Kayaçların dokusal özellikleri üzerinde gerçekleĢtirilen çalıĢmalar

Kayaçların dokusal özellikleri olarak anılan ve yukarıda verilen parametrelerin, kayaç malzemelerin mekanik, fiziksel ve kesilebilirlik özellikleri üzerindeki etkiler pek çok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Howarth ve Rowlands (1987) tarafından ortaya sürülen TC kavramı bulununcaya kadar yapılan çalışmalar, dokusal özelliklerin mekanik ve fiziksel özellikleri ne derece ve nasıl etkilediği üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu tarihten sonra, yapılan araştırmalar ise, dokusal özelliklerin, kayaçların mekanik, fiziksel ve kesilebilirlik özellikleri ile olan ilişkilerinin sayısallaştırılması yönünde olmuştur. Bu bölümde, gerçekleştirilen çalışmalardan elde edilmiş olan sonuçlar üzerinde durulmuştur.

Howarth ve Rowlands (1987) tarafından aktarıldığı üzere, kayaç dokusunun özelliği olarak sayılan, tane boyutu, paketlenme yoğunluğu, tane şekli, bağlanma derecesi, kuvars içeriği, porozite, tane sınırları ve doku modellerinin, kayaç malzemelerinin dayanımları üzerindeki etkiler çeşitli araştırmacılar tarafından özetlenmiştir. Aşağıda bu özelliklerin, kayaç dayanımı üzerindeki etkileri verilmiştir.

Tane Boyutu; Mermerin eğilme dayanımı, ortalama tane boyotunun karekökünün tersi ile doğru orantılıdır ve lineer bir artış gösterir. Diğer bir deyişle azalan tane boyutu, artan eğilme gerilmesine sebebiyet vermektedir (Olsson, 1974; Hugman ve

Paketlenme Yoğunluğu; Tane ve matriksin birbirleri ile olan ilişkilerini gösteren paketlenme yoğunluğu, 1978 yılında Bell ilk kez paketlenme yoğunluğu ile malzemelerin dayanım özellikleri arasındaki ilişkiyi ortaya koymuştur. Paketlenme yoğunluğunun artması, kumtaşlarında tek eksenli basınç ve çekme dayanımları ile elastik modül değerlerinin artmasına neden olur.

Tane Şekli; Onodera ve Kumara (1980) ve Ehrlich ve Weinberg (1970) tarafından geliştirilen tane pürüzlülük katsayısından yola çıkılan çalışmalar göstermiştir ki, malzemenin üzerindeki yükün artmasıyla birlikte, kayayı oluşturan taneler kırılarak daha yuvarlak hale gelmektedir. Bu sebeten dolayı, tane şekli ile çatlak gelişimi ve kayaç mukavemeti arasında bir ilişki söz konusudur.

Bağlanma Derecesi; Tanelerin birbirine sıkıca bağlı olduğu ve iyi çimentolanmış magmatik ve metamorfik kayaçlarda çatlak ilerlemesinin başlaması için gereken gerilme yüksek olmaktadır (Hoek, 1965). Agregalarda kristal tanelerin birbirine iyi bir şekilde bağlanmış olması sonucunda böyle bir kayacın kesme gerilmesi karşısında yenilmesi de zor olmaktadır (Duncan, 1969). Sonuç olarak, bağlanma derecesinin artması kayaç malzemesinin dayanımını artırıcı yönde etkilemektedir. Kuvars İçeriği; Bell (1978) kumtaşının kuvars içeriğinin tek eksenli basınç dayanımı, Shore sertliği ve Schmidt çekiç sertliği üzerinde etkili olmadığını ileri sürmüştür. Buna karşılık, Gunsallus ve Kulhawy (1984), kumtaşının kuvars içeriği ile bu malzemenin dayanım özelliklerinin arasında bir ilişkinin varlığını ortaya koymuşlardır. Buna göre yüksek kuvars içerikli bir kumtaşının, düşük kuvars içerikli bir kumtaşına nispetle daha yüksek mukavemete sahip olduğu ortaya sürülmüştür. Howarth ve Rowlands (1987) ise yapmış oldukları çalışmada kuvars içeriğini dikkate almamışlardır.

Porozite; Sedimanter kayaçlarda porozitenin artması kayacın tüm özelliklerini olumsuz yönde etkilemektedir (Price, 1960; Smordinov ve diğ., 1970; Rzhevsky ve Novik, 1971; Dube ve Singh, 1972).

Tane Sınırları; Çatlak ilerlemesi, tane sınırlarının olduğu yerlerde meydana gelmektedir. Bunun yanında, çatlakların oluşumuda yine tane sınırlarının olduğu bölgelerde meydana gelmektedir (Bieniawski, 1967).

Doku Modelleri; 1970 yılında Ehrlich ve Weinberg tane pürüzlülük katsayısını, 1958’ de Niggli ve 1972’ de Dreyer bağlanma derecesini ve dokuyu modellemişlerdir. En son geliştirilen Dreyer (1972) modeli kaya tuzlarının dokularının sayısallaştırılması için gerçekleştirilmiş ve sadece tane büyüklüğü ve paketlenme yoğunluğunu dikkate almışlardır.

Tüm araştırmalar, kayaçların dokusal özelliklerinin dayanım özellikleri üzerinde etkili olduğunu göstermesi açısından son derece önemlidir. Bu çalışmalar genellikle dokuyu oluşturan elemanların kayaç dayanımı üzerindeki etkilerinin ayrı ayrı değerlendirilmesi şeklinde olmuştur. Ancak, tüm bu elemanların etkilerinin birleştirilerek dokusal özelliklerin sayısallaştırılması 1987 yılında Howarth ve Rowlands tarafından gerçekleştirilmiştir. Bir önceki bölümde TC değerinin elde ediliş yöntemi detaylı olarak anlatılmıştır.

Bu bölümde literatüre girmiş olan ve TC kullanılarak gerçekleştirilmiş olan çalışmalar verilmiştir. Bu çalışmalardan en kayda değeri TC’ nin önericisi olan araştırmacılar, Howarth ve Rowlands (1987), tarafından sunulmuştur. Daha sonra Ersoy ve Waller (1995) tarafından yapılan çalışma ile araştırma genişletilmiş ve Azzoni ve diğ. (1996) tarafındanda TC’ nin kullanılabilirliğine yönelik bir araştırma daha gerçekleştirilmiştir.

Howarth ve Rowlands (1987) gerçekleştirmiş oldukları çalışma ile TC konseptini öne sürmenin yanında, kayaçların tek eksenli basınç dayanımları, çekme dayanımları, elastik modülleri, ve sondaj ilerleme hızları ile dokusal özellikler arasındaki ilişkileri araştırmışlardır. Yapılan çalışmalar sonucunda, özellikle sondaj ilerleme hızı ile TC arasında son derece yüksek bir korelasyon bulunmuştur. Bunun yanında, tek eksenli basınç dayanımı ve çekme dayanımı ile TC arasında da önemli korelasyona sahip ilişkiler bulunmuştur. Test edilen kayaçların en düşük TC değerlerinin 0,7’ den fazla olduğu ve genellikle orta sert ve sert kayaçlar için deneylerin gerçekleştiriliği görülmektedir. Bu durum, bu tez kapsamında gerçekleştirilen araştırmalarda ortaya çıkan sonuçlara paralellik göstermektedir. Özellikle sert kayaç grubuna ait kayaçlar üzerinde yapılan araştırmalar TC ile çekme ve basınç dayanımları arasında son derece önemli ilişkilerin olduğunu göstermiştir.

Ersoy ve Waller (1995) tarafından gerçekleştirilen çalışmada ise, kayaçların mekanik özellikleri ile dokusal özellikleri arasındaki ilişkiler TC’ den hareket edilerek gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlar, bir evvelki çalışmadan bazı farklılıkları içermektedir. Howarth ve Rowlands (1987) tek eksenli basınç dayanımı ile TC arasında 0,92 korelasyon katsayısına (r2) sahip bir ilişki bulmuşken, Ersoy ve Waller (1995) bu değeri 0,641 olarak tespit etmiştir. Benzer durum çekme dayanımı içinde geçerlidir. Ersoy ve Waller (1995) tarafından yapılan bu çalışmada kayaçların aşınabilirlikleri ile TC arasında yüksek korelasyonda bir ilişkinin varlığı tespit edilmiştir.

Azzoni ve diğ. (1996) tarafından yapılan çalışmada ise kayaçların tek eksenli basınç dayanımları ve aşınma dayanımları ile TC arasındaki ilişkiler farklı kayaç türleri için incelenmiş ve dokusal özellikler ile adı geçen mekanik parametreler arasındaki ilişkilerin değişimi hakkında yorumlar yapılmıştır. Ancak, bir evvelki çalışmada olduğu gibi bu parametreler arasındaki lineer bir ilişkinin varlığı hakkında yorum yapılmamıştır. Bu çalışmanın sonucu olarak, çok farklı dayanıma sahip iki farklı kayacın TC değerinin litolojisine bağlı olarak farklı çıkabileceği yorumu getirilmiştir. Ancak, gerek Howarth ve Rowland (1987), gerek Ersoy ve Waller (1995) ve gerekse bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen analizlerde Azzoni ve diğ. (1996) tarafından verilen sonuçların aksi çıkmıştır.

Sonuç olarak, 1987 yılında dokusal özelliklerin sayısallaştırılması ile başlayan araştırmalar, kayaç dokusu ile dayanım özellikleri arasındaki ilişkileri göstermesi açısından son derece önemlidir. Bu çalışmalar sonucunda, kumtaşı, mermer, bazalt, granit, hornfels, siyenit, kireçtaşı, silttaşı, diyorit, tonalit, gabro, riyolit, gnays, dolomit kayaçlarının TC değerleri belirlenmiş ve kayaçların dayanım özellikleri ile olan ilişkileri araştırılmıştır. Araştırmaların sonuçları incelendiğinde, özellikle orta sert ve sert kayaçlarda TC ve dayanım özellikleri arasında cidddi ilişkilerin bulunduğu gözlenmiştir. Ancak, tüm bu çalışmalar, laboratuvarda gerçekleştirilen mekanik deneyler ve dokusal analiz sonuçlarından elde edilen veri kümesinin istatistiksel değerlendirilmesi sonucu oluşturulmuştur. Kayaçların dokusal özelliklerinin kaya mühendisliği uygulamalarında direk kullanılmasını sağlayacak modeller veya yaklaşımlar geliştirilmemiştir. Bunun sonucu olarak da, dokusal ve dayanım özellikleri arasında bulunmuş olan bu ilişkilerden yola çıkarak kaya

çalışmada, öncelikle çok daha geniş bir veri kümesi oluşturulduktan sonra ilişkiler araştırılmış ve nihai olarak TC değerinin kaya mühendisliği uygulamalarında kullanılabilir olmasının sağlanması amaçlanmıştır.