TEKRARLI DİREK KESME DENEYİ İLE ANKARA KİLİNİN REZİDÜEL KAYMA DAYANIMI

Transkript

1 5. Geoteknik Sempozyumu 5-7 Aralık 2013, Çukurova Üniversitesi, Adana TEKRARLI DİREK KESME DENEYİ İLE ANKARA KİLİNİN REZİDÜEL KAYMA DAYANIMI RESIDUAL SHEAR STRENGTH OF ANKARA CLAY USING REVERSAL DIRECT SHEAR TESTS Nejan HUVAJ 1 Arash MAGHSOUDLOO 2 ABSTRACT Drained residual shear strength of stiff (overconsolidated) clays develop after some cumulative shear displacements, due to parallel alignment of plate-shaped clay particles under normal and shear stresses, in the direction of shear. Residual shear strength is the lowest constant shear resistance of a stiff clay and it can be obtained by ring shear or reversal direct shear box tests. The goal of this study is to determine the drained residual shear strength of stiff Ankara clay and to evaluate the empirical relations existing in the literature between the residual shear strength and index properties. Within the scope of this study, two different sample preparation procedures for the reversal direct shear tests will be explained, shear displacement and shear stress data obtained from experiments together with the nonlinear residual shear strength envelope of stiff Ankara clay will be presented, and the validity of empirical relations will be discussed. The results of this study could be useful in geotechnical engineering practice since it presents data on the residual shear strength of Ankara clay, which was not available in the literature before, and since it demonstrates the nonlinearity of the residual shear strength envelope of stiff clays. Keywords: drained residual shear strength, stiff clay, Ankara clay, reversal direct shear test ÖZET Rezidüel kayma dayanımı, katı (aşırı konsolide) killerde, drenajlı durumda, kümülatif kesme deformasyonunun oluşmasıyla (özellikle ince plaka şeklindeki kil danelerinin normal ve kesme gerilmeleri altında, kesme yönüne paralel ve plakaların birbiri üstüne gelerek kesmeye en zayıf direnci gösterecek şekilde hizalanmasıyla) ulaşılan en düşük sabit dayanım durumudur. Rezidüel kayma dayanımı halka kesme veya tekrarlı direk kesme kutusu deneyleri ile elde edilir. Bu çalışmanın amacı Ankara kilinin rezidüel kayma dayanımını belirlemek ve literatürdeki katı killerin rezidüel kayma dayanımı ve indeks özellikleri arasındaki empirik ilişkileri değerlendirmektir. Bu bildiri kapsamında tekrarlı direk kesme deneylerinde iki farklı numune hazırlama metodu anlatılacak, deneylerden elde edilen kayma deformasyonu ve kayma dayanımı ölçümleri ile Ankara kilinin doğrusal olmayan rezidüel yenilme zarfı verilecek ve literatürdeki empirik ilişkilerin geçerliliği 1 Y. Doç. Dr., ODTÜ, nejan@metu.edu.tr 2 Lisansüstü öğrenci, ODTÜ, e175828@metu.edu.tr

2 irdelenecektir. Bu çalışmanın sonuçları, daha önce literatürde başka veriye rastlanmamış olan Ankara kilinin rezidüel kayma dayanımı ile ilgili veriler sunacağından ve rezidüel kayma dayanım zarfının doğrusal olmadığını gösterdiğinden ülkemizde geoteknik mühendisliği açısından faydalı olacağı düşünülmektedir. Anahtar kelimeler: Drenajlı rezidüel kayma dayanımı, katı kil, Ankara kili, tekrarlı direk kesme deneyi 1. GİRİŞ Rezidüel kayma dayanımı, katı (aşırı konsolide) killerde, drenajlı durumda, kümülatif kesme deformasyonlarının oluşmasıyla (özellikle ince plaka şeklindeki kil danelerinin kesme yönüne paralel ve plakaların birbiri üstüne gelerek kesmeye en zayıf direnci gösterecek şekilde hizalanmasıyla) ulaşılan en düşük sabit dayanım durumudur. Normal konsolide, yumuşak killerde görülen bir durum değildir. Rezidüel kayma dayanımı halka kesme veya tekrarlı direk kesme kutusu deneyleri ile bulunur. 2. KULLANILAN MALZEME VE DENEYSEL ÇALIŞMA Deneylerde Ankara kili kullanılmıştır. Ankara kili, kırmızı-kahverenkli, fisürlü, katı bir kildir. Ankara kili, üzerindeki örtü yükünün daha sonra erozyonla kaybolması, yer altı su seviyesindeki düşüş, ve desikasyon gibi çeşitli sebeplerle önkonsolidasyona maruz kalmıştır (Ordemir vd. 1977). Ankara kili, kumlu çakıllı kısımlar da içeren katı kil olarak sınıflandırılabilecek bir malzemedir. Sezer vd. (2003) çalışmasına göre Ankara kili Pliyosen yaşlı ve nehirsel ortamda oluşmuş bir malzemedir. İçerdiği kil mineralleri illit, smektit, klorit ve kaolinit mineralleridir. Kil olmayan diğer mineraller ise kuvarts, feldispat, kalsit ve demir oksitlerdir (Sezer vd. 2003). Yarı kantitaif mineraloji inceleme çalışmasına göre kil mineralleri bütün numunenin ortalama %66 kadarını oluşturmakta ve kil minerallerinin %34 ünü smektit, %16 sını illit, %16 sını da kaolinit oluşturmaktadır (Ergüler ve Ulusay, 2003). Bu çalışmada kullanılan Ankara kili numuneleri Ankara da Konya Yolu üzerinde Ege Group un inşaat sahasındaki derin kazıdan elde edilen örselenmiş numunelerdir (Şekil 1). Kullanılan Ankara kilinin indeks özellikleri Tablo 1 de görülebilir. Şekil 1. (a) Ankara kili numunelerinin alındığı Ankara daki inşaat sahası lokasyonu (b) Numunelerin alındığı kazı sahasınden bir görünüm

3 Tablo 1. Ankara kili indeks özellikleri Özellik İnce dane yüzdesi (%) (<0.074 mm) Gs 2.66 LL (%) 72 PI (%) 46 CF (%) (<0.002 mm) 65 USCS Sınıflandırma CH Ankara Kili 68 (tüm numunede) Rezidüel kayma dayanımı deneylerinde numune hazırlamada kullanılabilecek birkaç farklı yöntem mevcuttur (şekil 2). Bunlardan arazideki rezidüel durumu en iyi yansıtan, olmuş olan bir heyelanın kayma yüzeyinden, örselemeden numune alıp onu laboratuvarda direk kesme kutusuna (kayma yüzeyi tam direk kesme kutusunun alt ve üst yarıları arasındaki düzlemde olacak şekilde) yerleştirip, arazide yerindeki efektif normal gerilmeyi uygulamak ve kesmektir (Skempton 1964, 1985). Bu mümkün olmadığında, kayma düzlemi içermeyen örselenmeden alınmış numuneler veya laboratuvarda hazırlanmış yoğrulmuş numuneler kullanılabilir. Laboratuvarda yoğrulmuş numuneler kayma düzlemi içeren veya içermeyen olmak üzere iki şekilde hazırlanabilir. Bu çalışmada laboratuvarda yoğrulmuş iki farklı numune hazırlama yöntemi kullanılmıştır. Direk kesme deneyi numuneleri Kayma yüzeyi içermeyen numuneler Kayma yüzeyi içeren numuneler Araziden alınmış örselenmemiş numune (kayma yüzeyi yok) Laboratuvarda yoğrularak hazırlanmış numune (kayma yüzeyi yok) Bir heyelanın kayma yüzeyinden örselenmeden alınmış numune Laboratuvarda yoğrularak hazırlanmış ve kayma yüzeyi oluşturulmuş numune Şekil 2. Direk kesme deneyinde rezidüel dayanım numuneleri 2.1. Laboratuvarda hazırlanmış, kayma düzlemi içermeyen numuneler Laboratuvarda yoğrulmuş numunelerin hazırlanmasında, 40 no lu elekten geçen malzeme likit limite yaklaşan bir su muhtevasında hazırlanarak 3 gün kil danelerinin hidrate olması için nem odasında kapalı olarak bekletilmiştir. Numune direk kesme kutusunun alt yarısına ve onun üzerine yerleştirilen üst yarısına spatula yardımı ile hava boşluğu bırakmayacak şekilde özenle yerleştirilmiştir (şekil 3). Direk kesme kutusunun alt ve üst yarısı arasında bir kesme düzlemi oluşmayacak şekilde yoğrularak yerleştirilmiş, ve bir bütün numune elde edilmiştir. (Direk kesme kutusunun alt ve üst yarısı birbirine birleşikken numune yerleştirilirse kutunun derinliğinden dolayı spatula ile köşelerin iyice doldurulamayacağı ve hava balonları kalma ihtimali olduğu görülecektir). Düşük konsolidasyon yüklerinden başlayarak, ve yük artırma oranı 1.0 kullanılarak, ve her bir yük altında numunenin konsolide olduğu düşey deformasyonların ölçülmesi ile kontrol edilerek numune istenen normal gerilme altında konsolide edilmiştir. Aşırı konsolidasyon oranı 4.0 olan aşırı konsolide kil elde etmeye çalıştığımızdan yüksek bir normal gerilmeye erişildikten sonra numune daha düşük bir gerilmeye getirilmiş böylece aşırı konsolide kil elde edilmiştir.

4 Şekil 3. Direk kesme kutusuna numunenin yerleştirilmesi 2.2. Laboratuvarda kayma düzlemi oluşturulan numuneler Laboratuvarda yoğrulmuş numune hazırlanarak bir kayma düzlemi yaratılması da mümkündür (Mesri ve Cepeda-Diaz 1986). Numune 40 no lu elekten geçilirilip likit limitine yakın su muhtevasında 3 gün hidrate edildikten sonra direk kesme kutusunun alt ve üst yarısı ayrı ayrı numune ile doldurularak, kesme kutusu düzeneğinde değil ayrı bir yerde, ikisinin de üzerine yükleme başlığı yerleştirilip üzerlerine ayrı ayrı yük uygulanarak konsolide edilmek üzere hazırlanmıştır (şekil 4). Üst direk kesme kutusuna yerleştirilen numuneye kutunun üst yüzeyinden, alt kesme kutusuna yerleştirilen numuneye kutunun alt yüzeyi yukarı gelecek şekilde yerleştirilerek o yüzeyden basınç uygulanmıştır. (Alt kutudaki kildeki oturmaları kompanse etmek için kutunun içinde kalan boşluğa, oturma miktarı kalınlığında metal plaka yerleştirilmiştir.) Konsolidasyon su haznesine yerleştirilen alt ve üst direk kesme kutusu istenen normal gerilmeye konsolide edildikten sonra aşırı konsolidasyon oranı 4.0 olacak şekilde yük azaltılarak numune kesmenin yapılacağı normal gerilmeye getirilmiştir (kesmenin yapılacağı normal gerilme ön konsolidasyon basıncından düşüktür). Daha sonra direk kesme kutusunun alt ve üst yarısı birleştirilerek (böylece aralarında ayrık bir yüzey mevcuttur) direk kesme düzeneğine yerleştirilmiş ve bu normal gerilme altında kesme yapılmıştır. Bütün deneylerde kesme hızı mm/dak dır. Deneylerde kesme süresi boyunca çok düşük düşey deformasyonlar gözlenmiş (aşırı konsolide killer, ön konsolidasyon basıncından daha düşük yükler altında çok az oturma gösterirler), ve alt ve üst yarı arasındaki kayma yüzeyinin oturmadan dolayı kutunun içine girmediği kontrol edilmiştir. Direk kesme kutusunun alt ve üst yarısının içindeki kil malzeme kalınlıkları (her bir yarıda) 6-8 mm dir. Yükleme-konsolidasyon-yük boşaltma (böylelikle laboratuvarda ön konsolidasyon basıncından daha düşük basınç altında bulunan aşırı konsolide kil elde etme) işlemleri ile kesmeye hazır numune hazırlanması yaklaşık 7 ila 10 gün içinde tamamlanmıştır.

5 Şekil 4. Ayrı ayrı konsolide edilen ve bir kayma düzlemi içeren numune hazırlanması 3. DENEY SONUÇLARI Tekrarlı direk kesme deneylerinden elde edilen sonuçlar Tablo 2 de görülebilir. Sonuçlara örnek vermek üzere Şekil 5 te Ankara kilinin önce 400 kpa efektif normal gerilme altında konsolide edilip, daha sonra 100 kpa efektif normal gerilme altında kesildiği deney verileri sunulmaktadır (böylece aşırı konsolidasyon oranı, OCR 4.0 olan bir numune deneye tabi tutulmuştur). Diğer deney sonıçları yüksek lisans tezi Maghsoudloo (2013) de görülebilir. Şekil 5 de görüleceği gibi rezidüel duruma (en düşük sabit dayanıma) erişilmesi için kümülatif 23 mm kesme deformasyonu gerekmiştir. Rezidüel kesme dayanımı 24.7 kpa olarak ölçülmüştür, ve 100 kpa efektif normal gerilme altında sekant rezidüel içsel sürtünme açısı 13.9 derecedir. Tablo 2 de görüleceği gibi 50 kpa efektif normal gerilme altında sekant rezidüel içsel sürtünme açısı 17.7 derece iken, 900 kpa efektif normal gerilme altında bu değer 8.6 derece olarak ölçülmüştür. Efektif normal gerilme arttıkça sekant rezidüel içsel sürtünme açıları azalmaktadır; bir diğer deyişle rezidüel yenilme zarfı doğrusal değildir. Şekil 6 da Ankara kilinin rezidüel yenilme zarfı, doğrusal ve doğrusal olmayan şekillerde gösterilmektedir. Şekil 7 de doğrusal olmayan yenilme zarfında sekant isel sürtünme açılarının efektif normal gerilme ile azalımı gösterilmiştir. Pratik kullanım kolaylığı açısından, doğrusal bir rezidüel kayma dayanım zarfı varsayılırsa, Ankara kilinin, 50 ila 900 kpa efektif normal gerilme aralığında, rezidüel kayma dayanımı parametrelerinin c =0 kpa ve =8.7 derece içsel sürtünme açısı olduğu söylenebilir. Numune hazırlama yöntemi Kesme Kutusu şekli Tablo 2 Tekrarlı direk kesme deney sonuçları Kesmedek i normal gerilme σ n (kpa) Konsolide edildiği en yüksek basınç σ p (kpa) w % Kesmeden sonraki su muhtevası Kesme dayanım ı τ r (kpa) Rezidüel duruma ulaşmak için gereken kesme deformasyonu (mm) Rezidüel secant içsel sürtünem açısı φ r sec ( ) Laboratuvarda Daire

6 yoğrulmuş, kayma düzlemi içermeyen Kare Kare Kare Kare Laboratuvarda yoğrulmuş, kayma düzlemi Kare içeren Notlar: * Bütün deneylerde Ankara kilinin aşırı konsolidasyon oranı (OCR) 4 tür. * Bütün deneylerde aynı kesme hızı kullanılmıştır. İleri kesme hızı = mm/dak, Geri hız = mm/dak * Deneylerde Ankara kili numunelerinin hazırlandığı birim ağırlık gr/cm 3. * Deneylerde konsolidasyon sonrası direk kesme kutusunun üst ve alt yarısında yeteri kadar numune kaldığı kontrol edilmiştir (her bir üst ve alt yarıda yaklaşık 6-8 mm numune vardır) Şekil kpa efektif normal gerilme altında tekrarlı direk kesme deneyinden elde edilen kesme gerilmesi ve kümülatif kesme deformasyonu (400 kpa ya konsolide edilmiştir, OCR=4.0). Şekil 6. Ankara kilinin rezidüel yenilme zarfı

7 Şekil 7. Sekant rezidüel içsel sürtünme açısının efektif normal gerilme ile azalımı (doğrusal olmayan yenilme zarfı gösterimi) 4. EMPİRİK İLİŞKİLER İLE KARŞILAŞTIRMA Literatürde rezidüel kayma dayanımı ile kil-dane yüzdesi (CF), likit limit (LL) ve plastisite indisi (PI) gibi zemin indeks özellikleri arasında ilişkiler sunulmuştur (Mesri ve Shahien 2003, Stark vd gibi). Bu çalışmada elde edilen deney sonuçları literatürdeki empirik ilişkiler ile karşılaştırıldığında literatürdeki ilişkiler ile uygunluğu teyid edilmiştir. (a)

8 (b) Şekil 8. Literatürdeki rezidüel içsel sürtünme açıları ile indeks özellikleri arasındaki ilişkilere iki örnek (a) Stark vd. 2005, (b) Mesri ve Shahien (2003). Ayrıca sunulan bu deneysel çalışmadan bağımsız olarak yapılan bir çalışmada, gerçek bir heyelan vakasında geri analizle Ankara kilinin rezidüel kayma dayanımı tespit edilmiş ve burada sunulan deney sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ergun (1993) Ankara- Çayyolu Erdemkent te, Ankara kilinde, yamaç yükseliği yaklaşık 20 m, heyelan uzunluğu yaklaşık 150 m olan bir heyelan vakasını ele almıştır. Ergun (1993) ün gerçekleştirdiği geri analize göre kayma anında zeminin kayma dayanımı parametreleri c =0 kpa ve r = derecedir. Geri analizle bulunan rezidüel içsel sürtünme açısının bu çalışmada tekrarlı direk kesme deneylerinden elde edilen 8.7 derecelik rezidüel içsel sürtünme açısı ile uyumlu olduğu sonucuna varılmaktadır. 4.SONUÇLAR (1) Ankara kilinde yapılan tekrarlı direk kesme deneylerinin sonucuna göre sekant rezidüel içsel sürtünme açıları efektif normal gerilme arttıkça azalmaktadır, bir diğer deyişle yenilme zarfı doğrusal değildir. Bu sonucu katı killerde rezidüel kayma dayanımı ile ilgili literatürde yer alan başka çalışmalar da desteklemektedir (Skempton

9 ve Petley 1967, Bishop vd. 1971, Chandler 1977, Skempton 1985, Mesri ve Shahien 2003). (2) Ankara kilinin, 50 ila 900 kpa efektif normal gerilme aralığında, rezidüel kayma dayanım parametreleri (pratik olması açısından doğrusal bir yenilme zarfı ile ifade edilirse) c =0 kpa ve r =8.7 derece olarak tespit edilmiştir. Bu rezidüel içsel sürtünme açısı Ankara kilinde bir heyelan vakasındaki geri analiz sonucu ile de örtüşmektedir. (3) Tekrarlı direk kesme deneylerinde iki farklı numune hazırlama yöntemi ile (laboratuvarda yoğrulmuş kesme düzlemi içeren ve içermeyen şekilde) hazırlanan numunelerde, 400 kpa efektif normal gerilme altında yapılan deneylerde 7.6 ve 8.6 derece sekant rezidüel içsel sürtünme açıları elde edilmiştir. Literatürde bu iki numune hazırlama metodunun benzer sonuçlar verdiği başka araştırmacılar tarafından da belirtilmiştir (Mesri and Gibala 1972, Tiwari and Marui 2005). Ayrıca sekant rezidüel içsel sürtünme açısı için ±1 derece doğruluk seviyesinin makul olduğu da yine literatürde belirtilmiştir (Skempton 1985, Bromhead and Dixon 1986, Tiwari and Marui 2005, Meehan 2006, Eshraghian 2007). (4) Elde edilen rezidüel içsel sürtünme açısı, literatürde zemin indeks özellikleri ile oluşturulan empirik ilişkiler ile kıyaslanmış ve Ankara kili verisinin empirik ilişkilerle uyumlu olduğu teyid edilmiştir. Katı killerde rezidüel dayanım elde edilirken kaliteli laboratuvar verisi yokluğunda zeminin likit limit, plasitisite indisi ve kil-dane yüzdesi gibi çeşitli indeks özelliklerinden rezidüel içsel sürtünme açısının yaklaşık olarak tahmin edilmesi mümkün olabilmektedir. KAYNAKLAR Bishop, A. W., Green, G. E., Garga, V. K., Andresen, A., and Brown, J. D. (1971). A new ring shear apparatus and its application to the measurement of residual strength. Géotechnique, 21(4), Bromhead, E.N. and Dixon, N. (1986) The field residual strength of London clay and its correlation with laboratory measurements, especially ring shear tests, Technical Note, Geotechnique, p Chandler, R. J. (1977). Back analysis techniques for slope stabilization works: A case record. of translational earth slides in the Thompson River Valley, Ashcroft, British Columbia, Ph.D. Thesis,. Dept. Civil and Env. Eng., University of Alberta, Edmonton, Alberta Géotechnique, 27(4), Ergun, M.U. (1993) Ankara-Cayyolu S.S. Erdemkent Arsa ve Yapı Kooperatifi Heyelan Etüdü, ODTÜ, Döner Sermaye Danışmanlık Raporu. Ergüler, Z.A., Ulusay, R (2003), Engineering characteristics and environmental impacts of the expansive Ankara Clay, and swelling maps for SW and central parts of the Ankara (Turkey) metropolitan area. Environmental Geology. 44: Eshraghian, A. (2007) Hazard analysis of translational earth slides in the Thompson River Valley, Ashcroft, British Columbia, Ph.D. Thesis,. Dept. Civil and Env. Eng., University of Alberta, Edmonton, Alberta Maghsoudloo, A. (2013) Nonlinearity Of The Residual Shear Strength Envelope In Stiff Clays, ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans Tezi. Meehan, C. L. (2006) An Experimental Study of the Dynamic Behavior of Slickensided Slip Surfaces, PhD Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University. Mesri, G., and Cepeda-Diaz, F., (1986). Residual Shear Strength of clays and shales., Geotechnique, 36(2), p

10 Mesri G. and Gibala, R. (1972). Engineering Properties of a Pennsylvanian Shale. in Stability of Rock Slopes, Proc. 13th Symp. On Rock Mech., Urbana, IL, (ed. Cording E.), p Mesri, G., and Shahien, M., (2003). Residual shear strength mobilized in first-time slope failures, J. Geotech. Geoenviron.. Eng., ASCE, v. 123, n. 4, p Ordemir, İ., Soydemir, C. and Birand, A. (1977). Swelling Problems of Ankara Clays. In: 9th Intentional Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Tokyo, Vol.1, Sezer, G. A.; Turkmenoglu, A. G., Gokturk, E. H., (2003), Mineralogical and sorption characteristics of Ankara clay as a landfill liner. Applied Geochemistry, Vol. 18, pp Skempton, A.W. (1964). Long-term stability of clay slopes. Géotechnique, 14(2), Skempton, A. W. (1985). Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory. Géotechnique, 35(1), Skempton, A.W., and Petley, D.J. (1967). The strength along structural discontinuities in stiff clays, Proc. Geotech. Conf., Oslo, 2, Stark, T.D., Choi, H., and McCone, S. (2005) Drained shear strength parameters for analysis of landslides., ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 131(5), p Tiwari, B. Marui, H. (2005). A new method for the correlation of residual shear strength of the soil with mineralogical composition. J. Geotech. Geoenviron. Engng ASCE 131, No. 9,