ZEMİN SIVILAŞMASI I. Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU İ.T.Ü. Maden Mühendisliği Bölümü. Doç. Dr. Mim. Nihal ARIOĞLU İ.T.Ü. Mimarlık Fakültesi

Transkript

1 ZEMİN SIVILAŞMASI I Prof. Dr. Müh. Erin ARIOĞLU İ.T.Ü. Maden Mühendisliği Bölümü Doç. Dr. Mim. Nihal ARIOĞLU İ.T.Ü. Mimarlık Fakülesi Dr. Müh. Ali Osman YILMAZ K.T.Ü. Maden Mühendisliği Bölümü 1.iriş Depremin oluşurduğu ireşimlerin ekisiyle evşek, saure -suya doyun- durumdaki aneli zeminlerin aşıma kapasielerini kaybederek sıvı ibi davranış ösermesine eoeknik lieraüründe zemin sıvılaşması denilmekedir (*). Sıvılaşmada oplam düşey basınç σ z 0 olmakadır. Diğer bir deyişle efekif basıncın σ z büyüklüğü boşluk basıncına u eşiir ( σ z = u ). Sıvılaşma, eniş halk kileleri arasında kum fışkırması ve kum kaynaması olarak bilinmekedir. Son Doğu Marmara depreminde sıvılaşma olayından kaynaklanan, kıyı bölelerinde özlenen yanal yayılma harekei de kıyı kayması veya kıyı heyelanı erimleriyle anılmaya başlanmışır (Ulusay, 000). Yerli mühendislik lieraürümüzde deprem kaynaklı zemin sıvılaşması konusunda bir çok yayınlanmış çalışma mevcuur. (Ünver ve Erün, 199;Erken ve Ansal,1993; Erken, Alhas ve Ansal,1994; Erken, Ansal ve Önalp, 1994; Erken, Ülker, Özkan ve Kurulmaz,199 a; Erken ve arkadaşları 199 b; Erken ve arkadaşları, 1996; Ansal, 1999; Ulusay, Tosun,1999; Ulusay, 000). Zemin sıvılaşma konusuna praik mühendislik açısından bakıldığında, aşağıda sıralanan şu konular önem kazanmakadır: Deprem üreebilecek akif fay ile sıvılaşma poansiyeli aşıyan böle arasındaki uzaklıkların kesirimi. Sıvılaşmaya yol açabilecek yaay yer ivmesinin kriik değerinin belirlenmesi. Deprem kaynak büyüklükleriyle sıvılaşma poansiyeli bulunan kum kamanlarına ilişkin eoeknik paramereler (ekrarlı kayma erilmesi, sandar penerasyon değeri) arasındaki ilişkilerin oraya çıkarılması. Bu çalışma, yukarıda kısaca değinilen nokaları işlemek üzere hazırlanmışır. Ayrıca; yazı kapsamında ele alınan konuların daha iyi anlaşılmasını sağlamak amacıyla çeşili sayısal örnekler yapılmışır.. Deprem Kaynak Büyüklükleriyle Zemin Sıvılaşması Arasındaki İlişkiler.1 enel Depremin fiziksel ekileri arasında önemli bir yeri olan zemin sıvılaşması olusunun boyuları ilkin 1964 Niiaa ve 1964 Alaska depremlerinde ciddi bir şekilde alılanmaya başlanmışır. enel olarak zemin sıvılaşması nın yol açığı üç ür arazi sabilie sorunu sözkonusudur. Bunlar aşağıda kısaca açıklanmışır: (*) Zemin sıvılaşma olayı yayın bir şekilde depremlerde özlemlenebileceği ibi, sıvılaşma poansiyeli aşıyan daneli zeminlerin erafında yaraılan yapay ireşimlerden de (örneğin çakma kazıkların çakımı sırasında oluşan ireşimler, yakın açık maden işlemelerinde yapılan üreim/dekapaj palamaları) kaynaklanabilir. Ayrıca, maden mühendisliği lieraüründe hidrolik dolunun uyulandığı panolarda yapılan palayıcı madde aımlarından oluşan sıvılaşma oluları rapor edilmekedir.

2 Deniz-öl kıyısı a Depremden önce Depremden sonra Sıvılaşan b Şekil 1: Sıvılaşmaya bağlı olarak yanal hareke (1999 Doğu Marmara depreminde ölcük Körfezi ve Sapanca öl kıyısında bu modda arazi harekeleri yayın bir şekilde özlenmişir.) zemin Zemin aşıma kapasiesinin önemli ölçüde kaybı Ekileri: Sıvılaşan kamanlar üzerinde bulunan binalarda ciddi boyularda düşey ourmalar-farklı ourmalaröelemeler-devrilmeler. Örneğin 1964 Niiaa depremi-1999 Doğu Marmara depreminde Adapazarı ndaki alüvyal malzemeler içeren kamanlarda özlenen ciddi bina ourmaları. (Tığcılar Mahallesi-Cumhuriye Mahallesi. Bu bölelerde yeralı su seviyesi yüzeyden iibaren 1- m derinlike -yaklaşık 1. m derinlike başlayan ve ile 0 SPT değerinde plasik olmayan sil ve kum kamanları- oralama dane boyuu D 0 = 0.1 mm, efekif boyu D 10 = 0.0 mm). Yanal yayılmalar enellikle % eğimden küçük arazide özlenen yanal yayılma, sıvılaşmadan kaynaklanan kayma dayanımı kaybının neden olduğu bir yüzey harekeidir. Yüzeyde belirli kalınlıkaki kaman sıvılaşan kaman ın üzerinde hareke eder (Şekil 1) (Manual, 1993). Ekileri: Yüzeyde özlenen bu hareke sonucunda binalar özellikle riji binalarda çekme erilmelerinden kaynaklanan ciddi çalaklar-farklı ourmalar oluşur. Örneğin 1999 Doğu Marmara depreminde ölcük- Çınarcık kıyı şeridi içinde özellikle Kavaklı sahilinde körfeze doğru kayan alanlar. Değirmendere nin Çınarcık lokasyonunda kıyı şeridinin bir bölümü körfeze doğru kaymışır. Sapanca ölünün üney kıyısında da zemin sıvılaşmasından kaynaklanan önemli yanal harekeler oluşmuşur (Kasapoğlu ve arkadaşları, 1999). Akma harekei Akma harekei prensip olarak yanal harekein daha eniş bir böleye yayılmış biçimi olup, enellikle % eğimden daha büyük arazide oluşur. Ekileri: Binalarda yanal yer değişirmeler, farklı ourmalardan dolayı ciddi yapısal hasarlar sözkonusudur. Binaların maruz kalacağı farklı ourma değerleri yapısal hasarlar ın düzeyini belirler. erek yanal yayılmada erekse akma harekeinde özlenen maksimum çökme değerleri binalarda izin verilebilir çökme değerlerinden (0-60 mm) daha büyükür.. Reresyon Analizi İle Çıkarılmış Bağınılar Sismoloji konusunda ciddi ve kapsamlı çalışmalarıyla anınan Ambraseys 1988 arihinde makalesinde lieraürde rapor edilen deprem kaynaklı zemin sıvılaşma ham verilerini (veri sayısı n = 137ade) reresyon analiziyle değerlendirmişir. Anılan araşırmacının elde eiği bağınılar opluca Çizele 1 de verilmişir. (1) ve () nolu reresyonların değişimleri Şekil de örülmekedir (Ambraseys,1988). Şekil yakından incelendiğinde aşağıdaki praik sonuçlar çıkarılmakadır: Depremin büyüklüğü -M w -sismik momen bazında- ile merkezüssünden sıvılaşma poansiyeli bulunan böleye uzaklık L e arasında anlamlı bir loarimik bağını vardır. Örneğin M w = büyüğünde bir deprem ancak merkez üssüne km uzaklıka bulunan bir bölede sıvılaşma olayına neden olabilir. M w = 7 büyüklüğünde bir deprem durumunda ise sıvılaşma 100 km lik bir uzaklık içinde özlenebilecekir. Daha açık bir deyişle, merkezüssü ile sıvılaşma olasılığı olan bir böle arasında uzaklık L e = 17 km ise bir sıvılaşma ehlikesi sözkonusu değildir.

3 Şekil deki 3 nolu bağını Japonya da özlenen sıvılaşma olularına ai olup, (1) bağınısından oldukça farklı sonuçlar vermekedir. Ambraseys in bağınısı bir anlamda verilen deprem büyüklüğünde sıvılaşma olayının üs sınırı nı anımlamakadır. (Lo L m = 077 M , L e (km) (3)) Verilen bir deprem büyüklüğünde (L m -L f ) farkı bir anlamda yeryüzünde deprem sonucunda kırılan fayın eomerik uzunluğunu L belirler. Özellikle M w = 6. ile M w = 7. arasındaki deprem büyüklüklerinde L=ƒ(L m - L f ) değişimi sismoloji lieraüründe verilen fay uzunluğu =ƒ(deprem büyüklüğü) değişimleriyle oldukça iyi sayılabilecek bir uyum serilemekedir (Ambraseys,1988) (L= yeryüzünde kırılan fayın eomerik uzunluğunu ifade emekedir). Joyner-Boore, 1981 maksimum yaay yer ivmesi a ile momen büyüklüğü M w ve odak uzaklığı r arasındaki isaisiksel azalım ifadesi zemin böle- leri için lo(a) = (M w ) -lo(r) (r) P (4) şeklinde anımlamakadır. (. M w 7.7). İvme cinsinden elde edilmekedir. Burada: 0. r = ( Lf ) L f = Faya en yakın mesafe-dik uzaklık-,km P= Bir fakör. % 0 üven derecesi için P = 0., % 84 için P = 1 kabul edilmekedir. Eğer kriik yer ivmesi K c (a=k c ) ile ifade edilirse (4) bağınısına karşı elen L f ve M w büyüklükleri. Bağınıya uyarlanırsa K c =ƒ(m w ) ve R f =ƒ(m w ) değişimleri çıkarılabilir. Bunlar Şekil de öserilmişir (Ambraseys, 1988). Şekil 3 dikkalice incelendiğinde şu sonuçlar ön plana çıkmakadır: Çizele 1 Merkezüssü-Sıvılaşma Poansiyeli Taşıyan Böle Arasındaki Uzaklık Merkezüssü- sıvılaşma poansiyeli aşıyan böle arasındaki uzaklık 8 M w = x 10 Lm lo(L Deprem üreme olasılığı bulunan fay ile sıvılaşma poansiyeli bulunan böle arasındaki uzaklık 8 M w = x 10 Lf lo(Lf ) () Burada: M w L m, L f = Depremin momen büyüklüğü = Uzaklık, cm (Bakınız yandaki şekile) Merkezüssü L f Fay L m m ) L f (1) Sıvılaşma poansiyeli aşıyan böle Aran momen büyüklüğü M w ile sıvılaşma poansiyeli bulunan böle ile faya yakın uzaklık L f armakadır. Örneğin M w =. büyüklüğünde bir deprem kabaca faya en yakın uzaklık 7 km içinde sıvılaşma riski aşıyan böleyi sıvılaşırırken M w = 7. büyüğüne sahip bir depremde anılan büyüklük L f = 100 km olmakadır. Praik mühendislik bakımından şöyle de değerlendirilebilir. Eğer sıvılaşmaya yakın böle, sözelimi faya uzaklığı L f = 1 km ise, bu durumda bir sıvılaşma olusu sözkonusu değildir. Sıvılaşma için erekli yaay yer -kriik ivme K c -değeri aran deprem büyüklüğü M w ile azalmakadır. Şöyle ki; M w =. örneğinde kriik ivme K c = 0.0 iken M w = 7. de aynı büyüklük K c =0.04 olmakadır. Kısaca, depremde eoeknik özellikleri iibarıyla sıvılaşma riski aşıyan bir kaman çok küçük bir ivme ile sıvılaşabilmekedir.

4 L e, km L f, km Şekil : a M w =ƒ(l e ) değişimleri. Kurak bölelerde sıvılaşma özlenmemiş daalar, Sığ derinlikli depremlerde özlenen sıvılaşma oluları, ora derin depremlerde oluşan sıvılaşma daaları. b M w =ƒ(l f ) a = γ maks r d = Z Vs Z r Ambraseys ın Şekil 3 e anımladığı kriik ivme değerleri Dobry ve arkadaşları, 1981 arafından eklif edilen ve zeminin eoeknik büyüklüklerine dayandırılan eşik ivme krieri ile karşılaşırılması burada ilinç olacakır. Anılan araşırmacılar eşik ivme değerini -sıvılaşmanın erçekleşebilmesi için ereken yaay yer ivmesid şeklinde vermekedir (Dobry ve arkadaşları, 199; Teri ve Tezcan, 1996). Burada : a = Eşik ivme değeri - cinsinden = Yerçekimi ivmesi γ = Eşik kayma şekil değişirmesi. Bu büyüklük ( ) oranına bağlı olup, 0.8 değerine karşı elen γ = alınabilir. ( ) =Eşik yerdeğişirmede kayma modülü azalma fakörü maks maks = Küçük kayma yerdeğiş-irmelerine karşı elen kayma modülü maks = δ. V s δ = Dalanın yayıldığım oramın yoğunluğu V s = Kayma dalasının hızı r d = Sıvılaşmanın incelendiği nokanın derinliğine bağlı düzelme fakörü -derinlik yüzeyden iibaren alınır- Z = incelenen nokanın derinliği = Kayma modülü maks

5 γ = ve ( = 0. 8) değerleri kabul edilirse, sözelimi sıvılaşmanın yayın özlendiği derinlik Z= maks a 3 m ye karşı elen kriik ivme değeri kayma hızının fonksiyonu cinsinden şeklinde basileşirilebilir Vs K c 0.0 L f km K c N N K c 6 7 M 8 w Şekil 3: Sıvılaşma poansiyeli aşıyan böleler için L f = ƒ(m w ), K c = ƒ(m w ) ve (N 60 ) = ƒ(m w ) değişimleri evşek, yeralı su seviyesinin yüksek olduğu kum kamanlarında kayma hızının değeri ( )m/sn aralığında değişir. Al değer alınırsa, eşik yer ivmesinin büyüklüğü a = 0.0 ibi çok küçük değer hesaplanmakadır. Açıkır ki zemine ai mekanik büyüklükler sıvılaşmaya yol açabilecek yer ivme değeri -eşik ivme- üzerinde ekilidir. Aran kayma dala hızlarında verilen derinlik için eşik ivme değeri armakadır. Diğer bir anlaımla, zeminin rölaif yoğunluğu arıkça kum kamanını sıvılaşırmak için ereken yaay yer ivmesinin değeri de büyüyecekir. Çok iyi sıkışmış, diğer bir ifadeyle jeolojik konsolidasyona maruz kalmış alüvyon kamanlarının (V s = m/sn) sıvılaşması için eşik ivme değeri a 0.9 olarak verilebilir. Yaay yer ivmesinin büyüklüğü M=7. ibi yıkıcı bir deprem ve merkezüssüne çok yakın olması durumunda ( 10 km)- ( ) aralığındadır. Kısaca, çok sıkı, jeolojik konsolidasyona maruz kalmış saüre kum kamanının sıvılaşması mümkün değildir (( ) < a 0. 9 = ) sadece jeolojik yaşı - konsolidasyon- ve yeralı su seviyesinin derinliğini dikkae alan sıvılaşma ölçüü Çizele de örülmekedir (Manual, 1993). Çizelenin yakından incelenmesiyle şu praik sonuçlar üreilebilmekedir:

6 Verilen 0-10 m lik yeralı su sevileri için enç jeolojik alüvyonların yaşlı alüvyonlara öre sıvılaşma riski daha yüksekir. En enç jeolojik yaşa sahip olan alüvyon kamanlarında Çizele : Jeolojik Yaş ve Yeralı Su Seviyesine Bağlı Olarak elişirilmiş Basi Sıvılaşma Risk Ölçüleri Yeralı su seviyesi derinliği, m Sedimaner birim >1 Holosen En yaşlı En enç Pleisosen eç Ora ve erken aran yeralı su seviyesi derinlikleri için sıvılaşma riski önemli ölçüde azalmakadır. Örneğin en enç Holosen yaşlı alüvyonal birimlerde en yüksek sıvılaşma riski 0-3 m yeralı su sevilerinde özlenmekedir. Alüvyonal kamanın yaşından bağımsız olarak 1 m den daha derin yeralı su sevilerinde sıvılaşma riski nin düzeyi çok düşükür..3 Sayısal Örnek 1. Örnek Doğu Marmara Depreminde (M w 7.4) sıvılaşma özlenebilecek maksimum uzaklığı kesiriniz. ölcük merkezüssü olarak kabul edilirse verilen deprem büyüklüğü M w 7.4 e karşı elen en fazla uzaklık - merkezüssünden- Şekil a dan yaklaşık L m =00 km olarak kesirilmekedir. Burada bir kere daha vurulanmalıdır ki elde edilen değer sıvılaşma olayının özlenebileceği en üs sınırı anımlamakadır. Niekim Japonya depremlerine ai daaların kullanıldığı amprik bağınıdan lo( Lm ) = 0. 77(M) = 0. 77x =. 098 L m = 1 km bulunmakadır. Hemen fark edileceği ibi iki yaklaşımın sonuçları arasında önemli sayılabilecek bir fark mevcuur. Bu fark çok büyük ölçüde veri abanının dayandığı ham daaların birbirinden farklı deprem büyüklükleri ile ifade edilmesinden kaynaklanabileceği söylenebilir. Yeryüzünde deprem sonucunda oluşacak kırık (fay) haının eomerik uzunluğu Ambraseys in yaklaşımına öre L L m L f Çok yüksek Yüksek Düşük dir. Burada L = fayın eomeik uzunluğu, L f = sıvılaşma bölesinin faya en yakın uzaklığı. Şekil b den verilen deprem büyüklüğü M w = 7.4 için Lf 100 m kesirilir. Buna öre yeryüzünde olası kırığın uzunluğu L = m Ora Ora Düşük Düşük Düşük Tersiyer ve Ön Tersiyer olarak hesaplanabilir. Bu değer Well ve Copper, 1994 bağınısıyla burada ahkik edilebilir:

7 Doğrulu aımlı fay için M w = lo L ± 0. 8 s = sandar sapma, s= ± 0.8 Oralama değer kullanılırsa M w = lo L 7. 4 = lo L lo L = L = 100 km bulunur. Keza aynı deprem büyüklüğü M w 7.4 için Mark 1977, Nowroozi 198, Ambraseys ve Melville, 198 de L 100 km civarında kesirilmekedir (Ambraseys,1988).. Örnek M w =7 büyüklüğünde deprem üreme poansiyeline sahip bir akif faya dik uzaklığı L f = 30 km olan Holosen jeolojik yaşlı bir kum kamanı yer almakadır. Bölede yapılan ön araşırma sonuçlarına öre yeralı su seviyesinin derinliği oldukça yüksek olup, daha önce aynı bölede yapırılan SPT (Sandar Pene-rasyon Sayısı) nın arimeik oralaması -4 mere derinlike- N= 4 olarak belirlenmişir. Sözü edilen bölenin sıvılaşma riski aşıyıp aşımadığını ahkik ediniz Bölede maksimum yaay yer ivmesinin kesirilmesi 4. bağınıdan harekele r = (L + 0. f 3. ) 0. = [( 30) 3. 3] = km lo( a) = x 7 lo( ) ( ) x1 (P=1 alınmışır) lo( a) bulunur. = 0.9 a Kum kamanında oralama kayma dalasının hızının hesaplanması (Japon İnş. Müh. Birliği, 1997) öre kayma dalasının hızı Holosen alüvyonlarda Vs = N = 80. 6x 4 Vs 31m/sn Kriik (eşik) ivmenin kesirilmesi Sıvılaşma için eşik ivmenin değeri Dobry ve arkadaşlarının 1981 önerilerine öre γ = maks = 0.8 = 9.81 m/sn

8 Z = 4 m r d = Z = x 4 r d = 0.96 alınırsa () bağınısından a = Vs yazılabilir ve hesaplanan V s = 31 m/sn değerine karşı elen eşik ivme büyüklüğü a olarak bulunur. örüleceği üzere sıvılaşmaya yol açabilecek eşik ivme a a = 0.11 < a maks = 0.3 (, yerçekimi ivmesi) dir. Daha açık bir deyişle, sözkonusu kum kamanı depreme bağlı sıvılaşma riski aşımakadır. Sadece jeolojik yaş ve yeralı su seviyesinin derinliğine dayanan sıvılaşma ölçüüne (Çizele ) öre de verilen bölenin yüksek sıvılaşma riski aşıdığı anlaşılmakadır. Şekil 4 e ise a = ƒ(v s ) ve N = ƒ(v s ) değişimleri nomoram düzeninde çizilmişir. Sayısal örnekeki değerlerin nasıl çalışırılacağı nomoram üzerinde öserilmişir.

9 0.0 Eşik yer ivmesi, a ( cinsinden) a / = V s V s =31m/sn V,m/sn s SPT (Sandar penerasyon sayısı), N 0 30 N 40 N=4 V s = 80.6 N Şekil 4: N = ƒ(v s ) ve a = ƒ (V s ) değişimlerinin nomoram düzeninde öserilmesi (kabuller; = 0. 8, γ k = ve Z = 4 m). maks Makale devam edecek...