Alçı model numunelerin üzerinde deneylerin yapılışı

Laboratuar çalışmaları kapsamında hazırlanan alçı fiziksel modeller Selçuk Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü Laboratuarında özel hazırlanmış hidrolik presle yüklenerek içlerinde mikro-çatlaklar oluşturulmuştur. Bu çatlakların bazıları aniden kırılarak modellerin iki veya çok parçalara ayrılmasına neden olmuştur. Deneyler sırasında kullanılan cam muhafaza sayesinde numuneler mümkün

olduğunca bir bütün halinde çatlatılmaya çalışılmıştır. Daha önce hazırlanan 59 model numune üzerinde gerçekleştirilen bu deneylerin birkaçı örnek olarak aşağıda detaylarıyla anlatılmıştır. Bu deneylerde arazide karşılaşılabilecek bazı farklılıkları (galeri şekli, tabaka farklılıkları gibi) tanımlamak amacı ile farklı uygulamalar yapılmıştır. Uygulanan bu farklı deneylerden örnek olarak seçilenler aşağıda sırayla verilmiştir.

a) Model test grubu-1

Bu grup test kapsamında laboratuar ortamında daha önce hazırlanan model alçı tabakalar cam düzeneğin içine yerleştirilmiştir (Şekil 3.16). Bu yerleştirme işleminde yeraltındaki tabakalaşma istenildiği şekilde tasarlanabilmektedir. Kırılgan gevrek tabakaları modelleyen alçı tabakalar ister üst üste aralarında hiçbir malzeme konulmadan cam düzeneğin içerisine yerleştirilerek kırılgan tabakalar içeren sedimenter bir arazi yapısı modellenmiştir veya alçı tabakalar arasına ince toprak katmanları konularak, daha elastik (pekişmeye müsait) tabakalar üzerine ardalanmalı olarak yerleşmiş kırılgan sedimenter kayaçlar modellenmek istenmiştir. Farklı düzenlemelerle yapılan testlere burada gösterilmek istenen örnek (Şekil 3.16) şu katmanlardan oluşturulmuştur. Hazırlanan bu modelde en alt katmanlar kırılgan 3 alçı tabakasıdır (her bir tabaka 2 cm kalınlığındadır, toplam 6 cm kalınlığında). Bu tabakaların üzerinde 2 cm kalınlığında ince toprak tabakası oluşturulmuştur. Bu katmanın üzerine konulan 2 adet alcı tabakası (2x2=4 cm kalınlığında) nispeten sıkışabilen sedimenter tabakaların üzerine yerleşen kırılgan sedimenter katmanları temsil etmektedir. Bunların üzerine tekrar serilen 2 cm kadar ince kum katmanı ve en üst katmanları oluşturmak üzere konulan üç tabaka alçı numunesini (2x3=6 cm kalınlığında) deney model düzeneğini tamamlamıştır. Daha sonra bu düzenek Şekil 3.16’da görüldüğü gibi hidrolik pres altına herhangi ani bir deformasyon elde edilene kadar yüklenmiştir. Pres altında yüklemelerin homojen yapılması amacıyla demir plakalar yerleştirilmiş ve manuel olarak eşit zamanlı ve her seferinde 2 kN’luk yükleme yapılmıştır.

Şekil 3.16. Yatay tabakalı arazi yapısının cam düzenek içinde modellenmesi.

Şekil 3.17 Yatay tabakalı ardalanmalı arazi modeli; a) Kırılmaların oluşmaya başladığı ilk anlar, b) Yenilme sonunda oluşan görüntü, sıkışan kum katmanlar ve üzerinde bulunan kırılmış gevrek alçı tabakalar.

Bu deney sonucunda elde edilen yenilmiş model görüntüleri Şekil 3.17’de gösterilene benzer şekildedir. Bu modellerde yenilme, uygulanan yükün yol açtığı deformasyonun odaklandığı noktalardan başlamaktadır. İlgili deney modelinde kumlu tabakaların sıkışması düşey deformasyonu oluşturmuştur. Bu deformasyonun deney modeli boyunca farklı derecelerde olması üst katmanları oluşturan alçı tabakalarının kırılmasına neden olmuştur. Bu grup testler sedimenter ortamdaki tabaka dayanım farklılıklarının deformasyona etkisini daha iyi gözlemlemek amacıyla yapılmıştır. Kömür havzalarındaki benzer kiltaşı, marn, kömür,

konglomera, şeyl, kireçtaşı ardalanmalarında jeolojik zaman içinde tabakaların sıkışması sırasında, nispeten yumuşak tabakaların pekişirken alt ve üstte bulunan gevrek tabakaların nasıl kırılarak yer değiştirdiği bu modellerden daha iyi anlaşılmıştır. Arazi şartlarında benzer durumların elektriksel rezistivite ölçümleri ve test sondajlarıyla tespit edilmesi durumunda üstte bulunan gevrek tabakaların süreksizlik içeriğinin fazla olacağı ve bu süreksizliklerin civarda bulunabilecek mühendislik yapılarını etkileyebileceği unutulmamalıdır. Alçı numuneler üzerinde elektriksel rezistivite çalışmaları numunelerin yükleme sonrası dağılması sebebiyle yapılamamıştır. Her numune için okuma alınamaması yüzünden kıyaslama imkanı olmayacağı sebebiyle bu tez kapsamında alçı numunelere ait elektriksel rezistivite değerleri verilmemiştir.

b) Model test grubu-2

Bu deney düzeneğinde model olarak hazırlanmış olan dairesel kesitli galeri modeli içeren numuneler kullanılmıştır. Bu model numuneler daha önce tarif edildiği şekilde hazırlandıktan sonra cam düzenek içine yerleştirilmiştir. Şekil 3.18a’da görüldüğü gibi daha sonra cam düzenek, özel hazırlanmış hidrolik pres içine yerleştirilmiştir. Cam düzeneğin üst bölümüne cam düzenek boyunca yerleştirilen sert ahşaptan ve demirden yapılan plakalarla hidrolik presten modele uygulanan yükün model üzerine homojen dağılmasını sağlamıştır. Elle kumanda edilen hidrolik presin yükü yavaş yavaş artırılarak modelin mümkün olduğunca mikro ölçekte çatlatılması sağlanmıştır. Alçının malzeme özelliğinden dolayı çatlakların aniden gelişmesi nedeniyle bazı numuneler parçalanmış ve bu testler iptal edilerek tekrarlanmıştır.

a) b)

Şekil 3.18. Dairesel kesitli galeri içeren arazi modeli, a) Hidrolik presle yük uygulanma anı, b) Uygulanan yükten dolayı model galeri çevresinde oluşan çatlaklar.

a) b)

c)

Şekil 3.19. Dairesel kesitli galeri modeli içeren numunelerin yük altında çatladıktan sonraki görüntüleri.

Şekil 3.19a da görülen model yüklemesinde çatlakların düşey yönde olduğu gözlenmektedir. Burada ilk yenilmenin 16.3 kN’luk yükleme sonucunda oluştuğu gözlenmiştir (Model numune dayanımı 16.3 kN/ (0.021m x 0.46m) = 1687.37 KN/m2 dir). Numune üzerine toplam 25.0 kN yük verildikten sonra deney sona erdirilmiştir.

Şekil 3.19b de görülen çalışmada ise yük uygulanması sonucu kırılmaların düşey ve yanal yönde olduğu gözlenmiştir. İlk kırılmalar 13.4 kN’luk yükleme sonucunda oluştuğu gözlenmiştir (Model numune dayanımı 1387.16 kN/m2 dir). 25.0 kN’luk baskı sonucunda ise modele uygulanan plakaların ortasından yenildiği gözlenmiştir.

Şekil 3.19c de ise yükleme sırasında alçı numune farklı mesnet yerlerinden yüklenmiştir. İlk yenilme 12.1 kN’luk, yükleme sonrası oluşmuştur (Model numune dayanımı 1252.59 kN/m2 dir). 24.0 kN’da ise yapının parçalanmaya başladığı gözlenmiştir. 35.0 kN’luk yüklemeye ulaşıldığında ise deney numunesinin tamamen parçalandığı gözlenmiştir.

c) Model test grubu-3

Bu model test grubunda, alçıdan hazırlanmış kare kesitli galeri modeli içeren plakalar test edilmiştir (Şekil 3.20). Bu deney sonrası elde edilen çatlaklı model görünümleri incelendiğinde, madenlerde kare kesitli galeriler çevresinde oluşan bozuşmalar ve çatlaklar daha iyi anlaşılacaktır. Aşağıda verilen görüntüler (Şekil 3.20-3.23) incelendiği zaman, yeraltında kare kesitli bir maden kazısı yapılmasını izleyen zaman diliminde, bu boşluğun üzerine yük gelmeye başladığında kırılmaların köşelerden ve galeri boşluğunun orta noktalarından başlayacağı açıkça görülmektedir (Şekil 3.21 ve 3.22).

Şekil 3.22a’da görüldüğü gibi yükleme sonrası çatlakların, düşey ve yanal yönde olduğu izlenebilmektedir. İlk kırılmalar 11.2 kN’luk yük altında oluştuğu gözlenmiştir. Uygulanan yük 22.5 kN’a ulaştığında, plakalarda oluşan çatlakların temas noktalarına doğru ilerlediği gözlenmiştir.

Şekil 3.20. Kare galeri kesitli arazi modellemesi. Hidrolik presin uygulandığı an.

a) b)

Şekil 3.21. Kare kesitli galeri modeli içeren arazi modelleri. a) Kırılmaların oluşmaya başladığı ilk anlar, b) Galeri çevresinde oluşan kırılmalar.

a) b)

Şekil 3.22. Kare galeri kesitli numuneler üzerinde yapılan model deneylerden örnekler.

Şekil 3.22b’de alçı model üzerine uygulanan yük sonucunda ilk kırılmaların 13.4 kN da başladığı gözlenmiştir. Modele uygulanan yük 15.1 kN civarındayken alçı modelde küçük çıtırtılar oluşmuş, 22.5 kN da galeri üzerinde ve altında dilim dilim çatlamalar gözlemiştir. Yük 25.0 kN’a ulaştığında model tamamen parçalanmıştır.

a) b)

Şekil 3.23. Kare kesitli galeri modeli içeren numuneler üzerinde yapılan deneyler. Şekil 3.23a kare kesitli alçı modele 11.0 kN’luk baskı uygulandığında modelin tamamen kırıldığı gözlemlenmiştir. Şekil 3.23b’de görülen çatlaklar model üzerine uygulanan 20.0 kN’luk yükleme sonucunda elde edilmiştir.

d) Model test grubu-4

Bu deney düzeneğinde model olarak hazırlanmış olan dikdörtgen galeri kesitli numune kullanılmıştır (Şekil 3.24). Aşağıda verilen Şekil 3.25’de görüldüğü gibi; hazırlanan modellerin yüklenmesinden sonra, dikdörtgen kesitli galerinin sol üst tarafında ve galerinin alt bölgesinde yaklaşık olarak orta kısımdan yenilmeler ve çatlakların oluştuğu gözlemlenmiştir.

Şekil 3.24. Dikdörtgen kesitli galeri modelinin hidrolik preste yüklenmesi.

a) b)

Şekil 3.25. Dikdörtgen kesitli alçı galeri modeli, a) Kırılmaların oluşmaya başladığı ilk anlar, b) Galeri çevresinde oluşan kırılmalar.

a) b)

c)

Şekil 3.26. Dikdörtgen kesitli galeri içeren alçı model numuneler.

Şekil 3.26a numunesi üzerine yapılan yükleme sonrası kırılmaların düşey ve yanal yönde olduğu gözlenmektedir. Burada ilk kırılmalar 11.5 kN’luk yükleme sonucunda oluşmuştur. 18.1 kN’luk yükleme sonucunda ise numunenin yan kısımlarında küçük atmalar olduğu gözlenmiştir. Bu deneyde 20.0 kN’luk yükten sonra numunenin tamamen parçalandığı gözlenmiştir.

Şekil 3.26b numunesi üzerine uygulanan yükleme sonucunda ilk kırılmalar 5.9 kN‘da başladığı gözlenmiştir. Daha sonra uygulanan yükün 6.5 kN’a ulaştığında model galeri üzerinde üçgen bir şeklin meydana geldiği ve yapının tamamen kırıldığı gözlenmiştir.

Şekil 3.26c model numunesi üzerinde yapılan deney sonucunda 14.0 kN’luk baskı sonucunda tamamen kırıldığı gözlenmiştir.

Şekil 3. 27 Dikdörtgen galeri kesitli numuneler

Şekil 3.27’de görülen numuneler üzerine yapılan yükleme sonucunda 10.1 kN’luk baskı sonucunda ilk çatlama meydana geldiği, 12.6 kN’da ise galeri üzerinde ilk kırılmalar gözlenmiştir.

e) Model test grubu-5

Bu deney düzeneğinde alçı model olarak hazırlanmış olan ve içerisinde herhangi bir galeri açılmamış numuneler kullanılmıştır (Şekil 3.28). Şekil 3.29’da çatlamaların oluşmaya başladığı ilk andan itibaren yapılan yüklemeler çatlakların ilerlemesine sebep olmuş ve yüklemenin devamında çatlaklar birleşerek numuneyi tamamen kaplamaya başlamıştır. Numuneye 10.1 kN’luk yük uyguladığında ilk çatlama sonucu yüzeyde deformasyon oluşmuştur. Yükleme 11.4 kN’a ulaştığında deformasyon artarak yükleme yapılan plakanın model numune içine doğru gömüldüğü gözlemlenmiştir.

Şekil 3.28. Boşluksuz alçı model numuneler.

Şekil 3.29. Boşluksuz alçı numunelerin yük altında çatlatılma sonrası durumları.

Tablo 3.4 Laboratuarda yapılan deneyler sonrası elde edilen sonuçlar. Deney

No

Kesit içine Açılan Boşluk Şekli

Uygulanış Şekli Uygulanan Kuvvet (kN)

İlk Kırılma Anı

1 Tabaka Tahta plaka --

2 Dairesel Dairesel Dairesel Dairesel Tahta plaka Tahta plaka (ince) Tahta plaka

Demir plaka (büyük)

-- 16.3 13.4 12.1 3 Kare Kare Kare Kare Kare Tahta plaka Tahta plaka

Demir plaka (büyük) Demir plaka Demir plaka -- 11.2 13.4 11.0 20.0 4 Dikdörtgen Dikdörtgen Dikdörtgen Dikdörtgen Dikdörtgen Tahta plaka Tahta plaka Tahta plaka (ince) Demir plaka Demir plaka --- 11.5 5.9 14.0 10.1 5 Tam Tam Tam Demir plaka Demir plaka Demir plaka 10.1 16.0 17.5 İçinde galeri olmadan hazırlanan alçı model numunelerin birisi, Şekil 3.29a’da gösterildiği gibi 16.0 kN’luk yük altında ilk çatlama belirtilerini göstermiştir. Şekil 3.29b’de ise 17.5 kN’luk yük altında ilk çatlamalarını gösteren alçı model numune görülmektedir.