Slope stability assessment of various road cuts with effects of weathering at North Eest Black Sea region (Turkey)

Abstract

Sıcaklık farklılıklarının, ıslanma-kurumanın, kimyasal çözeltilerin emiliminin ve diğer fiziksel ve kimyasal maddelerin etkisinden ötürü, boşluk hacmi, kırık, eklem, tabakalaşma yüzeyi ve fay içeren kayaçlar ayrışmaya eğilimlidir. Kazıyla örselenmiş kaya kütlesi ve topografik durumundan dolayı özellikle yol yarmaları ayrışmaya karşı oldukça duyarlıdır. Ayrışma ve erozyon, bir yol yarmasının kazı işlemleri sırasında ve hemen sonrasında, kazının etkisiyle yeni ortaya çıkmış bu kaya malzemesine etki edebilir. Mühendislik ömrü boyunca malzemeye etkiyen bu etmenler yol yarmasının özelliklerinin ve duraylılığının bozunmasını ve değişmesini sağlayabilir. Bu çalışmada, ayrışmış ve ayrışmamış kayaçların arasındaki farkları gözlemlemek için fiziksel ve kimyasal ayrışmanın kayaçların kesme dayanım parametlerine etkisi incelenmiştir. Ayrıca, dayanım, kohezyon, içsel sürtünme açısı, birim hacim ağırlık, su emme ve gözeneklilik gibi parametrelerin değişmesine yol açabilen bu ayrışmaların etkisiyle Türkiye'nin Kuzey Batı Karadeniz bölgesinde bulunan 20 yol yarmasının duraylılık değerlendirmesi çalışılmıştır. Kaya malzemelerinin durumunun karşılaştırılması ve şev duraylılığının analizi için, Schmidt çekici gibi yerinde ve tek eksenli basma dayanımı, nokta yükleme ve direk kesme gibi laboratuvar deneyleriyle ayrışmış ve taze kaya malzemelerinin parameterleri bulunmuştur. Schmidt geri sekme değerleri ve UCS arasındaki ilişkiyi yansıtmak için iki yeni denklem geliştirilmiştir. Buna ek olarak, kayacın ayrışmaya olan tepkisini incelemek adına suda dağılmaya karşı dayanıklılık deneyi ve kaya malzemesi içindeki killerin mevcudiyetini incelemek için de metilen mavisi deneyi uygulanmıştır. Bu çalışmalara ek olarak, yol yarmalarının duraylılık durumları SMR ve SSPC ampirik sistemleriyle belirlenmiştir. Ayrıca, yol yarmalarının ayrışmış ve taze bölgelerinin performansları değerlendirilmiş ve 2 boyutlu şev duraylılık ve kaya düşmesi analizleri modellenmiştir. Yol yarmalarının ilerideki araştırmaları için tavsiyelerle birlikte ampirik çözümlerin ve limit denge analizlerinin başarı oranları saha gözlemleriyle karşılaştırılmıştır. Buna göre, SMR metoduna oranla SSPC metodunun yol yarmalarının saha performanslarına daha benzer sonuçlar verdiği bulunmuştur. Suda dağılmaya karşı dayanıklılık deney sonuçları temel alınarak, kayaların saha dayanıklılıklarının değerlendirilmesi için iki deney döngüsünün yetersiz olduğu bulunmuştur. Saha gözlemleri ve duraylılık analizlerine göre, yüzeysel yenilmelerden ve bozunmalardan ötürü bazı yol yarmaları için drenaj kanallarının düzenli bakımı önerilmiştir.

Rocks containing pore spaces, fractures, joints, bedding planes and faults are prone to weathering due to effects of temperature differences, wetting-drying, chemistry of solutions absorbed, and other physical and chemical agents. Especially cut slopes are very sensitive to weathering activities because of disturbed rock mass and topographical condition by excavation. During and right after an excavation process of a cut slope, weathering and erosion may act on this newly exposed rock material. These acting on the material may degrade and change its properties and the stability of the cut slope in its engineering lifetime.In this study, the effect of physical and chemical weathering agents on shear strength parameters of the rocks are investigated in order to observe the differences between weathered and unweathered rocks. Also, slope stability assessment of twenty cut slopes located at North West Black Sea region of Turkey are studied by the effect of these weathering agents which may alter the parameters like strength, cohesion, internal friction angle, unit weight, water absorption and porosity. In order to compare the condition of the rock materials and analyze the slope stability, the parameters of weathered and relatively fresh rock materials are found with in-situ tests such as Schmidt hammer and laboratory tests like uniaxial compressive strength, point load and direct shear. In order to reflect the relation between Schmidt rebound values and UCS two new functions are developed. Moreover, slake durability and methylene blue tests are applied to investigate the response of the rock to weathering and presence of clays in rock materials, respectively. In addition to these studies, stability conditions of the road cuts are determined by two empirical systems namely Slope Mass Rating (SMR) and Slope Stability Probability Classification (SSPC). Furthermore, the performances of the weathered and relatively fresh zones of the cut slopes are evaluated and 2-D slope stability and rockfall analysis are modeled. Success rates of empirical solutions and limit equilibrium analyses are compared with field observations, with recommendations for further research for the cut slopes. According to this, SSPC method is found to give results similar to the field performances of the cuts slopes, compared to SMR. It is found that two testing cycles are insufficient to assess the field durability of the rocks based on the slake durability test results. According to field observations and stability analyses, periodic maintenance of the drainage channels is suggested for some road cuts due to surficial failures and degradations.