Yanal Yayılmada Boşluk Suyunun Hareketi

Yanal yayılmada önemli olay toplam hacimde bir değişim olmaksızın sıvılaşmış zemin tabakası içinde boşluk suyunun yukarı akmasıdır (Housner, 1985). Sıvılaşmış durumda, zemin danelerinin her biri ağırlığının etkisi altında batmaya eğilimlidir. Şekil 4.7’de gösterildiği gibi sıvılaşmış zemin için net etki, devam eden şekilde tabana yakın yoğunlaşma, üste yakın gevşek olma şeklindedir. Başka bir ifadeyle, boşluksuyu ve boşluk hacminin yukarı doğru hareketi için bir eğilim vardır. Sıvılaşmış zemin tabakasının en üstüne yakın zemin blokları, daha gevşek zayıf zeminin üzerinde kaydıktan sonra yanal yayılma oluşabilir. Sıvılaşmış zemin oldukça geçirimsiz bir tabaka ile kaplanırsa, yukarı doğru akan boşluk suyu engellenmiş olacak ve sıvılaşmış tabakanın en üst kısmında daha zayıf zemin bölgesinin oluşumuna katkı sağlayacaktır.

Şekil 4.7: Boşluk Suyunun Yukarı Doğru Hareketine Yol Açan Sıvılaşmış Bir Zemin Tabakasındaki Oturma (Housner, 1985)

Castro (1987) su ve zemin danelerinin hareketi zaman aldığı için, bu olay kalın tabakalı sıvılaşmış zeminlerin bütün derinliği boyunca değil ama oldukça zayıf tabakalarda gelişebileceğini belirtmiştir (Rauch, 1997). Bununla beraber, kalın üniform zemin tabakasında zemin danelerinin oturma eğilimi sıvılaşmış zeminin en üst kısmına doğru ilerleyen şekilde biraz daha zayıf zemin oluşumuna neden olmaktadır. Youd ve Bennett (1983), yanal yayılmada sıvılaşmış zemin tabakasında boşluk suyunun yukarı doğru hareketi için olası arazi vakalarını rapor etmişlerdir. Son yıllarda yapılan santrifüj model deneyler ile eğimli yüzeyler altında sıvılaşmış zemin tabakalarında bu mekanizmanın deneysel ispatını ayrıca yapmışlardır (Arulanandan ve diğ. 1993; Fiegel ve Kutter 1994a;1994b).

Boşluk suyunun hareketinden dolayı, sıvılaşan zemin tabakasının en üst kısmına yakın kayma direnci, sıvılaşan zeminin ortalama boşluk oranına karşılık gelen kayma mukavemetinden önemli derecede daha düşük olabilir (Seed, 1987). Sıvılaşmış zeminin rezidüel kayma mukavemetini belirlemek için Poulos ve diğ. (1985) tarafından önerilen yöntem deprem boyunca boşluk oranında değişim olmadığını kabul eder.

Sıvılaşan zeminde oluşan boşluk suyu basıncı derinlikle artmakta ve yukarı yönlü akışın oluşmasına neden olmaktadır. Bu akım sonucunda ise yüzeydeki geçirimsiz zemin tabakası karşı koymakta ve tabakaların birleştiği noktalarda su miktarı artmaktadır. Bu durum boşluk oranında artışa ve su ile dolu boşlukların oluşmasına sebep olmaktadır. Sonuç olarak tabakalar arasında oluşan kayma direnci düşmektedir (Fiegel ve Kutter, 1994).

Uzuoka ve diğ. (2003) tarafından yapılan analizlerde sıvılaşan tabakadan aşırı boşluk suyu basıncının yukarı doğru hareketi yeraltı su seviyesi altındaki zeminin hacim artışına neden olmakta ve hacim artışı boyunca başlangıç kayma gerilmelerinin zorlamasıyla artan kayma deformasyonları oluşmaktadır. Sıvılaşan tabakanın üstünde düşük permeabiliteli kısmen doygun zemin varsa aşırı boşluk suyu basıncı sönümlenemez ve sabit kalır. Hacimsel şekil değiştirme sıkışma için pozitif (+), şayet yukarı doğru bir sızıntı varsa o zaman o sıvılaşan tabakada genişleme (-) başlamaktadır. Ancak hacimsel deformasyondaki bu eğilimler yatay zeminde önemli değildir. Sadece böyle bir durumda depremden sonra oturma olmaktadır. Bununla beraber hacimsel deformasyon eğilimli bir zeminde yanal bir akış için önemli rol oynadığını belirtmişlerdir.

Yang ve Elgamal (2001c), Yang ve Elgamal (2002) ve Kokusho (1998, 1999, 2000) yaptıkları deneysel çalışmalarda (sarsma tablası veya 1D tüp deneyleri) tabakalı kum

geçirimli alt tabakaların altında su filmi oluşacağını ve bu su filmi sıvılaşma sonrası göçme için bir kayma yüzeyi olarak çalışacağını belirtmişlerdir. Su filmi sürekli alt tabakaların altlarında oluşursa göçme sadece deprem süresince değil aynı zamanda deprem sonrasında da oluşmaktadır. Çünkü ara tabakadaki su depremden sonra hatta saatler veya hatta günlerce sönümlenmeyebilir. Ayrıca bu su filminin alttaki kum tabakasını dilatasyondan ve absorbe edilen aşırı boşluk suyu basıncından (hatta çok küçük çevre basınçlarında genişleyen ortamda) koruyan kayma gerilmesi izolatörü olarak görev yapacağını belirtmişlerdir (Kokusho, 2000). Bununla beraber çekme çatlakları ve kum kaynamaları oluşturabilirler (Yang ve Elgamal, 2001c).

Eğimli sıvılaşabilir zemin tabakaları olması durumunda, düşük permeabiliteli zemin tabakasının altında bulunan sıvılaşmanın neden olduğu ara tabakadaki su sıvılaşmayla ilgili yanal deformasyonların oluşmasına neden olmaktadır (Kokusho, 1999; Yang ve Elgamal, 2001c).

Su filminin yukarısındaki zemin kütlesi çok hafif eğimli şev boyunca kayabilir ve ayrıca kayma boyunca su filmi kırılırsa çamur akması şeklinde davranabilir. Bu nedenle yukarı zemin kütlesinin yeniden sıvılaşmasını tetikler (Kokusho, 2000). Ayrıca, depremin meydana getirdiği zemin sıvılaşması doygun kum tabakalarında gömülü bulunan yeraltı yapılarının yukarı doğru kaldırma şeklinde deformasyon yapmalarına neden olmaktadır. Zemin sıvılaşmasının oluşturduğu yukarı doğru oluşan deformasyon, sıvılaşabilir zeminlerdeki gömülü yeraltı yapılarının depreme dayanıklı tasarımı için çok önemli problemdir. Çok yaygın olarak kullanılan tünel gibi bu tür yeraltı yapılarını yukarı doğru kaldırmanın güvenlik faktörünü tahmin ederek tasarlamaktadırlar. Sıvılaşan zeminde dikdörtgen kesitli bir yeraltı yapısına etki eden kuvvetler yapının kendi ağırlığı, yapının üst plakası üzerindeki jeolojik yük, yapının kenar yüzeylerinin sürtünmesi, statik su basıncı, yapının alt plakası yüzeyine etki eden aşırı boşluk suyu basıncıdır. Yeraltı yapılarının birim hacim ağırlığı çevredeki zeminin birim hacim ağırlığından daha küçüktür. Bu nedenle yapının alt yüzeyindeki efektif jeolojik yük yapının alt plakasındaki gibi aynı derinlikteki çevreleyen tabakadakine göre daha düşüktür, başka bir ifadeyle yapının alt plakasına etkiyen en büyük aşırı boşluk suyu basıncı aynı derinlikteki çevreleyen zemine göre daha düşüktür (Tokida ve Ninomiya, 1992).

Deprem boyunca zemin sıvılaşırsa, genellikle yeraltı yapıları sıvılaşan zeminde yüzer ve böylece yukarı kalkma hareketi yapar. Bu olayın mekanizması yerçekimi ve kaldırma gücü arasındaki kuvvet dengesiyle açıklanmaktadır. Özelliklede yeraltı yapılarının yukarı kalkma miktarını yöneten çok önemli mekanizma yapıların aşağısındaki zemin elemanlarının yatay yöndeki kayma gerilmesine bağlı olarak

kayma deformasyonlarının aşamalı olarak artmasıdır. Yukarı kalkma miktarı yapıyı çevreleyen zeminin deformasyonu ile kontrol edilir. Yukarı kalkma miktarını tahmin etmek için zeminin davranışının tamamen anlaşılması gerekmektedir. Koseki ve Koga (1990) yeraltı yapılarının yukarı kalkmasıyla ilgili çalışmalarında, modülü azaltarak lineer elastik analiz ve kayan blok yaklaşımı gibi basitleştirilmiş yaklaşımlarla yapmışlardır (Iai ve Matsunaga, 1992).