Dinamik Yüklemeler Altında Suya Doygun Kum Zeminlerin Davranışı

Dinamik yüklemeler etkisi altındaki bir zeminin davranışının anlaşılması, gerçekleştirilecek deneysel ve nümerik çalışmalar için oldukça önemlidir. Şekil 3.1a’ da arazi koşullarında tekrarlı yüklemeler etkisi altındaki bir zeminin gerilme durumu ve Şekil 3.1b’de ise bu

gerilme durumunu temsil eden Mohr daireleri gösterilmiştir.

Şekil 3.1 Arazi koşullarında tekrarlı yükler altındaki zemin durumu(a) Tekrarlı yüklemeler etkisi altındaki bir zeminin gerilme durumu (b) Tekrarlı yüklemeler etkisi altındaki bir zeminin gerilme durumunu gösteren Mohr daireleri (Teymur, 2002)

Deprem yüklemeleri nedeni ile oluşan kayma gerilmeleri altta bulunan daha sert tabakadan (kaya tabakasından) yukarıya doğru hareket ederek Şekil 3.1’ de görüleceği gibi her bir zemin elemanındaki asal gerilme düzleminin yönünü değiştirmekte ve dalga yayılma yönüne dik ve paralel yönde kayma gerilmeleri etkimesine neden olmaktadır.

Suya doygun kum bir zeminin monotonik ve tekrarlı yükler altındaki davranışı Şekil 3.2’ de gösterilmiştir. Gevşek ve sıkı durumlardaki aynı zeminin drenajsız kesme deneyi sırasındaki davranış biçimleri sırası ile Şekil 3.2(a) ve (b)’de gösterilmektedir. Deneyler bir yamaçtaki anizotropik gerilme koşullarını temsil etmesi açısından başlangıç statik kayma gerilmesi ile başlamaktadır. Gevşek bir kum zemin kesme sırasında sıkışma eğilimi göstermek isteyecek ve drenajsız durumda boşluk suyu basınçları artacaktır. Şekil 3.2a’ da gösterildiği gibi sıkışma eğilimi gösteren zemin monotonik olarak kesildiğinde pik kayma mukavemetine ulaşmakta ve sonrasında ise yumuşama göstererek rezidüel kayma direncine ulaşmaktadır. Eğer rezidüel kayma direnci başlangıçtaki statik kayma direncinden daha az ise bu durumda akma sıvılaşması olarak isimlendirilen bir göçme meydana gelmektedir. Eğer aynı zemin tekrarlı olarak kesilirse, bu durumda ise her bir yükleme çevriminde artık boşluk suyu basınçları oluşmakta ve drenaj olmadığı için boşluk suyu basınçları birikerek efektif gerilme izi göçmeye doğru hareket etmektedir (Şekil 3.2a).

39

Şekil 3.2 Drenajsız kesme sırasında suya doygun kumların davranışı (a) Gevşek kumlar b)Sıkı kumlar

Eğer kayma gerilmeleri başlangıç statik kayma gerilmelerinin altına düşer ise akma sıvılaşması meydana gelir ve tekrarlı yüklemelerin bitiminden sonra bile deformasyonlar devam eder. Akma sıvılaşmasının oluşabilmesi için gevşek suya doygun kum zemin yeterli büyüklükteki drenajsız bir yüklemeye ya da yeterli sayıda yük çevrimlerine maruz kalmalıdır. Bu koşullarda denge koşulları oluşuncaya kadar zeminde oldukça büyük deformasyonlar meydana gelir.

Genleşme eğilimi gösteren sıkı kum zeminler kesmeye maruz kaldıklarında küçük şekil değiştirmelerde artık boşluk suyu basıncı üretebilmektedir. Fakat, büyük şekil değiştirmelerde zemin daneleri birbirleri üzerinden kayıp hareket ederek hacimde bir artışa(genleşmeye) neden olmakta, bu durumda boşluk suyu basınçları azalarak negatif değerler almaktadır. Sonuç olarak Şekil 3.2b’ de gösterildiği gibi monotonik olarak kesilen sıkı bir kum zeminde efektif gerilmelerde ve kayma direncinde artış meydana gelmektedir. Şekil 3.2b’de aynı zeminin dinamik yüklemeler altındaki davranışı da gösterilmektedir. Bu durumda her bir kesme çevriminde boşluk suyu basıncı birikimleri ve deformasyonlar oluşmaktadır. Fakat belli bir noktadan sonra zeminin genleşme eğilimi göstermesi sonucu oluşan negatif artık boşluk suyu basınçları daha fazla deformasyon oluşumunu sınırlar ve efektif gerilme izi sola doğru hareket eder, fakat hiçbir şekilde göçme yüzeyine ulaşmaz. Tekrarlı yüklemeler bittikten sonra uygulanacak monotonik kesme deneyinde zeminin mukavemet kazandğı

gözlemlenecektir. Dikkate değer miktarda deformasyonlar oluşsa da, akma sıvılaşmasında meydana gelebilecek büyük deformasyonlar sıkı kum zeminlerde meydana gelmez ve bu durum ise çevrimsel hareketlilik (cyclic mobility) olarak isimlendirilir. Dolayısı ile drenajsız koşullarda rezidüel ya da nihai kayma direnci başlangıç statik kayma direncinden büyük olduğu için sıkı kumlarda akma sıvılaşması meydana gelmez.

Zeminlerin dinamik yüklemeler altındaki davranışının araştırılmasında hem arazide hem de laboratuar deneylerinden yararlanılmaktadır. Laboratuarda gerçekleştirilen deneylerde tabiattaki gerilme ve şekil değiştirme koşulları yaklaşık olarak sağlanabilmektedir. Fakat araziden alınan numunelerde az da olsa meydana gelen örselenme veya yeniden oluşturulan numunelerdeki fiziksel özellik farklılıkları zemin numunesinin davranış biçimini etkilemektedir. Bu nedenle laboratuar deneylerinden elde edilen bulguların arazi deneyleriyle desteklenmesi çok kullanılan bir yaklaşım yöntemidir (Ansal ve Erken 1985).

Arazi ve laboratuarda yapılan deneysel çalışmalarla zeminlerin dinamik gerilme-şekil değiştirme özellikleri (birim deformasyona bağlı olarak kayma mukavemeti, dinamik kayma modülü ve elastisite modülü, poisson oranı, sönüm oranı) ile kayma mukavemeti ve sıvılaşma parametreleri belirlenmeye çalışılır. Dinamik kayma modülünün ve sönüm oranının birim kayma şekil değiştirmesine bağlı olarak değişimleri belirlenir. Mukavemet özellikleri olarak ise göçmeye ya da büyük şekil değiştirmelerine neden olan kayma gerilmesi değeri ve çevrim sayısı belirlenir.

Zeminlerin dinamik davranış özelliklerine etki eden bir çok faktör bulunmaktadır. Bu faktörler birim kayma şekil değiştirme genliği γ, ortalama efektif çevre gerilmesi σm, boşluk

oranı e, yükleme çevrim sayısı N, suya doygunluk derecesi S, aşırı konsolidasyon oranı AKO, yükleme frekansı, dane çapı dağılımı, ince dane oranı, plastisite, kullanılan deneysel yöntem, yükleme biçimi ve yüklemenin doğrultusu olarak sıralanabilir (Altun, 2003).

Genel olarak zeminler elasto-plastik davranış gösteren anizotrop malzemeler olarak tanımlanmakla birlikte, zeminlerin farklı şekil değiştirme seviyelerinde farklı gerilme-şekil değiştirme davranışı gösterdiği bilinmektedir. Özellikle suya doygun gevşek kum zeminlerin depremler gibi tekrarlı yüklemeler altında diğer zeminlere göre farklı bir davranış sergilediği bilinmektedir. Tekrarlı yüklemeler etkisindeki suya doygun bir kum zemin sıkışma eğilimi gösterirken, içerisinde bulunan suyun dışarıya çıkmaması nedeni ile rijtliğinde bir azalma ve mukavemet özelliklerinde değişim meydana gelmektedir.

41

dinamik davranış özelliklerini belirlemek amacı ile son yıllarda bir çok deneysel ve nümerik çalışmalar yapılmıştır. Yapılan bu araştırmalar sonucunda kumların dinamik gerilme-şekil değiştirme ve mukavemet özelliklerinin farklı gerilme seviyeleri dikkate alınarak incelenmesi gerektiği ortaya konulmuştur.