Altıncı Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 16-20 Ekim 2007, İstanbul Sixth National Conference on Earthquake Engineering, 16-20 October 2007, Istanbul, Turkey TARİHİ YARIMADA(İSTANBUL) NIN SIVILAŞMA VE ŞEV STABİLİTESİ POTANSİYELİ LIQUEFACTION AND SLOPE STABILITY POTENTIAL OF HISTORICAL ISLAND (İSTANBUL) Gökçe Çiçek İNCE1 ÖZET Bu çalışmada Tarihi Yarımada(İstanbul) nın sıvılaşma ve şev stabilitesi potansiyeli mikrobölgeleme haritaları 50 yılda % 10 ve % 40 aşılma olasılıklarına göre hesaplanmış deprem hareketleri kullanılarak üretilmiştir. Çalışmada bölgenin jeolojik ve geoteknik özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiş ve elde edilen jeolojik harita ve kesitlerden faydalanarak sıvılaşma hassaslığı olabilecek bölgeler belirlenmiştir. Yapay dolgu ve alüvyon zeminlerin yoğun olarak bulunduğu bu bölgelerde (Fatih ilçesi Vatan Caddesi (Yenibahçe Deresi yatağı), Haliç sahil kesimi ile Kumkapı ve Yenikapı sahil kesimlerinde) sıvılaşma analizi Seed vd., (1984, 1985) tarafından geliştirilmiş olan Basitleştirilmiş Yöntem e göre yapılarak bölgenin sıvılaşma potansiyeli P L (sıvılaşma potansiyel indeksi) olarak elde edilmiştir.tarihi Yarımada nın şev stabilitesi potansiyeli, Siyahi ve Ansal (1993) tarafından mikrobölgeleme için geliştirilen şev stabilitesi analiz yöntemine göre hazırlanmış yamaç stabilitesi hesaplama programı KOERISLOPE V 1.0 Fahjan vd. (2003), Siyahi ve Ansal (1993) kullanılarak sismik mikrobölgeleme kılavuzuna MERM (2003) uygun olarak yapılmış ve yamaç stabilitesi için N 1 stabilite sayısı ve F S güvenlik faktörleri bulunmuştur. Çalışma alanı şev stabilitesi ve sıvılaşma potansiyeli analizi değerlendirmesi için 250m*250m lik hücrelere bölünmüş ve her bir hücre için temsili zemin profilleri hazırlanmıştır. Elde edilen veriler coğrafi bilgi sistemine aktarılarak sıvılaşma ve yamaç kayması tehlikesine göre mikrobölgeleme haritaları hazırlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Sıvılaşma, basitleştirilmiş yöntem, şev stabilitesi, mikrobölgeleme ABSTRACT In this study the geologic and geotechnical conditions of Historical Penninsula (Istanbul) were investigated in detail and a seismic microzonation study was performed with respect to liquefaction and slope stability potential for the site for probabilities of exceedance of 10% and 40% in 50 years. The microzonation maps regarding liquefaction potential are prepared for the coast lines of Haliç, Yenikapı and Kumkapı and in the areas around Vatan street where liquefaction is thought to be likely to take place. In order to be able to evaluate and analyze the liquefaction susceptibility and slope stability of the region, the study area is divided into 250m x250m grids. For each grid representative soil profiles are determined and simulated earthquake time histories are obtained from the spectral acceleration values at 0.2 and 1.0 seconds determined from the probabilistic seismic hazard analysis for 10% and 40% probabilities of exceedance in 50 years. Microzonation studies with respect to seismic landslide hazard were carried out using the slope stability analysis technique suggested by Siyasi and Ansal (1993). The results of simplified analyses for liquefaction assessment and landslide hazard are processed by GIS techniques to produce microzonation maps in terms of liquefaction susceptibility and landslide hazard with respect to probabilities of exceedance of 10% and 40% in 50 years. Keywords: liquefaction susceptibility, slope stability, microzonation 1 1 Yrd.Doç.Dr., Aksaray Üniversitesi, Aksaray, gokcecicekince@gmail.com 155
156 Tarihi Yarımada(İstanbul) nın Sıvılaşma ve Şev Stabilitesi Potansiyeli GİRİŞ Mevcut yerleşim alanlarının deprem tehlikesinin belirlenmesi ve yeni yerleşim alanlarının imara açılması çalışmalarında, yerel zemin koşullarından kaynaklanabilecek büyütme, sıvılaşma, yamaç kaymaları ve farklı oturmalar gibi risklerin sismik mikrobölgeleme çalışmaları ile göreceli tehlike bölgeleri olarak ortaya konmasının depremler sırasında meydana gelecek hasarların azaltılmasında etkili olacağı düşünülmektedir. Bu amaçla, ülkemiz ve hatta dünya açısından çok özel bir yeri olan İstanbul un en önemli bölgesi olan Tarihi Yarımada (İstanbul) nın sıvılaşma ve yamaç kaymaları için sismik mikrobölgeleme haritaları hazırlanmıştır. Sismik mikrobölgeleme çalışmaları genel olarak, bölgenin depremselliği ve deprem riskinin ortaya konulması, bölgeye ait jeolojik ve faylanma özelliklerinin belirlenmesi ve geoteknik yerel koşullarının etkilerinin belirlenmesi olmak üzere üç aşamadan meydana gelmektedir. Geoteknik yerel zemin koşullarının etkisi ise zemin büyütmesi, şev stabilitesi ve sıvılaşma tehlikesi olmak üzere üç kısımda değerlendirilebilmektedir. Buna göre, öncelikle inceleme alanının deprem tehlikesi probabilistik bir yaklaşım ile GSHAP (1999) projesi kapsamında yapılmış olan çalışmalardan yararlanılarak ve SEISRISK III Bender vd. (1987) programı kullanılarak 50 yılda %10 ve %40 aşılma ihtimaline göre 250m lik aralıklarla hesaplanmıştır. Bölgenin jeoloji ve faylanma haritaları ve enine kesitler 125 adet sondaj bilgisi, arazi gözlemleri, topoğrafik bilgiler ışığı altında titizlikle hazırlanmıştır. Çalışma bölgesi 250m*250m lik hücrelere bölünmüş ve her bir hücre için temsili zemin profilleri jeoloji haritası ve enine kesitlerden yararlanılarak oluşturulmuştur. İnceleme alanının şev stabilitesi açısından değerlendirilmesi amacı ile Siyahi ve Ansal (1993) tarafından önerilen şev stabilitesi analiz yöntemine göre hazırlanmış KoeriSlope V1.0 Fahjan, vd. (2003) programı kullanılmış ve kaymaya karşı güvenlik faktörlerine göre şev stabilitesi açısından mikrobölgeleme haritaları oluşturulmuştur. Sıvılaşma açısından tehlike oluşturabileceği düşünülen Haliç sahil kesimleri, Yenikapı ve Kumkapı sahil kesimleri ile Vatan Caddesi boyunca bulunan hücrelerde Seed vd. (1984, 1985) tarafından önerilen basitleştirilmiş yöntem kullanılarak sıvılaşmaya karşı mikrobölgeleme haritaları oluşturulmuştur. İNCELEME ALANININ YAMAÇ STABİLİTESİ POTANSİYELİ İnceleme alanının yamaç tehlike analizinde Siyahi ve Ansal (1993) tarafından önerilen mikrobölgeleme için şev stabilitesi analiz yöntemi kullanılmıştır. Yöntemde kaymaya karşı güvenlik faktörü F s aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır. a 0 γ tanφ F s = * N 1 = *N 1 = N 1 *tan φ (1) γ γ Burada φ, kayma mukavemeti açısı ve N 1 ise stabilite sayısıdır. Yamaç Kayması Tehlikesi Analizinde Kullanılan Parametreler İnceleme alanının topoğrafik durumu ve yükseklik haritaları beraber değerlendirilerek 250 *250 m lik her bir hücre içindeki en dik şev açıları tespit edilmiştir. Her bir hücre için tek boyutlu dinamik analizden yüzey pik ivmeleri elde edilmiştir. İnceleme alanında bulunan formasyonlara ait kayma mukavemeti açısı değerleri Yıldırım (2002) çalışmasından yararlanılarak tespit edilmiş ve Tablo 1 de gösterilmiştir. Yamaç Kayması Tehlikesi Analizinde Kullanılan Bilgisayar Programı:Koerislope V 1.0 Mikrobölgeleme amaçlı yamaç stabilitesi hesaplama programı olan KOERISLOPE V 1.0 Fahjan vd.( 2003), Siyahi ve Ansal (1993) yaklaşımına dayanmaktadır ve Y. M., Fahjan, B., Siyahi ve
G.Ç. İnce 157 Ansal vd.(2003) tarafından üretilmiş bir bilgisayar programıdır. Program MapInfo programında çalışan standart arayüzlü bir MapBasic uygulamasıdır. Program, coğrafi hücre sistemi (gridler) üzerinde çalışmaktadır. Programda girdi olarak şev açısı, zeminin kayma mukavemeti açısı φ ve dinamik analiz sonucu bulunan pik yüzey ivmesi (PGA) değerleri kullanılmakta ve analiz sonucunda N 1 stabilite sayısı ve F S güvenlik sayısı elde edilmektedir. Tablo 1.Yamaç Kayması Tehlikesi Analizinde Kullanılan Formasyonların Kayma Mukavemeti Açıları (φ ) γn φ FORMASYON (kn/m 3 ) Dolgu 1(alüvyon ve yapay dolgu) 18 20 Dolgu 2(Haliç Çökelleri) 18 18 Bakırköy Kili 19 17 Bakırköy Kireçtaşı 24 23 Gürpınar Kili 20 20 Çukurçeşme ve Gürpınar Kumu 20 25 Gürpınar Tabanı (kumlu, çakıllı) 21 25 Trakya Formasyonu (anakaya) 25 25 İnceleme Alanının Koerislope V 1.0 ile Yamaç Kayması Tehlikesi Analiz Sonuçları İnceleme alanının, Koerislope V 1.0 Fahjan vd. (2003) programı kullanılarak yamaç kaymasına karşı güvenlik sayıları 50 yılda %10 ve %40 aşılma olasılığına göre elde edilmiş ve güvenlik faktörlerine göre A SL, B SL ve C SL olmak üzere üç bölge tanımlanmıştır. A SL alanları, güvenlik faktörünün 1 den küçük olduğu yerleri, B SL alanları, güvenlik faktörünün 1 ile 2 arasında kalan yerleri ve C SL alanları ise, güvenlik faktörünün 2 den büyük olduğu yerleri göstermektedir. Şekil 1 a ve b de %10 ve %40 aşılma olasılığına göre elde edilmiş yamaç tehlikesi haritaları gösterilmiştir. İnceleme alanında yamaç kayması riskinin düşük olduğu görülmektedir. Şekil 1.a) 50 Yılda % 10 Aşılma Olasılığına Göre Elde Edilmiş Yamaç Kayması Tehlikesi için Mikrobölgeleme Haritası (İnce, 2005)
158 Tarihi Yarımada(İstanbul) nın Sıvılaşma ve Şev Stabilitesi Potansiyeli Şekil 1.b) 50 Yılda % 40 Aşılma Olasılığına Göre Elde Edilmiş Yamaç Kayması Tehlikesi için Mikrobölgeleme Haritası (İnce, 2005) İNCELEME ALANININ SIVILAŞMA POTANSİYELİ Depremlerin en olumsuz etkilerinden birisi zeminin sıvılaşması ve buna bağlı olarak meydana gelen taşıma gücü kaybı, oturmalar ve zemin yayılması olasılığıdır. İnceleme alanında sıvılaşabilir zemin tabakalarının bulunduğu bölgelerde sıvılaşma tehlikesine göre mikrobölgeleme gerçekleştirilmiştir. Seçilen Analiz Yöntemi İnceleme alanının sıvılaşma olasılığına göre mikrobölgeleme haritasını oluşturmak için, bölgenin sıvılaşma potansiyeli Seed vd. (1984, 1985) tarafından geliştirilmiş olan Basitleştirilmiş Yöntem in NCEER. (1997) ve Youd vd. (2001) tarafından iyileştirilmiş hali olan Geliştirilmiş Basit Yöntem kullanılarak belirlenmiştir. İnceleme alanı sıvılaşma tehlikesi yönünden değerlendirildiğinde, yapay dolgu ve alüvyal zeminlerin yoğun olarak bulunduğu Fatih İlçesi sınırları içerisindeki Vatan Caddesi boyunca (Yeni Bahçe Deresi) ve Haliç sahil kesimi ile Kumkapı ve Yenikapı sahil kesimlerinin incelenmesine karar verilmiştir. Diğer bölgeler Bakırköy formasyonu, Gürpınar formasyonu ve Trakya formasyonundan oluşan içerisinde kum ve silt oranı düşük formasyonlar ile kaplı ve sıvılaşma riski bulunmayan bölgelerdir. Sıvılaşma riski bulunan bölgelerde toplam 108 adet hücrede Geliştirilmiş Basit Yöntem e göre sıvılaşma açısından kritik derinlik olan üst 20 m lik derinlik için sıvılaşma analizi yapılarak P L (sıvılaşma potansiyel indeksi) değerleri elde edilmiştir. Tablo 2 de P L sıvılaşma potansiyel indeksine göre sıvılaşma potansiyeli verilmiştir. P L değerine bağlı olarak inceleme alanı, A L, B L ve C L olmak üzere üç bölgeye ayrılmıştır. A L bölgesi P L > 15 olan alanları, B L bölgesi 5> P L > 15 olan alanları ve C L bölgesi ise P L < 5 olan alanları göstermektedir. 50 yılda %10 aşılma olasılığına göre elde edilen sıvılaşma potansiyeli haritası Şekil 2.a ve 2.b de gösterilmiştir.
G.Ç. İnce 159 Tablo 2. Sıvılaşma Potansiyel İndeksine Göre Sıvılaşma Potansiyeli Sıvılaşma Potansiyeli PL Yok 0 Düşük Orta Yüksek 0<PL<5 5<PL<15 PL>15 Şekil 2. a) 50 Yılda % 10 Aşılma Olasılığına Göre Elde Edilmiş Sıvılaşma Tehlikesi için Mikrobölgeleme Haritası (Özaydın, İnce, Yıldırım, 2005)
160 Tarihi Yarımada(İstanbul) nın Sıvılaşma ve Şev Stabilitesi Potansiyeli Şekil 2. b) 50 Yılda %40 Aşılma Olasılığına Göre Elde Edilmiş Sıvılaşma Tehlikesi için Mikrobölgeleme Haritası (İnce, 2005) SONUÇLAR Bu çalışmada, ülkemiz ve dünya açısından her yönü ile önemli olan Tarihi Yarımada (İstanbul) nın olası bir İstanbul depreminden yerel zemin koşullarının nasıl etkileneceğinin belirlenmesi amacıyla, öncelikle Tarihi Yarımada (İstanbul) da yapılmış jeolojik ve geoteknik araştırma verileri değerlendirilerek jeoloji haritası ve jeolojik kesitler hazırlanmış ve inceleme alanı 250m*250m lik hücrelere ayrılarak her bir hücre için temsili zemin profili oluşturulmuştur. Afet Risk Yönetimi için Dünya Enstitüsü (DRM) tarafından yürütülen Deprem Riskini Azaltmak için Mikrobölgeleme çalışmaları kapsamında hazırlanan yeni sismik mikrobölgeleme el kitabında (MERM, 2003) önerilen yönteme uygun olarak yamaç tehlikesi ve sıvılaşma tehlikesine göre mikrobölgeleme haritaları hazırlanmıştır. Yerel zeminlerin deprem davranış analizleri 50 yılda %10 ve %40 aşılma olasılığına göre belirlenen yer hareketleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen haritalar incelendiğinde Tarihi Yarımada (İstanbul) da yer altı suyu seviyesinin akifer durumunda olduğu ve eskiden dere yatağı olan alüvyon ve yapay dolguların bulunduğu Vatan Caddesi boyunca ve kalın yapay dolgu tabakalarının yer aldığı, Haliç sahil kesimi ve Kumkapı-Yenikapı sahilinde bulunan hücrelerde yapılan analiz sonucunda sıvılaşma açısından riskli olarak görülen ve analiz yapılan bölgelerde sıvılaşma oluşabileceği, yamaç kayması riskinin ise oldukça düşük olduğu sonucuna varılmıştır. KAYNAKLAR Ansal A, Springman S, Studer J, Demirbaş E, Önalp A, Erdik M, Giardini D, Şeşetyan K, Demircioğlu M, Akman H, Fäh D, Christen A, Laue J, Bucheister J, Çetin Ö, Siyahi B, Fahjan Y, Gülkan P, Bakır S, Lestuzzi P, Elmas M, Köksal D, Gökçe O (2003) Adapazarı ve Gölcük için mikrobölgeleme çalışmaları 5. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul. Bender B, DM Perkins (1987) "SEISRISK III: A Computer Program for Seismic Hazad Estimation," USGS Bulletin 1772, U. S. Government Printing Office, Washington, 1987. Fahjan YM, Siyahi BG, Ansal A (2003) KoeriSlope V1.0: Mikrobölgeleme Amaçlı Şev Stabilitesi Hesaplama Programı, Boğaziçi Üniversitesi, Deprem Mühendisliği Bölümü, Kandilli, İstanbul.
G.Ç. İnce 161 İnce GÇ (2005) Sismik Bölgeleme ve İstanbul un Deprem Zararlarının Tahmini, Yıldız Teknik Üniversitesi, Doktora Tezi, İstanbul. MERM (2003) Microzonation Manual, World Institute for Disaster Risk Management. NCEER (1997) Proceedings of the NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistanse of Soils, Youd., Idriss, I.M., eds., Technical Report No.NCEER-97-2002. Özaydın K, İnce GÇ, Yıldırım M (2005) Tarihi Yarımada nın (İstanbul), Jeolojik-Geoteknik Yapısı ve Sismik Mikrobölgelemesi, 3. İstanbul ve Deprem Sempozyumu, 9-10 Haziran 2005, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, İstanbul Şubesi, Sayfa No: 181-211, İstanbul. Seed HB, Idriss IM (1970) Soil Moduli and Damping Factors for Dynamic Response Analyses, Report No:EERC 70-10, EERC, University of California, Berkley, California. Seed, HB, Tokimatsu K, Harder LF, Chung RM (1984) Influence of SPT procedures in soil liquefaction resistance evaluations, Earthquake Engineering Research Center Report No.UCB/EERC-84/15, University of California at Berkeley. Seed HB, Tokimatsu K, Harder LF, Chung RM (1985) Influence of SPT procedures in soil liquefaction resistance evaluations, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 111 (12), 1425-1445. Siyahi BG, Ansal AM (1993) Slope Stability by Koppula Method, Personal Communication. Seismic Hazard Program (GSHAP) (1999) http://seismo.ethz.ch/gshap/ Yıldırım M, Savaşkan E (2002) "İstanbul Tersiyer Çökellerinin Stratigrafisi ve Mühendislik Özellikleri", Uluslararası Mühendislik Jeolojisi Türk Milli Komitesi (MJTMK) Bülteni, 25. Yıl, sayı 18, sayfa 48-62, İstanbul. Youd TL, Idriss IM, Andrus RD, Arango I, Castro G, Christian CD, Dobry R, Finn WDL, Harde LFJr, Hynes ME, Ishihara K, Koester JP, Liao SSC, Marcuson WFIII, Martin GR, Mitchell JK, Moriwaki Y, Power MS, Robertson PK, Seed, RB, Stokoe, KHII (2001) Liquefaction Resistance of Soils: Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, (127)10:817-833.
162 Tarihi Yarımada(İstanbul) nın Sıvılaşma ve Şev Stabilitesi Potansiyeli