DİNAMİK ÜÇ EKSENLİ DENEYDE FREKANSIN ETKİSİ

Altıncı Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 16-20 Ekim 2007, İstanbul Sixth National Conference on Earthquake Engineering, 16-20 October 2007, Istanbul, Turkey DİNAMİK ÜÇ EKSENLİ DENEYDE FREKANSIN ETKİSİ THE EFFECT OF FREQUENCY ON CRR IN THE CYCLIC TRIAXIAL TEST Nazile URAL 1, Aşkın ÖZOCAK 2, Akın ÖNALP 3 ÖZET 17 Ağustos 1999 Marmara depreminde Adapazarı kent merkezinde birçok noktada zeminlerin sıvılaşması sadece siltli kumlarda değil, siltlerde de gözlemlenmiştir. Sıvılaşabilir siltler üzerinde SAÜ Geoteknik çalışma gurubunca arazi çalışmaları yanında laboratuvar araştırılmaları da yürütülmektedir. Zeminlerin deprem koşullarında yenilmesi birçok diğer etken yanında titreşimlerin frekansına bağlıdır. Bu nedenle sürdürülen dinamik üç eksenli deneylerde (CTX) frekansın önemli bir değişken olduğu göz önüne alınmıştır. Bu çalışmada dinamik deneyler sırasında sıvılaşmayı etkileyen faktörlerden biri olan frekansın değişen değerleri kullanılarak sonuçlarda beliren farklılıklar gözlemlenmiştir. Çalışmada Adapazarı nın çok genç akarsu/göl ortamlarında oluşmuş zeminlerini temsil ettiği gerekçesi ile numuneler doğal oluşum ortamlarına benzer olarak bulamaç çamurundan konsolide edilerek hazırlanmıştır. Bu amaçla laboratuvarda oluşturulan numuneler üzerinde 1Hz, 0.5Hz ve 0.05Hz frekanslarında dinamik üç eksenli deneyler yapılarak elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Frekans farklılığı nedeniyle zemin numunesindeki boşluk suyu basıncı gelişimi ve %2.5, %5 ve %10 çift yönlü eksenel deformasyon genliğine ulaşması için gerekli çevrim sayıları grafik üzerinde verilmiştir. Anahtar kelimeler: Sıvılaşma, sltler, dinamik üç eksenli deneyi, deneysel çalışmalar, frekans, bulamaç hazırlama yöntemi ABSTRACT Liquefaction of silts in addition to silty sands has been observed during the 1999 earthquakes in Adapazari, Turkey. A comprehensive study on liquefaction and cyclic mobility is being implemented by the geotechnics group of Sakarya University. One of the factors that influence the dynamic behaviour of soils in laboratory triaxial testing is frequency. It was therefore decided to observe the influence of frequency on the cyclic behaviourof silts before going into details. Samples of silt were prepared by consolidation of slurry to the foreseen void ratio because it was reasoned that extremely young sediments had barely been consolidated to date. The samples were tested in the CTX at frequencies of 1 Hz, 0.5H and 0.05Hz which represent the earthquake conditions., The increase of the porewater pressures were observed to reach tdouble amplitude strains of 2.5%, 5% and 10%, depending upon the frequency used in the particular test. The results indicate the tthe selected deformations were reached at fewer cycles of loading at lower frequencies. Keywords: Liquefaction, silts, cyclic triaxial test, experimental study, frequency,slurry GİRİŞ 17 Ağustos 1999 Marmara depremiyle gündeme gelen sıvılaşma ve çevrimsel hareketlilik problemleri, bu konuda alınması gereken uzun bir yol olduğunu göstermiştir. Adapazarı kent merkezindeki zeminlerin sıvılaşmasına veya sıvılaşmama durumundaki boşluk suyu basıncının 1 Arş. Gör., Sakarya Üniversitesi, Adapazarı, nural@sakarya.edu.tr 2 Yrd. Doç. Dr., Sakarya Üniversitesi, Adapazarı, aozocak@sakarya.edu.tr 3 Prof. Dr., İstanbul Kültür Üniversitesi, İstanbul, a.onalp@iku.edu.tr 289

290 Dinamik Üç Eksenli Deneyde Frekansın Etkisi etkisi ile boşluk suyu basıncının artışına etki eden faktörlerin araştırılması devam etmektedir. Bu çalışmada, sıvılaşmaya neden olan şartlar sıvılaşma direncinin incelenmesinde sıkça kullanılan dinamik üç eksenli deney (CTX) kullanılarak yeniden yapılandırılmış numunelerin deprem anındaki davranışlarına frekansın etkisi incelenmiştir. Üç eksenli hücre kesme deneyi (CTX) yapılarak zeminlerin, dinamik özellikleri, dinamik yüklemeler nedeniyle oluşan şekil değiştirmeleri ve boşluk suyu basıncındaki değişimler ölçülmüştür. Dinamik üç eksenli deneyler, Adapazarı kent merkezinden alınıp laboratuvar şartlarında bulamaç çamuru hazırlama yöntemiyle hazırlanan zeminler üzerinde yapılmıştır. Farklı frekans değerlerinde yapılan deneyler sırasında, suya doygun zemin numunelerin uygulanan dinamik yükler altındaki davranışları gözlemlenmiştir. SIVILAŞMADA FREKANS ETKİSİ Sıvılaşma deneylerinin yoğun bir şekilde çalışılmaya başlandığı yıllarda, Lee ve Fitton (1969), Peacock ve Seed (1968), Yoshimi ve Oh-Oka (1975), Yasuhara vd. (1982), Mulilis vd. (1977) gibi birçok araştırmacı sıvılaşmayla ilgili yaptıkları çalışmalarda dinamik deneylerde yükleme frekansının etkisini de incelemişlerdir. Kumların sıvılaşmasını inceleyen Peacock ve Seed (1968), Yoshimi ve Oh-Oka (1975), Wong vd. (1975), dinamik yükleme altında dinamik dirençteki bu etkinin oldukça küçük olduğunu bildirmişlerdir. Lee ve Fitton (1969) düşük frekansta dinamik gerilmenin daha düşük olduğunu öne sürmüştür. Mulilis vd. (1977) ise temiz kumlarda yükleme frekansının 0.1Hz, 2Hz veya 3Hz olması halinde aradaki farkın ihmal edilebilir düzeyde olduğunu bildirmişlerdir. Bu yıllardaki çalışmaların çoğunlukla kumlar üzerinde yapılmış olduğu göz önüne alınırsa, kumlarda frekans etkisinin ihmal edilebileceği öne sürülebilmektedir. 1975 Haicheng ve 1976 Tangshan depremlerine kadar sıvılaşma olayının doygun kumlara özgü olduğu düşünülürken, bu depremlerle birlikte ince daneli zeminlerde de sıvılaşmanın gözlemlenmesiyle çalışmalar siltlere yönelmiştir. Tatsuoka vd. (1986), kumlar üzerindeki çalışmasında yükleme frekansının 0.05 ile 1.0Hz arasındaki farkın ihmal edilebileceğini söylemiştir. Daha sonra Sanjay (1991), zeminlerin dinamik kayma direnci özelliklerini belirlediği çalışmasında yükleme frekansının 0.05Hz ile 1.0Hz arasındaki alındığı durumlardaki sonuçları Şekil 1 de görüldüğü gibi vermiştir. Şekil 1. Frekansın dirence etkisi (AP: havada yağmurlama, WAW: suda titreşim) (Sanjay, 1991) Sancio (2003), Adapazarı nın siltli zeminlerinde, 1Hz ve 0.005Hz frekans değerleri kullanarak yükleme frekansının etkisini incelemiştir. Şekil 2 de frekansın deviatör gerilme üzerindeki etkisi görülmektedir. Çalışmasında çoğu deneyi 1Hz kullanarak yapmasına karşın bu frekansın numune boyunca oldukça eşit boşluk suyu basıncının oluşmasına imkan vermeyecek denli yüksek olmasından dolayı bir gurup deneyde frekansı 0.005Hz olarak kullanmıştır. Sonuç olarak, numune oldukça yavaş kesildiğinde numune merkezinde kesme aşamasının sonunda boşluk suyu basıncı arttığından, numune kenarından merkeze doğru su basıncı göçünün olduğunu; hızlı kesildiğinde ise su göçünün olmayacağı ancak boşluk suyu basıncı ölçümünün numune boyunca temsil edilemeyeceğini öne sürmüştür.

N.Ural, A.Özocak, A.Önalp 291 Şekil 2. Farklı frekans değerlerinde %3 eksenel uzatma deformasyonundaki çevrim sayısı (Sancio, 2003) Christakos (2003), dinamik yük altındaki zemin davranışını ve zemin performansını etkileyen parametreleri incelemiştir. Çalışmada gerilme kontrollü dinamik üç eksenli deney sistemiyle bir seri deney gerçekleştirilmiştir. Zeminin dinamik davranışını etkileyen parametereler arasında olan yükleme frekansını, 0.5Hz ile 1.0Hz arasında kullanarak dalga formunun ve frekansın değişimiyle boşluk suyu basıncındaki değişim gözlemlenmiştir. Şekil 3 deki eğrilerden daha düşük frekans değerlerinin kullanılması sonucu daha büyük boşluk suyu basıncı değerleri ve daha büyük eksenel birim boy değişim değerlerinin elde edildiği görülmektedir. Şekil 3. Farklı frekanslarda, dinamik yükleme-boşluk suyu basıncı ilişkisi (Christakos, 2003) Sunitsakul (2004), çalışmasında ince daneli zemin içeren numunelerin dinamik deneylerdeki boşluk suyu basıncının değişimini etkileyen faktörler arasında dinamik yükleme hızının etkisi bulunduğunu belirtmiştir. Bu nedenle, dinamik yükleme hızının önceki araştırmaların sonuçlarından yararlanılarak dikkatle seçilmesi gerektiğini ve yükleme frekans değerinin 0.1 Hz ve daha yüksek olarak alınması gerektiğini belirtmiştir. Çalışmasında siltlerde dinamik yükleme sırasında oldukça yavaş drenajsız deney yapılmasını ve boşluk suyu basıncının bu şekilde ölçülmesi gerektiğini ifade etmiştir. Arazi ve laboratuvarda hazırlanan numunler üzerinde yapılan CTX sonuçlarından kumlu zeminlerin aksine, siltli zeminlerin davranışının yükleme frekansı ve büyüklüğünden etkilendiği görülmektedir.

292 Dinamik Üç Eksenli Deneyde Frekansın Etkisi Şekil 4. Farklı frekans değerleri ile değişen deviatör gerilme ve çevrim sayısı (Sunitsakul, 2004) NUMUNE HAZIRLANMASI VE DENEY PROGRAMI Akarsu/göl ortamlarında çökelmiş çok genç Adapazarı zeminlerinin geoteknik özellikleri kısa mesafelerde büyük farklılık göstermektedirler. Bunun yanında, laboratuvar koşullarında numune hazırlanıp deney yapılması, bilhassa siltli zeminler için doğal ortamlarındaki oluşumlarını temsil etmesi açısından oldukça önemli bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır. Depremler sırasında zemin davranışının belirlenmesi için laboratuvarda yapılan deneylerin önemi göz önüne alındığında arazideki zemin doku ve yapısını en iyi temsil eden bir numune hazırlama yönteminin belirlenmesi alınan sonuçların gerçekliği bakımından oldukça önemlidir. Zeminlerin doğada içinde bulundukları koşulları olabildiğince gerçekçi temsil etmek için zaman içinde farklı numune hazırlama yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler genellikle kuru yağmurlama, ıslak tokmaklama, suda çöktürme ve bulamaç çökeli ile hazırlama olarak özetlenebilir. Bilgin (1984), çalışmasında Sakarya nehrinin bugünkü ova dolgusunu biriktirirken ovanın değişen kısımlarından aktığını belirtmiştir. Akarsuyun bazen menderesler yaparak bazen de çapı 500m' ye varan büklümler çizerek kuzeye doğru aktığını, nehrin yüksek boşalımlı olmasından dolayı ovanın olağanüstü hacimlerde çökelle hızla dolduğunu öne sürmüştür. Araştırmacı ayrıca Sakarya nehrinin Geyve boğazından ani olarak çıkmasından sonra Adapazarı ovasına ulaştığında hızını kaybettiğini ve bu esnada çakıl, kum, kil ve silt malzemeleri ovaya bıraktığını, daha sonra yatağın gittikçe dolması sonucu azalan akış hızının ise ağırlıklı olarak kil ve silt istiflerinin birikmesine yol açtığını belirtmiştir. Bu istiflenmeyi en iyi şekilde benzeştiren yöntemin bulamaç çamuru hazırlama yöntemi olacağı düşünülmüş ve bu çalışmada numuneler bulamaç çamuru yöntemiyle hazırlanmıştır. Deneylerde Adapazarı kent merkezinden elde edilen siltli zemin %10 kil oranı içerecek şekilde harmanlanmış, damıtık suyla karıştırılarak bulamaç çamuru haline getirilmiştir. Tablo 1. de kullanılan silt numunesinin fiziksel özellikleri verilmiştir. Likit limit değerinin %15 fazla su içeriğinde hazırlanan karışım uzun karıştırma işlemi sonrasında 100 kpa gerilme altında çift yönlü drenajlı koşulda konsolide edilmiştir. Dinamik üç eksenli deneyler bu şekilde hazırlanan 10x20cm lik silindir numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada Adapazarı siltlerini temsil eden %10 kil içerikli, düşük plastisiteli siltli zemin üzerinde 0.05Hz, 0.5Hz ve 1.0Hz gibi farklı frekanslarda dinamik üç eksenli deney programı uygulanmıştır. Tablo 1. Deney Numunesinin Fiziksel Özellikleri LL(%) PL(%) % İnce % Kil % Silt % Kum G s Sınıf e 0(ort) ρ ort (kn/m 3 ) 29 NP 67 10 57 33 2.70 ML 0.74 18.50

N.Ural, A.Özocak, A.Önalp 293 DİNAMİK ÜÇ EKSENLİ DENEY SONUÇLARI Şekil 5 te %2.5 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısı dinamik gerilme oranına (CSR) karşı noktalanmıştır. Dinamik üç eksenli deney eğrilerinden 0.05Hz ile yapılan deneyin istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşması için gerekli çevrim sayısının en düşük değerde olduğu, sırasıyla frekans değerinin 0.5Hz ve 1Hz olarak artmasıyla istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısının arttığı görülmüştür. 0,50 CSR 0,40 0,30 0,20 0.05Hz 0.5Hz 1Hz 0,10 0,00 0 10 20 30 40 50 çevrim sayısı, N Şekil 5. Farklı frekanslarda %2.5 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısının dinamik gerilme oranı (CSR)ile bağıntısı Şekil 6 da %5 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısı ile dinamik gerilme oranı (CSR) verilmiştir. Dinamik üç eksenli deney eğrilerinden 0.05Hz ile yapılan deneyin istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşması için gerekli çevrim sayısının en düşük değerde olduğu, sırasıyla frekans değeri 0.5Hz ve 1Hz orak artmasıyla istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşması için gerekli çevrim sayısının arttığı görülmüştür. 0,60 0,50 0,40 0.05Hz 0.5Hz 1Hz CSR 0,30 0,20 0,10 0,00 0 10 20 30 40 50 60 çevrim sayısı, N Şekil 6. Farklı frekanslarda %5 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısı ile dinamik gerilme oranı (CSR) Benzer şekilde, Şekil 7 de %10 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısı ile dinamik gerilme oranı (CSR) verilmiştir. Bu eğrilerden 0.05Hz ile yapılan deneyin istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşması için gerekli çevrim sayısının en düşük değerde olduğu, sırasıyla frekans değeri 0.5Hz ve 1Hz olarak artmasıyla istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısının arttığı görülmüştür.

294 Dinamik Üç Eksenli Deneyde Frekansın Etkisi 0,60 0,50 0,40 0.05Hz 0.5Hz 1Hz CSR 0,30 0,20 0,10 0,00 0 10 20 30 40 50 60 çevrim sayısı, N Şekil 7. Farklı frekanslarda %10 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısı ile dinamik gerilme oranı (CSR) Şekil 8 de farklı frekanslarda yapılan dinamik üç eksenli deney sonuçları karşılaştırılmaktadır. 1Hz frekansında uygulanan dinamik gerilme sonucu boşluk suyu basıncı 1 in altında değerler alırken 0.5Hz ve 0.05Hz frekanslarında ise %100 değerine ulaştığı görülmektedir. 1,2 max boşluk suyu basıncı oran 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0.05Hz 0.5Hz 1Hz 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 CSR Şekil 8. Farklı frekanslarda dinamik üç eksenli deney uygulaması elde edilen boşluk suyu basıncı oranı ile dinamik gerilme oranı (CSR) SONUÇ Bu çalışmada silt numuneleri üzerinde yapılan dinamik üç eksenli deneyler sonuçları kullanılarak %2.5, %5 ve %10 çift yönlü eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısı ve dinamik gerilme oranı farklı frekans büyüklükleri için karşılaştırılmıştır. 0.05Hz frekans değeri ile yapılan deneyde istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşılması için gerekli çevrim sayısının en düşük değerde olduğu, frekans değerinin 0.5Hz ve 1Hz olarak artırılmasıyla numunelerin istenen eksenel birim boy değişim genliğine ulaşması için gerekli çevrim sayısının giderek arttığı görülmüştür. Bunun yanında, 1Hz frekansta yapılan deneylerde zemin numunelerinin boşluk suyu basıncı hiçbir zaman r u =1 değerine ulaşmazken aynı numuneler, 0.5Hz ve 0.05Hz frekanslarda dinamik yüklemeye maruz bırakıldığında %100 boşluk suyu basıncına kolayca ulaşıldığı görülmektedir. Bu çalışma sonunda Adapazarı zeminleri gibi genç akarsu/göl ortamlarında oluşmuş yumuşak ince daneli zeminler için (ML,MI,CL) dinamik üç eksenli deneylerde frekansın 0.5Hz olarak kullanılması standart uygulama olarak önerilmektedir.

N.Ural, A.Özocak, A.Önalp 295 KAYNAKLAR Bilgin T (1984) Adapazarı Ovası ve Sapanca Oluğunun Alüvyal Morfolojisi ve Kuvaternerdeki Jeomorfolojik Tekamülü, İst. Üniv. Edebiyat Fakültesi Yayınları, No: 2572, İstanbul Christakos G (2003) Soil behaviour under dynamic loading conditions:experimental procedures and statistical trends, Stochastic Environmental Research and Risk Assessment,17, pp.175 190 Lee KL ve Fitton JA (1969) Factors affecting the cyclic loading strength of soil, Vibration effects of earthquakes on soils and foundations, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, pp.71-95 Mulilis JP, Seed HB, Chan KC, Mitchell JK, Arulanandan K (1977) Effects of sample preparation on sand liquefaction, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, pp. 91-107 Peacock WH and Seed HB (1968) Sand Liquefaction under Cyclic Loading Simple Shear Conditions, Journal Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 97, No. SM9, p. 1249-1273 Sancio RB (2003) Ground Failure and Building Performance in Adapazarı, Turkey, Ph.D.Thesis, University of California, Berkeley, USA Sanjay G (1991) Characterization of dynamic shear strength of soils and seismic slope stability, PhD, Arizona State University,USA Sunitsakul J (2004) Dynamic Behavior of Silty Soils, PhD Thesis, Oregon State University, USA Tatsuoka F S, Maeda KO and S.Funjii (1986) Prediction of cyclic undrained strength of sand subjected to irregular loading, Soils and Foundations, Vol.26, No.2, pp.73-90 Xenaki VC and Athanasopoulos GA (2003) Liquefaction resistance of sand silt mixtures: an experimental investigation of the effect of fines, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 23,pp. 183 194 Yoshimi Y and Oh-Oka H (1975) Influence of Degree of Shear Stres Reversalon the Liquefaction of Potential Saturated Sand, Soils and Foundation, Vol.15, No.3, pp.27-40

296 Dinamik Üç Eksenli Deneyde Frekansın Etkisi