SIVILAŞMA
Sıvılaşma Nedir? Sıvılaşma hangi ortamlarda gerçekleşir? Sıvılaşmaya etki eden faktörler nelerdir? Sıvılaşmanın Etkileri Geçmiş Depremlerden Örnekler Arazide tahkik; SPT, CPT, Vs çalışmaları Sıvılaşma Analizi
Sıvılaşma nedir? Sıvılaşma, deprem gibi hızlı yüklemeler altında, daneli zeminlerde (Siltli,kumlu zeminler) görülen bir olaydır. Sıvılaşma, ani yükleme sonucunda suya doygun daneli zeminin yapısının bozulması ile oluşur. Ayrık taneler arasındaki temas kuvvetinin azalması boşluk suyu basıncının yükselmesi ve zeminin direncini kaybetmesiyle oluşur.
Sıvılaşma hangi ortamlarda gerçekleşir Daneli yapıların olması (Siltli,kumlu birim) Daneler arası boşlukta su olması, Daneler arası bağın kuvvetli olmaması, Deprem gibi ani bir kuvvetin bulunması
Sıvılaşma Gözeneklerin suyla dolgun olması danecikler üzerinde basınç oluşturur (boşluk suyu basıncı). Basınç, danecikler arası bağı denetler. Normal koşullarda denge söz konusudur ve iç basınç düşüktür. Depremin neden olduğu yük dengeyi bozar ve iç basıncı artırır.
Sıvılaşma Daneler arası dengenin bozulması, suyun dışarı atılmasına yol açar, Su hareketi daneler arası bağı ortadan 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.
Sıvılaşmaya etki eden faktörler ÇEVRESEL FAKTÖRLER ZEMİN ÖZELLİKLERİ
ÇEVRESEL FAKTÖRLER Maksimum odak uzaklığı Deprem eşik şiddeti Sıvılaşabilir zemin derinliği Yeraltı su seviyesi
ZEMİN ÖZELLİKLERİ Relatif sıkılık İnce dane oranı ve plastisite Sismik geçmişin etkisi Yatay toprak basıncı ve aşırı konsalidasyon oranı Kumların fiziksel özelliklerinin etkisi
Sıvılaşmanın Etkileri Oturma Yanal Yayılma Yanal Akış Yanal desteklerin kaybı Taşıma gücü kaybı
Geçmiş Depremlerden Örnekler
Taşıma gücü kapasitesi kaybından dolayı meydana gelen yapı hasarları (Bin-Lin Chu vd., 2003)
Sıvılaşma meydana geldiğinde zeminin gücü azalır ve bina ya da köprü temellerini taşıyan zeminin taşıma gücü kaybolur ve binalar yan yatar (Niigata, 1964)
Kum kaynamaları ve yanal yayılma (Bin-Lin Chu vd., 2003)
Niigata Depreminde meydana gelen kum çukurları (Tezcan and Özdemir, 2004)
Zemin taşıma gücü kaybı Adapazarı,Türkiye
Arazi İncelemeri SPT-(Standart Penetrasyon Testi) CPT-(Konik Penetrasyon Testi) Vs- (Kayma Dalga Hızı Ölçümü)
Sıvılaşma dayanımı genellikle arazi performansının incelenmesi temeline dayanarak tanımlanır. Sıvılaşma potansiyeli hesaplanmasında; SPT ve CPT tabanlı sıvılaşma değerlendirme grafikleri en çok tercih edilenlerdir. SPT ve CPT en güvenilir deneylerdir, çünkü sıvılaşmayla ilgili çok geniş veritabanları bulunmaktadır.
SPT-(Standart Penetrasyon Testi) SPT ile zemin numunesi alınabilmekte ve bu sayede zemin tipi belirlenmektedir. Bu şekilde SPT-N değerine bağlı birçok ampirik bağıntı geliştirilmiştir.
CPT-(Konik Penetrasyon Testi) CPT, zemin profilini çok iyi göstermektedir ve CPT ye de dayalı birçok bağıntı bulunmaktadır.
Vs- (Kayma Dalga Hızı Ölçümü) Özellikle Vs de, direkt kayma dalga hızı ölçülebilmektedir. Böylelikle dinamik ve statik analizler yapılabilmektedir.
Sıvılaşma Analiz Yöntemleri Eşik İvme Kriteri (Dobry vd., 1981) Periyodik kayma gerilmesi kriteri Japon şartnamesi kayıtları Çin Kriteri Kayma dalga hızı kullanılarak sıvılaşma riskinin belirlenmesi Amprik Yöntem(Iwasaki,1974)
Eşik İvme Kriteri (Dobry vd., 1981) Eşik ivme kriterinde emniyet katsayısı (F a ) için F a = 1.6 a t / a max tanımı yapılır. Burada, a t = sıvılaşmanın gerçekleşebilmesi için gerekli başlangıç (eşik) ivmesi, a max = depremin meydana getireceği en büyük yer ivmesidir. Eğer, F a < 1 sıvılaşma potansiyeli yüksek F a > 1 sıvılaşma potansiyeli düşüktür
Eşik İvme Kriteri (Dobry vd., 1981) Kayma dalgası hızı kullanılarak sıvılaşma potansiyelininin belirlenmesi Eşik ivmesi, Vs ye bağlı olarak, kabul edilen bir eşik kayma şekil değiştirmesi ( t ) ve çeşitli zemin derinlikleri için aşağıdaki formülle verilmektedir. (a t /g) = ( t (G/G max ) t (V s ) 2 ) / g z r d Burada r d = yerin derinlikle artan sıvılaşmaya karşı direncini temsil eden bir azaltma katsayısıdır. r d = 1-0.015 z bağıntısı ile hesaplanır, z = derinlik (metre) dir. denklemde t = 0.0001 alınmış olup, buna karşılık gelen G/G max = 0.8 dir. Buradan a t /g oranı hesaplanabilir.
Periyodik kayma gerilmesi kriteri Bu yöntemde, zemin tabakalarının sıvılaşma emniyet faktörü (Fs), Fs=τs/τ0 şeklinde ifade edilir. Burada, τs : Belli bir zeminde sıvılaşmanın başlayabilmesi için gerekli periyodik sınır kayma gerilmesi, τo : Aynı zeminde belli bir depremin meydana getireceği ortalama kayma gerilmesidir. : Fs < l ise sıvılaşma potansiyeli yüksek, Fs> l ise sıvılaşma potansiyeli yoktur.
Periyodik kayma gerilmesi τ0=0.65*(amax/g)*σv*rd bağıntısından hesaplanabilir.burada, amax : Yüzeydeki maksimum ivme σv Kum tabakasına etkiyen toplam düşey gerilme (t/m2) σ' : Kum tabakasına etkiyen efektif düşey gerilme (t/m2 ) rd : Gerilme indirgeme faktörüdür. rd=1.0 0.00765 z (z 9.15 m) rd=1.174 0.0267 z (9.15 m < z 23 m)
Japon Karayolları Köprü Şartnamesi FS=CRR/CSR Yöntemi (JSHE, 1990) CRR = R 1 +R 2+ R3 R1= 0,0882* Karekök(N/ v + 0,7) R2= 0.19 ; (0.02 mm < D50 < 0.05) R3= 0.004FC -0.16 ; (%40 < FC < %100)
Kayma dalga hızı kullanılarak sıvılaşma riskinin belirlenmesi Bu parametre bir arazi indisi olarak, (siltler ve kumlar gibi) numune alınması veya (çakıllar gibi) penetrasyonu zor olan zeminlerde, sıvılaşma olasılığının belirlenmesi çalışmalarında kullanılabilmektedir
Kayma dalga hızı kullanılarak sıvılaşma riskinin belirlenmesi Robertson v. d. (1992), Kaliforniya arazi verilerinden yararlanarak gerilme esaslı bir sıvılaşma tahmin usulü teklif etmişler ve kayma dalga hızını aşağıdaki gibi normalize etmişlerdir.
Kayma dalga hızı kullanılarak sıvılaşma riskinin belirlenmesi Vs1=Vs(Pa/σ vo)0.25 Burada, Pa = Referans gerilmesi olarak atmosferik basınç (yaklaşık 100 kpa), σ vo=efektif düşey jeolojik basınçtır (kn/m2). Vs1=Kayma dalgası hızı
Kayma dalga hızı kullanılarak sıvılaşma riskinin belirlenmesi Andrus and Stokoe CRR (tekrarlı yük dirençi oranı) değerinin, CRR=τav/σv0=a(VS1c/100)2+b/(VS1c-VS1)-b/Vs1c formulüyle hesaplanmasını önermişlerdir. İnce dane oranı %5 den az olan kum ve çakıllar için : VS1c =220 m/san İnce dane oranı %20 civarında olan kum ve çakıllar için : VS1c =210 m/san İnce dane oranı %35 den fazla olan kum ve çakıllar için : VS1c =200 m/san
Sıvılaşma Dizini (Iwasaki,1978) Bir tabakanın sıvılaşma potansiyelini belirleyebilmek ve özellikle derinliğin bu potansiyel üzerindeki etkilerini göz önüne alınarak, tabakalı ortamlar için aşağıda verilen I L = sıvılaşma potansiyeli dizini hesaplanır. I L = F.W.h n = tabaka sayısı F = 1 - F L F L < 1 W = 10 0,5.z z < 20 metre F = 0 F L > 1 W = 0 z > 20 metre z = tabaka orta noktasının derinliği (metre) h = z = tabaka kalınlığı (metre) Her tabaka için I L değeri ayrı ayrı hesaplanır ve yukarıdan aşağı toplamlar alınarak her tabakanın global I L değeri bulunur.
Sıvılaşma Dizini Sıvılaşma Potansiyel İndeksi Sıvılaşma Hasar Riski IL = 0 Çok düşük (sıvılaşma yok) 0< IL 5 Düşük 5< IL 15 Yüksek IL 15 Çok yüksek
Sıvılaşma Risk İndeksi Sıvılaşma potansiyeli indeksi (IL),sıvılaşmaya karşı emniyet faktöründen yararlanılarak bulunur. Ama sıvılaşma potansiyeli indeksi sadece sıvılaşmaya karşı emniyet faktörünün 1 den küçük (FSL<1) olduğu durumlar için hesaplanabilmektedir.
Sıvılaşma Risk İndeksi sıvılaşma potansiyeli İndeksi emniyet faktörü ile lineer orantılı olmamakla birlikte, sıvılaşma olasılığı ile lineer orantılıdır. Ir =Pl*W(z)*dz Pl= 1/1+(FS/0,96) 4,5 Sıvılaşma Risk İndeksi Zeminin Sıvılaşma Olasılığı < 20 IR 20 < 30 IR > 30 IR Düşük Orta Yüksek
Analizleri yapılmış zeminler Microsoft exel programında sıvılaşma formulleri kullanılarak yapılmış analizlere göz atalım
KAYNAKLAR Dündar, Engin. 2011. Sıvılaşan Zeminlerin Farklı Yöntemlerle Değerlendirilmesi