Kırılgan kayalarda çok aşamalı üç eksenli deneyde maksimum sekant modül kriterini kullanarak Hoek–Brown mi parametresinin güvenilir belirlenmesi

Kayaçların test edilmesi neden günlük yaşam için önemli

Metro tünellerinden dağ yollarına, barajlardan yeraltı santrallerine kadar, güvenilirlik talep ettiğimiz pek çok yapı sağlam kayanın içine oyuludur. Mühendisler, bu kayaların yerin derinliklerinde her yönden sıkıştırıldığında nasıl davranacağını bilmek zorundadır. Bu makale, belirli kireçtaşları ve dolomitler gibi kırılgan karbonat kayaçlarını test etmenin daha akıllıca bir yolunu inceleyerek, tasarımcıların çatlama ve çökme riskini daha iyi tahmin etmelerini sağlar; üstelik sıradan laboratuvarların sınırları içinde kalarak.

Uyarı vermeden çatlayan kayalar

Kırılgan kayalar nazikçe eğilmek yerine ani biçimde kırılır; bu da onları yeraltı yapıları için özellikle zorlayıcı kılar. Mühendislerin bu davranışı tanımlamak için kullandığı önemli bir sayı, yaygın Hoek–Brown kırılma modelinden “mi” adlı parametredir. Basitçe söylemek gerekirse, mi bir kayanın etrafından her yönden gelen sıkışma altında ne kadar güç kazandığını gösterir; tünel çevresindeki gibi. mi’yi yanlış belirlemek, küçük bir sapma bile olsa güvensiz tasarımlara ya da gereksiz ölçüde korumacı ve maliyetli tasarım kararlarına yol açabilir. Oysa geleneksel test yöntemleri birbirine çok benzeyen birçok numune ve gelişmiş ekipman gerektirir; derinlikten veya karmaşık oluşumlardan elde edilen sondaj çekirdekleri söz konusu olduğunda bu her zaman mümkün olmaz.

Kayayı sıkıştırmanın daha verimli bir yolu

Bu sorunu çözmek için yazarlar çok aşamalı üç eksenli basınç testinin optimize edilmiş bir versiyonunu geliştirdi. Her bir numuneyi yalnızca bir kez kırana kadar ayrı ayrı yüklemek yerine, tek bir silindirik örnek kademeli olarak artan çevresel basınç altında birkaç aşamada yükleniyor. Yenilik, her aşama için durma noktası olarak “maksimum sekant modül”ün kullanılmasında yatıyor—yani kaya en sert olduğu, yumuşamaya ve büyük kalıcı hasar birikimine başlamadan hemen önce testi durdurup sıfırlamak. Bu kriter, basit bir bilgisayar arayüzüyle gerçek zamanlı izlenebilir ve egzotik cihazlar ya da tam otomatik kontrol sistemleri gerektirmez. Yöntemin iki versiyonu denenmiş: sürekli yükleme ile bir de aşamalar arasında numunenin hasarı azaltmak için boşaltıldığı yükleme–boşaltma şeması.

Yöntemi teste sokmak

Araştırmacılar yaklaşımlarını batı İran’daki dolomitik kireçtaşına uyguladı; bu kaya türü pek çok mühendislik projesinde yaygındır. Önce basınç dayanımı, çekme dayanımı, rijitlik ve birkaç kırılganlık indeksi gibi temel özellikleri ölçerek malzemenin kırılgan biçimde davrandığını doğruladılar. Ardından dokuz geleneksel tek aşamalı üç eksenli test ve sürekli ile yükleme–boşaltma şemalarında yedi çok aşamalı test gerçekleştirdiler. Çok aşamalı testler veri açısından dikkat çekiciydi: sadece yedi numuneden 49 ayrı gerilme koşulu elde edildi; oysa geleneksel yöntemde dokuz numuneden yalnızca dokuz koşul çıkmıştı. Bu daha yüksek veri yoğunluğu, Hoek–Brown modelinin daha güvenilir bir uyumunu ve aynı kaya için mi parametresinin daha keskin bir tahminini sağladı.

Tekrarlı yükleme altında kayanın açığa çıkardıkları

Sonuçlar iki yaklaşım arasında sistematik bir fark olduğunu gösterdi. Çok aşamalı testler daha yüksek mi değerleri üretti—ortalama yaklaşık 9,7; benzer kayalar için önerilen aralığa yakın ya da üzerinde—oysa tek aşamalı testler daha düşük bir değer, 6,8 verdi. Çok aşamalı testler tek bir numunede gelişen çatlak ağını izlediği için numune-numune arasındaki doğal değişkenliğin büyük bir kısmını filtreleyerek kayanın sınırlama altında nasıl güçlendiğini daha iyi yakalar. Aynı zamanda tekrarlı yükleme küçük çatlakların birikmesine neden olur; bu yüzden çok aşamalı yöntemle ölçülen görünen temel basınç dayanımı, tek aşamalı testlere göre biraz daha düşük bulundu. Bir istatistiksel analiz, yöntemler arasındaki mi farkının rastgele gürültü olmadığını, gerçek bir etki olduğunu doğruladı.

Laboratuvar sayılarından tünel güvenliğine

Bu farkların pratikte ne anlama geldiğini görmek için yazarlar sağlam dolomitik kireçtaşında dairesel bir tünelin bilgisayar modelini kurup her test yönteminden elde edilen parametrelerle simülasyonlar yaptılar. Çok aşamalı kaynaklı sayılar kullanıldığında, model tünel çevresinde daha geniş bir plastik deformasyon zonu ve örtüde daha fazla aşağıya doğru hareket öngördü. Mühendislik terimleriyle bu daha korumacı ve tartışmaya açık şekilde daha güvenli bir tahmindir: tasarımcılara tek aşamalı verilerin öne sürdüğünden daha fazla kaya gevşemesi ve deformasyon beklemeleri gerektiğini söyler. Yazarlar, kırılgan kayalarla çalışırken böyle bir korunmacılığın istenebilir olduğunu savunuyor; çünkü bu kayalar çok az uyarı vererek başarısız olabilir.

Gerçek dünya projeleri için anlamı

Uzman olmayanlar için ana mesaj, laboratuvarda kayayı nasıl test ettiğimizin tünellerimizin, mağaralarımızın ve temellerimizin ne kadar güvenli olduğunu algılamamızı güçlü biçimde etkilediğidir. Bu çalışma, ne zaman durup yeniden yükleme yapılacağını belirlemek için basit bir rijitlik tabanlı kural kullanan dikkatle kontrol edilmiş çok aşamalı bir testin, sınırlı numunelerden çok daha fazla bilgi çıkarabileceğini ve güvenlik yönünde hata yapmaya eğilimli kaya parametreleri verebileceğini gösteriyor. Yöntem hâlâ yetenekli operatörlere bağlıdır ve yalnızca bir kaya türünde gösterilmiştir; yine de değerli sondaj çekirdeklerinin yalnızca birkaç örneğinin mevcut olduğu durumlarda pek çok laboratuvar için pratik, düşük maliyetli bir yol sunar.

Atıf: Kordloo, V., Talkhablou, M. & Sheikhani, F.A. Reliable determination of the Hoek brown Mi parameter in brittle rocks using the maximum secant modulus criterion in multistage triaxial test. Sci Rep 16, 7575 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38702-5

Anahtar kelimeler: kırılgan kayalar, üç eksenli testler, Hoek–Brown parametresi, tünel stabilitesi, dolomitik kireçtaşı