Kırıklı, çatlaklı kayada açılacak derin yarma şevlerin tasarımı: Vaka analizi, Suudi Arabistan, Riyad örneği
Design of deep cut slopes in fractured, jointed rocks: Case study of Riyadh, Saudi Arabia
Yazar: ÇİÇEK ÜSTÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN BOZKURTOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Jeoloji Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Suudi Arabistan'ın başkenti Riyad'a 45 km uzaklıkta yeni bir şehir ve eğlence merkezi kurulması planlanmaktadır. Proje kapsamında şehre ulaşım için inşa edilecek otoyol güzergâhı, bölgenin jeomorfolojik özellikleri nedeni ile 200 metreye varan bir kot farkına rastlamaktadır. Kot farkının azaltılması ve otoyolun güvenli bir şekilde inşa edilebilmesi için bölgede yol yarması yapılması planlanmıştır. 
Çalışma alanında yapılacak yol yarması için saha araştırmaları yapılmıştır. Bu kapsamda yol yarmasının çevresinde dört adet sondaj gerçekleştirilmiş, sondajdan çıkarılan kaya numuneleri incelenmiş ve numuneler üzerinde saha ve laboratuvar deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan incelemeler ve deneyler sonucunda çalışma alanındaki kırıklı, çatlaklı killi kireçtaşı kayasının ortalama tek eksenli basınç mukavemetinin (σB) 18,7 MPa ve elastisite modülünün (E) 6300 MPa olduğu anlaşılmıştır. Sahada yapılan deneyler ile elde edilemeyen diğer jeomekanik parametreler ise taştan kayaya yaklaşımı çerçevesinde RocLab (2015) bilgisayar programı ile saptanmıştır. Buna göre; kayacın kohezyonu (c) 230 kPa ve içsel sürtünme açısı (ϕ) 25° olarak bulunmuştur. 
Sahada yapılan ölçümlerden elde edilen veriler ile bölgedeki kayaçlar, kaya kütle derecelendirme, jeolojik dayanım indeksi ve Q sisteme göre sınıflandırılmıştır. Her üç sınıflama sonucuna göre çalışma sahasındaki kaya kütlesi orta kaliteli olarak tayin edilmiştir. Ayrıca Q sistem sınıflamasına göre bu tip kayaçta gerçekleştirilecek kazılarda şev stabilitesinin sağlanması için destek sistemi, ilgili abaklar vasıtasıyla bulunmuştur. Açılacak şevin gerçekten desteğe ihtiyaç duyup duymadığını kontrol etmek adına yapılması planlanan desteksiz palyeli şev sistemi, Rocscience RS2 (2023) bilgisayar programında analiz edilmiştir. Analiz sonucuna göre kritik SRF değeri 1,4 olarak bulunmuştur. Şevlerin desteksiz duraylılığı için minimum 1,5 güvenlik sayısı gerektiğinden şevlerin desteklenmemesi durumunda duraylı olmayacağı ve kazının güvenli yapılamayacağı anlaşılmıştır. 
Çalışma alanında yapılacak şev kazısı için destek sistemi tasarlanmıştır. Literatürde önerilen yöntemlere göre ankrajlı şev sistemi tasarlanarak yol yarmasının yapılmasına karar verilmiştir. Ankrajlar, 7 halatlı, 10 m serbest boy, 6 m kök boy ve 3 m aralıklarla olacak şekilde tasarlanmıştır. Ankrajların bu parametrelerle şev yüzeylerindeki çalışma yükünü taşıyabileceğini saptamak adına sahada ankraj testi gerçekleştirilmiştir. Test sonucuna göre ankraj halatlarında gözlenen uzama değerleri izin verilen sınırlar içinde kalmaktadır. Böylece ankrajların çalışma yükünü karşılayabildiği saptanmıştır. 
Yapılan bu ankrajlı şev tasarımının, şevde duraylılığı sağladığını kanıtlamak adına Rocscience RS2 programında analizler yapılmasına karar verilmiştir. Proje tasarımına göre güvenlik sayısını arttırmak için kazı kademeli olarak yapılacaktır. Buna göre her kademedeki kazı tamamlandıktan sonra aynı kademedeki ankraj imalatları yapılacak, ardından bir alt kademedeki kazıya geçilebilecektir. Bu proje tasarımına göre her kademe, Rocscience RS2 programında analiz edilmiş ve her bir kademenin minimum SRF değerini sağlayıp sağlamadığı irdelenmiştir. Ankrajlar ile desteklenmiş şev sistemi, Rocscience RS2 programında incelendiğinde her bir kazı kademesinde minimum SRF değeri sağlanmıştır. Kazının en alt kademesinde yapılan analiz sonucu kritik SRF değeri 1,52 olarak tayin edilmiştir. Ancak yapılan analiz sonucunda bazı kazı kademelerinde ankraj köklerinin deformasyon zonu içinde kaldığı saptanmıştır. Bu nedenle literatürde önerilen analitik yöntemlerle tasarlanan ankrajlar güvenlik sayısı bakımından yeterli görünse de yapılan analizler sonucu ankraj köklerinin deformasyon zonunun içinde kaldığı durumlarda analitik yöntemlerin tasarımda yetersiz kaldığı belirlenmiş ve bu durumlarda ankraj boylarının uzatılması önerilmiştir.

Abstract:
A new city and entertainment centre are planned to be established 45 km away from Riyadh, the capital of Saudi Arabia. By creating a modern urban hub catering to the needs of residents and visitors, Saudi Arabia aims to overcome the dependency on petrol. The new city consists of entertainment parks and accommodation areas. One of the key aspects of the project is the construction of a highway route that connects the new city to Riyadh and surrounding areas. However, the region's geomorphological characteristics present a significant challenge, as the highway encounters an elevation difference of up to 200 meters due to the natural terrain variations. To address this challenge, decrease the elevation difference and ensure the safe construction of the highway, a road cut is planned for the area. The road cut will involve the removal of a significant amount of rock to reduce the elevation difference. Before commencing such a task, it is essential to gather detailed information about the geological conditions and the properties of the rock mass in the working area.
To obtain this information, thorough field investigations have been conducted. Four boreholes have been drilled around the road cut site, allowing geological engineers to extract rock samples for examination. These samples have been subjected to field and laboratory tests to determine their geomechanical properties. The rock in the work area has been identified as fractured, jointed soft clayey limestone, with an average uniaxial compressive strength (σB) of 18.7 MPa and an elastic modulus (E) of 6300 MPa. These parameters provide crucial insights into the strength and stiffness of the rock, which are vital for designing the road cut and support systems.
In addition to the field and laboratory tests, certain geomechanical parameters that cannot be obtained directly from the samples have been determined using specialized computer programs. The RocLab (2015) program has been utilized to determine the cohesion (c) of the rock, which has been found to be 230 kPa. The internal friction angle (ϕ) has also been determined through the program, yielding a value of 25°. These parameters play a significant role in understanding the behaviour of the rock mass and its stability under different loading conditions.
The data obtained from field measurements and laboratory tests have then been used to classify the rock masses in the area according to three widely used systems: the Rock Mass Rating (RMR), Geological Strength Index (GSI), and Q system. These classification systems consider various geological and geomechanical parameters to assess the quality and stability of the rock mass. In this case, all three systems have indicated that the rock mass in the study area is of fair quality. This information is crucial for further design considerations and support system selection.
The Q system classification, in particular, has provided valuable guidance for determining the appropriate support system required for the excavation in this type of rock. Through the use of charts and empirical relationships, the Q system helps engineers to evaluate the stability and design suitable support measures for excavation projects. The charts have suggested the need for an anchored slope system to ensure the stability of the slopes during the construction of the road cut.
To assess whether the slope truly requires a support system to be excavated safely, the unsupported bench slope design has been analysed in the Rocscience RS2 (2023) computer program. According to the results of the analysis, the critical strength reducing factor (SRF) value has been found to be 1.4. Since a minimum safety number of 1.5 is required for the stability of the slopes without a support system, it is concluded that if the slopes are not supported, there will be stability problems during rock cut excavation. 
Considering the recommendations found in the literature, an anchored slope system has been chosen for the excavation of slopes in the study area. The design involves the installation of anchors with specific parameters, including 7 strands, 16 meters of total length, 10 meters of free length, 6 meters of bond length, and 3 meters of out-of-plane spacing. These parameters have been carefully selected in accordance with the suggested analytical methods to ensure the stability of the cut slopes and the capacity of the anchors to withstand the working load.
To validate the suitability of the designed anchors and their ability to bear the working load on the slope surfaces, an anchor test has been conducted in the field. During the test, the elongation values in the anchor strands have been monitored and compared against the allowed limits. The results of the test have indicated that the observed elongation values have remained within the acceptable range, confirming that the anchors can effectively withstand the working load and provide the necessary support to the slopes.
To further demonstrate the stability of the designed anchored slope, analyses have been performed using specialized computer program, Rocscience RS2. This program utilizes finite element method to simulate the behaviour of the slopes under different loading and boundary conditions. In the case of this project, the excavation has been planned to be carried out in stages, allowing for increased factor of safety throughout the process. After completing the excavation at each stage, anchor installations will be performed, followed by the excavation of the lower stage.
Each stage has been separately analysed in the Rocscience RS2 program based on this project design to evaluate the minimum SRF value and assess the stability of the slopes. The analysis results for the anchored slope system have confirmed that each stage meets the minimum SRF value. In the Rocscience RS2 program analysis for the lowest stage of excavation, the critical SRF value has been determined to be 1.52. However, as a result of the analysis, it has been determined that the anchor bonds remain within the deformation zone at some excavation levels. Therefore, although the anchor lengths designed with the analytical methods proposed in the literature appear to be sufficient, it has been determined that analytical method may be insufficient in cases where the anchor bonds remain within the deformation zone. In such cases, it is recommended to extend the anchor lengths in design. 
In conclusion, the establishment of a new city and entertainment centre near Riyadh, Saudi Arabia, has necessitated the construction of a highway route that encounters significant elevation differences. Through careful field investigations, geological engineers have been able to determine the properties of the rock mass in the work area and classify it as soft clayey limestone. The geomechanical data obtained from field tests, laboratory experiments, and specialized computer programs have played a crucial role in designing an appropriate support system for the excavation of slopes. The chosen support system has involved the installation of anchors, and a field anchor test has confirmed their suitability and ability to withstand the working load. Analyses using specialized computer program have verified the stability of the designed anchored slope at each stage of excavation. The results have indicated that the critical SRF values have been met, ensuring the stability and safety of the slopes throughout the construction process. However, depending on the analysis, the anchor bonds have remained in the deformation zone, concluding that the designed anchor lengths should be extended to move the anchor bonds away from the deformation zone even if the results meet the minimum SRF value.