2.5.2. MÜHENDİSLİK JEOFİZİĞİ UYGULAMALARI 2.5.2.1. Sismik Refraksiyon (Kırılma) Etüdleri İstanbul ili Silivri ilçesi --- sınırları içinde kalan AHMET MEHMET adına kayıtlı Pafta : F19C21A Ada : 321 Parsel : 32 nolu alanda temel zeminin dinamik özelliklerinin araştırılması ve jeolojik yapı ile korelasyonu amacıyla 01.01.2012 tarihinde Sismik (Kırılma) Refraksiyon Etüdü yapılmıştır. Sismik yöntemler, yapay bir kaynak kullanılarak oluşturulan titreşimlerle yeraltının incelenmesidir. Yapay olarak oluşturulan bu sismik dalgalar, farklı yapıdaki ortamların ara yüzeylerinden kırılarak ve yansıyarak,yayıldıkları ortamların çeşitli fiziksel özellik bilgilerini yeryüzüne taşımaktadır. Yeryüzünde bir doğrultuda göre yerleştirilen alıcılar(jeofonlar)ile algılanan ve kayıtçı tarafından kaydedilen sinyaller değerlendirilerek ortama ait çeşitli parametreler saptanır.bu saptanan parametreler, ortamın geometrisini ve ortamı oluşturan jeolojik birimlerin yapısal ve mekanik özelliklerini yansıtır. Kırılma sismogramları 12 kanallı Geometrics ES 3000 sayısal kayıtçılarla kaydedilmiştir. Kayıtları incelemek ve işlenmek amacıyla alınan anolog sismogramlara ek olarak veriler,büroda incelemek ve işlenmek amacıyla,arazide sayısal portatif bilgisayara kaydedilmiştir.sistemin bu yeteneği bize sismik verilerin gelişmiş bilgisayar program paketleri ile işlenmesi ve değerlendirilmesi olanağını sağlamaktadır.cihazın 12 adet P ve 12 adet S Jeofonu (OYO-ABD) olup,enerji kaynağı olarak 8 kg ağırlığında trigerli balyoz kullanılmıştır.boyuna atışlarda metal plaka, enine atışlarda ise vuruş için çukur kazılıp metal plaka enine yerleştirilmiştir. Cihaza bağlanan taşınabilir bilgisayarda sismik izler Geometrics firması tarafından üretilen Seismodule Controller ile kayıt edilmiş ve ilk varış zamanları Pickwin(Pick First Breaks or Dispersion Curves),sayısal olarak okunup yol-zaman grafikleri ve sismik kesitleri ise Geometrics firması tarafından üretilen Plotrefa(Refraction Analysis)programı ile proses edilmiştir. Alınan kayıtlarda ölçü profil uzunluğu 18 metre ve Sismometre (jeofon) aralıkları 1,5 metre vuruş noktasının ilk jeofona uzaklığı (offset) ise 1,5 metre uygulanmıştır. Boyuna (Vp) sismik dalga hızı yer altı yapısal konumları daha derinlerden tespit etmek için enine (Vs) sismik dalga hızı ise yanal süreksizlikler ile mekanik özellikleri daha iyi tanımak amacıyla ölçülmüştür. Alınan sismik ölçü kayıtları ve zaman-uzaklık grafikleri eklerde sunulmuştur.bu ölçülerden saptanan sismik hızlardan yer altı mekanik özelliklerini tanımlayan parametreler hesaplanmıştır. Alınan sismik ölçü kayıtları ve zaman-uzaklık grafikleri eklerde sunulmuştur.bu ölçülerden saptanan sismik hızlardan yer altı mekanik özelliklerini tanımlayan parametreler hesaplanmıştır.
Resim 1 : İnceleme Alanında Yapılan Sismik Kırılma Çalışmalarından Genel Görünüm
2.5.2.1.1. Sismik Zemin Parametrelerinin Açıklanması Sismik Hız Oranı (Vp/Vs): Zeminin sıklığını gösterir.oran; (0-2) arası zemin sıkı,(2-3) arası az sıkı, (3 ten) göstermektedir.bu oran zeminin sıvılaşabilme potansiyeli ile ilgili olarak bilgi vermektedir.gevşek suya doygun siltli kum, kum ortamları için bu oranın 3 ten büyük çıkması zeminin Depremin büyüklüğü süresi ve etki alanına bağlı olarak sıvılaşabilme potansiyelinin olduğunu ifade etmektedir. Poisson Oranı (s ): Poisson Oranı ( σ ) Vp/Vs Sıkılık 0.5 Cıvık-Sıvı 0.4-0.49-2.49 Çok Gevşek 0.3-0.39 2.49-1.87 Gevşek 0.2-0.29 1.87-1.71 Sıkı-Katı 0.1-0.19 1.71-1.50 Katı 0-.0.09 1.50-1.41 Sağlam Kaya Tablo 1: Vp / Vs oranı ile sıkılık arasındaki ilişki (Ercan, 2001). Boyuna ve enine sismik dalga hızlarının birbirine oranı kullanılarak hesaplanan Poisson oranı, enine kırılmanın boyuna uzamaya olan oranını vermektedir. Çoğu elastik katılar için ortalama değeri 0,25 civarındadır ve farklı ortamlar için aldığı değerler 0-0.5 arasında değişmektedir. Poisson oranı, kayaçların yoğunlukları dikkate alınmadan hesaplanır. 0,25-0,35 arasında ise orta derecede gözenekli, 0,35-0,50 arasında ise gözenekli olduğunu göstermektedir. kayacın kırıklı olup olmadığı, ayrıca kayacın gözeneklerinde su taşıyıp taşımadığı Poisson oranı incelenerek belirlenebilir. artar ve 0.5 değerine yaklaşır.poisson oranının sismik hızların oranı cinsinden ifadesi, σ = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) şeklindedir ve Poisson oranı boyutsuzdur.
Elastite (Young) Modülü: Jeolojik birimlerin sertlik ve sağlamlılığının bir ölçüsüdür. altındaki zemin veya kayacın biçim değişikliği küçük olmaktadır. Elastisite modülü; 1.700 kg / cm2 ise gevşek, 2.000-10.000 kg / cm2 arasında ise orta derecede sıkı, 10.000-30.000 kg / cm2 arasında ise sağlam ve 30.000 kg / cm2 den büyük ise çok sağlam olduğunu gösterir. Kayma (Shaer) modülü: Zeminin yatay kuvvetlere karşı direncini,dayanıklılığını gösterir.kayma modülünün;(600kg/cm2) gevşek,(600kg/cm2-3.000kg/cm2)arası orta sağlam(bozuşmuş),(3.000kg/cm2-10.000kg/cm2) arası sağlam ve (10.000kg/cm2) çok sağlam olduğunu gösterir. Bulk ( Sıkışmazlık) Modülü: Bir kütlenin kendisini saran basınç altında sıkışmasının bir ölçüsü olan Bulk modülü diğer bir söyleyişle uygulanan basınç altındaki hacim değişiminin ölçüsüdür. Dinamik Yoğunluk: Birimi gr/ cm3 olup (d) sembolüyle ifade edilir. Porozitesi yüksek, gevşek ortamlarda düşük, sağlam, çatlaksız ve kaya ortamlarında yüksek değerler alır.bozuşmamış,ayrışmamış kayaçların dinamik yoğunluğu (d=2,6 gr/cm3 ) tür. Gözeneklilik : Gözeneklilik, kayaçların tane büyüklüğüne, şekline, tanelerin benzer boyutlarda oluşuna ve sıralanmasına ayrıca ara maddeyi oluşturan malzemenin çimentolama derecesine bağlı olarak değişim gösteren bir özelliktir.irili ufaklı tanelerin oluşturduğu ortamlarda ufak taneler iri tanelerin arasını doldurduğu için gözeneklilik azalır.tanelerin dik dizilişlerinde gözeneklilik artarken, eğik dizilişlerinde gözeneklilik azalır. Birincil gözeneklilik, kayacın ilk oluşumu sırasında kazandığı düzenli gözeneklilik olarak tanımlanmaktadır. İkincil gözeneklilik ise kayacın ilk oluşumundan sonra geçirdiği olaylar (kayacın sıkışması, erimesi ve çatlaması sonucu oluşan çatlaklar, erime boşlukları gibi) sonucu oluşan gözenekliliği tanımlamaktadır. Gözeneklilik daha çok metamorfizma geçirmiş kayaçlarda gözlenir. Ø = -0,175 * In( Vp )+ 1,56 bağıntısından hesaplanabilmektedir (Watkins ve diğ., 1972)
Birimler sahip oldukları gözeneklilik oranına % Ø göre genel olarak, % Ø > 25 ise Yumuşak 25 > % Ø > 15 ise Orta Sert % Ø < 15 ise Sert şeklinde sınıflandırılmaktadır. Gözeneklilik yüzde olarak ifade edilmektedir. Tablo 2: Bazı kayaçların gözeneklilik değerleri (Erguvanlı ve Yüzer, 1987). Zemin Hakim Titreşim Periyodu: T0=(4 *h1 / Vs1) + (4*h2 / Vs2) + ( 4* (50- (h1 + h2)) / Vs3 ) ( Kanai 1983) Formülünden hesaplanmaktadır.bina öz periyotlarından uzak tutulur.kayaçlarda aldığı değer, zeminlere nazaran düşüktür. (0-1) arasında değerler alıp birimi saniyedir. Yapı Periyotları Amplifikasyon Aralığı : Kayacın Cinsi Gözeneklilik Toprak 50-60 Kil 45-55 Silt 40-50 Kaba ve İnce Kum Karışığı 30-40 Çakıl 30-40 Kum ve Çakıl 20-35 Kumtaşı 10-20 Killi Şist(Şeyl) 1-10 Kalker 1-10 Yapı periyot değerlerinin zemin hakim periyodu değerinin 0,67 si ile 1,5 katı arasında bulunmamasına özellikle dikkat edilmesi gerekmektedir.zemin hakim periyot değeri 0,67 ve 1,50 değeri ile çarpıldığında yapı periyotlarının yer almaması gereken amplifikasyon bölgesi belirlenmektedir. ZEMIN DINAMIK 1.ORTAM 2.ORTAM 3.ORTAM PARAMETRELERI P Dalgası Hızı 341 m/sn 417 m/sn 673 m/sn S Dalgası Hızı 150 m/sn 199 m/sn 357 m/sn Tabaka Derinliği 1,30 m 1,20 m. Poisson Oranı 0,38 kg/cm² 0,35 kg/cm² 0,30 kg/cm² Shear (Kayma) Modülü 0,54 kg/cm² 0,50 kg/cm² 0,42 kg/cm² Elastisite Young Modülü 827 kg/cm² 1.501 kg/cm² 5.249 kg/cm² Dinamik Yoğunluk 1,33 gr/cm3 1,40 gr/cm3 1,58 gr/cm3 Bulk Modülü 1.149 kg/cm² 1.696 kg/cm² 4.468 kg/cm² Vp / Vs 2,27 2,10 1,89 Zemin Hakim Periyodu (To).. 0,59 sn Zemin Büyütmesi Zb= (701/Vs) % 4,67 % 3,52 % 1,96 Tablo 3 :Dinamik Elastik Paremetreler
Vp (boyuna veya sıkışma) Dalga Hızı: Vp1ort = m/t = 341 m/sn Vp2ort = m/t = 417 m/sn Vp3ort = m/t = 673 m/sn Vs (enine veya kayma) Dalga Hızı: Vs1ort = m/t = 150 m/sn Vs2ort = m/t = 199 m/sn Vs3ort = m/t = 357 m/sn Sismik Hız Oranı (Vp / Vs): Vp1 / Vs1 = 341 / 150 = 2 m/sn Vp2 / Vs2 = 417 / 199 = 2 m/sn Vp3 / Vs3 = 673 / 357 = 2 m/sn Poisson Oranı (s ): σ1 = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) = 0,38 σ2 = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) = 0,35 σ3 = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) = 0,30 Elastisite (Young) Modülü: E1 = 2* Shear Modülü*(1+Poisson Oranı) 827 kg/cm2 E2 = 2* Shear Modülü*(1+Poisson Oranı) 1.501 kg/cm2 E3 = 2* Shear Modülü*(1+Poisson Oranı) 5.249 kg/cm2 Dinamik Yoğunluk: d1ort = 0,31 * (Vp1ort)0,25 = 1,33 kg/cm2 d2ort = 0,31 * (Vp2ort)0,25 = 1,40 kg/cm2 d3ort = 0,31 * (Vp3ort)0,25 = 1,58 kg/cm2 Kayma (Shear) Modülü: G1=(d1 / 9.81)*(Vs*0.001)2 * 100000 kg / cm2 = 300 kg/cm2 G2=(d2 / 9.81)*(Vs*0.001)2 * 100000 kg / cm2 = 555 kg/cm2 G3=(d3 / 9.81)*(Vs*0.001)2 * 100000 kg / cm2 = 2.012 kg/cm2
Bulk ( Sıkışmazlık) Modülü: Saran basınç altında Gerilme/Yamulma oranı = Young Mod. / (3 * (1 - ( 2* Poisson ) ) kg /cm² ( Bowles 1988) 1. ortam için 1.149 kg/cm² hesaplanmıştır 2. ortam için 1.696 kg/cm² hesaplanmıştır 3. ortam için 4.468 kg/cm² hesaplanmıştır Zemin Hakim Titreşim Peryodu : T0 =(4*h1/Vs1) + (4*h2/Vs2) + (4*(50-(h1+h2))/Vs3) = 0,59 sn Yapı Periyotları Amplifikasyon Aralığı : To1= 0,40 sn - To2= 0,89 sn olarak belirlenmiştir. Kalınlık: h1düz = T1/2 * Vp1Vp2 / Vp12 Vp22 = 1,30 m h2düz = T2/2 * Vp1Vp2 / Vp12 Vp22 =1,20 m Gözeneklilik : Ø1 = -0,175 * In( Vp1 )+ 1,56= % 0,54 Ø2 = -0,175 * In( Vp2 )+ 1,56= % 0,50 Ø3 = -0,175 * In( Vp3 )+ 1,56= % 0,42 2.5.2.1.3. Sismik Dinamik Elastik Parametrelerin Değerlendirmesi ve Yorumu İnceleme alanında 2.ortam için hesaplanan sismik hız oranı 2 bulunması zeminin az sıkı olduğunu, Poisson oranının 2.sismik ortam için 0,35 hesaplanması zeminin gözenekli olduğunu, Elastisite Modülünün 2.sismik ortam için 1.501 kg/cm² bulunması zeminin gevşek olduğunu, Kayma Modülünün 2.sismik ortam için 555 kg/cm² bulunması zeminin gevşek olduğunu gösterir. İnceleme alanında 3.ortam için hesaplanan sismik hız oranı 2 bulunması zeminin sıkı olduğunu, Poisson oranının 3.sismik ortam için 0,30 hesaplanması zeminin orta derecede gözenekli olduğunu, Elastisite Modülünün 3.sismik ortam için 5.249 kg/cm² bulunması zeminin orta derece sıkı olduğunu, Kayma Modülünün 3.sismik ortam için 2.012 kg/cm² bulunması zeminin orta sağlam (bozulmuş) olduğunu gösterir.
2.5.2.1.4. Sismik Sonuç: Yapılan sismik etüt sonucunda (Vs) kayma dalga hızı Temel zemine esas 3. sismik ortam için kayma dalga hızı (Vs)= 357 m/sn hesaplanmıştır. Buna göre: Yerel Zemin Sınıfı Z3 Zemin Grubu C sınıfına giren zeminler için Spektrum Karakteristik Periyotları (Ta = 0.15 sn - Tb= 0.60 sn) Zemin Hakim Peryodu T0 = 0,59 sn Yapı Periyotlarının Yeralmaması Gereken Amplifikasyon Aralığı; To1= 0,40 sn - To2= 0,89 sn olarak belirlenmiştir. 1. Derece deprem bölgesi için etkin yer ivme katsayısını ( A0) = 0.4g olarak verir. Zemin Taşıma Gücü qu = d * Vs /100 (Prf A.KEÇELİ) Formülünden 1. ortam için; qu= 2,00 kg/cm2 ( 196 Kpa) (1.sismik ortam ) olarak hesaplanır. Düşey Yatak Katsayısı = Kv = 40 x qa (Kpa) (1988-J.Bowles a göre) Kv= 40 * 196 Kpa Kv= 7.833 kn/m3 = 783 ton / m3 (1.sismik ortam ) olarak hesaplanır. Zemin Taşıma Gücü qu = d * Vs /100 (Prf A.KEÇELİ) Formülünden 2. ortam için; qu= 2,79 kg/cm2 ( 273 Kpa) (2.sismik ortam ) olarak hesaplanır. Düşey Yatak Katsayısı = Kv = 40 x qa (Kpa) (1988-J.Bowles a göre) Kv= 40 * 273 Kpa Kv= 10.928 kn/m3 = 1.093 ton / m3 (2.sismik ortam ) olarak hesaplanır. Zemin Taşıma Gücü qu = d * Vs /100 (Prf A.KEÇELİ) Formülünden 3. ortam için; qu= 5,64 kg/cm2 ( 552 Kpa) (3.sismik ortam ) olarak hesaplanır. Düşey Yatak Katsayısı = Kv = 40 x qa (Kpa) (1988-J.Bowles a göre) Kv= 40 * 552 Kpa Kv= 22.096 kn/m3 = 2.210 ton / m3 (3.sismik ortam ) olarak hesaplanır.
ZEMİN KESİTİ 0 1 Vp1 = 341 m/sn Bitkisel Toprak Vs1 = 150 m/sn 2 Vp2 = 417 m/sn Killi Kum Birimi Vs2 = 199 m/sn 3 4 Vp3 = 673 m/sn Kum Birimi Vs3 = 357 m/sn 5 6