KAYMA DALGA HIZINDAN SIVILAŞMA ÇÖZÜMLEMESİ KUMLUCA/ANTALYA ÖRNEĞİ

Transkript

1 KAYMA DALGA HIZINDAN SIVILAŞMA ÇÖZÜMLEMESİ KUMLUCA/ANTALYA ÖRNEĞİ Osman UYANIK *, Buket EKİNCİ ** ve N.Ayten UYANIK *** * Suleyman Demirel Üniversitesi., Jeofizik Müh. Böl. Isparta - osmanuyanik@sdu.edu.tr ** Devlet Su İşleri 3. Bölge Müdürlüğü-Antalya - buketari@gmail.com *** Suleyman Demirel Üniv. Deprem ve Jeoteknik A. M. Isparta -aytenuyanik@sdu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada kayma dalga hızı ve deprem dalgasının hakim periyodu kullanılarak kum zeminlerin sıvılaşma çözümlemesi yapılmıştır. Bu yöntem Seed-Idriss in sıvılaşma çözümlemesinin genel biçimine benzemektedir. Kayma dalga hızından sıvılaşma analizinde aşağıdaki parametreler hesaplanmalıdır. Bunlardan birincisi kayma gerilme oranı, ikincisi kayma direnç oranını ve üçüncü olarak güvenlik faktörünün belirlenmesidir. Kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma çözümlemesi Kumluca/Antalya yerleşim alanına uygulanmıştır. Bu çözümde kullanılan kayma dalga hızı yüzey dalgalarından hesaplanmıştır. Kumluca bölgesinde yapılan sıvılaşma çözümlemesinde farklı ivme değerlerine bağlı sıvılaşan ve sıvılaşmayan alanlar belirlenmiştir. Sonuçlar sıvılaşma haritası olarak sunulmuştur. Sıvılaşma haritası incelendiğinde çalışma alanındaki Lagünün kıyı kordonu ve eski göl alanı sınırları belirlenmiştir. Çalışma alanında oluşabilecek ivme değeri küçüldükçe sıvılaşan alanlar daralmaktadır. Anahtar Kelimeler: Sıvılaşma, kayma dalga hızı, Kumluca, lagün. GİRİŞ Deprem bölgelerinde sıvılaşabilecek zeminleri önceden belirlemek, var olan mühendislik yapıların güçlendirilmesinde, sıvılaşabilecek zeminlerin iyileştirilmesinde ve yapılacak yapıların mühendislik tasarımında önemlidir. [] de 82 ve 887 Niigata, 89 de Mino Ovari, 925 de Santa Barbara, 94 da El Centro, 944 de Tohnankai, 948 de Fukui, 957 de San Francisco, 96 da Chile ve 964 de Niigata ve Alaska depremlerinden zeminin sıvılaşma direnç değerlendirmeleri için 96 lı yılların sonuna doğru basit bir sıvılaşma analiz yöntemi geliştirmişlerdir [2]. Bu basitleştirilmiş yöntemi izleyerek [3] de kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analiz yöntemi geliştirmiştir ([4]; []). Bilindiği üzere kayma dalgaları zeminlerin sıvılaşma analizlerine ek olarak zeminin dinamik özelliklerini 6. Kentsel Altyapı Sempozyumu 573

2 belirlemede ve deprem mühendisliği için gerekli bir parametredir ([3]; [5]; [6]; [7]; [8]; [9] ve []). Sismik kırılma yöntemi ile sığ yeraltı yapılarında kayma dalgalarının özellikleri belirlenebilir. Fakat bu yöntemdeki sorun kayma dalgasının yaratılması özellikle yüksek gürültülü alanlarda veya sinyal gürültü oranının düşük olduğu durumlarda sağlıklı sonuçların elde edilmesi uzmanlık ister. Buna karşın Yüzey Dalgalarının Çok Kanallı Analizi ve Mikrotremör Dizilim Ölçüm yöntemleri ile çok-kanallı alıcılar kullanılarak veri toplama ve yeraltı yapılarının kayma dalga değişimleri belirlenebilmektedir []. [2] de yüzey dalgalarından hesaplanan kayma dalga değişimlerinin de hassas olduğunu saptamışlardır. Çalışma alanı olan Antalya/Kumluca bölgesinde kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analizi uygulanmıştır. Bu alanda yüzey dalgalarının çok kanallı analizi ile kayma dalga hızları [8] tarafından elde edilmiştir. Bu çalışmada [8] tarafından bulunan kayma dalga hızları ve [3] sıvılaşma analizi kullanılarak Kumluca bölgesinin zeminin sıvılaşma analizleri yapılmıştır. Sonuçlar grafik ve harita şeklinde sunularak sıvılaşan ve sıvılaşmayan bölgeler ayırt edilmiştir. 2. SIVILAŞMA ANALİZ YÖNTEMİ [3] de geliştirdiği sıvılaşma çözümlemesini 22 adet deprem ve 2 den fazla kayma dalga ölçümünü içeren verilerle denetlemiştir. Sonuç olarak kayma dalga hızı ve deprem dalgasının etkin periyoduna bağlı geliştirilen sıvılaşma çözümleme yönteminde kullanılan veriler içerisinde sıvılaşan verilerin tamamının sıvılaşma bölgesinde ve sıvılaşmayan verilerin %66 dan fazlasının sıvılaşmayan bölgede çıkmasını sağlamıştır [2]. Kayma dalga hızı ve depremin etkin periyodundan sıvılaşma değerlendirmesinde temel olarak 3 parametrenin hesabı gereklidir. Bunlardan birincisi kayma gerilme oranıdır ve anlamı depremin zeminde yarattığı tekrarlı gerilmelerdir ve eşitlik ile ifade edilir. İkincisi kayma direnç oranıdır ve zeminin doğal durumdaki direncini ifade eder ve eşitlik 8 ile verilir. Üçüncü olarak güvenlik faktörünün belirlenmesidir ve eşitlik ile verilir. 2. Kayma Gerilme Oranı (KGO) [] tarafından verilen eşitliğe alternatif olarak [4] ve [3] tarafından aşağıdaki eşitlik, kayma gerilme oranı olarak kullanılmıştır. Buradaki kayma gerilme oranı ortamın kayma dalga hızına, birim hacim ağırlıklarına, yaraltı su derinliğine, depremin ivmesi ve periyoduna bağlıdır. Bu yöntemin detayı için ([4], [3], [2]) incelenmelidir. amax σv KGO = s r ' d () g σv s n i= s σ v = 2.45T γ Vs (2) ' s s i i σv = σv 9.8( z z )( γ γ ) (3) w sa d Kentsel Altyapı Sempozyumu

3 Eşitlik de; a max : En büyük yatay yer ivmesi, g: Yer çekim ivmesi, σ Vs : Kayma dalga hızı ve deprem dalgası periyodundan hesaplanan incelenen derinlikteki dinamik düşey gerilme, σ Vs : Aynı parametreler ile hesaplanan ve aynı derinlikteki efektif dinamik düşey gerilmedir. r d Gerilme azaltma katsayısı dır. Eşitlik 2 ve 3 de T: Deprem dalgasının hakim periyodu, Vs i : Zemine ait kayma dalga hızları, γ i : Zeminin birim hacim ağırlıkları, γ sa : Suya doygun zeminin birim hacim ağırlığı, γ d : Doygun olmayan üst zeminin birim hacim ağırlığı, z: Araştırma derinliği ve z w : Yer altı suyu derinliği olarak verilmektedir. [] de gerilme azaltma katsayısını (r d ) değişik deprem titreşimleri kullanarak ve derinliğe bağlı deneysel olarak belirlemiştir. Bu çalışmada kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analizinde kullanılan r d değerleri eşitlik (4), (5), (6) dan hesaplanmıştır[3], [4]. r d =. 765z z<9.5m (4) r d = z 9.5<z<23m (5) r d = z 23<z<3m (6) Zeminin kayma dalga hızı farklı sismik teknikler ile bulunabilir. Bu tekniklerden elde edilecek kayma dalga hızlarında azda olsa farklılıklar oluşacaktır. Bu farklılıkları gidermek ve ortak bir kayma dalga hızını elde etmek için efektif gerilmeye bağlı düzeltme uygulanmıştır. Kayma dalga hızının efektif gerilmeye bağlı düzeltilebileceği (7) ile gösterilmiştir [5], [6]; [4]. Burada, Vs c : efektif düşey gerilme ile düzeltilmiş kayma dalga hızı, Vs: yerinde ölçülmüş kayma dalga hızı, Pa: kpa referans gerilme ya da atmosfer basıncı ve σ v: efektif düşey gerilme (kpa). '.25 Vs = Vs Pa σ ) (7) c ( v 2.2 Kayma Direnç Oranı (KDO) [7], [3] ve [2] kayma direnç oranı ve düzeltilmiş kayma dalga hızı arasında aşağıdaki ilişkiyi önermektedir. Bu ilişki sıvılaşma yada sıvılaşmama sınırını belirleyen eğriyi oluşturmaktadır. Kayma direnç oranının anlamı zeminin doğal direncidir. Vsc KDO= [ a( ) + b( )] MSF (8) Vs Vs Vs M w n max MSF = (9) 7.5 Burada; Vs c : Düzeltilmiş kayma dalga hızı, Vs max : Sıvılaşmanın oluşabileceği düzeltilmiş kayma dalga hızının üst sınır değeri ve zeminin incelik içeriğine (FC) bağlı aşağıdaki ilişkiyle değişir. Vs max = 25m/s FC<=%5 Vs max = 25*(FC-5) m/s %5<FC<%35 () Vs max = 22m/s FC>=%35 c max 6. Kentsel Altyapı Sempozyumu 575

4 a ve b: Eğriye uygun parametreler MSF: Magnitüd skala faktörü M w : Depremin büyüklüğü. n : üstel sabit ve bu sabit [7] tarafından M w >7.5 depremler için ve M w <=7.5 depremler için -3.3 olarak tanımlanır [2]. Eşitlik 8 in ilk terimi [9] tarafından önerilen ortalama tekrarlı kayma deformasyon sabiti için Vs c ve Kayma direnç oranı arasındaki ilişkiyi yansıtan yeniden üretilmiş bir ilişkidir. İkinci terim, düzeltilmiş kayma dalga hızının düşük değerlerinde küçük bir değer ile ve Vs c nin yüksek değerlerinde Vs max sınır değerini gösteren bir hiperboldür. Üçüncü terim ise [2] tarafından deprem büyüklüğünün kayma direnç oranı üzerindeki etkisini hesaplayan magnitüd skala faktörüdür [2]. [3] de eşitlik 8 deki a=.25, b=4 ve Vs max = 25m/s olarak belirlemiştir. Ayrıca [2] da zeminin incelik içeriğine bağlı olarak Vs max =22-25m/s arasında değiştiğini belirlemiştir. 2.3 Güvenlik Faktörü Sıvılaşma riskinin belirlenmesinde yaygın olarak güvenlik faktörü kullanılmaktadır. Kaynak [] ve [2] güvenlik faktörünü aşağıdaki eşitlikle hesaplanmasını önerir. [2] de güvenlik faktörünün ve küçük değerleri sıvılaşır, -.2 arasındaki değerleri potansiyel sıvılaşma ve.2 den büyük değerleri sıvılaşmaz olarak verilmektedir. GF = KDO KGO () 3. KAYMA DALGA HIZI ELDE ETMEK İÇİN UYGULANAN YÖNTEMLER Kayma dalga hızları sismik yöntem içerisinde birçok teknik ile elde edilebilir. Bunlardan sismik kırılma yöntemi içerisinde S dalga üretme tekniği, Kuyu içi S dalga teknikleri, Yüzey dalgalarının spektral analiz tekniğinde aktif ve pasif kaynaklı teknikler sayılabilir. Bu çalışmada, [8] tarafından yüzey dalgalarının aktif ve pasif kaynakları kullanılarak elde edilen S dalgaları kullanılmıştır. Yüzey dalgasının aktif kaynaklı tekniğinde enerji, yere balyoz ile düşey olarak vurulan darbelerden oluşan sinyallerin algılanması ve pasif kaynaklı teknikte ise yerdeki doğal titreşimlerin jeofonlar tarafından algılanması ve sismograf tarafından bu sinyallerin kaydedilmesi esasına dayanır. Sahada yüzey dalgası elde etmek amacı ile 24 kanallı sismograf ve 4.5 Hz lik algılayıcılar (jeofonlar) kullanılmıştır. Her iki teknik de jeofon aralığı m dir. Aktif kaynaklı teknikte örnekleme aralığı.5ms, kayıt uzunluğu s, Pasif kaynaklı teknikte ise örnekleme aralığı 2ms, kayıt uzunluğu 3s dir. Aktif ve Pasif kaynaklı teknikler kullanılarak elde edilen yüzey dalgalarından hesaplanan dispersiyon eğrileri birleştirilip her bir sismik ölçüm noktası için ters çözüm yapılmış ve ilgili alanın derinliğe bağlı S hızı değişimi çıkartılmıştır [8]. 4. ÇALIŞMA ALANI VE SIVILAŞMA DEĞERLENDİRMELERİ Çalışma alanı, Akdeniz Bölgesinde yer alan Antalya ilinin güneybatısında, Kumluca ilçe sınırları içinde yer almaktadır (Şekil ). [8] tarafından Kumluca yerleşim merkezinde 2 noktadan; aktif kaynak kullanarak 42 adet ve pasif kaynak kullanarak 28 adet yüzey dalgası verisi elde edilmiş ve bu yüzey dalgası verilerinden derine doğru kayma dalga hızları belirlemiştir. Bu çalışmada yüzey dalgasından elde edilen kayma dalga hızları, Kentsel Altyapı Sempozyumu

5 çalışma alanında yapılan sondaj ve araştırma çukurlarından yeraltı suyunun derinlikleri, birim hacim ağırlıkları kullanılmıştır. Kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analizinde, zemin parametreleri olarak kayma dalga hızı, yeraltı suyu derinliği, birim hacim ağırlığı ve deprem parametreleri olarak da depremin büyüklüğü, ivmesi ve hakim periyodu parametrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil. Çalışma Alanı ve Sismik Yüzey Dalgalarının Ölçüm Noktaları ([8] den düzenlenmiştir). Çalışma alanında yeraltı suyu 4-3m arasındadır. Çalışma alanının güney kesimlerindeki zeminlerde yeraltı suyu yüzeye yakın ancak kuzey ve kuzey doğu kesimlerine doğru yeraltı suyu seviyesi derinleşmektedir. Sıvılaşma analizinde kullanılan parametrelere ek olarak zemin türünde bulunan incelik içerikleri %5 den az kabul edilmiştir. İncelik içeriğinin %5 den az olması durumunda eşitlik dan Vs max 25m/s bulunur. Dolayısıyla eşitlik 8 de Vs max yerine 25m/s kullanılmıştır. Kumluca bölgesinde ve civarında meydana gelebilecek 7.5 büyüklüğündeki bir depremin ivmesinin.4g,.3g,.2g ve.g olması durumunda kumluca bölgesinin kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analizi yapılmıştır. Yapılan sıvılaşma analizinde eşitlik ve 8 kullanılarak sırasıyla depremin zeminde yarattığı etki ve zeminin doğal direnci belirlenmiş ve eşitlik ile de kıyaslanmıştır. Güvenlik faktörü den küçük olan alanlarda sıvılaşma, -.2 arasındaki alanlarda potansiyel sıvılaşma ve.2 den büyük olan alanlarda ise sıvılaşmaz olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar grafik ve harita biçiminde sunulmuştur (Şekil 2, 3). Grafik ve haritalardan görüleceği üzere depremin ivmesi küçüldükçe sıvılaşan alanlar azalmaktadır. Haritadaki açık maviden koyu mavi arasındaki alanlar sıvılaşacak alanlardır. Sarı olan alanlar ise potansiyel sıvılaşma alanları ve kırmızı ve geri kalan renkler ile gösterilen alanlar ise sıvılaşmazdır. Buna göre Bağlık, Eskiçam, Karşıyaka ve Yeni mahallelerinde yoğun sıvılaşma problemleri ile karşılaşılacaktır. Buna karşın Cumhuriyet, Sarıkavak, Kasapçayırı mahallelerinde ve Sarnıç tepe kesimlerinde sıvılaşma meydana gelmeyecektir. 6. Kentsel Altyapı Sempozyumu 577

6 5. SONUÇLAR Kumluca bölgesi yerleşim alanı ve civarındaki zeminlerde kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analizi yapılmıştır. Sıvılaşma analiz sonuçları hem grafik olarak hem de harita olarak sunulmuştur. Sonuç olarak kumluca bölgesinde meydana gelebilecek 7.5 büyüklüğündeki bir depremin zeminde yaratabileceği farklı ivme değerlerine bağlı olarak sıvılaşan alanlar ortaya konmuştur. Sıvılaşma haritaları irdelendiğinde Kumluca yerleşim alanını oluşturan eski lagün gölünün sınırları ortaya konulmuştur. Sıvılaşmanın olacağı alanlarda yapılaşma yapılmamalı yada zemin iyileştirmeleri yapılarak yapılaşmalara izin verilmeli Aksi durumda önlemsiz yapılaşmalar yapılırsa hem can hem de ekonomik kayıplar meydana gelecektir.,6,6 Kayma Gerilme yada Direnç Oranı (KGO),5,4,3,2, Sıvılaş ma FC<%5 Sıvılaşma Var Sıvılaşmay an M w =7.5 a max =.4g Kayma Gerilme yada Direnç Oranı (KGO),5,4,3,2, Sıvılaş ma FC<%5 M w =7.5 a max =.3g Sıvılaşma Var Sıvılaşmay an Düzeltilmiş Kayma Dalga Hızı (Vs c ) Düzeltilmiş Kayma Dalga Hızı (Vs c ) Kayma Gerilme yada Direnç Oranı (KGO),6,5,4,3,2, Sıvılaş ma FC<%5 M w =7.5 a max =.2g İ lik i iği Sıvılaşmay an Sıvılaşma Var Düzeltilmiş Kayma Dalga Hızı (Vs c ) Kayma Gerilme yada Direnç Oranı (KGO),6,5,4,3,2, Sıvılaş ma M w =7.5 a max =.g FC<%5 Sıvılaşma Var Sıvılaşmay an Düzeltilmiş Kayma Dalga Hızı (Vs c ) Şekil 2. Farklı ivme değerleri için kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analiz grafikleri Kentsel Altyapı Sempozyumu

7 Mw=7.5 GF Mw=7.5 GF amax=.4g 424 amax=.3g 423 incelik içeriği incelik içeriği Mw=7.5 GF Mw=7.5 GF amax=.2g 424 amax=.g 423 incelik içeriği incelik içeriği Şekil 3. Farklı ivme değerleri için kayma dalga hızına bağlı sıvılaşma analiz haritaları KAYNAKLAR [] H.B. Seed, ve I.M. Idriss, 97, Simplified Procedure for Evaluating Soil Liquefaction Potential, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. ASCE 97, [2] O. Uyanık ve A.G. Taktak, 29, Kayma Dalga Hızı ve Etkin Titreşim Periyodundan Sıvılaşma Çözümlemesi için Yeni Bir Yöntem, SDÜ, Fen Bil. Ens. Dergisi,3-. [3] O. Uyanık, 22, Kayma Dalga Hızına Bağlı Potansiyel Sıvılaşma Analiz Yöntemi, DEÜ. Fen Bil. Ens. (Doktora-Tezi), İzmir. [4] O. Uyanık, 26, Sıvılaşır yada Sıvılaşmaz Zeminlerin Yinelemeli Gerilme Oranına Bir Seçenek, DEÜ. Fen ve Müh. Dergisi, 8 (2), Kentsel Altyapı Sempozyumu 579

8 [5] O. Uyanık, E. Türker, ve T. İsmailov, 26, Sığ Sismik Mikro-Bölgeleme ve Burdur/Türkiye Örneği, Ekologiya ve Su Teserrufatı (8), 9-5. [6] E.U. Ulugergerli, ve O. Uyanık, 27, Statistical Correlations between Seismic Wave Velocities and SPT Blow Counts and the Relative Density of Soils, J. of Testing and Evaluation 35 (2), -5. [7] O. Uyanık, ve E.U. Ulugergerli, 28, Quality control of compacted grounds using seismic velocities, Near Surface Geophysics, 6, [8] Ü. Dikmen, 29, Statistical correlations of shear wave velocity and penetration resistance for soils, Jour. of Geophysics and Engineering 6, [9] O. Uyanik, 2, Compressional and shear-wave velocity measurements in unconsolidated top-soil and comparison of the results, International Journal of the Physical Sciences 5(7), pp [] O. Uyanık, 2, The porosity of saturated shallow sediments from seismic Compressional and shear wave velocities. Journal of Applied Geophysics doi:.6/j.jappgeo.2... [] J. Ivanov, C.B. Park, R.D. Miller, ve J. Xia, 2, Mapping Poisson s Ratio of unconsolidated materials from a joint analysis of surface-wave and refraction events, Proceedings of the Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, -9. Virginia. [2] R.D. Miller, J. Xia, C.B. Park, ve J. Ivanov, 2, Shear wave velocity field from surface waves to detect anomalies in the subsurface, Geophysics 2, Special Publication, 4:8.-4:8.. [3] S.S.C. Liao, ve R.V. Whitman, 986, Overburden Correction Factors for SPT in Sands, J. of Geotechnical Engineering (ASCE) 2, [4] P.K. Robertson ve C.E. Wride, 997, Cyclic Liquefaction and Evaluation Based on the SPT and CPT, NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, NCEER [5] D.W. Sykora, 987b, Cretation of a Data Base of Seismic Shear Wave Velocities for Correlation Analysis, Geotechnical Laboratory Miscellaneous, Paper GL [6] P.K. Robertson, D.J. Woeller, ve W.D.L. Finn, 992, Seismic Cone Penetration Test for Evaluating Liquefaction Potential under Cyclic Loading, Can. Geotch. J. Ottawa 29, [7] R.D. Andrus, ve K.H. Stokoe II, 997, Liquefaction Resistance Based on Shear Wave Velocity. NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, [8] B. Ekinci, 2, Kumluca yerleşim alanının zemin özelliklerinin yapay ve doğal kaynaklı yüzey dalgalarının çok kanallı analiziyle belirlenmesi. SDÜ Fen Bil. Ens. s.49. [9] R. Dobry, R.S. Ladd, F.Y. Yokel, R.M. Chung, ve D. Powell, 982, Prediction of Pore Water Pressure Buildup and Liquefaction of Sands During Earthquakes by the Cyclic Strain Method, NBS Building Science Series 38, National Bureuau of Standards, Gainthersburg, MD, 52. [2] T.L. Youd, I.M. Idriss, R.D. Andrus, I. Arango, G. Castro, J.T. Christian, R. Dobry, W.D.L. Finn, L.F.Jr. Harder, M.E. Hynes, K. Ishihara, J.P. Koester, S.S.C. Liao, W.F.III. Marcuson, G.R. Martin, J.K. Mitchell, Y. Moriwaki, M.S. Power, P.K. Robertson, R.B. Seed, ve K.H. Stokoe II, 997, Summary Report, NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Technical Report NCEER-97-22, T.L. Youd and I.M. Idriss, (Eds.), Buffalo, NY, -4. [2] H.B. Seed, ve I.M. Idriss, 982, Ground Motions and Soil Liquefaction During Earthquakes. Earthquake Engineering Resarch Institute, Berkeley, California Kentsel Altyapı Sempozyumu