Kaya malzemelerinin basma ve çekme dayanımları üzerinde birim deformasyon hızının etkisi

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.