, Z3, Z4, iave, SDi, imax, RL, pürüz eğim, cetvel, değiştirilmiş cetvel, kutu sayma yöntemlerini içermektedir. İkinci yazılımda yüzey analizi yapılan RL ve pürüz eğim yöntemleri kodlanmıştır. Variogram ve a kesişim noktası analizleri için GS+ yazılımı dışarıdan temin edilmiştir.
ISRM tarafından önerilen ve pürüzlülük tayininde kullanılan standart JRC profilleri tez çalışmaları ile üretilen bu iki adet yazılım ve GS+ ile analiz edilmiştir. Bu yöntemler ve profillerin JRC değerleri arasındaki ilişkiler regresyon analizleriyle tespit edilmiştir.
Bu çalışma kapsamında 93 adet granit numunesi temin edilmiştir. Karot şeklindeki numuneler, geliştirilen bir aparat kullanılarak, boylamasına kırılarak, ikiye bölünmüş ve süreksizlik yüzeyleri elde edilmiştir. Süreksizlik yüzeyleri tarayıcıda taranmış ve elde edilen veriler yukarıda bahsedilen yöntemlerle analiz edilerek bu yöntemlere göre JRC değerleri belirlenmiştir.
Yapılan deneylerle numunelerin, maksimum kesme dayanımları, JCS değerleri ve temel sürtünme açıları tespit edilmiştir. Temel sürtünme açısının hassas tespit edilebilmesi için yine tez çalışmaları sırasında yeni bir deney cihazı geliştirilmiştir. Maksimum kesme dayanımı eşitliği kullanılarak, geri hesaplama yöntemiyle JRC değerleri tespit edilmiştir.
Tüm bu çalışmalar neticesinde, deneysel çalışmalardan ve tarama cihazı kullanılarak farklı JRC değerleri elde edilmiştir. Elde edilen JRC değerleri karşılaştırılarak, geliştirilen cihazın ve öne sürülen yöntemlerin kullanılabilirlikleri test edilmiştir. Sonuçlar dikkatle incelendiğinde, genel olarak analiz yöntemiyle elde edilen JRC değerlerinin daha yüksek çıktığı görülmektedir. Pürüzlülüğün sayısallaştırılması ve bağlı olarak JRC değerinin elde edilmesinde kullanılan, pürüz eğim yönteminin deney verisi ile en uyumlu sonucu verdiği sonucuna ulaşılmıştır. Kesme yönünü tek dikkate alan yöntemin pürüz eğim yöntemi olmasının bu sonuca ulaşılmasındaki en etkili sebep olduğu kanaatine ulaşılmıştır. Bunların yanında, pürüzlülüğü düşük numunelerde, diğer numunelere göre çok daha düşük değerler hesaplanmıştır. Bunda 0,5 mm çözünürlükte kaybolan pürüz bilgisinin etkili olduğu düşünülmektedir. Bu da daha yüksek çözünürlükte tarama yapılmasının gerektiğini göstermektedir. Tüm bu çalışmalara ek olarak, kaya kütle sınıflama sistemlerinde çatlak pürüzlülüğünün sayısallaşıtırlmasında da, tez çalışmaları kapsamında geliştirilen cihaz ve yöntemin uygulanabilir olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu amaca yönelik olarak, kaya kütle sınıflama sistemlerinden kaya kalite sınıflaması (Q), kaya kütle puanı (RMR) ve kaya kütle indeksi (RMi) için pürüzlülük sınıflamaları öne sürülmüştür.

Abstract:
Rock mass is a system composed of intact rock and discontinuity network. Intact rock is a unit rock element, which does not contain any discontinuity. Discontinuities are surfaces and fractures on the rock masses such as joints, layer surfaces, faults, cleavages, foliations, and fractures. Existence of discontinuities affects the strength, stability, capacity of water storage and permeability of rock masses. These structures of the rock masses are essential in flow characteristics of the water, as well as in engineering design.
The fundamental mechanical property of discontinuity is shear strength. In order to determine shear strength, the blocks and/or core logs with discontinuities should be attained and the direct shear tests should be applied. Attaining the samples and applying the tests are both difficult and time consuming. Alternatively, shear strength can be calculated using the shear strength equations, without applying the direct shear tests.
The parameters, except roughness parameters, in the equations can be practically and objectively determined with experiments. The standard of International Society of Rock Mechanics (ISRM) is being used for determining Joint Roughness Coefficient (JRC); however, this is a subjective method. In this method, a chart is used for quantifying the surface roughness. Surface roughness is compared with ten 2-dimensional roughness profiles. The coefficient of the profile, which is the most similar with the surface, is taken as JRC of the surface. One of the parameters of rockmass classification systems is joint roughness. Roughness is determined by choosing the best description for the surface from the description list. This method is also very subjective.
Several methods have been developed for handling the subjectivity problem in quantification and several devices have been used for measuring of surface roughness. Some of these devices are commercial products being used in other fields, and some of them are specially designed for measuring roughness of rock surface. Some of the devices are used only in laboratories and some of them are suitable for in situ usage. Besides, some of them are simple mechanical systems still some of them are very precise optical systems, able to reach a resolution up to 0.05 μm.
In this research, a 3-dimesinal scanner, which carries out measurements using a line laser and a video camera, is developed for determining roughness. Line laser, which is placed vertically on this device, is projected on the discontinuity surface. A line is formed on the surface. A photo of the line is captured by a tilted camera. By processing this photo, the coordinates of the laser line are obtained. The coordinates represent the profile of the surface. By combining the successively obtained profiles, 3-dimensional image is attained.
The 3-dimensional scanner is designed so that it is possible to control it from a computer. It consists of three main parts; hardware, an electronic card and the software. Hardware part includes camera, laser, step motor, carrier, slate and worm gear.
A platform is designed, on which it is possible to position the camera and the laser with any tilt angle. The platform is attached to a 45 cm slide and to a worm gear. Coupling on the worm gear to the step motor, the mechanical system is completed.
The laser generates a laser line on the surface it is projected. Its wavelength range is ~625-740 nm and frequency range is ~480-405 THz. There is a focus on it. The camera is a webcam able to record 1920 pixels horizontally and 1080 pixels vertically.
A motor whose angular position is changed step by step and is driven by very sensitive signals is called step motor. Steps are controlled by signals sent according to coil design of the motor. The step motor used in this research turns 7.5 degree at every signal. At every step, the platform moves ~0.021 mm forward since when the worm gear turns one tour, the platform moves 1 mm.
A case is designed for the purpose of practical usage of the device in laboratory. The case is designed as a closed box so that there is no light entrance into the case. Thanks to this design, all the scans are carried out with the same camera settings. For in situ usage, the scanner is placed on a tripod with a 200 cm aluminum profile.
The electronic card is connected to the computer on the serial port. Serial port data is transmitted to PIC 16f628A micro controller by using MAX232 chip. PIC controls the laser and the step motor based on the received commands. The signals received from PIC are transmitted to step motor using IRLZ44N MOSFET.
In order to control the scanner, a computer software is developed employing Microsoft Visual Basic. The software carries out the following functions; scanning, calibration of the camera, image processing, and calculation, monitoring and recording of the 3-dimensional data.
To start scanning, connection from the serial port to the card is established. Resolution, focus, brightness and white balance settings are determined for the selected camera. After specifying the distance to be scanned and the number of images to be captured through the scan, scanning is started. The parameters specified at this stage are important since they designate the scan resolution. The choice of camera resolution, depending on the distance between the camera and the surface to be scanned, designates the resolution of the horizontal axis perpendicular to the scanned surface, and the resolution of the vertical axis. The resolution of the horizontal axis, which is parallel to the scanned surface, depends on the number of profiles on the distance to be scanned. When the scan is completed, the profiles are ready to be processed.
The position of the laser line should be identified using the captured images. The assumption is that, the brightest pixels in the image belong to the laser line. The developed code according to this assumption finds and records the brightest pixel on every pixel column in image. This process does not always provide correct solution depending on the conditions. The features such as, brightness of the scanned surface, ambient light, camera settings, focus properties and sensor properties are effective in the clearness of the laser line visibility. In order to handle this problem, image processing techniques have been employed.
Filtering algorithms are software routines that modify the appearance of an image by changing the shades and colors of the pixels. Average, median, emboss, sharpness, Gaussian smoothness, horizontal smoothness, vertical sharpness, grayscale, Laplace, edge enhancement, edge detection, threshold and brightness filters are coded. Convolution method is basically made use of in the codes.
Calibration of camera is the determination of the structural, geometric and optical characteristics, and the 3-dimensional position and orientation of the camera with respect to a certain world coordinate system. The purpose of the calibration is to determine the relationship between the 3-dimensional world coordinates and the 2-dimensional image obtained by the computer. In this research, 2-dimensional direct linear transformation (DLT) method is implemented.
For calibration, a calibrator is designed and produced. The line laser is projected on the calibrator and the resulting image is captured. 4 points are marked on the image and the calibration is carried out by determining the DLT parameters. With these parameters and the coordinates obtained from the images, the surface profiles are produced.
Successively combining the surface profiles, a surface shaped as a 3-dimensional point cloud is obtained. The surface data can be saved as DXF, CSV, XML or Micromine String file. If required, the files can be opened and examined in the program.
Two programs are developed for analyzing the surfaces, which have been quantified by the scanner. The first program includes Z0, Z1, Z2, Z3, Z4, iave, SDi, imax, asperity inclination, ruler, modified ruler, box counting methods for profile analysis. In the second program, RL and asperity inclination methods for surface analysis are coded.
Standard JRC profiles are analyzed by using these developed software and GS+ software. Relationship between these methods and JRC values of standard profiles are determined by using regression analysis.
In this research, ninety-three granite samples are used. Sample cores are broken longitudinally into two pieces by means of a newly developed device. The obtained discontinuity surfaces are scanned by the scanner. The data is analyzed by the aforementioned methods and the JRC values are determined.
The maximum shear strength, JCS values and basic friction angles of the samples are obtained with the tests. In order to precisely measure basic friction angle, a new device is developed. Using the maximum shear strength equation developed by Barton and Choubey, JRC values are determined with back calculation method.
In this research, JRC values of samples are calculated by both experimental work and 3-dimensional scanner. 12 different methods are applied in analysis of data obtained from scanner. The JRC values obtained by the experiments and the device are compared and the validity of the developed device and the suggested analysis methods are evaluated. Considering the overall results, the JRC values obtained by the experiments are lower than the measurements of the device. Asperity inclination method is found to be the method that produces the closest values to the values found by experiments. An essential factor in the success of this method is the fact that, this method is the only method that considers shear direction. Only for the samples with low level of roughness, the results are not precise; analysis results are lower than experimental results. The most probable reason underlying this difference is the fact that roughness information is lost at 0.5 mm resolution. Therefore, a higher resolution level is required for scanning such samples. Roughness of the samples are rated by using rockmass classification systems Q, RMR and RMi. Instead of descriptions, JRC values are used. Asperity inclination method is found to be the method that produces the closest values to the values found by experiments.