Sıvılaşma Nedir? Zemin Sıvılaşmasının Mühendislik Değerlendirmesi, Zemin Sıvılaşması İle İlgili Alınması Gereken Tedbirler, Önlemler ve Tavsiyeler İle Zemin ve Temel Etüdü Uygulama Esaslarında ve Rapor Formatında Sıvılaşma İle İlgili Bilgiler (© Copyright by Türkay Ercan Şengöz) PDF

Preview

Summary

SIVILAŞMA NEDİR? ZEMİN SIVILAŞMASININ MÜHENDİSLİK DEĞERLENDİRMESİ, ZEMİN SIVILAŞMASI İLE İLGİLİ ALINMASI GEREKEN TEDBİRLER, ÖNLEMLER VE TAVSİYELER İLE ZEMİN VE TEMEL ETÜDÜ UYGULAMA ESASLARINDA VE RAPOR FORMATINDA SIVILAŞMA İLE İLGİLİ BİLGİLER Türkay Ercan ŞENGÖZ Jeoloji Yüksek Mühendisi (TMMOB-JMO) ...

Description

SIVILAŞMA NEDİR? ZEMİN SIVILAŞMASININ MÜHENDİSLİK DEĞERLENDİRMESİ, ZEMİN SIVILAŞMASI İLE İLGİLİ ALINMASI GEREKEN TEDBİRLER, ÖNLEMLER VE TAVSİYELER İLE ZEMİN VE TEMEL ETÜDÜ UYGULAMA ESASLARINDA VE RAPOR FORMATINDA SIVILAŞMA İLE İLGİLİ BİLGİLER

Türkay Ercan ŞENGÖZ

Jeoloji Yüksek Mühendisi (TMMOB-JMO) İş Güvenliği Uzmanı (ÇSGB-İSGGM) Jeoloji Mühendisi-YTK (ETKB-MAPEG) İlkyardımcı (Türk Kızılayı)

ANKARA-2019

TEŞEKKÜR Genel bilgilendirme amaçlı hazırlanan bu akademik çalışmada, öncelikle faydalanmış olduğum bilgilerden ve verilerden dolayı resmi ve özel olan tüm kurum ve kuruluşlara, akademik seviyedeki bilimsel kitap yazarlarımıza, internet sitelerine ve diğer kaynaklara teşekkürlerimi sunuyorum. Bu çalışmada, ülkemizde yapılmış olan bilimsel araştırmaların ve sonuçların nasıl değerlendirilmesi gerektiği de kısaca açıklanmaya çalışılmıştır. Bu akademik çalışmaya, zaman içerisinde günümüz ihtiyaçlarını karşılayabilmesi için bazı önemli eklemeler ve düzeltmeler yapılmıştır. Hayatım boyunca her zaman yanımda olan, araştırma, düzenleme ve yazım aşamasında yardımlarını, maddi ve manevi imkânlarını, sabır ve desteğini esirgemeyen aileme teşekkürlerimi sunuyorum.

Türkay Ercan ŞENGÖZ

İÇİNDEKİLER

BAŞLIK ...........................................................................................................................................i TEŞEKKÜR ................................................................................................................................... ii İÇİNDEKİLER.............................................................................................................................. iii ŞEKİLLERİN LİSTESİ .................................................................................................................. v TABLOLARIN LİSTESİ ............................................................................................................. vii RESİMLERİN LİSTESİ ............................................................................................................. viii SİMGELER VE KISALTMALAR ................................................................................................ix 1. GİRİŞ ....................................................................................................................................... 1 2. ZEMİN SIVILAŞMASI İLE İLGİLİ GENEL BİLGİLER ..................................................... 2 2.1 Zemin Sıvılaşması Nedir? ................................................................................................... 2 2.2 Zeminlerin Sıvılaşabilirliği .................................................................................................. 4 2.3 Zemin Sıvılaşması İle İlgili Genel Tanımlar ....................................................................... 6 2.3.1 Ön Sıvılaşma ................................................................................................................. 6 2.3.2 Gerçek Sıvılaşma .......................................................................................................... 6 2.3.3 Sınırlı Ön Sıvılaşma-Çevrimsel Hareketlilik ................................................................ 6 2.3.4 Kum Kayması ............................................................................................................... 6 2.3.5 Mikroskobik ve Makroskobik Sıvılaşma ...................................................................... 7 2.4 Zemin Sıvılaşması İçin Gerekli Koşullar Nelerdir? Hangi Tür Zeminler Sıvılaşmaya Daha Yatkındır? ................................................................................................................... 7 2.5 Zemin Sıvılaşmasının Çeşitleri Nelerdir? ............................................................................ 8 2.5.1 Akma Türü Sıvılaşma ................................................................................................... 8 2.5.2 Devirsel Hareketlilik Türü-Çevrimli Sıvılaşma ............................................................ 8 2.6 Zemin Sıvılaşması Nasıl Oluşur? Zemin Sıvılaşmasına Etki Eden Faktörler Nelerdir? ..... 9 2.6.1 Zemin Özelliklerinin Sıvılaşmaya Etkisi .................................................................... 10 2.6.1.1 Relatif Sıkılık ...................................................................................................... 10 2.6.1.2 İnce Tane Oranı ................................................................................................... 11 2.6.1.3 Tane Boyu Karakteristiği .................................................................................... 12 2.6.1.4 Zeminin Drenaj Koşulları.................................................................................... 12 2.6.1.5 Sıvılaşabilir Zeminin Derinliği ve Yeraltı Su Seviyesi Derinliği ....................... 13 2.6.2 Jeolojik Şartların Sıvılaşmaya Etkisi .......................................................................... 13 2.6.3 Yer Hareketlerinin Sıvılaşmaya Etkisi ....................................................................... 14 2.6.4 Sıvılaşma Potansiyeli Değerlendirmeleri.................................................................... 15 2.6.4.1 Arazi Deneyleri ................................................................................................... 15 2.6.4.2 Laboratuvar Deneyleri......................................................................................... 16 2.7 Sismik Yükleme Koşulları Altında Zemin-Yapı Yenilme Şekilleri .................................. 16 2.8 Sismik Zemin Sıvılaşmasının Mühendislik Değerlendirmesi ........................................... 17 2.8.1 Zemin Sıvılaşmasının Analiz Aşamaları .................................................................... 17 2.8.2 Zemin Sıvılaşması Tetiklenme Analiz Yöntemleri .................................................... 17 2.8.2.1 SPT’ye Bağlı Tetiklenme Analiz Yöntemi ......................................................... 18 2.8.2.2 CPT’ye Bağlı Tetiklenme Analiz Yöntemi ......................................................... 20 2.8.3 Sıvılaşan Zeminlerde Rijit Kolon Uygulamaları ........................................................ 21 2.8.4 Sıvılaşmış Zeminlerin Kayma Mukavemeti ............................................................... 21 2.8.5 Zemin Sıvılaşmasının Spektral İvmeler Üzerinde Etkisi ............................................ 22

2.8.6 Yüzeysel Temellerin Altında Sıvılaşmış Zemin Davranışı ........................................ 22 2.8.7 Kazıklı Temeller Üzerinde Sıvılaşma Etkileri ............................................................ 23 2.8.8 Sıvılaşmadan Dolayı Meydana Gelebilecek Zemin Hareketleri ................................. 24 2.8.9 Sıvılaşmaya Karşı Güvenlik Sayısı ve Sıvılaşma Sonrası Zemin Performansının Değerlendirilmesi........................................................................................................ 24 2.9 Zemin Sıvılaşmasına Hangi Tür Zeminlerde Rastlanılır? Zemin Sıvılaşması-Deprem İlişkisi Nasıl Açıklanabilir? ............................................................................................... 29 2.10 Zemin Sıvılaşması Nasıl Gözlenir? Zemin Sıvılaşmasının Etkileri ve Sonuçları Nelerdir? .................................................................................................................................. 31 3. ZEMİN SIVILAŞMASI İÇİN ARAZİ ARAŞTIRMALARI VE DENEYLERİ .................. 33 3.1 Temel Araştırma Sondajı ................................................................................................... 33 3.2 Standart Penetrasyon Deneyi (SPT) .................................................................................. 33 3.3 Konik Penetrasyon Deneyi (CPT) ..................................................................................... 34 3.4 Kayma Dalgası Hızı........................................................................................................... 34 3.5 Jeofizik Çalışmalar-Sismik Kırılma Çalışması.................................................................. 34 3.6 İnceleme Alanında Yer Alan Zeminlerin Sismik Dalga (Vs) Hızına Göre Sınıflandırılması İle Zemin Sınıflama Kriterinin Önemi .................................................. 35 4. ZEMİN SIVILAŞMASI İÇİN LABORATUVAR DENEYLERİ ........................................ 37 5. ZEMİN SIVILAŞMASI İÇİN TEMEL ANALİZLER ......................................................... 40 5.1 Zeminlerin Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi.............................................................. 40 5.1.1 Zemin Taşıma Gücünün Değerlendirilmesi ................................................................ 40 6. ZEMİN SIVILAŞMASI İÇİN MÜHENDİSLİK ANALİZLERİ VE DEĞERLENDİRMELER .......................................................................................................... 41 6.1 Bina-Zemin İlişkisinin İrdelenmesi ................................................................................... 41 6.1.1 Çok Katlı Betonarme Binaların Doğal Periyotlarının Bulunması ve Yapı-Yer Uyumunun Sağlanması ............................................................................................... 41 6.2 Zemin ve Kaya Türlerinin Değerlendirilmesi ................................................................... 41 6.2.1 Zemin Türlerinin Sınıflandırılması ............................................................................. 41 6.3 Sıvılaşma Potansiyeli İle Sıvılaşabilir Zeminler Arasındaki İlişki .................................... 42 6.4 Sıvılaşma Oluşturabilecek Eşik İvme Değerinin Kayma Dalgası (Vs) Hızından Belirlenmesi ....................................................................................................................... 43 6.5 Oturma Analizi ve Değerlendirilmesi ............................................................................... 44 6.6 Ani Oturmalar .................................................................................................................... 45 6.7 Konsolidasyon Oturmaları ................................................................................................ 45 6.8 Toplam Oturmalar ............................................................................................................. 45 6.9 Zemin Sıvılaşması Değerlendirme Raporu Kapsamı ........................................................ 46 7. ZEMİN SIVILAŞMASI İLE İLGİLİ ALINMASI GEREKEN TEDBİRLER, ÖNLEMLER VE TAVSİYELER .............................................................................................. 47 8. ZEMİN VE TEMEL ETÜDÜ UYGULAMA ESASLARINDA VE RAPOR FORMATINDA SIVILAŞMA KONUSUNUN GEÇTİĞİ BÖLÜMLER ................................. 51 9. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ............................................................................................... 58 10. KAYNAKLAR ..................................................................................................................... 60

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Sayfa No

Şekil 2.1 Suya doygun kumlu zeminin sıvılaşma olgusu............................................................ 3 Şekil 2.2 Zemin tanecikleri-bağlantı kuvveti-su basıncı ilişkisi ................................................. 3 Şekil 2.3 Üsküdar-Sarayburnu arasının çürük zemin koşulları................................................. 10 Şekil 2.4 Derinliğe karşı verilen rd değerleri............................................................................. 18 Şekil 2.5 Önerilen hesap algoritması ........................................................................................ 21 Şekil 2.6 su,r/σv' ile N1,60,CS arasındaki Stark ve Mesri (1992) tarafından önerilen ilişki ....... 25 Şekil 2.7 Tokimatsu ve Seed (1984) tarafından önerilen hacimsel birim deformasyon ilişkileri ..................................................................................................................................... 26 Şekil 2.8 Ishihara ve Yoshimine (1992) tarafından önerilen hacimsel birim deformasyon İlişkileri ..................................................................................................................................... 27 Şekil 2.9 Topoğrafyayla ilgili tanımlayıcı değişkenler ............................................................. 28 Şekil 4.1 İzotropik olarak konsolide edilmiş Sacremento kumunun üç eksenli basınç deneyi sonuçlarından elde edilmiş çevrimsel dayanım eğrileri ................................................ 38 Şekil 4.2 Boşluk suyu basıncı oluşum modelleri ...................................................................... 39 Şekil 6.1 İnce daneli zemin karışımlarında Seed vd. (2003) tarafından önerilen sıvılaşabilirlik koşulu ................................................................................................................ 43

TABLOLARIN LİSTESİ

TABLOLARIN LİSTESİ

Sayfa No

Tablo 2.1 SPT düzeltmeleri.......................................................................................................19 Tablo 2.2 Fay kırığı uzunluğuna karşılık deprem moment büyüklüğü bağıntısı ......................20 Tablo 2.3 Sıvılaşma durumunda zemin parametrelerine uygulanacak azaltma faktörleri ........25 Tablo 2.4 Zemin sıvılaşmasına karşı uygulanabilecek iyileştirme yöntemleri .........................29 Tablo 3.1 Vp ve Vs dalga hızlarına göre hesaplanan zemin dinamik elastik parametreleri .....35 Tablo 3.2 NEHRP' ye göre zemin sınıflama kriteri ..................................................................36 Tablo 6.1 Çok katlı betonarme binaların rijitlik gruplarına göre tanımları ve doğal periyod formülünde kullanılacak c katsayıları .......................................................................................41 Tablo 6.2 Birleştirilmiş zemin sınıflaması ................................................................................42 Tablo 6.3 Kayma dalgası hızından elde edilen sıvılaşma emniyet faktörü ...............................44 Tablo 6.4 Zemin sıvılaşması değerlendirme aşamaları .............................................................46

RESİMLERİN LİSTESİ

RESİMLERİN LİSTESİ

Sayfa No

Resim 2.1 Sismik yükleme koşulları altında zemin-yapı yenilme şekilleri ..............................16

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler-Kısaltmalar

Açıklama

° ASTM at B BSI CPT CRR CSR c cm. cm2 Df DIN Fa G Genb ISO ISRM JMO kg. kg/cm2 km. m. m/sn. mm. NEHRP Nt ÖA qu rd Sc Si SPT TMMOB TSE UA USA USCS vb. vd. VST/Vs z

Derece Amerikan Test ve Materyalleri Topluluğu Sıvılaşma Oluşturabilecek Yatay Eşik İvme Temel Genişliği İngiliz Standartları Enstitüsü Konik Penetrasyon Testi Tekrarlı Gerilme Direnç Oranı Depremde Etkiyen Çevrimli Kayma Gerilmesi Oranı Kohezyon Santimetre Santimetrekare Temel Derinliği Alman Standartlar Enstitüsü Eşik İvme Kriterinde Emniyet Faktörü Sıvılaşabilir Katmanın Esneklik Kesme Direnci Esneklik Kesme Direnci Uluslararası Standartlar Örgütü Uluslararası Kaya Mekaniği Derneği Jeoloji Mühendisleri Odası Kilogram Kilogram/Santimetrekare Kilometre Metre Metre/Saniye Milimetre Ulusal Deprem Tehlikesi Azaltma Programı Eşik Kesme Biçim Değiştirmesi Önemli Alan Taşıma Gücü Yerin Sıvılaşmaya Karşı Direncini Azaltma Faktörü Konsolidasyon Oturması Ani Oturma Standart Penetrasyon Deneyi Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği Türk Standardları Enstitüsü Uygun Alanlar Amerika Birleşik Devletleri Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemi Ve Benzeri, Ve Buna Benzer Ve Diğerleri, Ve Devamı Kayma Dalga Hızı Sıvılaşabilir Katmanın Yüzeyden Derinliği

1. GİRİŞ Arazide uygulanan çalışmalarla yerel zemin koşullarını ortaya çıkarmak ve zemin parametrelerini belirlemek, depreme dayanıklı yapıların tasarımı ve kentsel planlama için vazgeçilmez bir unsurdur. Sismik açıdan yerel zemin koşullarının karakterizasyonu, yerel zemin koşullarının, dinamik zemin parametrelerinin ve özellikle zemin sınıflaması için birçok kodlar tarafından kullanılan kayma dalgası hızının bilgisini gerektirmektedir. Zemin koşullarının karakterizasyonu için jeolojik, jeofizik ve jeoteknik çalışmaların doğru ve tam olarak yapılması gerekmektedir. Sıvılaşma, deprem sırasında zemin hasarlarına neden olan en önemli faktörlerden biridir. Sıvılaşma; suya doygun kumlu, siltli zeminlerin deprem tarafından üretilen tekrarlı dinamik gerilmelerin etkisiyle, suyla birlikte viskoz bir sıvı gibi yüzeye doğru yükselmesi olayıdır. Hem arazi hem de laboratuvar koşullarında yapılan çalışmalar, temiz kumlar, kumlu zeminler ve plastik özellik göstermeyen siltli zeminlerin sıvılaşabilir özellikte olduğunu göstermiştir. Sismik kökenli yer sarsıntısının özellikle insan yapıları üzerindeki yıkıcı etkisi, daima en önemli deprem etkisi olarak kabul edilmiştir. Dolgu alanlarında sıvılaşma ile meydana gelen deprem hasarları da uzun yıllar doğrudan yer sarsıntılarının neden olduğu hasarlar arasında görülmüş ve yorumlanmıştır. Oysa sıvılaşma sonucu hasar oluşumu farklı bir yöntemle gelişmekte olup, sismik yer sarsıntıları bu olayı tetikleyen faktörlerden biri olarak etkili olmaktadır. Sıvılaşma olayının insan hayatına ve ekonomiye olan olumsuz etkilerinden dolayı bu konuda yapılan araştırmalar günden güne artmakta ve gittikçe önem kazanmaktadır. Kumsiltli kum gibi zeminler içeren tabakaların, bir deprem esnasında sıvılaşma potansiyelini saptayabilmek amacıyla arazi ve laboratuvar çalışmalarından elde edilebilen zemin ve sismik parametrelerin bir arada kullanıldığı çeşitli kriterler ve deneysel formüller mevcuttur. Özellikle birinci derecede deprem kuşağı içerisinde yer alan bölgelerde ve tabii ki kıyı bölgelerde, sıvılaşma olayı büyük önem taşımakta olup, bu tür bölgelerde gerçekleştirilecek yapılaşmalarda zemin etüt raporlarının hazırlanması sırasında sıvılaşma riskinin belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu akademik çalışmada yer alan tüm bilgiler, zamana, şartlara ve diğer etmenlere bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Burada önemli olan, teknolojiyi ve bilimi takip ederek çağımıza uygun mühendislik çözümleri bulmak ve bu çözümleri en uygun şekilde ve zamanda uygulamak ve uygulatabilmektir. 1

2. ZEMİN SIVILAŞMASI İLE İLGİLİ GENEL BİLGİLER Zemin sıvılaşması ile ilgili genel bilgiler aşağıda kısaca verilmiştir. Buradaki temel amaç, zemin sıvılaşması ile ilgili bu tür genel bilgilerin ihtiyaca yönelik olarak kullanılabilmesidir. Bu akademik bilgiler; zamana, doğal şartlara, jeolojik ortama, zemine ve diğer etmenlere bağlı olarak değişebilmektedir. Depremlerde, arazi zemin tabakalarında sıvılaşma durumunun ortaya çıkması, arazi üzerindeki yapılarda (yeryüzü) ve gömülü yapılarda (yeraltı) önemli hasarlara yol açabilmektedir. Bu nedenle, jeoteknik/geoteknik deprem mühendisliğinde zeminlerde sıvılaşma durumunun ortaya çıkmasına neden olan faktörlerin ve sıvılaşma tehlikesinin belirlenebilmesi ve olası zararlı etkilerinin tahmin edilebilmesi önemli araştırma konuları arasında yer almaktadır. Bu akademik çalışmada, zeminlerin sıvılaşabilirliği, konu ile ilgili laboratuvar ve arazi deneyleri, sıvılaşma analizleri ve sıvılaşmanın olası etkileri, sıvılaşmanın nasıl önlenebileceği ve sıvılaşmanın zarar verebileceği ortamların nasıl daha uygun bir hale getirilebileceği hakkında kısa bilgiler sunulması amaçlanmıştır. 2.1 Zemin Sıvılaşması Nedir? Zeminin boşluk suyu basıncındaki artışa paralel kayma mukavemetindeki ve rijitliğindeki ciddi düşüş zemin sıvılaşmasının en genel tanımı olarak kabul edilebilir. Genel olarak zemin sıvılaşması, yük uygulanması sırasında zeminde aşırı boşluk suyu basıncı üretilmesi nedeniyle zeminin kesme mukavemetinde meydana gelen ani düşme olarak tanımlanabilir (Castro ve ark., 1982). Terzaghi (1925)’e göre “Sıvılaşma, suya doygun zeminin çökmesi sırasında zemini oluşturan katı parçacıkların ağırlığının zemini çevreleyen suya aktarılması durumunda meydana gelebilir. Bu olay sonucunda zeminin herhangi bir derinliğinde hidrostatik su basıncı yükselerek, büyüklüğü suya batan zeminin birim ağırlığına yaklaşır” (Castro, 1969). Zemin

sıvılaşması,

yeraltı

su