Sismik sıvılaşma deney numuneleri için otomatik huni tasarımı ve deney sonuçlarına etkisi
Development of automatic funnel system for cyclic simple shear tests on sandy soils
Yazar: ŞENAY YENİGÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA ECE BAYAT ; DOÇ. DR. MEHMET MURAT MONKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Direkt kesme = Direct shear ; Killi zeminler = Clay soils ; Kohezyonlu zemin = Cohesive soil ; Kumlu zeminler = Sand soil ; Toprak zemin = Soil ; Zemin sıvılaşması = Soil liquefaction ; İnce daneli zemin = Fine grained soil

Özet:
Sıvılaşma, geoteknik deprem mühendisliğinde üzerinde en çok çalışma yapılan, en merak uyandıran konuların başında gelmektedir. Kumlu zeminlerin dinamik yükler altında sıvılaşması hakkında pek çok araştırma yapılmıştır ve hala yapılmaktadır. 1964 yılında üç ay içerisinde meydana gelen Alaska Good Friday ve Japonya Niigata depremleri sonrası sıvılaşma nedeniyle meydana gelen zararlar farkedilmiş olup, geoteknik mühendislerini konuyla ilgili ciddi çalışmaları başlamıştır. Günümüze kadar dünyanın çeşitli yerlerinde çok faydalı çalışmalar yapılmış olup, konunun karmaşıklığına rağmen pek çok şey öğrenilmiştir. Bunun yanında gizemini koruyan ve kafa karıştıran sorunların çözüme kavuşması için çalışmalar devam etmektedir.
Yapılan çalışmalarda tüm sıvılaşma olaylarının en karakteristik özelliği, drenajsız yükleme şartlarında oluşan aşırı boşluk suyu basıncıdır. Kohezyonsuz zeminlerin doygun olduğu durumlarda, drenajsız şartlardaki yükleme çabuk gelişmekte ve zeminlerin sıkılaşma eğilimi aşırı boşluk suyu basıncının artmasına ve efektif gerilmenin sıfıra doğru azalmasına neden olabilmektedir ve tüm bunların sonucunda sıvılaşma olayı meydana gelmektedir. 
Geoteknik mühendisliği için bu derece önemli bir konuda araştırma ve çalışmalar gerçekleştirilirken hem hızlı hem de sonuçlarımızdan emin olarak ilerlemek büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle hem numune hazırlama aşamasında hem de deneyler gerçekleştirilirken en güvenilir ve en hızlı yöntemleri seçmek kaliteli çalışmalar için altyapı oluşturacaktır.
Bu çalışmada numunenin hazırlama yönteminden başlayarak deney sonuçlarına kadar birçok parametre (zemin döküş yüksekliği, huni çekiş hızı, CSR, göreceli sıkılık-çevrimsel kayma gerilmesi ilişkisi) ayrıntısıyla incelenmiş olup, dikkat çekici buluşlar ve sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca deney sisteminin kurulmu ve deneyin gerçekleştirilmesi aşamasında nelere dikkat etmemiz gerektiği ayrıntılı olarak açıklanmıştır. 
Araziden örselenmemiş numune alınması özellikle kumlu zeminler söz konusu olduğunda oldukça özel ve pahalı yöntemler gerektirmekte ve bu durum tercih edilmediğinden deney numuneleri laboratuvar ortamında oluşturulup doygun hale getirildikten sonra test edilebilmektedir. Deneylerin tekrarlanılabilrliği ve güvenilirliği açısından laboratuvar ortamında oluşturulan numunelerin yapılacak her deney için aynı davranışı gösterecek şekilde hazırlanması ve doygun hale getirilmesi büyük önem taşımaktadır. Oldukça zaman alan ve büyük zahmet gerektiren bu sürecin bir nebze kolaylaştırılması için kuru numunelerle deney yapmak çok avantajlı olmaktadır. Bu çalışmada tamamen kuru numunelerle deneyler yapılmış, drenajlı durumda sabit hacim kontrollü olarak tekrarlı basit kesme yüklerine maruz bırakılan numuneler için eşdeğer boşlık suyu basıncının nasıl hesaplanacağı ve sabit hacim kontrollü deney sisteminde kumların sıvılaşma davranışının kuru numunelerden belirlenmesi sabit hacim kontrollü basit kesme deney mekanizması anlatılarak açıklanmıştır. Ayrıca kuru ve doygun numunelerin deney sonuçları karşılaştırılarak temiz ve siltli kum numunelerinde kuru ve doygun durumda aynı sonuçların bulunduğu kanıtlanmıştır.
Bu tez çalışmasında numune hazırlama yöntemi olarak kuru huni yöntemi uygulanmıştır. Kuru huni yöntemi hem dinamik basit kesme hem de üç eksenli basınç deneylerinde yaygın olarak uygulanan bir numune hazırlama yöntemidir. Fakat bu numune hazırlama yöntemi uygulanırken, tecrübe eksikliği, el titremesi ve deneylerin farklı operatörler tarafından yapılması deney sonuçlarını önemli ölçüde etkiliyebilmektedir. Özellikle el titremesi huninin ekseninden kaymasına sebep olmakta, aynı zamanda huninin çekiş hızı da kontrol edilememektedir. Çalışmada tüm bu etkenlerin ne gibi sonuçlar doğurduğunun belirtilmesinin yanısıra tüm bu olumsuz durumların önüne geçecek bilgisayar kontrollü otomatik bir huni tasarlanmıştır. Huni bilgisayar kontrollü olarak 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150 saniyelerde 4 cm yukarı yükselebilmektedir. Bunun yanında numunenin farklı yüksekliklerden dökülebilmesi için her biri 35 mm yüksekliğinde 6 aparatı bulunmaktadır. Böylelikle farklı zemin döküş yüksekliği ve farklı huni çekiş hızlarında çeşitli kombinasyonlar denenmiş ve bunların göreceli sıkılık ve sıvılaşma üzerindeki etkileri açıklanmıştır. Bunun yanında manuel kuru huni yöntemiyle yapılan deneylerle otomatik yöntemle yapılan deneyler her yönden karşılaştırılarak otomatik huninin avantajları ve gerekliliği ortaya konmuştur.
Yeditepe Üniversitesi Zemin Mekaniği Laboratuvarında bulunan Geocomp marka cihazda dinamik basit kesme deneyleri uygulanmış, temiz kum ve %10 silt içerikli siltli kum numuneleri üç farklı çevrimsel kayma gerilmesi oranında (CSR=0.12, 0.1, 0.08) deneye tabi tutulmuşlardır. Numuneler 50 kPa altında konsolide edilmiş ve tüm testler için frekans değeri 0.1 Hz olarak uygulanmıştır. Yapılan deneylerle kumlu zeminlerin sıvılaşma davranışı belirlenmiştir.
Hem temiz hem de siltli kum numunelerinde sıvılaşma için gerekli çevrim sayısı ile göreceli sıkılık arasında üstel bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca çevrimsel kayma gerilmesi oranı azaldıkça sıvılaşma direncinin arttığı tespit edilmiştir. Bu durum literatürde yapılmış olan diğer çalışmalarla uyuşmaktadır. Son olarak çevrimsel direnç oranı ile göreceli sıkılık arasında temiz kum ve %10 silt içeren siltli kum için üstel bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Liquefaction is one of the most important topics in geotechnical earthquake engineering. Much research has been done and still is being done on the liquefaction of sandy soils under dynamic loads. In 1964, the Alaska Good Friday and the Niigata earthquakes in Japan, the damages caused by liquefaction were noticed and afterwards geotechnical engineers began serious work on the subject.
When sands are considered it is not possible to take undisturbed samples (except very special and expensive methods such as ground freezing), hence specimens are deposited with different techniques in the laboratory and need to be saturated before they could be tested. The mentioned specimen preparation process requires quite challenging working period, besides it is very time consuming. Mistakes, either due to lack of experince and time, that are made through specimen preparation process could affect the test results considerably. Determination of the liquefaction resistance from dry sand specimens is explained in order to simplify the mentioned challenging specimen preparation process. Fully dry specimens of clean sand and silty sand, which were deposited by dry funnel deposition, were subjected to drained constant volume cyclic simple shear loading. Calculation of equivalent excess pore pressures for dry specimens is explained based on the constant volume control mechanism of the simple shear testing.
Laboratory testing of clean, silty and/or clayey sands are still quite important for investigating dynamic soil behavior including liquefaction. Various laboratory research on geotechnical engineering requires reconsititution of sandy soil specimens in such a away that the influence of several factors including density, stress history, loading conditions, fines content, plasticity mineralogy and morphology of soil grains could be investigated in a controlled environment. Several different specimen preparation methods had been employed in the literature to reconsititute specimens in the laboratory, such as moist tamping, slurry deposition, water sedimentation and air pluviation. In addition to the mentioned methods, dry funnel deposition is also a commonly used specimen preparation technique for reconsitituting clean, silty and clayey sand specimens. Dry funnel deposition is one of the most commonly utilized specimen reconsitution methods for both triaxial and simple shear testing of sandy soils. The basic procedure of the method is simple, where the dry soil is deposited through a funnel, which is raised gently along the axis of symmetry of the specimen allowing the soil to gradually fill the space encapsulated by a split mold or stack of rings. The specimen can be saturated by CO2 flushing and de-aired water percolation. During funnel raising process, experimentalists could loose the control of the raising speed, vertical alignment or even could shake the funnel, which could influence the initial fabric and therefore the dynamic response of specimens.

In this study, an automated funnel was designed and developed for an NGI type cyclic simple shear apparatus. The funnel has acontrol unit which allows various computer controlled funnel raising speed. The funnel has six extensions, each having 35 mm length. This study investigates the influence of funnel raising speed and the height of the funnel (by using extensions) on the relative density and the cyclic liquefaction resistance of a clean and silty sand (with %10 fines content). An equation is developed showing the ralationship between the funnel raising speed and the relative density of specimens. The influence of the automatization was discussed by comparing the results of a series of cyclic simple shear tests, in which the specimens were prepared by manual and automatic dry funnel deposition techniques.
The experimental program of this study was done in the Soil Mechanics Laboratory at Civil Engineering Department of Yeditepe University. Two soils were used in the experimental program: a clean sand and a silty sand. The clean sand is named as Sile Sand 20/55 and classified as poorly graded sand (SP) in Unified Soil Classification System (USCS). The silty sand was obtained by thoroughly mixing Sile Sand 20/55 with a non-plastic silt on dry weight basis such that the resulting soil had 10% fines content. The non-plastic silt is called IZ silt. 
In order to investigate the cyclic liquefaction bahavior of sandy soils, an NGI type cyclic simple shear device was used. All specimens were consolidated to the initial vertical effective stress of 50 kPa  (i.e. 'vc=50kPa) and stress-controlled cyclic loading was applied at cyclic stress ratio (CSR= 0.12, 0.1, 0.08) with a frequency of 0.1 Hz. Liquefaction was assumed to occur when the vertical effective stress on a specimen was reduced to zero (i.e. v=50kPa).
Manual dry funnel deposition is the conventional technique, where the funnel is raised manually. In this study, a stopwatch was used during the manual deposition to record the durations of funnel raising periods in order to calculate the funnel raising speeds. Whereas, in automatic dry funnel deposition, the funnel is raised automatically with the help of a specially designed mechanism. The mechanism involves an aligment section to mount the funnel on the simple shear apparatus, a computer controlled motor, which raises the funnel along the vertical axis of specimen at a constant speed, and a control unit, which allows the experimentalist to choose the funnel raising speed depending on the type of the soil and target relative density value. The technical capacity of the motor used in the design allowed the funnel raising times of 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150 seconds for 4 cm stroke.
The typical simple shear specimens in this study have a diameter of 64 mm and height of 20 mm. The lateral confinement was provided by aligning several Teflon coated rings around a conventional latex membrane. The fabricated split mold allowed the rings to be located and aligned inside the mold body before the deposition starts. Such an approach prevented the possible disturbance of specimens during the positioning and alignment of the rings.
It was found that there is a logarithmic relationship between the funnel raising speed and relative density of the clean sand and silty sand specimens prepared either by the manual or the automatic dry funnel deposition techniques. The change of consolidated relative density of clean sand and silty sand specimens with various funnel raising speeds show that the relative density increases with the funnel raising speed.
Different number of funnel extensions were studied to see the influence the of funnel height (pouring height of the dry soil) on the relative density. It was observed that as the number of the extensions on the funnel increased, the achieved relative density also increased. This is an interesting remark which shows that the deposition process in deed starts much earlier than the initial funnel movement, perhaps as soon as the experimentalist starts to deal with the soil. In other words, before any funnel movement, the height from which the dry soil is poured into the funnel could make a difference in the fabric of resulting specimens.
Liquefaction resistance of the manual and the automatic dry funnel deposited specimens were compared. It was observed that the number of cycles to liquefaction increases with the relative density in an exponential manner, and trend curves for automatic and manual dry funnel deposited specimens coincide for both clean and silty sands.