ABSTRACT

"SIGNIFICANT RELATIONSHIP BETWEEN GEOPHYSICAL AND ROCK MECHANICS TECHNIQUES AND DETECTION OF THE FAULT ZONES BY WENNER ELECTRICAL METHOD"

One of the most pressing problem of the geophysicists who are dealing with the engineering studies is the detection of the shear or fault zones in foundation rocks.

Geological features such as faults and deep weathering should be detected and well understood before design and construction phase. These features are common and significant because of their considerable continuity and weak strength. If they are critically located in dam site area or in a highway tunnel they could bring rock burst or sliding failures. Ref(9) and (10).

The detection of fault zones is of practical importance in mining areas since the most mineralized zones are generally occur along the fault or contact zonees.

In order to detect the fault zones using the Wenner configuration in situ geophysical and geological parameters were investigated. These are; water-pressure tests, drilling time records of the bore holes, core recovery data, apparent and true resistivity values, and P-wave velocity (see figs. 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 11).

Figs. 5 and 6 provide interesting data when field results of the Wenner electrical sounding and the average drilling time curve are present together. It is common knowledge that any increase in the degree of compaction and cementation of the foundation rocks requires longer drilling time. It is interesting to note that the apparent resistivity versus electrode seperation curves are parallel to the average drilling time versus depth curves (See figs 5 and 6). As the average drilling time of the bore hole decrease, the apparent resistivity also decreases. It may therefore be concluded that the apparent resistivity depends very much on the degree of cementation and compaction of the foundation rocks.

Significant resemblence was also found between laboratory (or field) geophysical and rock mechanics studies. See figs. 2c and 2d.

i) When a rock specimen is strained within or beyond its elastic limit, it gives s - e curve as shown in fig.2a. Any changes in the specimen length of the strain gauge strips, finally the relationship between resistivity change and strain parameters can be expressed in the following form.

Where D R is the decrease in resistance of the gauge of initial resistance R. D L/L is the strain causing D R. Since K and R are declared by the manufacturer it is only necessary to determine D R in order to evaluate D L/L.

It is clear from above expression that the strain indicator is actually measuring the resistivity change under different stress range, since the strain gauge is being inserted as one of the arms of a Wheatstone bridge.

The fundamental characteristics of the engineering stress-strain curve is that as the slope of the stress-strain curve increases, the modulus of elasticity and compressive strength increase. Ref (4). Above the linear range (AB), of fig.2 a the strain increased more rapidly for equal-stres increments until failure occurred (fig.2a-stage 111-see also fig.7).

ii) Similarly, the main aim of the resistivity survey is to measure resistivity change under diffeent depth (or stress-strain) conditions (see fig.2d). Resistivity equipment also operates on a Wheatstone bridge circuit principle. As the slope of the r a -a curve decreases, the foundatin rocks show heavily broken shear zones (see fig.4). But when the slope of the r a -a versus depth curve increases, the lithological description of the bore hole indicates "massive or compact" rock layers (see figs.7 and 8).

It is extremely important and usefull to remember the resemblence between the stress-strain curve shown in fig.2a(curve number-1) and resistivity curves shown in figures 7 and 8. These properties of the stress-strain and apparent resistivity depth curves will be extremely useful in the detection of fault zones. Comprehensive geophysical and geological investigations were carried out in order to determine fault zones and dynamic modulus of elasticity of the rocks along the Zigana highway tunnel in the design stage. It was found that the low resistivity layer (indicated by the black column) is associated with fault zones which dip at various angles (See fig.1).

Download PDF file

GİRİŞ

Faylar ister aktif olsun ister olmasınlar geçtikleri her jeolojik yapı içinde önemli Litolojik değişmeler meydana getirirler. Bu değişmeler sırasıyla kayanın çimentolaşma derecesinde bir azalma; yeraltı su hareketlerine müsait oldukları için kayanın dayanma mukavemetinde düşüşler ve kayanın kırık porozitesinin artması şeklinde olmaktadır. Faylar volkanik kayalar içinde (dasit, andezit) meydana geldiği taktirde (Şekil 1) çatlaklardan korozif etkisi oldukça yüksek (sülfat miktarı fazla) suları da beraberinde getirirler Ref (1).. Bu sular tünel içine girdikleri taktirde beton kaplamaya veya çelik iksaya önemli derecede aşındırıcı etkilerini yaparak mühendislik yapının kullanılma sürelerini azaltabilirler. Karayolları tüneli ve baraj yapım çalışmaları sırasında fay ve bozulma zonları, mühendislik hizmetlerin yavaşlamasına, çökme ve göçükler nedeniyle önemli zaman kayıplarına ve ilave mali yatırımlar gibi arzu edilmeyen sorunları da beraberinde getirirler. Detaylı Jeofizik çalışmalar yapılmaksızın açılacak bir tünelde veya galeride, kazı ilerledikten sonra büyük ezilme ve fay zonları ortaya çıkabilir. Böyle durumlarda alınacak fevkalade tedbirler nedeniyle projenin toplam fiyatında dikkate değer artışlar olacaktır. Bu nedenle derinlerde temel kaya içinde yer alan fayların satıhtan süratli ve ekonomik bir şekilde bulunarak arzu edilmeyen önlemlerin alınmasını zorunlu kılan Jeolojik yapıların konumlarının ortaya çıkartılması son derece hayati öneme haizdir.(Osmancık,Ayaş ve Bolu tünelleri örnekleri gibi).

Türkiye'de meydana gelen yıkıcı depremleri izleyen yeni yer seçimi çalışmaları sırasında üzerinde önemle durulacak bir konu gene, bu yeni yerleşme sahasında ve derinlerde yer alabilecek fay zonlarının belirlenmesi olmaktadır.

Mühendislik yapılar için potansiyel kaya çökmesi yönünden arzu edilmeyen şartları beraberinde taşıyan fay zonları, maden aramaları yapan Jeofizikçiler için de dikkatlice etüt edilmesi gereken bir jeolojik konuyu oluşturur. Zira bakır,demir v.s. gibi yurt ekonomisinde önemli yer tutan madenler teşekkül ettikleri sırada çoğu kez kırık ve fay sistemleri içine girerler ve jeolojik devirler boyunca maden yataklarının teşekkülüne imkan verirler.

Yukarıda ana hatlarıyla izah edilmeğe çalışılan çeşitli konular içinde, fay zonlarının önceden bulunması gerçekten çok önemlidir. Derinlerde yer alan fay zonlarını süratle ve kolaylıkla ortaya koyabilecek hiç bir sihirli formül mevcut değilse de Jeofizik, Kaya mekaniği ve Jeolojik çalışmalar arasında dikkate değer ilişkiler bunun mümkün olabileceğini göstermiştir. Bu ilişkiler ışığında derinlerde yer alan fayların yüzeyden derin elektrik sondajlarıyla bulunması ve muhtemel eğimlerinin ne olacağının bilinmesi imkan dahiline girmiş bulunmaktadır.

Derinlerde yer alan fayların yüzeyden yapılan elektrik sondajlarıyla bulunmasına yardımcı olmak gayesiyle ilk önce kaya mekaniği ve Jeofizik yöntemler arasında ölçülen parametreler arasındaki benzerlikler araştırılacaktır. Bu benzerliklerin bulunmasından sonra fay zonlarının kalınlıkları hakkında bilgilerin Wenner ölçüleriyle elde edilen ( r a -a) eğrileri üzerinden nasıl bulunacağı açıklanacaktır. 60 Mekanik sondaj kuyusu üzerinde alınan elektrik sondajlarının bir kısmının yorumlamalarını takiben Zigana Karayolu tüneli üzerinde fay zonlarının bulunmasıyla ilgili bir örnek sunulacaktır Ref (2).

Download PDF file