Sıvılaşma potansiyeli ve sıvılaşmaya bağlı oturmaların nümerik analiz ile incelenmesi
Assessment of liquefaction potential and liquefaction based settlements with numerical analysis
Yazar: SARPER DOĞA ÖNGEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Deprem = Earthquake ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Yer hareketleri = Ground motions ; Zemin sıvılaşması = Soil liquefaction

Özet:
Yerkabuğu içindeki kırılmalar, volkanik faaliyetler ve toprak kaymaları gibi aniden ortaya çıkan titreşimler, deprem dalgaları oluşturarak yer hareketlerine sebep olmaktadır. Depremlere bağlı mühendislik yapılarında oluşabilecek hasarların ve stabilite kayıplarının azaltılarak önüne geçilebilmesi için bölgenin depremselliğinin araştırılması, deprem etkisi altındaki zeminin davranışının ve yapılara olan etkisinin incelenmesi gerekmektedir. Geçmişten günümüze gerçekleşen büyük etkili depremlere bağlı zeminde gerçekleşen sıvılaşmanın yapılar üzerindeki yadsınamaz etkileri görülmüş ve deprem davranışları üzerinde çeşitli araştırmalar yapılmıştır. Bu tez kapsamında sıvılaşma potansiyelinin irdelenmesi ve sıvılaşma neticesinde ortaya çıkabilecek deformasyonlar incelenmiştir.
Bu çalışma kapsamında, geoteknik literatürde verilen deprem tanımı, deprem dalgalarının çeşitleri ve özellikleri, deprem şiddeti ve deprem büyüklüğü kavramlarının tanımları, yer hareketi parametreleri için önemli olan mevcut kavramlar, dalga yayılım davranışının tanımı, zeminin dinamik özelliklerinin tanımları ve elde edilmeleri için geoteknik literatürde verilen yaklaşık yöntemler yer almaktadır. Sıvılaşma ana başlığı altında sıvılaşmanın tanımı, sıvılaşma mekanizması için literatürde verilen açıklamalar, sıvılaşma türleri, sıvılaşmaya etki eden faktörler, sıvılaşma analiz yöntemleri, sıvılaşmanın zeminde meydana getirdiği etkiler ile ilgili mevcut bilgiler verilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemleri ile birlikte sıvılaşma davranışının modellenmesi için kullanılan Mohr Coulomb (MC), Hardening Soil (HS), küçük şekil değiştirmeler ile pekleşen zemin (HSSmall) ve PM4SAND malzeme modellerinin tanımları, çalışma biçimleri, girdi parametrelerinin çeşitlilikleri de bu çalışma özelinde yer almaktadır. Ek olarak sahaya özel bir sıvılaşma değerlendirmesi sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak PM4SAND zemin modeli ile gerçekleştirilmiş, gerekli tüm doğrulama, modelleme ve geoteknik hesap prosedürleri detaylandırılarak açıklanmıştır. Değişiklik gösterecek girdiler belirlenmiş ve nümerik çalışmalar ile sonuçlarda meydana gelen farklılıklar irdelenmiş ve yorumlanmıştır.
Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar ve literatürde yer alan incelemeler göz önünde bulundurularak, PM4SAND zemin modelinin birinclil parametrelerinden biri olan büzülme oranı (hp0) doğrulamasının hatalara sebebiyet verebilecek derecede hassas olduğu anlaşılmaktadır. Ek olarak sıvılaşmaya etki eden faktörlerden biri olan yapı yüklerinin değişimi dolayısıyla zeminde kayma direncinde meydana gelen farklılıklar incelenerek özellikle sıkışabilir tabakalar arasında kalan sıvılaşabilir tabakaların sıvılaşma potansiyelinin yapı yükü ve temel boyutu ile önemli ölçüde değiştiği görülmektedir. Üst yapı gerilmesinin etki alanı dışındaki sıvılaşma potansiyeli serbest saha analizleri ile benzerdir. Bu doğrultuda yapı yüklerinin sıvılaşmaya olumlu katkılarının sadece etki alanları çerçevesinde olduğu görülmektedir. Yapılan nümerik analizlerde, zemin modellerinde ara kum bantlarının kullanılması durumunda kum tabakalarının sıvılaşma potansiyelinin daha düşük olduğu fark edilmiştir. Ek olarak gerçekleştirilen dinamik analizler neticesinde deprem sonrası görülen düşey deplasman değerlerinin sıvılaşan kum tabakasının kalınlığı ile doğru orantılı olduğu ve sıvılaşma potansiyelinin artışı ile birlikte yükselebileceği doğrulanmıştır.

Abstract:
Sudden vibrations such as fractures in the earth's crust, volcanic activities and landslides cause ground movements by creating earthquake. In order to prevent the damages and stability losses that may occur in engineering structures due to earthquakes, the seismicity of the region should be investigated, the behavior of the ground under the influence of earthquakes and its effect on the structures should be examined. The undeniable effects of liquefaction in the ground due to large-scale earthquakes from past to present have been observed on the structures, and various studies have been carried out on earthquake behaviour. In this thesis, liquefaction potential and liquefaction-based deformations depending on parametric variables with numerical analysis are assessed.
In this thesis, the definition of earthquake given in the geotechnical literature under the main title of earthquake, the types and properties of earthquake waves, the definitions of the concepts of earthquake intensity and earthquake magnitude, the existing concepts that are important for ground motion parameters, the definition of wave propagation behavior, the definitions of dynamic properties of the soil and the approximate methods given in the geotechnical literature for their obtaining are included. The definition of liquefaction,  the mechanism of liquefaction, types of liquefaction, factors affecting liquefaction, liquefaction analysis methods, and current information about the effects of liquefaction are given. Definitions, technical backgrounds, variety of input parameters of mohr coulomb (MC), hardening soil (HS), hardening soil with small-strain stiffness (HSSmall) and PM4SAND material models, which are used for modeling liquefaction behavior together with finite element methods is also included in this study. In addition, a site-specific liquefaction assessment was carried out with the PM4SAND soil model using the finite element method, and all necessary calibration, modeling and geotechnical calculation procedures are explained in detail. As a result of the numerical study, the inputs that will change were determined and the differences that occurred with these changes were examined and interpreted.
Considering the studies carried out in this thesis and the studies in the literature, it is understood that the contraction rate (hp0) calibration for the PM4SAND soil model is sensitive and can cause errors. In addition, by examining the differences in the shear resistance of the soil due to the change in structural loads, which is one of the factors affecting liquefaction, it is seen that the liquefaction potential of the liquefiable layers, especially between the compressible layers, changes significantly with the structural load and foundation size. The liquefaction potential outside the effect area of the structural loads is similar to the free field analysis. Accordingly, positive contribution of the structural loads are observed on the liquefaction of the soil layers . In the numerical analysis, it was noticed that the liquefaction potential of the sand layers was lower when sand layers existed between soil layers in the soil models. In addition, as a result of the dynamic analyzes carried out, it has been confirmed that the vertical displacement values observed after the earthquake are directly proportional to the thickness of the liquefied sand layer and can increase with the increase of the liquefaction potential.