|
ZEMİN SIVILAŞMASI Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU Doç. Dr. Mim. Nihal ARIOĞLU Dr. Müh. Ali Osman YILMAZ 1.Giriş Depremin oluşturduğu
titreşimlerin etkisiyle gevşek, sature -suya doygun- durumdaki taneli
zeminlerin taşıma kapasitelerini kaybederek “sıvı” gibi davranış
göstermesine geoteknik literatüründe “zemin sıvılaşması”
denilmektedir(*). Sıvılaşmada toplam düşey basınç
Zemin sıvılaşma konusuna pratik mühendislik açısından bakıldığında, aşağıda sıralanan şu konular önem kazanmaktadır:
Bu çalışma, yukarıda kısaca değinilen noktaları işlemek üzere hazırlanmıştır. Ayrıca; yazı kapsamında ele alınan konuların daha iyi anlaşılmasını sağlamak amacıyla çeşitli sayısal örnekler yapılmıştır. 2. Deprem Kaynak Büyüklükleriyle Zemin Sıvılaşması Arasındaki İlişkiler 2.1 Genel Depremin fiziksel etkileri arasında önemli bir yeri olan zemin sıvılaşması olgusunun boyutları ilkin 1964 Niigata ve 1964 Alaska depremlerinde ciddi bir şekilde algılanmaya başlanmıştır. Genel olarak “zemin sıvılaşması”nın yol açtığı üç tür arazi stabilite sorunu sözkonusudur. Bunlar aşağıda kısaca açıklanmıştır:
Etkileri: Sıvılaşan katmanlar üzerinde bulunan binalarda ciddi boyutlarda düşey oturmalar-farklı oturmalar- ötelemeler-devrilmeler. Örneğin 1964 Niigata depremi-1999 Doğu Marmara depreminde Adapazarı’ndaki alüvyal malzemeler içeren katmanlarda gözlenen ciddi bina oturmaları. (Tığcılar Mahallesi-Cumhuriyet Mahallesi. Bu bölgelerde yeraltı su seviyesi yüzeyden itibaren 1-2 m derinlikte -yaklaşık 1.5 m derinlikte başlayan ve 5 ile 20 SPT değerinde plastik olmayan silt ve kum katmanları- ortalama dane boyutu D50 = 0.1 mm, efektif boyut D10 = 0.02 mm).
Genellikle % 5 eğimden küçük arazide gözlenen yanal yayılma, sıvılaşmadan kaynaklanan kayma dayanımı kaybının neden olduğu bir yüzey hareketidir. Yüzeyde belirli kalınlıktaki katman “sıvılaşan katman”ın üzerinde hareket eder (Şekil 1) (Manual, 1993). Etkileri: Yüzeyde gözlenen bu hareket sonucunda binalar özellikle rijit binalarda çekme gerilmelerinden kaynaklanan ciddi çatlaklar-farklı oturmalar oluşur. Örneğin 1999 Doğu Marmara depreminde Gölcük-Çınarcık kıyı şeridi içinde özellikle Kavaklı sahilinde körfeze doğru kayan alanlar. Değirmendere’nin Çınarcık lokasyonunda kıyı şeridinin bir bölümü körfeze doğru kaymıştır. Sapanca gölünün güney kıyısında da zemin sıvılaşmasından kaynaklanan önemli yanal hareketler oluşmuştur (Kasapoğlu ve arkadaşları, 1999). · Akma hareketi Akma hareketi prensip olarak yanal hareketin daha geniş bir bölgeye yayılmış biçimi olup, genellikle % 5 eğimden daha büyük arazide oluşur. Etkileri: Binalarda yanal yer değiştirmeler, farklı oturmalardan dolayı ciddi yapısal hasarlar sözkonusudur. Binaların maruz kalacağı “farklı oturma” değerleri “yapısal hasarlar”ın düzeyini belirler. Gerek yanal yayılmada gerekse akma hareketinde gözlenen maksimum çökme değerleri binalarda izin verilebilir çökme değerlerinden (50-60 mm) daha büyüktür. 2.2 Regresyon Analizi İle Çıkarılmış Bağıntılar Sismoloji konusunda ciddi ve kapsamlı çalışmalarıyla tanınan Ambraseys 1988 tarihinde makalesinde literatürde rapor edilen deprem kaynaklı zemin sıvılaşma ham verilerini (veri sayısı n = 137adet) regresyon analiziyle değerlendirmiştir. Anılan araştırmacının elde ettiği bağıntılar topluca Çizelge 1’de verilmiştir. (1) ve (2) nolu regresyonların değişimleri Şekil 2 ’de görülmektedir (Ambraseys,1988). Şekil 2 yakından incelendiğinde aşağıdaki pratik sonuçlar çıkartılmaktadır: · Depremin büyüklüğü -Mw-sismik moment bazında- ile merkezüssünden sıvılaşma potansiyeli bulunan bölgeye uzaklık “Le” arasında anlamlı bir logaritmik bağıntı vardır. Örneğin Mw = 5 büyüğünde bir deprem ancak merkez üssüne 2 km uzaklıkta bulunan bir bölgede sıvılaşma olayına neden olabilir. Mw = 7 büyüklüğünde bir deprem durumunda ise sıvılaşma 100 km’lik bir uzaklık içinde gözlenebilecektir. Daha açık bir deyişle, merkezüssü ile sıvılaşma olasılığı olan bir bölge arasında uzaklık Le = 175 km ise bir “sıvılaşma tehlikesi” sözkonusu değildir.
· Verilen bir deprem büyüklüğünde (Lm-Lf) farkı bir anlamda yeryüzünde deprem sonucunda kırılan fayın geometrik uzunluğunu “L” belirler. Özellikle Mw = 6.5 ile Mw = 7.5 arasındaki deprem büyüklüklerinde L=¦ (Lm- Lf) değişimi sismoloji literatüründe verilen fay uzunluğu =¦ (deprem büyüklüğü) değişimleriyle oldukça iyi sayılabilecek bir uyum sergilemektedir (Ambraseys,1988) (L= yeryüzünde kırılan fayın geometrik uzunluğunu ifade etmektedir). Joyner-Boore, 1981 maksimum yatay yer ivmesi “a” ile moment büyüklüğü “Mw” ve odak uzaklığı “r” arasındaki istatistiksel azalım ifadesi zemin bölge- leri için log(a) = -1.02 + 0.249 (Mw) -log(r) -2.55.10-3(r) + 0.26 P (4) şeklinde tanımlamaktadır. (5.5 £ Mw £ 7.7). İvme “g” cinsinden elde edilmektedir. Burada: r = Lf = Faya en yakın mesafe-dik uzaklık-,km P= Bir faktör. % 50 güven derecesi için P = 0., % 84 için P = 1 kabul edilmektedir. Eğer kritik yer ivmesi “Kc” (a=Kc) ile ifade edilirse (4) bağıntısına karşı gelen “Lf ” ve “Mw” büyüklükleri 2. Bağıntıya uyarlanırsa Kc=¦ (Mw) ve Rf=¦ (Mw) değişimleri çıkartılabilir. Bunlar Şekil 2’ de gösterilmiştir (Ambraseys, 1988). Şekil 3 dikkatlice incelendiğinde şu sonuçlar ön plana çıkmaktadır:
Şekil 2: a Mw=¦ (Le) değişimleri. Kurak bölgelerde sıvılaşma gözlenmemiş datalar, Sığ derinlikli depremlerde gözlenen sıvılaşma olguları, orta derin depremlerde oluşan sıvılaşma dataları. b Mw =¦ (Lf) Ambraseys’ın Şekil 3’te tanımladığı kritik ivme değerleri Dobry ve arkadaşları, 1981 tarafından teklif edilen ve zeminin geoteknik büyüklüklerine dayandırılan “eşik ivme kriteri” ile karşılaştırılması burada ilginç olacaktır. Anılan araştırmacılar eşik ivme değerini -sıvılaşmanın gerçekleşebilmesi için gereken yatay yer ivmesi-
şeklinde vermektedir (Dobry ve arkadaşları, 1992; Teri ve Tezcan, 1996). Burada :
Vs = Kayma dalgasının hızı rd= Sıvılaşmanın incelendiği noktanın derinliğine bağlı düzeltme faktörü -derinlik yüzeyden itibaren alınır- Z = incelenen noktanın derinliği G= Kayma modülü
şeklinde basitleştirilebilir.
gibi çok küçük değer hesaplanmaktadır. Açıktır ki zemine ait mekanik büyüklükler sıvılaşmaya yol açabilecek yer ivme değeri -eşik ivme- üzerinde etkilidir. Artan kayma dalga hızlarında verilen derinlik için “eşik ivme değeri” artmaktadır. Diğer bir anlatımla, zeminin rölatif yoğunluğu arttıkça kum katmanını sıvılaştırmak için gereken yatay yer ivmesinin değeri de büyüyecektir. Çok iyi sıkışmış, diğer bir ifadeyle jeolojik konsolidasyona maruz kalmış alüvyon katmanlarının (Vs=400-700 m/sn) sıvılaşması için eşik ivme değeri
olarak verilebilir.
Yatay yer ivmesinin büyüklüğü M=7.5 gibi yıkıcı bir deprem ve merkezüssüne
çok yakın olması durumunda (£ 10 km)- (0.4 ~ 0.8)g aralığındadır. Kısaca, çok sıkı,
jeolojik konsolidasyona maruz kalmış satüre kum katmanının sıvılaşması
mümkün değildir ((0.4 ~
0.8) <
artan yeraltı su seviyesi derinlikleri için “sıvılaşma riski” önemli ölçüde azalmaktadır. Örneğin en genç Holosen yaşlı alüvyonal birimlerde en yüksek “sıvılaşma riski” 0-3 m yeraltı su sevilerinde gözlenmektedir.
2.3 Sayısal Örnek 1. Örnek Doğu Marmara Depreminde (Mw » 7.4) sıvılaşma gözlenebilecek maksimum uzaklığı kestiriniz. Gölcük merkezüssü olarak kabul edilirse verilen deprem büyüklüğü Mw » 7.4’e karşı gelen en fazla uzaklık -merkezüssünden- Şekil 2 a’dan yaklaşık Lm=200 km olarak kestirilmektedir. Burada bir kere daha vurgulanmalıdır ki elde edilen değer sıvılaşma olayının gözlenebileceği en üst sınırı tanımlamaktadır. Nitekim Japonya depremlerine ait dataların kullanıldığı amprik bağıntıdan
bulunmaktadır. Hemen fark edileceği gibi iki yaklaşımın sonuçları arasında önemli sayılabilecek bir fark mevcuttur. Bu fark çok büyük ölçüde veri tabanının dayandığı ham dataların birbirinden farklı deprem büyüklükleri ile ifade edilmesinden kaynaklanabileceği söylenebilir. Yeryüzünde deprem sonucunda oluşacak kırık (fay) hattının geometrik uzunluğu Ambraseys’in yaklaşımına göre
’dir. Burada L = fayın geometik uzunluğu, Lf =
sıvılaşma bölgesinin faya en yakın uzaklığı. Şekil 2b’den verilen deprem
büyüklüğü L = 200 – 100 olarak hesaplanabilir. Bu değer Well ve Copper, 1994 bağıntısıyla burada tahkik edilebilir: Doğrultu atımlı fay için
s = standart sapma, s= ± 0.28 Ortalama değer kullanılırsa
bulunur. Keza aynı deprem
büyüklüğü Mw 2. Örnek Mw=7 büyüklüğünde deprem üretme potansiyeline sahip bir aktif faya dik uzaklığı Lf = 30 km olan Holosen jeolojik yaşlı bir kum katmanı yer almaktadır. Bölgede yapılan ön araştırma sonuçlarına göre yeraltı su seviyesinin derinliği oldukça yüksek olup, daha önce aynı bölgede yaptırılan SPT (Standart Penet-rasyon Sayısı)’nın aritmetik ortalaması -4 metre derinlikte- N= 24 olarak belirlenmiştir. Sözü edilen bölgenin “sıvılaşma riski” taşıyıp taşımadığını tahkik ediniz
=
(P=1 alınmıştır)
bulunur.
Sıvılaşma için eşik ivmenin değeri Dobry ve arkadaşlarının 1981 önerilerine göre
Z = 4 m
alınırsa (5) bağıntısından
yazılabilir ve hesaplanan Vs = 231 m/sn değerine karşı gelen eşik ivme büyüklüğü
olarak bulunur. Görüleceği üzere sıvılaşmaya yol açabilecek eşik ivme “at” at = 0.11 g < amaks = 0.3 g (g, yerçekimi ivmesi) ’dir. Daha açık bir deyişle, sözkonusu kum katmanı depreme bağlı “sıvılaşma riski” taşımaktadır. Sadece jeolojik yaş ve yeraltı su seviyesinin derinliğine dayanan sıvılaşma ölçütüne (Çizelge 2) göre de verilen bölgenin yüksek “sıvılaşma” riski taşıdığı anlaşılmaktadır. Şekil 4’te ise at = ¦ (Vs) ve N = ¦ (Vs) değişimleri nomogram düzeninde çizilmiştir. Sayısal örnekteki değerlerin nasıl çalıştırılacağı nomogram üzerinde gösterilmiştir.
3. Zemin Sıvılaşma Potansiyelinin Belirlenmesi 3.1 Genel Geoteknik
literatüründe deprem kaynaklı zemin sıvılaşma riskini belirlemek üzere
geliştirilmiş çeşitli yöntemler vardır. Yöntemler dikkatle incelendiğinde
büyük çoğunluğu temelde Seed-Idriss’in 1982 çalışmasında (Bray, 1995)
ortaya koyduğu “periyodik kayma gerilme oranı” kavramına dayanmaktadır.
Ambraseys 1988 makalesinde Seed’ın çalışmalarına konu olan sıvılaşma datalarını
(134 adet) regresyon matematiğiyle değerlendirerek sıvılaşmaya neden olan
gerilme oranı
3.2. Seed-Idriss 1982 Yöntemiyle Ambraseys-1988 Bağıntılarının Bütünleştirilmesi Çizelge 3’de
sıvılaşma potansiyelinin kestirilmesiyle ilgili temel bağıntılar
açıklamalarıyla birlikte gösterilmiştir. Çizelge 4’de ise Çizelge 3’de
belirtilen bağıntılarda kullanılan düzeltilmiş-normalize edilmiş standart
penetrasyon değerine “ Çizelge 3’de yer alan
(3) ve (4) nolu bağıntıların değişimleri deprem büyüklüğü cinsinden Şekil
5a’da gösterilmiştir (Ambraseys, 1988). Şekil 5b’de ise
Çizelge 3 : Sıvılaşma Potansiyelinin Kestirilmesi
Yukarıda verilen Ambraseys 1988 bağıntılarının sınır koşulları:
(Tokimatsu ve Yoshimi, 1983; Port and Harbour Research Institute, Japan, 1997)
Çizelge 4: Düzeltilmiş -Verilen Effektif Basınç Değerine Normalize Edilmiş Standart Penetrasyon Sayısı
Eğer
Literatürde en çok kullanılan düzeltme faktörüne ilişkin amprik bağıntılar şunlardır (Bazaraa, 1995)
Çizelge 4’ün devamı
w = Zeminin su içeriği
S = Saturasyon
-doygunluk- düzeyi S = 1’de zemin tamamen “sature” (doygun) Gz = Zeminin özgül ağırlığı-dane birim hacim ağırlığı- e = Boşluk oranı, Porozite
% 100 sature durumda
bulunan çakıl, kum ve siltlerde sırasıyla
Delik çapı 65 mm-115 mm 150 mm 200 mm
(Skempton, 1986; Bazaraa, 1995)
l (m) 3 – 4 4 – 6 6 – 10 > 10
(Skempton, 1986; Bazaraa, 1995)
Standart numune alıcı
-kaplamalı- -kaplamasız-
Değerlendirme:
formülünden hesaplanabilir.
bağıntısının (Çizelge
3, bağıntı 3) değişimi
Xie 1984’in ‚ eğrisi ve Seed’in
1984, 1985’de önerdiği eğriyle ƒ özellikle Geçerken Seed-Idriss 1982 ve Ambraseys 1988’de verilen
Çizelge 5: Deprem Büyüklüğü Düzeltme Faktörü “a”
Lf=ƒ(Mw,
Kc) ve Kc= ƒ[Mw,
(N1)60] regresyon bağıntıları nomogram
düzeninde Şekil 6’da (Ambraseys, 1988) gösterilmiştir. Burada
Kc sıvılaşmaya neden
olan maksimum yer ivmesini ifade etmektedir. Söz gelişi Mw= 8.0 büyüklüğünde bir olası deprem üretecek
faydan Lf = 50 km uzaklıkta
bulunan bir temiz kum katmanı yeraltı su seviyesine bağlı olarak
(N1)60 3.3. Sayısal Örnek
Z = 4 m derinlikte ölçülen N = 10 - % 70 enerji bazında- için sıvılaşma potansiyeli olup olmadığının tahkik ediniz. Kum katmanı yatay kabul edilecektir. Çözüm:
0-
Birim ağırlık;
Birim ağırlık
= 7.04 t/m2
Mw=7.5 ve Mw = 7.5 için
amaks = 0.25 g
Z = 4 m
Bu değerlere göre sıvılaşmaya karşı emniyet katsayısı
Zemin profilinde
çeşitli derinliklerde ölçülmüş SPT değerleri “N” mevcut ise;
ilkin, bu değerler düzeltilip-normalize edildikten
Kaynaklar: Ambraseys, N.N. “Engineering Seismology”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 17, No 1, Wiley, Chichester, 1988. Ansal, A. “Depremlerde Yerel Zemin Davranışları”, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, Ankara, 1999. Bazaraa, A.S. “Correlations to and Correlations With Standard Penetration N, Values”, XI ARCSMFE Proceeding Volume 1, Cairo, 1995. Budhu, M. Soil Mechanics a Foundation, John Wiley a Sons, Inc. New York, 2000. Erken, A; Ansal, A.M.; Yıldırım, H.; Kılıç, C.; Kara, B. “Erzurum Ekşisu’da Kumlu Siltli Zeminlerin Sıvılaşma Potansiyeli” Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği 6. Ulusal Kongresi, Cilt II Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir, 1996 Erken, A.; Ansal, A.M. “Dina-mik Yükler Altında Örselenme- miş Kumlu Zemin Numunelerinin Sıvılaşması” Türkiye İnşaat Mühendisliği 12. Teknik Kongresi, Ankara, 1993. Erken, A.; Ülker, R.; Özkan, O ve Kurtulmaz, E. “Erzincan Ekşisu’da Sıvılaşma Potansiyeli ve Yerel Zemin Koşulları”, 3. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul, 1995a. Erken, A.; Yıldırım, H.; Sancar, T.; Kılıç, C. ve Ansal, A. “Erzincan Ekşisu’da Siltli Zeminlerin Dinamik Davranışı”, 3. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul, 1995 b. Glaser, S.D.; Chung, R.M. “Estimation of Liquefaction Potential by In-Situ Methods” Earthquake Specta, Vol. 11, No 3, 1995 Japanese Society of Civil Engineers Dynamic Analysis and Earthquake Resistant Design, A.A. Balkema, Rotterdam, 1997. Kramer, S.L. Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice Hall, New Jersey, 1996. Manuel For “Evaluation and Mitigation of Liquefaction Hazard For Foundation Design”, ?, 1992. Port and Harbour Research Institute Handbook on Liquefaction-Remediation of Reclaimed Land, Ministry of Transport, Japan, A.A. Balkema, Rotterdam, 1997 Teri, L.; Tezcan, S.S. “Zemin Sıvılaşma Kriterlerinin Değerlendirilmesi” Boğaziçi Üniversitesi Yapı Teknolojisi Uygulama ve Araştırma Merkezi, Rapor No YTUM 003/96, İstanbul, 1996. Tokimatsu, K.; Yoshimi, Y “Emprical Correlationship on Soil Liquefaction Based on SPT N Value and Fires Content” Soil and Foundations, JSSMFE, Vol 23, No 4, 1983. Ulusay, R. “Zemin Sıvılaşması”, Mavi Gezegen, No 2, TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası Yayını, Ankara, 2000. Ünver, A.M.; Ergin, M.U. “İki Yapının Sıvılaşma Potansiyelinin Tahkiki”, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği 4. Ulusal Kongresi, II. Cilt, İ.T.Ü. Ayazağa Kampüsü, İstanbul, 1992. | |||||||||||||||||||||||||||||||