YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İnşaat Mühendisliği Bölümü. TÜNEL DERSİ Ergin ARIOĞLU İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ M ÇEŞİTLİ UYGULAMALAR. Yapı Merkezi AR&GE Bölümü

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ M İĞİ BÖLÜMÜ ÇEŞİTLİ UYGULAMALAR Prof. Dr. Müh. M Yapı Merkezi AR&GE Bölümü B

2 UYGULAMA 1: Çok ayrışmış kaya kütlesinde açılan derin bir tünelin tavanına etki eden iksa basıncı φ γ b + 2htg 45 γ B 2 p = i = ; ( c 0 ve K = 1 için geçerlidir ). 2tgφ 2tgφ şeklinde yazılabilir. Yukarıdaki formülden açıktır ki iksa tavan basıncı o Artan açıklık boyutlarıyla artar. o Azalan içsel sürtünme açısıyla da artmaktadır. Örnek: otünel kazı çapı: D= 6,8 m oçamurtaşı/ silttaşı içsel sürtünme açısı: φ 25 İksa basıncı istenmektedir. Çözüm: Eşdeğer kazı kesiti F e kavramından hareketle kare kesitli açıklık boyutu tünel çapı D cinsinden şöyle yazılabilir: b=h 2 2 π.d F e =b = 4 b = 0,88.D = 0,88x6,8 = 6m 2

3 Tavan basıncı: 25 2, x6tg 45 2 p= t i =38 2tg25 m 2 olarak bulunur. Bu değer başka bir yaklaşım ile tahkik edilmelidir. Arıoğlu, Ergin, 1992 ve 1995 e göre ( ) p i = 2,81.exp 0,0281.RQD γ. D dir (Bkz Şekil). Ayrışmış kaya kütlelerinde kaya kalite göstergesi rahatlıkla RQD %15 alınabilir. Ve olası tavan basıncı ( ) p i = 2,81.exp 0,0281x15 t 2,6.6,8 = 32,6 2 m mertebesinde hesaplanır. 3

4 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ D= 10 m D= 8 m D= 6 m D= 5 m n RQD= %15, D=6,8 m için P=n..D i γ n=2, 81.exp( 0, 0281.RQD) İksa Basıncı, P i, t/m Kaya Kalite Göstergesi, RQD, % Şekil RQD kavramına dayandırılan iksa basıncı abağı (γ= Kaya birim ağırlığı, γ=2,6 t/m 3, n= Yük veren faktörü, D= Tünel kazı çapı) Kaynak: Arıoğlu, Ergin, 1992,

5 UYGULAMA 2: o İksa Basıncının Radyal Yerdeğiştirme Üzerine Etkisi Radyal Tünel Kapanması yerdeğiştirmesi /Tünel Çapı x 100, % İksa basıncı, P i /Derinlik Basıncı, P o Kaya Kütlesinin Dayanımı/Derinlik Basıncı,σ b,y /P o (P o = Derinlik basıncı, P i = İksa basıncı, σ b,y =Kaya kütlesinin yerinde basınç dayanımı) Kaynak: Hoek, Örnek: Kaya kütlesinin tek eksenli basınç dayanımı σ b,y = 2 MPa, tünel derinliği, H= 50 m, geçilen formasyonun birim hacim ağırlığı γ= 2,6 t/m 3 için iksasız ve iksa basıncının 390 t/m 2 olma durumunda (radyal tünel kapanması/tünel çapı) oranını hesaplayınız. Çözüm: o P o = γ. H= 2,6 t/m 3 x50 m=130 t/m 2 = 13 MPa o σ b,y /P o = 2 / 13 0,15 o İksasız olma durumu: P i = 0 P i /P o = 0 ise Radyal tünel kapanması/tünel çapı= % 9 çok yüksek kapanma oiksa basıncının (tavan saplama, püskürtme beton vs.) P i = 390 t/m 2 P i = 3,9 MPa alınması durumu: op i = 3,9 MPa P i /P o = 3,9 / 13= 0,3 ise oradyal tünel kapanması/tünel çapı= % 1,5 odeğerlendirme: Verilen geoteknik koşullarda tahkimat uygulanmama durumunda düşey radyal yerdeğiştirme tünel yarıçapının %10 u mertebesindeyken, iksa uygulanması durumunda aynı deformasyon büyüklüğü tünel çapının %1,5 u mertebesine indirilmektedir. Buradan açıkça görüleceği gibi uygun iksa seçimiyle tünel deformasyonları istenilen limitler içinde kontrol edilebilmektedir. 5

6 UYGULAMA 3: 600 m derinlikte açılacak bir tünel projesinde kesit geometrisinin stabilite koşulları açısından araştırılması istenmektedir. Karşılaştırmada gözönünde tutulacak tünel kesitleri ve teğetsel gerilme faktörleri diğer mühendislik bilgileriyle birlikte aşağıda belirtilmiştir: Faktörler: A 3,1 3,0 B 2,7 3,0 oortalama kaya kalite göstergesi, RQD= %65 ogeçilen kaya birimi ve tek eksenli basınç dayanımı: Kumtaşı, σ l,b = 85 MPa ogerilme koşulu σ y / σ z = 1 (Kabul) Çözüm: Derinlik basınçları σ z =γ.h= 2,65 x 600= 1590 t/m 2 (15,90 MPa) σy K= =1 σ z Hidrostatik gerilme koşulu 6

7 σ y =K. σ z = 1 x 1590=1590 t/m 2 Yerinde basınç dayanımı: σ y,b =σ l,b.f b f b = Çatlak boyut faktörü. Barton a göre 0,05 f b = Db 0,2 dir(alıntılayan Palmström, 2000). Burada 0,05 m küçük laboratuar karot numunesinin çapını ifade etmektedir. D b = Blok çatlaklarla tanımlanan bloğun çapı. Uygulamalı kaya mekaniği disiplininde aşağıdaki şekilde hesaplanabilir: ohacimsel çatlak sayısı: RQD 65 J v = 35 = 35 = 15,3 adet/m 3,3 3,3 3 oblok hacmi: oblok çapı: oboyut faktörü: b ( ) v V =β.j = 36x 15,3 = 0,010 m (Blok şekil faktörü β= 36 normal şekil ) b ( ) ( ) b 0,333 0,333 D = V = 0,010 = 0,215 m 0,2 0,05 f b = =0,746 0,215 (Bakınız Hacimsel çatlak faktörü şekli) σ y,b =85x0,746=63,4 MPa= 6340 t/m 2 7

8 Çatlak/m 3 Çok uzun veya düz bloklar Uzun veya düz bloklar Yaygın blok şekli Eşkenar bloklar Hacimsel çatlak sayısı J v RQD J v = 35 3,3 V b =βxjv 3 β= Blok şekil faktörü Blok hacmi, V b D d =V b 3 Blok çapı, D b Şekil Palmstrom, 2000 e göre kaya kalite göstergesi, RQD hacimsel çatlak faktörü, J v ve blok şekil faktörüne göre blok hacmi, V b ve eşdeğer blok çapı D b ilişkileri Kaynak: Palmstorm,

9 Tünel kesit şekline göre teğetsel gerilmenin belirlenmesi: K=σ y /σ z = 1 o o Tavanda: σ t =σ z.(a.k 1)= σ z.(a 1) Yan cidarda: σ t =σ z.(b K)= σ z.(b 1) (Hoek ve Brown, 1980) o Düşey derinlik basıncı: σ z = γ.h= 1590 t/m 2 Oval kesit A= 3,1 tavanda σ t = 1590.(3,1 1)= 3339 t/m 2 B= 2,7 yan cidarda σ t = 1590.(2,7 1)= 2703 t/m 2 Dairesel kesit A= 3,0 tavanda σ t = 1590.(3,0 1)= 3180 t/m 2 B= 3,0 yan cidarda σ t = 1590.(3,0 1)= 3180 t/m 2 Stabilite sayısının belirlenmesi: σy,b Kaya kütlesinin basınç dayanımı S= = σ Teğetsel gerilme t (Palmstrom, 2000) o Tavanda: Oval kesit 6340 S= =1,

10 6340 o Oval kesit : S= 2, Değerlendirmeler: o Verilen koşullarda dairesel kesitin stabilite sayısı, ovale göre daha yüksektir. Diğer bir deyişle stabilite kontrolü yönünden dairesel kesit üstünlük taşımaktadır. (Ayrıca havalandırma açısından bakıldığında dairesel kesitte sürtünme kayıpları diğer kesitlere nazaran daha azdır ve tünelin yıllık havalandırma enerji maliyeti açısından dairesel kesit önemli bir yarar sağlar). okaya kütlesinin davranışı gevrek ise dairesel kesit için belirtilen stabilite sayısı 1<S= 2,0 < 2,5 olduğundan, tünel etrafında yüksek gerilme mevcut olup, hafif düzeyde cidarda sökülmeler beklenmelidir (Bkz Şekil). okaya kütlesinin davranışı sünek ise S>1 olduğundan herhangi bir sıkışma sözkonusu değildir. Kaya kütlesinin gevrek veya sünek davranışını ortaya koymak bakımından Carter vd çalışmasından yararlanılabilir. Şöyle σl,b ki; jeolojik dayanım indisi GSI > 65 ve malzeme faktörü sağlam m= >15 ise kaya kütlesi gevrek davranış σ gösterecektir (σ l,ç = Sağlam numunenin çekme dayanımı). Böyle durumda cidarda derinlik basıncına bağlı olarak dökülmeler/ ani tahripkar yenilme zonları gözlenecektir. Konu edilen kaya kütlesinin GSI büyüklüğü verilmediğinden dolaylı şekilde değeri kestirilebilir. Bilindiği üzere kaya kütlesinin basınç dayanımı (Hoek vd., 1995) l,ç σ = σ.s y,b y,b 0,5 10

11 Tünellerde yenilme modları: Kaya kütlesi gevrek ise Açıklık etrafında kaya patlamasına bağlı olarak gözlenen sökülmeler Tünel cidarının kazı boşluğuna doğru radyal Kaya kütlesi sünek ise hareketi: Tünel sıkışması Kaynak: Martin, D., ZLG S1/6.pdf den biraz değiştirilerek. 11

12 GSI 100 s=exp 9 0,5 GSI 100 σ y,b = 8500x exp, t/m 9 2 olarak yazılabilir. Çatlak boyut etkisini gözeten yaklaşım dikkate alındığında kaya kütlesinin basınç dayanımı σ y,b = 6340 t/m 2 hesaplanmıştır. İki yaklaşımın sonuçlarının eşit olması prensibinden hareketle bilinmeyen GSI değeri deneme yanılma yöntemi ile bulunabilir: GSI = exp 9 0,5 GSI 95 elde edilmektedir. Bulunan değer, verilen ölçütü (GSI>65) sağladığından kaya kütlesi gevrek bir davranış sergileyecektir. 12