ZEMİN SIVILAŞMASI

Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU
İ.T.Ü. Maden Mühendisliği Bölümü

Doç. Dr. Mim. Nihal ARIOĞLU
İ.T.Ü. Mimarlık Fakültesi

Dr. Müh. Ali Osman YILMAZ
K.T.Ü. Maden Mühendisliği Bölümü

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 olmaktadır. Diğer bir deyişle efektif basıncın büyüklüğü boşluk basıncına u eşittir . Sıvılaşma, geniş halk kitleleri arasında “kum fışkırması” ve “kum kaynaması” olarak bilinmektedir. Son Doğu Marmara depreminde “sıvılaşma” olayından kaynaklanan, kıyı bölgelerinde gözlenen yanal yayılma hareketi de “kıyı kayması” veya “kıyı heyelanı” terimleriyle anılmaya başlanmıştır (Ulusay, 2000). Yerli mühendislik literatürümüzde deprem kaynaklı “zemin sıvılaşması” konusunda bir çok yayınlanmış çalışma mevcuttur. (Ünver ve Ergün, 1992;Erken ve Ansal,1993; Erken, Alhas ve Ansal,1994; Erken, Ansal ve Önalp, 1994; Erken, Ülker, Özkan ve Kurtulmaz,1995 a; Erken ve arkadaşları 1995 b; Erken ve arkadaşları, 1996; Ansal, 1999; Ulusay, Tosun,1999; Ulusay, 2000).

Zemin sıvılaşma konusuna pratik mühendislik açısından bakıldığında, aşağıda sıralanan şu konular önem kazanmaktadır:

  • Deprem üretebilecek aktif fay ile sıvılaşma potansiyeli taşıyan bölge arasındaki uzaklıkların kestirimi.

  • Sıvılaşmaya yol açabilecek yatay yer ivmesinin kritik değerinin belirlenmesi.

  • Deprem kaynak büyüklükleriyle sıvılaşma potansiyeli bulunan kum katmanlarına ilişkin geoteknik parametreler (tekrarlı kayma gerilmesi, standart penetrasyon değeri) arasındaki ilişkilerin ortaya çıkartılması.

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:

 

 

  • Zemin taşıma kapasitesinin önemli ölçüde kay

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).

  • Yanal yayılmalar

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.

  • Şekil 2’deki 3 nolu bağıntı Japonya’da gözlenen sıvılaşma olgularına ait olup, (1) bağıntısından oldukça farklı sonuçlar vermektedir. Ambraseys’in bağıntısı bir anlamda verilen deprem büyüklüğünde sıvılaşma olayının “üst sınırı”nı tanımlamaktadır. (Log Lm = 077 M - 3.60, Le (km) (3))

· 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:

  • Artan moment büyüklüğü “Mw” ile sıvılaşma potansiyeli bulunan bölge ile faya yakın uzaklık “Lf” artmaktadır. Örneğin Mw = 5.5 büyüklüğünde bir deprem kabaca faya en yakın uzaklık 7 km içinde sıvılaşma riski taşıyan bölgeyi sıvılaştırırken Mw = 7.5 büyüğüne sahip bir depremde anılan büyüklük Lf = 100 km olmaktadır. Pratik mühendislik bakımından şöyle de değerlendirilebilir. Eğer sıvılaşmaya yatkın bölge, sözgelimi faya uzaklığı Lf = 125 km ise, bu durumda bir “sıvılaşma olgusu” sözkonusu değildir.

  • Sıvılaşma için gerekli yatay yer -kritik ivme “Kc” -değeri artan deprem büyüklüğü “Mw” ile azalmaktadır. Şöyle ki; Mw = 5.5 örneğinde kritik ivme Kc = 0.20 g iken Mw = 7.5’de aynı büyüklük Kc =0.04 g olmaktadır. Kısaca, depremde geoteknik özellikleri itibarıyla sıvılaşma riski taşıyan bir katman çok küçük bir ivme ile sıvılaşabilmektedir.

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 :

= Eşik ivme değeri -g cinsinden-

= Yerçekimi ivmesi

= Eşik kayma şekil değiştirmesi. Bu büyüklük oranına bağlı olup, 0.8 değerine karşı gelen =0.0001 alınabilir.

=Eşik yerdeğiştirmede kayma modülü azaltma faktörü

= Küçük kayma yerdeğiş-tirmelerine karşı gelen kayma modülü

= Dalganın yayıldığım ortamın yoğunluğu

Vs = Kayma dalgasının hızı

rd= Sıvılaşmanın incelendiği noktanın derinliğine bağlı düzeltme faktörü -derinlik yüzeyden itibaren alınır-

Z = incelenen noktanın derinliği

G= Kayma modülü

= 0.0001 ve değerleri kabul edilirse, sözgelimi sıvılaşmanın yaygın gözlendiği derinlik Z= 3 m’ye karşı gelen kritik ivme değeri kayma hızının fonksiyonu cinsinden

şeklinde basitleştirilebilir.


Gevşek, yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu kum katmanlarında kayma hızının değeri (100-300)m/sn aralığında değişir. Alt değer alınırsa, eşik yer ivmesinin bü
yüklüğü

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) <) sadece jeolojik yaşı -konsolidasyon- ve yeraltı su seviyesinin derinliğini dikkate alan sıvılaşma ölçütü Çizelge 2’de görülmektedir (Manual, 1993). Çizelgenin yakından incelenmesiyle şu pratik sonuçlar üretilebilmektedir:

  • Verilen 0-10 m’lik yeraltı su sevileri için genç jeolojik alüvyonların yaşlı alüvyonlara göre “sıvılaşma riski” daha yüksektir.

  • En genç jeolojik yaşa sahip olan alüvyon katmanlarında

 


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.

  • Alüvyonal katmanın yaşından bağımsız olarak 15 m’den daha derin yeraltı su sevilerinde “sıvılaşma riski”nin düzeyi çok düşüktür.

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 7.4 için 100 m kestirilir. Buna göre yeryüzünde olası kırığın uzunluğu

L = 200 – 100 100 m

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 7.4 için Mark 1977, Nowroozi 1985, Ambraseys ve Melville, 1982’de L100 km civarında kestirilmektedir (Ambraseys,1988).

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

  • Bölgede maksimum yatay yer ivmesinin kestirilmesi 4. bağıntıdan hareketle

= km

(P=1 alınmıştır)

bulunur.

  • Kum katmanında ortalama kayma dalgasının hızının hesaplanması (Japon İnş. Müh. Birliği, 1997) göre kayma dalgasının hızı –Holosen alüvyonlarda-

m/sn

  • Kritik (eşik) ivmenin kestirilmesi

Sıvılaşma için eşik ivmenin değeri Dobry ve arkadaşlarının 1981 önerilerine göre

m/sn2

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 “atat = 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.



Şekil 4

 

 

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 ile düzeltilmiş -verilen efektif düşey basınç değerine normalize edilmiş standart penetrasyon sayısı ve deprem büyüklüğü arasında bağıntılar çıkarmıştır. Ambraseys 1988 çalışması pratik mühendislik açısından şu kolaylıkları beraberinde getirmiştir.

  • değişimleri deprem büyüklüğü bazında sayısal şekilde ifade edilmiştir.

  • Sead ve Idriss 1982’de belirtilen düzeltme oranları literatürde tartışılmaya açılmıştır.

  • Sıvılaşma potansiyeli taşıyan bölge ile faya dik uzaklık -deprem büyüklüğü- kritik yer ivmesi değişimlerinden (Bkz Makalenin I. Bölümüne) hareket ederek düzeltilmiş -normalize edilmiş standart penetrasyon değerinin kritik büyüklüğüanalitik şekilde belirlenebilir. Eğer incelenen zemine ait değeri < ise sıvılaşma potansiyeli çok yüksektir.

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 “” ilişkin açıklamalar özlü biçimde sunulmuştur.

Çizelge 3’de yer alan (3) ve (4) nolu bağıntıların değişimleri deprem büyüklüğü cinsinden Şekil 5a’da gösterilmiştir (Ambraseys, 1988). Şekil 5b’de ise deprem büyüklüğüne karşı gelen zeminin kayma gerilme oranının değişimleri literatürde rapor edilen diğer bağıntıların değişimleriyle karşılaştırılmıştır (Ambraseys 1988). Anılan şekiller dikkatle incelendiğinde şu sonuçlar ön plana çıkmaktadır:

  • Verilen standart penetrasyon değerinde depremin moment büyüklüğü arttıkça kayma gerilme oranı önemli ölçüde azalmaktadır.

  • Verilen deprem büyüklüğünde anılan kayma gerilme oranı standart penetrasyon değeriyle artmaktadır.Örneğin ’de

 


Çizelge 3 : Sıvılaşma Potansiyelinin Kestirilmesi

 

  • Sıvılaşmaya karşı emniyet katsayısı

  • Sıvılaşmaya karşı zeminin direnci

için:

(3)

için :

(4)

Deprem büyüklüğü -moment bazında-

=Düzeltilmiş – normalize edilmiş standart penetrasyon değeri (Bkz. Çizelge 4)

Yukarıda verilen Ambraseys 1988 bağıntılarının sınır koşulları:

  • Effektif basınç kgf/cm2

  • Katmanlar “yatay”

  • Temiz kum. İnce içeriği ± % 5’dir. Eğer kum katmanında + % 5’den fazla ince malzeme mevcut ise düzeltme şöyle yapılabilir: .
ince malzeme içeriğine göre yapılan “artış miktarı”. Örneğin % 10 ince malzeme içeriğinde Ni = 6; % 15’de Ni = 7 alınabilir.

  • Depremin oluşturduğu ortalama periyodik kayma gerilme oranı

(5)

(Tokimatsu ve Yoshimi, 1983; Port and Harbour Research Institute, Japan, 1997)

Deprem büyüklüğü ile ilgili düzeltme faktörü

için olmaktadır. Bu değer ilk defa Seed ve Idriss 1982 çalışmasında önerilen değere denktir. (Amraseys, 1988; Bray, 1995; Kramer, 1996)

İncelenen derinlikteki toplam düşey basınç

İncelenen derinlikteki düşey effektif basıncın büyüklüğü

Maksimum yatay yer ivmesi -g cinsinden-

Yerçekimi ivmesi

Gerilme düzeltme faktörü

Sıvılaşma potansiyelinin incelendiği derinlik (m) -yüzeyden itibaren alınır-

  • Değerlendirme:

ise incelenen derinlikteki katmanda “sıvılaşma riski” yok

ise incelenen derinlikteki katmanda “sıvılaşma riski” yüksek


Çizelge 4: Düzeltilmiş -Verilen Effektif Basınç Değerine Normalize Edilmiş Standart Penetrasyon Sayısı

  • Düzeltilmiş-normalize edilmiş standart penetrasyon sayısı

(6a)

Ölçülen standart penetrasyon değeri

  • Enerji düzeltme faktörü “

(7a)

= Aktüel tokmak (şahmerdan) enerjisi

Teorik serbest düşme enerjisi

Eğer ise düzeltme faktörü olmaktadır. Örneğin; Japonya’daki SPT uygulamalarında ’dir. Bu durumda ’dir.

  • Effektif basınç düzeltme faktörü “

Literatürde en çok kullanılan düzeltme faktörüne ilişkin amprik bağıntılar şunlardır (Bazaraa, 1995)

; (kgf/cm2) (Liao ve Whitman, 1986) (7b)

(Peck ve arkadaşları, 1973)

(Seed, 1976)

Düşey effektif basınç, kgf/cm2. Bu temel büyüklüğün nasıl hesaplanacağı aşağıda gösterilmiştir (Budhu, 2000).

  • Toplam düşey basınç “Z” derinliğinde

  • Boşluk su basıncı

  • Düşey effektif basınç

  • Toplam düşey basınç

  • Boşluk basıncı

  • Düşey effektif basınç

 

Çizelge 4’ün devamı

  • Birim ağırlık

w = Zeminin su içeriği

  • Sature birim ağırlık (% 100 saturasyon) S = 1

S = Saturasyon -doygunluk- düzeyi S = 0’da zemin “kuru”

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 t/m3; t/m3 ve t/m3 aralıklarında değer alırlar (Budhu, 2000)

  • Delik çapı düzeltme faktörü “

Delik çapı 65 mm-115 mm 150 mm 200 mm

1.0 1.05 1.15

(Skempton, 1986; Bazaraa, 1995)

  • Boru (tij) uzunluğu düzeltme faktörü “

l (m) 3 – 4 4 – 6 6 – 10 > 10

0.75 0.85 0.95 1.0

(Skempton, 1986; Bazaraa, 1995)

  • Numune alıcısına ilişkin faktör “

Standart numune alıcı -kaplamalı-

-kaplamasız-

 

Değerlendirme: , , “düzeltme faktörleri” genellikle uygulamada 1 alınmaktadır. Bu durumda düzeltilmiş –verilen effektif basınç değerine normalize edilmiş SPT değeri örneğin (6b)

formülünden hesaplanabilir. ’nin birimi (kgf/cm2) alınacaktır.


’de anılan oran kabaca 0.125 iken değerine karşı gelen oran ise 0.35 olmaktadır

  • Ambraseys’in regresyon analiziyle çıkardığı

bağıntısının (Çizelge 3, bağıntı 3) değişimi Xie 1984’in eğrisi ve Seed’in 1984, 1985’de önerdiği eğriyle ƒ özellikle aralığında oldukça uyumludur. > 20 değerinden sonra Seed’in temel eğrisi Ambraseys’in regresyon bağıntısından önemli farklılıklar göstermektedir.

Geçerken Seed-Idriss 1982 ve Ambraseys 1988’de verilen

oranlarının karşılaştırılması burada ilginç olacaktır (Çizelge 5) (Ambraseys, 1988).deprem büyük-lüklerinde her iki yaklaşımda rapor edilen düzeltme faktörlerinin değerleri arasında önemli farklılıklar sözkonusudur.

 

Çizelge 5: Deprem Büyüklüğü Düzeltme Faktörü “a

Büyüklük

(a değerleri)

Seed&Idriss (1982)

3. ve 4.bağıntı

8.50

0.89

0.44

8.00

0.94

0.67

7.50

1.00

1.00

7.00

1.08

1.30

6.75

1.13

1.48

6.50

1.19

1.69

6.00

1.32

2.20

5.50

1.43

2.86

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 (20 – 14) ise “sıvılaşma” sözkonusudur.

3.3. Sayısal Örnek

= 7.5 moment büyüklüğünde deprem üretebilecek bir faydan 30 km uzaklıkta -dik uzaklık- bulunan yatay temiz kum ( % 5 ince malzeme No 200 elek: 0.074 mm içeren) katmana ait ön geoteknik bilgiler şöyledir:

  • Olası maksimum yer ivmesi

  • Yeraltı su seviyesi m derinlikte

  • Yeraltı su seviyesinin üzerinde su içeriği ve doygunluk düzeyi S = % 65

  • Yeraltı su seviyesinin altında su içeriği
ve doygunluk düzeyi S = % 100 -doygun-

Z = 4 m derinlikte ölçülen N = 10 - % 70 enerji bazında- için sıvılaşma potansiyeli olup olmadığının tahkik ediniz. Kum katmanı yatay kabul edilecektir.

Çözüm:

  • Kum katmanına ait birim ağırlıkların hesaplanması

0- aralığında:

Boşluk oranı e

Birim ağırlık;

t/m3

Suyun yoğunluğu,

1 t/m3

aralığında:

Boşluk oranı e

Birim ağırlık

t/m3

  • Düzeltilmiş ve normalize edilmiş standart penetrasyon değerinin
hesaplanması

(Bkz. Çizelge 4)

 

’de effektif düşey basıncın büyüklüğü

(Bkz. Çizelge 4)

= 7.04 t/m2

t/m2

t/m2

kg/cm2

düzeltme faktörü ile ilgili iki farklı yaklaşıma ait sonuçların ortalaması alınırsa:

kabul edildi

  • Verilen Z = 4 m derinliği için sıvılaşmaya karşı emniyet katsayısının belirlenmesi

(Bkz. Çizelge 3)

Mw=7.5 ve değer-lerine karşı gelen oranının değeri grafiksel şekilde Şekil 5 a’dan yaklaşık 0.16 olarak bulunur.

Mw = 7.5 için

’dir. (Bkz. Çizelge 3)

  • Olası maksimum yer ivmesi

amaks = 0.25 g

  • Toplam düşey basınç

t/m2

 

  • Effektif düşey basınç

t/m2

  • İncelenen derinlik

Z = 4 m

Bu değerlere göre sıvılaşmaya karşı emniyet katsayısı

’dir.
F = 0.61 <
1 olduğundan incelenen derinlikte verilen koşullar altında zeminin “sıvılaşma riski”nin çok yüksek olduğu anlaşılmaktadır. Ayrıca Şekil 6’dan sıvılaşmaya neden olabilecek “kritik yer ivmesi”nin değeri Lf = 30 km ve Mw = 7.5 büyüklükleri için Kc = 0.20 g elde edilmektedir. İncelenen bölgede beklenen maksimum yer ivmesinin şiddeti amaks = 0.25 g’dir. Buna ek olarak Kc = amaks = 0.25 g için sıvılaşma olmaması için gerekli değeri yeraltı su seviyesine göre 15 – 22 arasında olmaktadır. Z = 4 m’de ’dır ve belirtilen aralıktan küçük olduğu görülmektedir.Kısaca, Şekil 6 yardımıyla incelenen zeminin verilen derinlikte sıvılaşma potansiyeli taşıdığı ifade edilebilir.

Zemin profilinde çeşitli derinliklerde ölçülmüş SPT değerleri “N” mevcut ise; ilkin, bu değerler düzeltilip-normalize edildikten sonra, yukarda belirli bir ayrıntıyla açıklanan yöntem her değeri için uygulanmak suretiyle “sıvılaşma”nın olup olmadığı tahkik edilir. Kuşkusuz verilen zemin koşulları için daha güvenli değerlendirmeler yapılabilmesi bakımından birkaç yöntemin (kayma dalgası hızı, periyodik kayma şekil değiştirmesi, sıvılaşma indisi kriteri, zeminin ayrıntılı granülometrik analizleri, olasılık yaklaşımı vb.) uygulanması ve sonuçlarının ayrıntılı şekilde irdelenmesi gerekir.

 

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.