Zemin sıvılaşmasına karşı optimum taş kolon tasarımının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
Modelling of the optimum stone column design to protect against soil liquefaction using finite element method
Yazar: LEVENT SELÇUK
Danışman: PROF. DR. KAMİL KAYABALI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Zemin iyileştirme = Soil improvement

Özet:
Deprem sırasında meydana gelen hasarların önemli bir kısmı zemin sıvılaşmasından kaynaklanmaktadır. Sıvılaşma kaynaklı hasarları önlemede en etkin çözüm vibro sistemlerle (Vibro-Kompaksiyon, Vibro-yerdeğiştirme) inşa edilen taş kolon yöntemidir. Vibro sistemlerle zemine uygulanan taş kolon çalışmalarında, zeminin hem drenaj kapasitesi hem de rölatif sıkılığı arttırılmaktadır. Böylelikle dinamik yükler altında gelişen aşırı boşluk suyu basıncı (ABSB) azalmakta ve sıvılaşma kaynaklı hasarlar minimize edilmektedir.Taş kolon sistemlerinin deprem sırasındaki davranışları, tekrarlı yüklerle gelişen ABSB'nın incelenmesine dayanır. Önceki çalışmalarda deprem sırasında gelişen ABSB'nın dren sistemleri ile sönümlenmesi araştırılmıştır. Ancak, taş kolon çalışmalarında, zeminin vibro teknikler etkisiyle sıkılaştırılması söz konusudur. Bu sıkılaştırılma miktarı, oluşturulan kolonlara yakın mesafelerde etkili olmakla birlikte, taş kolonun etki mesafesi boyunca azalmaktadır. Zeminde yaratılan bu rölatif sıkılık farklılıkları, deprem sırasında gelişen ve sönümlenen ABSB'nı etkilemektedir.Bu çalışmada, sıvılaşmaya duyarlı kum zeminlerde iyileştirme yöntemi olarak uygulanan taş kolonların optimum çap ve açıklıklarının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi amaçlanmıştır. Bunun için drenajsız koşullarda, zemini tanımlayan modelin her bir düğüm noktasında gelişen boşluk suyu basınç oranı (BSBO), depremin çevrim oranına bağlı olarak belirlenmiştir. BSBO'nın 1,0 değerine eşit olması zeminin uygulanan deprem yükünde sıvılaşmaya uğraması anlamına gelir. Bu kontrol yapıldıktan sonra model içine taş kolonlar yerleştirilmiştir. Taş kolonlar yüksek geçirgenliklerinden dolayı deprem sırasında gelişen ABSB'nı sönümlemektedirler. Deprem yüklerinin uygulanması sırasında, taş kolonların çap ve mesafelerinin değiştirilmesi suretiyle, BSBO belli bir eşik değerin altına düşürülerek, uygun tasarım koşullarını sağlayan bir program oluşturulmuştur.Analizlerde, kolonlar arası mesafenin artmasına bağlı olarak, BSBO'nın da arttığı belirlenmiştir. Düşük hidrolik iletkenlik değerlerinde BSBO yüksek değerler sunarken, hidrolik iletkenliğin arttırılmasına bağlı olarak söz konusu değerlerin azaldığı görülmüştür. Elde edilen bu sonuçlar modelin hazırlanmasında kullanılan teorik ve sayısal yaklaşımlar ile uyumlu değerler vermiştir. Diğer taraftan, zeminin rölatif sıkılığının artmasına bağlı olarak kolonların etki yarıçapında BSBO değerleri, sıkılaştırma etkisi olmayan bir dren sistemine göre daha düşük sonuçlar vermiştir. Ayrıca, model yaklaşım taş kolonların zeminde yarattığı sıkılaştırma miktarını önceden dikkate aldığı için gerçeğe yakın, güvenli ve ekonomik tasarımların yapılabilirliği ortaya konmuştur.

Abstract:
Soil liquefaction is one of the leading causes of earthquake-induced damage to structures. Several ground improvement techniques can minimize liquefaction. One of these techniques is the construction of stone columns using vibro-compaction. The construction of stone columns not only enhances the ability of clean sand to drain excess pore water during an earthquake, but also increases the relative density of the soil. Thus, this application prevents the development of the excess pore water pressure (EPWP) in sand during earthquakes and keeps the pore pressure ratio below a certain value.The seismic performance of vibro-stone columns during an earthquake is evaluated by examining the generation and dissipation of EPWP in soil. The dissipation of EPWP in sand deposits with drain systems was investigated by different researchers. Nevertheless, vibro techniques help soils densify in the horizontal direction through artificial tremors. This densification effect, which is expected to reduce the development of EPWP during an earthquake, is very high adjacent to the column and decreases with the distance away from the column.This investigation develops a computer model that is capable of determining the optimum radius and spacing of stone columns using the finite element method. For this, the pore water pressure ratio in all nodal points of the model which defines the soil is determined by the cyclic ratio of an earthquake in undrained conditions. Pore water pressure ratio equal to 1.0 indicates the initial liquefaction in soil. After this control is built in the computer model, stone columns are placed for drain contitions. Stone columns due to high permeability dissipate the excess pore water pressure.The model developed in this investigation yields reasonably good results. In fact, the pore pressure ratio (i.e., ru) increases as the radial distance from the stone column increases. It reaches the maximum value when the radial distance equals the radius of influence of the stone column (i.e., ri). The ru values obtained while considering the densification effects are lower than those obtained using the ?drainage-only? conditions. The efficiency of present-day stone column applications is usually determined by comparing SPT and CPT data before and after the stone column is introduced by employing certain numerical approaches to the densification and drainage properties of cohesionless soils. The model includes these numerical approaches that take into account the densification and drainage effect of a vibro-replaced stone column. Thus, the proposed model proves to yield a more economical and safe design for vibro-stone column applications.