Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onbeşinci Ulusal Kongresi 16-17 Ekim 014, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara İZMİR KÖRFEZİ DENİZEL ÇÖKELLERİ İÇİN ARAZİ KANATLI KESİCİ (VANE) DENEYİ SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ EVALUATION OF FIELD VANE TEST RESULTS FOR IZMIR BAY MARINE CLAYS Ulaş ÇİLİNGİR 1 Özgür KURUOĞLU Sina KİZİROĞLU 3 A.Gürkan GÜNGÖR 4 ABSTRACT This study presents the results of Field Vane Tests conducted in very soft marine clays in the scope of the Izmir Bay Crossing project and the evaluation of the obtained undrained shear strength versus depth relationships. The raw test results were examined and corrected using correction factors recommended in the literature. This correction resulted in an increase in the correlation coefficient for the undisturbed undrained shear strength versus depth relationship for the undisturbed clays. The results were also examined in terms of the ratio between the undrained shear strength and the effective overburden pressure and compared to the values reported in the literature. Calculations show that the ratio of the undrained shear strength to the effective overburden pressure for the first 11 meters depth is about 0.8 for the normally consolidated marine clays in the project area. ÖZET Bu çalışma çerçevesinde İzmir Körfez Geçişi ve Bağlantıları Projesi kapsamında çok yumuşak killi denizel çökellerde yapılan Arazi Kanatlı Kesici (Vane) Deneyi ölçümleri ve bu ölçümler sonrası elde edilen mukavemet derinlik ilişkisi ile ilgili değerlendirmeler sunulmuştur. Deney sonuçları incelenmiş, elde edilen ham drenajsız kesme mukavemeti literatürde önerilen düzeltme faktörleri kullanılarak düzeltilmiş ve drenajsız kayma mukavemetinin derinlikle değişimi ilişkisine ait korelasyon katsayısı değerlerinde bir artış elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar drenajsız kayma mukavemetinin örtü yüküne oranı açısından da incelenmiş ve değerler literatürde önerilen bağıntılar ile de karşılaştırılmıştır. Proje alanındaki denizel normal konsolide killi çökellerde ilk 11 metrelik kısımda drenajsız 1 Dr. İnşaat Yüksek Mühendisi, Yüksel Proje, ulascilingir@gmail.com Dr. İnşaat Yüksek Mühendisi, Yüksel Proje, ozgurk@yukselproje.com.tr 3 İnşaat Yüksek Mühendisi, Karayolları Genel Müdürlüğü, skiziroglu@kgm.gov.tr 4 İnşaat Yüksek Mühendisi, Karayolları Genel Müdürlüğü, agungor@kgm.gov.tr 163
kayma mukavemetinin örtü yüküne oranı örselenmemiş deney sonuçları incelendiğinde yaklaşık olarak 0.8 olarak hesaplanmıştır. 1. GİRİŞ İzmir Körfez Geçişi ve Bağlantıları Projesi kapsamında, İzmir körfezinin iki yakası arasında ulaşım bütünlüğünün oluşturulması, transit trafiğin ve çevre yerleşimlere ulaşımın mevcut duruma göre daha konforlu, güvenli ve süratli olarak sağlanması amacıyla, Çiğli nin Balçova ya ulaşım ağı ile bağlanması planlanmaktadır. Proje alanı Şekil 1 de gösterilmektedir. MAVİŞEHİR ÇİĞLİ KARŞIYAKA KÖPRÜ YAPAY ADA BATIRMA TÜP TÜNEL NARLIDERE İNCİRALTI ÜÇKUYULAR Şekil 1. Proje Alanı Proje kapsamında güzergah boyunca öngörülen sanat yapıları (köprü, batırma tüp tünel, köprülü kavşaklar, altgeçitler), yapay ada ve dolgu kesitleri ile ilgili jeolojik haritalama, temel sondajları, jeofizik çalışmaları, konik penetrasyon testleri (CPT ve scpt) ile yerinde (in situ) ve laboratuvar deneylerinden kurulu araştırma çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar içerisinde İzmir körfezinde bulunan çok yumuşak killi denizel çökellerin deniz tabanından itibaren yaklaşık 11 metrelik derinlikteki bölümü için çeşitli noktalarda Arazi Kanatlı Kesici (Vane) deneyleri kullanılarak mukavemet ölçümleri yapılmıştır. Bu çalışma çerçevesinde proje kapsamında yapılan Arazi Kanatlı Kesici Deneyi ölçümleri ve bu ölçümler sonrası elde edilen mukavemet derinlik ilişkisi ile ilgili değerlendirmeler sunulmuştur.. İZMİR KÖRFEZİ ALÜVYAL ÇÖKELLERİ İzmir Körfezi ve çevresinde yüzeylenen alüvyal çökeller Pliyosen den beri süregelen tektonik hareketlerin oluşturduğu karasal birimlerin üzerini kaplamıştır. Bu karasal birimler genel olarak kahverengi, aşırı konsolide katı çok katı killerden oluşur ve Kuvaterner yaşlı alüvyon tarafından örtülü bulunur. Alüvyal çökeller genellikle normal konsolide ya da 164
konsolidasyonunu tamamlamamış zeminlerden oluşmaktadır. Akarsuların taşıdıkları malzeme, aşınma artıkları ve kıyının dolması ile oluşan alüvyonlar Bornova ovası, Balçova ve Karşıyaka düzlüklerinde geniş alanlar kaplamaktadır. Kuvaterner yaşlı olan alüvyonlar kil, silt, kum, killi kum, çakıl ve killi çakıllardan ibarettir. Karasal orijinli killerin altında andezit kökenli taban kayası uzanmaktadır. Kalınlığı değişken olan alüvyal birikintiler, Bornova ovasının ortalarında 100 m dolayındadır ve körfeze doğru artış göstermektedir. Çiğli AOSB bölgelerinde önceki dönemde yapılan sondajların sonuçlarına göre taban kayasının zemin yüzeyinden derinliği 00 70 metre civarında değişmekte, Mavişehir çevresinde yapılan etütlerde 300 metreden daha derinde, Balçova Kipa yakınlarında açılan sondajlarda 60 70 metre, DEÜ İnciraltı deniz bilimleri enstitüsü civarında 135 metreden daha derindedir. Diğer taraftan İzmir körfezinde izlenen denizel alüvyonlar esas olarak yumuşak çok yumuşak kil ve bu birim içerisindeki kum mercek ile seviyelerinden oluşur. Yapılan Arazi Kanatlı Kesici deneyleri bu birimlerin deniz tabanından itibaren ilk 11 metrelik kısmında gerçekleştirilmiştir. 3. ARAZİ KANATLI KESİCİ (VANE) DENEYİ Arazi Kanatlı Kesici Deneyi daha çok kum, çakıl ve deniz kabuğu içermeyen çok yumuşakorta katı killi zeminlerde drenajsız kayma mukavemetini yerinde belirlemek amacıyla yapılır. Deney dört bıçaklı kanat şeklindeki çelik plakaların zemin içerisine batırılması ve düşey ekseni etrafında dönmesi prensibine dayanır. Büyük çaplı kanatlı kesiciler daha çok yumuşak killi zeminlerde, küçük çaplı olanlar ise orta katı killi zeminlerde kullanılır. Bu deney sonucunda, kohezyonlu zeminler içine sokularak döndürülen kanatlı kesicinin kanatlarına zeminin yaptığı direnç kanatlı kesicinin bağlı olduğu tije uygulanan tork değeri ölçülerek belirlenir. ASTM D573 94 (1996) standardı Arazi Kanatlı Kesici Deneyi ile ilgili deney prosedürleri ve deney sonuçlarının değerlendirilmesi ile ilgili detayları belirtmiştir. Buna göre kuyu tabanına kadar muhafaza borusu sürülür ve kuyu iyice temizlenir. Daha sonra kanatlı kesici, kuyu çapının en az 5 katı kadar kuyu tabanı altındaki killi zemine kanatlı kesici döndürülmeden, yavaşça ve sabit hızla (max. cm/sn) batırılır. Deney seviyesi kanatlı kesicinin orta noktası olarak referanslandırılmalıdır. Deneye başlamadan önce -5 dk beklenir. Kanatlı kesiciye tork anahtarı vasıtasıyla 6-1 /dakika yı (Çok yumuşak killerde 30 /dk.) geçmeyecek şekilde sabit oranda tork uygulanır. Kanatlı kesicinin dönmesi esnasında referans seviye mutlaka korunmalıdır. Maksimum tork elde edildiğinde bu değer örselenmemiş zemine ait en büyük. tork değeri olarak kaydedilir. Maksimum tork örselenmemiş zeminin kırılmasına kadar elde edilen en üst tork değeridir. Ayrıca zeminin kırılma süresi (Kanatlı kesiciye ilk tork uygulanması ile maksimum tork değeri elde edilmesi arasındaki geçen süre) kaydedilir. Örselenmemiş zemine ait max. tork değeri ile beraber zemin kırılmış olur ve zeminde yoğrulmayı başlatmak amacıyla kanatlı kesici hızlı şekilde (yaklaşık 10 kez) döndürülür. Tork değeri artmaya başladığında yoğrulma safhası başlamış olacaktır ve bu işlemden sonra kanatlı kesiciye 6-1 /dakika yı (Çok yumuşak killerde 30 /dk.) geçmeyecek şekilde ve sabit olarak tork uygulanır ve yoğrulmuş zemin için en büyük tork değeri elde edilir. Eğer deney farklı derinliklerde yapılacak ise deney aralıkları minimum 50 cm olmalıdır. Elde edilen tork değerleri kanatlı kesici tipi ve boyutuna göre yine ASTM D573 de belirtilen formüller kullanılarak drenajsız kayma mukavemeti (c fv ) değerlerine çevirilebilir. 165
Bu formüller, kanatlı kesicinin etrafında silindirik bir kayma yüzeyi oluştuğu kabulüyle türetilmiştir. 4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Proje kapsamında İzmir körfezinde bulunan çok yumuşak killi çökellerde yapılan Arazi Kanatlı Kesici Deneyleri sonucu çeşitli derinlikler için örselenmemiş ham drenajsız kayma mukavemetleri değerleri (c fv ) ve bu değerlere ait eğilim çizgileri belirlenmiş ve elde edilen ham değerler Şekil de sunulmuştur. c fv (kpa) 0 Derinlik (m) 4 6 8 y = 0.3609x R² = 0.8587 Örselenmemiş Ham Değerler Lineer (Örselenmemiş Ham Değerler) 10 1 0.00 5.00 10.00 15.00 0.00 5.00 30.00 Şekil. Örselenmemiş Ham Drenajsız Kayma Mukavemeti Değerleri (Arazi Kanatlı Kesici Deneyi sonuçları) Şekil den de görüleceği üzere örselenmemiş drenajsız mukavemet değerleri derinlikle artış göstermektedir. Drenajsız kayma mukavemeti değerleri için grafikte (0,0) noktasından geçen eğilim çizgisi ve korelasyon katsayısı (R ) değeri de gösterilmiştir. Korelasyon katsayısı değeri kayma mukavemetinin derinlikle değişimi için 0.8587 olarak belirlenmiştir. Yukarıda verilen değerler ham değer olup Kanatlı Kesme (Vane) Deneyi için literatürde önerilen düzeltme faktörü değerleri kullanılmamıştır. EUROCODE 7 (004) Arazi Kanatlı Kesme Deneyi sonuçlarına uygulanmak üzere bir dizi düzeltme faktörü değeri önermiştir. Önerilen bu düzeltme faktörü değerleri dolguların stabilite geri analizleri kullanılarak bulunan drenajsız kayma mukavemeti değerleri ile, yine aynı dolgularda gerçekleştirilen Arazi Kanatlı Kesici Deneyi sonuçlarının karşılaştırılması sonucu bulunmuştur. EUROCODE 7 (004) de önerilen düzeltme faktörleri likit limit ve plastisite indisine bağlı değişkenler olarak sunulmaktadır. Bu düzeltme faktörleri kullanılarak arazideki drenajsız kayma mukavemetleri aşağıdaki gibi hesaplanabilir: Burada, Drenajsız kayma mukavemeti, c u = μ x c fv (1) 166
c u : düzeltilmiş drenajsız kayma mukavemeti değeri (kpa) μ: düzeltme faktörü c fv : Arazi Kanatlı Kesici Deney i kullanılarak bulunmuş ham drenajsız kayma mukavemeti değeri (kpa). olarak tarif edilmiştir. Bu çalışmada, EUROCODE 7 içerisinde önerilen normal konsolide killer için düzeltme faktörü veren Hansbo (1957), Larsson vd. (1984) ve Aas vd. (1986) e ait çalışmalar kullanılmıştır. Hansbo (1957) düzeltme faktörünü likit limit ve efektif örtü yüküne bağlı olarak Bağıntı () deki gibi vermiştir: Burada, Düzeltme faktörü, μ = (0.43/w L ) (c fv /(0.58 w L σ v0 )) 0.15 () w L : Likit Limit (ondalık cinsinden) σ v0 : Efektif örtü yükü (kpa) olarak tarif edilmiştir. Larsson vd. (1984) düzeltme faktörü likit limit ilişkisini Şekil 3 deki eğri ile ifade etmiştir. Correlation Factor, μ 1. 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 c u = µ c fv 0.5 µ 1. 0.4 0 0 40 60 80 100 10 140 160 180 00 Liquid Limit, w L Şekil 3. Arazi Kanatlı Kesici Deneyi Normal Konsolide Killer İçin Likit Limit - Düzeltme Faktörü Eğrisi (Larsson vd., 1984) Aas vd. (1986) ise düzeltme faktörü ham drenajsız kayma mukavemetinin efektif örtü yüküne oranı (c fv /σ v0 ) ilişkisini normal konsolide killer için Şekil 4 deki bir numaralı eğri ile ifade etmiştir. 167
1.4 1 1. μ 1 0.8 0.6 0.4 0. 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 Key c fv / σ v0 1 normally consolidated (NC) over-consolidated (OC) Şekil 4. Arazi Kanatlı Kesici Deneyi Normal Ve Aşırı Konsolide Killer İçin Düzeltme Faktörü Eğrileri (Aas vd., 1986) Şekil 5 de yukarıda verilen düzeltme faktörleri uygulanan örselenmemiş drenajsız mukavemet değerleri gösterilmektedir. Düzeltme faktörleri için ihtiyaç duyulan likit limit değerleri Arazi Kanatlı Kesici Deneylerinin yapıldığı kuyulardan alınan örnekler kullanılak belirlenmiştir. Düzeltilmiş drenajsız kayma mukavemeti - derinlik değerlerine ait her bir çalışma için grafikte (0,0) noktasından geçen eğilim çizgileri ve korelasyon katsayısı (R ) değerleri de gösterilmiştir. Bu değerler göz önüne alındığında Aas vd. (1986) tarafından önerilen düzeltme faktörü değerleri uygulandığında örselenmemiş drenajsız kayma mukavemeti değerlerine ait korelasyon katsayısında bir artış elde edildiği görülmektedir. Literatürde normal konsolide killerde drenajsız kayma mukavemetinin derinlikle artışını tarif eden bir çok bağıntı mevcuttur. Bu bağıntılar çoğunlukla kayma mukavemetinin efektif örtü yüküne oranını (c u /σ v0 ) tarif eder. Bu çalışma içerisinde sahadan elde edilen ve Aas vd. (1986) tarafından tarif edilen düzeltme faktörleri ile düzeltilmiş Arazi Kanatlı Kesici Deneyi verileri ile normal konsolide killer için kayma mukavemetinin efektif örtü yüküne oranını (c u /σ v0 ) NC tarif eden üç bağıntı karşılaştırılmıştır. Bunlardan ilki Skempton ve Henkel (1953) tarafından önerilen aşağıdaki bağıntıdır: (c u /σ v0 ) NC = 0.11 + 0.37 PI (3) Bağıntı (3) de plastisite indisi PI ondalık cinsinden ifade edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan ikinci bağıntı ise Bjerrum ve Simons (1960) tarafından aşağıdaki gibi verilmiştir: (c u /σ v0 ) NC = 0.11 + (I L ) 1/ I L > 0.50 (4) Bağıntı (4) de likidite indisi, I L ondalık cinsinden ifade edilmiştir. 168
c u (kpa) 0 Derinlik (m) 4 6 8 y = 0.3883x R² = 0.8045 Düzeltilmiş Değerler (Hansbo,1957) Lineer (Hansbo,1957) 10 1 0.00 5.00 10.00 15.00 0.00 5.00 30.00 (a) c u (kpa) 0 Derinlik (m) 4 6 8 y = 0.385x R² = 0.8714 Düzeltilmiş Değerler (Larsson vd.,1984) Lineer (Larsson vd.,1984) 10 1 0.00 5.00 10.00 15.00 0.00 5.00 30.00 (b) c u (kpa) 0 Derinlik (m) 4 6 8 y = 0.509x R² = 0.950 Düzeltilmiş Değerler (Aas vd.,1986) Lineer (Aas vd.,1986) 10 1 0.00 5.00 10.00 15.00 0.00 5.00 (c) Şekil 5. (a) Hansbo (1957), (b) Larsson vd. (1984), (c) Aas vd. (1986) Kullanılarak Düzeltilmiş Drenajsız Kayma Mukavemeti Değerleri 169
Bu çalışmada kullanılan son bağıntı ise Karlsson ve Viberg (1967) tarafından aşağıdaki gibi verilmiştir: (c u /σ v0 ) NC = 0.5 w L w L > 0.0 (5) Bağıntı (5) de likit limit, w L ondalık cinsinden ifade edilmiştir. Arazi Kanatlı Kesici Deneyi ile elde edilen ve Aas vd. (1986) tarafından önerilen düzeltme faktörleri ile düzeltilen drenajsız kayma mukavemeti ile yukarıda tarif edilen üç çalışma karşılaştırılmıştır ve sonuçlar drenajsız kayma mukavemetinin örtü yüküne oranı (c u /σ v0 ) için Çizelge 1 de özetlenmiştir. Görüleceği üzere Karlsson ve Viberg (1967) tarafından verilen bağıntı düzeltilmiş saha verilerine en yakın sonucu vermektedir. Çizelge 1. Düzeltilmiş Arazi Kanatlı Kesici Deneyi Sonuçlarına Göre Drenajsız Kayma Mukavemetinin Örtü Yüküne Oranı (c u /σ v0 ) Deney / Metod (c u /σ v0 ) NC Saha Verileri 0.8 (Aas vd., 1986 kullanılarak düzeltilmiş) Skempton ve Henkel (1953) 0.0 Bjerrum ve Simons (1960) 0.18 Karlsson ve Viberg (1967) 0.5 4. SONUÇLAR Bu çalışma çerçevesinde İzmir Körfez Geçişi ve Bağlantıları Projesi kapsamında çok yumuşak denizel kil özelliğindeki İzmir Körfezi çökellerinde yapılan Arazi Kanatlı Kesici Deneyi ölçümleri ve bu ölçümler sonrası elde edilen mukavemet derinlik ilişkisi ile ilgili değerlendirmeler sunulmuştur. Bu değerlendirmeler sonucunda konvansiyonel saha deneylerinin yapılmasının mümkün olmadığı, kum, çakıl ve deniz kabuğu içermeyen çok yumuşak-orta katı killi ve sığ denizel çökellerde Arazi Kanatlı Kesici Deneyi nin yapım kolaylığı ve deney süreleri ele alındığında iyi bir alternatif sunduğu belirlenmiştir. Deney sonuçları incelendiğinde, elde edilen ham drenajsız kesme mukavemeti değerinin mutlak surette uygun bir düzeltme faktörü ile düzeltilmesi önerilmektedir. Bu çalışma çerçevesinde Hansbo (1957), Larsson vd. (1984) ve Aas vd. (1986) tarafından önerilen düzeltme faktörleri kullanılmış ve Aas vd. (1986) bağıntısı kullanıldığında örselenmemiş drenajsız kayma mukavemetinin derinlikle değişimi ilişkisine ait korelasyon katsayısı değerlerinde bir artış elde edildiği saptanmıştır. Elde edilen sonuçlar drenajsız kayma mukavemetinin örtü yüküne oranı (c u /σ v0 ) açısından da incelenmiş ve değerler Skempton ve Henkel (1953), Bjerrum ve Simons (1960) ve Karlsson ve Viberg (1967) tarafından önerilen bağıntılar ile karşılaştırılmıştır. Proje alanındaki denizel normal konsolide killi çökellerde deniz tabanından itibaren ilk 11 metrelik kısımda drenajsız kayma mukavemetinin örtü yüküne oranı (c u /σ v0 ) düzeltilmiş deney sonuçları incelendiğinde yaklaşık olarak 0.8 olarak hesaplanmıştır. Yukarıda bahsi geçen çalışmalar ise bu değeri 0.18 ile 0.5 arasında vermektedir. 170
KAYNAKLAR Aas, G., Lacasse, S., Lunne ve T., Höeg, K. (1986), Use of In-Situ Tests for Foundation Design on Clay, ASCE Geotechnical Special Publication 6 ASTM (1996), Standard Test Method for Field Vane Shear Test in Cohesive Soil (ASTM D573-94), Annual Book of ASTM Standards, Vol. 04.08. Bjerrum, L. ve Simons, N.E. (1960), Comparison of Shear Strength Characteristics of Normally Consolidated Clays, 1st PSC, ASCE, pp. 15-7 EN1997-1 (004), Eurocode 7: Geotechnical design Part 1: General Rules, Comité Européen de Normalisation Hansbo, S. (1957), A New Approach to the Determination of the Shear Strength of Clay by the Fall-Cone Test, Royal Swedish Geotechnical Institute, Proc. No.14 Karlsson, R. ve Viberg, L. (1967), Ratio c/p in Relation to Liquid Limit and Plasticity Index with Special Reference to Swedish Clays, Proc. Geotechnical Conference, Oslo, Norway, Vol.1, pp. 43-47 Larsson, R., Bergdahl, U. ve Erikson, L. (1984), Evaluation of Shear Strength in Cohesive Soils with Special References to Swedish Practice and Experience, Swedish Geotechnical Institute, Information No.3, 3 pp. Skempton, A.W. ve Henkel, D.J. (1953), The Post-Glacial Clays of the Thames Estuary at Tilbury and Shellhaven, 3rd ICSMFE, Vol.1, pp. 30-308 171