SİSMİK KAYNAKLI YER HAREKETİ ETKİSİNDEKİ ŞEVLERİN DİNAMİK ANALİZİ

Transkript

1 SİSMİK KAYNAKLI YER HAREKETİ ETKİSİNDEKİ ŞEVLERİN DİNAMİK ANALİZİ M. Akgün 1, A.T. Arslan 2, B. Kahraman 3, H. Sözbilir 4, Ö. C. Özdağ 5, S. Eski 6, A. Akdoğan 7 1 Prof. Dr., Jeofizik Müh. Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 2 Öğr. Gör. Dr., İzmir MYO İnşaat Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 3 Doç. Dr., Maden Müh. Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 4 Prof. Dr., Jeoloji Müh. Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 5 Msc Uzm. Ege Bölgesi Araştırma ve Uygulama Merkezi,Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 6 Msc. Deprem Araştırma ve Uygulama Merkezi,Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir 7 Proje Müdürü Türkerler-Gama İzmir Bayraklı Şehir Hastanesi mustafa.akgun@deu.edu.tr ÖZET: Statik yükler, deprem ve patlatma gibi dinamik yükler etkisinde kalan şevlerin stabilitesinin araştırılması yerbilimleri mühendisliğinde karşılaşılan önemli problemlerden birisidir. Şevlerin stabilitesinin, statik ve dinamik yüklerle birlikte, şevin tasarlandığı kaya veya zemin özelliklerinin değerlendirilmesi yapılarak araştırılması gerekir. Statik durumda duraylı olan bir şev, dinamik yüklerle oluşan tekrarlı kayma gerilmelerideformasyon değişimleri sonucunda göçebilmektedir. Depremli durumda şevlerin dinamik analizi, meydana gelmiş deprem kayıtları veya yapay olarak üretilen deprem kayıtları kullanılarak yapılır. Bu çalışmada, İzmir Bayraklı Şehir Hastanesi Kampüsü yapım alanında deprem kaynaklı dinamik yükler etkisi altındaki şevlerin stabilitesi incelenmiştir. Dinamik analizlerde Rocscience Phase 2 (V.9.021) programı kullanılmıştır. Hesaplamalarda Eşdeğer Mohr-Coulomb parametrelerini kullanan Mohr-Coulomb Ölçütü temel alınarak belirli parametrelerin değerlerindeki değişikliğin şev duraylılığı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Analizlerde kullanılan 4 adet jeoteknik kesit, jeolojik/jeofizik çalışmalar ve mekanik sondajların ortak değerlendirilmesi sonucunda elde edilen verilere göre oluşturulmuştur. Analizler sonucunda, her bir kesit için güvenlik katsayısı değerleri (gerilme azaltma faktörleri - SRF) elde edilmiş, şevlerin yenilme mekanizmaları İzmir bölgesinde gerçekleşmiş deprem kayıtları kullanılarak her iki durum için ortaya çıkarılmış ve sonuçlar yorumlanmıştır. Sonuç olarak, uzun dönemde şevlerde statik ve dinamik koşullarda herhangi bir stabilite probleminin yaşanmayacağı öngörülmüştür. ANAHTAR KELİMELER: Gerilme azaltma faktörü SRF, şev stabilitesi, dinamik yük

2 DYNAMIC ANALYSIS OF SLOPES UNDER EXPLOSION AND SEISMIC ORIGIN GROUND VIBRATION LOADS ABSTRACT: The investigation of the slope stability effected by static loadings and dynamic loadings such as earthquake and explosions is most severious problem in geoscience engineering. It is required to examine slope stability by evaluating the properties of rock or soil for designed slope within static and dynamic loadings A stalled slope in static conditions may landslide within the repeated shear stress-deformation variations. Dynamic analyze of the slopes can be done by using past earthquake records or by scenerio earthquakes. In other case within explosion condition, weight of explosive and the center of explosion with the vertical distance between the slope, explosion center depth can be analyzed by using geotecnical properties of the soil or the rock. In this study, the slope stability effected by dynamic loadings either earthquakes or artificial explosions were separately investigated for the campus construction area of the İzmir Bayraklı Municipality Hospital. Dynamic analyzes were processed by using Phase2 V and Slide V programmes. In calculations the changes on parameter values based on the Mohr- Coulomb Criterion that uses Equivalent Mohr-Coulomb parameters that is effected by the slope stability were investigated. Four different geotechical cross sections were performed by geophysical studies within mechanical drillings. In results, safety coefficient values (stress reduction factor-srf) were obtained for each cross section and slope sliding mechanisms were observed by using past earthquake records in İzmir region. Also during explosion several parameters such as distance to slope, explosive material weight, etc.interpretated for both cases. KEYWORDS: SRF, Slope Stability, Dynamic Loading 1. GİRİŞ Kaya şevi duraylılığının incelenmesi, açık ocak madenleri ve karayolları gibi birçok mühendislik yapılarının tasarlanması için oldukça önemlidir. Uygun ve doğru yöntemler kullanılarak yapılan şev tasarımları sadece şev duraylılığını arttırmakla kalmaz, aynı zamanda kazaları azaltarak güvenli ortamda çalışma imkanı da sağlar. Kaya şevlerindeki yenilmeler çoğunlukla kütle içindeki süreksizliklere bağlıdır. Kaya şev problemlerinin çoğu süreksizlikler arasında geometrik ilişkilerin değerlendirmesini gerektirdiğinden, süreksizliklerin kinematik olarak değerlendirilmesi kaya mühendisliği alanında önemli bir konudur. Kaya şev duraylılığının değerlendirilmesinde kullanılan farklı yöntemler vardır. Bunlar genellikle kinematik analizler, limit denge analizleri, sayısal analizler (nümerik) ve Şev Kütle Puanlaması (SMR) gibi kaya kütle sınıflandırma sistemleri ile değerlendirilmektedir. Veri olarak, şev geometrisi ve süreksizliklerin kayma dayanımı parametrelerinden içsel sürtünme açısının kullanıldığı kinematik analizler, kaya şevlerindeki yenilmelerin süreksizlikler tarafından kontrol edildiği durumlarda kullanılabilmektedir. Kinematik analizler ile kaya şevlerindeki olası yenilme türleri (düzlemsel, kama tipi ve devrilme türü yenilmeler) belirlenebilmektedir. Kinematik analiz sonucunda herhangi bir yenilme tehlikesi ortaya çıkarsa, limit denge analizleri ile olası tehlike araştırılır. Limit denge analizleri yenilme düzlemi boyunca gelişen makaslama dayanımını, boşluk suyu basıncını ve maksimum yatay yer ivmesi gibi dış kuvvetleri dikkate almaktadır. Limit denge analizleri şevlerin duraylılığının değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan basit bir yöntem olmasına rağmen, şevler kazı örselenmesi, süreksizlik yönelimleri gibi karmaşık mekanizmalar tarafından duraysızlığa uğradığında limit denge analizleri zaman zaman yetersiz kalmaktadır.

3 Bu çalışmada deprem ve patlatma kaynaklı duraysızlık gelişmesi durumunda çalışma alanında en çok etkilenecek dört adet şev güzergahı seçilmiştir (Şekil 1). Seçilen bu şev güzergahlarında stabiliteyi etkileyen deprem ve patlatma kaynaklı faktörler üzerinde durularak bu faktörlerin güvenlik sayısı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Şekil 1. Sayısal modellemelerde kullanılan kesit hatları konumları 2. JEOLOJİ İnceleme alanı ve çevresinde, alttan üste doğru, Geç Kretase-Paleosen yaşlı Bornova Karmaşığı, Erken-Orta Miyosen yaşlı volkanik ve volkanosedimanter birimler, Orta-Geç Miyosen yaşlı Yeniköy Formasyonu ile Holosen yaşlı alüvyon ve yamaç molozları bulunmaktadır. İnceleme alanı çevresindeki temel kayalarını Üst Kretase-Paleosen yaşlı Bornova Karmaşığına ait kumtaşı-şeyl ardalanmasından oluşan bir matriks ile bu matriks içinde yüzen değişik boyutlu kireçtaşı ve spilitik volkanit blokları oluşturur. Birim başlıca grimsi-kahverengi ince taneli kumtaşı, daha az oranda çamurşeyl, çamurtaşı ve çok az miktarda kanal dolgusu şeklindeki çakıltaşından oluşur. Yanal ve düşey olarak filiş fasiyesine ait karakteristik özellikleri yansıtan kırıntılı ve karbonat kayalardan oluşan matriks, aşırı derecede kıvrımlanarak deformasyon geçirmiştir. Bornova Karmaşığı nın alt dokanağı çalışma alanı içinde gözlenmemektedir.

4 Şekil 2. İnceleme alanı ve çevresinin basitleştirilmiş jeoloji haritası (Uzel ve diğ den sadeleştirilmiştir). Birimin üst dokanağında ise Miyosen yaşlı volkano-sedimanter birimler ve Holosen yaşlı alüvyon yelpazeleri açısal uyumsuzlukla oturur (Şekil 2). İnceleme alanı çevresinde geniş yayılım sunan ve baskın olarak kırıntılıkarbonat-volkanik kayaçlardan yapılı volkanik ve volkano-sedimanter birimler önceki çalışmalarda, alttan üste Çatalca formasyonu, Yamanlar volkaniti, ve Yeniköy formasyonları olarak tanımlanmıştır (Uzel ve Sözbilir, 2008). İnceleme alanında geniş yüzlek veren Yamanlar volkaniti andezitik lav, tüf, aglomera ve volkanik breşlerle temsil edilir. İnceleme alanı ve çevresinde yüzlek veren Holosen yaşlı çökeller; (1) alüvyon yelpazesi çökelleri, (2) alüvyon düzlüğü ve güncel dere çökelleri ile yamaç molozudur. 3. YAPISAL JEOLOJİ Çalışma alanındaki şevler KD-GB uzanımlı ve GD ye eğimli faylar tarafından kesilmiştir. Fay zonunda yapılan ölçümler faylanmanın eğim atımlı normal fay niteliğinde geliştiğini göstermektedir. İnceleme alanında gözlenen faylanmalar, KD-GB ve KB-GD doğrultularında gelişmiş çatlak sistemlerinin olabileceğini göstermektedir. 4. JEOTEKNİK ÇALIŞMALAR Çalışma alanında jeolojik, jeoteknik, jeofizik ve şev stabilite analizleri ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Birimlerin jeolojik/jeoteknik özelliklerini belirlemek ve temel koşullarına özgü mühendislik özellikleri ve yeraltı suyu durumunu saptamak için toplam uzunluğu m olan 58 adet sondaj kuyusu ve 23 adet araştırma çukurunun sonuçları değerlendirilmiştir (Toker, 2015, 2016). Sahada mevcut jeolojik birimlere ait birim hacim ağırlık değerleri ile kn/m 3 arasında değişmektedir. Nokta Yük Dayanım İndeksi deneyleri sondajlarda geçilen andezit aglomera ve tüf birimlerine uygulanmıştır. Deneyler sonucunda andezit ve aglomeralar için nokta yük dayanım değerleri I s50 = MPa, ortalama I s50 = 3.0 MPa; tüfler için I s50 = MPa, ortalama I s50= 0.60 MPa, tek eksenli basınç dayanımı deneyleri sonuçunda andezit ve aglomeralar için tek eksenli basınç dayanımı en az 1.60 MPa en fazla MPa ortalama MPa; tüfler için en az 1.51 MPa, en fazla MPa ortalama MPa arasında, üç eksenli deney sonuçlarına göre andezit ve aglomeralar için kohezyon en az 0, en fazla MPa ortalama 4.72 MPa; içsel sürtünme açısı ise en az 17 en fazla 51.5 ortalama 43.5 ; tüfler için ise kohezyon 5 MPa, içsel sürtünme açısı ise 17 olarak bulunmuştur. Arazi deneyleri kapsamında yapılan 70 adet presiyometre deneyi sonuçlarına göre; deformasyon modülü (E P) en az 679 MPa, en fazla 1362 MPa; net limit basınç P L(net) ortalama 3.2 MPa olarak bulunmuştur. Proje alanında yer alan jeolojik birimlerin (volkanik breş, andezit, aglomera, tüf) mühendislik özelliklerinin belirlenmesi çalışmaları kapsamında süreksizlik özellikleri ISRM (2007) tarafından önerilen yöntemlere göre tanımlanmıştır. ISRM (2007) tarafından önerilen süreksizlik tanımlama ölçütlerine göre çok yakın yakın - orta aralık; yüksek devamlılık; aşırı dar çok dar açıklık; pürüzlülük olarak düz JRC: pürüzlü JRC: ; çatlak açıklıkları taze, ayrışmamış kesimlerde çatlaklar kapalı dolgusuz yüzeye yakın kesimler dolgulu ; yüzeye yakın kesimler ayrışmış, derinlere doğru az ayrışmış olarak tanımlanmıştır. Saha çalışmaları kapsamında şev basamaklarında gelişmiş olan eklem takımları ve oluşum mekanizmalarını belirleyebilmek için şev basamaklarında 172 adet eklem ölçümü alınmış; 35/32 (J 1), 325/10 (J 2), 299/11 (J 3) ve 353/28 (J 4) olmak üzere dört ana süreksizlik düzlem seti belirlenmiştir. Şev basamaklarında ölçülen eklemlerin eğim miktarı minimum 22, maksimum 90, ortalama 65 derece; egemen eğim yönü ise GB GD arasında yoğunlaşmaktadır. (Şekil 3).

5 Şekil 3. A: Şev basamaklarında alınan eklem ölçülerine göre yapılmış kontur diyagramı; B: Eklemlerin eğim yönlerine göre yapılmış gül diyagramı Şevlerde basamak açıları arasında değişmektedir. Bu nedenle kinematik analizlerde en dik durum olan 78 lik şev açıları kullanılmıştır. Şevlerin genel eğim yönü 165ᵒ, nihai şev açıları 78ᵒ alınarak kinematik analizler yapılmıştır. Şevlerde düzlemsel kayma için yapılan kinematik analizlerde J 1 kırık yüzeylerinin düzlemsel kayma potansiyeli oluşturduğu görülmektedir (Şekil 4. A). Şevlerde kama türü kayma için yapılan kinematik analizlerde J 2-J 3 ve J 4 kırıklarının birbirleri ile karşılaşması durumunda kama türü kaymaların olabileceğini göstermektedir (Şekil 4.B). Devrilme için yapılan kinematik analizlerde de devrilme türü duraysızlıkların gerçekleşebilme olasılığı J 1 kırıkları için görülmektedir (Şekil 4.C). Şekil 4. Şevlerde yapılan kinematik analizler A: Düzlemsel; B: Kama; C: Devrilme 5. STABİLİTE ANALİZLERİ Yerbilimleri mühendisliğinde bilgisayar kullanımının yaygınlaşması ile birlikte şev stabilite analizlerinde sonlu elemanlar yöntemi günden güne artan bir şekilde kullanılmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi, karmaşık şev geometrileri, farklı zemin, sınır ve yükleme koşullarında iki veya üç boyutlu olarak tüm göçme mekanizması

6 tiplerinde uygulanabilmektedir. Şev modellemelerinde çeşitli malzeme modelleri kullanılarak gerçeğe yakın malzeme davranışı elde edilebilmekte, oluşan gerilmeler ve yer değiştirmeler doğru bir şekilde hesaplanabilmektedir. Bu çalışmada, statik koşullarda (depremsiz durumda) mukavemet azaltma tekniği kullanılarak şevlerin göçmeye karşı güvenlik sayıları hesaplanmıştır. Mukavemet azaltma hesaplamaları, sonlu elemanlar yöntemi ile çözüm yapan Rocscience Phase 2 (V.9.021) bilgisayar programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Dinamik koşullarda yapılan analizlerde sismik etki olarak 12 Haziran 2017 tarihinde Midilli adası ile Karaburun yarımadası arasında meydana gelen Mw: 6.2 büyüklüğündeki depremin ivme kayıtları kullanılmıştır. İzmir Bayraklı Şehir Hastanesi Kampüsü yapım alanında hem statik yükler hem de deprem kaynaklı dinamik yükler etkisi altındaki şevlerin stabilitesini incelemek amacıyla iki boyutlu sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuş ve hesaplamalarda kullanılmıştır (Şekil 5). Kesit-I Kesit-II Kesit-III Kesit-IV Şekil 5. Sayısal modellemelerde kullanılan sonlu eleman modelleri Hesaplamalarda, çatlaklı kaya ortamının davranışını modellemek için, Mohr-Coulomb malzeme modeli kullanılmıştır. Analizlerde kullanılan parametreler Çizelge 1 de toplu olarak verilmiştir. Çizelge 1.Sayısal analizlerde kullanılan materyallere ait indeks, mekanik, elastik özellikler ve yenilme ölçütleri Parametre Seviye I Seviye II Seviye III Seviye IV Birim Hacim Ağırlık (MN/m 3 ) Elastisite Modülü E (MPa) Poisson oranı ( ) Yenilme Kriteri Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Mohr- Coulomb Malzeme Tipi Elastik Elastik Elastik Elastik İçsel sürtünme açısı ( ) ( ) Kohezyon c (MPa) Tek Eksenli Basınç Day. ( ci) (MPa)

7 Pratikte şevlerin duraylılığını değerlendirmek için güvenlik katsayıları hesaplanmaktadır (Vardar, 1987; 2004; Huang, 2004). Yapılan bilimsel çalışmalar ve pratik tecrübeler, uzun süreli duraylılık gerektirmeyen çok sayıda basamaktan oluşan nihai şevlerde emniyet katsayısının; 1,0-1,3 aralığında, uzun süre duraylılık gerektiren ve önemli yapılara ya da nakliye yollarına yakın kritik şevlerde ise; minimum 1,5 olması gerektiğini göstermiştir (Hoek, E and Bray, J., 1997). Bu hususlar gözetilerek, analizlerde deprem durumu da dikkate alınarak nihai şev ölçeğinde esas alınan kabul edilebilir minimum güvenlik katsayısı değerleri Çizelge 2 de verilmektedir. Çizelge 2. Uzun süreli duraylılık gerektiren şevler için kabul edilen güvenlik katsayısı değerleri. Analiz durumu Minimum Güvenlik katsayısı değerleri SRF Statik 1.50 Eşdeğer sismik (pseudo static) 1.10 Analizler sonucunda, her bir kesit için güvenlik katsayısı değerleri (gerilme azaltma faktörleri - SRF) elde edilmiş her bir şev için yenilme mekanizması ortaya çıkarılmıştır. Hazırlanan iki boyutlu modellerde her bir kesit için elde edilen SRF değerleri Çizelge 3 de, kayma yüzeyi konturlarını gösteren modeller ise Şekil 6. da sunulmuştur. Çizelge 3. Sayısal analizler sonucunda elde edilen güvenlik katsayısı değerleri Kesit Güvenlik katsayısı değerleri SRF I 2.78 II 2.77 III 2.49 IV 3.10 Çizelge 3 de verilen İki boyutlu sonlu elemanlar çözümlemeleriyle elde edilen güvenlik sayısı (Fs) değerleri incelendiğinde, elde edilen değerlerin genelde birbirine yakın değerler aldığı ve kritik güvenlik katsayısı Fs =1 den büyük güvenlik sayısı değeri verdiği ve statik koşullarda şevlerin stabil kalacağı görülmektedir. Kesit-I

8 Kesit-II Kesit-III Kesit-IV Şekil 6. Statik koşullarda güvenlik sayısı (Fs) değerleri ve kayma yüzeyi konturlarını gösteren iki boyutlu modeller. Dinamik koşullarda gerilme ve deformasyon davranışlarını irdelemek amacıyla yapılan analizlerde, girdi parametresi olarak 12 Haziran 2017 tarihinde Midilli adası ile Karaburun yarımadası arasında meydana gelen Mw: 6.2 büyüklüğündeki depremin ivme zaman kaydı kullanılarak zaman tanım alanında analizler yapılmıştır (Şekil 7). A B Şekil 7. A: 12 Haziran 2017 tarihinde Midilli adası ile Karaburun yarımadası arasında meydana gelen Mw: 6.2 büyüklüğündeki depremin ivme zaman kaydı; B: Şev yüzeyinde alınan bir noktanın sismik etki altındaki yanal yer değiştirme miktarı.

9 Toplam yer değiştirmelerin kesitler üzerindeki dağılımları incelendiğinde sismik etki altında en büyük toplam yer değiştirmelerin kazı sonrasında oluşan şev basamaklarında meydana geleceği öngörülmüştür. Dolayısı ile sismik etki altında şev basamaklarından aşağı kotlara kaya parçalarının düşebileceği göz önüne alınarak gerekli önlemler alınmalıdır. Kesit-I Kesit-II Kesit-III

10 Kesit-IV Şekil 8. Depremin 30. saniyesinde meydana gelen toplam yer değiştirme konturlarının kesitler üzerindeki dağılımları 6. SONUÇLAR Sonlu elemanlar yöntemi, diğer geleneksel limit denge yöntemlerine göre avantajlarından dolayı şev stabilite problemlerinin analizinde yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında Phase 2 programı kullanılarak şev stabilite problemlerinde sonlu elemanlar yönteminin sağladığı yararlar gösterilmiş ve şevlerin stabilitesi, iki boyutlu koşullar altında nümerik olarak analiz edilmiştir. İki boyutlu çözümlerle elde edilen güvenlik katsayısı değerleri birbirine yakın güvenlik sayısı değerleri verdiği, uzun dönemde şevlerde statik ve dinamik koşullarda herhangi bir stabilite probleminin yaşanmayacağı görülmüştür. 7. KATKI BELİRTME Bu çalışma, Türkerler Gama İzmir Adi Ortaklığı ile Dokuz Eylül Üniversitesi Deprem Araştırma Ve Uygulama Merkezi DAUM arasında imzalanan protokol uyarınca gerçekleştirilmiştir. Yazarlar, Türkerler-Gama İzmir Adi Ortaklığı yöneticilerine sağladıkları maddi katkılardan dolayı teşekkür eder. KAYNAKLAR HOEK, E and BRAY, J. 1977; Rock Slope Engineering, Revised Third Edition, The Institution of Mining and Metallurgy, London. Huang, L, 2004, Stability analysis of mine pit slopes interior Alaska, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41 (3) Toker Sondaj ve İnşaat Müh. Müşavirlik A.Ş., 2015, İzmir Bayraklı Entegre Sağlık Kampüsü Jeolojik Jeoteknik Etüt Raporu Faz-I, Ankara. Toker Sondaj ve İnşaat Müh. Müşavirlik A.Ş., 2016, İzmir Bayraklı Entegre Sağlık Kampüsü Jeolojik Jeoteknik Etüt Raporu Faz-II, Ankara. Uzel, B., Sözbilir, H., & Özkaymak, Ç. (2012). Neotectonic evolution of an actively growing superimposed basin in western Anatolia: The inner bay of Izmir, Turkey. Turkish Journal of Earth Sciences, 22,

11 Uzel, B., & Sözbilir, H. (2008). A first record of a strike-slip basin in Western Anatolia and its tectonic implication: The Cumaovasi basin. Turkish Journal of Earth Sciences, 17, Vardar, M., 1987, Kaya şevlerini projelendirme esasları, Dayanma Yapıları Semineri, DSİ, Cilt II, 1-25.