ZEMİNLERDE SIVILAŞMA ANALİZ VE İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ SIVILAŞMANIN TANIMI Sıvılaşma, yeraltı su seviyesi altındaki tabakaların geçici olarak mukavemetlerini kaybederek, katı yerine viskoz sıvı gibi davranmaları deprem sarsıntısı veya benzeri diğer hızlı yüklemeler sonucunda, yer dayanımının ve sertliğinin, sıkılığının azalması olgusudur. Y.Doç.Dr. Devrim ALKAYA Pamukkale Üniversitesi sıvılaşma olması için için Daneli yapıların olması Daneler arası boşlukta su olması Daneler arası bağın kuvvetli olmaması Deprem dalgası olması Sıvılaşma için Fiziksel süreç Bir deprem anında meydana gelen kayma dalga sınını neden olduğu devirsel kayma gerilmeleri gevşek, suya doygun kohezyonsuz bir zeminde büzülmeye neden olur.bu büzülme zemin tanelerini daha sıkı konumda olmaya zorlar ve taneden taneye yük aktarımına neden olur. Bu yük transferi boşluk suyu basıncını arttırır. Sismik sarsıntı çok hızlı meydana geldiği için, zemin drenajsız yüklemeye maruz kalır ve taneli yapı içinde aşırı boşluk suyu basıncı oluşur.basınç, artmaya devam ederse, öyle bir düzeye ulaşır ki, taneden taneye aktarılan temas basıncı kaybolur. Bu durumda, taneli zemin katıdan çok bir sıvı gibi davranır. Bu aşamada sıvılaşma denilen olay meydana gelir. Gözeneklerin suyla dolgun olması danecikler üzerinde basınç oluşturur. Basınç, danecikler arası bağı denetler. Normal koşullarda denge söz konusudur ve iç basınç düşüktür. Depremin neden olduğu yük dengeyi bozar ve iç basıncı artırır. deprem dalgası ile değişen gerilme ve boşluk suyu basınçları Statik şartlarda, Ơ 'V0= Ơ V 0 Us Daneler arası dengenin Dinamik şartlarda, Ơ 'V 0 = Ơ V 0 -(Us +Ud) bozulması, suyun dışarı Ơ V 0 = toplam gerilme Ơ 'V 0 = efektif gerilme atılmasına yol açar Us = statik durumda boşluk suyu basıncı Su hareketi daneler Ud = dinamik durumda boşluk suyu basınç arası bağı ortadan fazlalığıdır kaldırır Bağımsız kalan dane suyla birlikte dışarı atılır Ortamdan ayrılan daneler ortamın taşıma gücünü azaltır Mühendislik yapılarının ek yükleri karşısında yerin taşıma gücü ortadan kalktığından yapı döner, eğilir veya yere batar SIVILAŞMA TÜRLERİ Neden olduğu hasar tipleri göz önüne alındığında iki çeşit sıvılaşmadan bahsedilebilir Akma türü sıvılaşma ve Devirsel hareketlilik (yanal yayılma) 1
Akma Türü Sıvılaşma Akma türü sıvılaşma, büyük hasarların gözlendiği akma yenilmelerini oluşturur. Zeminin statik dengesi için gerekli kayma gerilmelerinin, sıvılaşmış zeminin dayanımından büyük olduğu durumlarda oluşur.genellikle büyük bir zemin kütlesinin onlarca metre deplasman yapması şeklinde oluşan akma türü sıvılaşma, bir kez tetiklendikten sonra, tamamen statik kayma gerilmeleri tarafından sürdürülür.bu durum bir benzemişimle açıklanabilir kayakçının statik dengesi, kendisini başlangıç noktasından ileriye ittiğinde bozulmaktadır. Bu küçük hareketten sonra yer çekimi kuvveti etkisiyle oluşan statik kuvvetler, kar ile kayakçı arasındaki sürtünme kuvvetini aşarak kayakçının rampadan aşağıya doğru ivmelenmesine neden olmaktadır. Kayakçıyı kararsız bir konuma sürükleyen durum ile akma türü sıvılaşmayı tetikleyen dinamik kuvvetler benzeşim göstermektedir. Her iki durumda da, küçük rahatsızlıklar yerçekimi kuvvetinin harekete geçmesine ve büyük, ani hareketler oluşturmasına neden olmaktadır. Alaskada Sıvılaşma 1976 Guatemala Depremi Devirsel Hareketlilik Devirsel mobilite, kabul edilemeyecek kadar büyük, kalıcı deformasyonlar üreten bir başka sıvılaşma olayıdır. Zeminin statik dengesi için gerekli kayma gerilmelerinin, sıvılaşmış Zeminin dayanımından küçük olduğu durumlarda oluşur Devirsel mobilete nedeniyle oluşan deformasyonlar, deprem sarsıntıları süresince artarak devam eder. bu tür deformasyonlar, su kütlelerinin yanındaki az eğimli veya hemen hemen düz yüzeyli zeminlerde görülür. Yapılaşmanın olduğu bölgelerde önemli hasarlara neden olabilir 1999 depreminde gölcük sahilleri iyi bir örnektir Showa köprüsü SIVILAŞMA KÖKENLİ HASAR TİPLERİ Kum Kaynaması Akma Göçmesi Yanal Yayılma istinat Yapısı Yenilmesi taşıma gücü kaybı Gömülü yapı yüzeyleşmesi 2
Deprem sırasında oluşan boşluk suyu basıncının sönümlenme ihtiyacı, boşluk suyunun yukarı yönde hareket etmesine neden olur. Bu hareket, zemin taneciklerine yukarı yönde etki eden kuvvetleri oluşturur. Bu kuvvetler, bazı partiküllerin su ile beraber yüzeye kadar taşınmasına ve yüzeyde kum konileri oluşmasına yol açar.kum kaynaması genellikle bir hat üzerinde gözlenir. Zemindeki çatlak veya yarıkları takip eder ve çoğunlukla çökme ve nispeten küçük hasarlara yol açar Kum kaynaması Yüzeyde kum konileri oluşma biçimi Sıvılaşma olayı genellikle kum kaynamasıyla birlikte düşünülür 1999 Chi-Chi depreminde oluşan kum kaynaması 2000 Tottori depreminde oluşan kum kaynaması Akma Göçmesi Akma göçmeleri çoğunlukla 3 dereceden daha fazla eğimlerde meydana gelirler. Sıvılaşmanın neden olduğu en feci göçmelerdir. Ansızın ortaya çıkarlar. çabuk gelişirler ve çoğu zaman bir zemin kütlesinin oldukça geniş şev, aşağı hareketini içerirleryamaç eğiminin çok düşük olduğu ve yanal değiştirmeye uygun zeminlerde sıvılaşan zemin üzerinde veya yüzeye çok yakın derinliklerde zeminin bloklara ayrılarak ileri geri hareket etmesi ise zemin şahmını olarak tanımlanmaktadır. 1971 depreminde Lover san Fernonda barajında oluşan akma göçmesi Yanal Yayılma Genellikle çok az eğimli (0,3-3 ) yamaçlarda ve ya us kütlelerine komşu düzlüklerde gelişmektedir. Anal yayılımlar altta bulunan zeminin sıvılaşım ve yüzeysel sediment blokların yanal deplasmanını ihtiva eder.bu yayılımlar, çoğunlukla birkaç metre ile sınırlıdır. Bu gibi hareketler, tipik olarak dolgulara, liman tesislerine, boru hatlarına, köprülere ve yüzeysel temellere sahip diğer yapılara zarar vermektedir. 3
istinat Yapısı Yenilmesi Sıvılaşmış temel zemininin destek kaybından veya istinat yapısı arkasındaki sıvılaşmış zeminden oluşan artan yanal yüklerden kaynaklanır. Bu etkiler sonucu istinat yapısı düşey ve/veya yatay yönde deplasmanlara maruz kalır Sıvılaşma öncesi: -------- Sıvılaşma sonrası: 1995 Kobe depreminde sıvılaşma sonucu oluşan istinat duvarı yenilmesi (liman) Sıvılaşma Ortamlarında Taşıma Gücü Kaybı Sıvılaşma her zemin ve her ortamda meydana gelen bir davranış değildir. Özellikle kum ve siltli, gevşek ve jeolojik olarak genç çökellerin bulunduğu ve yer altı suyunun sığ olduğu zeminlerde gelişir. Güncel kumlar ve siltler (genellikle az tutturulmuş veya tutturulmamış, gevşek ve l 0000 yıldan daha genç delta, nehir, taşkın ovası, taraça ve kıyı çökelleri), insan yapımı sonradan ıslah edilmiş göl, akarsu ve deniz kenarları, gevşek maden atıkları ve yeraltı suyunun sığ olduğu (20 m ye kadar) zeminlerde yaygın olarak gözlenir 4
Hanshin (Japonya) expres yol 1964 Niiagata depremi Sıvılaşma, Adapazarı Gömülü yapı yüzeyleşmesi Sıvılaşma esnasına kaldırma kuvveti etkisiyle, muayene bacası, tank, boru hatları ve benzeri hafif yapılar zemin yüzeyine yükselir.son depremlerde deprem sonrası yaşanan kanalizasyon ve su sıkıntısı bu hatların sıvılaşma sebebiyle oluşan kaldırma kuvvetlerinden ve yanal basınçlardan bu hatların kullanılamaz hale gelmesindendir. GÖMÜLÜ YAPI YÜZEYLENMESİ BİÇİMİ SIVILAŞMAYA ETKİ EDEN FAKTÖRLER Zeminde sıvılaşma oluşumunu etkileyen birçok faktör vardır. Laboratuar deney sonuçlan yanında arazi gözlemleri ve çalışmalarına dayalı olarak, sıvılaşmayı etkileyen en onemli faktörler ikiye ayrı alabilir. Birincisi depremden kaynaklı olan faktörler (S dalgası) İkincisi Yer kaynaklı olan faktörler. 5
DEPREM KAYNAKLI FAKTÖRLER YER KAYNAKLI OLAN FAKTÖRLER Deprem şiddeti ve süresi :Sıvılaşmanın en yaygın nedeni, deprem anında açığa çıkan sismik enerjidir. Deprem şiddeti ve sarsıntı suresi artarken, sıvılaşma için potansiyel de artmaktadır. Yüksek büyüklüklü depremler, hem büyük yer ivmesi hem de daha uzun sureli yer sarsıntı üretir Deprem Dalgasının Baskın Salınım Dönemi: Değişik deprem büyüklükleri için depremlerin odak uzaklığına bağlı ortalama baskın periyotları belirleyen bir abak geliştirmişlerdir (Seed vd., 1969). Deprem kayıtlarından bulunan periyotlar ile mikro tremor kayıtlarından elde edilen zeminin baskın salınım Dönemleri arasında özellikle sığ derinliklerde iyi bir uyum olduğu Y.Ohsaki ve O.SakaguchiTarafından belirtilmiştir (Taban ve Genç oğlu, 1975). 1. Yeraltı su seviyesi :Sıvılaşma için en elverişli koşullar, yeraltı su seviyesinin yüzeye yakin olduğu zaman ortaya çıkmaktadır. Yeraltı su seviyesi üzerinde yer alan ve suya doygun olmayan zeminlerin sıvılaşması söz konusu değildir. Su anda yeraltı su seviyesi üzerinde bulunan zeminler, hidrolojik rejim dikkate alındığında, gelecekte büyük olasılıkla doygunluk oluşmayacağını gösteriyorsa, genellikle sıvılaşma potansiyeli için değerlendirilmeye alınmaz 2. Zemin Tipi:"Depremler esnasında zemin sıvılaşması ile ilişkili tehlikenin ince ve orta kum ile düşük plastisiteli ince taneler içeren kum çökellerinde karşılaşıldığı bilinmektedir. Bununla birlikte, sıvılaşmanın zaman zaman çakılı zeminlerde de oluştuğu durumlar rapor edilmiştir. 3.Zeminin Relatif Sıkılığı (Dr) Zemini oluşturan tanelerin boyut, biçim ve dağılım gibi özellikleri, zeminin deformasyon özelliğini etkiler. Deformasyon özelliği de aşırı boşluk suyu basıncı oluşumunda etkili olduğundan, sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesinde en önemli faktör zeminin sıkılık oranıdır. Rölatif sıkılık oranı aşağıdaki şekilde ifade edilir e max e o Dr = e mak e min e max = zeminin en gevsek durumundaki boşluk oranı emin =zeminin en sıkı durumundaki boşluk oranı e o = zeminin tabii boşluk oranıdır rölatif sıkılık 3.relatif sıkılığa göre zemin sınıflandırması açıklama 0 15 çok gevşek 15 35 gevşek 15 35 gevşek 65 85 sıkı (risk yok) 85 100 çok sıkı (risk yok) 4.Tane Boyu Dağılımı YER KAYNAKLI OLAN FAKTÖRLER En kolay sıvılaşabilen kumların ortalama dane çapı 0.2mm civarında olduğu söylenebilir,(ulusay, 2000 ) 5 Yerleştirme ve çökelme Ortamı :Sıvılaşmaya duyarlı zeminler gölsel, aluvyal ve denizel çökelme ortamlarında oluşur. 6 Drenaj şartları :Aşırı boşluk suyu basıncının hızlı sönümlenmesi durumunda zemin sıvılaşmayabilir. Böylece, çok yüksek geçirimli çakıl drenler veya çakıl tabakalara bitişik zeminlerde sıvılaşma potansiyeli azalır 7.Çevre Basınçları 7 :çevre basıncı ne kadar büyükse, zeminin sıvılaşmaya karsı hassaslığı da o kadar azdır 8.Tane Şekli 9.Yaş ve çimentolanma 10.Tarihsel Ortam 11.Bina Yükü 6
SIVILAŞMA ANALİZİNDE KULLANILAN LABARATUVAR VE ARAZİ DENEYLERİ Devirsel üç eksenli basınç deneyi Devirsel basit kesme kutusu deneyi Standart penetrasyon deneyi (SPT) Konik penetrasyon deneyi (CPT) Kayma dalgası hızı deneyi En çok SPT ve CPT deneyleri tercih edilir Sıvılaşmayı Bulmak İçin Gerekli Ön Bilgiler O bölgede beklenen en büyük deprem büyüklüğü (M). Deprem oluşturabilecek kırığa en yakın uzaklık (d) O bölgede beklenen en büyük yer ivmesi (a) Yeraltısuyu düzeyi ve su tutan katman kalınlığı Sıvılaşmayı Bulmak İçin Gerekli Ön Bilgiler Yeraltı kesiti ve katmanların türü (Kum, Kil, Silt Oranı Tane Boyu). Katmanların (Vs) kesme dalgası hızı ya da (N 30 ) değerleri. Gözenek (boşluk) suyu basıncı (U). Yapının temel boyutu, ağırlığı ve oturuş biçimi Katmanların doğal birim hacim ağırlığı (γ n ) Toplam düşey gerilme (σ v ) Efektif düşey gerilme (σ v ) SIVILAŞMA POTANSİYELİ ANALIZ YÖNTEMLERİ Bir zeminin sıvılaşmaya duyarlı olması gerçeği, bir depremin meydana gelmesi halinde sıvılaşmanın oluşacağı anlamına gelmez. Sıvılaşmanın oluşması için, onu başlatacak önce kuvvetli bir örseleme veya tetikleme gerekir. Bu örselemenin karakterini tanımlamada birçok yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden en çok kullanılanları Devirsel gerilme oranı yaklaşımı(pratikte en çok kullanılan) ve buna iyi bir alternatif olan Devirsel deformasyon yaklaşımıdır Sönümlenmiş enerji yaklaşımı ve Efektif gerilmeye dayalı tepki analizi Devirsel gerilme oranı yaklaşımı (pratikte en çok kullanılan) 1960'lı ve 1970'li yıllarda H.B.Seed ve meslektaşları tarafından California üniversitesinde yapılan çalışmalar, sıvılaşma olayının anlaşılmasında büyük rol oynamıştır. Bu çalışmalar, genellikle sıvılaşmayı tetikleyen yükleme koşullarının tespitine yönelik çalışmalardır. Sıvılaşmayı tetikleyen yükleme koşulları, devirsel kayma gerilmeleri olarak tanımlanmış ve sıvılaşma potansiyeli, deprem anında meydana gelen kayma gerilmelerinin devir sayısı ve büyüklüğü temel alınarak belirlenmiştir. Bu yaklaşım, günümüzde yaklaşık yöntem olarak bilinmektedir. SPT deneyi Deney önceden açılmış bir sondaj kuyusundan yapılan bir arazi deneyidir Sondajı çakma için standart bir deney uygulanır Bunun için 76 cm yükseklikten serbestçe düşen 63 5 kg ağırlığında bir tokmak kullanılır Sonda önce 15cm çakılarak kuyu tabanındaki örselenmiş derinlik geçilir, sonra 30 cm çakılır ilk 15 cm'den sonra, sondanın 60 cm çakılması için gerekli vuruş sayışma 'standart penetrasyon direnci' denir.deney.çakıllı ve çok sert zeminler için uygun değildir.kum,ince çakıl,şilt ve kil için uygundur. 7
Sıvılaşma potansiyeli, SPT verileri kullanılarak üç ayrı yöntemle belirlenebilmektedir. Bu yöntemlerden biri detaylı olarak anlatılacaktır. Seed ve Idriss (1971). Seed vd. (1985) M = 7.5 büyüklüğünde depreme maruz kalmış temiz ve siltli kumlu zeminlerde, sıvılaşmanm oluştuğu ve oluşmadığı bölgelerde SPT darbe sayısını araştırmışlar ve bunun sonucunda, belirli SPT darbe sayılarında sıvılaşma oluşması için, gerekli minimum devirsel kayma gerilmeleri oranını, grafiksel olarak göstermişlerdir ((Nı)60 yaklaşık 100 kpa'lık üst tabaka yüküne göre ve % 60 enerji oranına göre normalize edilmiş SPT darbe sayısını ifade etmektedir. Eğriler ince tane oranı %5 ve daha az, %15 ve %35 olan granüler zeminler için elde edilmiştir. İnce tane oranı %5 ve daha az olan kumlu zeminler, temiz kum olarak adlandırılır. Örnek uygulama SIVILAŞMA PROGRAMI Örnekte SPT deney sonuçlarına göre belirlenmiş sıvılaşma analizi anlatılmıştır. Sıvılaşma belirlenmesi için geliştirilmiş basit bilgisayar programları vardır ve değerlendirme bu programların verdiği sonuçlara göre yapılıp ona göre uygun zemin iyileştirme yöntemi önerilmektedir SPT N sayısı Derinlik Y.A.S.S ÖRNEK UYGULAMA İnceleme alanı Denizli İli, Merkez İlçesi, Saraylar Mahallesi sınırları içinde İlin orta kesimlerinde yer almaktadır ve ulaşım problemi yoktur. İmar parseli olan arsada eski yapı yoktur. Zemin Profilinin Yorumlanması: 20,00 metre derinliğinde açılan sondaj kuyularında 30-40 cm. bitkisel toprak kesilmiş,daha sonra silt ve çakıl içeren kum zemin kuyu tabanına kadar devam etmiştir. Zemin katı özellikte ve serttir. Yapılan sondaj çalışması sırasında yer altı su seviyesi 4,50 metre civarında olduğu tespit edilmiştir. 8
ÖRNEK UYGULAMA ÖRNEK UYGULAMA Zemin iyileştirme yöntemleri Zemin iyileştirme yöntemleri 1 Zemin iyileştirme yöntemleri 2 Zemin iyileştirme yöntemleri 2 9
Amaca göre yöntem seçimi 1 Amaca göre yöntem seçimi 2 Taş kolonlar 1 Taş kolonlar 2 Taş kolonlar 3 Taş kolonlar 4 10
Taş kolonlar 5 Taş kolonlar 6 Taş kolonlar 7 Taş kolonlar 8 Taş kolonlar 9 11
Taş kolonlar 10 12