Şev Stabilitesi ve Heyelanlar

Şev stabilitesi, bir şev veya yamacın toprak ve kaya malzemelerinin aşağı doğru hareketine veya çökmesine direnme kabiliyetini ifade eder. Heyelanlar mülk ve altyapıda önemli hasara, can kaybına ve çevresel etkilere neden olabilen yaygın bir eğim kaymasıdır. Şev stabilitesi ve heyelanlar, Jeoloji Mühendisliği ve jeoteknik mühendisliği, özellikle yollar, köprüler ve binalar gibi altyapı projelerinin planlanması, tasarımı ve inşasında.

Mevcut jeolojik malzemelerin türü, şev eğimi ve bakısı, yeraltı suyunun varlığı ve doğal ve insan kaynaklı erozyonun etkileri dahil olmak üzere çeşitli faktörler şev duraysızlığına ve heyelanlara katkıda bulunabilir. Şev duraysızlığının bazı yaygın nedenleri şunlardır: deprem, şiddetli yağış veya kar erimesi, toprak nem içeriğindeki değişiklikler ve kazı veya inşaat faaliyetleri nedeniyle bir şev tabanındaki desteğin kaldırılması.

Jeologlar ve mühendisler, şev dengesizliği ve heyelan potansiyelini değerlendirmek için saha haritalama ve gözlem, jeofizik araştırmalar, sondaj ve numune alma ve Standart Penetrasyon Testi (SPT) ve Koni gibi yerinde testler dahil olmak üzere çeşitli teknikler kullanırlar. Sızma Testi (CPT). Bilgisayar modellemesi ve simülasyonu, farklı koşullar altında şevlerin davranışını ve potansiyel yenilme mekanizmalarını tahmin etmek için de kullanılabilir.

Şev duraysızlığı ve heyelan riskini azaltmak için bazı yaygın yöntemler arasında drenaj ve bitki örtüsünün iyileştirilmesi, istinat duvarları veya stabilizasyon yapıları inşa edilmesi ve tesviye veya kazı yoluyla şev geometrisinin değiştirilmesi yer alır. Bazı durumlarda, altyapı veya yerleşim alanlarının yüksek riskli alanlardan uzağa taşınması gerekebilir.

Genel olarak, şev stabilitesi ve heyelan çalışmaları jeoteknik mühendisliğinin önemli bir yönüdür ve doğal afetlere eğilimli alanlarda altyapı projelerinin ve insan topluluklarının güvenliğini ve sürdürülebilirliğini sağlamaya yardımcı olabilir.

Şev Arızasının Nedenleri

Şev yenilmesi, çeşitli doğal ve insan kaynaklı faktörler nedeniyle meydana gelebilir. Şev yenilmesinin yaygın nedenlerinden bazıları şunlardır:

1. Jeoloji ve Toprak Özellikleri: Şevin altında yatan toprak ve kayanın türü ve özellikleri duraysızlığa katkıda bulunabilir. Örneğin, zayıf veya ayrışmış kaya, killi topraklar veya yüksek su içeriğine sahip topraklar içeren şevler yenilmeye daha yatkındır.
2. Hidrolojik Koşullar: Su, şev duraysızlığında önemli bir faktördür ve varlığı şev yenilmesine katkıda bulunabilir. Aşırı yağış, sel veya yeraltı suyu seviyesindeki değişiklikler heyelanlara ve şev kaymalarına neden olabilir.
3. Şev Geometrisi: Şevin açısı ve yüksekliği duraysızlığa katkıda bulunabilir. Eğim ne kadar dik olursa, başarısızlık potansiyeli o kadar artar.
4. Sismik Aktivite: Depremler ve diğer sismik aktiviteler şevlerin stabilitesini değiştirerek heyelanları tetikleyebilir.
5. İnsan Faaliyetleri: Hafriyat, inşaat, madencilik veya ağaç kesme gibi insan faaliyetleri, şevlerin stabilitesini değiştirebilir ve öncülük etmek istikrarsızlık ve başarısızlık.
6. Bitki örtüsü: Bitki örtüsünün kaldırılması, toprak kohezyonunu azaltarak ve su akışını artırarak dengesizliğe neden olabilir ve şev kaymasına katkıda bulunabilir.
7. İklim Değişikliği: Şiddetli yağış, kuraklık ve sıcaklık değişiklikleri gibi iklim değişikliği kaynaklı olaylar şev kaymasına katkıda bulunabilir.
8. Diğer Faktörler: Şev yenilmesine katkıda bulunabilecek diğer faktörler arasında erozyon, donma-çözülme döngüleri ve zaman içindeki doğal şev hareketi yer alır.

Heyelan Çeşitleri

İlgili malzemenin türüne ve hareket etme biçimlerine göre sınıflandırılan birkaç heyelan türü vardır. Yaygın heyelan türlerinden bazıları şunlardır:

1. Kaya düşmesi: Bu şu durumlarda meydana gelir: kayalar veya kayalar dik bir yokuştan ayrılarak yere düşer.
2. Kaya kayması: Bu, büyük bir kaya bloğu bir zayıflık düzlemi boyunca yokuş aşağı kaydığında meydana gelir. arıza veya ortak.
3. Enkaz akışı: Bu, genellikle bir kanalda büyük miktarda toprak, kaya ve su yokuş aşağı aktığında meydana gelir.
4. Çamur akışı: Bu, enkaz akışına benzer, ancak malzeme çoğunlukla ince taneli toprak ve sudur.
5. Toprak akışı: Bu, doymuş toprak yavaş, viskoz bir akışla yokuş aşağı hareket ettiğinde meydana gelir.
6. Sünme: Bu, genellikle sıcaklık ve nemdeki mevsimsel değişiklikler nedeniyle malzemenin genleşmesi ve büzülmesinden kaynaklanan, toprak veya kayanın yokuş aşağı yavaş, sürekli hareketidir.
7. Çökme: Bu, bir toprak veya kaya kütlesi eğimli bir yüzey boyunca yokuş aşağı hareket ederek eğimde hilal şeklinde bir iz bıraktığında meydana gelir.
8. Karmaşık heyelan: Bu, bir moloz akışını tetikleyen bir kaya kayması gibi iki veya daha fazla heyelan türünün birleşimidir.

Şev Stabilite Analiz Teknikleri

Şev duraylılık analizi için kullanılan çeşitli teknikler vardır:

1. Limit denge analizi: Bu yöntem, eğimin bir göçme düzlemi boyunca yenildiğini ve güvenlik faktörünün, direnen kuvvetlerin bu düzlem boyunca itici kuvvetlere oranı olduğunu varsayar. Bu tür analizler için Bishop yöntemi, Janbu yöntemi ve Spencer yöntemi gibi farklı yöntemler kullanılabilir.
2. Sonlu eleman analizi: Bu yöntem, eğimi çok sayıda küçük elemana bölmeyi ve her elemanın davranışını analiz etmeyi içerir. Bu, daha karmaşık geometrilerin, zemin davranışlarının ve yük koşullarının dikkate alınmasına izin verir.
3. Kesme dayanımı azaltma analizi: Bu yöntem, farklı yükleme koşulları altında bir şev stabilitesini değerlendirmek için kullanılır. Zeminin kayma mukavemeti, eğim bozulana kadar aşamalı olarak azaltılır ve güvenlik faktörü hesaplanır.
4. Olasılık analizi: Bu yöntem, toprak özellikleri ve yükleme koşulları gibi girdi parametrelerinin değişkenliğine dayalı olarak şev yenilmesi olasılığını değerlendirmek için istatistiksel modellerin kullanılmasını içerir.
5. Ampirik yöntemler: Bu yöntemler deneyim ve gözleme dayalıdır ve genellikle ön analiz için kullanılır. Örnekler, kararlılık sayısı yöntemini ve İsveç daire yöntemini içerir.

Bu tekniklerin her birinin avantajları ve sınırlamaları vardır ve farklı eğim türleri ve toprak koşulları için uygundur. Uygun tekniğin seçimi, eğimin doğası, mevcut veriler ve gereken doğruluk seviyesi gibi faktörlere bağlıdır.

Limit denge analizi

Limit denge analizi, şev stabilitesini değerlendirmek için kullanılan yaygın bir tekniktir. Kararlı bir eğimin, eğime etki eden kuvvetlerin dengede olduğu bir eğim olduğunu belirten denge ilkesine dayanır. Analiz, şevi birkaç bölüme ayırmayı ve her bölümün stabilitesini ayrı ayrı dikkate almayı içerir.

Limit denge analizinde, şev stabilitesinin bir ölçüsü olarak güvenlik faktörü (FS) kullanılır. Güvenlik faktörü, direnen kuvvetlerin eğime etki eden itici kuvvetlere oranıdır. Güvenlik faktörü birden büyükse, eğim sabit kabul edilir; birden az ise eğim duraysız kabul edilir.

Aşağıdakiler dahil olmak üzere çeşitli limit denge analizi yöntemleri vardır:

1. Bishop yöntemi: Bu, eğimleri analiz etmek için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Zeminin kayma dayanımının derinlikle doğrusal olarak arttığını ve şev üzerine etkiyen kuvvetlerin birbirine dik iki yönde çözülebileceğini varsayar.
2. Janbu'nun yöntemi: Bu yöntem, Bishop'ın yöntemine benzer, ancak dairesel göçme yüzeylerinin olasılığını dikkate alır.
3. Spencer'ın yöntemi: Bu yöntem, düzensiz geometrilere sahip karmaşık eğimleri analiz etmek için kullanılır. Şev boyunca kuvvetlerin dağılımını göz önünde bulundurur ve güvenlik faktörünü belirlemek için grafiksel bir yaklaşım kullanır.
4. Morgenstern-Price yöntemi: Bu yöntem, zeminin kayma dayanımının göçme yüzeyi boyunca değiştiği varsayımına dayanır ve güvenlik faktörünü hesaplamak için sayısal teknikler kullanır.

Limit denge analizi, şev stabilitesini değerlendirmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir, ancak bazı sınırlamaları vardır. Zemin özelliklerinin homojen ve izotropik olduğunu varsayar ve bazı durumlarda durum böyle olmayabilir. Şev stabilitesini önemli ölçüde etkileyebilen boşluk suyu basıncının etkilerini de dikkate almaz. Bu nedenle, limit denge analizinden elde edilen sonuçları tamamlamak için sonlu elemanlar analizi (FEA) veya sonlu farklar yöntemi (FDM) gibi diğer analiz teknikleri kullanılabilir.

Piskoposun yöntemi

Bishop yöntemi, çeşitli yükleme koşulları altında şevlerin güvenlik faktörünü (FoS) belirlemek için kullanılan bir şev stabilitesi analiz tekniğidir. Yöntem, 1950'lerde WW Bishop tarafından geliştirilmiştir ve jeoteknik mühendisliği uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bishop'ın yöntemi, bir şevdeki yenilme yüzeyinin dairesel veya kısmen dairesel olduğunu varsayar. Analiz, eğimin, her biri rijit bir blok olduğu varsayılan birkaç dilime bölünmesini içerir. Her dilime etki eden kuvvetler daha sonra dikey ve yatay bileşenlerine ayrılır ve her dilimin kararlılığı bir kuvvet denge denklemi kullanılarak analiz edilir. Eğim için güvenlik faktörü, mevcut toplam direnme kuvvetinin toplam itici kuvvete oranı olarak tanımlanır.

Bishop yöntemi, zeminin kayma dayanımını, zeminin ağırlığını ve zemin içindeki boşluk suyu basıncını hesaba katar. Analiz, şev koşullarına ve zemin özelliklerine bağlı olarak toplam gerilme yöntemi veya etkin gerilme yöntemi kullanılarak yapılabilir. Yöntem, basitliği ve kullanım kolaylığı nedeniyle pratikte yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak onu gerçek dünya şev stabilitesi problemlerine uygularken dikkate alınması gereken bazı sınırlamalar ve varsayımlar vardır.

Janbu'nun yöntemi

Janbu'nun yöntemi, jeoteknik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan bir şev stabilitesi analiz yöntemidir. Şev stabilitesini analiz etmek için dairesel yenilme yüzeylerini kullanan bir limit denge yöntemidir. Yöntem, zeminin kayma dayanımının Mohr-Coulomb yenilme kriteri tarafından yönetildiğini varsayar.

Janbu'nun yöntemi, eğimi birkaç dikey dilime böler ve her bir dilime etki eden kuvvetler, statik ilkeleri kullanılarak analiz edilir. Yöntem, zemin özelliklerinin derinlikle değişimini ve boşluk suyu basıncının şev stabilitesi üzerindeki etkisini dikkate alır.

Analiz, direnen kuvvetlerin itici güçlere oranı olan güvenlik faktörünün hesaplanmasını içerir. 1'den büyük bir güvenlik faktörü kararlı bir eğimi gösterirken, 1'den küçük bir güvenlik faktörü kararsız bir eğimi gösterir.

Janbu'nun yöntemi, nispeten basit olması ve çok çeşitli şev geometrileri ve zemin koşullarına uygulanabilmesi nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, dairesel yenilme yüzeylerinin varsayımı ve zeminin kayma mukavemeti üzerindeki gerilme-yumuşama ve gerilme-sertleşmesinin etkilerinin ihmal edilmesi gibi bazı sınırlamaları vardır.

Spencer'ın yöntemi

Spencer'ın yöntemi, şevlerin stabilitesini belirlemek için kullanılan bir tür limit denge analizidir. Adını yaratıcısı Edmund H. Spencer'dan almıştır. Yöntem, bir şev üzerine etki eden kuvvetleri değerlendirmek ve stabilitesini belirlemek için “takozlar” kavramını kullanır.

Spencer'ın yönteminde, eğim, her biri stabilite açısından değerlendirilen bir dizi potansiyel göçme takozuna bölünür. Yöntem, hem kamanın ağırlığını hem de kama üzerindeki zeminin ağırlığı, zemin içindeki boşluk basıncı ve şev üzerine etkiyen herhangi bir dış kuvvet gibi ona etki eden kuvvetleri dikkate alır. Her bir kamanın stabilitesi, zeminin kayma mukavemetinin yanı sıra kamaya etki eden kuvvetleri de hesaba katan bir dizi denklem kullanılarak belirlenir.

Spencer'ın yöntemi, birden fazla göçme yüzeyinin olabileceği karmaşık şevlerin analizi için özellikle kullanışlıdır. Düzensiz geometriye veya değişken zemin özelliklerine sahip şevlerin stabilitesini değerlendirmek için de kullanılabilir. Bununla birlikte, diğer sınır denge yöntemleri gibi, iki boyutlu göçme yüzeyi varsayımı ve göçme yüzeyi boyunca zemin özelliklerinin sabit olduğu varsayımı gibi bazı sınırlamaları vardır.

Morgenstern-Fiyat yöntemi

Morgenstern-Price yöntemi, şevde su sızması nedeniyle oluşan boşluk suyu basıncını hesaba katan bir şev stabilitesi analiz yöntemidir. Bu yöntem, 1960'larda Kanadalı jeoteknik mühendisleri Zdeněk Morgenstern ve William Allen Price tarafından geliştirilmiştir.

Yöntem, bir eğimin, her dilimin yenilmeye karşı farklı bir güvenlik faktörüne sahip olduğu bir dizi dilime bölünebileceği varsayımına dayanmaktadır. Yöntem, toplam gerilmeden boşluk suyu basıncını çıkardıktan sonra zemin parçacıklarına etki eden gerilmeler olan her bir dilimdeki efektif gerilmelerin hesaplanmasını içerir. Her bir dilim için göçmeye karşı güvenlik faktörü, zeminin kayma mukavemeti ile dilime etki eden kayma gerilmesi karşılaştırılarak hesaplanır.

Morgenstern-Price yöntemi, karmaşık geometrilere ve zemin profillerine sahip eğimler dahil olmak üzere herhangi bir şekildeki eğimi analiz etmek için kullanılabilir. Uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır ve birçok şev duraylılık analizi yazılım paketine dahil edilmiştir. Bununla birlikte, yöntemin, pratikte her zaman böyle olmayabilen zemin özelliklerinin ve boşluk suyu basıncının şev boyunca sabit olduğunu varsayması da dahil olmak üzere bazı sınırlamaları vardır.

Sonlu elemanlar analizi

Sonlu elemanlar analizi (FEA), karmaşık mühendislik sistemlerinin davranışını analiz etmek ve tahmin etmek için kullanılan bir hesaplama yöntemidir. Bir sistemi sonlu elemanlar olarak adlandırılan daha küçük, daha basit parçalara ayırmayı ve ardından her bir elemanın davranışını modellemek için matematiksel denklemler ve sayısal yöntemler uygulamayı içerir. Denklemler, tüm sistem için bir çözüm elde etmek için tüm elemanlar için aynı anda çözülür.

Jeoteknik mühendisliğinde FEA, özellikle karmaşık jeolojik koşullarda zemin ve kaya kütlelerinin davranışını modellemek için sıklıkla kullanılır. FEA, diğer uygulamaların yanı sıra şev stabilitesini, temel davranışını, tünel açma ve kazı sorunlarını analiz etmek için kullanılabilir.

FEA, analiz edilen sistemin geometrisinin, sınır koşullarının, malzeme özelliklerinin ve yükleme koşullarının ayrıntılı olarak anlaşılmasını gerektirir. Sonuçların doğruluğu, girdi parametrelerinin doğruluğuna ve modelin karmaşıklığına bağlıdır. FEA güçlü bir araçtır, ancak aynı zamanda önemli hesaplama kaynakları ve özel yazılımların yanı sıra sayısal yöntemler ve bilgisayar programlamada uzmanlık gerektirir.

Kayma mukavemeti azaltma analizi

Kesme dayanımı azaltma analizi (SSRA), şevlerin ve dolguların stabilitesini değerlendirmek için kullanılan sayısal bir yöntemdir. Stabilite azaltma yöntemi, kayma mukavemeti azaltma yöntemi veya c-yöntemi olarak da bilinir.

SSRA'da, bir şevin güvenlik faktörü (FoS), göçme meydana gelene kadar zeminin kayma dayanımını art arda azaltarak hesaplanır. Yöntem, bir şev yenilmesinin, şev içindeki herhangi bir noktadaki maksimum kayma gerilmesi zeminin kayma mukavemetine ulaştığında meydana geldiği varsayımına dayanmaktadır.

SSRA yöntemi, zemin özellikleri ve/veya şev geometrisi karmaşık olduğunda özellikle yararlıdır ve bu da limit denge analizi gibi geleneksel yöntemlerin kullanılmasını zorlaştırır. Bununla birlikte, SSRA, gerekli simülasyonları çalıştırmak için gelişmiş yazılımların ve güçlü bilgisayarların kullanılmasını gerektiren, hesaplama açısından yoğun bir yöntemdir.

SSRA, açık ocak madenciliği, barajlar ve otoyollar dahil olmak üzere bir dizi uygulamada şev stabilitesini analiz etmek için jeoteknik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yağış, deprem ve iklim değişikliği gibi çevresel faktörlerin şev stabilitesi üzerindeki etkilerini araştırmak için de kullanılmıştır.

olasılık analizi

Olasılık analizi, şev yenilmesinin meydana gelme olasılığını değerlendirmek için şev stabilitesi analizinde kullanılan bir tekniktir. Zeminin mukavemeti, şev geometrisi ve yüklemenin yoğunluğu ve süresi gibi şev stabilitesini etkileyebilecek farklı faktörlere olasılıkların atanmasını içerir.

Olasılık analizinde, tek bir deterministik değer yerine her faktöre bir değer aralığı atanır. Bu, gerçek dünya koşullarında mevcut olan doğal değişkenliği ve belirsizliği hesaba kattığı için şev stabilitesinin daha gerçekçi bir değerlendirmesine izin verir.

Monte Carlo simülasyonu, olasılık analizinde yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Her biri atanan olasılık dağılımlarından rastgele seçilen farklı girdi değerleri kümesine sahip çok sayıda simülasyon çalıştırmayı içerir. Simülasyonların sonuçları daha sonra şev kaymasının meydana gelme olasılığını hesaplamak ve şev stabilitesini etkileyen en kritik faktörleri belirlemek için kullanılabilir.

ampirik yöntemler

Ampirik yöntemler, şevlerin geçmişte gözlenen davranışlarına dayanan şev stabilitesi analiz teknikleridir. Herhangi bir matematiksel model gerektirmezler, bunun yerine şev yenilmelerinin vaka geçmişlerinden elde edilen ampirik ilişkilere dayanırlar. Bu yöntemler, sınırlı verilerin mevcut olduğu veya jeoteknik koşulların karmaşık ve modellemenin zor olduğu durumlarda kullanışlıdır.

Ampirik yönteme bir örnek, düzlemsel yenilme yüzeylerine sahip şevleri analiz etmek için kullanılan “Stabilite Sayısı” yöntemidir. Stabilite Sayısı, eğim açısı, zemin birim ağırlığı, zeminin kohezyon ve sürtünme açısı temel alınarak hesaplanır. Yöntem, Stabilite Sayısı 1.0'dan büyük olan şevlerin genellikle durağan kabul edildiği, Stabilite Sayısı 1.0'dan küçük olan şevlerin ise kararsız olduğu gözlemine dayanmaktadır.

Diğer bir örnek de İskandinavya'da yaygın olarak kullanılan yarı ampirik bir yöntem olan “İsveç yöntemi”dir. Bu yöntem, şev içindeki boşluk basıncı dağılımının analiz edilmesini ve ardından bunun zeminin kayma mukavemeti ile karşılaştırılmasını içerir. Boşluk basıncı kayma dayanımını aşarsa, şev kararsız kabul edilir.

Ampirik yöntemler, bir şev stabilitesine ilişkin ek bilgiler sağlamak için genellikle diğer analiz teknikleriyle birlikte kullanılır. En yaygın olarak, jeoteknik koşulların karmaşık ve modellemenin zor olduğu veya sınırlı verilerin mevcut olduğu durumlarda kullanılırlar.