Sıvılaşma Sonrası Zemin Davranışı

Housner (1958), depremler sırasında meydana gelen boşluk suyu basıcı artışı nedeni ile kum konileri oluşumunu zeminin permeabilite, porozite ve elastisite gibi özellikleri ile konsolidasyon davranışına bağlı olarak açıklamıştır. Deprem sırasında sıvılaşan kumun, tıpkı uygulanan bir yük altında zeminin konsolide olmasına benzer şekilde konsolide olduğunu öne sürerek, problemi uniform bir kum tabakası için lineer konsolidasyon teorisini kullanarak çözmüş, zemin yüzeyine çıkan suyun miktarını ve hızını hesaplamıştır. Deprem sırasında kum kaynamasının meydana gelmesi için gerekli minimum hidrolik eğim değerinin ise zeminin su altındaki birim hacim ağırlığına eşit olduğu gösterilmiştir. Housner (1958) araştırmasında konsolidasyon teorisini esas aldığı için, önerdiği sonuç belli koşullar altında geçerli olmaktadır.

Florin ve Ivanov (1961), laboratuarda ve büyük ölçekli olarak da arazide deneyler gerçekleştirmişler ve sıvılaşma sonrası zemin davranışını konsolidasyon etkisini göz önünde bulundurarak değerlendirmişlerdir. Laboratuarda 20 cm yüksekliğinde bir uniform kum kolonu üzerinde özel bir darbe etkisi ile ve sarsma tablası kullanılarak deneyler gerçekleştirmişlerdir. Darbe etkisi uygulanarak yapılan deneylerde sırasında farklı zamanlarda ölçülen artık boşluk suyu basınçlarının derinlikle değişimi Şekil 2.18’de verilmektedir. Artık boşluk suyu basıncı değerlerinden, sıvılaşma sonrasında zemin kolonunda konsolidasyon

süreci olmaksızın sadece sedimantasyon sürecinin etkisi olduğu gözlenmektedir. Şekil 2.18’de 20 cm’lik kum kolonunda meydana gelen 1 cm oturmanın %5 ‘lik bir hacimsal

şekil değiştirmeye karşılık geldiği gözlenmektedir. Meydana gelen oturmanın tahmini için 1- Boyutlu Terzaghi konsolidasyon teorisinden yararlanılması düşünülmüştür. Bunun için

kum numunesinde etkiyen ortalama çevre basıncı yaklaşık olarak 0.13 psi, bu çevre basıncı ve 0.8 boşluk oranı için sıkışabilirlik katsayısı (av) 0.025 in2/lb olarak varsayıldığında, bu model

yüksekliği için sıvılaşma sonrası (ru=1.0) konsolidasyona bağlı hacimsal şekil değiştirmeler

yaklaşık %0.018 olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan bu konsolidasyon oturması gözlenen toplam deformasyona (εv=%5) göre oldukça ihmal edilebilir mertebede kalmaktadır. Bu da

bazı araştırmacılar tarafından çeşitli doğrusal olmayan (nonlineer) konsolidasyon teorileri kullanımının nedeni olmaktadır. Şekil 2.19a’ da aynı zemin kolonunda titreşim etkisi ile farklı zamanlarda ölçülmüş artık boşluk suyu basıncı dağılımlarının derinlikle değişimi, Şekil 2.19b’de ise oluşan svılaşma sonrasında artık boşluk suyu basınçlarının zamana bağlı sönümlenmesi görülmektedir. Titreşim deney boyunca, hem boşluk suyu basıncı oluşumu esnasında, hem de sönümlenmesi sırasında devam ettirilmiştir. Gözlemlenen hacimsal şekil değiştirmeler %5 mertebesinde iken, yukarıda da belirtildiği gibi bir boyutlu konsolidasyon teorisi kullanılarak hacimsal şekil değiştirmeler sadece %0.018 olarak tahmin edilmiştir. Her iki modelde de zemin kolonunda tümü ile sıvılaşma meydana geldiği halde, Şekil 2.19’da verilen eğriler darbe etkisi ile yapılan sıvılaşma deneylerinden elde edilen eğrilerden (Şekil 2.18) oldukça farklılık göstermektedir. Fakat, titreşim uygulanarak yapılan sıvılaşma deney sonuçlarının konsolidasyon safhasının varlığını iyi bir şekilde yansıtmayacağı sonucuna varılmıştır. Florin ve Ivanov(1961) uniform bir kum kolunundaki sıvılaşmanın düşey efektif gerilmenin düşük olduğu zemin yüzeyinden başlayarak aşağıya doğru ilerlediğini belirtmektedirler.

29

Şekil 2.18 Darbe etkisi uygulanarak yapılan deney sırasında farklı zamanlarda alınan artık boşluk suyu basınçlarının değişimi (Florin ve Ivanov(1961))

Şekil 2.19 Titreşim sonucu oluşan sıvılaşma sırasında farklı zamanlarda ölçülmüş artık boşluk suyu basıncı dağılımları(Florin ve Ivanov(1961))

Yoshimi(1967) tarafından yapılan çalışma 30.5 cm yüksekliğindeki kum tabakasının sıvılaşması üzerinde yapılan gözlemleri içermektedir. Bu çalışmada 30.5 cm yüksekliğindeki kum tabakasının üzerine lastik bir membran vasıtası ile düşey basınç uygulanmıştır. Uygulanan titreşim sırasında, kum tabakasında boşluk suyu basıncında önce yavaş bir artış ve hemen ardından ise ani bir artış ve sıvılaşma gözlemlenmiştir. Sıvılaşmadan sonra ise lastik membran altında kum tabakası yüksekliğinin %6’ sına eşit bir kalınlıkta bir su kütlesi oluştuğu gözlenmiştir. Şekil 2.20’de uygulanan üç farklı düşey basınç altındaki kum kolonunda meydana gelen artık boşluk suyu basınçlarının zamanla değişimi gösterilmektedir. Yoshimi(1967) bu çalışma sonucunda suya doygun bir kumun tamamı ile sıvılaşmasından sonra, kum tanelerinin aşağı doğru oturarak daha sıkı ve daha stabil bir hale geldiğini, bu sürecin artık boşluk suyu basınçlarının sönümlenme aşamasını içerdiğini ve Terzaghi’nin bir boyutlu konsolidasyon teorisi ile ilişkilendirilebileceğini açıklamaktadır.

Şekil 2.20 Uygulanan üç farklı düşey basınç altında kum kolonunda meydana gelen artık boşluk suyu basınçlarının zamanla değişimi (Yoshimi, 1967)

Ambraseys ve Sarma (1969) tarafından yapılan araştırmada basit bir model göz önüne alınarak tabakalı bir zemin ortamının sıvılaşma sırasındaki davranışı analiz edilmiştir. Çalışmada gevşek bir kum tabakasının sıvılaşmasının bu tabaka üzerinde yer alan sağlam bir zemin tabakası üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Göz önüne alınan zemin profili Şekil 2.21’de gösterildiği gibi ah ve (1-a)h kalınlıklarında, suya doygun kohezyonsuz iki yatay tabakadan oluşmaktadır.

31

Şekil 2.21 Gevşek bir kum tabakasının sıvılaşmasının bu tabaka üzerinde yer alan sağlam bir zemin tabakası üzerindeki etkisi (Ambraseys ve Sarma, 1969)

Çalışmada aşağıdaki varsayımlar kabul edilmiştir.

i. Sıvılaşma altta yer alan tabakadaki efektif gerilmenin ani olarak düşmesinden kaynaklanacaktır.

ii. Tabakalar değişmeyen ortak bir sınıra sahip olacaktır.

iii. Akım ve gerilme sürekliliği olduğu varsayılacaktır.

Araştırmacılar, iki tabakadan oluşan bu sistemi klasik konsolidasyon teorisi kullanarak çözmüş ve düşük hidrolik eğimlerin tahmin edilmesinden dolayı kum kaynamasının ortaya çıkmayacağı sonucuna varmışlardır. Kum kaynamasının meydana gelişi ise, mekanizma hakkında tam bir açıklama verilmeyerek, üstteki tabakanın homojen olmayışı ile ilişkilendirilmiştir. Ambaraseys ve Sarma (1969) tarafından analiz edilen basit iki tabakalı sistemlerin sıvılaşma öncesinde ve sonrasındaki davranışları, Terzaghi ve Frohlich (1936), Gray (1944), Schifman ve Gibson (1964), ve Yoshimi ve Kuwobana (1973) tarafından da benzer şekilde konsolidasyon teorisi göz önüne alınarak analiz edilmiştir.

Scott ve Zuckerman (1972) tarafından yapılan deneysel ve analitik çalışmalarda kum kaynaması ve kumlu zeminlerin sıvılaşma sonrası davranışı üzerinde yoğunlaşılmıştır. Bu araştırmada analiz edilen zemin tabakalarının kalınlığı 10 cm’dir. Zemin iskeletinin rijit olduğu kabul edilerek, sıvılaşma sonrası sürecin sedimentasyondan oluştuğu belirlenmiştir. Bununla birlikte, birden fazla tabakalı kum zemin sistemini de içine alan ve basit doğrusal

sedimentasyon teorisini esas alan farklı sıvılaşma sonrası modlar tarif etmişlerdir. İri daneli zeminler arasında yer alabilecek düşük geçirimliliğe sahip ince tabakaların sıvılaşma sırasında su ara tabakalarını oluşturma olasılığı gösterilmiştir. Kum kaynaması oluşum mekanizması da geniş bir şekilde tartışılmıştır. İnce bir kum tabakası (7.5 cm kalınlığında) üzerinde, silt ara tabakası varken ve yokken deneyler yapılmıştır. Sonuç olarak ara silt tabakasının ya da ince daneli bir zeminin varlığının kum kaynamalarının oluşumunda etkili olduğu belirtilmiştir. Araştırmacılar ayrıca altta yer alan sıvılaşmış bir zemin nedeni ile daha önce sıvılaşmamış bir kum tabakasının sıvılaşabileceğini ve daha önce sıvılaşmaya yatkın olmayan bir kumun hemen altında yer alan sıvılaşmış bir tabakanın bulunması nedeni ile sıvılaşabileceğini gösteren sonuçlar sunmakta, bu sonuçların yol gösterici mahiyette ve niteliksel olduğunu belirtmektedirler.

Elgamal vd. (1989) tarafından yapılan çalışmada kil ara tabakalı kumlu zeminlerin sıvılaşma davranışı, pleksiglas dikdörtgen kesitli bir kutu üzerinde uygulanan, küçük ölçekli sarsma tablası deneyleri ile incelenmiştir. Bu çalışmada düşük geçirgenliği olan ara tabakaların, sarsıntı sırasında üstte yer alan zemin tabakalarında oluşan boşluk suyu basınçları oluşumunu yavaşlattığı ve alttaki tabakalarda ise boşluk suyu basınçları oluşumunu hızlandırarak büyük yanal deformasyonlara neden olduğu görülmüştür. Ayrıca; düşük geçirgenliği olan ara tabakaların kum kaynaması olayını geciktirdiği de gözlemlenmiştir. Üniform kum tabalarında yapılan deneylerde ise kum kaynaması olayına rastlanmadığı belirtilmiştir. Geçirimliliği düşük olan siltli kil tabakalarının altında ise kalınlığı alttaki kum tabakası kalınlığının %5’i kadar olan su filmi tabakalarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Yapılan gözlemlerde geçirimliliği düşük olan tabaka altında kum kaynamalarının ve oyulmaların meydana geldiği ve suyun hidrolik yükün düşük olduğu noktalara doğru ilerlediği gözlemlenmiştir. Düşük geçirimliliğe sahip silt veya kil ara tabakası altında meydana gelen su filminin ise uzun bir süre sönümlenemeceği (örneğin 2.20 cm’lik bir su filminin arazide sönümlenmesinin yaklaşık 30 gün alabileceği belirtilmektedir), ancak Şekil 2.22’de de gösterildiği gibi kil/silt tabakasının kırılması veya oyulması sonucu suyun yukarıya doğru kaçabileceği belirtilmiştir. Geçirimliliği düşük olan ara tabakada ise hidrolik eğimlerin (sıvılaşma sırasında) yüksek olduğu ve yüksek olan bu hidrolik eğimlerin büyük kum kaynamalarına yol açabileceği belirtilmiştir (Şekil 2.23).

33

Şekil 2.22 Geçirimliliği düşük olan kil tabakası altında meydana gelen su filmi (Elgamal vd.1989)

Şekil 2.23 Geçirimliliği düşük olan kil tabakasında yüksek hidrolik eğimlerin oluşumu (Elgamal vd.1989)

Adalıer(1992) tarafından tabakalı zemin sistemlerindeki sıvılaşma ve sonrası davranışın belirlenmesi için, laboratuarda 1g ivme altında sarsma tablası deneyi ve 50g ivme altında santrifüj deneyleri gerçekleştirilmiştir. 1g’de gerçekleştirilen deney düzeneği Şekil 2.24’de gösterilmiştir.

Şekil 2.24 Tabakalı zemin sistemlerindeki sıvılaşma ve sonrası davranışın belirlenmesi için kurulan deney düzeneği (Adalıer, 1992)

Şekil 2.24’de gösterildiği gibi pleksiglas bir boru içerisinde, ince bir kil ara tabakası içeren uniform Ottowa kumunun yer aldığı bir tabakalı zemin sistemi oluşturulmuştur. Pleksiglas boru yaklaşık 16.5 cm mesafeden sert bir blok üzerine düşürülerek darbe etkisi ile kum tabakasının sıvılaşması sağlanmıştır. Sıvılaşmadan sonra alttaki kum tabakasının oturması ile birlikte kil tabakasının altında su ara tabakasının oluştuğu gözlemlenmiş ve alttaki tabakanın oturması bitene kadar su ara tabakasının kalınlığının arttığı görülmüştür. Kil tabakasının altındaki ve üstündeki kum tabakalarında yaklaşık %2.4 değerinde bir hacimsal şekil değiştirme oluştuğu belirlenmiştir. Altta yer alan kum tabakasının oturması sona erdiğinde, kil tabakası altında bu tabakanın oturma miktarına eşit miktarda bir maksimum su filmi kalınlığı ölçülmüştür. Şekil 2.25’de farklı seviyelerde yer alan boşluk suyu basıncı sensörlerinde ölçülen artık boşluk suyu basınçlarının zamanla değişimi gösterilmiştir. Ölçülen artık boşluk suyu basıncı-zaman değişimlerinden konsolidasyon etkisinin olmadığı sonucuna varılmıştır. Bunun nedeni ise su filminin üst tabakadaki efektif gerilmelerin iletilmesini etkilemesi olarak açıklanmıştır.

35

Şekil 2.25 Farklı seviyelerdeki boşluk suyu basıcı sensörlerinde ölçülen artık boşluk suyu basınçlarının zamanla değişimi (Adalıer, 1992)

Adalıer (1992) tarafından ayrıca ise sıvılaşma sonrası davranışın belirlenmesi için Şekil 2.26’da gösterilen deney düzeneği hazırlanarak santrifüj deneyleri yapılmıştır.

Şekil 2.26 Sıvılaşma sonrası davranışın belirlenmesi için santrifüj deney düzeneği (Adalıer, 1992)

Araştırmacı sıvılaşma sonrasında boşluk suyu basınçlarının sönümlenmesi aşamasını Terzaghi’nin bir boyutlu konsolidasyon teorisini kullanarak modellemiştir. Bu modellemelerde permeabilite ve hacimsal sıkışma katsayısının efektif gerilme ile olan değişimi dikkate alınmayıp sabit olarak kabul edilmiştir. Şekil 2.27’de sıvılaşma sonrası artık boşluk suyu basınçları sönümlenmesinin bu yöntemle modellenmesinin ölçüm sonuçları ile uyumlu olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, sıvılaşma sonrası davranışın belirlenmesinde, hacimsal sıkışma katsayısı ve permeabilite katsayısının boşluk oranı ile laboratuar deneyleri

ile belirlenmiş doğrusal olmayan değişimi dikkate alınarak yapılacak sıvılaşma sonrası analizlerinin daha doğru sonuçlar vereceği belirtilmiştir.

Şekil 2.27 Deneysel olarak ölçülmüş artık boşluk suyu basınçları sönümlenmesinin 1B konsolidasyon teorisi kullanarak hesaplanmış değerler ile karşılaştırılması (Adalıer,1992)

37

3. SUYA DOYGUN KUMLU ZEMİNLERİN TEKRARLI YÜKLER ALTINDA