MÜHJEO 2017: Ulusal Mühendislik Jeolojisi ve Jeoteknik Sempozyumu, Ekim 2017, ÇÜ, Adana

Transkript

1 Subaşı Viyadüğü İnşa Alanındaki Kaya Kütlelerinin Taşıma Gücü Açısından İncelenmesi (Hopa-Artvin) Bearing Capacity Assessment of the Rock Masses at the Subasi Viaduct Site (Hopa-Artvin) A. Kaya 1,*, F. Bulut 2 1 Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 53100, Rize 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 61080, Trabzon (*ayberk.kaya@erdogan.edu.tr) ÖZ: Bu çalışmada, Subaşı viyadüğü inşa alanındaki kaya kütlelerinin taşıma gücü özellikleri mühendislik jeolojisi açısından incelenmiştir. Ayrışmış andezitik tüflerin taşıma gücü özelliklerini saptamak için Hoek-Brown yenilme kriterinin kullanıldığı ampirik eşitliklerinden yararlanılmış, viyadük temellerinden ve trafik yükünden kaynaklı kaya kütlesinde oluşacak en büyük asal gerilme miktarı ise sonlu elemanlar (FEM) analizleri yapılarak belirlenmiştir. İzin verilebilir taşıma gücü değeri (q a ) ile en büyük asal gerilme değeri (σ 1 ) karşılaştırıldığında ve düşey deformasyonlar incelendiğinde taşıma gücü açısından bir sorunun oluşmayacağı saptanmıştır. Anahtar Kelimeler: Subaşı viyadüğü, taşıma gücü, sonlu elemanlar yöntemi, Hoek-Brown yenilme kriteri. ABSTRACT: In this study, the bearing capacity of the rock masses at the Subasi viaduct site were investigated in terms of engineering geology. The allowable bearing capacity (q a ) of the weathered andesitic tuff was evaluated using the Hoek-Brown failure criterion based empirical equations. The major principal stress (σ 1 ) caused by the viaduct and traffic loadings at the level of the foundation excavations was determined by a finite element method (FEM). It was determined that any failure problems were not expected to occur in terms of the bearing capacity when q a value were compared with σ 1 value and vertical displacements were investigated. Keywords: Subasi viaduct, bearing capacity, finite element method, Hoek-Brown failure criterion. 1. GİRİŞ İnşaat sektöründeki hızlı gelişmelere bağlı olarak özellikle Türkiye gibi gelişen ülkelerde büyük mühendislik yapılarının inşasına son yıllarda hız verilmiştir. Buna bağlı olarak otoyol, köprü, baraj, tünel, liman, havalimanı, hidroelektrik santralleri gibi alt ve üst yapı işlerinin sayısı Doğu Karadeniz Bölgesi nde giderek artmaktadır. Artvin-Hopa devlet karayolunu iyileştirme projesi (KM: ) kapsamında yapılması planlanan Subaşı viyadüğü, Cankurtaran ve T2 tünellerinin portal bölümlerini birbirine bağlayacaktır (Şekil 1). Tek ayak üzerine dengeli konsol yöntemi ile iki hat şeklinde inşa edilecek viyadük, temelden 43 m yüksekliğinde olup, gidiş hattının uzunluğu 122 m geliş hattının uzunluğu ise 105 m dir. Viyadüğün ayaklardaki temel şekli kare (16.0 x 16.0 m) kesitli, konsol uçlarında ise dikdörtgen (16.0 x 8.4 m) kesitlidir. Bu çalışma kapsamında, Subaşı viyadüğü inşa alanındaki kaya kütlesinin taşıma gücü özellikleri mühendislik jeolojisi açısından incelenmiştir. Bu amaçla jeolojik haritalama, sondaj, jeofizik ve hatetüdü çalışmaları, presiyometre ve laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Elde edilen veriler yardımıyla Hoek-Brown yenilme kriterinin kullanıldığı ampirik eşitliklerle ve sonlu elemanlar (FEM) tabanlı sayısal analizlerle kaya kütlelerinin taşıma gücü özellikleri araştırılmıştır. 179

2 2. ÇALIŞMA ALANININ JEOLOJİSİ Şekil 1. Çalışma alanına ait yer bulduru haritası. Çalışma alanı ve çevresinde, Geç Kretase den Eosene kadar değişen yaşlarda tortul ve volkanik kökenli kayaçlar bulunmaktadır. Subaşı viyadüğü inşa alanında Geç Kretase yaşlı Subaşı Sırtı Formasyonu na ait birimler yüzeylenmektedir. Formasyon, tabanda piroklastiklerle başlayıp kireçtaşı, marn, kumtaşı, tüf, silttaşı arakatkıları içeren ve tavana doğru tekrar piroklastik seviyesi ile son bulan bir volkano-tortul istif özelliğindedir (Çapkınoğlu, 1981; Kaya, 2012). Formasyona ait andezitik tüfler Cankurtaran Tüneli nin giriş bölümünde ileri ve orta derece ayrışmış olarak, T2 tünelinin çıkış bölümünde ise orta derecede ayrışmış olarak yüzeylenmektedir (Şekil 2) Şekil 2. Subaşı Viyadüğü inşa alanı ve çevresine ait jeoloji haritası. 3. MÜHENDİSLİK JEOLOJİSİ ÇALIŞMALARI Andezitik tüflerin jeoteknik özelliklerini belirlemek amacıyla yüzey, yeraltı ve laboratuvar çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Yeraltı suyu seviyesini, eklemlerin özelliklerini ve ayrışma zonunun derinliğini belirlemek, laboratuvar deneyleri için örnek derlemek ve presiyometre deneyleri yapmak amacıyla toplam m derinliğinde sekiz adet araştırma sondajı yapılmıştır. 180

3 ISRM (2007) ölçütlerine göre andezitlerin üst zonu ileri derecede, alt zonu ise orta derecede ayrışmış olarak tanımlanmıştır. Üst zonun özellikleri zemin mekaniği, alt zonun özellikleri ise kaya mekaniği prensiplerine göre belirlenmiştir. Orta derecede ayrışmış andezitik tüflerdeki eklemlerin özelliklerini saptamak için kazı şevlerinde uygulanan hat etütlerinden ve araştırma sondajlarından yararlanılmıştır. Eklemlere ait yönelim, ara uzaklık, açıklık, devamlılık, yüzey pürüzlülüğü ve dalgalılığı, bozunma derecesi, dolgu malzemesinin özelliği ve yüzeylerindeki su durumu gibi özellikler tespit edilerek ISRM (2007) ölçütlerine göre tanımlamaları yapılmıştır. Pürüzlü özellikte olan eklem yüzeylerinin makaslama dayanımı parametreleri Barton ve Bandis (1990) tarafından önerilen yenilme ölçütü kullanılarak belirlenmiştir. Kaya kalite göstergesinin (RQD) tespitinde ise Deere (1964) tarafından önerilen yöntemden yararlanılmış ve % 84 olarak hesaplanmıştır. Jeolojik Dayanım İndeksi (GSI) değerini saptamak için Hoek vd. (2013) tarafından önerilen sayısal GSI abağı kullanılmış ve GSI değeri 61.5 olarak belirlenmiştir. Hoek vd. (2002) tarafından önerilen eşitliklerle orta derecede ayrışmış andezitik tüflerin tek eksenli basınç dayanımı, kaya kütle sabitleri, kohezyonu ve içsel sürtünme açısı belirlenmiştir. Ayrıca, RocLab v1.0 (Rocscience, 2002) programından yararlanılarak orta derecede ayrışmış andezitik tüfler için kaya malzemesi sabiti (m i ) 13 olarak seçilmiştir. Kazı işlemi sırasında mekanik kazı uygulanacağı varsayılmış ve örselenme faktörü (D) 0 olarak kabul edilmiştir. Andezitik tüflerin dinamik Poisson oranını belirlemek için elastik ses dalgasının boyuna (V p ) ve enine (V s ) yayılma hızlarından yararlanılmıştır. Bu amaçla, belirlenen iki profilde sismik kırılma etütleri yapılmıştır. Bowles (1996) tarafından önerilen eşitlik kullanılarak dinamik Poisson oranı değerleri hesaplanmıştır. Deformasyon modülünü belirlemek için açılan iki sondaj kuyusunda ASTM (2000) standardına göre toplam 15 adet presiyometre deneyi yapılmış ve Menard (1975) tarafından önerilen eşitlik kullanılarak deformasyon modülü değerleri hesaplanmıştır. İleri derecede ayrışmış andezitik tüflerin birim hacim ağırlığını ve kayma dayanımı parametrelerini belirlemek için ASTM (2009, 2011) standartlarına göre laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Orta derecede ayrışmış andezitik tüflerin fiziko-mekanik ve elastik özellikleri ise ISRM (2007) tarafından önerilen yöntemlere göre belirlenmiştir. Ayrışmış andezitik tüflere ait malzeme ve kütle özellikleri Çizelge 1 ve Çizelge 2 de eklemlere ait özellikler ise Çizelge 3 te özet olarak sunulmuştur. 4. TAŞIMA GÜCÜ ÖZELLİKLERİ Taşıma gücü açısından bir sorunla karşılaşmamak için Subaşı viyadüğü orta derecede ayrışmış andezitik tüflerin üstüne inşa edilecektir. Bu birimin taşıma gücü özelliklerini araştırmak için Hoek- Brown yenilme kriterinin kullanıldığı ampirik eşitliklerden yararlanılmıştır (Bell, 1992; Kulhawy ve Carter, 1992; Wyllie, 1999; Serrano vd., 2000; Merrifield vd., 2006). Yapılan hesaplamalar sonucunda güvenlik sayısı 3 alındığında izin verilebilir taşıma gücü değerinin (q a ) MPa arasında değiştiği belirlenmiştir. Viyadük ayaklarından ve trafik yükünden kaynaklı temel kazısı seviyesinde oluşacak en büyük asal gerilme (σ 1 ) miktarlarını belirlemek için sonlu elemanlar (FEM) tabanlı Phase 2 v8.0 (Rocscience, 2011) programından yararlanılmıştır. Kazı alanlarına paralel (A-A ve B-B ) ve dik (C-C, D-D ve E- E ) olacak şekilde (Şekil 2) 5 adet analiz modeli oluşturulmuştur. Orta ve ileri derecede ayrışmış andezitik tüflerden oluşan kaya kütleleri, Çizelge 1 ve 2 de verilen malzeme ve kütle özellikleri kullanılarak, eklemler ise Çizelge 3 te verilen özellikler kullanılarak modellerde tanımlanmıştır. FEM analizlerinde Mohr-Coulomb yenilme kriteri kullanılmış ve yapılan analizler sonucunda temel kazısı seviyesindeki en büyük asal gerilme miktarının MPa arasında değiştiği belirlenmiştir (Şekil 3). Ayrıca, viyadük ayaklarından kaynaklı orta derecede ayrışmış kaya kütlesinde meydana gelecek düşey deformasyonlar FEM analizleri yardımıyla araştırılmış, D-D kesitindeki oturma miktarının cm arasında, E-E kesitinde ise cm arasında değiştiği belirlenmiştir. A-A, B-B ve C-C kesitlerinde herhangi bir deformasyonun gelişmediği tespit edilmiştir (Şekil 4). 181

4 Çizelge 1. Ayrışmış andezitik tüflere ait malzeme özellikleri. Özellikler Üst zon Alt zon Kaya kalite göstergesi (RQD, %) - 84 Nokta yükü dayanım indeksi (I S(50), MPa) Tek eksenli basınç dayanımı (σ ci, MPa) Young modülü (E i, GPa) Poisson oranı (ν i ) Doğal birim hacim ağırlığı (γ n, kn/m 3 ) Doygun birim hacim ağırlığı (γ s, kn/m 3 ) Kohezyon (c, kpa) 15 - İçsel sürtünme açısı (, o 28 - Üst zon: İleri derecede ayrışmış andezitik tüf, Alt zon: Orta derecede ayrışmış andezitik tüf Çizelge 2. Ayrışmış andezitik tüflere ait kütle özellikleri. Araştırmacılar Eşitlikler Not Üst zon Alt zon Menard P MPa Em 1 2V (1975) V 2 2 Bowles VP 2V S m V V (1996) P S Hoek vd. (2013) Hoek vd. (2002) c m cm GSI 1.5 JCond89 RQD / 2 RQD: % JCond 89 : 13 GSI 100 m i : D mb mie D: 0 GSI 100 GSI: D s e GSI /15-20/ a e e 2 6 m 4 s a 1 m 8 s m / 4 s a MPa b b b ci. 21 a 2 a a1 ci 1 2a s 1 amb 3n s mb3n kpa b b3n a1 1 a2 a 1 6 am s m / 1 a2 a sin m 1 a1 6amb s mb 3n a a amb s mb 3n a1 derece - 36 Çizelge 3. Orta derecede ayrışmış andezitik tüflerdeki eklemlerin özellikleri. Özellikler Değerler Eklem takımı sayısı 3 + gelişi güzel Eklem takımlarının duruşu JI: 22/045 J2: 46/338 J3: 43/016 Ara uzaklık (cm) ( ) a Devamlılık (m) (0.2-35) a 9.10 Açıklık (mm) (0-24.0) a 1.92 Dolgu malzemesinin türü <5 mm yumuşak kil Pürüzlülük ve dalgalılık Pürüzlü, dalgalı Ayrışma durumu Orta derecede ayrışmış Su durumu Damlama Doruk sürtünme açısı ( p, o ) 28 Doruk kohezyon (c p, kpa) 44 a : Ortalama 182

5 Şekil 3. Kesit hatları boyunca yapılan en büyük asal gerilme analizleri. Şekil 4. Kesit hatları boyunca yapılan düşey deformasyon analizleri. 183

6 Sonuç olarak, en büyük asal gerilme değeri (σ 1 ) ile izin verilebilir taşıma gücü değeri (q a ) karşılaştırıldığında σ 1 değerinin q a değerinden oldukça küçük ve düşey deformasyon miktarının ise sıfıra yakın olduğu belirlenmiş ve taşıma gücü açısından (kayma kırılması ve oturma) bir sorunun oluşmayacağı saptanmıştır. 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, Subaşı (Hopa-Artvin) viyadüğü inşa alanındaki andezitik tüflerin taşıma gücü özellikleri mühendislik jeolojisi açısından araştırılmış ve elde edilen sonuçlar aşağıda maddeler halinde sunulmuştur; a) Subaşı viyadüğünün üzerine inşa edileceği orta derecede ayrışmış andezitik tüflerin izin verilebilir taşıma gücü değerinin (q a ), Hoek-Brown yenilme kriterinin kullanıldığı ampirik eşitliklere göre MPa arasında değiştiği belirlenmiştir. b) Viyadük ayaklarından ve trafik yükünden kaynaklı temel kazısı seviyesinde oluşacak en büyük asal gerilme miktarlarını (σ 1 ) belirlemek için sonlu elemanlar yönteminden (FEM) yararlanılmış ve MPa arasında değiştiği tespit edilmiştir. c) Orta derecede ayrışmış kaya kütlesinde meydana gelecek düşey deformasyonların yapılan FEM analizleri sonucunda cm arasında değiştiği saptanmıştır. d) En büyük asal gerilme değeri (σ 1 ), izin verilebilir taşıma gücü değerinden (q a ) oldukça küçük ve düşey deformasyonların sıfıra yakın olması taşıma gücü açısından (kayma kırılması ve oturma) bir sorunun gelişmeyeceğini göstermektedir. 6. KAYNAKLAR ASTM, Standard test method for prebored pressuremeter testing in soils, ASTM D , West Conshohocken, PA. ASTM, Standard test methods for laboratory determination of density (unit weight) of soil specimens, ASTM D , West Conshohocken, PA. ASTM, Standard practice for classification of soils for engineering purposes (Unified Soil Classification System), ASTM D , West Conshohocken, PA. Barton, N.R., Bandis, SC., Review of predictive capabilities of JRC-JCS model in engineering practice, Proceedings of the International Symposium on Rock Joints, , Loen. Bell, G.F., Engineering in rock masses, Heinemann, London, 359 s. Bowles, J.E., Foundation analysis and design, fifth ed. McGraw-Hill Inc., New York. Capkinoglu, S., Geology of the district between Borcka and Cavuslu (Hopa), MSc. Thesis, Karadeniz Technical University. Deere, D.U., Technical description of rock cores for engineering purpose, Rock Mechanics and Rock Engineering, 1, s Hoek, E., Carranza-Torres, C., Corkum, B., Hoek-Brown failure criterion-2002 edition. Proceedings of NARMS-TAC2002, Mining Innovation and Technology, Toronto, Canada, s Hoek, E., Carter, T.G., Diederichs, M.S., Quantification of the Geological Strength Index chart, 47th US Rock Mechanics and Geomechanics Symposium, San Francisco, USA. ISRM, The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: , International Society of Rock Mechanics Turkish National Group, Ankara, Turkey, 628 s. Kaya, A., The geotechnical investigation of the Cankurtaran (Hopa-Artvin) tunnel alignment and surrounding area, PhD Thesis, Karadeniz Technical University. Kulhawy, F.H., Carter, J.P., Settlement and bearing capacity of foundations on rock masses and socketed foundations in rock masses, In: Bell FG (ed) Engineering in rock masses. Butterworth Heinemann, Oxford, s Menard, L., Interpretation and application of pressuremeter test results to foundation design, Sols Soils, No: 26. Merifield, R.S., Lyamin, A.V., Sloan, S.W., Limit analysis solutions for the bearing capacity of 184

7 rock masses using the generalized Hoek-Brown criterion, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43, s Rocscience Inc., RocLab version rock mass strength analysis using the generalized Hoek- Brown failure criterion, Toronto, ON. Rocscience Inc., Phase 2 version 8.0 finite element analysis for excavations and slopes, Toronto, ON. Serrano, A., Olalla, C., Gonzalez, J., Ultimate bearing capacity of rock masses based on the modified Hoek Brown criterion, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 37(6), s Wyllie, D.C., Foundations on rock, 2nd edn. E and FN Spon, London, s