Zeminlerin Dinamik Davranışı

Deprem bölgelerinde inşaa edilmiş ve edilecek olan yapıların deprem yükleri altında nasıl bir davranış göstereceğinin tahmin edilebilmesi için ilk olarak yapının temel sisteminin ve sistemin bir parçası olan temel zeminlerinin deprem yükleri altında nasıl davranacağının bilinmesi gerekir. Ayrıca, üzerinde herhangi bir yapı bulunmayan düz ve hafif eğimli suya doygun kaba ve ince daneli zeminlerinde deprem yükleri altında nasıl davranacağının bilinmesi gereklidir.

Burada önemli olan deprem süresince ve sonrasında stabilitenin bozulmasına neden olabilecek aşırı deformasyonlar veya mukavemet kayıplarının oluşabileceği kaba ve ince daneli zeminlerin dinamik davranışının önceden değerlendirilmesidir. Deprem sırasında oluşan deformasyonlar, taşıma gücü kayıpları ve göçme şekilleri kum ve kil türü zeminler için farklıdır. Bununla beraber Boulanger ve Idriss (2004) tarafından yapılan çalışmada zeminler kum benzeri (sand-like) ve kil benzeri (clay-like) davranışlar şeklinde iki grupta değerlendirilmiştir. Ayrıca geçiş bölgesinde kalan düşük plastisiteli silt ve killer için bu davranışın çok daha karışık olduğu belirtilmiştir. Burada kum benzeri davranış ile kaba daneli zeminlerin, kil benzeri davranış ile de ince daneli zeminlerin statik ve dinamik yükler altındaki gerilme-şekil değiştirme davranışını tanımlamak için kullanılmıştır. Dinamik göçme kil benzeri zeminlere karşılık davranışı tanımlamak için kullanılırken sıvılaşma terimi kum benzeri zeminler için kullanılmıştır.

Kum ve kil benzeri zeminlerin mukavemet ve sıkışabilirliğini değerlendirirken kaba daneli zeminlerde dane çapı, dane çapı dağılımı ile relatif sıkılık, ince daneli zeminlerde ise plastisite indisi önemli olmaktadır.

Kumların davranışının belirlenmesinde aşağıdaki özellikler göz önünde bulundurulmalıdır (Boulanger ve Idriss, 2004):

• Kumun gerilme-şekil değiştirme davranışı büyük miktarda relatif sıkılık (Dr) ve çevre basıncına bağlıdır.

• Kumların efektif gerilmesi artarken relatif sıkılık önemli derecede değişmediği için yeterince küçük sıkışabilirliğe sahiptir.

• Kumların efektif gerilme geçmişi ile relatif sıkılık (veya boşluk oranı) arasında bir ilişki yoktur.

• İnce dane içermeyen kumlu zeminlerden bilinen shelby sondaj tüpü ile numune almak zordur. Bir miktar ince dane içeren kumlu zeminlerden numune almak mümkün olsada numune alma aşamasında zeminde örselenme meydana gelecektir.

• Standart penetrasyon deneyi (SPT) ve koni penetrasyon deneyinin (CPT) penetrayon dirençleri kumun relatif sıkılığı, içsel sürtünme açısı ve dinamik direnç oranından (DDO) etkilenir.

• Yukarıdaki nedenlerden dolayı kumlu zeminlerin davranışı incelenirken arazideki penetrasyon deneyleri ve yarı amprik korelasyonlardan yararlanılır. Killi zeminlerin davranışları incelenirken aşağıdaki özellikler dikkate alınmalıdır (Boulanger ve Idriss, 2004):

• Killer genelde büyük miktarda efektif jeolojik gerilme geçmişine bağlı olan boşluk oranından dolayı büyük sıkışabilirlik oranlarına sahiptir.

• Killerde boşluk oranı ve jeolojik geçmişi (aşırı konsolidasyon oranı, AKO) arasında iyi bir ilişki vardır. Killi zeminlerde ince cidarlı sondaj tüple numune alınırsa örselenmeden daha az etkilenir.

• Killerin statik ve dinamik drenajsız mukavemetleri, araziden alınan örselenmemiş numuneler üzerinde laboratuvar deneyleri yapılarak değerlendirilebilir.

• Killi zeminlerin ön konsolidasyon basıncının belirlenerek jeolojik geçmişi hakkında bilgi sahibi olunması gereklidir.

• CPT penetrasyon direnci direk olarak kilin drenajsız kayma mukavemetiyle ilgilidir.

• SPT penetrasyon direnci sadece kilin drenajsız kayma mukavemeti ile ilgili kaba bir ilişki sağlar.

Kil ve kum benzeri zeminlerin mukavemet ve gerilme-şekil değiştirme özeliklerinin statik yükleme durumlarına göre stabilite hesaplarının yanısıra tekrarlı yükleme durumundaki davranışlarının araştırılması da geoteknik mühendisliğinin önemli problemlerinden birisidir.

Killi zeminlerin gerilme-şekil değiştirme davranışıyla ilgili en önemli parametreler jeolojik geçmişin bir fonksiyonu olan statik drenajsız kayma mukavemetidir. Kumlar relatif sıkılık ve çevre gerilmesine bağlı olarak deformasyon yumuşaması ile deformasyon pekleşmesi arasında davranışlar gösterirken, AKO 1-8 olan killer çok plastik gerilme-şekil değiştirme davranışı (akmadan sonra yaklaşık olarak sabit kayma gerilmesi) göstermektedir. Ayrıca düşük AKO değerlerinde önemli deformasyon yumuşaması, yüksek AKO değerlerinde ise deformasyon pekleşmesi görülebilir (Boulanger ve Idriss, 2004).

El Hosri (1984) tarafından yapılan çalışmalarda siltli zeminlerde kumlardakinden daha fazla boşluk suyu basıncı oluşumunun meydana geldiği görülmüştür. Dinamik yüklemenin başlangıcında silt-kil karışımlarında boşluk suyu basıncı oluşumu kumlardakine göre çok daha hızlıdır. Ayrıca düşük plastisiteli silt-kil karışımlarında plastisite indisinin artışı ile zeminin sıvılaşmaya karşı direnci azalır. Yüksek plastisite aralığında sıvılaşma direnci, artan plastisite indisiyle artar. İnce daneli kil, silt-kil karışımının hidrolik iletkenkenliğini azalttığı için boşluk suyu basıncı oluşumu artar ve düşük plastisite aralığında daha yüksek boşluk suyu basınçlarına neden olur. Plastisitenin artışı silt-kil karışımının kohezyonunu artırdığı için yüksek plastisite aralığında sıvılaşmaya karşı direnç artmaktadır (Guo ve Prakash, 1999; Prakash ve Puri, 2003; Prakash ve diğ., 1998).

Hsu ve Vucetic (2006)’in yaptıkları çalışmadaki deney sonuçlarına göre, ince daneli zeminlerdeki dinamik boşluk suyu basıncı oluşması için eşik kayma şekil değiştirme (γt) seviyesi kaba daneli zeminlere göre daha büyüktür ve genelde zeminin plastisite indisiyle artmaktadır. Plastisite indisi %14-30 arasında olan silt ve killi zeminler için

γt=%0.024-0.06 aralığında değişmektedir. Sınırlı sayıdaki datalarına göre plastik silt ve killerde γt çevre basıncına bağlı olmamaktadır.

Yukarıda adı geçen zeminlerin tekrarlı yükler altında bu tür davranışları incelenirken arazi ve laboratuvar deneylerinden yararlanılmaktadır. Yaygın laboratuvar deneyleri dinamik üç eksenli, dinamik basit kesme, dinamik burulmalı kesme deneyleri, arazi deneyleri ise SPT, CPT, kayma dalgası hızı (Vs) ve dilatometre deneyleridir. Deprem yükleri tarafından arazide oluşturulan gerilmeler laboratuvar deney aletleriyle yaklaşık olarak modellenebilmektedir. Laboratuvar deney aletleriyle killerin tekrarlı yükler altındaki davranışı bir çok araştırmacı tarafından incelenmiştir (Ansal ve Erken, 1989; Ansal ve Erken, 1985; Ansal ve Erken, 1982; Ansal ve diğ., 1995; Erken ve Ülker, 2007). Arazi deneyleri kullanılarak zeminlerin dinamik özellikleri gerçeğe yakın olarak bulunabilmektedir. Perlea (2000)’de ince daneli zeminlerin dinamik yükleme davranışı üzerine yaptığı çalışmada bu tür zeminlerin dinamik davranışını değerlendirmenin en iyi yolunun araziden alınmış örselenmemiş zemin numuneleri üzerinde laboratuvar deneyleri yapmak olduğunu belirtmiştir. Bununla birlikte yaptığı bu çalışmada ince daneli zeminler için geliştirilmiş olan farklı sıvılaşma kriterlerine (Seed ve Idriss tarafından modifiye edilmiş Çin kriteri, 1982; Koester, 1992; Andrews ve Martin, 2000) göre sıvılaşabilir olarak sınıflandırılan zeminlerin, kumlar, siltli kumlar ve kumlu siltlere ait vaka analizlerinden elde edilmiş olan SPT ve CPT’e dayalı korelasyonlar kullanılarak analiz edilebileceği ifade edilmiştir. Ancak arazi deneyleriyle bulunabilecek özellikler sınırlı olduğundan zeminlerin davranışlarını incelerken hem arazi hem de laboratuvar deneylerinden yararlanmak çok daha uygun olacaktır.