th
KAYAMEK’2014-XI. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC’2014-XI Regional Rock Mechanics Symposium, Afyonkarahisar , Turkey
Andezitik kayaçların dayanım özelliklerine içyapının etkisi
Effect of microtexture on the strength properties of andesitic rocks
Ö. Ündül
İstanbul Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Avcılar, İstanbul/Türkiye
Swiss Federal Institute of Technology, Engineering Geology, Zürih/İsviçre
N. Aysal
İstanbul Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Avcılar, İstanbul/Türkiye
A. Amann
Swiss Federal Institute of Technology, Engineering Geology, Zürih/İsviçre
M. Plötze
Swiss Federal Institute of Technology, Institute for Geotechnical Engineering, Switzerland
ÖZET: Kayaların dayanım ve yenilme davranışları içyapı özellikleri ile ilişkilidir. Önceki çalışmalarda,
çoğunlukla mineral dağılımı, mineral büyüklükleri, mineral boyutları gibi bazı sayısal ve yarı sayısal
petrografik değişkenlerle jeomekanik parametreler arasındaki ilişkilerin incelemesi ile bu ilişkiler ifade
edilmiştir. Bu çalışmada, Çanakkale bölgesinden elde edilen örnekler üzerinde gerçekleştirilen çevre
gerilmesiz deneyler sonucunda örnekler çok geniş aralıkta tek eksenli sıkışma dayanımı (c) ve kırıklanma
başlangıcı (ci) değerleri sunmuştur. Daha önce önerilmiş bazı petrografik değişkenler, andezitik kayaçların
mikro yapısal özellikleri üzerinde uygulanmış ve söz konusu kayaçların jeomekanik özelliklerindeki
değişimlerine etkileri tartışılmıştır. Elde edilen dayanım farklılığını ortaya koyabilmek için gerçekleştirilen
detaylı petrografik ve mineralojik analizler, her bir mineral danesinin değerlendirilmesi ile birlikte, çevre
gerilmesiz koşullarda oluşan kırıkların yönelim ve dağılımlarının belirlenmelerini de kapsamaktadır. Elde
edilen dayanım özellikleri, petrografik, mikro yapısal ve mineralojik veriler ile değerlendirildiğinde, tek
eksenli sıkışma dayanımının ve kırıklanma başlangıcının hamur malzemesi ile irikristal oranı ile biyotit
irikristalleri tarafından kontrol edildiği ortaya konmuştur.
ABSTRACT: The strength and failure behaviour of rocks are directly related with the microtextural
properties of rocks. This situation was stated by previous studies where some quantitative and semiquantitative properties like the spatial distribution of minerals, mineral grain sizes, mineral dimensions etc.
were encountered to establish a relation with the geomechanical properties of rocks. The data obtained from
unconfined compressive tests of the samples taken from Çanakkale region demonstrate substantial variations
both on the peak strength and the microcrack initiation stresses. In this study, some of the previously
proposed petrographic variables were utitilized to obtain a relation between the microtextural properties of
and the geomechanical behaviour of these rocks. To achieve this goal detailed petrographical and
mineralogical analyses comprise the determination of the orientation and distribution of microcracks under
unconfıned compressive loadings as well as the analyses of each mineral grain. The evaluation of the
petrographic, micro textural, mineralogical and the strength parameters suggests that the peak strength and the
micro crack initiation is controlled by the ratio of ground mass and the phenocrystals and the biotite
phenocrystals.
l GİRİŞ
Kayaçların tek eksenli sıkışma dayanımları (UCS)
ve çatlaklanma eşik değerleri (σcı) petrografik,
mineralojik ve mikroyapısal özeliklerine göre
farklılık göstermektedir. Mikro yapıyı oluşturan
mineralojik bileşim, mineral dane şekilleri ve
boyutları, daneler arası ilişkiler vb. öğelerin tek
eksenli sıkışma dayanımı ve kırıklanma üzerindeki
etkileri pek çok çalışmacı tarafından farklı kayalar
için değerlendirilmiştir (Brace vd 1966, Lajtai
1974, Ulusay vd 1994, Tugrul ve Zarif 1998,
Prikryl 2006, Nicksiar ve Martin 2013 ve
diğerleri).
Çoğunlukla
modal
analizlerden
yararlanılan önceki çalışmalara ek olarak bu
çalışma kapsamında, detaylı sayısal petrografik ve
mineralojik analizler gerçekleştirilmiştir. Elde
edilen içyapıya ait veriler, andezitik kayaçların tek
eksenli sıkışma koşullarındaki dayanım ve
kırıklanma
değerlerine
etkileri
yönünden
değerlendirilmiştir.
1.1 İncelenen kayaçların genel özellikleri
Çalışmaya konu olan andezitik kayaçlar Çanakkale
(Gökçeada) bölgesindeki Miyosen yaşlı volkanik
seriden elde edilmiştir. Kayaçların genel
bileşimleri feldspat, amfibol ve biyotit iri kristalleri
ile ince daneli hamurdan oluşmaktadır. Bazı
örneklerde nadiren kuvars iri kristallerine
rastlanmıştır. Kayaçlarda belirgin heterojen bir
farklılık bulunmamaktadır. Dört farklı bölgeden
alınan örenkelerin genel görünümleri Şekil 1'de
sunulmuştur.
tekniği (XRD) ile analiz edilmiştir. Bu aşamada
Bragg-Brentano kırınım cihazı (Bruker AXS D8)
Co K-alfa radyasyonu ile kullanmıştır. Toz
örnekler 2.50 dereceden 800 açıya kadar ölçülmüş
olup her ölçüm aralığındaki basamak aralığı 0.020
2alfa ve her basamaktaki ölçüm süreside 4 saniye
olarak belirlenmiştir. Mineralojik değerlendirmeler
için faz bileşimleri DIFFRACplus yazılımı ile
belirlenmiştir. Ardından sayısal mineral bileşimleri
Rietveld yöntemi ile AutoQuan yazılımı
kullanılarak hesaplanmıştır.
2.2 Sayısal petrografik analizler
Bu çalışmada değerlendirilen ince kesitler mekanik
deneylerde uygulanan yük doğrultusu gözetilerek
test edilen her bir kaya örneği için hazırlanmıştır.
İnce kesitlerin hazırlanmasından önce mavi renkli
akışkan bir reçine örneğe emdirilmiştir. Böylece
deney sonrası oluşan kırıkların daha kolay tespit
edilmesi amaçlanmıştır. İnce kesitlerden görüntüler
Nikon Digital sight DS_U3 görüntüleme sistemi ve
NIS Elements Imaging software 4.00 yazılımının
desteklediği en yüksek çözünürlükte elde
edilmiştir. Yüksek çözünürlüklü görüntüler
hazırlanan her bir ince kesiti temsil edecek şekilde
birleştirildikten sonra analiz edilmişlerdir. Bu
analizlerde uzun ekseni 200µm'den büyük daneler
iri kristalli mineral daneleri olarak, 200µm'den
küçük daneler ise ince hamur malzemesi içerisinde
değerlendirilmiştir.
Danelerin
ve
hamur
malzemesinin alansal dağılımları belirlenen
referans alan içerisinde ölçülmüştür. Bu referans
alanlar yükleme yönü gözetilerek her bir kesiti
temsil edecek şekilde boyutlandırılmıştır (Şek. 2).
Şekil 1. Dört farklı bölgeden alınan örneklerin genel
görünümleri
2 YÖNTEMLER
2.1 Mineralojik analizler
Çeneli kırıcılarda 0.4mm’nin altında boyutlara
indirilen kaya örneklerden 2gramlık temsilci bir
kısım ethanol içerisinde tekrar öğütülerek
20µm’nin altındaki boyutlara indirilmiştir.
Ardından örneklerin mineralojileri X ışını kırınımı
Şekil 2. Petrografik analizlerde kullanılan referans alan
ve mineral danelerinin şematik görünümü
2.3 Tek eksenli sıkışma testleri
Tek eksenli sıkışma dayanımı testleri 43mm çaplı
örnekler üzerinde ETH Mühendislik Jeoloji
kürsüsünde 2000kN kapasiteli servo-hidrolik
kontrollü test cihazında gerçekleştirilmiştir.
Eksenel ve çevresel deformasyon ölçerler şekil
değiştirme ölçümlerinin örnek kenarlarındaki
değişimlerden etkilenmemesi için örnek boylarının
yarısı seviyelerine yerleştirilmiştir. Eksenel
deformasyon ölçerler karşılıklı olarak örneğin her
iki tarafına sıkıca yerleştirilmiştir. Eksenel
deformasyon ölçerlerin örnek üzerindeki ölçüm
aralığı 50mm olarak belirlenmiştir. Çevresel şekil
değiştirmeler (εrad) ise örneğin etrafına sarılan
zincire bağlı deformasyon ölçerler yardımıyla
hesaplanmıştır (Şek. 3). Test sırasında dijital
geribildirim çevresel şekil değiştirme ile
sağlanmıştır ve kullanılan kontrol değeri 0.03
mm/dk olarak belirlenmiştir.
Şekil 4. σcı’ın tespitinde kullanılan gerilme-şekil
değiştirme diyagramları a) Brace vd (1966) tarafından
önerilen yöntem b) Lajtai (1974) tarafından önerilen
yöntem
Kullanılan ikinci yöntem ise, Lajtai (1974)
tarafından önerilen ve benzer prensiplerin çevresel
şekil
değiştirme
eğrisine
uygulanmasına
dayanmaktadır (Şek. 4b). Bu yöntemde
kırıklanmanın başlangıcı, gerilme - çevresel şekil
değiştirme eğrisinin çizgisellikten saptığı nokta
olarak ifade edilmektedir.
3 ELDE EDİLEN VERİLER ve
DEĞERLENDİRİLMESİ
Şekil 3. Tek eksenli sıkışma dayanımı test düzeneğinin
şematik görüntüsü
2.4 Kırıklanma başlangıcının belirlenmesi
Çevre gerilmesiz tek eksenli testlerde kırıklanma
başlangıcının (σcı) belirlenmesi için ölçülen
deformasyon değerlerine göre değerlendirme
esasına dayalı iki yöntemden yararlanılmıştır. Bu
yöntemlerden ilki Brace vd. (1966) tarafından
önerilen ve temel olarak gerilme ve hacimsel
deformasyon eğirisinin çizgisellikten saptığı
andaki en düşük eksenel gerilme değeridir (Şek.
4a). Burada, hacimsel şekil değiştirme (εvol) iki
eksenel şekil değişimin (εaxial) ortalaması ile
çevresel şekil değiştirmenin (εrad) iki katının
toplanması şeklindedir (Formül 1).
εvol = εaxial + 2εrad
(1)
3.1 İncelenen kayaçların içyapısı ve mineralojisi
Tek eksenli gerilmeler altında test edilen andezit
örnekleri XRD analizleri sonucuna göre ortalama
% 57 feldspat mineralleri (alkali ve plajiyoklas
feldspatlar),
%
13
Amfibol
mineralleri
(Hornblend), % 12 Kuvars ve yaklaşık %2
civarında da biotit minerallerinden oluşmaktadır.
Test edilen herbir örnekten elde edilen ince
kesitler üzerinde gerçekleştirilen analizlerin
sonucuna göre, kayaçları oluşturan ana bileşenlere
ait alansal dağılımlar ise Tablo 1'de verilmiştir.
3.2 Örneklerin tek eksenli yükler altında dayanım
özellikleri
Çevre gerilmesiz koşullar altında test edilen
andezit örnekleri 103 MPa ile 289 MPa arasında
değişen dayanım değerleri vermiştir (Tablo 2).
Deney sonrasında gözle görülebilecek kırık gelişmi
yok
denebilecek
seviyelerdedir.
Yenilme
sonrasında incelenen karot örneklerinden uzun
eksenleri 1-2cm arasında değişen ve kalınlıkları
birkaç milimetre ile sınırlı küçük parçaların
koptuğu gözlenmiştir. Bunların dışında kalan
örneklerde makroskopik boyutlarda bir kırık
gözlenmemiştir.
Tablo 1:Mekanik deneylerde kullanılan örnekleri oluşturan ana bileşenlerin alansal oranları
ÖG
1
Hamur (%)
51-59
Biotit (%)
2-9
Amfibol (%)
2-16
Feldspat (%)
13-34
2
54-56
4-13
5-21
18-24
3
47-63
0-13
11-26
12-34
1-9
4-20
16-40
4
53-61
ÖG: Örnek grubu
Tablo 2: Örneklerin Tek eksenli sıkışma dayanımı ve kırıklanma başlangıcı eşik değerleri
ÖG
σcı (MPa)
σcı (MPa)
Brace vd., 1966
Lajtai, 1974
UCS (MPa)
1
108-271
107-126
101-127
2
103-199
47-78
46-79
3
148-289
62-130
63-129
144-163
4
ÖG: Örnek grubu
69-74
65-73
Kırıklanma başlangıcı ile en yüksek dayanım
değerleri arasında farklı iki yönteme göre 0.45 ve
0.46 arasında bir oran ilişkisi elde edilmiştir.
Birbirleri ile ve UCS değerleri ile oldukça uyumlu
olan bu değerler ait grafikler Şekil 5 ve Şekil 6'da
verilmiştir. Söz konusu ilişkilere benzer oranlar
Nicksiar ve Martin (2013) tarafından pekçok
kristalli kayaç üzerinde yaptıkları çalışmalarda da
vurgulanmıştır.
Tablo 1 ve Tablo 2'de verilen değer ile uyumlu
olarak Şekil 7'de elde edilen grafikte biotit
değerinin artmasıyla tek eksenli sıkışma
dayanımının ve dolayısıyla kırıklanma başlangıcı
değerinin azaldığı oldukça belirgindir. Benzer bir
durum Nicksiar ve Martin (2013) tarafından ifade
edilmiştir. Ayrıca ve Mahabadi vd (2012) yumuşak
biotit minerallerinin kırıklanma gelişimine ve
ilerleyişine
etki edeceğini sayısal modeller
üzerinde yaptıkları çalışmalarda belirtmiştlerdir.
Biyotit mineralleri iri kristaller olarak veya çok
ince parçalar şeklinde hamur içerisinde dağınık
olarak bulunmaktadırlar. Biyotit diğer iki ana iri
kristale göre daha yumuşak olduğundan deneye
tabi tutulan örnekler içerisinde sertlik faklılığı
yaratmakatadır. Bu sebeple, yükler altında gerilme
ve şekil değiştirme farklılıkları oluşturduğu ve
buna bağlı olarak kırıklanma başlangıcı ve tek
eksenli sıkışma dayanımımlarına
düşünülmektedir (Şek. 7).
etki
ettiği
Şekil 5. Brace vd 1966'ya göre elde edilen mikro
kırıklanma değerlerinin tek eksenli sıkışma dayanımı
ile ilişkisi
Şekil 6. Lajtai 1974'e göre elde edilen mikro kırıklanma
değerlerinin tek eksenli sıkışma dayanımı ile ilişkisi
Bu bulgulara ek olarak, Tablo 1 ve 2'de sunulan
veriler ve Şekil 8'de sunulan grafiğin uyumu dikkat
çekicidir. Şekil 8'de verilen grafikte amfibol ve
feldspat (plajiyoklas+ortoklas)
minerallerinin
alansal
dağılımlarının
toplamının
hamur
malzemesinin alansal dağılımına oranı ile dayanım
özellikleri ilişkilendirilmiştir. Feldspat ve amfibol
iri kristallerinin hamur malzemesine oranla artış
göstermesi daha yüksek tek eksenli sıkışma
dayanımı ve benzer şekilde daha yüksek
kırıklanma başlangıcı eşik değerlerinin elde
edilmesine yol açacağı açık bir şekilde ortaya
konmaktadır.
şekil değiştirme farklılıklarını oluşturmaktadır. Bu
durum kırıkların başlangıcının bu bölgelerden
olmasına neden olmaktadır. Artan yükler altında
kırıklar hamur malzemesi içerisine doğru ilerlediği
ince kesitlerde gözlenmektedir (Şekil 9 ve 10).
Hamur
Plajyoklas
Sınır kırığı
Hamur
Şekil 9. Mekanik deney sonrası amfibol ve hamur
malzemesi arasında gelişen sınır kırığının gelişimi
(oklar yükleme yönün göstermektedir)
Şekil 7. Biotit içeriği ile tek eksenli sıkışma dayanımı
ilişkisi
Şekil 8. Amfibol (A) ve feldspat (F) iri kristallerinin
alansal dağılımı ile hamur malzemesi arasındaki
ilişkinin tek eksenli sıkışma dayanımına etkisi
3.3 Mikro yapının kırıklanma ve kırık gelişiminie
etkisi
Eksenel yükler altında kırılan örneklerden elde
edilen ince kesitlerde gözlenen kırıklar, petrografik
analizlerde değerlendirilen irikristaller ve hamur
malzemesinin dağılımı ile uyum içerisindedir.
Biyotite göre daha sert olan feldspat
(plajiyoklas+ortoklas) ve amfibol mineralleri
örneklerde bulundukları bölgelerde gerilme ve
Şekil 10. Mekanik deney sonrası plajiyoklas ve hamur
malzemesi arasında gelişen sınır kırığı ve bu kırığın
hamur içerisindeki ilerlemesi (kalın oklar yükleme
yönün göstermektedir)
4 SONUÇLAR
Bu çalışmada, andezitik kayaçların kırıklanma
başlangıcının, tek eksenli sıkışma dayanımının
yaklaşık %45-46 mertebesinde başlayacağı ortaya
konmuştur.
Biyotit iri kristallerinin içeriğinin kırıklanma
başlangıcı eşik değeri üzerinde ve UCS üzerinde
azaltıcı bir etkisi olduğu belirlenmiştir.
Tek eksenli gerilmeler altında test edilen andezit
örneklerinin tek eksenli sıkışma dayanımlarının ve
kırıklanma başlangıcı gerilme değerlerinin amfibol
ve feldspat iri kristallerinin hamur malzemesine
oranı ile önemli oranda değiştiği ortaya konmuştur.
Tek eksenli yükler altında gelişen kırıkların iri
kristaller ile hamur malzemesi arasında sınır
kırıkları oluşturacak şekilde başlayacağı, artan
gerilmeler altında kırıkların hamur malzemesinin
içine doğru ilerlediği gözlenmiştir.
KATKI BELİRTME
Bu çalışma, İstanbul Üniversitesi Bilimsel
Araştırma Projeleri Komisyonu’nca 17073
numaralı proje ile desteklenmiştir.
KAYNAKLAR
Brace, W.F., Paulding B.R. and Scholz, C., 1966. Dilatancy
in fracture of crystalline rocks. J. of Geophys. Res. 71
(16): 3939-3953.
Lajtai, E.Z. 1974. Brittle fracture in compression. I. J. of
Fracture 10(4): 525-536.
Mahabadi, O.K., Randall, N.X., Zong, Z., and Grasselli, G.,
2012. A novel approach for microscale characterization
and modeling of geomaterials incorporating actual
material heterogeneity. Geophysical Research Letters 39
(6 pp.).
Nicksiar, M., and Martin, C.D., 2013. Crack initiation stress
in low porosity crystalline and sedimentary rocks.
Engineering Geology 154: 64–76.
Prikryl, R. 2006. Assessment of rock geomechanical quality
by quantitative rock fabric coefficients: Limitations and
possible source of misinterpretations. Engineering
Geology, 87: 149–162.
Tuğrul, A. and Zarif, İ.H., 1998, The influence of
mineralogical and textural characteristics on the
durability of selected sandstone in İstanbul, Turkey,
Bulletin of Engineering Geology and the Environment,
Vol. 57, No. 2, 185-190.
Ulusay, R., Tureli, K., Ider, M.H., 1994. Prediction of
engineering properties of selected litharenite sandstone
from its petrographic characteristics using correlation and
multivariate statistical techniques. Engineering Geology
37, 135– 157.
Download

Andezitik kayaçların dayanım özelliklerine içyapının