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