Afşin-Elbistan havzası Çöllolar bölgesindeki kuvaterner çökellerinin mühendislik özelliklerinin araştırılması

Abstract

Türkiye'nin güneydoğusunda yer alan Afşin Elbistan Havzası; yaklaşık 900 km2'lik alana ve deniz seviyesinden ortalama 1200 m yüksekliğe sahiptir. Havza tabanında ana kayayı karstik kireçtaşları oluşturmaktadır. Kireçtaşları ise yaklaşık 100 m kalınlığında kil tabakası tarafından örtülmüştür. Killerin üzerinde 20-50 m arasında linyit serisi, Linyitin üzerinde ise gidya çökelleri yer yer linyit ardalanmalı olarak çökelmiştir. Tüm bu istif Kuvaterner çökelleri tarafından örtülmüştür. Havzada; ekonomik değeri yüksek olan linyit serisi Kışlaköy ve Çöllolar sahalarında açık işletme yöntemi ile çıkarılmaktadır. Çöllolar açık ocak işletmesinde; 6 Şubat 2011 tarihinde güneybatı şevinde ve 10 Şubat 2011 tarihinde kuzeydoğu şevinde olmak üzere iki adet kütle hareketi meydana gelmiştir. Bu iki kütle hareketi arasında ikinci ve büyük olan hareket kuzeydoğu şevinin yenilmesinden kaynaklanmış ve hareket eden malzeme yaklaşık 2 km2 alan kaplamıştır. İlkinde 1 kişi, ikincisinde ise 10 kişi hayatını kaybetmiştir. Daha önceki çalışmalarda, Kahramanmaraş ili, Afşin-Elbistan ilçesi, Çöllolar bölgesinde meydana gelen kütle hareketlerinin oluş nedenleri, hareketleri tetikleyen parametrelerin neler olduğu hakkında henüz ortak bir görüş oluşmamıştır. Bölgede yapılacak olan çalışmalarla bu konu açıklığa kavuşturulmak istenmektedir.Çöllolar bölgesinin bir bölümüne ait çökellerde yapılan çalışmaların mühendislik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla farklı lokasyonlarda toplam 6 adet sondaj açılmış ve açılan sondajlardan 10 cm çapında ve 75 cm uzunluğunda 64 adet UD (örselenmemiş) numunesi alınmıştır. Alınan UD numuneleri tomografi cihazında tam kesit olarak taranmış, tarama sonrasında tüplerin içerisindeki numunelerin fiziksel durumları incelenmiş olup hasar gören ya da görmeyen numuneler tespit edilmiş ve deney yapmaya elverişli olan numuneler ayrılarak gruplandırılmıştır. Bu numuneler içinden seçilen 5 adet UD numunesi bu tez çalışmasında kullanılmıştır.Seçilen numuneler mekanik bir alet yardımı ile tüplerden çıkarılmış ve numunelerin yerinde su içeriklerini tayin etmek amacıyla doğal su içeriği deneyi yapılmıştır. Bu deneyden elde edilen sonuçlar diğer deneylerde elde edilebilecek sonuçlara katkı sağlaması açısından önemlidir. Deneyler sonucunda numunelerin doğal su içerikleri %28-33 arasında değişmektedir.Zeminlerin tane boyu dağılımlarını bulabilmek ve dağılımdan elde edilen sonuçlardan zeminin bulunduğu paleo-ortamı yorumlayabilmek amacıyla tane boyu analizleri yapılmıştır. UD-59 numaralı numune homojen, UD-28, UD-44, UD-46 ve UD-60 numaralı numunelerin heterojen dağılım göstermiştir ve ince taneli delta çökelleri ve göl ortamını niteledikleri gözlemlenmiştir. 8-0,063 mm tane boyutuna kadar ıslak ve kuru eleme; 0,063'ten küçük malzeme için hidrometre analizi yapılmıştır. Atterberg kıvam limitlerine göre; likit limit değerleri %39-86 arasında bulunmuş, plastik limit değerleri ise yaklaşık %29-36 arasında hesaplanmıştır. Daha sonra plastite indisi için %11-50 arasında değerlere ulaşılmıştır. Bu sonuçlar, Raman 1973 tarafından modifiye edilen Cassagrande plastisite abağına yerleştirilerek zemin numunelerinin dahil olduğu gruplar ortaya çıkarılmış, tane boyu dağılımları ve Atterberg limitleri ile numunelerin hangi zemin sınıfına ait olduğu USCS'e (Birleştirilmiş Zemin Sınıflama Sistemi) göre belirlenmiştir. HY-3 sondajına ait 35,90-36,65 m aralığında alınan UD-28 numunesi CH (yağlı kil) olarak, HY-4 sondajına ait 28,07-28,47 m aralığında alınan UD-44 ve 29,22-29,97 m aralığında alınan UD-46 numuneleri ML (kumlu silt), HY-5 sondajına ait 28,25-29,00 m aralığında olan UD-59 ve 3,50-34,25 m derinlikten alınan UD-60 numuneleri CH sembollerinde olup yağlı kil olarak tanımlanmıştır.Atterberg kıvam limitlerinden numunelerin plastisite indisi-kil yüzdesi grafiği oluşturulup Van der Merwe aktivite abağı yardımıyla aktivite grafiği hazırlanmıştır. Grafiğe göre numunelerden; UD-44 ve UD-46'nın düşük, UD-28'in yüksek, UD-59'un yüksek aktiviteye ve UD-60'ın ise çok yüksek aktiviteye sahip oldukları görülmüştür. Bu aktivite değerleri hassasiyet dereceleri ile kıyaslanınca düşük aktiviteye sahip zemin malzemelerinin düşük hassasiyete, çok yüksek aktiviteye sahip numunelerin ise az hassasiyete sahip olduğu görülmüştür.Gerçekleştirilen Enslin-Neff deneyi, zemin numunelerinin su alma kapasitesini ölçmek amacıyla yapılmıştır. 1 g deney numunesinin alabileceği su miktarları ölçülmüştür. Deneyde ilk artan su içeriği değeri kapilariteyi gösterirken, en son ulaştığı sınır zeminlerin şişebilme özelliğini göstermektedir. Enslin-Neff deney sonuçlarına göre numunelerin su alma kapasitesi %58-83 arasında değişmektedir.Ödometre deneyi sonucunda numunelerin ıslak başlangıç yoğunlukları 1,7-1,9 g/cm3, deney sonundaki ıslak yoğunlukları ise 2,0 g/cm3, kuru haldeki başlangıç yoğunlukları 1,2-1,5 g/cm3 ve deney sonundaki kuru yoğunlukları 1,4-1,6 g/cm3 olarak belirlenmiştir. Zeminlerin kayma mukavemetlerinin doğrudan belirlenmesinde uygulanan deneylerden bir tanesi de laboratuvar vane deneyidir. Laboratuvar vane deneyi; arazide yapılan vane deneyine benzer nitelikte olan laboratuvar ortamında yapılan deneydir. Bu deneyde zeminlerin hassaslık dereceleri doğrudan hesaplanabilmektedir. Ancak deney, araziden alınan örselenmemiş numune üzerinde uygulanamamış sadece yeniden şekillendirilmiş numuneler üzerinde uygulamıştır. Bu sebeple sadece kayma mukavemetleri bulunabilmiştir. Deney sonucunda yeniden şekillendirilmiş numunelerin kesme dayanımı değerleri hesaplanırken yoğunluklarının arazideki yoğunluğa eşit ya da yakın olmasına özen gösterilmiştir. Laboratuvar vane deneyinde kullanılan numune kabının hacmi ve ağırlığı bilindiğinden numunelerin yoğunlukları hesaplanabilmiştir. Deneye başlamadan önce numune kabına konulan malzemelerin 1,7-1,8 g/cm3 arasında değişen yoğunluklara sahip olduğu gözlenmiştir. Bu yoğunluklar hesaplanırken ödometre deneylerinden elde edilen yoğunluklar dikkate alınmıştır. Vane testi kesme dayanımı yay-1 abağı kullanılarak içerdeki açı değerine karşılık gelen kesme dayanımı değerleri hesaplanmıştır. Abaktan elde edilen okumalar sonucunda 5-29 kN/m2 arasında değişen değerler belirlenmiştir.UD-44 ve UD-60 numunelerinin hassaslık derecelerinin saptanması için ilk olarak örselenmemiş numunelerin kesme parametreleri ve daha sonra da yeniden şekillendirilmiş numunelerin kesme parametreleri hesaplanmıştır. Örselenmemiş numune kesme gerilmesi ile yeniden şekillendirilmiş numune kesme gerilmeleri oranı hassasiyet derecesini vermektedir. Kayma parametrelerinin belirlenmesi amacıyla drenajlı doğrudan (direk) kesme deneyi yapılmıştır. 44 ve 60 nolu numuneler üzerinde uygulanan direk kesme deneyi hesaplarına göre numune kesme parametrelerinden içsel sürtünme açılarının maksimum değerleri kabaca 12-26, kalıcı değerler ise kabaca 6-13 arasında değişmiştir. Kohezyon değerleri ise maksimum değerlerde 43-139 kN/m2, kalıcı değerlerde ise 32-85 kN/m2 arasında bulunmuştur. Hassasiyet dereceleri, UD-44 nolu numunede 200 kN için 1,2, 400 kN için 1,5 ve 800 kN için 1,7 olarak, UD-60 nolu numunede ise 200 kN için 1,9, 400 kN için 1,9 ve 800 kN için 1,4 olarak hesaplamıştır. Bu değerler sonucunda çalışma alanındaki zeminlerin hassaslık dereceleri, Skempton ve Northey (1952) sınıflamasına göre az hassasiyetli zemin kategorisine girmektedir.Hassas killer daha çok Kanada ve Norveç'de olduğu gibi buzul çökellerinde görülen killerden oluşmaktadır. Ancak Afşin Elbistan heyelanı malzemesi buzul ortamında çökelmiş bir malzemeden meydana gelmemesine rağmen hassas kil özelliği göstererek, heyelanların oluşumları ve oluşum ortamı farklılıkları açısından dikkat çekmektedir.

Afşin Elbistan basin, which is located in the Southeastern of Turkey, has an area of approximately 900 km2 and an average altitude of 1200 m above mean sea level. At the base, karstic limestones form the main rock. The karstic limestones are covered by a clay layer with a thickness about 100 m. A series of lignite deposits, which have the thickness of 20-50 m, overlie the clay layer. Above lignite layer, gytja was deposited. This entire sequence is covered by the Quaternary sediments. The lignite series, which are highly profitable, had been excavated in the Kışlaköy and Çöllolar Region by using open pit mining method at the basin formed in the lake environment. Two landslides, of which the first one occured on the southwestern slope on February 6, 2011, and the second one occured on the northeastern slope on February 10, 2011 in Çöllolar open pit mining. The second and the largest landslide of them resulted from the failure of the northeastern slope and the landslide material covered an area about 2 km2. In the first landslide 1 person and in the second landslide 10 people lost their lives.In previous studies, there was not a common opinion about the reasons of mass movements and what parameters triggered these movements in the Kahramanmaraş Province, the Afşin-Elbistan District, the Çöllolar Region. It is desired to clarify this issue by the work to be done in the region.Totally 6 boreholes were opened at different locations to determine the engineering properties of the Quaternary sediments at the Çöllolar Region. 64 undisturbed (UD) samples which are 10 cm in diameter and 75 cm in length were taken from the drilled holes.The UD samples were scanned in full section by the tomography device. After the scanning process, the physical conditions of the samples in the tubes were examined to observe whether samples were damaged or not. The samples suitable for the experimental study were separated from other samples. 5 UD samples selected from these samples were used in this thesis study.The selected samples were removed from the tubes by a mechanical tool ,and natural water content test was conducted in order to determine the in-situ water content of the samples. Results obtained from this experiment are important in terms of contribution for further experiments. As a result of the experiment, the natural water content of the samples varies between 28% and 33%.According to the results of analyses, it was observed that UD-59 samples had homogeneous distribution, yet the UD-28, UD-44, UD-46, UD-60 samples had heterogeneous distribution, and characterized by fine-grained delta sediments and lake environment. The wet and dry sieve analyses and hydrometer analysis were used to determine grain size distribution. The grains having size from 8 mm to 0,063 mm were tested by using wet and dry sieve analysis, and the other grains having size less than 0,063 mm were tested by using hydrometer analysis. According to the Atterberg limits, liquid limit values were found between 39% and 86%. The plastic limit results were measured between 29% and 36%. With the results obtained from these two experiments, the plasticity index was measured between 11% and 50% values. The groups in which the soil sample was included were found by putting those samples into the Cassagrande plasticity chart modified by Raman (1973). By using the data of grain size distributions and Atterberg limits obtained from various experiments, soil class of the samples was determined according to the USCS (Unified Soil Classification System). UD-28 sample taken from the 35,90-36,65 m range from the HY-3 borehole was determined as CH (fat clay). UD-44 sample taken from the 28,47-28,47 m range and UD-46 sample taken from the 29,22-29,97 m range from the HY-4 borehole were resulted in ML (sandy silt), respectively. UD-59 sample taken from the depth of 28,25-29,00 m range and UD-60 sample taken from the depth of 3,50-34,25 m range from HY-5 borehole were defined as CH (fat clay).Plasticity index-clay percentage graph of samples from Atterberg consistency limits was prepared, and activity graph was prepared with help of Van der Merwe (1964) activity subdivision. According to the graph, UD-44 and UD-46 have low activity, UD-28 has moderate activity, UD-59 has high activity and UD-60 very high activity. By comparing the degrees of sensitivity and activity values, soil samples with low activity have been found to have low sensitivity whereas soil samples with relatively very high activity have been found to have less sensitivity.The Enslin-Neff test was conducted to measure the water uptake capacity of soil samples. The amount of water that 1 g test sample can be taken was measured. In the experiment, the first increasing water content value indicates the capillarity, where the the top value refers to the degree of swelling of the soil. According to Enslin-Neff test results, the water uptake capacity varies between 58% and 83%. As a result of the oedometer test, the initial wet densities of the samples were 1,7-1,9 g/cm3, where final wet densities were 2,0 g/cm3. The initial dry densities were 1,2-1,5 g/cm3, where final dry densities were determined as 1,4-1,6 g/cm3.One of the tests which is applied to determine the shear strength of the soil is vane test. It enables to calculate the degrees of sensitivity of soils directly. The undisturbed samples were not able to be used for vane test. Hence, laboratory vane experiment was carried out with only reshaped samples obtained from undisturbed samples. Therefore, the only value obtained from vane test is shear strength of soil samples. They had densities ranging between 1,7-1,8 g/cm3. When these densities are found, the densities obtained from the oedometer experiments are taken into account. Shear strength was determined from the vane test by using spring-1 abutment. The shear strength values corresponding to the angle on abutment face were determined. According to the laboratory vane test results, average value is 15 kN/m2 for remoulded shear strength of UD-28, average value is 15 kN/m2 for UD-44, average value is 10 kN/m2 for UD-46, average value is 25 kN/m2 for UD-59 and average value is 22 kN/m2 for UD-60 sample.Direct shear test was applied in order to determine the shear parameters. For the calculation of degree of sensitivity of UD-44 and UD-60 samples, firstly the shear parameters of undisturbed samples were calculated and then the shear parameters of remoulded samples were determined. The ratio between the shear strength of undisturbed and remoulded samples refers to the degree of sensitivity. According to the direct shear test calculations, applied on sample 44 and 60, the peak values of internal shear angles vary between 12 and 26 degrees, and the residual values are ranged from 6 to 13 degrees. The cohesion values were found between 32-139 kN/m2. Based on experiments carried out, sensitivity for sample UD-44 were found as 1,2 for 200 kN, 1,5 for 400 kN and 1,7 for 800 kN. The sensitivity were determined as 1,9 for 200 kN, 1,9 for 400 kN and 1,4 for 800 kN for sample UD-60. These values fall into the class of less sensitive soil according to Skempton and Northey (1952) the classification of the sensitivity of soil. Engineering properties of soil such as internal friction angle, cohesion and index properties of soils show harmony between the Çöllolar field and the Norwegian sediments. UD-44 and UD-60 were chosen between 5 UD samples. Since these two samples were completely different from each other according to the grain size analysis and atterberg limit. According to the direct shear test, the 200 kN load did not cause any changes in the seating of material. The UD-60 clay sample had previously been subjected to a load more than 200 kN and the 200 kN load showed no effect on the vertical behaviour of the material. On the other hand, 400 kN had caused a change in vertical position. Sensitive clay deposits mostly consist of clays seen in the glacial environment as in Canada and Norway. However, Afşin-Elbistan basin is one of the distinctive basins in the world which includes sensitive clay even it was not formed in the glacial environment.