Kayseri civarındaki turba zeminlerin jeomekanik karakteristiklerinin ve dinamik davranışlarının arazi, laboratuvar ve sayısal modelleme teknikleriyle araştırılması
Investigation of the geomechanical characteristics and the dynamic behaviors of peaty soils in the vicinity of Kayseri̇ using field, laboratory and numerical modelling techniques
Yazar: NAZLI TUNAR ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. REŞAT ULUSAY ; DOÇ. DR. NİHAT SİNAN IŞIK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uygulamalı Jeoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Turba; nemli ve ılık veya soğuk iklim koşullarında, oksijensiz sulak alanlarda bitki artıklarının depolanmasıyla oluşan, yüksek organik madde içeriğine sahip bir zemin türüdür. İleri derecede sıkışabilen, oldukça yüksek su içeriği ve geçirimliliğe sahip olan turbalar, başlıca oturma, şev duraysızlığı ve zemin büyütmesi gibi önemli mühendislik sorunlarının gelişmesine neden olabildiklerinden dolayı mühendislik yapıları için genellikle uygun temel zeminleri değillerdir. Kanada, Rusya, Malezya ve Endonezya gibi ülkelerdeki kadar yaygın olmasa da, ülkemizde de turba oluşumları bulunmakta olup, en tipik turbalık alanlardan biri üzerinde sanayi tesislerinin de kurulu olduğu Kayseri girişindeki Ambarköy ve civarıdır. Kayseri'de sanayi bölgelerinin bu zemin üzerinde hızlı bir gelişme göstermesi, kente yakın konumlu deprem üretebilecek aktif fayların varlığı ve ülkemizde turbaların jeomekanik özellikleri ve dinamik davranışlarıyla ilgili çalışmaların çok sınırlı olması gibi hususlar dikkate alınarak, bu tez çalışmasında; Kayseri Serbest Bölge'de zemini oluşturan turbaların mineralojik, fiziksel ve indeks özellikleriyle birlikte makaslama dayanımlarının belirlenmesi, konsolidasyon ve oturma karakteristiklerinin araştırılması, arazide gerçekleşecek oturma miktarının tahminine yönelik bir yaklaşımın önerilmesi, dinamik davranışının analiz edilmesi ve sismik yer tepkisinin belirlenerek mevut tasarım spektrumlarıyla karşılaştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçlar doğrultusunda; inceleme alanında sondaj ve örnekleme çalışmaları yapılmış, jeofizik ölçümlerle turba zeminin kalınlığı ve makaslama dalgası hızları belirlenmiş, turbanın laboratuvar deneyleriyle jeomekanik ve dinamik özellikleri tayin edilmiş, arazide inşa edilen bir gözlem dolgusunda uzun süreli oturma ölçümleri alınmış, geriye dönük oturma analizleri gerçekleştirilmiş ve turbaların sismik yer tepkisinin belirlenmesi için dinamik analizler yapılmıştır. Deney sonuçları, incelenen turbaların jeomekanik özellikleri açısından Dünya literatüründe verilen değişim aralıklarıyla genel olarak uyumlu, bununla birlikte söz konusu aralıkların alt sınırlarına daha yakın olduğunu göstermiştir. Yüzeye yakın derinliklerdeki kalın lifler içeren turbalar liflerin makaslama kuvvetine karşı gösterdiği direnç nedeniyle yüksek makaslama dayanımı parametrelerine sahipken, daha derindeki ince lifli ve amorf turbaların dayanımlarının ise daha düşük olduğu belirlenmiştir. İncelenen turba zeminlerin sıkışma sürecinin birincil ve ikincil konsolidasyon ile üçüncül sıkışma olmak üzere üç aşamada gerçekleştiği gözlenmiştir. İncelenen turbalar, birincil konsolidasyon sürecini 54 kPa'dan düşük normal gerilmeler altında 1 dakikadan daha kısa sürede tamamlamakta ve ikincil sıkışma indisleri ise zamanla doğrusal olmayan şekilde artmaktadır. Arazideki gyözlem dolgusundaki oturma miktarını kestirebilmek için bazı konsolidasyon parametrelerinin farklı bir yaklaşımla tekrar değerlendirilip kullanılmasıyla yapılan geriye dönük analizlerden hesaplanan zamana bağlı oturma miktarları ile arazide ölçülen oturma miktarlarının uyumlu olduğu belirlenmiştir. Dolayısıyla inceleme alanındaki turbalar ile buna benzer özelliklere sahip turba zeminlere ilişkin oturma analizlerinde, konsolidasyon parametrelerinin bu çalışmada önerildiği gibi kullanılması halinde arazide gerçekleşebilecek oturma miktarları daha sağlıklı olarak tahmin edilebilecektir. İncelenen turbaların modül azalım ilişkisi dikkate alındığında, bu turbaların plastisite indeksi PI=0 olan zeminlere kısmen benzer şekilde davrandığı anlaşılmaktadır. Turba zeminlerin sismik yer tepki analizleri sonucunda elde edilen tepki spektrumlarının Türkiye Deprem Yönetmeliği ve Avrupa Yapısal Tasarım Standartları Yönetmeliği tarafından önerilen spektrumlarla uyumlu olmadığını ve onları aştığı anlaşılmıştır. Bu bulgu, incelenen turba zeminlerin, düşük periyotlarda deprem dalgalarını sönümleyeceğini, ancak 0.3-0.5 saniyeden daha büyük periyotlarda büyüteceğini göstermektedir.

Abstract:
Peat is a soil type, having high organic material content, consists of decomposed remains of vegetation, which have accumulated in waterlogged areas under moist and warm or cold climatic conditions. Peats, which have high compressibility, considerably high water content and high permeability, are often unsuitable for supporting structures of any kind due to the facts that they mainly cause settlement, slope instability and soil amplification. When compared to those in Canada, Russia, Malaysia and Indonesia, although they  are not common,  there are also some peat formations in our country and among them  one of the most typical formations is at Ambarköy and its vicinity at the entrance of Kayseri where industrial structures have also been built.  By considering the fast development of industrial zones on peaty soils in Kayseri, the presence of active faults, which are very close to Kayseri and can cause earthquakes, and the limited studies on the geomechanical and dynamic properties of peats in Turkey, in this PhD thesis, it was aimed to determine the mineralogical, physical and index properties with shear strength of the peaty soils in the Kayseri Free Zone, to investigate their consolidation and settlement characteristics, to develop an approach for the estimation of in-situ settlement in peats, to analyse their dynamic behaviour and to determine their seismic site response spectra and to compare them with the design spectra suggested by current seismic codes. For these purposes; boreholes were drilled and sampling study was conducted, the thickness of the peaty soil and its shear wave velocity were determined with the aid of seismic measurements, geomechanical and dynamic properties of the peat samples were determined in laboratory, long-term settlements were measured from a externally loaded concrete platform, which was constructed in the study site, and dynamic analyses were conducted to determine the seismic site response spectra of the investigated peat. The test results indicated that in terms of their geomechanical properties, the peats investigated are generally consistent with those reported in the literature, however, they are closer to the lower bounds of the reported ranges. It was determined that the peats, which include thick fibres and locate near to the ground surface, have high shear strength parameters due to the resistance of the fibres against shearing force, while the peats including thinly fibres and amorphous peats have lower shear strength. It was observed that the compression process of the investigated peats realized in three stages, namely primary and secondary consolidation and tertiary compression. These peats complete their primary consolidation shorter than 1 minute under normal stresses smaller than 54 kPa and their secondary compression indices increase in a non-linear trend. The amounts of settlement calculated for the estimation of the settlement beneath the concrete platform in the field from the back-analyses, which were based on the rearrangement of the consolidations parameters, showed a good agreement with those measured in the field.  Therefore, in the settlement analyses for these kinds of soil, the amount of settlement in the field can be more precisely estimated if the consolidation characteristics of the soil are employed as suggested in this study. When the modulus reduction behaviour of the investigated peats are taken into consideration, it can be concluded that their behaviour is partly similar to those of the soils with a plasticity index of PI=0. Site response analyses showed that the seismic site response spectra obtained for the investigated peat are not consistent with those recommended by the Turkish Seismic Codes and European Structural Design Standards and exceed them. This finding indicates that at low periods the investigated peats will attenuate the earthquake waves, but at the periods greater than 0.3-0.5 second they will cause an increase in soil amplification.