Geri Dön

Nokta yük deneyi sonuçlarını kullanarak uç batırma indekslerini tahmin etmek için yeni bir model önerisi

A new model for estimating indentation indices using point load test results

  1. Tez No: 1016772
  2. Yazar: FIRAT TURĞUT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CEMAL BALCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışmasında, kayaçların mekanik davranışlarının belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan iki dolaylı deney yöntemi olan uç batırma deneyi (Punch Penetration Test, PPT) ile nokta yük deneyi (Point Load Test, PLT) arasındaki ilişkiler ayrıntılı biçimde incelenmiş ve PLT sonuçlarından yararlanılarak PPT tabanlı indekslerin tahmin edilmesine yönelik yeni ampirik modeller geliştirilmiştir. Çalışmanın temel motivasyonu, mekanize kazı sistemlerinin performans tahminlerinde önemli rol oynayan uç batırma indekslerinin, daha pratik, hızlı ve düşük maliyetli bir deney yöntemi olan nokta yük deneyi aracılığıyla tahmin edilip edilemeyeceğinin araştırılmasıdır. Mekanize kazı sistemlerinde, özellikle tünel açma makineleri (TBM), başyukarı delme makineleri (RBM) ve diğer kaya kazı makinelerinde, kayaçların kırılganlık özelliklerinin doğru şekilde belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Çünkü kaya kırılganlığı; kazı sırasında oluşan çatlak gelişimi, enerji tüketimi, keski tüketimi, penetrasyon oranı ve genel kazı performansı üzerinde doğrudan etkili olan temel parametrelerden biridir. Bu nedenle, kayaçların kazılabilirlik özelliklerini kısa sürede ve güvenilir şekilde belirleyebilecek alternatif yöntemlerin geliştirilmesi hem akademik çalışmalar hem de mühendislik uygulamaları açısından önemli bir gereklilik olarak değerlendirilmektedir. Uç batırma deneyi, kayaçların kırılganlık davranışlarını ve mekanik özelliklerini değerlendirmek amacıyla kullanılan önemli laboratuvar yöntemlerinden biridir. Deney sırasında tungsten karbürden imal edilmiş bir uç, belirli bir hız ve yük altında kaya yüzeyine batırılmakta ve bu süreçte elde edilen kuvvet-penetrasyon eğrileri analiz edilmektedir. Bu eğriler aracılığıyla kayaçların kırılganlık ve deformasyon davranışlarına ilişkin çeşitli indeksler hesaplanabilmektedir. Bununla birlikte, uç batırma deneyinin uluslararası ölçekte standardize edilmiş bir prosedüre sahip olmaması, deney ekipmanlarının pahalı olması, deney düzeneklerinin karmaşıklığı ve uzman personel gereksinimi gibi nedenlerle uygulama alanı sınırlı kalmaktadır. Buna karşılık, ISRM (1985) tarafından standardize edilen nokta yük deneyi, taşınabilirliği, düşük maliyeti, hızlı uygulanabilirliği ve saha koşullarında dahi gerçekleştirilebilmesi nedeniyle mühendislik uygulamalarında oldukça yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında, uç batırma deneyinin sınırlılıklarını azaltabilecek alternatif bir yaklaşım geliştirilmesi hedeflenmiş ve PLT sonuçlarının PPT indekslerini tahmin etmedeki potansiyeli araştırılmıştır. Tez kapsamında kullanılan veri seti, Sarıyer-Kilyos Tüneli projesinden elde edilen kaya numuneleri ile Shaterpour-Mamaghani vd. (2023) tarafından raporlanan farklı litolojilere ait deney verilerinin bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur. Toplam 25 adet kaya karot numunesi değerlendirilmiş olup, tüm numunelere eksenel nokta yük deneyi uygulanmıştır. Ayrıca Garipçe Formasyonu'ndan elde edilen 12 adet kaya numunesi üzerinde uç batırma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Böylece hem yeni deneysel veriler hem de literatürden alınan güvenilir veriler kullanılarak daha geniş kapsamlı bir analiz yapılması amaçlanmıştır. Çalışmada kullanılan kayaçlar; volkanik, sedimanter ve metamorfik kökenli farklı litolojik özelliklere sahip olup, bu durum geliştirilen modellerin farklı kaya türleri üzerindeki davranışlarının değerlendirilmesine olanak sağlamıştır. Nokta yük deneyleri sırasında, deney sistemine entegre edilen dijital veri toplama sistemi aracılığıyla kuvvet-zaman eğrileri sürekli olarak kaydedilmiş ve elde edilen veriler detaylı biçimde analiz edilmiştir. Uç batırma deneylerinde ise kuvvet-penetrasyon eğrileri değerlendirilmiş ve her iki deneyden çeşitli kırılganlık ile kuvvet indeksleri hesaplanmıştır. Çalışma kapsamında değerlendirilen indeksler arasında BIm, BI1, BI2, ve BI3 gibi kırılganlık indeksleri ile FI1, FI2 ve FI3 gibi kuvvet indeksleri bulunmaktadır. Hesaplanan indeksler yalnızca genel veri seti üzerinden değil, aynı zamanda farklı litolojik alt gruplar üzerinden de analiz edilmiştir. Böylece veri homojenliğinin korelasyon gücü üzerindeki etkisi ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, tüm veri seti birlikte değerlendirildiğinde bazı indeks çiftleri arasında orta düzeyde ilişkiler bulunduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, homojen veri gruplarında korelasyonların belirgin şekilde güçlendiği görülmüştür. Özellikle Garipçe Formasyonu'na ait veriler kullanıldığında ve penetrasyon derinliklerine bağlı mutlak fark yaklaşımı uygulandığında oldukça güçlü ilişkiler elde edilmiştir. Çalışmada önerilen“Mutlak Fark Temelli Penetrasyon Derinliği Yaklaşımı”, PLT ve PPT deneylerinde ölçülen penetrasyon derinlikleri arasındaki farkın 1 mm'den küçük olduğu numunelerin ayrı olarak değerlendirilmesine dayanmaktadır. Bu yaklaşım sayesinde, deformasyon davranışları birbirine daha yakın olan kayaçların aynı grup altında değerlendirilmesi sağlanmış ve böylece daha güçlü ampirik modeller geliştirilmiştir. Özellikle BI1(PLT) ve BIm(PPT) arasındaki ilişkide oldukça yüksek korelasyon katsayılarına ulaşılmıştır. Benzer şekilde FI1(PLT)-BI2(PPT) ve FI1(PLT)- FI3(PPT) indeks çiftlerinde de güçlü ilişkiler belirlenmiştir. Çalışmada geliştirilen modeller yalnızca korelasyon katsayıları ile değerlendirilmemiş, aynı zamanda çeşitli istatistiksel yöntemlerle doğrulanmıştır. Determinasyon katsayısı (R²), düzeltilmiş determinasyon katsayısı (Adjusted R²), t-testi, F-testi ve p-değeri analizleri gerçekleştirilerek modellerin istatistiksel anlamlılığı araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, modellerin büyük çoğunluğunun %95 güven düzeyinde anlamlı olduğunu göstermiştir. Ayrıca ölçülen ve tahmin edilen değerler arasındaki ilişkiler 1:1 doğrusu üzerinden değerlendirilmiş ve modellerin güvenilirliği hata analizleri ile desteklenmiştir. Özellikle homojen veri setleri için geliştirilen modellerin daha düşük hata oranlarına sahip olduğu görülmüştür. Buna karşılık, farklı litolojilerin birlikte değerlendirildiği veri setlerinde saçılımın arttığı ve korelasyonların zayıfladığı belirlenmiştir. Tez sonuçları genel olarak değerlendirildiğinde, nokta yük deneyinden elde edilen indekslerin belirli koşullar altında uç batırma indekslerini tahmin etme potansiyeline sahip olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Özellikle veri homojenliği sağlandığında ve penetrasyon uyum kriterleri dikkate alındığında, PLT tabanlı indekslerin PPT indeksleriyle güçlü ilişkiler gösterebildiği belirlenmiştir. Bu durum, özellikle arazi koşullarında hızlı ve düşük maliyetli mühendislik değerlendirmeleri yapılabilmesi açısından önemli avantajlar sunmaktadır. Çalışma sonuçları, mekanize kazı performans tahminlerinde daha pratik yöntemlerin kullanılabileceğine işaret etmekte ve PLT verilerinin yalnızca dayanım tahmini amacıyla değil, aynı zamanda kazılabilirlik ve kırılganlık değerlendirmelerinde de kullanılabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, çalışmanın bazı sınırlamaları da bulunmaktadır. Özellikle veri setinin sınırlı olması ve bazı alt gruplarda numune sayısının düşük kalması, geliştirilen modellerin genellenebilirliğini kısmen sınırlandırmaktadır. Ayrıca, farklı litolojik özelliklere sahip kayaçların aynı veri seti içerisinde değerlendirilmesi saçılımın artmasına neden olmuştur. Gelecekte yapılacak çalışmalarda daha geniş veri setlerinin oluşturulması, farklı kaya türlerinin değerlendirilmesi ve otomatik yükleme kontrollü deney sistemlerinin kullanılması önerilmektedir. Bunun yanında, farklı uç geometrileri ve farklı yükleme hızlarının PLT-PPT ilişkileri üzerindeki etkilerinin incelenmesi, geliştirilen modellerin mühendislik uygulamalarındaki güvenilirliğini artıracaktır. Sonuç olarak bu tez çalışması, uç batırma deneyine alternatif olabilecek pratik bir yaklaşım sunmakta ve mekanize kazı mühendisliği alanında yeni araştırmalar için önemli bir temel oluşturmaktadır.

Özet (Çeviri)

In this thesis study, the relationships between the Punch Penetration Test (PPT) and the Point Load Test (PLT), which are two widely used indirect testing methods for determining the mechanical behavior of rocks, were comprehensively investigated, and new empirical models were developed to estimate PPT-based indices using PLT results. The main motivation of the study was to investigate whether indentation indices, which play a significant role in the performance prediction of mechanized excavation systems, could be estimated through the point load test, which is a more practical, rapid, and cost-effective testing method. In mechanized excavation systems, particularly Tunnel Boring Machines (TBMs), Raise Boring Machines (RBMs), and other rock excavation machines, the accurate characterization of rock brittleness is of great importance. This is because rock brittleness is one of the fundamental parameters directly affecting crack propagation, energy consumption, cutter wear, penetration rate, and overall excavation performance during rock cutting processes. Therefore, the development of alternative methods capable of determining the excavability characteristics of rocks in a rapid and reliable manner is considered an important requirement for both academic research and engineering applications. The Punch Penetration Test is one of the important laboratory methods used to evaluate the brittleness behavior and mechanical properties of rocks. During the test, a tungsten carbide indenter is penetrated into the rock surface under a certain loading condition and penetration rate, and the resulting force-penetration curves are analyzed in detail. Various brittleness and force indices related to the deformation and failure behavior of rocks can be calculated from these curves. However, the lack of an internationally standardized procedure for the PPT, together with the high cost of the testing equipment, the complexity of the experimental setup, and the requirement for specialized personnel, significantly limits its practical applicability. In contrast, the Point Load Test, standardized by ISRM (1985), is widely used in engineering practice due to its portability, low cost, rapid applicability, and suitability for both laboratory and field conditions. Within the scope of this study, an alternative approach capable of overcoming some of the limitations of the Punch Penetration Test was proposed, and the potential of PLT-derived indices for estimating PPT indices was investigated. The dataset used in this thesis was established by combining rock samples obtained from the Sarıyer-Kilyos Tunnel Project with experimental data representing different lithological units reported by Shaterpour-Mamaghani et al. (2023). A total of 25 rock core specimens were evaluated, and axial point load tests were performed on all specimens. In addition, Punch Penetration Tests were conducted on 12 rock specimens obtained from the Garipçe Formation. Thus, a more comprehensive analysis was achieved by integrating newly generated experimental data with reliable data obtained from the literature. The rock samples used in the study consisted of volcanic, sedimentary, and metamorphic lithologies with different geological characteristics, enabling the evaluation of the developed models under varying rock conditions. During the Point Load Tests, force-time curves were continuously recorded using a digital data acquisition system integrated into the testing apparatus, and the obtained data were analyzed in detail. In the Punch Penetration Tests, force-penetration curves were evaluated, and several brittleness and force indices were calculated from both testing methods. The evaluated indices included brittleness indices such as BIm, BI1, BI2, and BI3, as well as force indices such as FI1, FI2 and FI3 . The calculated indices were analyzed not only using the overall dataset but also through different lithological subgroups. In this way, the influence of data homogeneity on correlation strength was investigated comprehensively. The obtained results demonstrated that moderate correlations existed between certain index pairs when the entire dataset was evaluated collectively. However, significantly stronger relationships were observed within homogeneous data groups. Particularly, when the data obtained from the Garipçe Formation were evaluated using the absolute penetration depth difference approach, considerably stronger correlations were obtained. The proposed“Absolute Difference-Based Penetration Depth Approach”was based on separately evaluating the specimens for which the difference between the penetration depths measured in the PLT and PPT was less than 1 mm. Through this approach, rock specimens exhibiting similar deformation behavior were grouped together, allowing the development of stronger empirical models. Particularly high correlation coefficients were obtained between BI1(PLT) and BIm(PPT). Similarly, strong relationships were identified for the FI1(PLT)-BI2(PPT) and FI1(PLT)-FI3(PPT)index pairs. The developed models were not evaluated solely based on correlation coefficients but were also statistically validated using several statistical methods. The coefficient of determination (R²), adjusted coefficient of determination (Adjusted R²), t-tests, F-tests, and p-value analyses were performed to investigate the statistical significance of the proposed models. The results revealed that the majority of the developed models were statistically significant at the 95% confidence level. Furthermore, the relationships between measured and predicted values were evaluated using 1:1 line analyses, and the reliability of the models was supported by error analyses. It was observed that the models developed using homogeneous datasets exhibited lower error rates, whereas scatter increased and correlations weakened when lithologically diverse datasets were evaluated together. Overall, the findings of this thesis indicated that indices obtained from the Point Load Test possess the potential to estimate indentation indices under specific conditions. Particularly, when data homogeneity and penetration compatibility criteria were satisfied, PLT-based indices exhibited strong relationships with PPT-derived indices. This provides significant advantages, especially for rapid and cost-effective engineering assessments under field conditions. The results suggest that PLT data can be used not only for strength estimation purposes but also for excavability and brittleness assessments in mechanized excavation applications. Nevertheless, the study also has certain limitations. In particular, the limited dataset size and the low number of specimens within some subgroups partially restricted the generalizability of the proposed models. In addition, the evaluation of rocks with different lithological characteristics within the same dataset increased the degree of scatter in the obtained relationships. Furthermore, differences in loading mechanisms between the Punch Penetration Test and the Point Load Test, variations in indenter geometry, and the fact that the rock specimens were stabilized with plaster confinement during the PPT while no plaster support was used in the PLT may also have influenced the obtained correlations. Future studies should focus on establishing larger datasets, evaluating additional rock types, and utilizing automatically controlled loading systems. Moreover, investigating the influence of different indenter geometries, loading rates, and specimen confinement conditions on PLT-PPT relationships would further improve the reliability and applicability of the proposed models in engineering practice. Consequently, this thesis presents a practical alternative approach to the Punch Penetration Test and provides an important basis for future studies in the field of mechanized rock excavation engineering.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    174793

    Darbeli elektromanyetik alanlar ile osteojenik indüksiyon (teorik, deneysel ve klinik çalışma)

    Başlık çevirisi yok

    ARSLAN BORA

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    1982

    Ortopedi ve TravmatolojiEge Üniversitesi

    Ortopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERİH EROĞLU

  2. Tez No

    637356

    Experimental and numerical studies on loading capacity of prestressed concrete sleepers with anchor plates

    Ankraj plakalı öngermeli beton traverslerin yük taşıma kapasitelerinin belirlenmesi için deneysel ve sayısal çalışmalar

    MEHMET ALİ TOPRAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KONURALP GİRGİN

  3. Tez No

    315358

    Paslanmaz çeliklere uygulanan düşük sıcaklık nitrürleme işleminin mekanik ve korozyon özelliklerine etkisi

    The effect of low temperature nitriding on mechanical and corrosion properties of stainless steels

    ÖZGÜR ÇELİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI

  4. Tez No

    876526

    Investigation of vibrations created during TBM excavation and rock cutting

    TBM kazısı ve kaya kesme deneyleri sırasında oluşan titreşimlerin incelenmesi

    UĞUR ATEŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR

  5. Tez No

    532153

    Cable-net facades with novel glass nodes: development, design, and testing

    Özgün cam düğüm noktalarına sahip kablo-ağ cephelerin geliştirilmesi, tasarımı ve testi

    ESRA YAĞDIR ÇELİKER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK

Geri Dön