Kaya şev stabilitesi analizlerinde farklı yöntemlerin karşılaştırılması

Abstract

Her geçen gün gerçekleştirilen yeni gelişmelere rağmen geoteknik mühendisliğinin doğasında yer alan belirsizlikler nedeniyle şev stabilitesi analizleri karmaşık ve zorlu problemler olma özelliğini devam ettirmektedir. Şev stabilitesi analizlerinin gerçekleştirilmesi için göreceli olarak basit formülizasyonu, minimal girdi parametreleriyle hızlı ve kolay analiz yapılabilmesi ve dünya genelinde geniş çaplı tecrübe edinilmişliği nedeniyle limit denge analiz yöntemleri son derece yaygın olarak kullanılmaktadır. Makaslama dayanımı azaltımı yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen sayısal analizler ise malzemelerin gerilme-birim deformasyon davranışlarını dikkate almakta ve deformasyonlar hakkında da bilgi sunmaktadır. Bu nedenle, sayısal analizler yenilme mekanizmalarının ve kritik kayma ve/veya ayrılma yüzeylerinin belirlenmesiyle güvenlik katsayısı hesaplanması yönünden avantaj sağlamakta, dolayısıyla limit denge analiz yöntemlerine bir alternatif olarak sunulmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, süreksizliklerin şev yenilme mekanizmasında ana etken olduğu 3 adet vaka üzerinde limit denge, sonlu elemanlar ve ayrık elemanlar yöntemleri kullanılarak toplam 71 şev stabilitesi analizi gerçekleştirilmiştir. İncelenen süreksizlik kontrollü şev mekanizmalarında bazı denge denklemlerini ve dilimlerarası kuvvetleri ihmal etmeleri nedeniyle en düşük güvenlik katsayısını Bishop ve Düzeltilmiş Janbu yöntemleri vermiştir. Tüm denge denklemleri ve dilimlerarası kuvvetleri dikkate alan Spencer, Morgenstern-Price ve Sarma yöntemleriyle ise birbirine oldukça yakın ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Sarma düşey olmayan dilimler yöntemi ise diğer limit denge yöntemlerine kıyasla %80'lere ulaşan mertebede daha yüksek güvenlik katsayıları vermiştir. Sayısal analiz sonuçlarına göre ise hem güvenlik katsayıları hem de yenilme mekanizmaları Spencer, Morgenstern-Price ve Sarma yöntemleriyle uyumlu bulunmuştur. Sayısal analizlerin gerilme-birim deformasyon davranışlarını dikkate alması ve deformasyonlar hakkında bilgi sunması nedeniyle, özellikle süreksizlikler gibi yapısal elemanlar kontrollü yenilmelerin bekleneceği şev stabilitesi analizlerinde limit denge yöntemlerinin yanı sıra sayısal analiz yöntemlerinin de kullanılması, tasarım amaçlı karar verme aşamasında bu yöntemlerin karşılaştırılarak sonuca ulaşılması önerilmektedir.

Despite the new improvements, slope stability problems remain as one of the most complex and challenging problems due to uncertainties in the nature of geotechnical engineering. Due to the relatively simple formulization, capability of implementing fast and easy analysis with minimum input parameters and extensive worldwide experience, limit equilibrium methods are commonly used to conduct slope stability analysis. On the other hand, numerical slope stability analyses conducted using the shear strength reduction method consider the stress-strain behavior of the materials and also provide information about deformations. Hence, they are initiated as an alternative to limit equilibrium methods as they provide an advantage in determining failure mechanisms and critical shear and separation surfaces. In this thesis, a total of 71 slope stability analyses were conducted using limit equilibrium, finite elements, and discrete elements methods on 3 different cases, which discontinuities are the main determinants. The lowest factor of safety values were estimated using Bishop and Corrected Janbu methods due to their assumptions on both interslice forces and equilibrium equations. Also, considerably close and compatible results were obtained using Spencer, Morgenstern-Price, and Sarma methods which consider all interslice forces and equilibrium equations. Furthermore, factor of safety values as much as 80% were calculated using Sarma-Non Vertical Slices method compared to the other limit equilibrium methods. According to the results obtained from numerical slope stability analyses, compatible factor of safety values and failure mechanism were obtained compared to the Spencer, Morgenstern-Price, and Sarma methods. According to the attained results, it is suggested that; numerical analysis methods should also be used in slope stability analysis as well as limit equilibrium methods, especially when discontinuity controlled failure mechanisms are expected and results obtained using these different methods should be compared at the design based deciding phase.