Terzili ve Ulubey T1 tünelleri killerinin şişme davranışının incelenmesi
Investigation of swelling behaviour of clays in the Terzili and Ulubey T1 tunnels
Yazar: GÖKHAN SARIGÜL
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ERDİNÇ BİLİR
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Killi zeminler = Clay soils ; Tüneller = Tunnels ; Yumuşak zemin = Soft soil ; Şişen zeminler = Swelling soils ; Şişme = Swelling ; Şişme basıncı = Swell pressure ; Şişme davranışı = Swelling behavior ; Şişme oranı = Swelling ratio

Özet:
Montmorillonit ve anhidrit minerallerinin zemin ve kayaçların bünyesinde bulunmaları onlara şişme özelliği kazandırır. Ancak, mühendislik yapılarını tehdit etmek için bu minerallerin su ile fiziko-kimyasal reaksiyona girmesi gereklidir. Bu durumda, yapı duraylılığını tehlikeye sokan hacim artışı veya şişme gerilmesi meydana gelir. 
Dünyanın pek çok ülkesinde yeraltı ve yerüstü mühendislik yapılarının, şişme problemlerine maruz kaldığı rapor edilmektedir. Tüneller, şişme problemlerinden en fazla etkilenen mühendislik yapılarından birisidir. Bunun nedeni, hizmet süreleri ve güzergâhlarının uzun olmasıdır. 
Tez çalışması, şişen birimlerden geçen Terzili ve Ulubey T1 tünelleri ile ilgilidir. Tek ve üç eksenli şişme deneyleri, mineralojik analizler ve sayısal modelleme ile şişen zemin ve kayaç davranışının tüneller üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Tünellerin her ikisi de Ordu'da açılmış olan karayolu tünelleridir. Trafiği kolaylaştırmak ve zamandan kazanmak amacıyla inşa edilmişlerdir. Terzili Tüneli çift tüp olup, 1180 m uzunluğundadır. Çakıltaşı – kumtaşı – kiltaşı ardalanmasından oluşan fliş ve kil birimden geçmektedir. Ulubey T1 Tüneli ise tek tüplü olup, 225 m uzunluğundadır. Tünel güzergâhı 2 farklı jeolojik birimden oluşur. Bunlar; zayıf dayanımlı orta derecede ayrışmış volkanit tüfler ve yoğun biotit içerikli yumuşak bentonit killerdir.
Tek ve üç eksenli şişme deney sonuçlarına göre, Terzili Tüneli kiltaşı ve Ulubey T1 Tüneli giriş ve çıkışındaki kil (bentonit) örneklerinin şişme davranışına sahip olduğu belirlenmiştir. Terzili örneğinin maksimum şişme gerilmesi 0,77 ile 2 MPa arasında, maksimum şişme deformasyonu %5,97 ile 9,75 arasında değişmektedir. Ulubey T1giriş örneğinin maksimum şişme gerilmesi 0,63 ile 1,14 MPa arasında, maksimum şişme deformasyonu % 4,66 ile 8,98 arasında değişmektedir. Ulubey T1 çıkış örneğinin maksimum şişme gerilmesi 0,76 ile 1,15 MPa arasında, maksimum şişme deformasyonu % 7,01 ile 19,66 arasında değişmektedir.
Mineralojik analiz sonuçlarının şişme deney sonuçlarını desteklediği görülmüştür. Tüm örneklerde, tüm kayaçtaki hâkim mineral kil, kil fraksiyonunda ise şişmeye neden olan simektitdir. 
Terzili ve Ulubey Tünelleri için şişme davranışı, tahkimatlı olarak sonlu elemanlar yöntemini esas alan PHASE2 programı yardımıyla incelenmiş ve tünel çevresinde oluşan gerilme ve deformasyon çözümlemeleri yapılmıştır. Terzili Tüneli için 2, Ulubey Tüneli için 2 toplam 4 adet model oluşturulmuştur. Terzili Tüneli Kesit 1 için, şişme basıncının 0,5 MPa olduğu durumda hesaplanan değerler şişme basıncının olmadığı durumdaki en büyük asal gerilmenin 2,5 katı, en büyük yer değiştirme miktarının yaklaşık 9 katıdır. Aynı durum Terzili Tüneli Kesit 2 için, şişme basıncının 0,5 MPa olduğu durumda hesaplanan değerler şişme basıncının olmadığı durumdaki en büyük asal gerilmenin 1,3 katı, en büyük yer değiştirme miktarının yaklaşık 21 katıdır. Ulubey Tüneli Giriş portalındaki şişme basıncının 1 MPa olduğu durumda hesaplanan değerler şişme basıncının olmadığı durumdaki en büyük asal gerilmenin 1,6 katı, en büyük yer değiştirme miktarının ise büyük şişme basınçlarından dolayı yaklaşık 130 katıdır. Ulubey Tüneli Çıkış portalındaki şişme basıncının 1 MPa olduğu durumda hesaplanan değerler şişme basıncının olmadığı durumdaki en büyük asal gerilmenin 1,7 katı, en büyük yer değiştirme miktarının ise büyük şişme basınçlarından dolayı yaklaşık 123 katıdır. 
Terzili Tüneli'nde sağ ve sol tüplerin giriş ve çıkış kısımlarından bir miktar ilerleme yapıldıktan sonra tünelde ilerleme durmuştur. 28 ay sonra 2 m kalınlığındaki invert betonunda şişme gerilmelerinden kaynaklanan çatlama ve kabarma meydana gelmiştir. Halen, invert betonun iyileştirme çalışmaları sürmektedir. Hizmete açılmış olan Ulubey T1 Tüneli'nde duraysızlık problemleri ile karşılaşılmamış olması, uygulanan tahkimat sisteminin yeterli olduğunu veya şişme basınçlarının henüz sorun oluşturacak düzeyde olmadığı şeklinde yorumlanabilir. Ancak, gelecekte şişme problemleri ile karşılaşılmayacağı anlamına gelmez. Bu tez ile tünel güzergâhlarının geçtiği birimlerin şişme özelliğine sahip olduğu kanıtlanmış olup şişmenin tekrarlanan, yavaş gelişen tehlikeli bir davranış olduğu unutulmamalıdır. Ayrıca, şişen ortamlarda açılan tünellerden sorumlu mühendislerin teknik bilgi ve görgüsünün özellikle yüksek olması ve farklı şişme tasarımı yaklaşımlarının farkında olması son derece önemlidir.

Abstract:
The presence of montmorillonite and anhydrite minerals in the soils and rocks gives them swelling properties. However, these minerals must undergo a physicochemical reaction with water in order to threaten engineering practices. In this case, the volume increase or the swelling strain, which puts the stability of the structure at risk, comes into play. In many countries of the world, underground and overhead engineering structures are reported to suffer from swelling problems. The tunnel is one of most affected engineering structures by swelling problems. The reason for this is the length of service times and routes. 
This thesis is about the Terzili and Ulubey T1 tunnels that pass through the swollen geological formations. Uniaxial and triaxial swelling experiments, mineralogical analyses and numerical modeling have investigated the effects of swelling soil and rock behaviour on the tunnels. The tunnels are both highway tunnels opened in Ordu. They were built to facilitate traffic and gain time. Terzili Tunnel is a double tube, 1180 m long. It is composed of flysch and clay unit consisting of pebble - sandstone - claystone alternation. Ulubey T1 Tunnel is single tube and is 225 m long. The tunnel route consists of 2 different geological units. These are weakly resistant medium-sized volcanic tuffs and dense biotite-containing soft bentonite clay. 
According to uniaxial and triaxial swelling test results, clay (bentonite) specimens at the entrance and exit of Ulubey T1 Tunnel have swelling behaviour like claystones of Terzili Tunnel. The maximum swelling strains of Terzili Tunnel samples are between 0.77 and 2 MPa while the maximum swelling deformations of them are between 5.97% and 9.75%. The maximum swelling strains of Ulubey T1 Tunnel entrance samples are between 0.63 and 1.14 MPa, and the maximum swelling deformations of them are between 4.66% and 8.98%. The maximum swelling strains of Ulubey T1 exit samples are between 0.76 and 1.15 MPa, and the maximum swelling deformations of them are between 7.01% and 19.66%. 
In all samples, the dominant mineral is clay.  The dominant clay mineral is smectite, which causes swelling in the clay fraction. Swelling behavior for Terzili and Ulubey Tunnels have been examined with the help of the PHASE2 program based on the finite element method and the tensile and deformation analyses have been made around the tunnels. 4 models (2 for Terzili Tunnel, 2 for Ulubey Tunnel) have been created. For Terzili Tunnel Section 1, the values calculated when the swelling pressure is 0,5 MPa are 2,5 times the largest prime stress in the absence of the swelling pressure, about 9 times the maximum displacement. In the same case, for Terzili Tunnel Section 2, the values calculated when the swelling pressure is 0,5 MPa are 1,3 times the largest prime stress in the absence of swelling pressure, about 21 times the maximum displacement. When the swelling pressure at the Ulubey Tunnel Entrance Portal is 1 MPa, the calculated values are 1,6 times the largest prime stress in the absence of the swelling pressure and about 130 times the maximum displacement due to the large swelling pressures. In the case where the swelling pressure at the exit portal of the Ulubey Tunnel is 1 MPa, the calculated values are about 1,7 times the largest prime stress in the absence of the swelling pressure and about 123 times the greatest displacement due to the large swelling pressures. 
The progression has been stopped after some progress has been made from the inlet and outlet sections of the right and left tubes in the Terzili Tunnel. After 28 months, the 2 m thick invert concrete cracked and swelled due to swelling stresses. Improvement works of invert concrete continue right now. The lack of instability problems in the Ulubey T1 Tunnel which was opened to service can be interpreted as the sufficient support system is applied or the swelling pressures are not at a level which is still a problem. However, it does not mean that swelling problems will not be occurred in the future. With this thesis, it has been proven that the units of the tunnel routes have the swelling feature and it should not be forgotten that theswallow is a repetitive, slow developing dangerous behaviour. In addition, it is extremely important that the engineers in tunnels located into swelling environments should be particularly high in technical knowledge and awareness, and they must aware of different approaches to swelling design.