Boşluklu kaya malzemelerinin dayanım ve deformasyon özelliklerinin deneysel ve nümerik yaklaşımlar kullanılarak araştırılması

Abstract

Birçok mühendislik yapısının doğrudan kaya birimlerinin üzerinde veya içinde inşa edilmesi nedeniyle, bu birimlerin dayanım ve deformasyon özelliklerinin belirlenmesi proje ve tasarım aşamasında son derece önemlidir. Boşluk, çatlak ve fisür gibi yapısal unsurların da bu parametreler üzerinde etkisi bulunmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında boşluk özelliklerinin kaya malzemelerinin dayanım ve deformasyon özellikleri, çatlak gelişimi ve yenilme davranışı üzerindeki etkileri deneysel ve nümerik yaklaşımlar kullanılarak araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, Türkiye'nin 4 bölgesinden lokasyon bazında benzer mineralojik bileşime ve farklı porozite değerlerine sahip blok boyutunda örnekler alınmıştır. Blokların gerçek porozite değerlerinin sağlıklı bir şekilde belirlenebilmesi için, `görgül boşluk hacmi yaklaşımı` önerilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda gerçek porozite değeri %10'un üzerinde olan örneklerin tek eksenli sıkışma dayanımı, elastisite modülü ve gerçek porozite değerleri arasında bir ilişki olduğu ve %10 dan daha yüksek değerlerde yenilme davranışının boşluklar tarafından kontrol edildiği ortaya koyulmuştur. Bununla birlikte hem tek hem de üç eksenli sıkışma dayanımı deneyleri öncesi, sırası ve sonrasında yapılan değerlendirmelere göre çatlak oluşumunun ilk olarak örnek içindeki en büyük çaplı boşlukların çevresinde oluşmaya başladığı ve yenilme davranışının da bu boşluklar tarafından kontrol edildiği belirlenmiştir. Üç eksenli yükleme koşullarında ise küresel şekilli boşluklara sahip olan örneklerin dayanım değerlerinin tek eksenli yüklenenlerden yaklaşık 10 kata kadar daha yüksek olduğu da tespit edilmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen verilerin baz alındığı, Particle Flow Code yazılımı ile oluşturulan modeller kullanılarak deneysel çalışmalardan elde edilen veriler doğrulanmış ve boşluk çapının karot çapının %8-10'u kadar olduğu durumda yenilme davranışının değiştiği saptanmıştır. Bunların yanında nümerik deneylerden elde edilen makaslama ve çekme çatlaklarının birbirine olan oranı olarak tanımlanan ve modelin yenilme davranışı temsil eden yeni bir `çatlak oranı` parametresi önerilmiştir.

Due to the construction of many engineering structures directly on or within the rock units, determination of strength and deformation parameters of these units are crucial during both the feasibility and design phases of projects. Structural textures such as pores, cracks, and fissures also have an effect on these parameters. In this dissertation, the effect of gap properties on strength and deformation, crack propagation, and failure behaviour of rock materials was investigated by using experimental and numerical approaches. For this purpose, block-sized samples were taken from four locations in Turkey with similar mineralogical compositions and different porosity values. In order to determine the real porosity values of rock blocks accurately, `empirical void volume approach` was proposed. As a result of experimental studies, it has been found that there is a relationship between uniaxial compressive strength, elasticity modulus, and real porosity values of specimens with porosity values more than 10%, and the failure behaviour of specimens having such porosity values is controlled by the gaps. In addition to this phenomenon, based on the evaluation done before, during and after both uniaxial and triaxial compressive strength tests, it was determined that crack propagation primarily occurs around gaps having the highest diameter in specimen, and the failure behaviour of rock material is controlled by these gaps. Under triaxial loading condition, it was also specified that the strength values of the specimen with spherical shaped gaps were up to 10 times higher than those on the uniaxial loading conditions. Based on data obtained from experimental studies, some numerical models were idealized with Particle Flow Code software in which experimental test results were verified by a pretty good agreement, and correspondingly it was determined that the failure behaviour of models changes when the gap diameter reaches up to %8-10 of core diameter. A new parameter, `The crack ratio`, which is defined as the ratio of the shear and tensile crack numbers obtained from numerical analyses which represent the failure behaviour of the model, was also proposed.