Zemin Sınıflandırması Ders Notları

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması

Bir baraj yerinde açılacak olan çevirme tünelinde yapılan sondajlarda gnays kesilmiştir. Tünel çapı 5 metre olarak planlanmıştır. Gnaysda RQD %80, tek eksenli basma dayanımı 125 MPa bulunmuştur. Süreksizlik çalışmalarına göre; orta derecede eklem seti sayısı 3, eklem duvarları sert, az ayrışmış, pürüzlü-düzensiz ve dalgalı olup eklemler arasındaki açıklık (ayrılma) 1.0 mm’den azdır.

Hakim eklem takımı tünel eksenine paralel olup, eğimi 55° dir Ortalama eklem aralığı 320 mm’dir. Tünelin her 10 metresine gelen su miktarı 80 l/dk olarak tespit edilmiş olup, yaklaşık su basıncı 0.45 MPa’dır. Eklem boşluklarında dolgu malzemesi olarak yumuşayabilen ve şişebilen kil gözlenmiştir. Killi malzemenin su gelimi esnasında yer yer yıkanarak uzaklaştığı tespit edilmiştir. Gnaysta gerilme orta derecede olup, uygun gerilme koşullarını sağlamaktadır.

Bu verilere göre, granit için RMR ve Q kaya kütlesi sınıflamalarını yaparak; gerekli destek sistemini Q’ya göre öneriniz. Tünelin desteksiz olarak ayakta durabilmesi için en büyük açıklık kaç metre olmalıdır? Tünelin kazı genişliğinin 7.5 m olması durumunda uygulanacak olan kaya bulonu uzunluğu (L)’nu hesaplayınız.

KAYA KÜTLE SINIFLAMALARI

Kaya kütlesi kavramı bir bütün olarak ele alındığında, kayaç, sağlam kaya (taş) ve süreksizlikleri ifade etmektedir. Bu birimlerin fiziksel ve jeomekanik özellikleri birbirinden farklı olup, kütlenin genel davranışını etkilemektedir. Hemen her türlü kaya mühendisliği ile ilgili yapıda kütlenin sınıflandırılması, projelendirme, tasarım ve gerekirse iyileştirme açısından önemlidir.

a. Taş (sağlam kaya-intact rock)

Kaya kütlesi içinde herhangi bir süreksizlik tarafından kesilmemiş en küçük kaya parçasıdır. Dayanımı kaya ve süreksizliklerden fazladır.

b. Kaya (Rock)

Sağlam ve zayıf kaya parçaları, bloklar ve bozunmuş/ayrışmış kaya olarak tanımlanabilir. Kütlenin genel davranışı da bu birimlerin birbirlerine göre olan davranışları ile temsil edilir.

c. Süreksizlik (Discontinuity)

Jeolojik anlamda farklı fiziksel ortamları birbirinden ayıran zayıflık düzlemlerinin (fay, tabaka düzlemi, şistozite, folyasyon, klivaj, vs.) genel adıdır. Süreksizliklerin özellikleri, konumları ve dağılımları kaya kütlesi davranışını önemli derecede etkiler. Kütle içindeki süreksizliklerin tanımlanmasında; süreksizliklerin türü, aralığı, açıklığı, sıklığı, yüzeylerin durumu, devamlılığı, dolgu durumu, ayrışma ve su durumu gibi bir çok etken rol oynar. Arazide yapılan hat, pencere vb gibi çalışmalar yanında sondaj verileri de kapsamlı olarak incelenmelidir. Sondajdan alınan karot örneklerinin tanımlanması ve jeoteknik loglama yapılması sırasında kullanılan kavramlar aşağıda kısaca açıklanmıştır.

– Kaya Kalite Göstergesi (RQD-Rock Quality Designation)

Kaya kütlesi tanımlamalarında sıklıkla kullanılan bir girdi olup, ilk olarak (Deere, 1964) tarafından geliştirilmiştir. RQD (%), sondajda boyu 10 cm’den fazla olan sağlam karotların toplam uzunluğunun kademe ilerlemesine oranı olarak tanımlanmıştır (Şekil 1). RQD’ye dayalı kaya kalitesi sınıflaması Çizelge 1’de verilmiştir.

RQD, %	Kaya kalitesi
0-25	A : Çok düşük
25-50	B : Düşük
50-75	C : Orta
75-90	D : İyi
90-100	E : Çok iyi

Çizelge 1. RQD kaya kalite sınıflaması (Deere, 1964)

Şekil 1. RQD tanımı ve hesaplanması (Deere, 1964)

-Tek Eksenli Basma Dayanımı

Bir çok sınıflamada girdi olarak kullanılır. Sondaj karotlarından boy/çap oranı 2-2.5 olacak şekilde üst ve altı düzeltilerek hazırlanan örneklerde deney yapılarak tek eksenli basma dayanımı (σc) elde edilir. Deney yapılamayan durumlarda nokta yük indeksi değerinden de faydalanılabilir. Çizelge 2’de sınıflama ve tanımlar verilmiştir (Deere&Miller, 1966)

Sınıf	σc (kg/cm²)	Tanım
A	>2000	Çok yüksek dirençli
B	1000-2000	Yüksek dirençli
C	500-1000	Orta dirençli
D	250-500	Düşük dirençli
E	<500	Çok düşük dirençli

Çizelge 2. Tek eksenli basma dayanımına göre sınıflandırma

SINIFLAMA SİSTEMLERİ

1. Kaya Kütlesi Oranı (RMR-Rock Mass Rating)

Jeomekanik kaya kütle sınıflaması olarak da bilinen sistem, ilk defa Bienawski (1973) tarafından geliştirilmiş ve 1974, 1979 ve son olarak da 1989’da değişikliklere uğramıştır. Sistemin uygulanmasında, proje alanındaki kaya kütlesi yapısal alt birimlere ayrılır ve birimle ayrı değerlendirilir. Çizelge 3, 4, 5, 6 ve 7’de sınıflamada kullanılan değişkenlerin sınır değerleri ve tanımlamaları verilmiştir. Kaya kütlesinde hesaplanan RMR puanı ve kazı açıklığına göre tünel desteksiz ayakta kalma süresi ilişkisi Şekil 2’de verilmiştir. Düz tavanlı yeraltı açıklıklarında destek basıncını hesaplamak için aşağıdaki eşitlik önerilmiştir (Unal, 1983)

pv = [(100-RMR)/100].γ.B (B-tünel genişliği, γ-kayacın birim ağırlığı) (2)

Çizelge 3. Sınıflama değişkenleri ve puanlamalarıSınıflandırma hesabı zor gibi görünüyor olsada oldukça kolaydir. Hesaplama “Kaya dayanımı (mpa) puanı + RQD (rock quality desingnation) puanı + süreksizlik aralığı puanı (sp=spacing of discontinuities) + süreksizlik durumu puanı (CD=condition of discontinuities) + yeraltı suyu durumu puanı (GW=graundwater)” şeklinde yapılır ancak unal 1983 bu hesaplamaya ek olarak çizelge 4, 5, de gösterilen düzeltmeleri de puanlamaya ekleyerek puan düzeltmeleinde bulunmuştur.

Doğrultu tünel eksenine dik				Doğrultu tünel eksenine paralel		Eğim 0°-20° arasında (doğrultudan bağımsız)
Eğim yönünde ilerleme		Eğime karşı ilerleme
Eğim 45°-90°	Eğim 20°-45°	Eğim 45°-90°	Eğim 20°-45°	Eğim 45°-90°	Eğim 45°-90°
Çok uygun	Uygun	Orta	Uygun değil	Uygun değil	Hiç uygun değil	Orta
0	-2	-5	-10	-10	-12	-5

Çizelge 4. Tünellerde Süreksizlik durumunun etkisi

Doğrultu, eğim		Çok uygun	Uygun	Orta	Uygun değil	Hiç uygun değil
Puan	Tünel	0	-2	-5	-10	-12
	Temel	0	-2	-7	-15	-25
	Şev	0	-5	-25	-50	-60

Çizelge 5. Süreksizlik durumuna göre düzeltme

Elde edilen puan çizelge 6 da sınıf değerini belirlemektedir. Bu sınıf değeri ise çizelge 7 de kaya kütlesi sınırlarının ne anlama geldiğini belirtmektedir. Ancak bu tanım dışında hesaplanan RMR puanı ve kazı açıklığına göre tünel desteksiz ayakta kalma süresi ilişkisi Şekil 2’de verilmiştir.

Sınıf	I	II	III	IV	V
Tanım	Çok iyi kaya	İyi kaya	Orta kaya	Zayıf kaya	Çok zayıf kaya
Puan	100 ←81	80 ←61	60 ←41	40 ←21	< 20

Çizelge 6. Kaya sınıf ve puanları

Sınıf	I	II	III	IV	V
İksasızgöçmeden durma süresi	15 m açıklık için 10 yıl	8 m açıklık için 6 ay	5 m açıklık için 1 hafta	2.5 m açıklık için 10 saat	0.1 m açıklık için 30 dk
Kaya kütlesi kohezyonu	>400 kPa	300-400 kPa	250-300 kPa	100-200 kPa	<100 kPa
Kaya kütlesi,φ	<45	35-45	25-35	15-25	<15

Çizelge 7. Kaya kütle sınırlarının anlamları

Şekil 2.RMR puanına göre tavan açıklığı ve desteksiz ayakta kalma süresi

3. Q (NGI) Kaya Kütle Sınıflaması

Q sistemi Norveç Jeoteknik Enstitüsü’nde Barton vd (1974) tarafından geliştirilmiştir. İskandinavya’da yaklaşık 200 ayrı tünel çalışmaları sonucunda oluşturulan sistem niceliksel olup, iksa tasarımına yöneliktir. 1993 ve 2002 yılında değişikliklere uğramıştır.

        bağıntısı ile hesaplanmaktadır. (3)

 

RQD : Kaya kalite göstergesi

Jn : Eklem takımı sayısı

Jr : Eklem pürüzlülük durumu

Ja : Eklem ayrışma durumu

Jw : Eklemde su azaltma faktörü

SRF : Gerilme indirgeme faktörü olarak tanımlanmıştır.

ESR : Çizelge 8 veya eşdeğer çap formülünden)

B  : Tünel genişliği

 

Eşitlikteki ilk ifade;

1. (RQD/Jn) blok boyutu,
   

2. (Jr/Ja) eklem yüzeyleri ve dolgunun sürtünme ve pürüzlülüğü,
   

3. (Jw/SRF) ise etken gerilme koşullarının ifadesidir.
   

 

Q sınıflama sisteminde kullanılan kavramlar aşağıda verilmiştir. Sistemde tanımlanan değişkenler ve puanlamaları Çizelge 9,10, 11, 12,13 ve 14’de verilmiştir.

• Eşdeğer çap, De=2.(Q0.4) = B/ESR                         (4)
  

• Kazı destek oranı, ESR (Çizelge 8 veya eşdeğer çap formülünden)
  

• Kaya bulonu uzunluğu, L=2+0.15 (B/ESR)                 (5)
  

• RMR = 9.lnQ+44 bağıntısı ile sınıflamalar arasında geçiş yapılabilir.    (6)
  

Kazı tipi	ESR
Geçici maden kazıları	3-5
Düşey bacalar i. Düşey kesitli ii. Kare/daire kesitli	2.5 2.0
Kalıcı maden kazıları, hidroelektrik amaçlı su tünelleri (çok yüksek basınçlı olanlar hariç), pilot tüneller, geniş kazılarda giriş galerileri, vs.	1.6
Depolama odaları, su arıtma tesisleri, yol ve demiryolu tünelleri, yaklaşım ve dalga tünelleri	1.3
Depolama açıklıkları, güç istasyonları, giriş, kesişme, sığınak, vs	1.0
Nükleer yeraltı santralleri, demiryolu istasyonları, fabrika ve halka açık tesisler, spor tesisleri	0.8

Çizelge 8. Kazı destek oranı değerleri (Barton, et al. 1974)

1.Kaya tanımı	RQD,%	Notlar
A: Çok düşük	0-25	1. 0<RQD<10 olursa hesaplamada pratik olrak 10 alınır
B: Düşük	25-50
C: Orta	50-75
D: İyi	75-90
E: Çok iyi	90-100

Çizelge 9. RQD değer aralıkları ve puanları

2. Eklem takımı sayısı	Jn	Notlar
A: Masif hiç veya birkaç eklem	0.5-1.0	Kesişmede (3 x Jn) Portalda (2 x Jn) alınır.
B: Bir eklem takımı	2
C: Bir eklem takımı, düzensiz eklemler	3
D: İki eklem takımı	4
E: İki eklem takımı, düzensiz eklemler	6
F: Üç eklem takımı	9
G: Üç eklem takımı, düzensiz eklemler	12
H: Dört veya fazla eklem takımı, düzensiz çok eklemli	15
J: Tamamen ufalanmış kaya, zemin gibi	20

Çizelge 10.Eklem takımı sayısı puanları ve tanımları

3. Eklem pürüzlülüğü	Jr	Notlar
(a) Eklem yüzeyleri temasta veya		Ortalama eklem aralığı 3m’den fazla ise değerlere 1 eklenmelidir Makaslama izleri olan düzlemsel cilalı eklemlerde Jr değeri 1.5 alınabilir
(b) Temasın 10 cm’den az bir makaslama ile   sağlanması
A: Süreksiz eklemler	4
B: Dalgalı-pürüzlü	3
C: Dalgalı-düz	2
D: Dalgalı-cilalı	1.5
E: Düzlemsel-pürüzlü	1.5
F Düzlemsel-düz	1.0
G: Düzlemsel-cilalı	0.5
(c) Makaslamada duvarla temas yok
H: Kaya duvarı temasını önleyecek kalınlıkta kil   mineralli zon	1.0
I: Kaya duvarı temasını önleyecek kalınlıkta   kumlu, çakıllı veya ezilme zonu	1.0

Çizelge 11. Eklem pürüzlülüğü sayısı puanları ve tanımları

Not : Dalgalı, düzlemsel tanımları eklemin en az 2m’lik uzunluğu boyunca olan genel yapısını; pürüzlü, düz, cilalı kavramları yüzeyi daha küçük ölçekte tanıml

4. Eklem ayrışma sayısı	Ja	Yaklaşık φ (°)
(a) Kaya yüzeyi ile temasta (mineral dolgu yok, sadece sıvama)
A: Temas yüzeyi sert dolgu halinde	0.75	–
B: Eklem cidarı ayrışmamış, yüzeysel lekeler var	1.0	25-35
C: Eklem cidarları az ayrışmış, yumuşamayan tipte kumlu   parçacıklar, kilsiz ayrışmış kaya, vb	2.0	25-30
D: Siltli ve kumlu, killi sıvama, az miktarda yumuşamayan tipte   killi malzeme	3.0	20-25
E: Yumuşayabilen, düşük sürtünmeli kil mineralli sıvama, kaolinit,   talk, grafit vb az miktarda şişen kil (sıvama süreksiz, kalınlığı 1-2 mm’ den az olunca)	4.0	8-10
(b) Temas 10 cm bir makaslama ile sağlanması(ince mineral dolgu)
F: Kumlu parçalar, kilsiz ayrışmış kaya vb	4.0	25-30
G: Yüksek derecede aşırı konsolide yumuşamayan tip kil mineralli   dolgu (5 mm’den ince, sürekli)	6.0	16-24
H: Orta veya az derecede aşırı konsolide kil, yumuşamayan tip kil   mineralli dolgu (5 mm’den ince, sürekli)	8.0	12-16
J: Şişen killi dolgu, montmorillonit vb   (5 mm’den ince, sürekli), Ja, şişen malzeme yüzdesine göre ve temas şartlarına göre değişir	8.0-12.0	6-12
(c) Makaslamada duvarla temas yok
K: Ayrışmış veya ezilmiş	6.0	–
L: Bölgeler, bantlar veya ufalanmış kaya veye kil	8.0	–
M: G,H ve J maddelerine bakınız	8.0-12.0	6-24
N: Siltli veya kumlu kil, az miktarda ince taneli malzeme, bölgesel   veya bant şeklinde	5.0	–
O: Kalın, sürekli kil bölgeleri veya bantları (kil için)	10.0-13.0	6-24
P: G,H ve J maddelerine bakınız	13.0-20.0	6-24

Çizelge 12. Eklem ayrışma sayısı puanları ve tanımları

5. Eklem suyu indirgeme faktörü	Jw	Su basıncı, MPa
A: Kuru kazı veya çok az su gelimi, (örn. 5.0 l/dk)	1.0	<0.1
B: Orta derecede su gelimi, eklem dolgularında yıkanma	0.66	0.1-0.25
C: Sağlam kayada fazla su gelimi ve basıncı, dolgusuz eklemler	0.5	0.25-1.0
D: Fazla su gelimi ve basıncı, dolgularda belirgin yıkanma	0.33	0.25-1.0
E: Patlama aşamasında fazla su gelimi ve basıncı, zamanla   azalacak şekilde	0.2-0.1	>1.0
F: Patlama aşamasında fazla su gelimi ve basıncı, zamanla   azalma yok	0.1-0.05	>1.0

Çizelge 13. Eklem suyu indirgeme faktörü puanları ve tanımları

Not : C ve F maddeleri genel yaklaşımlar olup, drenaj önlemleri varsa Jw artıtılmalıdır

6. Gerilme azatma faktörü	SRF
(a) Tünel kazısı sırasında kaya kütlesinde gevşeme oluşturabilecek   ve kazıyı kesen zayıflık zonları
A: Kimyasal olarak parçalanmış veya killi zon oluşumları, çok zayıf   çevre kayası (herhangi bir derinlikte)	10
B: Kimyasal olarak parçalanmış veya killi tek zayıflık zonu içeren   kaya ( kazı derinliği <50m)	5
C: Kimyasal olarak parçalanmış veya killi tek zayıflık zonu içeren   kaya ( kazı derinliği >50m)	2.5
D: Sağlam kayada birçok makaslama zonu, zayıf çevre kayası   (herhangi bir derinlikte)	7.5
E: Sağlam kayada tek makaslama zonu, (kazı derinliği >50m)	5.0
F: Sağlam kayada tek makaslama zonu, (kazı derinliği >50m)	2.5
G: Gevşek, açık eklemler, yoğun eklemli (herhangi bir derinlikte)	5.0
(b )Sağlam kaya, kayada gerilme problemleri		σc/σ1	σθ/σc
H: Düşük gerilme, yüzeye yakın, açık eklemli	2.5	>200	<0.01
J: Orta gerilme, gerilme koşulları elverişli	1.0	200-10	0.01-0.3
K: Yüksek oranda gerilme, çok yakın yapı. Tünel duvarlarının   stabilitesinde problemli olabilir	0.5-2.0	10-5	0.3-0.4
L: Masif kayada 1 saat içinde orta derecede dilimlenme	5-50	5-3	0.5-0.65
M: Masif kayada birkaç dakika içinde kaya patlaması ve   dilimlenme	50-200	3-2	0.65-1.0
N: Sağlam kayada yamulma şeklinde kaya patlaması ve ani dinamik deformasyon	200-400	<2	>1.0
(c)Sıkışan kaya: Yüksek gerilme altında yumuşayan kayanın plastik   deformasyonu
O: Orta derecede sıkıştıran kaya basıncı	5-10		1-5
P: Yüksek derecede sıkıştıran kaya basıncı	10-20		>5
(d) Şişen kaya: Su içeriğine bağlı olarak kimyasal şişme
R: Düşük kaya basıncında şişme	5-10
S: Yüksek kaya basıncında şişme	10-15

Çizelge 14. Gerilme azaltma faktörü puanları ve tanımları

Not : Etken makaslama zonları kazıyla kesişmezse SRF değerleri %25-50 azaltılır. 5≤σ1/σ3≤10 ise, 0.75σc , σ1/σ3>10 ise 0.5σc kadar değer azaltılır. Tünelde tavan derinliği genişlikten az ise SRF 2.5’den 5’e artırılmalıdır. Kazı etkisinden kurtularak genelleştirme yapılabilmesi için SRF = 5, 2.5, 1.0 ve 0.5 değerlerinin artan derinlikle paralel kullanılması önerilir (örn. 0-5, 5-25, 25-250, >250 m)

Şekil 3. Tüneller ve yeraltı açıklıkları için kalıcı destek ve güçlendirme sistemlerini tespit için Q- destek grafiği (Grimstad,1993 modifiye hali)

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 3

Soru. 10 metre yüksekliğinde ve 60° eğimli bir yol yarması açılacaktır. Yarmanın yapılacağı birim içerisinde yola paralel 46° yola doğru eğimli tabakalanmalar mevcuttur. Tabakalanma yüzeylerinin laboratuvar deneylerinde kohezyonu 34.5 kPa, içsel sürtünme açısı 41° ve yoğunluğu 2800 kg/m3 olarak bulunmuştur. Bu verilere göre;

1. Gerilme çatlağının olmadığı ve yeraltı su seviyesinin yol seviyesi altında bulunduğu durumda kayma yüzeyinin güvenlik sayısını hesaplayınız.
   

1. Yol yarması açılırken patlayıcı kullanıldığı için kohezyonun sıfır olduğunu kabul ederek kayma düzleminin güvenlik sayısını hesaplayınız.
   

2. Kohezyon sıfır iken güvenlik sayısını 1.5’a çıkarmak için gerekli kaya civatası dayanımını hesaplayınız. 1 metrelik kalınlık için kaç adet civata gereklidir (Kaya civataları çelikten yapılmış olup, en kesit alanı 6.5 cm2′ dir. Çeliğin kayma dayanımı 350 MPa’dır. Civatalar tabakalanma yüzeyine dik yerleştirilmiş ve gerdirme yoktur).
   

3. Kaya civatalarının 70 MPa’a gerdirilmesi halinde güvenlik sayısını hesaplayınız.
   

4. Şev tepe noktasının 1.5 m gerisinde bulunan ve 2/3′ si suyla dolu olan bir gerilme çatlağının bulunması durumunda diğer şıklarda istenenleri hesaplayınız.
   

Şekil 4. Düzlemsel kayma ve şeve etki eden kuvvetler (Hoek&Bray, 1977)

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 4

KİNEMATİK ANALİZ

Kinematik kelimesi, kütlelerin kendilerine uygulanan kuvvetlerden bağımsız olarak hareketlerini kapsar. Çok zayıf dayanımlı bile olsa bazı kazılarda kaya kütlelerinin dengede olduğu (veya tersi) görülebilmektedir. Süreksizliklerin konumlarının belirlenmesi mühendislik jelojisinde kaya kütlesi sınıflaması, şev ve tünellerde stabilite gibi konularda önemli rol oynamaktadır. Jeolojik incelemelerde süreksizliklerin doğrultu (strike) ve eğimleri (dip) tercih edilirken, jeoteknik çalışmalarda veri toplamada kolaylık olması açısından eğim/ eğim yönü (dip/dip direction) kavramları kullanılır. Süreksizlik düzleminin yatay düzlemle yaptığı açı eğim, kuzey ile eğim çizgisinin yatay izdüşümü arasındaki açı ise eğim yönü olarak tanımlanır. Ölçümde jeolog pusulasından farklı olarak cocla tipi pusula kullanılır. Doğrultu ve eğimin birbirlerine dik olmasından yola çıkarak aralarında dönüşüm yapmak mümkündür. Eğim derecesi 0°-89° arasında değişirken eğim yönü ise 0°-359° arasında değişir. Kinematik analizde düzlemlerin üç boyuttaki konumu küresel izdüşüm ile iki boyutlu olarak gösterilebilir. Kürenin altyarısında yapılan izdüşümlerde (lower hemisphere) düzlemler yay şeklini alır. Düzleme dik olacak şekilde merkez doğrusu ile (KG) küre yüzeyinin kesişme noktası “Kutup noktası (pole)” olarak adlandırılır. Uygulamada 2° aralıklı eş-alan stereoneti kullanılır (Şekil 5). Çok fazla sayıda alınan eğim veya doğrultu ölçümlerinin değerlendirilmesinde stereonet üzerinde kontur diyagramları hazırlanır. Bu sayede, hakim süreksizliklerin konumları ve büyük daireleri hakkında bilgi elde edilmiş olur. Şev stabilitesi incelenmesi, yeraltı açıklıklarında kama oluşumu gibi konularda bilgisayar programları da kullanılarak (Dips, Swegde, vs.) uygulama ve yorum yapma imkanı vardır.

Şekil 5. Schmidt eş-alan stereoneti (2° aralıklı)

Stereonet Uygulamaları

(a) Eğim / Eğim yönü (dip/dip direction) verilen bir süreksizliğin stereonet üzerindeki konumu, kutup noktasını bulunması ve büyük dairesinin çizilmesi

(b) İki süreksizlik düzleminin kesişmesi, kesişme noktasının gidişi (trend) ve dalımı (plunge)

(c) İki kutup noktası arasındaki açının bulunması

Şekil 6. Stereonet üzerinde süreksizliklerin gösterilişi

ŞEV STABİLİTESİNDE KİNEMATİK ANALİZ

a. Düzlemsel kayma

Şev eğiminin süreksizlik eğiminden büyük, süreksizliğin eğimini de içsel sürtünme açısından büyük olduğu durumda kinematik olarak düzlemsel kayma oluşur.

Şekil 7. Farklı şev yenilmeleri ve kinematik ifadeleri

DIPS 2.2 PROGRAMI ÇALIŞTIRMA VE UYGULAMA

1. Temel İşlemler

DIPS programı jeolojik verilerin oryantasyona dayalı analizi için geliştirilmiş bir programdır. Özellikle stereonet üzerinde yapılan yapısal uygulamaların stereografik izdüşümlerinin bilgisayarda yapılabilmesine olanak vermektedir. Bunun yanında, kalitatif ve kantitatif oryantasyon hesaplamaları ve istatistiki uygulamalar ile kaya kütlesi yapısının mühendislik analizi, süreksizliklere bağlı şev stabilite analizi, sondaj kuyusu verisinin analizinin yapılması mümkündür. (Dips Plotting, Analysis and Presentation of Structural Data Using Spherical Projection Techniques User’s Guide,1989 – 2002 Rocscience Inc.). Programın ilk hali dos ortamında hazırlanmış olup, Dips 3.0 versiyonu ile upgrade edilmiştir. Son versiyonu olan Dips 5.1. ise windows tabanlı çalışmaktadır ve daha detaylı uygulamalar içerir.

2. Programın çalıştırılması

-Programın bulunduğu klasör içinde “.dip” uzantılı text dosyası oluşturulur. Text dosyasında ilk paragraftaki “header” kısmı proje bilgileri içerir.

-“dips.exe” dosyası çalıştırılır.

-Açılan pencereden “basic-B” veya “advanced-A” seçilir. “Basic” versiyonunda süreksizliklerin konumları, kutup noktaları ve hakim düzlemlerin konumları belirlenebilir, “Advanced” versiyonunda ise bunların yanında kontur ve plot dağılımlarının Terzaghi düzeltmesi, sondaj kuyusu süreksizlik verisinin işlenmesi, histogram oluşturma, dosyayı kaydetme ve autocad (.dxf) olarak export seçenekleri bulunur.

3. Programın çalıştırılması

– Files, enter

– Load data file, enter

– jem302-uyg, enter

– Açılan pencerede dosyadaki hazır header bilgisi görüntülenir

– Compute (seçilmeden işlem yapılamaz)

– Scatter veya pole plot ile kutup noktalarının konumu görüntülenir

– Esc

– Contour plot ile kontur diyagramı oluşturulur, istenilirse line plot ile çizgisel görüntü elde edilir.

– Locate pole ile kutup noktalarının yoğun olduğu bölgeye ait düzlem çizdirilir

– Id ve label(etiket) adı verilerek hakim süreksizlik seti özelleştirilir

– Hard copy ile çıktı için nihai görüntü elde edilir.

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 5

Soru. Şekilde geometrisi verilen şev ve kayma dairesi ve su tablasının konumunu da göz önüne alarak, şev için kaymaya karşı emniyet katsayısını Bishop metodu ile hesaplayınız. (c =12 kN/m², φ = 24°, γn = 18,0 kN/m³, γd = 19,0 kN/m³)

DİLİM METODU İLE EMNİYET KATSAYISININ HESAPLANMASI
Dilim No	b (m)	hd (m)	hn (m)	W (kN)	α (derece)	b/cos α (A)	W.cos α	u (kPa)	u.A	(W.cos α)-(u.A)	W.sin α
1	3,0	0,8	–	45,60	-25	3,31	41,33	7,85	25,98	15,35	-19,27
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Σ

 

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 6

Standart Penetrasyon Testi (SPT)

SPT (ASTM D1586), arazide yapılan dinamik bir penetrasyon deneyidir. İnce taneli zeminlerde dayanım parametrelerine (kohezyon, içsel sürtünme açısı), iri tanelilerde ise zeminin izafi sıkılığına bağlıdır. Deney için kullanılan alete “penetrometre” denir. İki ucu açık, boylamasına iki yarım parçaya ayrılabilen silindirik çelik bir tüptür. Bu parçalar alt ucundan bir çarıkla, üst ucundan da birbirine ve tije bir halka ile vidalanarak bağlanır (Şekil 8). Tüpün iç çapı 35.5 mm, dış çapı 50.8 mm, toplam ağırlığı 6.81 kg, uzunluğu ise 81.3 cm dir. Tüp ile zemin içinde, 760 mm lik standart yükseklikten 65.0 kg lık şahmerdan (tokmak) serbest düşme ile bırakılarak ilerleme sağlanır. Tüpün zemine her 15.0 cm girmesi için gereken vuruş sayısı kaydedilir. Toplam 45.0 cm ilerleme yapılır. İlk 15.0 cm deki okuma oturma kademesi olarak alınır ve son iki kademedeki (30.0cm) toplam darbe sayısı zeminin penetrometre direnci (Nf) olarak alınır.

SPT değerlerinin düzeltilmesi

a. Derinlik düzeltmesi Skempton (1986), derinlik düzeltmesi için aşağıdaki bağıntıyı önermiştir.

N_cor = N_f x C_N

 

(σv′ : Düşey efektif gerilme kPa, kg/cm²)

eşitliği kullanılarak ham spt verisi düzeltilir.

b. İnce taneli zeminlerde yeraltı su seviyesine göre düzeltme YASS altında çok ince taneli bir zemine ait SPT Nf değeri 15 den büyük ise zeminin izafi sıkılığı vuruş sayısı (N′′) olan bir zeminin izafi sıkılığına eşit kabul edilmelidir.

 

(Terzaghi, 1948)

Ncor : Derinliğe göre düzeltilmiş vuruş sayısı

N′′ : Yeraltı su seviyesine göre düzeltilmiş vuruş sayısı

Şekil 8. Standart penetrasyon deney düzeneği

SPT N	Sıkılık (İri)	SPT N	Kıvam (İnce)
0-4	Çok gevşek	2	Çok yumuşak
4-10	Gevşek	2-4	Yumuşak
10-30	Orta sıkı	4-8	Orta sert
30-50	Sıkı	8-15	Sert
>50	Çok sıkı	15-30	Çok sert
		>30	Katı

Çizelge 15. SPT N’e göre ince tanelilerde kıvam ve iri tanelilerde sıkılık değerleri

Şekil 9. SPT N-izafi sıkılık ilişkisi

Soru. Kumlu bir zeminde yapılan 5 metrelik deneme sondajında yapılan Standart Penetrasyon Testi’nde 4,5-4,95 m arasında 10/12/24 darbe adetleri elde edilmiştir. Zeminin doğal birim ağırlığı 18 kN/m3,doygun birim ağırlığı 19 kN/m3 olup, yeraltı suyu seviyesi 2,5 m’ dir (ST üstü doğal halde). Bu verilere göre, bu deneyde elde edilecek düzeltilmiş nihai darbe direncini hesaplayarak, zeminin sıkılığı ve relatif sıkılığı hakkında bilgi veriniz (Zemin profilini çiziniz, ölçeksiz)

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 7

Soru.

Bir lugeon basınçlı su deneyinde 95-100 metrelik deney zonunda deneme yapılmış olup, manometrenin kuyu ağzından yüksekliği 2 metredir. a) Kuyu yeraltı suyu seviyesine ulaşmamıştır b) Yeraltı suyu seviyesi kuyu ağzından 28 metre derindedir

Manometrik

Basınç

Pm (kg/cm2)

Deney
Süresi, Dakika

Su Kaçağı

(Litre)

Statik Yük

Yük

Kaybı

Gerçek BasınçEmilme
Katsayısı2

10

200

      4

10

300

      6

10

400

      8

10

600

      10

10

800

      8

10

650

      6

10

500

      4

10

350

 

2

10

250

 

 

*Yük kaybı saptamasında 42×3000 m/m lik 100 m. uzunluğundaki tij eğrisinden yararlanınız.

Pm=Manometrede okunan basınç (atm)

H=Yeraltısuyundan manometreye kadar olan mesafe (metre)

H′=Yeraltısuyu olmadığı takdirde deney zonunun ortasından manometreye kadar olan mesafe (metre) PC = Manometre ile deney zonu arasındaki lastikte, tijlerde, bağlantı yerlerinde, vanalarda, manometreden sonraki borularda meydana gelen yük kaybı.

Peff = Deney zonundaki hakiki basınç.

 

Lugeon değerlerine kayaçların geçirimliliği aşaüıdaki şekilde sınıflandırılır.

1 Lugeon’dan az         Geçirimsiz

1-5 Lugeon             Az geçirimli

5-25 Lugeon             Geçirimli

25 Lugeon’dan fazla     Çok geçirimli

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 8

1. Yukarıdaki şekilde A’da verilen beton barajın serbest cisim diyagramını çiziniz (Ölçek 1/200)
   

    

2. Hidrostatik kuvvetler etkisi ile “a” noktası etrafında dönme meydana gelir mi, irdeleyiniz. Devrilmeye karşı güvenlik sayısını hesaplayınız.
   

3. Baraj gövdesi ile temel arasındaki sürtünme katsayısı 0,3 alındığında sürtünme kuvvetinin gövdenin kaymasını engelleyecek büyüklükte olup olmadığını tartışarak güvenlik sayısını hesaplayınız.
   

4. Baraj gövdesine olası bir depremde amax = 200 gal (0,2 g) büyüklükte yatay yer ivmesi etki etmesi durumunda a noktasında devrilmeye karşı güvenlik sayısını hesaplayınız.
   

5. İlk 4 maddede istenenleri “B” deki baraj gövdesi için hesaplayınız.
   

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 9

Soru. Kalınlığı 30 m olan serbest bir akiferde aralarında 50 m bulunan iki pompaj kuyusunda aynı anda 144 m3/saat’lik debi ile pompaj yapılmaktadır. Kuyuların çapı 0,36 m, su tablsı derinliği 4,0 m, akiferin depolam gücü %2,0 ve iletimliliği 3,5.10-3 m2/s olduğuna göre tranzituar şartlar devam ederken 24 saat pompaj sonucu kuyularda ve bu kuyulardan 5, 10, 20, 50, 100, 120 ve 150 metre uzaklıkta düşümleri hesaplayarak oluşacak nihai düşüm konisini çiziniz (Yatay ölçek: 1/1000, Düşey ölçek 1/200).

r (m)	∆ (m)
0,18	12,59
5,0	6,55
10,0	5,29
20,0	4,03
50,0	2,37
100,0	1,11
120,0	0,78
150,0	0,37

t = 24 saat (86400 s)

Q = 144 m³/saat

H= 30 m

x = 50 m

2r = 0,36 m

S = %2

T = 3,5.10^-3m²/s

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 10

 

    tan γ = tan α .sin β

    γ : Görünür eğim açısı

    α : Gerçek eğim açısı

    β : Doğrultu

1.Düzlem : Tünel eksenine dik doğrultudaki düşey düzlem

2.Düzlem : Tünel ekseni ile β açısı yapan düşey düzlem

3.Düzlem : Tünel eksenine dik doğrultuda, tünel açılış yönünde α açısıyla eğimli düzlem

4.Düzlem : Tünel ekseni ile β1 açısı yapan, tünel açılış yönüne α1 eğimli düzlem

Soru : K30D doğrultusunda GB’ ya doğru açılmakta olan bir tünelin tabanı 10m, yan duvarları ise 8m’dir. Tünel açılış yönünde tespit edilen birimler, süreksizlikler ve düzlemlerin konumları aşağıda verilmiştir. 52 m uzunluklu tünelin 1/200 ölçekli kesitini çizerek düzlemleri gösteriniz.

Sağ girişten uzaklık	Birim	Doğrultu / Eğim
0-4 m	Marn	K38B / 60 KD
4. metre	Normal fay	K60B / 63 KD
4-24 m	Kireçtaşı	K75D / 45 KB
18. metre	Karstik boşluk (1 m)	K82D / 90
24. metre	Ters fay	K29B / 70 GB
24-42 m	Şist
	Tabakalanma	K49B / 54 KD
	Şistozite	K63D / 75 GD
42. metre	Dokanak	K49B / 54 KD
42-52 m	Granit	–
50. metre	Diyabaz dike	K71B / 65 GB

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 11

Mühendislik Jeolojisi Uygulaması – 12

Soru : Aşağıdaki çizelgede herhangi bir bölgeden alınan 31 yıllık süredeki deprem büyüklükleri ve oluşum sayıları verilmiştir.

1. Bölgenin Gutenberg-Richter bağıntısını elde ediniz
   
2. M= 6.0, 7.0 ve 8.0 depremlerin tekerrür (tekrarlanma) aralıklarını hesaplayınız
   
3. 25, 50 ve 100 yıllık tekerrür aralıklarına karşılık gelen deprem büyüklüklerini hesaplayınız.
   

Büyüklük aralığı	Oluşum sayısı	Kümülatif oluşum sayısı	Yıllık kümülatif oluşum sayısı
2.0-2.2	877
2.2-2.4	345
2.4-2.6	742
2.6-2.8	2339
2.8-3.0	1434
3.0-3.2	2792
3.2-3.4	1301
3.4-3.6	1549
3.6-3.8	676
3.8-4.0	514
4.0-4.2	830
4.2-4.4	287
4.4-4.6	366
4.6-4.8	140
4.8-5.0	67
5.0-5.2	99
5.2-5.4	35
5.4-5.6	41
5.6-5.8	16
5.8-6.0	11
6.0-6.2	14
6.2-6.4	5
6.4-6.6	6
6.6-6.8	0
6.8-7.0	3
7.0-7.2	1
7.2-7.4	1
7.4-7.6	0
7.6-7.8	1

KAYNAKLAR

ASTM D1586-99 1988. Standard Test Method for Penetration Test and Split-Barrel Sampling of Soils. American Society for Testing and Materials (ASTM), Soil and Rock, Building stones.Section 4, V. 04,08

Barton, N., Lien, R. and Lunde, J., 1974. Engineering classification of rock masses for the design of rock support. Rock Mechanics 6, 1974, pp. 189-236.

Bieniawski, Z.T., 1973. Engineering classification of jointed rock masses. Trans. S. Africa Instn. Civ. Engrs., Vol. 15, No 12, Dec. 1973, pp 335 – 344.

Bieniawski, Z.T., 1974. Geomechanics classification of rock masses and its application in tunneling. Proc. Third Int. Congress on Rock Mechanics, ISRM, Denver 1974, pp.27-32

Bieniawski Z.T., 1976. Rock mass classifications in rock engineering. Proceedings Symposium on Exploration for Rock Engineering; ed. Z.T. Bieniawski A.A. Balkema, Rotterdam, pp. 97-106.

Bieniawski Z.T., 1989. Engineering rock mass classifications. John Wiley & Sons, New York, 251p.

Bishop, A., W., 1955. The use of slip circle in the stability analysis of earth slopes. Geotechnique, 5(1), 7-17.

Deere D.U., 1964. Technical description of rock cores for engineering purposes. Felsmechanik und Ingenieurgeologie, 1, 16-22.

Grimstad E. and Barton N., 1993. Updating the Q-system for NMT. Proc. Int. Symp. on Sprayed Concrete, Fagernes, Norway, 1993. Norwegian Concrete Association, Oslo, 20 pp.

Hoek, E. And Bray, J.W., 1977. Rock slope engineering. The Institution of Mining and Metallurgy, London.

ISRM (International Society for Rock Mechanics), 1981. Rock characterisation, Testing and Monitoring. ISRM Suggested Methods. Pergamon Press, Oxford, E.T. Brown (ed), 2119.

Lugeon,M., 1933. Barrages et Geologie, methods de recherces terrasement et unpermeabilisation. Litraire des Université.

Ünal, E., 1983. Design guidelines and roof control standarts for coal mine roofs. PhD. Thesis, Pennsylvania State University, University Park, 355 pp.