Alüvyon Üzerinde Oturan Demiryolu Dolgu ve Yarma evlerinde Durayl l k Problemleri_Adapazar -Karasu Hatt Örne i

Transkript

1 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Alüvyon Üzerinde Oturan Demiryolu Dolgu ve Yarma evlerinde Durayllk Problemleri_Adapazar-Karasu Hatt Örnei Yrd.Doç.Dr. Akn ÖZOCAK 1, Yrd.Doç.Dr. Sedat SERT 2, Yrd.Doç.Dr. Ertan BOL 3 1 Sakarya Üniversitesi, naat Mühendislii Bölümü, aozocak@sakarya.edu.tr 2 Sakarya Üniversitesi, naat Mühendislii Bölümü, sert@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üniversitesi, naat Mühendislii Bölümü, ebol@sakarya.edu.tr ÖZET Bu çalmada Adapazar-Karasu-Bartn Demiryolu'nun Adapazar-Karasu (Km ) ile Adapazar-Arifiye (Km ) kesiminde alüvyon üzerine yapm düünülen deiik yüksekliklerdeki dolgularn durayllklar ve dolgudan kaynaklanan yükler dolays ile oturduklar zeminlerde meydana gelebilecek ekil deitirmeler ile deprem esnasnda belirebilecek svlama tehlikesine yönelik çalmalar anlatlmtr. Arifiye-Adapazar-Karasu arasndaki zeminlerin kökeni MÖ.7000 den önce burada bulunan Karadeniz-zmit Boaz ile bunun kapanmas ve akarsularn bu alan çok hzl çökellerle doldurmasdrzemin profili arlkl olarak kum ve killerden olumaktadr. Birçok yerde ana kayann 100 m den daha derin olduu bilinmektedir. Y.A.S.S. düzeyi de göz önüne alndnda bu tür zeminlerin, 8-18 m lik dolgularn altnda ve demiryolu trafiinde performansnn yetersiz olaca anlalmtr. Çalma alannda yürütülen arazi deneyleri ve bunlardan elde edilen numuneler üzerinde yaplan laboratuvar deneyleri altnda yaplan incelemeler sonucunda bir çok yerde zeminlerin performansnn ina edilecek demiryolu dolgular açsndan yetersiz olduu sonucuna varlm, bu nedenle söz konusu bölgelerde zemin iyiletirme çalmalarnn yaplmas zorunlu hale gelmitir. Dolgu ve yarma evlerinin durayllk çözümlemeleri analitik çözümün yannda sonlu eleman yolu ile de yürütülmü, optimum kesitler belirlenmitir. Anahtar Kelimeler: ev durayll, Alüvyon, Durayllk Analizi, Dolgu Durayll Stability Problems of Railway Embankment Slopes on the Aluvial Soils In this paper stability problems of railway embankment slopes on the aluvial soils of Adapazar-Karasu-Bartn Railway Project. There are embankments of up to 18 meters height on the saturated young aluvial deposits. Bedrock is estimated more than 100 meters depth in many sections. In-situ tests include 14 trial pits, 64 borings, 181 resistivity, 83 seismic refraction and 35 cone penetration tests that 8 of them have pore pressure measurements. Soil stabilization like jet-grouting and wick drain applications were suggested because of the liquefaction potential and low bearing capacity under the embankments. Stability analyses of embankments and cuttings were performed with bothe analytic method and finite element method. Keywordds: Slope stability, Aluvial, Stability Analysis, Embankment Stability

2 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon 1. GR Bu çalma Arifiye-Adapazar-Karasu Demiryolu hattnda yer alan yüksek dolgular altndaki zemin ortamnn gelecek olan gerilmeler altndaki davrann ve bu dolgularn durayllnn incelenmesini ve öneriler getirilmesinin konu almaktadr. Bu dorultuda güzergah boyunca daha önceden yaplm olan arazi çalma sonuçlar, laboratuvar çalma sonuçlar ve ayn zamanda ilave yaplan arazi çalmalar kullanlarak tüm güzergâh boyunca yaplacak olan dolgulara ve yarmalara temel tekil eden zemin ortamnn; oturma, tama gücü, svlama ve stabilite açsnda analiz ve deerlendirmesi yaplmtr. Yaplan bu çalmalarn nda zemin iyiletirme önerilerinde bulunulmutur. 2. JEOLOJ Adapazar-Ferizli-Karasu yerleim yerlerini içine alan ve demiryolu projesinin geçtii güzergaha ait kaya birimleri; Bat Pontit zonu, Sakarya zonu ve örtü birimleri adl üç zonu kapsamaktadr. Bat Pontit zonu Alt Devoniyen yal Ferizli formasyonu, Orta Devoniyen-Alt Karbonifer yal Ylanl formasyonu, Permiyen- Triyas yal Çakraz formasyonu, Üst Kretase yal Yemiliçay formasyonu, Üst Kampaniyen-Alt Eosen yal Akveren formasyonu, Alt Eosen yal Ylca formasyonu ve ayn yada Çaycuma formasyonu bu birim içinde kaynarca formasyonu ile temsil edilir. Tüm bu birimler Pliyosen yal Örencik formasyonu tarafndan açsal uyumsuzlukla örtülür. Çalma alannda ve demiryolu güzergahnn geçtii kesimlerde en genç birimler Kuvaterner yal alüvyonlardr. Kuzey Anadolu Faynn kuzey kolu Sakarya ovasnda Demiryolu Projesinin geçtii kesimlerden geçmektedir. Sakarya Ovasnda yeralt suyu derinlii çok s olup yeralt suyuna doygun ve geçirimli kesimler, güzergahn geçtii yerleri kapsamaktadr. Demiryolu hatttnn geçtii kesimler 1. ve 2. derece deprem bölgesinde yer almaktadr. Hat boyunca en riskli bölge hiç üphesiz Sakarya Ovas ve Sakarya Nehrinin geçtii kesimlerdir (ekil 1). ekil 1. Proje güzergah ve çevresinin deprem aktivite haritas 3. ARAZ ve LABORATUVAR ÇALIMALARI Çalma kapsamnda daha önceden 14 noktada aratrma çukuru, 64 noktada toplam uzunluu 1220 metre olan sondaj çalmas, 181 adet Rezistivite, 83 adet sismik krlma, 27 noktada CPT deneyi yaplmtr. Bununla birlikte Temmuz ve Austos 2001 tarihlerinden önce daha önce yaplan çalmalar teyit etmek amacyla 8 ayr noktada boluk suyu basnçlarnn da ölçüldüü koni penetrasyon deneyi (CPTU) Sakarya Üniversitesi Geoteknik Grubu tarafndan yaplmtr (ekil 2). Bu deney kapsamnda ilave olarak zeminin konsolidasyon

3 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon karakteristiklerinin belirlenmesi amacyla boluk suyu basnc sönümlenme deneyleri de yaplmtr. ekil 2. CPTU-1 çalmas (Km:14+460, Sakarya köprüsü geçii, Beylikla mevkii) Tamamen-çok ayrm, çok zayf- zayf krntl kayaçlarda ve zemin birimlerinde açlan, sondaj kuyularndan alnan örselenmi (SPT) ve örselenmemi (UD) numuneleri üzerinde ve güzergahta açlan aratrma çukurlarndan alnan torba numuneler üzerinde, birimlerin snflama ve fiziksel özelliklerini belirlemek amacyla zemin mekanii deneyleri yaplmtr. Karotlu ilerleme yaplarak açlan sondaj kuyularndan alnan karot numuneleri üzerinde, tek eksenli basnç dayanm ve nokta yükleme deneyleri yaplmtr. 4. ANALZLER Geoteknik analizler yukarda bahsedilen arazi çalmalarnda elde edilen veriler kullanlarak yaplmtr. Bunun için geoteknik parametreleri arazi deneyleri sonuçlarndan üreten oturma, svlama, svlama sonras oturma miktar, svlama sonras azalan kayma direnci hesab ve iyiletirme sonras artan kayma dirençlerinin belirlenmesine yönelik özgün bir yazlm hazrlanmtr. Bu yazlm veri olarak sondaj esnasnda belirlenen SPT-N deerlerini laboratuvarda tayin edilen zemin kvam limitlerini, ince dane yüzdesini ve USCS (Birletirilmi Zemin Snflandrma Sistemi) ye göre zemin snfn dikkate almaktadr. Sadece CPT ile geçilen kesitlerde ise uç direnci, sürtünme direnci ve eer ölçüldü ise boluk suyu basnc deerleri kullanlarak zemin snf ve dayanm parametreleri hesaplanmtr. ekil 3 te yaplan CPTU deneylerine örnek olarak KM km de elde edilen zemin kesiti ve drenajsz kayma direnci parametresinin derinlikle deiimi verilmitir. Dolgu ev durayllk analizleri sondaj ve sondalamalardan elde edilen zemin kesit ve parametreleri kullanlarak dolgu geometrisi de göz önüne alnmak suretiyle hem statik hem de dinamik durum için yaplmtr. Bunun yannda svlama olasl olan bölgelerde svlama sonras kayma direnci kayb da durayllk analizlerinde dikkate alnmtr. Ayrca göz önüne alnan kesitte güvensiz tarafta kalnm ise zemin iyiletirmesi durumu için yeni kayma direnci parametreleri kullanlarak analizler yinelenmitir. Kritik görülen kesitlerde yaplan limit denge analizlerinin doruluunu teyit etmek amacyla sonlu elemanlar tekniini kullanan Plaxis 2D yazlm ile saysal analizler yaplmtr. Bu analizlerde drenajsz yükleme aamas ile göçme (tama gücü) durumu test edilmi, dolgu sonras oluacak düey

4 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon deplasmanlar hesaplanmtr. yiletirme yaplacak bölgelerde, iyiletirme sonras hesaplanan kayma dirençleri kullanlarak analizler tekrarlanm ve son durum için deplasman deerleri hesaplanmtr. qc [MPa] fs [MPa] u2 [MPa] Rf [%] Su [MPa] Very stiff sand to clayey sand (8) Clayey silt to silty clay (4) Clayey silt to silty clay (4) Clean sands to silty sands (6) Clean sands to silty sands (6) 4.8 Clayey silt to silty clay (4) 6.4 Clayey silt to silty clay (4) Clean sands to silty sands (6) Clean sands to silty sands (6) Depth [m] U2 Cone No: 3345 Tip area [cm2]: 10 Sleeve area [cm2]: 150 Location: Position: km X: 0.00 m, Y: 0.00 m Project ID: Client: CPTU-2 GEDIK TEK INSAAT Project: ADAPAZARI-KARASU DEMIRYOLU (N E ) Ground level: Test no: Date: Scale: : 68 Page: Fig: 1/1 File: CPTU-2.cpd ekil 3. CPTU-2 deney logu, zemin kesiti ve drenajsz kayma direnci grafii Demiryolu güzergahnn yer ald bölgenin depremselliinin belirlenmesi üzerine yaplan çalmalar bölgede 2015 ten sonra deprem olma olaslnn % 75 olduunu ortaya koymutur. Bu çalmalar sonucunda olas depremin a h =0.4g gibi bir yatay ivme üretecei tahmin edilmektedir. Bu deprem ivmesi göz önüne alnarak güzergah boyunca su seviyesi

5 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon zemin yüzeyine yakn alüvyon bölgelerin svlama potansiyelleri aratrlmtr. Bu kapsamda gerçekletirilen analizler için aada verilen admlar izlenmitir: Zemin svlamasnn balama veya tetiklenme olaslnn deerlendirilmesi Svlama sonras dayanm ve genel stabilitenin deerlendirilmesi, Svlama nedeniyle oluabilecek deformasyon ve deplasmanlarn belirlenmesi, Bu deformasyon ve deplasmanlarn yap davranna etkilerinin deerlendirilmesi, Gerek görülürse hasar azaltc önlemlerin uygulanmas, eklindedir. ekil 4 te CPTU verileri kullanm ile LPI (Liquefaction Potential Index) (Toprak ve Holzer, 2003) yöntemi ile yaplan svlama riski hesaplarndan birininn sonucu verilmitir. Güzergah boyunca svlama riski belirlenmi ksmlarda olas bir depremde svlamann önüne geçmek maksad ile jet-grout ile zemin iyiletirilmesi yaplmas önerilmitir. ekil 4. CPTU-2 sondalama logu, zemin kesiti ve svlama analizi

6 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon Önerilen jet-grout kolonlarn boylar 5 ile 18 m arasnda, çaplar 60 ile 80 cm arasnda ve aralklar 2 ile 3 metre arasnda deimektedir. Bunun yannda yumuak ve kaln doygun kil kesiti ile karlalan istasyon bölgesinde ise kesitin yapay drenler ve ön yükleme yardmyla iyiletirilmesi önerilmitir. Dolgular, kaya malzemesi kullanlarak inaa edilecektir. nce daneli dolgu için dayanm parametreleri; =22 kn/m 3 ; c=5 kpa, =40 0 olarak alnmas uygun görülmütür. Dolgularn etkisi altndaki zeminlerin oturma, svlama, tama gücü ve stabilite analizleri yaplmtr. ekil 5, 6 ve 7 de ile km ler arasnda yer alan maksimum yükseklii 13 metre olan dolgularn stabilite analiz sonuçlar verilmitir. 1 düey 2 yatay olarak tasarlanan dolgu evlerinin durayllk analizleri static ve dinamik durumlar için yaplmtr. Dinamik durum için deprem ivmesi olarak 0.2g deeri kullanlarak analizler gerçekletirilmitir. Zayf temel zemini nedeniyle gerekli güvenlik katsaysna sahip olmayan kesitlerde kaya dolgu yerletirildii varsaylarak deprem durumundaki durayllk analizi yaplmtr (ekil 6). 13 metre yüksekliindeki dolgu altndaki zemin özellikleri Çizelge 1 de verilmektedir. Buradan da görüldüü gibi bölgedeki zemin profili arlkl olarak siltli kum ve killerden olumakta olup ana kayann genelde 100 m den daha derin olduu bilinmektedir. Kesitin üst 4.50 metresinde yer alan siltli gevek kumlar svlama potansiyeline sahip olup kesit için statik durumda hesaplanan toplam oturma cm, deprem durumunda hesaplanan dinamik oturma 7.59 cm dir. ekil km ler aras dolgu kesiti için statik durayllk analizi sonucu olas kayma yüzeyi (GS=1.583) (Hdolgu=13 m) Çizelge1. Dolgu altndaki zemin özellikleri Derinlik Zemin Cinsi SPT N SM CL SM 30-R CL 20-28

7 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon ekil km ler aras dolgu kesiti için statik durayllk analizi sonucu olas kayma yüzeyi (GS=0.948) (Hdolgu=13 m) ekil km ler aras dolgu kesiti için statik durayllk analizi sonucu olas kayma yüzeyi (GS=1.014) Düük plastisiteli kilde ise drenajsz kayma direnci 50 kpa ölçülmütür. Bu durumda önerilen 2.5 metre aralkl, 80 cm çapl, 12 metre boyundaki jet-groutlarn yapm sonrasnda svlama potansiyelinin ortadan kalkmasnn yan sra ortamn kayma direncinin Liao vd. (2006) önerisine göre 150 kpa a yükselecei hesaplanmtr. Analizler ayn zamanda Plaxis 2D yazlm yardm ile sonlu elemanlar yöntemi ile de tekrarlanmtr. Statik durumda dolgu yapm sonrasnda klasik yöntemlerle hesaplanan oturma cm iken, sonlu elemanlar ile yaplan analizlerde cm oturma deeri bulunmutur (ekil 8). Ayn zamanda sonlu elamanlar analizinde ani yükleme koullarnda (killi zeminlerde drenajsz davran kabulü ile) dolgu yüksekliinin %100 üne (13.00 metre) ulaldnda tama gücünün almad görülmütür. Yukarda önerilen jet-grout uygulamasnnyaplmas durumunda sonlu elemanlar yöntemine göre meydana gelecek oturmalarn cm e dütüü sonlu elemanlar çözümü ile görülmütür. Ayrca jet-grout uygulamasndan sonra deprem srasnda meydana gelecek oturmalarn kayda deer seviyede olmayaca

8 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon beklenmektedir. Jet-grout ile gerçekletirilecek iyiletirme sonras deprem etkisindeki güvenlik says (GS) olarak hesaplanmtr. ekil km ler aras dolgularn sonlu elemanlar analiz sonuçlar Dolgularn yannda Adapazar Karasu Demiryolu hattnn baz kesimlerinde yarmalar mevcuttur. Projede yarma ile geçilecek kesimler incelenmi olup yükseklii 10 m olan her bir farkl birimdeki yarmalara analiz yaplmtr. Proje kapsamnda yaplan sondaj ve laboratuvar sonuçlarna göre RQD si çok düük olan kesimlerin durayllk analizlerinde kayma yüzeyinin dairesel olduu kabul edilmitir. ekil 9 da kritik kesitlerden biri olan Y-24 yarmasnn analiz

9 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon sonucu verilmitir. 48 metre olan yarma yükseklii 5 palye ile geçilmitir. Yarma ev açlar 3 yatay-2 düey alnmtr. Yarma ince orta kaln tabakal kireçtalarndan oluan Akveren Formasyonu (KTa) içinde açlacaktr. c=250 kpa, =30, n =22 kn/m 3 parametreleri kullanlarak yaplan depremli durum durayllk analizinde yeterli güvenlik saysna (GS=2.782) ulalmtr. ekil km ler aras Y24 yarmas dinamik durum stabilite analizi (GS=2.782) 5. SONUÇLAR Bu çalmada Adapazar-Karasu-Bartn Demiryolu'nun Adapazar-Karasu (Km ) ile Adapazar-Arifiye (Km ) kesiminde alüvyon üzerine yapm düünülen deiik yüksekliklerdeki dolgularn ve yarmalarn durayllklar ile dolgudan kaynaklanan yükler dolays ile oturduklar zeminlerde meydana gelebilecek düey ekil deitrirmeler ve deprem esnasnda oluabilecek svlama tehlikesine yönelik çalmalar anlatlmtr. Adapazar ve çevresinin 1. derece deprem bölgesi içerisinde yer ald göz önüne alnarak Adapazar-Karasu Demiryolu Projesi kapsamnda yaplan arazi ve laboratuvar çalmalar nda; svlama, oturma ve durayllk analizleri gerçekletirilmitir. Yaplan analizler sonucunda svlama riski belirlenen ksmlarda jet-grout ile zemin iyiletirilmesi önerilmitir. Bu yöntem bölgede uygulanan iyiletirme yöntemlerinden en verimlilerinden biridir. En üstte çok zayf zemin bulunmasndan dolay stabilite ve tama gücü problemleri olan yerlerde, üstteki zayf zemin kazlp yerine kaya dolgu koyularak stabilite sorunu ortadan kaldrlmtr. Bunun yannda istasyon bölgesinde karlalan düük dirençli, yumuak ve kaln kil tabakasnn, jet-grout çalmas öncesinde fitil dren ve ön yükleme uygulamas ile iyiletirilmesi uygun bulunmutur. Sonlu elemanlar yöntemi ile de tekrarlanan analizlerde de klasik yöntemlerle bulunansonuçlara çok yakn sonuçlar elde edilmitir. Jet-grout uygulamasnn yaplmas durumunda sonlu elemanlar yöntemine göre meydana gelecek oturmalarn kabul edilebilir seviyelere dümütür. Dolgularn yannda yarma kesitler için de durayllk analizleri yaplarak optimum kesitler belirlenmitir. Yükseklii 48 metreye yarmalarda palyeleme ve ev açsnn ayarlanmasyla yeterli güvenlik saylarna ulalmtr.

10 Takn ve Heyelan Sempozyumu / Ekim 2013, Trabzon 6. REFERANSLAR Bol, E., A. Önalp, et al. (2010). "Liquefaction of silts: the Adapazar criteria." Bulletin of Earthquake Engineering 8(4): Bowles, J.E. (1988). Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill Book Company, 5th Edition. Carter, M., Bentley, P., (1991). Correlations of Soil Properties Pentech Press, London, pp. 91. Çetin, K.Ö., Bilge, H.T., Wu, J., Kammerer, A.M., Raymond, B.S., (2001). Probabilistic Model for the Assessment of Cyclically Induced Reconsolidation (Volumetric) Settlements, J. Geotech. Geoenviron. Eng., 135(3), Çetin, K., Seed, R., Der Kiureghian, A., Tokimatsu, K., Harder, L., Jr., Kayen, R., and Moss, R. (2004). Standard Penetration Test-Based Probabilistic and Deterministic Assessment of Seismic Soil Liquefaction Potential. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 130(12), Durgunoglu, H.T., (2004). Yüksek Modüllü Kolonlarn Temel Mühendisliinde Kullanm, Altnc Ord.Prof.Dr.Ing. Hamdi Peynircioglu Konferans, Zemin Mekanii ve Temel Mühendislii Onuncu Ulusal Kongresi, Eylül 2004, stanbul Teknik Üniversitesi. Liao, H.J., Su, S.F. and Chen, W.L (2006). Ground Improvement Piles Induced Shear Strength Increase In Normally Consolidated Clay, Journal of the Chinese Institute of Engineers, 29(1), Robertson, P. K. and C. E. Wride (1998). "Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test." Canadian Geotechnical Journal 35: Toprak, S. and T. L. Holzer (2003). "Liquefaction Potential Index: Field Assessment." Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering 129(4),