Physical, mechanical and abrasivity properties of dykes and their surrounding rocks in İstanbul
İstanbul'daki dayklar ve yan kayaçlarının fiziksel, mekanik ve aşındırıcılık özellikleri
- Tez No: 953223
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖMER ÜNDÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeoloji Mühendisliği, Geological Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Son yıllarda hızla artan nüfus artışı, İstanbul'da altyapı ve diğer yeraltı mühendislik projelerinin daha fazla inşasına ve yapımına ihtiyaç duyulmasını gerektirmiştir. Bunun sonucu olarak, gelecek yıllarda çok sayıda mühendislik yapısı planlanmaktadır. Yeni projeler eskilerden çok daha büyük ve daha derin yapıda olmaktadır. Bu durum mühendislerin ve şehir planlamacılarının jeolojik belirsizliklerle ilgili olarak jeoloji mühendisliğinin alanına giren daha fazla zorlukla karşı karşıya kalmasına neden olmaktadır. En fazla sayda yeni mühendislik yapısı İstanbul Boğazının iki yakasındaki Paleozoyik seride yer almakta ve son yıllarda daha da yoğunlaşmaktadır. İstanbul'un Paleozoyik serisinin büyük bölümünü kumtaşı, çamurtaşı, silttaşı ve kireçtaşından oluşan sedimenter kayaçlar oluşturmaktadır. Felsik (dasit ve andezit) ve mafik (lamprofir ve diyabaz) bileşimlerinin daykları milimetreden onlarca metreye kadar değişen boyutlara sahip rastgele yönelimli bu sedimenter kayaçları kesmektedir. İstanbul'da daykların varlığı bölgede yapılan ilk çalışmalardan beri bilinmektedir. Dayklar, birçok alanda değişik derecelerde taze ve yıpranmış olarak görülmektedir. Bu dayklar İstanbul'un hemen her yerine dağılmış olup stabilite sorunları, Tünel Delme Makinesi (TBM) sıkışmaları, su kaçağı vb. beklenmedik ve istenmeyen koşullara neden olmaktadır. Bu, mühendislik jeologlarını ve inşaat mühendislerini bu sorunlarla karşı karşıya olduklarını bildirmeye yönlendirmiştir. Ayrıca daha önce yapılan birçok çalışma, daykların varlığının tünel açma faaliyetlerinin uzun sürmesine neden olan en önemli jeolojik faktörlerden biri olduğunu göstermektedir. Ayrıca yeraltı kazılarında stres artışlarına neden olabilir ve olumsuz stres koşulları yaratarak mühendislik yapılarının zaman ve maliyetlerinde artışa neden olabilirler. Sunulan veriler ve bu araştırmada tartışılan konular, daykların ve çevresindeki kayaçların ilişkilerinin ve genel özelliklerinin anlaşılmasına yardımcı olacaktır. Böylece daykların ve çevresindeki kayaların sınırlarında belirginleşen sorunların nedenleri aydınlatılacaktır. Ayrıca daykların ve çevresindeki kayaçların temel kaya kütlesi özellikleri ile ilgili davranışları karşılaştırılmış ve daykların yeraltı mühendisliği projelerine etkisi tartışılmıştır. İstanbul'da Paleozoyik kayaçların bulunduğu bölgelerde saha çalışmaları 2 aydan fazla sürmüştür. Dayk mostralarını bulmak şehirleşmeden ve yer yer yoğun bitki örtüsünden dolayı oldukça zor olmuştur. Daykların yerlerinin koordinatları önceki birçok çalışmadan elde edilmiştir. Farklı lokasyonlardaki dayklardan ve çevresindeki kayalardan el örnekleri toplanmıştır. Ayrıca çalışma sırasında dayk ve yan kayaçlar için önceki çalışmalardan elde edilen karot örneklerinden de yararlanılmıştır. karotların dış etkilerden uzak kalmasına özen gösterildi. Toplam numune sayısı, her numunenin kaynak konumuna bağlı olarak altı gruba ayrılmış şekilde 56'dır. Karot örneklerinin 31, düzensiz geometriye sahip örneklerin sayısı ise 25'tir. Hem dayklardan hem de çevresindeki kayalardan alınan örnekler üzerinde laboratuvar çalışmaları yapılmıştır. Tüm numuneler için kuru birim ağırlık (γd), gözeneklilik (n) ve incelenen karot numuneler için sadece P-dalga hızı (Vp) içeren fiziksel özellikler elde edildi. Mekanik deneylerden önce numuneler, kuru kütleyi (Md) elde etmek için 24 saat boyunca 105 °C sıcaklıkta bir fırında kurutuldu. Numuneler daha sonra doymuş kütleyi (Ms) elde etmek için 48 saat boyunca bir sepet içinde suya daldırıldı. Her numune için hacim (V) su deplasman yöntemi ile belirlendi. Numunenin daldırılmasından önceki hacmi ve numunenin daldırıldığı hacmi belirlemek için bir ölçüm silindiri kullanıldı. Amaç, daldırılmış numunenin kendi hacmini değiştirmesidir, bu nedenle numunenin hacmi (V), su hacmindeki fark hesaplanarak belirlenebilir. Daha sonra tüm numuneler için kuru (γd) ve doymuş birim ağırlıkları (γs), Boşluk hacmi (Vv) ve gözeneklilik (n) hesaplandı. Bundan sonra karot numunelerin boyuna kesiti için kuru halde P-dalga hızı ölçümleri sadece 2 transdüser (54kHz) ile çalışan pundit cihazı kullanılarak yapıldı. Ayrıca Brezilya çekme dayanımı (BTS), tek eksneli sıkışma dayanımı (UCS) gibi mekanik testler sadece karot numuneler üzerinde yapıldı. Bu testler, yüksek hassasiyetli dikey ve yanal gerinim ölçerlere sahip servo-hidrolik kontrollü bir test cihazı yardımıyla gerçekleştirildi. Numunelerin alt ve üst yüzeylerinin paralelliği ISRM'de önerilen standartlara göre hazırlanmıştır (1981 ve 2007). Ayrıca, ortalama Young gerilme-gerinim eğrisinin düz çizgi kısmının eğimine eşit olan elastisite modülü (Eav) sadece karot numuneler için belirlenir. Önceki testlere ek olarak, toplam 56 numuneden 25 numune üzerinde nokta yük testi de yapıldı. Test şekilsiz geometriye sahip numuneler üzerinde yapıldı, ancak boyutları ISRM'de (1981 ve 2007) önerilen standartlarla kabul edildi. 25 numune, bileşimlerine göre iki gruba ayrıldı, bir grup bir dayktan, diğeri ise çevredeki kayadan alındı. Nokta yük test cihazı ve prosedürü, laboratuarda veya sahada topak veya karot kaya numunelerini test etmek için çok ekonomik bir yol olarak düşünülebilir. Ek olarak, numunelerin CERCHAR Aşındırıcılık İndeksini (CAI) elde etmek için dayklardan 9 ve çevresindeki kayaçlar için 6 numune olmak üzere 15 numune üzerinde CERCHAR aşındırıcılık testi yapıldı. CERCHAR aşındırıcılık indeksi öncelikle kayaların aşındırıcılığını belirlemek ve takım aşınmasını tahmin etmek için kullanıldı. Çelik uçlere 70 N basınç uygulandı ve Çizilme, numune yüzeyinde on milimetrelik bir mesafe boyunca 1 saniye sürdü. Her numune için en az 5 çizik uygulanmış ve her çizik için yeniden bilenmiş bir çelik uç kullanılmıştır. Numunelerdeki çizikler Leica binoküler mikroskobu kullanılarak incelendi. uç aşınma ölçümü yan veya üstten görünümle yapılabilir. Bu araştırmada yandan görünüm ölçümleri yapılmaktadır. Bir uç te, 90° dönüşte çizilme yönüne paralel ve dik dört ölçüm yapılır ve test sonuçlarını temsil etmek için ortalama değer kullanılır. Ayrıca daykların ve çevresindeki kaya örneklerinin mineralojisi rastgele yönlendirilmiş toz numuneler üzerinde X-ışını kırınımı (XRD) nicel analizleri ile değerlendirildi. X-ışını floresans (XRF) spektrometresi, numunelerdeki ana elementleri tanımlamak için de kullanılır. XRD ve XRF testleri için alınan toplam numune sayısı sekiz olup, bu numunelerin toplam 56 numunenin temsilcisi olmasına özen gösterilmiştir. Ayrıca dijital mikroskop kullanılarak numunelerin ince kesitleri üzerinde mikroskobik çalışmalar yapılmıştır. Toplam ince kesit sayısı on iki idi. Mekanik teste tabi tutulan numunelerin her grubundan ince kesitler alındı. Bu araştırmadaki tüm testler İstanbul Teknik Üniversitesi jeoloji mühendisliği bölümü kaya mekaniği Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Test sonuçlarına göre, daykların tek eksenli sıkışma dayanımları ve Young modülleri sırasıyla 30-240 MPa, 5.7-47 GPa ve çevresindeki kayaçlar için aynı değerler 9-203 MPa, 6.5-48 GPa arasında değişmektedir. Ayrıca, bu çalışmada elde edilen fiziksel ve mekanik test sonuçlarının ortalama değerleri, dayklar ve çevresindeki kayaçlar arasında neredeyse benzerdi. Tek açık fark, çevredeki kayalardan oldukça yüksek oldukları daykların UCS ortalama değerlerindeydi. Dayklar için ortalama UCS değeri 93 MPa'ya ve çevresindeki kayaçlar için 65 MPa'ya eşitti. Bu fark, daykların genellikle çevreleyen kayalardan daha taze ve daha az metamorfize olması ve böylece daha yüksek UCS değerleri göstermesi olabilir. CAI'nin UCS ile doğrusal korelasyon gösterdiği bulundu. UCS'ler için korelasyon katsayısı (r = 0.44), CAI ve UC'LER arasında orta derecede pozitif bir ilişki olduğunu göstermektedir. Ek olarak, dayklar için CAI'nin ortalama değeri 2'ye ve çevresindeki kayaçlar için 2.3'e eşitti ve bu bir şekilde benzer. Her ne kadar ortalama değerler benzer olsa da, bazı örnekler CERCHAR sonuçları arasında büyük bir farklılık vardı. Bu, test edilen numunelerin bazılarında yüksek oranda silika ve kuvars içeriğinden kaynaklanmaktadır, çünkü silika ve kuvars içeriği kayaların aşındırıcılığını etkileyen en önemli faktörlerden ikisidir. CAI ile test edilen numunelerdeki silika içeriğinin yüzdesi arasındaki ilişki için korelasyon katsayısı (r = 0.91)'e eşittir ve kuvars içeriği (r = 0.93)'e eşittir, bu çok güçlü bir pozitif ilişki göstermektedir. Dayklar ve çevresindeki kayaçlar arasındaki mukavemet ve deformasyon özelliklerindeki farklılıklar, TBM'nin aşınmasına yol açabilecek yeraltı inşaat mühendisliği projeleri üzerindeki etkisi ve testere ve kesme performansı üzerindeki etkisi nedeniyle önemli bir jeolojik sorun haline gelmektedir. Bu çalışmanın bulguları yeraltı kaya yapılarının yapım aşamaları ve özellikle uzun vadeli performansları için detaylı jeomekanik çalışmaların gerekliliğini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
In recent years, the rapidly increasing growth in population has necessitated the need for more building and construction of infrastructure and other underground engineering projects in Istanbul. As a result, numerous engineering structures are currently being planned for the upcoming years. The new projects are far bigger and deeper than the old ones. This led engineers and urban planners to face more geological engineering difficulties related with geological uncertainties. The highest number of the new engineering structures are in Istanbul's Paleozoic sequence along both sides of the Bosphorus and they have become denser in recent years. Sedimentary rocks consist of sandstone, mudstone, siltstone and limestone are making up the majority of Istanbul's Paleozoic sequence. Dykes of felsic (dacite and andesite) and mafic (lamprophyre and diabase) compositions and in random orientation having dimensions ranging from millimeters to tens of meters in scale are crosscutting these sedimentary rocks. These dykes are distributed nearly everywhere in Istanbul and they cause unexpected and undesirable conditions such as stability issues, Tunnel Boring Machine (TBM) jams, water leakage, and so on. This led engineering geologists and civil engineers to report facing these problems. also many previous studies shows that the presence of dykes is one of the most important geological factors that cause the tunneling activities to last long. In addition, they may cause stress increases and create negative stress conditions during underground excavations thus leading to an increase in time and costs of the engineering structures. This study aim for explaining the relationship between dykes and it is surrounding rocks and the effect of dykes on underground civil engineering projects. Also, the behavior of dykes and their surrounding rocks was compared in terms of rock geomechanical properties. Field studies continued more than 2 months in the areas where the Paleozoic rocks are located in Istanbul. The outcrops of the dykes were so hard to find because the city is simply full of buildings and dense vegetation. Hand specimens were collected from dykes and their surrounding rocks in different locations. In addition, some dyke and their surrounding rock samples used in this research came from previously bored cores. The total number of samples is 56 divided in to six groups based upon the source location of each sample. The number of core samples was 31 and the number of hand specimens that have irregular lump shape was 25. Laboratory studies were conducted on the samples from both dykes and their surrounding rocks. Physical properties which include dry unit weight (γd), porosity (n) were done for all the samples and P-wave velocity (Vp) were obtained for the examined core samples only. Also, the mechanical tests such as Brazilian tensile strength (BTS), unconfined compressive strength (UCS) were done on core samples and point load tests were performed on irregular lump samples. In addition, CERCHAR abrasivity test is conducted on 15 samples 9 from dykes and 6 for their surrounding rocks to obtain the CERCHAR Abrasiveness Index (CAI) of the samples. Besides that, mineralogical and petrographycal studies were conducted on 12 samples using X-ray powder diffraction (XRD) analysis, X-Ray Fluorescence (XRF) and thin sections. All the tests in this research were done according to ISRM (1981 and 2007). According to the test results, the unconfined compressive strength and Young`s modulus of dykes are calculated as 30-240 MPa, 5.7-47 GPa and for their surrounding rocks are calculated as 9-203 MPa, 6.5-48 GPa. Also, the mean values of the results of dykes and their surrounding rocks were nearly the same for BTS, E, Porosity and P-wave velocity. The only clear difference that can be seen is in UCS mean values. The mean value of UCS for dykes was 93 MPa and for their surrounding rocks was 65 MPa. The CAI was found to correlate linearly with UCS. The correlation coefficient of (r = 0.44) for UCS, indicates moderate positive relation between CAI and UCS. In addition, the mean value of CAI for the dykes was equal to 2 and for their surrounding rocks as 2.3 and this is somehow similar. Although the mean values are similar but there is a big deference between some of the samples CERCHAR results. This is due the high percentage of silica and quartz content in some of the tested samples as silica and quartz content are two of the most important factors that affect the abrasiveness of rocks. The correlation coefficient for the relationship between CAI and the percentage of silica content in the tested samples is equal to (r = 0.91), and for quartz content is equal to (r = 0.93), this is showing a very strong positive relationship. The differences in strength and deformation characteristics between dykes and their surrounding rocks become an important geological problem since it is effect on underground civil engineering projects that can lead to wear of TBM and effect on sawing and cutting performance. The findings of this study reveal the necessity of detailed geomechanical studies for the construction phases of the underground rock structures and especially for their long-term performance.
Benzer Tezler
- Maçka (Meryemana) Medoş taşocağındaki kireçtaşının agrega olma açısından incelenmesi
An investigation of Maçka (Meryemana) Medoş limestone quarry in point of agregate
ALİ FAİK ALTINBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Jeoloji MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET TARKAN
- Kayaçların kazılabilirlik ve jeoteknik özelliklerinin kollu galeri açma makinelerinin kazı hızları üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation into cuttability characteristics of rocks and geotechnical factors affecting the advance rates of roadheaders
KOUROSH SHAHRİAR
- Granitik kayaçların fiziko-mekanik özellikleri ile cerchar aşınma indeks değerleri arasındaki ilişki
The relationships between physico-mechanical properties and cerchar abrasivity index (CAI) of granitic rocks
SELMAN ER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİYE TUĞRUL
- Doğal taş fabrikalarında kullanılan dairesel testereli blok kesme (S/T) makineleri için performans tahmin modelinin geliştirilmesi
Development of performance prediction model for block-cutting (S/T) machines with circular saws used in natural stone factories
KAMİL CENGİZ ÇEVİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ TUMAÇ
- Açık işletmelerde uygun delme-patlatma şartlarını veren bir modelin geliştirilmesi
The development of a model to obtain suitable drilling and blasting conditions in open pit mines and quarries
SAİR KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUH BİLGİN