Yüksek modüllü kolonlarla iyileştirilmiş sıvılaşabilir zeminlerin davranışının incelenmesi
Investigation of behavior of liquefiable soils improved with high moodulus columns
Yazar: SELÇUK DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. PELİN ÖZENER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sismik hasar potansiyelinin çok yüksek olduğu sıvılaşabilir zeminlerin davranışı geoteknik deprem mühendisliğinin önemli konuları arasında yer almaktadır. Sıvılaşabilir zeminler üzerinde yer alan yapılar, depremler esnasında meydana gelen aşırı zemin deformasyonları nedeniyle ciddi şekilde hasar görebilmektedirler. Dolayısıyla, üst yapıda meydana gelebilecek hasarların azaltılması için sıvılaşabilir zeminlerin iyileştirilmesi ve üst yapının desteklenmesi gerekmektedir. Bu tür bir iyileştirme, zemin içerisine yüksek modüllü kolonların (YMK) oluşturulması ile yapılabilmektedir. Yapılan bu iyileştirme ile zeminde yüksek rijitliğe sahip kolonlar oluşturulmakta ve zeminin genel olarak rijitliği artırılarak zeminin sismik etkiler altında daha az deformasyon yapması ve sismik etkilere daha az maruz kalması hedeflenmektedir. Genel olarak sıvılaşabilir bir zemin karmaşık bir davranışa sahiptir ve içerisine YMK'larla yapılan zemin iyileştirmesi ile beraber daha da karmaşık bir davranış sergilemektedir. Dolayısıyla karmaşık bir davranış sergileyen sismik etkiler altındaki yüksek modüllü kolonlarla iyileştirilmiş sıvılaşabilir bir zeminin davranışının iyi bir şekilde ortaya çıkartılması ve belirlenmesi gerekmektedir. 
Bu tez çalışmasında, sismik etkiler altındaki YMK'larla iyileştirilmiş sıvılaşabilir bir zeminin davranışı sayısal analizlerle incelenmiş ve zeminin iyileştirme öncesindeki durumu ile bir karşılaştırılması yapılarak meydana gelen davranış değişiklikleri incelenmiştir. Bu amaçla, literatürde yer alan ve YMK'larla iyileştirilmiş bir zemin profiline sahip bir seri santrifüj deneyi sayısal olarak modellenmiş ve sayısal analiz sonuçları deneylerden elde edilen sonuçlarla doğrulanmıştır. Sayısal modellemeler, iki boyutlu ve üç boyutlu ortamlarda farklı programlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda gözlemlenen davranışlar detaylı olarak farklı başlıklar altında tartışılmış ve literatürde önceki çalışmalardan elde edilen bulgular ile karşılaştırılmıştır. Son olarak, hipotetik bir sıvılaşabilir zemin profili oluşturularak parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Parametrik analizlerde, farklı alan yer değiştirme oranları, farklı kayma modülü oranları, farklı iyileştirme derinlikleri, farklı girdi deprem hareketi büyüklüğü gibi etkenler dikkate alınmış ve bu koşullar altındaki YMK'ların sıvılaşabilir zeminler içerisindeki davranışı incelenmiştir.
Sayısal analizler sonucunda, iyileştirilmiş bir zemindeki YMK ile çevre zemin arasında kayma şekil değiştirmesi uyumluluğunun bulunmadığı ve çevre zeminde meydana gelecek kayma gerilmesi azaltmalarının, kayma şekil değiştirmesi uyumluluğu varsayımıyla tahmin edilen değerlerden çok daha az olduğu görülmüştür. Ayrıca, gevşek sıvılaşabilir zemin içerisinde oluşturulan YMK'lar, zemin profili içerisinde genel olarak rijitliği arttırması sebebiyle zemin yüzeyinde PGA değerlerinin artmasına dolayısıyla zemin yüzeyine daha fazla ivmelerin etki etmesi ile sismik deformasyonların artışına neden olduğu görülmüştür. YMK'lar, zemin deformasyonlarını önemli ölçüde azaltmamakla birlikte, temellerin altındaki sismik etkilerin varlığını da artırabilmektedir. Bu nedenle, YMK'larla çevre zemindeki kayma gerilmelerinin azaltması bakımından kohezyonsuz zeminlerde birincil iyileştirilme mekanizması olarak düşünülmemesi gerekmektedir.  Dolayısıyla tasarımda YMK'lar, çevre zemindeki sismik kayma gerilmelerini azaltma mekanizması bakımından büyük bir dikkat ve anlayış ile kullanılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. 
Bu tez, sıvılaşabilir bir profile sahip zemin içerisinde oluşturulan YMK'ların sismik etkiler altındaki davranışını detaylı bir şekilde ortaya koymayı ve YMK'ların temel iyileştirme mekanizması açısından anlayışımızı geliştirmeyi amaçlayan kapsamlı bir sayısal analiz çıktısı sunmaktadır. Sayısal analiz sonuçları, YMK'lar ile iyileştirilecek sıvılaşabilir bölgede o sahaya özgü saha tepki analizlerinin yapılması gerektiğini ve gerekli hassaslık analizlerinin yapılarak kompozit sistem performansının ortaya konulmasının önemine işaret etmektedir. Bununla birlikte, çeşitli zemin, yapı ve girdi deprem hareketi özelliklerinin dikkate alındığı ek fiziksel ve sayısal modellemeler yapılarak sıvılaşabilir bir zeminde yer alan YMK'ların davranışının daha detaylı olarak incelenmesi ve gerçek saha performanslarından alınacak deneyimlerin değerlendirilmesi gerekmektedir.

Abstract:
The behavior of liquefiable soils where the seismic damage potential is very high is among the important issues of geotechnical earthquake engineering. The structures located on the liquefiable soils can be severely damaged due to excessive ground deformations during earthquakes. Therefore, in order to reduce the damage that may occur in the superstructure, it is necessary to improve the liquefiable soils and to support the superstructure. Such an improvement can be made in the soil by forming high modulus columns (HMC). With this improvement, high rigidity columns are formed in the soil and the overall stiffness of the soil is increased, so it is aimed that the soil is less deformed and less exposed to seismic effects under seismic loadings. In general, a liquefiable soil has a complex behavior and it exhibits more complex behavior with ground improvement by forming HMCs. Therefore, a good interpretation and evaluation of this complex behavior will cause a more precise determination of the performance of a liquefiable soil improved by high modulus columns under seismic effects.
In this study, the behavior of a liquefiable soil improved with HMCs under seismic effects was investigated with numerical analysis and the response of liquefiable soil was investigated by comparing with the unimproved condition. For this purpose, a series of centrifugal experiments in the literature, which have an improved soil profile with HMCs, were numerically modelled and the results of the numerical analysis were validated by the results obtained from the experiments. Numerical modeling was carried out in two-dimensional and three-dimensional conditions by using different numerical programs. The behaviors observed from the analysis results were discussed under detailed headings and compared with the findings obtained from the previous studies in the literature. Finally, parametrical analyses were performed by creating a hypothetical liquefiable soil profile. In parametric analyses, factors such as different area displacement ratios, different shear modulus ratios, different slenderness ratios, different input motion amplitudes were taken into consideration and the behavior of HMC under these conditions in liquefiable soils was examined.
As a result of the numerical analysis, it is found that in an improved soil profile, no shear strain compatibility between the HMC and the surrounding soil is seen to take place and the seismic shear stress reduction that will occur in the surrounding soil is much more less than the predicted by the assumption of shear strain compatibility. In addition, HMCs formed in loose liquefiable soils caused an increase in PGA values at the ground surface due to the general stiffness increase in the soil profile. As a result, it is recommended that the shear reinforcement mechanism of the HMCs should not be considered as a primary improvement mechanism in cohesionless soils with regard to shear stress reduction. Therefore, it is concluded that, in design, HMCs should be used with great attention and understanding in terms of shear stress reinforcing mechanism in the surrounding soil. 
This thesis presents a comprehensive numerical analysis output that aims to elaborate the behavior of HMCs under seismic effects formed in a ground having a liquefiable profile in detail and to improve our understanding of the basic reinforcing mechanism of HMCs. The results of numerical analysis indicate that specific site response analyses should be performed in the liquefaction zone that is improved with HMCs and the performance of composite system should be investigated by performing necessary sensitivity analyses. In summary, the overall evaluation of the finite element analysis results obtained in this thesis call into questioning the assumption of shear strain compatibility by analyzing the response of a liquefiable soil improved with HMC. It should be pointed out that, the behavior of HMCs in a liquefiable soil needs to be examined in more detail by performing additional physical and numerical models considering various soil and structure under different input earthquake motion characteristics. The mechanism of liquefiable soils improved with high modulus columns calls for more experimental and field data from case histories.