Büyükçekmece-Gürpınar yerleşim alanı zemin sınıfı-şev duraylılığı ilişkisi
Buyukcekmece-Gurpinar residential area relation between soil classification and slope stability
Yazar: OSMAN ÖZÇİLİNGİR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ERKAN BOZKURTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı; kuzeyde E-80 Avrupa Otoyolu, güneyde Marmara Denizi, batıda Büyükçekmece Gölü ve Büyükçekmece Körfezi sınırı, doğuda Avrupa Otoyolu-Hadımköy Bağlantısı ile devamında Yavuz Sultan Selim Bulvarı ve Ziya Gökalp Caddesi hattı boyundan Marmara Sahili'ne kadar inen yerleşim alanındaki zemin sınıflandırması ile şev duraylılığı arasındaki ilişkinin belirlenerek, İstanbul Avrupa yakasında nispeten bakir kalmış ve göl kenarında olan bu alanda ileride yapılması muhtemel kentleşmeye yönelik uygun şev düzenlemelerinin tasarımı için öneriler sunmaktır. Hedeflenen çıktıların elde edilebilmesi amacıyla sırasıyla büro, arazi, laboratuvar çalışmaları yapılmış ve eldeki veriler derlenerek bulgular ve görüşler ortaya konmuştur.
İnceleme alanında yapılan arazi ve literatür araştırmalarına dayanarak genel jeoloji bulguları verilmiştir. Oligosen ve Miyosen dönemlerine ait sedimenter çökellerin yüzeylendiği; yaşlıdan gence Gürpınar formasyonu, Çukurçeşme formasyonu, Güngören formasyonu ve Bakırköy formasyonunun stratigrafik istifi oluşturduğu ve Miyosen'e ait çökellerin Oligosen çökelleri üzerine açısal uyumsuzlukla geldiği tespit edilmiştir. Tabaka eğimleri genel olarak yatay ya da çok düşük eğime sahipken kütle hareketlerinin görüldüğü noktalarda arttıkları gözlemlenmiştir.
Arazi çalışmasında 16 adet noktadan örnekler alınmış ve İstanbul Teknik Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü İndeks Özellikleri Laboratuvarı'nda zemin sınıflarının belirlenmesi için elek analizi, kıvam özellik deneyleri (likit limit ve plastik limit) yanısıra mühendislik ve tasarım parametrelerini belirlemeye yönelik fiziksel özellik deneyleri (piknometre, porozite ve su içeriği) yapılmıştır.
Laboratuvar deneylerinden (elek analizi, plastik limit ve likit limit) elde edilen sonuçlar birleştirilmiş zemin sınıflandırması – USCS sistemi kullanılarak zemin tanımlamaları yapılmıştır. 16 adet örneğe ait zemin tanımlamaları incelendiğinde, inceleme alanının çoğunlukla iri daneli kumlardan oluştuğu ve çakıllı seviyelerin de yaygın olduğu görülmektedir. İnce daneli zemin birimleri ise Büyükçekmece kıyısı boyunca kuzey kesimde sınırlı bir alanda yayılım sunmaktadır.
Tez çalışması kapsamında, İstanbul Avrupa yakasında nispeten bakir kalmış ve göl kenarında olan, şev duraylılığı ve kütle hareketleri açısından riskli bir bölge olduğu daha önceden yapılmış olan araştırmalarla bilinen inceleme alanında zemin sınıflandırması ile şev duraylılığı arasındaki ilişkiler elde edilen verilerle belirlenmiştir. İnce daneli zeminler için ilerideki süreçlerde yapılması muhtemel kentleşmeye yönelik uygun şev düzenlemeleri için ön tasarımlar sunulmuş ve düzenlecek şevlerde çekme çatlağının oluşması, yeraltısuyunun yükselmesi durumlarında önlem alınması gereken noktaların neler olduğu sunulmuştur.

Kaba daneli zeminler için ise tasarlanan koşullar altında gerekli güvenlik sayısının sağlanabilmesi için yeraltısuyunun olması gereken derinliğini verecek denklemler ortaya konmuş ve daha sonra bu denklemlerin zemin özelliklerine göre sunduğu ilişkiler irdelenmiştir.
Kaba daneli zeminler için c=0 yöntemi ve ince daneli zeminler için ampirik yöntem kullanılarak şev duraylılığı hesaplamaları yapılmıştır.
İnce daneli örneklere ait hesaplamalarda Gs=1 alınarak limit denge yöntemi kullanılıp, sonsuz şev yaklaşımı ile şev duraylılığı analizleri yapılmıştır. Şev duraylılığı analizleri topoğrafya yüzeyinden 10 m. derinliğe kadar zeminin tamamen kuru ve tamamen doygun olması durumları ile zeminin yavaş ve hızlı yüklenmesi senaryo kriterlerine göre hesaplanmıştır. İnce daneli zeminlerde yapılan hesaplamalarda nihai şev boyutlandırması için deprem yükü de dikkate alınmıştır. TS 8853/1991 standardında, yamaç ve şevlerde fisürlü killer için güvenlik sayısı Gs=1.5 olarak belirtilmiştir. İnceleme alanının Kuzey Anadolu Fay hattına yakınlığı, 1 ve 2. derece deprem kuşağı içerisinde bulunması sebebiyle deprem analizi aşamasında Gs=1.6 olarak belirlenip şev analizi tamamlanmıştır. İnce daneli zeminler için ön tasarımı sunulan şevlerde zamanla şev duraysızlığına neden olacak etmenler olan yeraltısuyunun yükselmesi, şevin hareketsiz kısmında çekme çatlağı oluşması durumları için şev duraylılığı geri analiz yöntemiyle denetlenmiş, kritik statik su seviyeleri (Hsu), çekme çatlağına bağlı olarak şevi kaydıracak kütlenin uzunlukları (L) ve kalınlıkları (D) ortaya konulmuştur.
İnce daneli zeminlerin yayılım gösterdiği alanda yapılması muhtemel şevler için yapılan bu ön tasarım hesaplamalarında sadece örneklere ait indeks-fiziksel özellikler kullanılmıştır. İlk olarak deprem yükü dikkate alınmadan yapılan hesaplamalarda tüm şevler için en uygun şev oranının 1.5:1 (yatay-düşey, α=33.69°) olduğu belirlenmiştir. Daha sonra deprem yükü de hesaba katılmış ve hesaplamalar bu yönde devam ettirilmiştir. Arazinin, Kuzey Anadolu Fay hattına yakın, 1. ve 2. derece deprem bölgeleri içinde ve kütle hareketleri açısından riskli bir bölge olduğu bilindiğinden; tüm hesaplamalar boyunca emniyetli tarafta kalmaya çalışılmış ve güvenlik katsayısı (Gs) 1.6, sismik katsayı (ky) 0.25 seçilmiştir. Böylece ön tasarımını sunduğumuz şev yapılarının olası bir İstanbul depremini en az hasarla atlatması amaçlanmıştır. Yeraltısuyunun derinde ya da yüzeyde olması durumlarında; deprem yükü dikkate alınmadan şevler için sunulan düşey mesafelerinin arasındaki ciddi farklar, yapılacak her türlü kentleşmeye yönelik yapı için drenaj önlemlerine ne kadar dikkat edilmesi gerektiğini göstermektedir. Ayrıca Gs=1 için belirlenmiş olan kritik şev yükseklikleri arasındaki ilişkilerden Gürpınar formasyonunun ince daneli zemin kesimleri için suya doygun bir şevde yeraltısuyu seviyesinin düşürülmesi durumunda kuru ortamdaki şev yüksekliğinin ne olması gerektiğine dair bir denklem önerilmiştir.

Kaba zeminler için yapılan hesaplamalarda ilk olarak şev açısı 10° iken topoğrafya yüzeyinden 1 m., 2 m. ve 3 m. derinlikte olası bir kayma düzlemi boyunca, yeraltı su seviyesinin topoğrafya yüzeyinden 10 m. aşağıda olması (YAS=10 m.) koşulundan başlanarak, yeraltısu seviyesinin topoğrafya yüzeyine yaklaşarak yükselmesi koşuluna kadar analiz Gs=1 için analiz sürdürülmüştür. Analiz sonuçları ile kaba daneli zeminlere ait her bir örnek noktasında şev açısı 10° için güvenlik sayısının (Gs) 1-3 arasında değiştiği durumlar için yeraltısu seviyesinin (YAS) ne olacağı belirlenmiş ve Gürpınar formasyonun kaba daneli seviyeleri için genel denklemler önerilmiştir. Yapılan analizin ilerleyen kısmında şev açısının  20°-30° arasında değiştiği şevlerde Şev Açısı-YAS ilişkisi irdelenmiş ve Gs=1 iken, kayma düzleminin 1-3 m. arasında değiştiği durumlar için genel denklemler önerilmiştir.

Daha sonra her iki koşulda örneklerin gösterdiği ilişkiler irdelenmiştir. Kaba daneli zemin örneklerinin tasarlanan koşullar altında sundukları Gs-YAS ve Şev Açısı-YAS ilişkileri denklemlerle ortaya konmuştur. Elde edilen denklemler zemin sınıflarına, kum yada çakıl olmalarına, son olarak da topluca kaba daneli zemin olmalarına göre gruplandırmalar yapılarak geometrik ortalama yöntemi kullanılarak genelleştirilmiştir.
Zemin sınıfına göre genelleştirilmiş denklemler birbirine yakın ilişkiler sunmuştur. Her bir kaba daneli zemin örneğine ait denklemler zemin sınıfına, kum yada çakıl olmalarına, son olarak da topluca kaba daneli zemin olmalarına göre gruplandırıldıktan sonra önerilen denklemlerle karşılaştırıldığında ortalama olarak düşük farklar görülmüştür.
Böylece tasarlanan zemin ortamlarında, Gs-YAS koşulunda sunulan denklemlerle güvenlik sayısının (Gs) 1-3 arasındaki değerlerinin, Şev Açısı-YAS koşulunda sunulan denklemlerle ise şev açısı 10-30° arasındaki değerlerinin sağlanabilmesi için yeraltısuyu seviyesinin olması gereken derinliğini zeminin sadece kaba daneli olduğu biliniyorsa dahi hızlı ve güvenilir şekilde hesaplayabilecek denklemler ortaya konmuştur.
Yapılan tüm bu değerlendirmeler arazi gözlemleri, literatürden alınan bilgiler ve deney sonuçları ile bunlarla yapılmış olan hesaplamalara dayandırılmıştır. Bu çalışmada indeks ve fiziksel özellikler kullanılarak kentleşmeye yönelik şev tasarımları için öneriler ortaya konmuş, şev duraysızlığına neden olabilecek etmenler için kritik noktalar belirlenmiş ve bunların zemin sınıfları ile ilişkisi araştırılmıştır.
İnceleme alanının kütle hareketleri açısından risk arzeden bir bölge olduğu bilinmekle beraber, yapılaşmanın bu yönde ilerlemesi ve burada zamanla birçok yapının inşaa edilmesi kuvvetle muhtemeldir. Bu çalışmanın kapsamı örnek alınan mevcut noktalar ve sadece karar verilmiş olan laboratuvar deneylerinden elde edilen verilerin literatürdeki bilgilerin yardımıyla da zemin sınıfı-şev duraylılığı arasındaki ilişkinin belirlenmesinde kullanılması ile şevler için ön tasarım önerilerinde bulunmaktır. Laboratuvar koşullarında yapılan deney sonuçlarıyla arazideki doğal şartlar arasında farklılıkların olabilmesi ihtimali ve doğada jeolojik özelliklerin kısa mesafelerde bile değişkenlik gösterebildiği göz önüne alındığında 56 km2'lik bir alanın tümüyle sadece 16 adet örnekle değerlendirilemeyeceği aşikardır.
Kapsamlı mühendislik yapılarının inşaasında daha detaylı jeolojik ve jeoteknik araştırmalarının yapılması elzemdir. Bu tez kapsamında ortaya konmuş olan denklemler ve değerler, inceleme alanında Gürpınar formasyonunda tanımlanmış olduğumuz zemin sınıflarıyla ilgili çalışmalar yapılırken ön bir etüt yaklaşımı olarak kullanılabilir. İnceleme yapılması düşünülen alandan alınacak örselenmemiş örneklere ait kayma mukaveti değerlerlerinin (içsel sürtünme açısı ve kohezyon) belirlenmesi gerecektir.
Önümüzdeki süreçte olası İstanbul depremini de düşünerek, özellikle D-100 karayolu ile E-80 Avrupa Otoyolu arasında kalan Büyükçekmece Gölü doğusundaki bakir kalmış arazide detaylı jeoloji ve jeoteknik araştırmalarla desteklenmiş yerleşime uygunluk değerlendirmeleri yapılmalı ve mühendislik yapılarının inşaası öncesi detaylı imara esas jeolojik zemin etüd raporlarının tatbik edilmesi gerekmektedir.

Abstract:
The purpose of this thesis study is to present recommendations for the design of slope regulations suitable for the probably urbanization that is to be done in this area in the future, which has remained relatively untouched and which sits on the edge of a lake on the European side of Istanbul, by identifying the relationship between the ground classification and slope stability in the settlement area with the E-80 Europe Motorway in the north, the Marmara Sea in the south, the border of Büyükçekmece Lake and Büyükçekmece Cove in the west, and the Europe Motorway- Hadımköy Connection in the east, that later extends from the length of the Yavuz Sultan Selim Boulevard and Ziya Gökalp Avenue line to the Marmara Coast. Bureau, field survey, and laboratory studies were conducted, respectively, for the purpose of obtaining the targeted outputs; and findings and opinions were revealed by compiling the acquired data.
General geological findings were provided based on the field survey and literature studies conducted in the field of investigation. It was determined that sedimentary deposits from the Oligocene and Miocene epochs surfaced; that - from old to young - the Gürpınar formation, the Çukurçeşme formation, the Güngören formation, and the Bakırköy formation created stratigraphic distribution; and that the Miocene deposits came with angular unconformity over the Oligocene deposits. It was observed that while the layer slopes generally have a horizontal or very low slope, they increased at the points at which mass movements were seen. Samples were taken from 16 points in the field survey, and sieve analysis and Atterberg consistency limits tests were conducted in the ITU - Geological Engineering Department Index Properties Laboratory for the identification of the soil classification along with physical feature tests (pycnometer, porosity, and water content), which were conducted to identify the engineering and design parameters. The results obtained from the laboratory tests were combined, and soil identifications were made using the soil classification - USCS system. When the soil identifications for the 16 samples were examined, it was seen that the examination area was formed from mostly coarse sand and that graveled levels were common. Fine-grained units of soil, however, presented a spread in a limited area in the northern section throughout the Büyükçekmece coast.
Within the scope of the thesis study, the relationships between soil classification and slope stability were identified with the acquired data in the research area, which has been relatively untouched, which is on the edge of a lake, and in which it is known with previously conducted research that it is a risky region in terms of slope stability and mass movements on the European side of Istanbul. For the fine-grain soils, preliminary designs were presented for the slope regulations suitable for the probably urbanization to be done in future processes, and what the points are at which precautionary measures need to be taken should tension cracks in the slopes to be regulated form or should groundwater rise were presented.

For the coarse-grain soils, however, the equations that will provide the necessary depth for groundwater were revealed so that the safety number required under the designed conditions may be provided, and the relationships that these equations presented based on the soil properties were later examined. Slope stability calculations were made using the c=0 method for coarse-grain soils and the empirical method for fine-grain soils.
In the calculations for the fine-grain samples, the limit equilibrium analysis method was used by taking Gs=1, and the slope stability analyses were conducted with the infinite slope approach. The slope stability analyses were calculated based on the slow and fast loading scenario criteria with situations where the soil is completely dry and completely saturated, from the surface of the topography until a depth of 10 m. Seismic load is also taken into consideration for the final slope dimensioning in the calculations made in the fine-coarse soils. In the TS 8853/1991 standard, the safety number was specified as Gs=1.5 for the slope and fissured clays in the slope. Because the proximity of the research area to the North Anatolian Fault line is found within the 1st and 2nd degree seismic belt, it was specified as Gs=1.6 in the stage of the seismic analysis, and the slope analysis was completed. For situations of the rise of groundwater, which is a factor that will cause slope instability with time in the slopes for which preliminary designs are presented for the fine-grain soils, and of the formation of tension cracks in the immobile section of the slope; the slope stability was inspected with the reverse analysis method, and the critical static water levels (Hsu) and the lengths (L) and densities (D) of the mass that will offset the slope in relation to the tension crack.
Only the index-physical properties for the samples were used in the calculations of these preliminary designs that were made for the probable slopes to be made in this area in which fine-grain soils dispersed. It was first specified that the most suitable slope rate was 1.5:1 (horizontal-vertical, α=33.69°) for all slopes in the calculations made, without considering the seismic load. Seismic load was later added into these accounts, and the calculations were continued in this direction. Because it is known that the terrain is within the 1st and 2nd degree seismic zones near the North Anatolian Fault line and that it is a risky region in terms of mass movement, an attempt was made to remain on the safe side throughout all the calculations and the safety number (Gs) of 1.6 and a seismic coefficient (ky) of 0.25 were chosen. Thus, the objective is for the slope structures for which we have provided preliminary designs to survive a possible Istanbul earthquake with the least amount of damage. Should the groundwater be in the ground or on the surface, the serious differences between the vertical distances that were offered for the slopes, without considering seismic load, demonstrate how much drainage measures need to be paid attention to for the structure for any kind of urbanization. Should the groundwater level be decreased in a water-saturated slope for the fine-grain soil sections of the Gürpınar formation of the relationships between the critical slope heights that were specified for Gs=1, an equation has been suggested regarding what the slope height in the dry environment needs to be.
While the initial slope angle was 10° in the calculations made for the coarse soil, analysis was maintained for the analysis Gs=1 starting from the condition of the groundwater being 10 m. (YAS=10 m.) beneath the surface of the topography until the condition of its rising by approaching the surface of the topography of the groundwater level, throughout a possible sliding plane at a depth of 1 m., 2 m., and 3 m. from the surface of the topography. The analysis results identified what the groundwater level (YAS) will be for the situations in which the safety number (Gs) varies between 1-3 for a slope angle of 10° at each sample point for the course-grain soils, and general equations were recommended for course-grain levels of the Gürpınar formation. The Slope Angle-YAS relationship was examined in the slopes in which the slope angle varied between 20°-30° in the progressing section of the conducted analysis, and while Gs=1, general equations were recommended for the situations in which the sliding plane varied between 1-3 m. The relationships that the samples showed were later examined in both conditions. The Gs-YAS and Slope Angle-YAS relationships that the coarse-grain soil samples presented under the designed conditions were revealed with the equations. The obtained equations were generalized based on the soil classification, on there being sand or gravel, and lastly on there being coarse-grain soil all together, by making groupings and by using the geometric mean method. The equations generalized based on soil classification presented relationships close to each other. After the equations for each coarse-grain soil sample were grouped based on the soil classification, whether there was sand or gravel, and lastly on there being coarse-grain soil all together; a few low differences were seen on average when compared with the suggested equations. Equations were put forth that would be able to calculate the depth at which the groundwater level needed to be in a fast and reliable manner, if it is only known that the soil is coarse-grain, in order to be able to provide the safety number (Gs) values between 1-3 with the equations presented in the Gs-YAS condition and to provide the values between 10-30° for the slope angle with the equations presented in the Slope Angle-YAS condition. All of these evaluations that were conducted were based on field survey observations, information obtained from the literature, and calculations made with test results. This study put forward recommendations for slope designs for urbanization by using index and physical features, identified critical points for agents that may lead to slope instability, and researched the relationship between these with soil classes.
While it is known that the investigation area is a region that poses a risk in terms of mass movements, it is highly probably that its structuring will proceed in this direction and that with time, many structures will be constructed here. The scope of this study is in the presentation of suggestions of preliminary designs for slopes with the use of the points currently taken as examples and the data acquired from the decided laboratory tests, in the identification of the relationship between soil class-slope stability, with the help of the information in the literature. With the results of the tests conducted in laboratory conditions, it is obvious that the possibility that there may be differences between the natural conditions on the terrain will be unable to be evaluated with only 16 samples with all of a 56 km2 area, when considering that geological features can vary even in short distances.
It is necessary to conduct more detailed geological and geotechnical studies in the construction of comprehensive engineering structures. The equations and values that were revealed within the scope of this thesis may be used as a preliminary etude approach while conducting studies relating to the soil class that we described in the Gürpınar formation in the investigation area. It will be necessary to identify the sliding resistance values (internal friction angle and cohesion) for the undisturbed samples to be taken from the area over which an investigation is being considered. Considering the potential of an Istanbul earthquake in the future, settlement suitability evaluations that are supported with detailed geological and geotechnical research should be conducted in the untouched terrain to the east of Büyükçekmece Lake, which sits especially between the D-100 highway and the E-80 Europe Motorway; and geological soil etude reports need to be carried out based on the detailed zoning prior to the construction of the engineering structures.