Tabii Yamaçlar n Stabilitesi çin Zemin ncelemeleri

Transkript

1 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Tabii Yamaçlarn Stabilitesi çin Zemin ncelemeleri Doç.Dr. A. Ouz Tan TÜ naat Fakültesi, Ayazaa stanbul, (212) , oguztan@itu.edu.tr Özet Geoteknik inceleme ve etüdlerin kapsam ve kullanlan yöntemler proje ya da inceleme konusu ile dorudan ilgilidir. Heyelan, yamaç stabilitesi ilgili vaka incelemesi söz konusu olduunda (1) genel ve bölgesel jeoloji, zeminin tabakalama durumu yeralt su seviyesi ve rejimi gibi toporafya ve profil bilgilerinin, (2) analizde kullanlacak zemin mukavemet parametrelerinin doru ve gerçekçi deerleri ile belirlenmesi gerekir. Bu bildiride tabii evlerin heyelan açsnda incelenmesinde heyelann tanmlanmas veya heyelan potansiyelinin, gerekirse alnacak önlemler ve etkilerinin belirlenmesi için geoteknik çalma kapsamnda kullanlan araç ve yöntemlerin seçilmesi ve uygulanmasnda öne çkan hususlar deerlendirilmektedir. Laboratuvar çalmalar, deerlendirmeler ve sonuçlar verilmektedir. Anahtar kelimeler: tabii evler, geoteknik inceleme, laboratuvar deneyleri Geotechnical Site Investigations for the Slope Stability Summary The main aim and the scope of the geotechnical site investigations is related to the project or the particular problem. In a case study on slope instability; (1) the regional and local geological, the soil profile data, and (2) the shear strength taken into in analyses should have realistic determinations. In this study, the methods and the procedure followed in soil investigations for the slope instability or instability risk are discussed and evaluated. Recommended laboratory studies for engineering precautions to the instability problem are given. Key words: natural slopes, geotechnical site investigations, laboratory tests. 1. Giri Tabii evlerin stabilitesi sözkonusu olduunda zemin incelemelerinin amaçlar evi oluturan jeolojik formasyonun ve oluturma mekanizmasnn anlalmas, mevcut jeolojik yapdaki farkl ev yaplarnn stabilitesinin incelenmesi, heyelan ya da göçme riskinin belirlenmesi, yamaç ve civarnda yaplacak mühendislik projelerinin evin güvenliine etkisi, göçme meydana gelmi evlerde göçmeye nedenlerini belirlenmesi, iyiletirici önlemlerin planlanmas, uygulanmas, deprem ve benzeri d etkenlerin göçme riskine etkisinin irdelenmesidir. Hemen bütün zemin incelemelerinde zaman ve bütçe kstl buna karlk zemin yaps oldukça deikendir.. Bu nedenle. incelemenin detay seviyesi ile zaman ve projenin bütçesi arasnda optimumun bulunmas gerei vardr. ev stabilitesi için yaplacak zemin incelemeleri, genel zemin incelemelerinde olduu gibi;

2 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Genel ön inceleme, Numune alnmas ve arazi deneyleri, Laboratuvar deneyleri, Stabilite analizleri, Koruyucu önlemlerin belirlenmesi, aamalarn kapsar. 1. Genel Ön nceleme Genel ön inceleme çalmalar genellikle büroda, inceleme alan ve çevresine ait corafik, toporafik ve jeolojik bilgilerin elde edilmesi ev deerlendirilmesini kapsar. Bu kapsamda inceleme alan ve çevresine ait jeolojik, varsa jeomorfolojik, yeni ve varsa eski toporafik haritalar ile hava fotoraflar ve uydu görüntülerinden yararlanlr. Jeolojik haritalar bölgede mevcut zemin tabakalarnn cinsi, ya, oluumu hakknda, hidrojeojik haritalar ise yeralt seviyesi ve rejimi hakknda bilgi verir. Tabii evler geçmite tektonik hareketler, yeralt su seviye deiimleri, erozyon vb etkiler altnda olumu, bir dengeye ulam durumdadrlar ve göçmeye kar güvenlikleri limit deerlerin biraz üzerinde olabilir. Jeolojik yap geni alanlar boyunca deimediinden tabii evlerin stabilite sorunlar bölgesel bir nitelik tar. Toporafik haritalar inceleme alan ve çevresindeki yükseklikleri, yükseltileri, arazinin eimini, eim bozumalarn gösterir. Özellikle yüzeysel akma eklinde görülen hafif eimli sahalarda geçmite olumu heyelanlarn belirlenmesinde yararl olmaktadr. Eyükselti erilerindeki bölgesel seyrelme ve sklamalar olumu ev hareketlerini iaret edebilir(ekil1). Varsa eski ve yeni toporafik haritalarn karlatrlmas ise ev toporafyasndaki deiikleri ve hareketleri gösterebilir. ekil 1. Toporafik harita

3 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Hava fotoraflar ve uydu görüntüleri de yüzeyden yaplacak incelemelerde belirlenmesi zor olan mevcut ve geçmiteki ev hareketlerini tanmlamak için de önemli bir imkan salamaktadr(ekil 2). ekil 2. Uydu görüntüsü(grafik) Saysal uydu görüntüleri, uygun filtreleme ile zemin özellikleri ve hareketlerini belirlemek için önemli imkanlar salamaktadr. 2. Numune Alnmas ve Arazi Deneyleri Zemin incelemeleri kapsamnda zeminden sondaj veya muayene çukuru açlarak numune almak ve arazi deneyleri uygulamak zemin tabakalarnn yerleim, snflandrma, mekanik ve mukavemet özelliklerinin belirlenmesi, analiz ve tasarmda kullanlacak zemin özellik ve parametrelerinin belirlenmesi, yeralt su seviyesinin konumlandrlmas açsndan önem tamaktadr. Muayene çukurlar, 4 ~ 5 m derinlie kadar kaz makineleri yardm ile açlabilirler. Açlan derinlie kadar zeminin kendini tutabilmesi gereklidir. Buna ramen i güvenlii riski vardr. Kendini tutamayan zeminlerde çukurun iksa ile desteklenmesi gerekir. Yeralt su seviyesinin bulunmas durumunda çukuru açk tutmak mümkün olmayabilir. Muayene çukurlar, sondajlara göre daha büyük boyutlu numune alma, zemini dorudan inceleme ve görme imkan nedenleri ile yararldr. Sondajlar, istenilen derinlie kadar zeminin tabakalama durumu, örselenmi veya örselenmemi numune alnmas, sondaj delii içinde arazi deneyleri yaplmasna imkan verirler. ev stabilitesi sorunlarnn hemen tamamnda su önemli bir etken olarak ortaya çktndan yeralt su seviyesi ve hareketlerinin doru olarak tesbiti ve kayda alnmas önem kazanmaktadr. Bu amaçla sondaj ilerlerken kaplama borusu pozisyonuna göre yeralt su seviyesi kaytlar tutulmal, sondaj çukuru içindeki yeralt su seviyesi sondajn tamamlanmasndan 24 saat sonra yeniden ölçülerek kaydedilmelidir. Standart Penetrasyon Deneyi (SPT), sondaj delii içinde yaplan bir deneydir. Esas olarak iri daneli zeminlerin yerleim skln belirlemek üzere yaplan deney daha sonra ince daneli zeminlere de uygulanmaya balanmtr. Penetrasyon direnci ile iri daneli zeminlerin skl, ince daneli daneli zeminlerin kvam ile ilgili çok sayda bant elde edilmitir. ri daneli zeminlerin skl hakknda daha güvenilir bilgi verirken, dinamik etki, ince daneli zeminlerde

4 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon boluk suyu basncn yükseltebildiinden ince daneli zeminlerde daha az güvenilir sonuç vermektedir. Koni Penetrasyon Deneyi (CPT), sondaj çukuru dnda yaplabilen, sürekli penetrasyon direnci ölçülebildiinden mevcut zemin tabakalarnn kvam ve yerleim skl hakknda bilgi verir. Eer olumu bir kayma düzlemi varsa, kayma düzleminin konumunun belirlenmesinde de yardmc olur. 3. Laboratuvar Deneyleri Muayene çukurlar ve sondajlardan alnan numuneler üzerinde laboratuvarda; indeks özellikleri ve snflandrma, kayma mukavemeti deneyleri yaplr ndeks Özellikleri ve Snflandrma ndeks özellikleri ev snflandrma deneyleri kapsamnda zemin tabakalarnn dane çap dalmn belirlemek üzere elek ve hidrometre analizi, ince daneli zemin tabakalarnn kvam limitleri tayin edilir. Kvam limitleri zeminin tabii su muhtevas ile mukayese edildiinde zeminin kvam, dolays ile konsolidasyon durumu ve dolayl olarak mukavemeti hakknda fikir verir. Kvam limitleri ayrca zeminin aktivitesi ve kil ksmnn mineral yaps hakknda fikir verir. ndeks özellikleri ve fiziksel özellikleri ile zemin tabakalarnn snflar belirlenir, tanmlanr Kayma Mukavemeti Deneyleri Zeminin kayma mukavemeti evlerin stabilitesini etkileyen en önemli etkendir. Mukavemet deneyinde zemine uygulanan gerilme arttkça zemin buna kar artan bir direnç gösterir. En genel durumda zeminin gösterdii direnç bir maksimum deere ulatktan sonra azalmaya balar. Genellikle kayma mukavemeti deneylerinde elde edilen maksimum kayma direncine ulaldktan sonra son verilir. Eer deplasman arttrlmaya devam edilirse kayma direncinin giderek azald, azalm deerin sabit kalmas için oldukça büyük deplasman deerlerine ulalmas gerekir. Elde edilen maksimum deere maksimum(peak) mukavemet, büyük deplasman sonucu ulalan minimum deere ise rezidüel kayma mukavemeti ya da kalc kayma mukavemeti denir (ekil 3). Maksimum kayma mukavemeti için efektif gerilmeler cinsinden; (1) ile ifade edilirken rezidüel kayma mukavemeti; (1) eklinde ifade edilebilir. ri daneli veya normal konsolide ince daneli zeminlerde = 0 ; (2) ar konsolide ince daneli zeminlerde ise ar konsolidasyon oranna da bal olarak;

5 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon (3) dr. nce daneli zemin ar konsolide ise veya evdeki göçme olutuktan sonra uzun bir süre geçmi ise killerin tiksotropik özellikleri nedeni ile küçük bir kohezyon ölçülebilir. ekil 3. Kayma mukavemeti (Skempton,1964) Henüz hiç kayma ya da deformasyona uramam bir evin stabilite analizi analizinde maksimum kayma mukavemetinin esas alnmas uygun olurken, geçmite ya da günümüzde stabilite sorunu yaam bir evde deplasmanlar çok büyük olduu için- rezidüel kayma mukavemeti ile analiz yapmak gerçekçi ve uygun olmaktadr Maksimum Kayma Mukavemeti Zeminin maksimum kayma mukavemetinin laboratuvarda ölçülmesi için; Kesme kutusu, Üç eksenli basnç, (Vane) Kanatl kesici deneyleri yaplabilmektedir.nce daneli zeminlerde, yükleme ve drenaj artlar bakmndan; yeni oluturulmu evlerin ksa süreli stabilitesinin incelenmesi için drenajsz deneylerden, toprak barajlarda ani su çekilmesi durumunda stabilite analizleri için konsolidasyonlu drenajsz deneylerden ve evlerin uzun süreli stabilitesinin analizinde drenajl deneylerden elde edilen kayma mukavemetinin esas alnmas uygun olmaktadr. ri daneli zeminlerde ise zeminin kayma mukavemeti yükleme hz ve drenaj artlarndan etkilenmediinden drenajl deney yaplmas uygun olmaktadr. Kesme kutusu deneyi, maksimum kayma mukavemetinin bulunmasnda kullanlan en eski laboratuvar deneyidir. Örselenmemi numune kullanm ve drenaj kontrolu zorluu, kesme düzleminin belirli bir düzleme zorlanmas, deney boyunca kayma düzlemi alannn deimesi, deformasyonun uniform olmamas gibi mahsurlar tar. ri daneli zeminlerin kayma mukavemetinin ölçülmesi için kullanlabilir. Üç eksenli basnç deneyi, özellikle ince daneli zeminlerin kayma mukavemetini ölçülmesi için en uygun deneydir. ri daneli zeminler için, numune kendi arl altnda duramadndan özel önlemler hariç- deney yapmak mümkün deildir. Üç eksenli basnç deneyi, ince daneli zeminlerin drenajl ve drenajsz kayma mukavemetinin ölçülmesi için en uygun deneydir. Kanatl kesici(vane) deneyi, suya doygun, çok yumuak, numune alnamayan, ince daneli zeminlerin drenajsz kayma mukavemetini yerinde ölçülmesi için kullanlr.

6 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Rezidüel Kayma Mukavemeti evdeki zeminde geçmite; bir kayma hareketi, tektonik etki, buzul etkisi, vadideki deformasyonlar, sonucu oluan ar deformasyon nedeni ile maksimum kayma mukavemeti alm olabilir (Skempton ve Hutchinson,1969). Bu durumda zeminin kayma mukavemeti rezidüel kayma mukavemetine düer. Kayma olumu kesit yeteri dorulukla bilinemediinden, mukavemeti daha yüksek numuneler baar ile alnabildiinden araziden alnan örselenmemi numunelerin kayma mukavemeti daha yüksektir. Arazide kayma meydana gelmi, 1 veya 2 m, belki daha fazla deplasman yapm kesitten numune alnamadnda zeminin gerçek minimum yani gerçek rezidüel kayma mukavemetini ölçmek oldukça zordur. Bu nedenle rezidüel kayma direncine ulamak için zeminin sahada urad benzer deformasyonun laboratuvarda oluturulmas gerekir. Bu amaçla laboratuvarda; kayma düzleminden alnm tabii zemin numuneleri, kayma yüzeyi laboratuvarda oluturulmu numuneler, üzerinde rezidüel kayma mukavemetini ölçmek için; üç eksenli basnç, kesme kutusu, halka kesme, deneyi yaplabilir. Kayma meydana gelmi bir evde kayma yüzeyini inceleme srasnda belirlemek ve numune almak oldukça zordur. Kayma yüzeyini belirlemek ve numune alabilmek ancak sondaj srasnda sürekli numune alarak mümkün olabilir, zahmetli, yava ve masrafl bir yöntemdir. Alnan örselenmemi numunede laboratuvarda kayma yüzeyi oluturulabilir. Kayma yüzeyi içeren numune; önceden form vererek, deney srasnda oluturulabilir Kayma Yüzeyini Önceden ekillendirmek için; numune bir bçak veya tel yardm ile kesilebilir. ki parçann yüzeyleri bir cam yüzey üzerinde sürtülerek cilal hale getirilebilir. ki parça biletirilip istenilen basnç altnda konsolide edilir. Bu yöntemle kesme kutusu ve üç eksenli basnç deneylerinin deformasyon kstlamalar alsa dahi iyi sonuçlar elde etmek zordur Kayma Yüzeyini Deney Srasnda Oluturmak Kayma meydana gelmi evlerde meydana gelen deplasmanlara bilinen laboratuvar deneylerinde özellikle üç eksenli basnç deneyinde ulamak mümkün deildir. Kesme kutusu deneyinde numune her iki yönde, aletin deplasman snrlarna kadar kesilerek en düük kayma direnci elde edilinceye kadar deneye devam edilir. Kayma gerilmesi-

7 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon deplasman ölçümü (a) her iki yönde veya (b) sadece bir yönde, geri dönü hzl, ileri yava ve konsolidasyon sonras olarak yaplabilir. Üç eksenli basnç ve kesme kutusu deneylerinin deplasman kstlamalarn amak üzere halka kesme Ring Shear deneyi ile alabilir. Halka kesme deney aleti, ince daneli zeminlerin büyük deformasyon ve deplasman seviyesinde rezidüel kayma mukavemetini ölçmek üzere Hvorslev, LaGatta, Bishop ve Bromhead tarafndan gelitirilmitir(terzaghi, Peck ve Mesri, 1996). Numunenin d çap 152 mm, iç çap 102 mm halka eklinde, dikdörtgen kesitlidir, kalnl 20 mm dir. Numuneye sabit bir normal kuvvet, gerilme altnda, uygulanan sabit hzdaki torsiyon ile deney srasnda kayma mukavemeti ölçülerek, neredeyse sonsuz deformasyona ulamak mümkündür. stenilen ölçülerde örselenmemi numune temin etmek zor olduu için deney, plastik limit civar su muhtevasndaki örselenmi numuneler üzerinde yaplr. 5. Rezidüel Kayma Mukavemetinin Tahmini çin Dier Yöntemler nce daneli zeminlerin rezidüel kayma mukavemetine dier yaklamlar da; göçme meydana gelmi evlerde geri analiz, zeminin indeks özelliklerinden elde edilen deneysel ilikilerdir Geri Analiz Kayma deformasyonunun meydana geldii evde yaplacak geri analiz ile zeminin rezidüel kayma mukavemetini tahmin etmek uygulanan bir yöntemdir. Geri analizde incelenen ev hareketi modellenerek kaymaya kar güvenlik katsaysn FS = 1 yapan kayma mukavemeti parametreleri aratrlr. Geri analizin yaplabilmesi için; kayma yüzeyinin, derinlik, ekil ve geometrisinin belirlenmesi, bu geometriye uygun göçme modeli ve analiz yönteminin, yerel zemin tabakalarna uygun zemin mukavemet parametrelerinin seçilmesi gereklidir. Kayma yüzeyi ve geometrisinin, ev kesitindeki yerinin belirlenmesi için sahada, yerinde, yüzeyden yaplacak gözlemler, zemin yüzeyindeki çatlak, kabarma, yüzeydeki, aaç, direk, snr çit ve duvarlarndaki eilme, yer deitirmeler, topukta kümelenen, yüksek su seviyesini iaret eden bitki örtüsü, su szntlar yararl bilgi verir. Sondajlar, alnan numuneler, arazi deneyleri; SPT ve koni penetrasyon deney kaytlarndan yararlanlr. Mukavemeti çok düük ya da tersi olarak çok yüksek tabaka içeren evler blok kaymas, kohezyonlu normal konsolide killer dairesel, kohezyonsuz zeminler ile ar konsolide killer yüzeysel akma eklinde göçme modeli gösterirler. Göçme modeline uyan analiz yöntemlerinden biri seçilebilir. Rezidüel kayma direnci ince daneli zeminlerin problemidir. Deformasyonlar belirli bir büyüklüe ulatnda kohezyon terimi c r 0, ( r >0) deerine ular. Kayma mukavemeti denkleminin tek parametreye bal olmas geri analizde kolaylk salar. Kaymaya kar güvenlik katsaysn 1 e eitleyen rezidüel kayma mukavemeti açs bulunabilir ndeks Özellikleri ve Rezidüel Kayma Mukavemeti nce daneli zeminlerin maksimum kayma mukavemeti, zeminin dane çap ve dalm, su muhtevas, konsolidasyon durumu, dane ekli yani mineralojik özellikleri ile yükleme hz ve drenaj artlarna baldr. Rezidüel kayma mukavemeti yava ve drenajl deneylerle belirlenir. Rezidüel kayma mukavemeti sözkonusu olduunda deformasyonlar ileri derecede büyük olduu için kayma

8 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon mukavemetinin zeminin gerilme geçmiinden bamsz olduu gözlenmektedir. Rezidüel kayma mukavemetini etkileyen en önemli parametreler olarak kil yüzdesi, kil ksmnn mineral yaps dolays ile plastik özellikleri öne çkmaktadr. Skempton (1985) zeminin kil (D<0.002 mm) ile rezidüel kayma mukavemeti açs ( r ) deiimini vermitir. Rezidüel kayma mukavemeti, %20 kil %50 kil aralnda hzla azalmakta, artan kil yüzdesi ile sabit kalmaktadr (ekil 4). ekil 4. Kil yüzdesi ve rezidüel kayma mukavemeti (Skempton,1985) Stark ve Eid (1994) kil yüzdesi ve likit limit (w L ) ile rezidüel kayma mukavemeti arasndaki ilikiyi incelemitir. Benzer ekilde rezidüel kayma mukavemeti açs ( r ), likit limit %100 deerine kadar hzla azalmakta, daha sonra 6 ~ 8 aralnda kalmaktadr (ekil 5). ekil 5. Likit limit-kil yüzdesi ve rezidüel kayma mukavemeti (Stark ve Eid,1994) Tiwari ve Martui (2005), rezidüel kayma mukavemeti üzerinde plastisite indisi (I P ) etkisini incelemitir. Likit limitin rezidüel kayma direnci üzerindeki etkisine benzer ekilde plastisite indisinin %100 deerine kadar, kayma direnci hzla azalmakta daha sonra 6 civarnda sabit kalmaktadr.

9 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon ekil 6. Plastisite indisi ve rezidüel kayma mukavemeti (Tiwari ve Marui, 2005) 6. Yöntemlerin Karlatrlmas Biribirine en yakn ve uyumlu deerler halka kesme deneyi ve geri analiz ile elde edilmektedir. Bromhead(1986) geri analizin, halka kesme deneyinden 11.5 kadar büyük rezidüel kayma mukavemeti açs verdiini, Mesri ve Sarihan (2012) geri analiz ve halka kesme deneyinin, benzer, uyumlu deer verdiini ifade etmektedir. Hatipolu (2012), konsolidasyonlu drenajl üç eksenli basnç deneyi halka kesme deneyine göre 5, tekrarl kesme kutusu deneyi ise halka kesme deneyine göre 2 daha büyük rezidüel kayma mukavemet mukavemeti açs vermektedir. 7. Sonuç ve Öneriler Bir bölgedeki jeolojik yap geni alanlar boyunca deimediinden tabii evlerin stabilite sorunlar bölgesel bir nitelik tar. Tabii evler için yaplacak zemin incelemelerinde ve stabilitenin deerlendirilmesinde zeminin kayma mukavemeti, en önemli parametre öne çkmaktadr. Yaplabilecek kayma mukavemeti deneylerinden halka kesme deneyi ve bu deneyden elde edilecek rezidüel kayma mukavemeti en gerçekçi deer olarak görünmekte ve kayma meydana gelmi evlerdeki geri analiz sonuçlar ile uyuum göstermektedir. Tabii evlerin güvenliinin arttrlmas için alnabilecek önlemler ve bu önlemlerin deerlendirilmesinde gerçee yakn zemin parametreleri, yeralt suyu artlar esas alnmal, önerilecek önlemlerin stabilite üzerindeki etkisi stabilite analizleri ile gösterilmelidir. Kaynaklar Bromhead, E.N. (1986), The Stability of Slopes, Chapman and Hall, New York, 374 sf. Hatipolu, M. (2012), Kalc Kayma Mukavemetinin Laboratuvar Deneyleri ile Belirlenmesi, Doktora Tezi, TÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 361 sf. Mesri,G. ve Huvaj-Sarihan, N. (2012), Residual Shear Strength Measured by Laboratory Tests and Mobilized in Landslides, ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Eng. Vol.138, No.5, May, sf Skempton, A.W.(1964), Long-Term Stability of Clay Slopes (4th Rankine Lecture) Geotechnique, 14 No.2, sf

10 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Skempton, A.W., ve Hutchinson, J.N. (1969), Stability Of Natural Slopes And Embankment Foundations. State-of-the-Art Report. 7th Int. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Mexico, sf Skempton,A.W.(1985), Residual Strength of Clays in Landslides, Folded Strata and the Laboratory, Geotechnique, 35, No.1, sf.3-18 Stark,T.D.ve Eid,H.T.(1994) Drained Residual Strength of Cohesive Soils, ASCE Journal of Geotechnical Engineering, May, No.5, sf Terzaghi,K.,Peck,R.B.ve Mesri, G. (1996), Soil Mechanics in Engineering Practice, John Wiley & Sons, New York, 512 sf. Tiwari,B.ve Marui,H. (2005), A New Method for the Correlation of Residual Shear Strength of the Soil with Mineralogical Composition, ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Eng., Vol.131, No.9, sf