LIQUEFACTION POTENTIAL OF YALOVA CITY SOILS

Transkript

1 ÖZET: 1 YALOVA KENTİ ZEMİNLERİNİN SIVILAŞMA POTANSIYELİ A.Kahraman 1, B.Görgün 2 ve N.Ural 3 İnş.Müh. Atilla Kahraman, Yalova Etik Yapı Denetim LTD.ŞTİ,Yalova 2 Arş. Gör. Burak Görgün, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik, 3 Doç. Dr. Nazile Ural, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Bilecik, atillakahraman@hotmail.com.tr Yalova kenti, Türkiye nin kuzeybatısında Marmara Bölgesi 'nin güneydoğu kesiminde yer alan ve 1999 Kocaeli depreminden etkilenen bir şehirdir. Deprem sırasında, hasarlara yapılardaki kusurların yanında zeminlerin dinamik davranışının da etkili olduğu gözlenmiştir. Bu çalışmada, sismik olarak aktif bir bölgede bulunan Yalova kenti yerleşim yerine ait zemin profilleri kullanılarak, arazi ve laboratuar deneylerine göre sıvılaşma potansiyelleri belirlenmiştir. Çalışma kapsamında 2 adet sondaj logu kullanılarak farklı deprem senaryoları ile zeminlerin sıvılaşma potansiyelleri incelenecektir. Sıvılaşma potansiyelini belirlerken, iri daneli zeminlerde periyodik kayma gerilmesi (Seed ve Idriss-1997) yöntemleri kullanılırken, ince daneli zeminlerde ise Andrews ve Martin yöntemi ile Çin Kriteri yöntemi kullanılmıştır. Sonuçta, zeminlerin sıvılaşma potansiyeli değerlendirilmiştir. ANAHTAR KELİMELER : İri Daneli zemin, İnce Daneli zemin, Sıvılaşma Potansiyeli, Sıvılaşma Kriterleri ABSTRACT: LIQUEFACTION POTENTIAL OF YALOVA CITY SOILS Yalova city is a city located in the southeastern part of the Marmara Region in the north-western part of Turkey and affected by the 1999 Kocaeli earthquake. During the earthquake, it was observed that the dynamic behavior of the soils was also effective in addition to the defects in the damages. In this study, liquefaction potentials were determined according to field and laboratory tests, using soil profiles belonging to Yalova city settlement located in a seismically active region. Within the scope of the study, the liquefaction potentials of the soils with different earthquake scenarios will be examined by using the soil profiles which are dominated using 2 drilling logs While determining the liquefaction potential, the periodic shear stress method (Seed and Idriss-1997) are used on the coarse-grained soils, while the Chinese Critical method and Andrews and Martin criteria are used on fine-grained soils. As a result, the liquefaction potential of the soils has been assessed.. KEYWORDS: Coarse-grained soils, Fine-grained soils, Liquefaction Potantiel, Liquefaction Criterias 1

2 1.GİRİŞ 17 Ağustos 1999 Marmara depremi süresince, sıvılaşma nedeniyle Yalova iline komşu bölgelerde bazı binalarda oturma ve eğilme (dönme) olduğu gözlenmiştir. Youd, (1996) a göre, aynı alanda sıvılaşmanın tekerrür etmesinin benzer şekilde olacağı tahmin edilmektedir. Böylece, Yalova ilinin sıvılaşma nedeniyle etkilenebileceğinin gözönünde bulundurulması gerekmektedir. Depremlerin bir sonucu olarak gerilme tekrarları, özellikle de suya tam doygun granüler zeminlerde, özel zemin davranışlarının geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Sıvılaşma riski, bir deprem süresince sıvılaşabilir kısmi bir bölgede hangi malzemelerin daha kolay sıvılaşabileceğini ifade eder. Sıvılaşma riski bölgenin topoğrafik konumuna ve geoteknik özelliklerine bağlı bir fonksiyondur ve bölgenin beklenen depremselliğine bağlıdır. Sıvılaşma, deprem etkilerinin yanı sıra dalga etkisinde de meydana gelebilmektedir. Özellikle deniz yapıları suya doygun zeminler üzerine inşa edilmeleri nedeniyle sıvılaşma potansiyeli yüksek zemin yapıları mevcut olduğunda, bu yapıların deprem etkisinde hasar görmeleri ya da toptan göçmeleri söz konusu olabilmektedir (Ergin, ve Yüksel, 2006). Sıvılaşan zemindeki küçük kayma gerilmeleri altında büyük şekil değiştirmelere sebep olur ve yapılarda zemin göçmesi hasarları meydana getirir. Bir zeminin sıvılaşması esas olarak gevşek bir yerleşime sahip olmasına, daneler arasındaki bağ ve kil miktarına ve boşluk suyunun drenajının engellenmesine bağlıdır (Celep, ve Kumbasar, 2000). Zemin sıvılaşmasının etkisinin görüldüğü örnekler; 1964 Niigata, 1920 California Calvers, 1938 Montana Fort Peck, 1948 Fukui, 1971 California San Fernando, 1964 Alaska Ancorage, 1980 Mino-Owari olarak sıralanabilir. Ülkemizdeki son büyük örnek de 1999 Marmara depremi sıvılaşmalarıdır (Çetin, ve Unutmaz, 2004 ). Sıvılaşma sonucunda zeminde oturmalar ve yanal yayılmalar ya da zemin akmaları meydana gelebilir. Dolayısıyla depremlerin sebep olduğu zemin sıvılaşması zeminlerin içinde veya üstünde yer alan kentsel alt ve üst yapılarda önemli zararlara sebep olmaktadır. Ülkemizde ve dünyada gerçekleşen depremlerde oluşan sıvılaşma sonucunda kentsel yapılarda önemli zararlar oluşmuştur (Çelebi, 2000). Gelecek depremlerde zararların önlenmesi ve hasarların azaltılması açısından sıvılaşma potansiyeli olan zeminlerin önceden tespiti şehirleşmenin arttığı günümüzde özel önem kazanmıştır. Bu konuda dünya genelinde pek çok çalışmalar yapılmaktadır (Toprak, ve Holzer, 2003). 2.SIVILAŞMANIN TANIMI Sıvılaşma granüler (daneli) bir zeminin artan boşluk suyu basıncı ile azalan efektif gerilme sonucu katı durumdan sıvı duruma dönüşmesi olarak tanımlanabilmektedir (Mollamahmutoğlu, 2006). Sıvılaşma, deprem gibi hızlı yüklemeler altında, daneli zeminlerde (siltli, kumlu zeminlerde) görülen bir olaydır. Sıvılaşma, ani yükleme sonucunda suya doygun daneli zeminin yapısının bozulması ile oluşmaktadır. Ayrık taneler arasındaki temas kuvvetinin azalması boşluk suyu basıncının yükselmesi ve zeminin direncini kaybetmesiyle oluşmaktadır. Sıvılaşma nedeniyle, zemin mukavemetini kısmen veya tamamen kaybetmektedir. Bunun nedeni, derinlik boyunca veya herhangi bir derinlikte mevcut efektif gerilme değerinin (daneler arasındaki temas) azalmasıdır. Efektif gerilme azalımlarının sebebi ise boşluk suyu basıncı artışlarıdır. Sıvılaşmaya neden olan mukavemet kaybına da zeminin boşluk suyu basıncındaki artışlar neden olmaktadır. Sıvılaşmaya neden olan mukavemet kaybına da zeminin boşluk suyu basıncındaki artışlar neden olmaktadır (Uzuner, 2005). σ = σ u (1) τ = c + σ. tan ϕ (2) 2

3 Burada, σ = toplam düşey gerilme, σ = efektif düşey gerilme, u = boşluk suyu basıncı, τ = kayma gerilmesi, c = kohezyon ve φφ = içsel sürtünme açısını göstermektedir. 3.SIVILAŞMA POTANSİYELİ ANALİZ YÖNTEMLERİ Sıvılaşma olayının ekonomi ve insan hayatına olan olumsuz etkileri azınsanmayacak kadar önemlidir. Kum, siltli kum, siltli çakıl, düşük ve yüksek plastisiteli kil, inorganik killer vb. gibi zeminlerin bir deprem esnasında sıvılaşma potansiyelini belirleyebilmek amacıyla laboratuvar ve arazi çalışmalarından elde edilebilen zemin ve sismik parametrelerin bir arada kullanıldığı deneysel formüller ve çeşitli kriterler mevcuttur İri Daneli Zeminler İçin Deprem yükleri altında iri daneli zeminlerin yüksek geçirimlilik avantajı bozulabilir. Bu gibi durumlarda iri daneli malzemelerin de sıvılaşabileceği bilinmeli ve gerekli sıvılaşma hesapları yapılmalıdır. İri daneli ve çakıllı zeminlerin davranışı tekrarlı sismik yükler altında, kumların bu yükler altındaki davranışından çok fazla farklılık göstermez ve potansiyel olarak sıvılaşabilirler. Ancak bu tip zeminler, daha ince daneli kumlu zeminler ile karşılaştırıldığında davranış olarak iki önemli farklılık gösterirler. Daha geçirimli olduklarından sismik yükleme sırasında oluşan tekrarlı boşluk suyu basıncı daha çabuk dağılabilmektedir ve oluşumları sırasında iri ve ağır kütleli danelerinden dolayı çok nadiren gevşek depozitlenme karakteri göstermektedirler ve dolayısıyla bu tip zeminlere doğada gevşek olarak sıkça rastlanmamaktadır. Bu çalışmada kum zemin üzerinde sıvılaşma potansiyeli analizi yapılmıştır. Periyodik (tekrarlı) Kayma Gerilmesi Kayma gerilmesi değerlerini kullanarak sıvılaşma potansiyeli belirleyen yöntemdir. Kayma gerilmesini de standart penetrasyon testi (SPT) değerinden belirlenmektedir. Depremde meydana gelen kayma gerilmesi yerin sınır kayma gerilmesi den büyükse sıvılaşma potansiyeli yüksektir. Bu yöntemde, zemin tabakalarının sıvılaşma emniyet faktörü (Fs) formülde verilmiştir. Fs = τ s / τ 0 Burada, τ s Belli bir zeminde sıvılaşmanın başlayabilmesi için gerekli periyodik sınır kayma gerilmesi τ 0 : Aynı zeminde belli bir depremin meydana getireceği ortalama kayma gerilmesidir (Önalp, 2007). Fs < l sıvılaşma potansiyeli yüksek, Fs l sıvılaşma potansiyeli yoktur. τ 0 = 0.65x(a max /g)xσ v xr d (3) bağıntısından hesaplanabilir. Burada, a max : Yüzeydeki maksimum ivme, σ v :Kum tabakasına etkiyen toplam düşey gerilme (t/m 2 ), r d : Gerilme indirgeme faktörüdür, σ' : Kum tabakasına etkiyen efektif düşey gerilme (t/m 2 ) göstermektedir.. rr dd = z (z 9.15 m) (4) rr dd = z (9.15 m < z 23 m) (5) 3

4 3.2. İnce Daneli Zeminler İçin Çin Kriteri Yöntemi 1999 Kocaeli depreminden sonra Adapazarı siltlerinin sıvılaşabilirliğinin incelendiği araştırmalarda, Çin kriterlerinin uygulanmasının daha doğru olacağı öne sürülmüştür. 1) mm den küçük olan malzeme oranı %15 2) Likit limit (LL) %35 3) Doğal su muhtevası (WW nn ) 0.9x LL Buna göre sıvılaşma potansiyeli olan zeminler mm den küçük ince malzeme oranı %15 dan az olan ve likit limit (LL) değeri %35 den az olan ve doğal su muhtevası (W n ) 0.9x LL zeminlerdir Andrew ve Martın (2000) Yöntemi Andrew ve Martin (2000) bu kriterleri mm lik kil çapı için yeniden düzenlemiştir. Yapmış oldukları çalışmaya göre içerisindeki kil oranı (0.002 mm den küçük dane oranı) yaklaşık olarak %10 dan az olan ve likit limit değeri %32 den küçük olan zeminler potansiyel olarak sıvılaşabilecek zeminler olarak kabul edilmektedir (Tablo 1). Tablo 1. Andrew ve Martin (2000) Kriterleri Likit limit < %32 Likit limit %32 Kil içeriği < %10 Sıvılaşma olur Daha fazla araştırma gerekli Kil içeriği %10 Daha fazla araştırma gerekli Sıvılaşma olmaz 4. ANALİZDE KULLANILAN ZEMİN PROFİLLERİ Bu çalışmada kullanılan zemin profilleri Yalova şehrinde temin edilmiştir. SK1 ve SK2, Şekil 1 de Arazide yapılan sondaj çalışması zemin profili gösterilmiştir. Şekil 2 ve Şekil 3 te ise sondaj logları verilmiştir. 4

5 Şekil 1. Sondaj çalışması zemin profili 5.ANALİZLER 5.1 İri Daneli Zeminler Bu çalışmada Yalova merkezinde açılmış olan zemin araştırma sondajı ile Yalova nın sıvılaşma riski değerlendirmesi çalışması yapılmıştır. Sondajlarda yapılan SPT den elde edilen verileri kullanarak yapılan değerlendirme teknikleri ile Yalova da sıvılaşma davranışı incelenirken, parselde yapılan sondaj ve laboratuar verileri değerlendirildiğinde Parselde gözlenen CH grubu Kil birimlerinin LL>32, LL*0,9>Wn olması arazi SPT verilerine göre de katı-çok katı kıvamlı zemin olması dikkate alındığında bu birimin sıvılaşma potansiyeli taşımadığı sonucuna varılmıştır. Kum birimleri için deprem büyüklüğü M w = 7,5, ivmesi A 0 = 0,40g senaryo Tekrarlı Kayma Gerilmesi Yöntemi (Seed ve Idiss, 1997) kullanılarak yapılan analiz Tablo 2 de verilmiştir. SK-1 ve SK-2 nolu kuyuda Fs>1 olduğundan sıvılaşma potansiyeli taşıyacak kum birimlerine rastlanılmamıştır. Herhangi bir sıvılaşma riski bulunmamaktadır. 5

6 Şekil 2. Sk-1 Sondaj Logu 6

7 Şekil 3. Sk-2 Sondaj Logu Tablo 2 : Sıvılaşma Analizi NO DEPTH GAMMA %FC U (kpa) Sv (kpa) ss v (kpa) Nspt N1(60) DN1 CSR CRRm F.S 3 18, ,26 55, ,8 0 0, ,5 18, ,89 82, ,1 0 0,25 0,35 1,4 3 18, ,26 55, ,9 0 0, ,5 18, ,89 82, ,5 0 0,

8 5.2 İnce daneli zeminler Silt, kil ve kum karışımlarının sıvılaşabilirliğinin belirlenmesine yönelik çalışmalarında Andrews ve Martin (2000), Seed ve ark. (1984 ve 1985) veri tabanını yeniden değerlendirmişlerdir (Tablo 1). Buna göre ince daneli (siltli ve killi) zemin parçacıklarının iri taneleri birbirinden ayıracak yada genel zemin davranışını kontrol edebilecek miktarlarda olduğu durumlarda, sıvılaşmasının meydana gelebilmesi için siltli yada killi malzemenin plastik özellik göstermemesi yada plastisitesinin %10 12 aralığında olması gereklidir. İnceleme alanında açılmış olan sondajlar sırasında alınan örselenmiş ve örselenmemiş örneklerin laboratuvar ortamında Atterberg limitleri tayinine göre Hacımehmet ovası killeri çoğunlukla kil grubu olup az da olsa yüksek plastiseli silt grubuna girmektedir. Bahçelievler mahallesi, Rüstempaşa mahallesi ve Süleymanbey mahallelerindeki sondajlardan alınan kil örnekleri çoğunlukla kil grubu olup az da olsa yüksek plastiseli silt grubuna girmektedir. Buraya kadar verilen sıvılaşma kriterleri tüm zemin türlerinin sıvılaşma davranışlarının belirlenmesi için yeterli değildir. Örneğin, Bray ve ark. (2004) tarafından 1999 Kocaeli depremi sonrası Adapazarı nda yapılan bir çalışmada Çin kriterlerince sıvılaşmayacağı düşünülen zeminlerin de sıvılaşabileceği ortaya koymuştur. Çin kriterlerine göre ince taneli zeminlerde (FC>35) sıvılaşmanın gerçekleşebilmesi için likit limit, LL<35 ve W 0 /LL > 0.9 olması gerekmektedir. 6. SONUÇ Bu çalışmada sismik olarak aktif Kuzey Anadolu Fay Bölgesinde bulunan Yalova ilinin zeminlerinde sıvılaşma riskinin belirlenmesi için arazi ve laboratuvar çalışmalarına ait sonuçlar değerlendirilmiştir.arazi ve laboratuar verileri sonuçlarına göre sondaj loglarına ait parsel alanında sıvılaşma riskinin bulunmadığı belirlenmiştir. Sondajlar sırasında kuyularda yeraltı suyu seviyesi -3,60m de rastlanılmıştır. Yeraltı suyunun mevsimsel değişeceği göz önüne alındığında parsel alanında etkin çevre ve temel drenajı yapılması gerekmektedir. 7. KAYNAKLAR Akartuna, M. (1968). Armutlu Yarımadasının Jeolojisi, İ.Ü. Fen Fak Monografileri. Sayı 20, İstanbul. Celep, Z. ve Kumbasar, N.(2000). Deprem Mühendisliğine Giriş ve Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımı, Beta Yayınevi, İstanbul. Çelebi, M, Toprak. S, Holzer, T. L. (2000). Strong-Motion, Site-Effects, and Hazard Issues in Rebuilding Turkey: In light of the 17 August, 1999 Earthquake and its aftershocks, International Journal for Housing Science and Its Applications, Special Issue: Kocaeli Earthquake-1999, Volume 24, No. 1, p Çetin, K.Ö. ve Unutmaz, B. (2004). Zemin sıvılaşması ve sismik zemin davranışı, Türkiye Mühendislik Haberleri, Sayı:430, s Ergin, A. ve Yüksel, Y. (2006). Deprem ve tsunami yükleri altında kıyı yapıları tasarımına yeni bir yaklaşım: Davranışa dayalı tasarım, Journal of Engineering and Natural Sciences, Sigma, s.1-13 Kumbasar, V. (1999). KİP F. Zemin Mekaniği Problemleri Çağlayan Kitabevi Mollamahmutoğlu ve Babuçcu 2006 Zeminlerde sıvılaşma analiz ve iyileştirme yöntemleri Gazi Kitabevi, Ankara Önalp.A (2007) Geoteknik Bilgisi I- Zemin Mekaniği, R Ulusay, (2001). TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası Yayınları, Toprak, S. and Holzer, T.L. (2003). Liquefaction potential index: A field assessment, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.129, No.4, ASCE, USA. Uzuner, B.A. (2005). Temel Zemin Mekaniği Derya Kitapevi, Trabzon 8