Kuzey Marmara Otoyolu Liman bağlantı yolu-İzmit Kavşağı arası (5. kesim) kütle hareketleri – mekanik iyileştirme uygulamaları
Slope mass movements and mechanical improvement applications between port connection road and Izmit Junction (section 5) on the  North Marmara Motorway project
Yazar: MÜGE ÇAKINER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN BOZKURTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Kuzey Marmara Otoyolu; İstanbul, Tekirdağ, Kocaeli ve Adapazarı illerindeki yoğun trafiği azaltmak amacıyla yapılan bir otoyol projesidir. Kurtköy-Akyazı kesimi Otoyol Liman Bağlantı Yolu-İzmit Kavşağı 5. Kesiminde güzergâh boyunca akma ve kaymaya bağlı kütle hareketleri gözlenmiştir. Bitirme tezi kapsamında Kurtköy-Akyazı kesimi Otoyol Liman Bağlantı Yolu-İzmit Kavşağı 5. Kesiminde meydana gelen kütle hareketlerinin oluşum sebepleri ve mekanik iyileştirme uygulamaları değerlendirilmiştir. Değerlendirmelerde mevcut proje ölçütleri statik ve dinamik durum için sorgulanmış, oluşan kütle hareket türleri ve kütle hareketine neden olan etmenler belirlenmiş, şev iyileştirme uygulamaları denetlenmiştir. KMO 5. Kesim KM: 170+300-170+400, KM: 170+640 ve KM: 175+297-175+463 kilometreleri arası sağ yarma şevlerinde oluşan kütle hareketlerine ait arazi ve laboratuvar deney sonuçlarına göre zemin yapısı, zemin mekaniği, mühendislik jeolojisi ve jeoteknik mühendisliği açısından yapılan değerlendirmeler sonucunda stabilite analizleri yapılmıştır.
Çalışmada izlenen yöntem sırasıyla; kütle hareketinin meydana geldiği bölgelerde bölge ile ilgili literatür araştırmasının yapılması, saha gözlemleri, arazi ve laboratuvar deneyleri sonucunda jeolojik birimlerin özelliklerinin belirlenmesi şeklindedir. Yapılan incelemelerde Çaycuma Formasyonu'na ait birimlerde kütle hareketlerinin meydana geldiği gözlenmiştir. Bu birim kendi içerisinde 3 farklı ayrışma seviyesi (zonu) sergilemektedir.
Çalışma alanı hidrojeolojik özellik açısından da değerlendirilip Penman meteorolojik su bütçesi hesaplanarak kütle hareketi oluşum mekanizması ortam özellikleri ve su ilişkisi birlikteliğinde değerlendirilmiştir.
Çalışma alanı boyunca meydana gelen kütle hareketleri Y1, Y2 ve Y3 olarak isimlendirilmiştir. Km: 170+300-170+400 arasında meydana gelen kütle hareketine Y1, Km: 170+640'ta meydana gelen kütle hareketine Y2 ve Km: 175+297-175+463 arasında meydana gelen kütle hareketine ise Y3 adı verilmiştir. Y1 kütle hareketinin türü dönel kayma (heyelan), Y2 kütle hareketinin türü düzlemsel kayma, Y3 kütle hareketinin türü ise akma olarak tanımlanmıştır. Çalışma kapsamında her bir kütle hareketi için stabilite değerlendirmeleri yapılmıştır.
Y1 kütle hareketi için şevin üst kesiminde; yerinde ayrışma sonucu oluşmuş, zeminleşmiş, çok zayıf dayanımlı kaya ve tamamen killeşmiş seviyeler bulunur. Daha alt seviyelerde kaya niteliğinde kiltaşı, şeyl ardalanması birimleri vardır. Bu birim de mühendislik jeolojisi açısından kendi içerisinde 2 farklı seviye şeklindedir. Üst seviyelerde düşük dayanımlı, açık kahve-gri, çok ayrışmış, aşırı kırıklı, yer yer ince killeşmiş seviyeler bulunan ince kiltaşı-şeyl ardalanma sergileyen birim bulunur. Alt seviyelerinde ise orta dayanımlı, gri, az-orta ayrışmış, orta kırıklı ve yer yer masif görünümlü kiltaşı-şeyl ardalanmalı birim gözlenir.
Y2 kütle hareketinin geliştiği şevin üst kesiminde yerinde ayrışma sonucu oluşmuş, zeminleşmiş, çok zayıf dayanımlı tamamen ayrışmış silttaşı ve tamamen killeşmiş seviyeler bulunur. Daha alt seviyelerde kaya niteliğinde kiltaşı birimlerine girilmektedir. Bu birim mühendislik jeolojisi açısından kendi içerisinde 2 farklı seviye şeklindedir. Üst seviyelerde düşük dayanımlı, sarımsı kahve, yer yer çok ayrışmış, aşırı kırıklı, yer yer ince killeşmiş seviyeler şeklinde bulunan ince kiltaşı birimi bulunur. Daha alt seviyelerde zayıf dayanımlı, koyu gri, az-orta ayrışmış, sık kırıklı ve yüzeyleri kil sıvalı kiltaşı birimi görülür.
Y3 kütle hareketinin gözlendiği şevin üst kesiminde yerinde ayrışma sonucu oluşmuş, zeminleşmiş, çok zayıf dayanımlı kaya ve tamamen killeşmiş seviyeler bulunur. Daha alt seviyelerde kaya niteliğinde kiltaşı birimleri ile karşılaşılır. Bu birim mühendislik jeolojisi açısından kendi içerisinde 2 farklı seviye şeklindedir. Üst seviyelerde düşük dayanımlı, açık kahve-gri renkli, çok ayrışmış, aşırı kırıklı, yer yer ince killeşmiş seviyeler şeklinde bulunan ince kiltaşı birimdir. Daha alt seviyelerde orta dayanımlı, gri, az-orta ayrışmış, orta kırıklı ve yer yer masif görünümlü kiltaşı yer alır.
Çalışma alanı, T.C. İçişleri Bakanlığı Afet ve Acil Durum Yönetimi Deprem Dairesi Başkanlığı tarafından yayınlanan Türkiye Deprem Tehlike Haritası'nda birinci derece deprem bölgesi içerisinde kalmaktadır. Bu yüzden Y1 ve Y3 yarmasının stabilite analizleri yapılırken deprem durumları göz önünde bulundurulmuştur. Yarma şevleri stabilite analizlerinde uzun dönem statik analizlerin güvenlik sayısı (GS) ≥ 1,50, deprem analizleri için güvenlik sayısı (GS) ≥ 1,10 olarak alınmıştır. 
Y1 kütle hareketi için yarma şevi alttan itibaren ilk iki şev 2,5Y/1D sonraki şev ise 3Y/1D eğimde olacak şekilde tasarlanmış şevinin maksimum yüksekliği 32 metredir. Yarma şevi arazide bu eğimler ile oluşturulmuştur ancak yüzey sularının etkisi ile bölgede kopmalar ve kayma hareketi gelişmiştir. Heyelanın sebebini sorgulamak ve şev iyileştirmesi için öneride bulunmak amacıyla heyelanın gerçekleştiği ve kayma dairesi içerisinde kalan birim için geri analiz yapılarak kayma durumuna ait tasarım parametreleri hesaplanmıştır. Y1 kütle hareketinin bulunduğu bölgede şev tepesinde elektrik pilonu bulunur. Yarma şevinin stabilitesini sağlamak ve oluşacak olası hareketlerden elektrik pilonunun etkilenmesini önlemek amacıyla her iki palyeye kazıklı istinat duvarı yapılması önerilmiştir. 22° olarak hesaplanan şev eğimi önerilen iyileştirmeyle 17°'ye düşürülmüştür. 1. ve 3. şev 3Y/1D, 2. şev ise 3,5Y/1D olacak şekilde yeniden konumlandırılmıştır. Yapılan analizlerde mukavemet parametrelerini belirlemek için RocScience yazılımının RocData modülü ve stabilite analizleri için Slide2 modülü kullanılmıştır. İyileştirme sonucu yapılan statik durum analizlerinde güvenlik sayısı Bishop metodu ile GS=1,519, Spencer metodu ile GS=1,511 bulunmuştur. 
Maksimum yüksekliği 40 metre olan Y2 yarmasında düzlemsel kaymanın gözlendiği alanda üstteki bitkisel toprak ile alttaki orta ayrışmış kiltaşı birimi arasındaki kayma yüzeyindeki kesme kuvveti yoğun yağışa bağlı yüzey ve yeraltı suyu neticesinde yenilmiş, bitkisel toprak yerçekimi denetiminde eğim aşağı kaymıştır. Y2 kütle hareketinin bulunduğu şev 27°'lik bir açı ile açılmıştır. Şevde kiltaşı tabakasının eğimi β = 28° olarak ölçülmüştür. Y2 düzlemsel kaymasının meydana geldiği orta ayrışmış kiltaşı birimi RMR89 sınıflaması, GSI ve RocData yazılımı ile değerlendirildiğinde içsel sürtünme açısı ϕ=22° bulunmuştur. Arazide, ortam incelemesi sonucunda kiltaşı tabakasının eğim yönü ile şevin eğim yönünün aynı olduğu ve şevin kritik eğim açısında (ac = 28°) düzenlendiği gözlenmiştir. Y2 düzlemsel kayma hareketinin iyileştirilmesi için kaymaya neden olan süreksizlik eğiminin şev tasarım açısı olarak alınacak içsel sürtünme açısına eşit veya daha küçük bir açıda düzenlenmesi birincil olarak önerilmiştir. Şev eğiminde gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra yüzey ağaçlandırılması, yapay doğa tasarımı veya kayan şev yüzeyine taş pere uygulaması yapılmalıdır.
1. şevi 3Y/1D, 2. ve 3. şevi ise 2Y/1D eğimde açılmış olan Y3 yarma şevinin maksimum yüksekliği 27 metredir. Y3 yarma şevinin üst kesiminde konut vardır. Arazi gözlemleri sonucunda konuttan kaynaklı su kaçaklarının olduğu ve yeraltı suyu seviyesi de göz önünde bulundurulduğunda bu durumun zemini besleyip, beslenime bağlı likit limit su içeriği değerine ulaşan kesimde akma türü kütle hareketine neden olduğu belirlenmiştir. Bu yüzden analizlerde güvenli tarafta kalabilmek amacıyla yeraltı suyu seviyesi yüzeyde alınmıştır. Stabilite analizleri yapılırken şevde zaman içinde gelişmesi olası dönel kayma türü kütle hareketi de değerlendirilmeye alınmıştır. Analizler, şevde gözlenen 3 farklı ayrışma zonu birlikteliğinde yapılmıştır. Şev yüzeyi öncelikle proje tasarımı olan örselenmemiş tekil kiltaşı (D = 0) olarak değerlendirilmiş sonra örselenme faktörü D = 0,3 ve D = 0,5 için analizler yapılmıştır. D = 0,3 örselenme ile stabilite analizi yapıldığı zaman elde edilen güvenlik sayısı değerleriyle (Bishop GS=1,267, Janbu GS=1,163, Spencer GS=1,268) bölgede heyelan türü bir hareket beklenmeyeceği ancak uzun süreli stabilitenin sağlanmadığı görülmüştür. D = 0,5 örselenme durumunda ise elde edilen güvenlik sayısı değerleri (Bishop GS=0,899, Janbu GS=0,822, Spencer GS=0,900) bölgede statik koşullarda bile heyelanın olacağını göstermiştir. Bu yüzden bölgede iyileştirme yapılması önerilmiştir. Analizler sonucunda stabilitenin sağlanabilmesi için 1. ve 2. şevin yüzeyine taş pere yapılması önerilmiştir. Şev yüzeyine yapılması önerilen taş pere malzemesi için c=5 kPa, ϕ=35°, γ=20 kN/m3 olacak şekilde malzeme kabulü yapılmıştır İyileştirme sonucu şev yüzeyinde D = 0,3 ve D = 0,5 örselenme durumları için analizler tekrar yapılmıştır. Bu analizlerde D = 0,3 örselenme için; statik durumda güvenlik sayıları (GS) 1,282-1,502 aralığında, dinamik durumda ise güvenlik sayıları (GS) 1,426-1,502 aralığında, D = 0,5 örselenme için; statik durumda güvenlik sayıları (GS) 1,491-1,619 aralığında, dinamik durumda güvenlik sayıları (GS) ise 1,215-1,324 aralığında elde edilmiştir. 
Şev bölgesi her ne kadar statik ve dinamik analizler sonucunda güvenli çıkmış olsa da kayma hareketinin meydana geldiği alanın üst kesiminde bulunan birimlerin niteliksiz oluşu, geçiş zonunda bulunan birimlerin de düşük mukavemet parametreleri sergilemesi yanı sıra olası kayma durumunda şev tepesindeki konutun zarar görmesini engellemek amacıyla bu kesimde kazıklı duvar tasarımının yapılması da önerilmiştir. 
Analizlerden elde edilen veriler şev tepesindeki konuttan kaynaklı su besleniminin ortamda olmasa bile eğer önlem alınmazsa bölgenin aşırı yağış gibi nedenlerle zaman içinde D = 0,5 örselenme değerine ulaşıp ayrışması durumunda kayma hareketinin gelişeceğini göstermiştir. 
Kütle hareketlerinin meydana geldiği bölgelerde statik ve deprem durumunda yapılan iyileştirme analizlerinden elde edilen veriler değerlendirildiğinde tasarımların başarılı bir performans sergilediği görülmüştür.

Abstract:
North Marmara Motorway is a project that was built to mitigate the heavy traffic load around İstanbul, Tekirdağ, Kocaeli, Adapazarı provinces. In the Kurtköy-Akyazı section of the North Marmara Motorway, within the 5th section, bordered by "the Highway Port Connection Road" and "İzmit Junction", mass movements related to flow and slide were observed along the route. Possible causes of these mass movements and targeted mechanical improvement applications were evaluated within the scope of the current MSc. graduation thesis. The existing project criteria were analyzed for the static and dynamic status, types of mass movements and the factors causing these mass movements were determined, and the slope improvement applications inspected. Stability analyses were conducted based on the evaluations made, with regards to soil structure, soil mechanics, engineering geology and geotechnical engineering, and field and laboratory test results of the mass movements formed in the right cut slopes between KM: 170+300-170+400, KM: 170+640 ve KM: 175+297-175+463 of the 5th section.
The method followed involves literature research regarding the regions associated with mass movements, determination of the characteristics of geological units based on field observations, and field and laboratory experiments respectively. In the examinations conducted it was observed that mass movements occurred mostly within the units belonging to the Çaycuma Formation. This unit exhibits three different weathering levels (zones) within itself.
The study area was additionally evaluated in terms of hydrogeological features and the Meteorological Water Budget has been calculated with the Penman Method, Additionally the driving mechanism of mass movement was evaluated in terms of environmental characteristics and water relationship.
The mass movements that occurred throughout the study area have been named as Y1, Y2 and Y3. The mass movement that occurred between Km: 170+300-170+400 was named Y1, the one that occurred between Km: 170+640 was named as Y2 and lastly the mass movement occurred between Km: 175+297-175+463 was named Y3. The Y1 type of mass movement was defined as a rotational slip (landslide), the Y2 type of mass movement was defined as a translational slide, and the Y3 type of mass movement has been defined as flow. Within the scope of the study, stability evaluations were made for each mass movement.
As regards the Y1 mass movement, in the upper part of the slope there are grounded, very weakly strengthened rock and fully argillized levels formed by in situ weathering. In the lower levels, there have been rocky claystone and shale alterations. This layer is also in the form of two different levels with respect to engineering geology. Around the upper level, there has been a low strength, light brown-grey, highly weathered, extremely fractured, fine claystone-shale intercalation unit with finely argillized layers in places. In the lower levels, a medium-strength, grey, slightly or moderately weathered, moderately fractured and locally massive-looking claystone-shale alternating unit was observed.
In the upper part of the slope where Y2 mass movement developed, grounded, quite weakly strengthened, completely weathered siltstone and fully argillaceous levels have formed as a result of in situ weathering. In the upper levels, a thin claystone unit with low strengthened, yellowish-brown, very weathered in places, extremely fractured, and sometimes fine argillized levels have formed. Around the lower levels, a claystone unit with weak strength, dark grey, slightly-moderate weathering, frequently fractured and clay plastered surfaces has been observed.
In the upper part of the slope where the Y3 mass movement is observed, there are very weakly strength rock and completely clayed levels, as a result of in-place decomposition. At lower levels, claystone layers were encountered. This layer is in the form of 2 different levels in terms of engineering geology. There is a thin claystone unit with low strength at the upper levels, and light brown-grey colour, very weathered, extremely fractured, thin clay levels overall. Lower levels include medium-strength, grey, slightly-weathered fractured and solid-looking claystone.
The study area is within the first-degree earthquake zone according to the Turkey Earthquake Hazard Map published by the Ministry of the Interior and, The Disaster and Emergency Management Authority (AFAD). Therefore, earthquake situations have been taken into consideration when performing stability analyses of Y1 and Y3 cut slopes. The static factor of safety for long term analyses of slope stability has been considered as greater than or equal to 1,50; on the other hand, pseudo-static factor of safety (FSPS) for earthquake analyses have been taken as greater than or equal to 1,10. The maximum height of the slope is 32 meters, which had been designed so that the first two slopes are 2,5:1 (horizontal: vertical) and the third slope is 3:1 (hor: vert) for the Y1 mass movement. The cut slope was formed with these slopes in the field, but with the effect of surface waters, ruptures and sliding movement have developed in the field. In order to examine the cause of the landslide and make a suggestion for slope reclamation, the design parameters of the cut slope failure were calculated by performing back analyses for the unit where the landslide occurred and within the slip circle. In the area where Y1 mass movement occurs, there is a transmission tower at the top of the slope. In order to ensure the stability of the cut slope and to prevent the transmission tower from being affected by possible movements, it has been proposed to build retaining walls with piles on both benches. The incline of slope designed as 22° has been reduced to 17° with the proposed reclamation. The first and third cut slope ratio has been repositioned to be 3:1 (horizontal: vertical) and the second one is to be 3,5:1 (horizontal: vertical). RocData module of Rocscience Inc. software has been utilized to determine strength parameters in the slope stability analyses and besides Slide2 module has been utilized for all slope stability analyses. After reclamation applications have been done, the static factor of safety has been found to be FS=1,519 with the Bishop method and FS=1,511 with the Spencer method.
The maximum height of the Y2 cut is 40 meters. In the area where the translational slide has been observed, the shear force on the sliding surface which is between poor bearing soil which is on the top and very weathered claystone which is at the bottom has failed because of heavy surface and groundwater. As a result of this failure, slope failure has been observed at the poor bearing soil due to the gravity. The slope where the Y2 mass movement is located is designed with an angle of 27°. The slope layer of the claystone has been measured as β = 28°. When slightly weathered claystone in which Y2 translational slide took place, RMR89 and Geological Strength Index (GSI) classification and RocData software all has been considered, angle of internal friction has been found to be as 22°. In the field, as a result of the environmental examination, it has been observed that the dip direction of the claystone and the slope direction were the same and the slope of the Y2 cut was designed at the critical slope angle (ac = 28°). In order to reclamation of the Y2 translational slide, it has been suggested that the shear-causing discontinuity slope be arranged at an angle equal to or less than the internal friction angle to be taken as the slope design angle. After the necessary arrangements are made on the slope where the mass movement has occurred, surface afforestation, artificial nature design or riprap slope protection applications should be made to the sliding slope surface.
The maximum height of the slope is 27 meters, which is designed so that the first slope is 3:1 (hor: vert) and the second and the third ones for the Y3 mass movement. There is a ranch house in the upper part of the Y3 cut. As a result of the study area observations, it was determined that there were water leaks from the dwelling's pool and this situation caused the mass movements which was called as flow. The reason for this situation is that the dwelling's pool water feeds the soil along with the groundwater level. The soil, which became saturated with water, has reached the liquid limit value and formed a flow type movement. Therefore, the groundwater level was taken on the surface in order to stay on the safe side in the analyses. While stability analyses were carried out, the mass movement of the type of rotating slip, which is likely to develop over time, was also evaluated. Analyzes have been made in the association of three different weathering zones observed in the slope. The slope surface has first been evaluated as the undisturbed single claystone (D = 0) in accordance with the project design, then analyzes have been made for the disturbance factor D=0,3 and D = 0. When stability analyses have been performed with D=0,3 disturbance, it has been observed (Bishop FS=1,267, Janbu FS=1,163, Spencer FS=1,268) that a landslide type movement would not be expected in the region nevertheless the long term stability could not be achieved either with the factor of safety values acquired. In the case of D=0,5 disturbance, the obtained factor of safety values (Bishop FS=0,899, Janbu FS=0,822, Spencer FS=0,900) has demonstrated that landslides could occur in the region even under static conditions. Therefore, an improvement in the region has been recommended. As a result of the analyses, it has been suggested to build a riprap slope protection on the surface of the 1st and 2nd slopes in order to ensure stability. For the riprap slope protection proposed to be made on the slope surface, the properties of construction material accepted as c=5 kPa, ϕ=35°, γ=20 kN/m3. Following the improvement, the analyzes have been conducted again for the disturbance cases D=0,3 and D=0,5 on the slope surface. In these analyzes, for D=0,3 disturbance, the factor of safety (FS) in the static condition has been acquired in the range of 1,282-1,502, whereas within the dynamic condition, the factor of safety has been observed to be fallen into the range of 1,426-1,502, for D=0,5, on the other hand, the factor of safety (FS) in the static condition has been observed to be within the range of 1,491- 1,619 whereas to be in the range of 1,215-1,324 in the dynamic state.
Although the slope area has been revealed to be safe with respect to static and dynamic analyses, when unqualified circumstances of the layers located in the upper part of the area where the sliding occurred, low strength parameter exhibition of the units within the transition zone as well as the ranch house located on top of the slope taken into account, piled retaining wall construction has been suggested in order to prevent possible adverse effects on the residence.
The data obtained from the analyses showed that even if the water recharge originating from the ranch house on the slope does not take place within the environment, if no precautions are taken, if the region reaches a disturbance factor value of D = 0,5 and decomposes over time due to reasons such as excessive precipitation, the sliding movement will be developed eventually.
When the data obtained from the reclamation analyzes which have been utilized during static and dynamic cases, within the regions where mass movements occur it has been witnessed that the designs proved to be in successful performance.