Kesme-kayma kaya patlaması (shear-slip rockburst), yüksek gerilme altındaki kaya kütlesinde mevcut süreksizlikler boyunca gelişen kesme kaymasının; yerel taşıyıcı yapıların kırılması, elastik şekil değiştirme enerjisinin ani serbest kalması ve hızlı mekanik kararsızlıkla birleşebildiği dinamik bir kaya mekaniği olayıdır. Bu çalışma, söz konusu süreci kontrollü laboratuvar koşullarında incelemek için yüksek elastik enerji depolama kapasitesi ve hızlı kırılgan kırılma davranışı gösterecek şekilde geliştirilmiş sentetik bir kaya patlaması simülasyon malzemesi kullanmıştır. Sağlam, tek prefabrik çatlaklı ve çift prefabrik çatlaklı 150 mm kübik numuneler; 0,9, 1,8, 2,7 ve 3,6 MPa normal gerilmeler altında kesilmiştir. Araştırmanın temel sonucu, normal gerilmenin kesme direncini artırırken aynı zamanda yüksek gerilme düzeyinde kırılgan kararsızlığı büyütebilen ikili bir role sahip olmasıdır. Bununla birlikte deney tasarımında her kırık geometrisi–normal gerilme birleşimi için yalnız bir numune kullanıldığından sonuçlar istatistiksel olarak genellenmiş ilişkiler değil, test edilen koşullar altındaki deneysel eğilimlerdir.

Kullanılan simülasyon malzemesinin darbe enerji indeksi \(K_E=18.0\), elastik enerji indeksi \(W_{ET}=9.2\) ve dinamik kırılma süresi \(D_t=140\ \mathrm{ms}\) olarak ölçülmüştür. Normal gerilme 0,9 MPa'dan 2,7 MPa'a yükseldiğinde kesme yüzeyindeki pürüz çıkıntılarının, yani asperitelerin, birbirine mekanik olarak kenetlenmesi güçlenmiş; tepe ve artık kesme dayanımları genel olarak yükselirken kesme sırasında normal yöndeki açılma anlamına gelen dilatasyon giderek baskılanmıştır. Normal gerilme 3,6 MPa'a ulaştığında ise sağlam, tek çatlaklı ve çift çatlaklı bütün numunelerde belirgin tepe gerilmesi düşümleri, normal yönde büzülme ve tepe sonrasında kesme taşıma kapasitesinin tamamen kaybolması gözlenmiştir.

Yüksek normal gerilme ile prefabrik kırıkların birlikte bulunması özellikle kararsızlığın ne zaman ve nasıl geliştiğini değiştirmiştir. 3,6 MPa altında sağlam J0, tek çatlaklı J1 ve çift çatlaklı J2 numunelerinde tam kararsızlığa karşılık gelen kesme yer değiştirmeleri sırasıyla 9,0, 7,8 ve 6,5 mm'ye düşerken maksimum gerilme düşümleri 0,28, 0,62 ve 0,90 MPa'a yükselmiştir. Bu sonuç, daha fazla prefabrik çatlağın tepe kesme dayanımını basitçe ve düzenli biçimde azaltmasından çok, yük aktarım yollarını bozarak deformasyonun yerelleşmesini ve tepe sonrası taşıyıcı yapının daha erken süreklilik kaybetmesini desteklediğini göstermektedir.

Deneylerde kesme-kayma süreci dört mekanik aşama halinde tanımlanmıştır: çatlak ve boşlukların kapanarak yük taşıyan yapının oluştuğu sıkışma–uyum aşaması; elastik kesme ve enerji birikimi; hasar birikimi, çatlakların birleşmesi ve tepe kararsızlığı; son olarak parçaların yeniden düzenlenmesi ve tepe sonrası kayma. Yüksek normal gerilmede son aşama kararlı artık sürtünmeli kaymaya ulaşmak yerine ezilme, normal yönde çökme ve küresel kırılgan kararsızlığa dönüşebilmektedir.

Araştırmanın temel problemi

Derin yeraltı mühendisliğinde kaya kütlesi üzerindeki yerinde gerilmeler büyüdükçe tünel, galeri ve maden açıklıklarının çevresinde yüksek gerilme yoğunlaşmaları ortaya çıkabilir. Kaya kütlesi tamamen sürekli bir ortam değildir; eklemler, çatlaklar, faylar ve başka yapısal süreksizlikler yük aktarımını kesintiye uğratır. Kazı veya üretim faaliyetleri başlangıçtaki gerilme dengesini değiştirdiğinde bu süreksizlikler boyunca kesme hareketi başlayabilir. Eğer süreç yüksek elastik enerji birikimi ve hızlı taşıma kapasitesi kaybıyla birleşirse ani ve şiddetli bir kesme-kayma kararsızlığı gelişebilir.

Doğal kaya ve kömür numuneleri mühendislik gerçekliğine yakın olmakla birlikte mineral bileşimi, doğal çatlak ağı, yüzey geometrisi ve mekanik özellikler numuneden numuneye değişebilir. Bu değişkenlik; çatlak sayısı, konumu ve sürekliliği gibi parametreleri bağımsız biçimde incelemeyi zorlaştırır. Sentetik kaya-benzeri malzemeler ise geometri ve malzeme özelliklerini daha kontrollü hâle getirir. Buna karşılık önceki sentetik malzemelerin önemli bir bölümü statik dayanım ve deformasyon benzerliğine odaklanmış; elastik enerji depolama, tepe sonrası ani kırılgan gerilme kaybı ve aralıklı gerilme düşümlerini aynı malzemede birlikte temsil etmek daha sınırlı kalmıştır.

Bu çalışmada araştırmacılar bu boşluğu, kaya patlamasına belirgin biçimde eğilimli sentetik bir malzeme ile kontrollü prefabrik kırık geometrilerini bir araya getirerek ele almıştır. Amaç yalnız maksimum kesme dayanımını ölçmek değildir. Gerilmenin hangi aşamada dalgalandığı, dilatasyonun ne zaman büzülmeye dönüştüğü, kesme yüzeyinin nasıl parçalandığı, gerilme düşümlerinin ne zaman yoğunlaştığı ve oluşan ince kaya tozu miktarının nasıl değiştiği birlikte incelenmiştir.

Kesme-Kayma Kaya Patlaması Nedir?

Kesme-kayma kaya patlaması, yüksek gerilme altındaki kaya kütlesinde bir süreksizlik veya potansiyel kesme düzlemi boyunca gelişen kaymanın; yerel kaya köprülerinin ve asperitelerin kırılması, kesme taşıma kapasitesinin ani azalması ve depolanmış elastik enerjinin hızlı biçimde yeniden dağıtılmasıyla dinamik kararsızlığa dönüşebildiği kaya patlaması mekanizmasıdır. Bu çalışmadaki deneyler gerçek saha kaya patlamasının tam dinamik eşdeğeri değil, bu mekanik sürecin laboratuvar ölçekli bir analoğudur.

Kaya patlamasına eğilimli sentetik malzemenin geliştirilme mantığı

Deneysel malzemenin iki temel davranışı birlikte göstermesi hedeflenmiştir. Birincisi, tepe gerilmesine ulaşıncaya kadar deformasyonun büyük ölçüde elastik olması ve böylece elastik şekil değiştirme enerjisinin birikebilmesidir. İkincisi ise tepe noktasından sonra uzun süreli sünek deformasyon yerine hızlı ve belirgin kırılgan dayanım kaybının ortaya çıkmasıdır. Böylece yalnız statik olarak kırılan bir kaya-benzeri numune değil, kırılma sırasında parça fırlatılması ve hızlı taşıma kapasitesi kaybı gibi kaya patlamasıyla ilişkili mekanik belirtiler gösterebilen bir analoji malzemesi elde edilmeye çalışılmıştır.

Malzeme; bağlayıcı olarak sodyum silikat, sertleştirici olarak sodyum florosilikat ve agrega olarak talk tozundan hazırlanmıştır. Kütle oranı sodyum silikat:sodyum florosilikat:talk için 1:0,13:0,30'dur. Malzemenin temel mekanik karakterizasyonunda 50 mm çapında ve 100 mm yüksekliğinde standart silindirik numuneler kullanılmıştır. Kalıp içinde 48 saat kürün ardından numuneler 7 gün daha oda koşullarında havada kürlenmiştir.

Yeni karışım önceki düşük dayanımlı, yüksek kaya patlaması eğilimli simülasyon malzemesine göre daha yüksek elastisite modülüne ve kohezyona sahiptir. Araştırmacılar bunun, aynı deformasyon koşulları altında daha yüksek yük taşıma ve daha fazla elastik enerji depolama kapasitesi sağlayarak kesme-kayma kararsızlığının incelenmesine daha uygun bir temel oluşturduğunu belirtmektedir.

Kaya patlaması eğilimi nasıl karakterize edildi?

Malzemenin kaya patlaması benzeri davranışı, Çin ulusal standardı GB/T 25217.2-2010'daki kömür patlama eğilimi deney prosedürleri doğrudan saha eşdeğerliği kurmak için değil, malzeme seçimi ve mekanik karakterizasyon için bir referans çerçeve olarak kullanılarak değerlendirilmiştir. Darbe enerji indeksi \(K_E\), elastik enerji indeksi \(W_{ET}\) ve dinamik kırılma süresi \(D_t\) sırasıyla tepe öncesi–tepe sonrası enerji ilişkisini, elastik enerji depolama kapasitesini ve tepe sonrası kırılmanın süresini temsil eden göstergelerdir.

Yüksek hızlı kamera gözlemlerinde tepe gerilmesinden hemen önce küçük levha biçimli parçaların yüzeyden ayrılmaya ve fırlamaya başladığı, tepeye ulaşılmasıyla birlikte farklı boyutlarda parçaların, kırıntıların ve tozun daha şiddetli biçimde fırladığı bildirilmiştir. Bu davranış araştırmacılar tarafından malzemenin kaya patlamasına güçlü eğilim gösterdiğinin deneysel işareti olarak değerlendirilmiştir.

Prefabrik çatlakların deneysel rolü

Kesme deneylerinin asıl numuneleri 150 mm kenar uzunluğuna sahip küplerdir. J0 numunesi sağlamdır. J1 numunesinde kesme yönünde 150 mm uzunluğa ve 30 mm genişliğe sahip tek bir prefabrik çatlak oluşturulmuştur. J2 numunesinde ise her biri 150 mm uzunluğunda ve 15 mm genişliğinde iki paralel prefabrik çatlak bulunmaktadır. Böylece J1 ve J2 için toplam çatlak genişliği 30 mm'de sabit tutulmuş ve yalnız çatlak sayısının etkisini incelemek amaçlanmıştır.

Çatlak açıklığı, kalıba önceden yerleştirilen 0,5 mm kalınlığındaki çelik parçalarla kontrol edilmiştir. J1'de kullanılan çelik ek parça 30 mm, J2'deki iki parça ise ayrı ayrı 15 mm genişliğindedir. Ek parçaların 200 mm uzunluğu numunenin 150 mm'lik kenarından daha büyük seçilmiş; böylece kür sonrasında parçaların kılavuz boyunca düzgün biçimde çekilmesi ve numunenin tamamından geçen düzenli çatlak yüzeyleri oluşturulması sağlanmıştır.

Kesme sırasında neden dilatasyon oluşur?

Bir kırık veya pürüzlü kesme yüzeyi kaymaya başladığında karşılıklı yüzeylerdeki asperiteler yalnız yatay yönde sürtünmez; birbirlerinin üzerinden tırmanabilir, dönebilir ve yerel olarak kırılabilir. Bu hareket numunenin normal yönde açılmasına yol açar. Çalışmada pozitif normal yer değiştirme dilatasyon, negatif normal yer değiştirme ise normal büzülme olarak tanımlanmıştır. Normal gerilme yükseldikçe asperitelerin birbirinin üzerinden geçmesi zorlaşmış ve ezilme ile parçacık yeniden düzenlenmesi daha baskın hâle gelmiştir.

Normal Gerilme Kesme-Kayma Kararsızlığını Nasıl Değiştiriyor?

Deneylerde normal gerilmenin etkisi tek yönlü değildir: 0,9–2,7 MPa arasında yüksek normal gerilme asperitelerin kenetlenmesini ve kaya köprülerinin kısıtlanmasını güçlendirerek kesme direncini artırmış, fakat aynı zamanda dilatasyonu azaltmış ve yerel taşıyıcı yapılarda daha yoğun gerilme birikimine zemin hazırlamıştır; 3,6 MPa'da baskın davranış artık yalnız dayanım artışı değil, yoğun ezilme, taşıyıcı yapıların çökmesi ve hızlı tepe sonrası kırılgan kararsızlık olmuştur.

Dört aşamalı mekanik evrim

Aşama I — Sıkışma uyumu ve yük taşıyan yapının oluşumu: Prefabrik çatlaklar, mevcut boşluklar ve iç kusurlar kapanmaya başlar. Kesme düzlemi yakınındaki asperiteler temas düzenlerini yeniden oluşturur. Kesme gerilmesi yavaş yükselirken normal yer değiştirme sınırlı kalır. Yük, süreksiz temas bölgeleri ve sağlam kalan kaya köprüleri üzerinden taşınmaya başlar.

Aşama II — Elastik kesme ve enerji birikimi: Kesme gerilmesi yaklaşık doğrusal artar. Asperitelerin birbirinin üzerinden geçmesi dilatasyon başlatır. Kesme gerilmesi yükseldikçe potansiyel kesme düzlemi yakınındaki yerel asal çekme gerilmeleri artar ve eğik mikroçatlakların oluşması kolaylaşır. Komşu çatlaklar arasındaki malzeme, birleşik basınç–kesme yükünü taşıyan eğik kaya köprüleri veya yerel taşıyıcı elemanlar hâline gelir. Bu aşamada kırılma yaygındır fakat henüz tüm kesme düzlemine hâkim değildir.

Aşama III — Hasar birikimi, çatlak birleşmesi ve tepe kararsızlığı: Prefabrik çatlak uçlarından ilerleyen çatlaklar yeni oluşan mikroçatlaklarla birleşir. Yerel taşıyıcı elemanlarda ardışık eğilme, kesme ve ezilme gelişir. Gerilme eğrisi doğrusallıktan sapar, testere dişi biçimli dalgalanmalar ve çoklu yerel tepe noktaları oluşabilir. Taşıyıcı yapıların kalan kısmı küresel dengeyi sağlayamaz hâle geldiğinde yerel kırılma bölgeleri hızla birleşerek etkin kesme taşıma alanını küçültür ve belirgin bir gerilme düşümü ortaya çıkar.

Aşama IV — Parçaların yeniden düzenlenmesi ve tepe sonrası kayma: Tepe noktasından sonra sağlam kalan taşıyıcı elemanlar kırılmaya devam eder. Bloklu kırıntılar devam eden basınç–kesme yükü altında ezilir ve daha ince parçacıklara dönüşür. Bu parçalar kesme bölgesinde kayar, yuvarlanır ve yeniden düzenlenir. Temas durumu tekrar tekrar kenetlenme, yük taşıma, kırılma ve yeniden temas döngüsüne girerek tepe sonrası aralıklı tutunma-kayma davranışına katkıda bulunabilir. Düşük ve orta normal gerilmelerde sistem sonunda artık sürtünmeli kaymaya yaklaşabilirken, 3,6 MPa'da normal yönde çökme ve küresel kırılgan kararsızlık gelişmiştir.

Çalışmanın desteklediği ve desteklemediği çıkarımlar

Çalışmanın doğrudan desteklediği sonuçlar: Test edilen sentetik malzemede normal gerilme yükseldikçe kesme dayanımı, dilatasyon, gerilme düşümü dağılımı, kesme yüzeyi hasarı ve parçalanma biçiminin sistematik olarak değişebildiği; yüksek normal gerilme ile çoklu prefabrik çatlakların daha erken deformasyon yerelleşmesi ve daha yoğun tekil kararsızlık olaylarıyla birlikte görülebildiğidir.

Çalışmanın doğrudan desteklemediği sonuçlar: 3,6 MPa'ın bütün kayaçlar veya bütün yeraltı yapıları için evrensel bir kaya patlaması eşiği olduğu söylenemez. Prefabrik çatlak sayısının gerçek kaya kütlelerinde her durumda aynı nicel etkiyi yaratacağı gösterilmemiştir. Gerilme düşümü ölçümü toplam açığa çıkan enerjiye eşit değildir. Deneylerde doğrudan akustik emisyon, titreşim enerjisi, fırlayan parçaların hızı veya kinetik enerjisi ölçülmediği için gerçek saha kaya patlamasının dinamik şiddeti nicel olarak doğrulanmamıştır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Deney matrisi

Çalışmada üç kırık konfigürasyonu ile dört normal gerilme düzeyi birleştirilerek toplam 12 deney koşulu oluşturulmuştur. Her koşul için tek numune test edilmiştir.

Dört normal gerilmenin tek eksenli basınç dayanımına göre normalize edilmiş değerleri yaklaşık olarak \(\sigma_n/\sigma_c=0.12,\ 0.24,\ 0.36\) ve \(0.49\)'dur. Her birleşim yalnız bir kez test edildiği için deney grupları için standart sapma, güven aralığı veya değişim katsayısı raporlanmamıştır.

Numune hazırlama

1. Sodyum silikat, sodyum florosilikat ve talk tozu 1:0,13:0,30 kütle oranında tartılmıştır.
2. Önce sodyum silikat karıştırma kabına alınmış, talk tozu kademeli eklenmiş, homojenleşmeden sonra sodyum florosilikat eklenerek yaklaşık 3 dakika karıştırılmıştır.
3. Prefabrik çatlaklı numunelerde ince çelik ek parçalar kalıbın orta düzlemine sabitlenmiş; sağlam numunelerde bu parçalar kullanılmamıştır.
4. Döküm sonrasında kalıplar 30 saniye titreşim tablasında tutulmuş, hapsolmuş havanın azaltılması ve homojenliğin artırılması amaçlanmıştır.
5. Numuneler kalıp içinde 48 saat, kalıptan çıkarıldıktan sonra oda sıcaklığında 7 gün daha kürlenmiştir.
6. Kür sonrasında çelik parçalar kılavuzlardan sabit hızla çekilerek düzgün geometrili geçişli prefabrik çatlaklar oluşturulmuştur.

Kesme deney düzeneği

Kesme-kayma testleri, kaya süreksizlikleri için servo kontrollü kesme dayanımı deney sisteminde gerçekleştirilmiştir. Sistem normal yönde en fazla 200 kN, kesme yönünde en fazla 300 kN yük kapasitesine sahiptir. Veri örnekleme frekansı 100 Hz'dir. Numune, yüksek dayanımlı L biçimli iki kesme aparatı arasında tutulmuş ve hedef kesme düzlemi numunenin yatay orta düzlemine yerleştirilmiştir.

Normal yükleme sırasında oluşabilecek aparat sürtünmesinin ölçülen kesme kuvvetine etkisini azaltmak için kesme aparatı ile normal aktüatör arasına makaralı plaka yerleştirilmiştir. Normal ve kesme yönündeki yükler yüksek hassasiyetli yük hücreleriyle, yer değiştirmeler ise haricî olarak monte edilmiş iki doğrusal değişken diferansiyel transformatörle (LVDT) kaydedilmiştir.

Yükleme protokolü

1. Normal ön yükleme: 3 kN yük, 0,5 kN/s hızla uygulanmış ve numune–aparat temas boşluklarını azaltmak için üç kez tekrarlanmıştır.
2. Normal yükleme ve tutma: Hedef normal yük 0,5 kN/s hızla uygulanmış ve sonraki kesme boyunca sabit tutulmuştur.
3. Kesme ön yüklemesi: 3 kN kesme yükü 0,5 kN/s hızla uygulanmış ve temasın oturması için üç kez tekrarlanmıştır.
4. Kesme yüklemesi: Kontrol yer değiştirme moduna alınmış ve kesme yer değiştirmesi 0,01 mm/s sabit hızla uygulanmıştır. Numune tamamen kırıldığında veya kesme yer değiştirmesi 15 mm'ye ulaştığında deney sonlandırılmıştır.

Kesme gerilmesi–yer değiştirme davranışı

0,9–2,7 MPa aralığında normal gerilmenin yükselmesi asperite kenetlenmesini ve yerel taşıyıcı yapıların normal yöndeki kısıtlanmasını güçlendirmiştir. Bunun sonucu olarak üç numune tipinde de tepe ve artık kesme dayanımları genel olarak yükselmiştir. Düşük normal gerilmelerde tepe sonrasındaki gerilme kaybı daha kademeli olmuş ve artık sürtünmeli kayma daha uzun süre korunmuştur.

Normal gerilme yükseldikçe tepe çevresindeki dalgalanmalar daha belirgin hâle gelmiş; bazı numunelerde birden fazla tepe ve ardışık gerilme düşümleri görülmüştür. Araştırmacılar bu dalgalanmaları, yerel taşıyıcı elemanların ardışık kırılması ve kesme yüzeyinde yeniden gelişen kenetlenme süreçleriyle ilişkilendirmiştir.

3,6 MPa altında üç numune tipinde de tepe kesme dayanımları yaklaşık 2,9 MPa düzeyine yaklaşmış; ardından belirgin tepe gerilmesi düşüşü ve terminal kararsızlık gelişmiştir. Bu koşulda J0, J1 ve J2'nin kesme taşıma kapasitesini bütünüyle kaybettiği yer değiştirmeler yaklaşık 9,0, 7,8 ve 6,5 mm'dir.

Bu tablo kırık sayısının tepe kesme dayanımını doğrudan ve monoton biçimde düşürdüğü anlamına gelmez. Kaynak çalışmada aynı normal gerilme altında kırık sayısı ile tepe dayanımı arasında düzenli bir sıralama bulunmamıştır. Daha belirgin değişiklik, tepe öncesi deformasyon kapasitesinin ve tepe sonrası yük taşıma sürekliliğinin azalmasıdır.

Örneğin 0,9 MPa normal gerilmede J0, J1 ve J2 numunelerinin tepe kesme yer değiştirmeleri sırasıyla 6,6, 5,0 ve 2,6 mm'ye düşmüş; yaklaşık artık kesme dayanımları ise 1,0, 0,9 ve 0,8 MPa olarak belirlenmiştir. Bu gözlem, çoklu kırıkların çatlakların birleşmesi ve makroskopik kesme düzleminin oluşması için gerekli deformasyon yolunu kısaltabileceğini göstermektedir.

Normal yer değiştirme ve dilatasyon

Normal yer değiştirme eğrileri başlangıç uyumu, dilatasyon gelişimi, tepe dilatasyonu ve dilatasyonun azalması biçiminde dört genel evre göstermiştir. Bazı deneylerde dilatasyon daha sonra normal büzülmeye dönüşmüştür.

0,9 MPa altında J0, J1 ve J2 numuneleri deney boyunca dilatasyon göstermiştir. Tepe dilatasyonları sırasıyla 2,6, 2,6 ve 1,5 mm olmuş; bu tepelere karşılık gelen kesme yer değiştirmeleri yaklaşık 6,7, 6,3 ve 6,0 mm olarak ölçülmüştür.

Normal gerilme 1,8–2,7 MPa'a çıkarıldığında tepe dilatasyonu önemli ölçüde küçülmüş ve tepe sonrasında normal yer değiştirme azalarak sıfır çizgisini geçmeye başlamıştır. 3,6 MPa'da davranış değişimi en açık hâline ulaşmıştır. J0 ve J1'de yalnız yaklaşık 0,1 ve 0,2 mm düzeyinde kısa süreli dilatasyon görülmüş; J2'de ise dilatasyon oluşmamıştır. J0 ve J1 eğrilerindeki belirgin dönüş yaklaşık 4,2 mm kesme yer değiştirmesinde, J2'de ise yaklaşık 3,0 mm'de gerçekleşmiştir.

J2 numunesinde yaklaşık 3,0 mm kesme yer değiştirmesinde normal yer değiştirme yaklaşık 0,5 mm'lik ani bir düşüş göstermiştir. Bu davranış, çoklu kırıkların kaya köprüsü ağının sürekliliğini bozarak yerel kırılmadan normal yöndeki daha genel yapısal çökmeye geçişi öne çekebileceği biçiminde yorumlanmıştır.

Gerilme Düşümü Bu Deneyde Neyi Gösteriyor?

Bir gerilme düşümü, kesme gerilmesi eğrisindeki yerel bir tepe ile onu hemen izleyen yerel çukur arasındaki azalmayı temsil eder ve bu çalışmada yerel taşıma kapasitesinin ani kaybının mekanik göstergesi olarak kullanılmıştır; ancak gerilme düşümünün büyüklüğü açığa çıkan toplam enerjiye eşit değildir ve dinamik anlamı kırılma biçimi, parça fırlaması ve başka gözlemlerle birlikte değerlendirilmelidir.

Gerilme düşümü denklemi

Tek bir gerilme düşümü olayının büyüklüğü kaynakta şu şekilde tanımlanmıştır:

\[ \Delta\tau_i=\tau_i^{p}-\tau_i^{v} \]

Burada \(\Delta\tau_i\), \(i\). gerilme düşümü olayının büyüklüğüdür; \(\tau_i^{p}\) olaydan hemen önceki yerel tepe kesme gerilmesini, \(\tau_i^{v}\) ise bunu izleyen yerel çukur kesme gerilmesini gösterir. Bütün terimler MPa cinsindedir. İstatistiksel olay sayımına yalnız \(\Delta\tau_i>0.02\ \mathrm{MPa}\) olan düşümler dâhil edilmiştir.

J0 numunelerinde gerilme düşümü olayları ağırlıklı olarak 4–6 ve 7–9 mm kesme yer değiştirmesi aralıklarında görülmüştür. J1'de yoğunluk 4–6 ve 7–8 mm'ye, J2'de ise 2–4 ve 6–7 mm aralıklarına kaymıştır. Böylece prefabrik kırıkların sayısı arttıkça belirgin gerilme düşümü olaylarının daha erken deformasyon aşamalarına kaydığı görülmüştür.

Bununla birlikte gerilme düşümü büyüklüğü her normal gerilmede kırık sayısıyla monoton biçimde değişmemiştir. En açık düzen 3,6 MPa altında ortaya çıkmıştır: J0, J1 ve J2 için maksimum gerilme düşümleri 0,28, 0,62 ve 0,90 MPa olmuştur. Aynı zamanda toplam olay sayısı genel olarak azalmış ve olaylar daha dar deformasyon aralıklarında yoğunlaşmıştır. Araştırmacılar bunu çok sayıda küçük yerel kırılmadan, daha az sayıda fakat daha büyük ölçekli yoğun kararsızlık olayına geçiş olarak yorumlamıştır.

Kesme yüzeyinde gözlenen hasar evrimi

Sağlam numunelerin başarısızlık görüntüleri normal gerilme arttıkça hasar biçiminin belirgin biçimde değiştiğini göstermiştir. 0,9 MPa'da makroskopik kesme yüzeyi görece düzgün kalmış ve sınırlı sayıda eğik kesme çatlağı ile küçük levha parçalarının ayrılması görülmüştür. 1,8 MPa'da yüzey daha dalgalı ve pürüzlü hâle gelmiş, üst ve alt blokların serbest yüzeylerinde daha fazla çekme–kesme çatlağı birleşmiştir.

2,7 MPa'da kesme yüzeyi belirgin dalgalı bir geometri kazanmış, daha fazla kaya bloğu ve kırıntı fırlamış ve kesme yüzeyi yakınında eğik oluk benzeri yapılar yoğunlaşmıştır. 3,6 MPa'da ise birleşik basınç ve kesme altında numune hızlı kırılgan göçmeye uğramış; kesme direnci tamamen kaybolmuş ve ayrı bir makroskopik kesme yüzeyini tanımlamak mümkün olmamıştır. Numune normal yükleme yönünde çökerken levha biçimli, sütunsu ve ince taneli çok sayıda kırıntı oluşmuştur.

Kesme yüzeyleri ayrıca serbest yüzeye yakın bölge, merkezî kesme yüzeyi ve ön–arka sürtünme bölgeleri olarak yorumlanmıştır. Düşük gerilmede yüzeylerde düzenli eğik kaya sütunları ve sürtünme izleri korunurken normal gerilme yükseldikçe bu yapıların kapladığı alan azalmış, kaya kırıntısı ve ince granüler malzeme miktarı artmıştır.

Kaya tozu miktarı ve üçüncü-cisim tabakası yorumu

Kesme sonrasında 0,3 mm'den küçük parçacıklar “kaya tozu” olarak tanımlanmış, standart elekten geçirilmiş ve tartılmıştır. Kaynak Şekil 13'te verilen ölçümler sağlam numune serisine aittir.

0,9–2,7 MPa arasında artış görece sınırlıyken 3,6 MPa'da kaya tozu kütlesi 56 g'a çıkmıştır. Hasar görüntüleriyle birlikte değerlendirildiğinde bu durum, düşük normal gerilmedeki yerel asperite kırılmasından yüksek normal gerilmedeki yoğun ezilme ve öğütülmeye geçişle uyumludur.

Araştırmacılar ince parçacıkların iki karşıt kesme yüzeyi arasında “üçüncü-cisim granüler tabakası” oluşturabileceğini öne sürmektedir. Böyle bir tabakada temas yalnız doğrudan asperite–asperite sürtünmesiyle gerçekleşmez; ince parçacıkların kayması, yuvarlanması ve yeniden düzenlenmesi de kesme davranışını etkileyebilir. Bu mekanizma kaynakta, yüksek normal gerilmedeki belirgin tepe sonrası gerilme düşümlerinin olası mekanik açıklamalarından biri olarak sunulmaktadır; doğrudan ayrı bir deneyle kanıtlanmış bağımsız bir sonuç değildir.

Normal gerilmenin ikili mekanik etkisi

Deney sonuçları normal gerilmenin önce stabilite sağlayan, daha sonra belirli koşullarda kararsızlığı büyüten iki etkisini birbirinden ayırmaktadır. 0,9–2,7 MPa arasında normal gerilme asperiteleri daha sıkı temas ettirmiş, kaya köprülerinin hareketini kısıtlamış ve kesme direncini artırmıştır. Aynı kısıtlama, yerel taşıyıcı elemanların kırılmadan önce daha yüksek gerilme ve elastik enerji biriktirmesine de olanak vermiştir.

3,6 MPa'a ulaşıldığında mekanik davranışın baskın yönü değişmiştir. Asperitelerin birbirinin üzerinden geçmesi büyük ölçüde baskılanmış, dilatasyon azalmış veya ortadan kalkmış, kesme düzleminde ezilme ve parça yeniden düzenlenmesi belirginleşmiştir. Yerel taşıyıcı ağ kırıldığında yük başka sağlam temaslara kademeli biçimde aktarılamamış ve kesme taşıma kapasitesi hızla kaybolmuştur.

Prefabrik kırık sayısının rolü

Kırık sayısındaki artışın temel etkisi tepe dayanımını basitçe düşürmek değildir. Kaynakta aynı normal gerilme altında J0, J1 ve J2 tepe kesme dayanımları arasında her koşulda geçerli düzenli bir sıra görülmemiştir. Buna karşılık kırık sayısı arttıkça çatlakların birleşmesi için gerekli yol kısalmış, kaya köprüsü ağının sürekliliği zayıflamış ve kesme deformasyonu daha erken yerelleşmeye başlamıştır.

Özellikle 3,6 MPa koşulunda bu süreç açık biçimde görülmüştür: tam kararsızlığa kadar gereken yer değiştirme J0'dan J2'ye doğru azalırken maksimum tekil gerilme düşümü büyümüştür. Böylece sistem çok sayıda küçük ve dağılmış hasar olayından daha az sayıda, daha yoğun ve büyük ölçekli kırılma olaylarına doğru kaymıştır.

Çalışmanın en güçlü mekanik göstergeleri

Araştırmacıların sonuçları yalnız tepe kesme dayanımına bakmanın kesme-kayma kararsızlığının ilerleyişini açıklamak için yeterli olmadığını göstermektedir. Tepe kesme yer değiştirmesi, tam kararsızlıktaki yer değiştirme, gerilme düşümlerinin büyüklüğü ve yoğunlaştığı deformasyon aralığı, tepe dilatasyonunun oluştuğu konum, normal yer değiştirmenin sıfırı geçtiği nokta ve dilatasyondan büzülmeye geçişin hızı daha duyarlı mekanik göstergeler olarak öne çıkmaktadır.

Kaynak çalışmanın sonuç bölümünde büyük gerilme düşümü olaylarının belirli deformasyon aralıklarında yoğunlaşması, kararlı tepe sonrası kayma aralığının kısalması, dilatasyonun baskılanması ve normal yer değiştirmenin dilatasyondan büzülmeye hızlı biçimde dönmesi; çatlaklı çevre kayada yaklaşan kesme-kayma dinamik kararsızlığının potansiyel mekanik göstergeleri olarak önerilmektedir. “Potansiyel” ifadesi önemlidir; çalışma bunları saha için doğrulanmış erken uyarı kriterleri olarak test etmemiştir.

Deneysel sınırlılıklar

Çalışmanın en önemli sınırlılığı, 12 deney koşulunun her birinde yalnız tek numune kullanılmasıdır. Bu nedenle malzeme heterojenliği, prefabrik çatlak üretimindeki küçük farklar ve başlangıç temas koşullarındaki değişkenliğin sonuçlara katkısı nicel olarak ayrıştırılamamıştır. J0, J1 ve J2 arasındaki bazı ters sıralamalar gerçek kırık geometrisi etkisini yansıtabileceği gibi numuneler arası değişkenlikten de kaynaklanabilir.

Gerilme düşümü olaylarının aynı numunenin zaman içindeki mekanik dalgalanmaları olması da önemlidir. Aynı eğriden elde edilen çok sayıda gerilme düşümü bağımsız deney tekrarı olarak değerlendirilemez. Bu nedenle gerilme düşümü sayısının fazla olması deneysel örneklem büyüklüğünün arttığı anlamına gelmez.

İkinci temel sınırlılık deneylerin yarı-statik yükleme altında gerçekleştirilmiş olmasıdır. Akustik emisyon, titreşim, parça fırlama hızı ve açığa çıkan kinetik enerji doğrudan ölçülmemiştir. Ani gerilme düşüşleri, kırılgan çatlama, parça fırlaması ve hızlı taşıma kapasitesi kaybı dinamik kararsızlığın nitel mekanik işaretleri olarak yorumlanabilir; fakat bunlar gerçek yeraltı kaya patlamasıyla nicel dinamik eşdeğerlik oluşturmaz.

Ayrıca bir gerilme düşümü yalnız ölçülen kesme direncindeki azalmayı ifade eder. \(\Delta\tau\) değerinin toplam açığa çıkan elastik veya kinetik enerjiyle doğrudan eşitlenmesi bilimsel olarak doğru değildir. Gelecekte akustik, titreşim, yüksek hızlı kinematik ve enerji ölçümlerinin birlikte kullanıldığı tekrarlı deneyler, önerilen mekanizmanın dinamik özelliklerinin nicelleştirilmesi için gereklidir.

Bilimsel sonuçların bütüncül yorumu

Çalışma, kesme-kayma kararsızlığını tek bir “dayanım aşıldı ve numune kırıldı” olayı olarak değil, temastan enerji birikimine, çatlak gelişiminden parçalanmaya ve tepe sonrası granüler kaymaya uzanan evrimsel bir süreç olarak göstermektedir. Bu bakış açısında normal gerilme yalnız dışarıdan uygulanan bir kısıtlama değildir; hem yüzeylerin ne kadar güçlü kenetleneceğini hem de bu kenetlenmenin kırıldığında hasarın ne ölçüde yoğunlaşacağını belirleyen kontrol değişkenidir.

Prefabrik kırıklar da yalnız kesme alanını azaltan geometrik boşluklar değildir. Kırıklar yükün kaya köprüleri boyunca hangi yollardan taşındığını, mikroçatlakların hangi mesafede birleşeceğini ve yerel taşıyıcı elemanların birbirinden ne ölçüde bağımsız kalabileceğini değiştirir. Bu nedenle kırık sayısı tepe dayanımını her koşulda monoton biçimde azaltmamış, fakat özellikle yüksek normal gerilmede kararsızlığın daha erken yerelleşmesi ve tekil gerilme düşümlerinin büyümesiyle ilişkilendirilmiştir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: Experimental Study on the Evolution Mechanism of Shear-Slip Rockburst Using a Rockburst-Prone Synthetic Material

Yazarlar: Xuening Wang; Xiaoqing Wang; Jianbiao Bai; Yang Zhao; Feiteng Zhang; Junchen Li; Dingchao Chen.

Sorumlu yazar: Xiaoqing Wang.

Kurumlar: School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, China; Coal Mining Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Co., Ltd., Beijing, China; State Key Laboratory of Intelligent Coal Mining and Strata Control, Beijing, China.

Dergi: Applied Sciences.

Yayınevi/platform: MDPI.

Bibliyografik kayıt: Applied Sciences, 2026, 16(17), 8804.

DOI: 10.3390/app16178804

Makale türü: Hakemli deneysel araştırma makalesi.

Teslim: 6 Ağustos 2026.

Revizyon: 29 Ağustos 2026.

Kabul: 31 Ağustos 2026.

Yayın: 4 Eylül 2026.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY) açık erişim lisansı.

Finansman: National Natural Science Foundation of China, proje numaraları 51927807 ve 52274124.

Veri erişilebilirliği: Makalenin sonuçlarını destekleyen ham verilerin, makul talep üzerine sorumlu yazardan temin edilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Xuening Wang, Xiaoqing Wang, Yang Zhao ve Junchen Li'nin China Coal Technology and Engineering Group Co., Ltd. bünyesinde çalıştığı bildirilmiştir. Diğer yazarlar çalışmayı etkileyebilecek ticari veya finansal bir ilişki bulunmadığını beyan etmiştir.

Yazar katkıları: Xuening Wang kavramsallaştırma, yöntem, araştırma ve yazım çalışmalarında; Jianbiao Bai kaynaklar, finansman ve biçimsel analizde; Xiaoqing Wang gözetim, veri kürasyonu, kaynaklar ve makale değerlendirmesinde; Yang Zhao gözetim, doğrulama ve araştırmada; Feiteng Zhang kavramsallaştırma, yöntem ve değerlendirmede; Junchen Li veri kürasyonu ile değerlendirme/düzenlemede; Dingchao Chen doğrulama ve değerlendirmede görev almıştır.

Temel yöntemsel sınır: Her deney koşulunda n=1 olduğundan istatistiksel tekrarlanabilirlik değerlendirilmemiştir. Deneyler yarı-statik laboratuvar koşullarındadır ve doğrudan akustik emisyon, titreşim, parça fırlama hızı veya açığa çıkan kinetik enerji ölçümü içermemektedir. Sonuçlar gerçek saha kaya patlamasının nicel dinamik eşdeğerliği olarak değil, kesme-kayma kararsızlığının laboratuvar ölçekli mekanik analoğu olarak yorumlanmalıdır.