yamaÇ duraylilik analİzİnde parametre seÇİmİ · [2] srbulov, m. (2008) “simplified analysis...

YAMAÇ DURAYLILIK ANALİZİNDE

PARAMETRE SEÇİMİ

CHOICE OF PARAMETERS FOR SLOPE STABILITY ANALYSES

Ersin AREL*1 Akın ÖNALP

2 İlhan Burak DURAN

3

ABSTRACT

The geotechnical engineer has the possibility of analysing slope stability using scores of

commercially available software on the subject. The user-friendly programs even allow the

engineer to use probability based approaches to execute sensitivity analyses. Engineers are

nowadays observed to be running analyses using total or effective stress approach routinely

without regard to the proper parameters for the slope in question. However, it is now known

that variability in the values of parameters used in those analyses can even override the other

important factor of pore pressures acting on the system. The main problem in the process

appears to be estimating the adequate parameters (cr, r) for the slope in question by selecting

peak, fully softened or residual parameters.

This paper gives an account of the investigation carried out on the clays of the European part of

Istanbul where frequent slope instability problems arise. Shearbox (DS) and Bromhead type

ring shear apparatus (TS) have been employed to test undisturbed and reconstituted samples to

gain an insight into the choice of parameters to be used in stability calculations.

Keywords: Clays, progressive failure, shear strength parameters, slope stability analyses.

ÖZET

Günümüzde yaygın olarak kullanılmakta olan zeminde heyelan/şev duraylılığı analiz

yazılımları kullanıcı dostu olup, birkaçı olasılık bazlı (duyarlılık) hesap yapılabilmesine dahi

olanak sağlamaktadır. Uygulamacılar da bu yazılımları standart laboratuvar verilerinden

yararlanarak seçtikleri c- ve c'-' değerleri ile rahatça kullanmaktadırlar.

Duraylılık analizlerinde en önemli öğe toplam ve efektif analizlere esas olan zemin

parametreleridir. Bunların değerlerindeki değişimler, sonuçlarda diğer önemli etken olan

boşluk suyu basıncı parametresindeki farklılıklara çoğunlukla baskın gelmektedir.

İkinci ve değerlendirmesi daha zor olan değişken, olası kayma yüzeyi boyunca uyanacak

direncin analizde hangi kesimlerde doruk, yumuşamış ve kalıntı düzeyde olacağının tahmin

*1Yrd.Doç.Dr. İstanbul Kültür Üniversitesi, [email protected] (Yazışma yapılacak yazar) 2Prof.Dr. İstanbul Kültür Üniversitesi, [email protected] 3İnşaat Yük.Müh., İstanbul Kültür Üniversitesi, [email protected]

825

7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul

edilmesidir. Örneğin, daha önce hareket etmiş bir arazide şev stabilitesinde parametre seçimi

boşluk suyu basıncının tahmini kadar zor bir tahmin olmaktadır.

Bu bildiride, Istanbul bölgesinde içinde ciddi kitle hareketlerinin oluştuğu Güngören üyesi

killerin doruk, yumuşamış ve kalıntı kayma dirençleri arasındaki bağıntıyı ortaya çıkarmak

üzere kesme kutusu, üç eksenli hücre ve Bromhead halka kesme aletlerinden elde edilen

parametreler karşılaştırılarak zeminin fiziksel özelliklerden türetilen ampirik korelasyonlar ile

birlikte değerlendirilmiştir. Deneyler; örselenmemiş, yoğrulmuş ve yeniden oluşturulmuş

numunelerde yürütülmüştür. Anahtar kelimeler: Heyelan, duraylılık analizi, ilerleyen yenilme, kayma direnci

parametreleri, kil.

1. KİTLE HAREKETLERİNDE PARAMETRELER

Zeminde oluşan heyelanlarda önemli etkenler ortamda etkiyen boşluk suyu basınçları yanında,

“uyanan” kayma direnci parametreleridir. Özellikle henüz oluşmamış heyelanlarda geçmişte

zeminin kayma direnci konsolidasyonlu-drenajsız (CIU) ya da drenajlı (CID) üç eksenli hücre

deneyinde ölçülerek toplam ve efektif gerilme analizine yönelik c- ve c'-' değerlerinin

ölçümü ile yetinilmiştir. Bu doruk değerler deneyde erişilen kısıtlı kesme hareketlerine ()

karşılık geldiğinden sonraları aşırı yüksek güvenlik katsayıları verdikleri anlaşılmıştı. Buradan

yamaç/şevde ilk kez ve ikinci kez kayma durumlarında bu parametrelerde önemli değişiklikler

olacağı anlaşılmıştır (Önalp ve Arel, 2004). Şekil 1’de zeminin iki farklı normal gerilmede (1,

2) davranışı gösterilmektedir.

Şekil 1. Kayma gerilmesi alan zeminde uyanan dirençler (Srbulov, 2008)

Doruk dirençlerle çizilen kırılma doğrusu yüksek c ve değerleri gösterirken buraya kısıtlı

kayma birim deformasyonu veya kayma hareketi u ile erişilmektedir. Kayma hareketlerinin

artması ile doruk değeri aşıldığında kayma yüzeyinde türbülanslı akım koşulları egemen

olmakta ve bu aşamaya ‘yumuşamış’ (fully softened) direnç denmektedir. Kayma direnci açısı

'doruk değere yakınsa da c' değerinde ciddi düşüş belirmektedir. Kesmeye uzun süre,

metrelerce, devam edilecek olursa kırılma doğrusunun eğimi düştüğü gibi ekseninde c’nin

belirmediği ya da çok düşük değerler aldığı gözlemlenecektir. Bu evrede ‘kalıntı’ dirence

ulaşılmış olmaktadır. Şimdi kayma yüzeyinde kil pulcuklarının paralel konuma gelmesi ile

laminer akım koşullarına gelindiği, bu nedenle “kohezyon” bileşeninin sıfır olması gerekeceği

söylenebilir.

n

1

2

r

doruk yumuşamış kalıntı

826


2. LABORATUVAR ÖLÇÜMLERİ VE ARAZİ KOŞULLARI

Şekil 2’de bir potansiyel kayma yüzeyi boyunca gelişen farklı kayma hareketleri sonucunda

zeminin topuktan başlayarak doruk, yumuşamış ve kalıntı direncinin uyanmış olması

gerekeceği görülmektedir. Bazı araştırmacılar bunun, zeminin o derinliğinde değişen normal

gerilmeden kaynaklanmış olacağını, bu nedenle karmaşık ilerleyen (progressive) yenilme

hesabı yapmak yerine yüzeyi birden fazla bölgeye ayırarak buralarda farklı zemin parametreleri

kullanmanın daha gerçekçi olacağı görüşünü savunmaktadırlar.

Şekil 2. Kayma yüzeyi boyunca direncin değişmesi

Daha basit hesaplama amaçları için ise, limit gerilme analizlerinde kayma yüzeyi boyunca

kalıntı r değerini kullanan projecilerin sayısının da az olmadığı söylenebilir. Bu durumda aşırı

güvenilir çözümlere ulaşılmaktadır.

Literatürde son yıllarda sıkça ele alınan bu konuda değişkenlerin kayma yüzeyinde etkiyen

normal gerilme yanında kilin mineralojik özelliği, ince/kil yüzdesi ve kıvamı olduğu

belirlenmiştir.

Yüksek plastisiteli killerde yapılan incelemelerde likit limit’in No.40 elekten geçen bölümde

yapılmasını öngören ASTM/TS deneyi ile ölçülmesi durumunda kilin gereğince öğütülememesi

sonucu kalıntı parametre değerinin gerçekten farklı olacağı görüldüğünden deneyin, kilin

değirmende öğütüldükten sonra No.200 elekten geçirilerek yapılması önerilmiştir.

Normal gerilmenin karakteristik değer olan n=100kPa’da tutularak likit limiti wL=50

dolayında olan killerde r ölçümü yapıldığında oldukça büyük veri tabanının analizinde kalıntı

parametre,

4 2 6 3

r L L L

L

30.7 0.2504w 4.2053 10 w 8.047910 w

10.04 0.0183w

olarak formüle edilmiştir (Stark ve Hussain, 2013).

Likit limit standarda uygun olarak -No.40 numunede ölçülmüş ise, bunun -No.200 sonucuna

dönüştürülmesi,

LNo.200LNo40

LNo.40

w0.03w 1.23

w

ile yapılacaktır (Stark ve Hussain, 2013).

827


Genel eğilimin tersine, Japon Şartnamesinde heyelan analizinde kullanılacak kalıntı c değerinin

sıfır alınmayıp,

r ortc z (kPa)

olarak değerlendirilmesi önerilmiştir. Burada zort, olası kayma yüzeyinin yamaç başından

ortalama derinliğini göstermektedir (Tiwari ve diğ., 2004).

Aşırı konsolide killerde yapılacak analizde yumuşamış (fully softened) parametrelerin kullanımı

tercih ediliyor ise aynı kilin normal yüklenmiş durumdaki kayma direncine eşit alınması

önerilmektedir.

3. GÜNGÖREN KİLİNİN ÖZELLİKLERİ

Değerlendirilmesi yapılan kil (CH) Esenyurt İlçesinden ve 50m derinlikten alınmış olup likit

limiti 76, plastik limiti 28, plastisite indisi 48 dolayında ölçülmüştür. %90’ından fazlası No.200

elek altına geçmekte, kil içeriği %50-60 arasında değişmektedir (Şekil 3). Bu şekilden pipet ve

hidrometre ölçümlerinin farklı sonuçlar verdiği görülebilir. Bu fark hidrometrenin her

daldırılışı sırasında oluşan türbülanstan kaynaklanmaktadır. Numune öncelikle çabuk (TX-UU)

ve konsolidasyonlu drenajsız (TX-CIU) üç eksenli hücre kesme deneylerine tabi tutulmuş,

karakteristik parametreleri drenajsız durumda cu= 150kPa, konsolidasyonlu drenajsız da

c=60kPa, =20° ve c'=30kPa, '=28° olarak ölçülmüştür.

Şekil 3. Güngören kilinin dane dağılımı (a) pipet (b) hidrometre analizi

Daha sonra kesme kutusunda (DS) örselenmemiş durumda konsolidasyonlu drenajlı deneye

tabi tutulmuş, TS1900/2006 uyarınca kalıntı parametreleri de ölçülmüştür. İkinci aşamada

numune likit limitin yaklaşık 1.5 katı su muhtevasında yoğrulduktan sonra 100x200mm boyutta

saydam plastik silindir içinde 100kPa’a anizotrop koşulda konsolide edilerek yine kesme

kutusunda denenmiştir. Üçüncü aşamada ise kil numunesi No.200 elekten yıkanarak alta geçen

bölümü yine 100 kPa’a konsolide edilmiştir. Bu numuneye de drenajsız kesme kutusu (DS-CU)

deneyi uygulanmıştır (Şekil 4). Deneylerde doruk aşıldıktan sonra, örneğin 5mm kayma

hareketi sonrası, yumuşamış dirence ulaştığı görülmektedir.

0

20

40

60

80

100

0,001 0,01 0,1 1

% Geçen

Dane boyutu D (mm)

0

20

40

60

80

100

0,001 0,01 0,1 1 D (mm)

828


Şekil 4. Tipik Konsolidasyonlu-Drenajsız Kesme Kutusu Eğrileri

Bu sırada yoğrulmuş numuneler ASTM D6467 ve D7608 uyarınca Torshear halka kesme

aletinde (TS) de DS eşdeğeri gerilmelerde kesilmiştir. TS deneyinde ölçülen kayma gerilmesi-

kesme hareketi (u) eğrileri DS deneyindekilerden önemli biçim farklılığı göstermiştir (Şekil

5). Bu farkın sadece deneylerdeki u değerleri arasındaki uçurumdan değil, numune

boyutlarından da kaynaklanmış olabileceği olasılığı yüksektir. Zira TS deneyinin yüksekliği

sadece 5mm iken DS’te numune kalınlığı 25mm’ye kadar yükselmektedir. Deneylerde alınan

sonuçlar Tablo 1’de özetlenmektedir.

Şekil 5. Torshear (TS) aletinde kayma direnci eğrileri

Tablo 1. CH Güngören Kilinin Parametreleri

STATÜ kN/m3 wn

(%) e0

mm

c (kPa)

(°)

cyum

(kPa) yum

(°)

cr

(kPa) r

(°)

crT

(kPa) rT

(°)

doğal 16.86 35 1.13 1.89 0 26 0 1

0

Bulamaç (-No40) 16.74 41 1.24 1.09 40 14 1 1

9

1 2

Bulamaç (-No200) 14.61 68 2.07 2.34 6 11 3 7 0 1

0

1 3

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Kay

ma

Ger

ilmes

i (

kPa)

Kayma hareketi u (mm)

50kPa

100kPa

(kPa)

u(mm)

n (kPa)

n

829


Buradan, tam drenajlı koşullarda TS deneyinde elde edilen parametrelerin (crT,rT) beklendiği

gibi c değerini sıfıra yakın verdiği görülmekle birlikte, rT’nin aşırı düşük olması dikkat

çekmektedir. Öte yanda Stark ve Hussain’in önerileri gözönüne alınacak olursa r’nin, standart

deneyden yaklaşık 9, -No.200 deneyden 15 dolayında çıkması gerekecekti. Nitekim

uygulamada kalıntı dirençlerin halka kesme ile ölçümü tercih edilmekte (Mesri ve Huvaj, 2012)

ancak buna 3°lik bir ekleme yapılmaktadır.

4. SONUÇLAR

Yapılmış deneysel çalışmada, Esenyurt kilinin kalıntı kayma direnci parametresi halka kesme

aletinde 3° dolayında ölçülmüştür. Standart uygulama olan kesme kutusunda ise aynı açının 19° ye kadar çıkması çelişkiyi bir kez daha gözler önüne sermiştir.

Heyelan hesaplarında, özellikle geriye analizlerde, parametre seçimi geoteknik mühendisinin

günümüzde de tam başarı ile gerçekleştiremediği bir problem olarak durmaktadır. Bunun en

önemli nedeni geoteknikte varolan birçok belirsizliklerin bu özel konuda daha da fazla

olmasıdır. Yazarların yapmış oldukları çok sayıda laboratuvar çalışmasından deneyimi,

standartlarda istenen kesme kutusu (DS) deneyindeki 5 ileri - 5 geri hareketi izleyerek kalıntı

parametre ölçümünün bir üst limit, halka kesme (TS) deneyinden gelen parametrelerin ise alt

limit olarak benimsenmesi yolundadır. Likit limiti 50 ve büyük olan killerde cr’nin sıfıra yakın

alınması da gerçekçi bir kabul olacaktır. Bu konuda başarı için, olasılık kavramlarının

gözönüne alınması artık gözardı edilemeyecek bir çalışma alanı olarak ortaya çıkmıştır.

KAYNAKLAR

[1] Önalp, A. ve Arel, E. (2004) “Geoteknik Bilgisi II:Yamaç ve Şevlerin Mühendisliği”, 414

sayfa, Birsen Yayınevi.

[2] Srbulov, M. (2008) “Simplified Analysis with Case Studies and Examples in Geotechnical

Earthquake Engineering” Vol. 9, 244 pages, Springer.

[3] Stark, T.D. and Hussain, M.(2013) “Empirical correlations-drained shear strength for slope

stability analysis” Journal Geotech.&Geoenv.Eng., ASCE, 139:6:853-862.

[4] Tiwari, B., Brandon, T.L., Marui, H., Tuladhar, G.R. (2004) “Comparison of residual shear

strengths from back analysis and ring shear tests on undisturbed and remolded

specimens”, Journal Geotech.&Geoenv.Eng. ASCE, 131:9:1071-1079.

[5] Mesri, G. and Huvaj, N. (2012) “Residual shear strength measured by laboratory tests and

mobilised in landslides”, Journal Geotech.&Geoenv.Eng., ASCE, 138:5:585-593.

830


yamaÇ duraylilik analİzİnde parametre seÇİmİ · [2] srbulov, m. (2008) “simplified analysis...

Documents