Sıvılaşma analizi ve sıvılaşma sonucu oluşan yanal yayılma hesap yöntemlerinin karşılaştırılması
Liquefaction analysis and comparison of lateral spread calculation methods resulting from liquefaction
Yazar: MERT ALTINDİŞ
Danışman: PROF. DR. AYFER ERKEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Türkiye yer aldığı coğrafya neticesinde tarih boyunca birçok doğal afete uğramıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda etkilenen kişi sayısı ve zarara uğrayan yerleşim noktası sayıları baz alındığında ülkemizde en çok etkili olan doğal afetin deprem olduğu ortaya konmuştur.
Büyük maddi ve manevi kayıplara sebep olan deprem tehlikesine karşı güvenlik tarifi 2 başlıca maddede toplanabilir. Birinci madde potansiyel şiddetli dinamik yüklere karşı yapı güvenliği, ikinci madde ise yapı ve oturduğu zeminin deprem gibi çevrimli gerilmelerin oluşturduğu dinamik kuvvetler etkisindeki davranışıdır. Deprem sebebiyle oluşan tehlikeyi minimuma indirmek ve dinamik yükler altında yapıların güvenliğini arttırmak için suya doygun zeminlerde oluşan sıvılaşma olgusunu bilmek son derece önemlidir.
Sıvılaşma, depremin neden olduğu dinamik kuvvetlerin etkisiyle, yeraltı su seviyesinin altında yer alan gevşek özelliklere sahip, kohezyonsuz ve yeterli drenaj imkanı bulunmayan şartlardaki zeminlerde, yükselen boşluk suyu basıncı ve düşen efektif gerilme sonucunda kayma mukavemetinin belli bir kısmını veya tamamını kaybetmesi, adeta sıvı gibi davranması şeklinde açıklanabilir.
Terzaghi'nin İstanbul'da geçirdiği yıllarda (1916-1925) yaptığı araştırmalar sonucu efektif gerilme ile boşluk suyu basıncı arasındaki bağıntıyı ilk olarak ortaya konduğu bilinse de ilk sıvılaşma tabiri 1950'li yıllarda Mogami ve Kubo tarafından ortaya konmuştur.
Tarihte yaşanan 1920 yılında California, 1938 yılında Montana Fort Peck, 1964 yılında Niigata, 1971 yılında California San Fernando, 1948 yılında Fukui, 1964 yılında Alaska depremleri sıvılaşma kaynaklı hasarların görüldüğü ilk örnekler olarak kabul edilirler. Bu depremler sonucunda hastane, nükleer tesis, askeri yapılar, barajlar vb. hayati yapıların tasarımında sıvılaşma ihtimali önemli bir mühendislik problemi olarak yer bulmaya başlamıştır. Ülkemizde de 1993 Erzincan, 1999 Gölcük ve Düzce ve 2011 Van depremleri yapılarda sıvılaşma kaynaklı birçok hasarın oluşabileceği hususunda sıvılaşma olgusunun önemini bir kez daha ortaya koymuştur.
Zeminlerin statik durumdaki davranışı dinamik durumdaki davranışından farklılık gösterebilmektedir. Sismik hareketler nedeniyle oluşan kayma dalgalarının farklı formlarda zemine etkimesiyle, sıvılaşma potansiyeli mevcut zeminlerde sıvılaşma görülmesine neden olabilecek farklı özelliklere sahip kayma gerilmeleri oluşabilmektedir.
Sıvılaşma mekanizması incelendiğinde, efektif gerilme ve boşluk suyu basıncı tanımları sıkça görülmektedir. Eğer zeminin geçirgenlik katsayısı düşük ve yükleme hızı yüksek ise deprem anındaki dinamik kuvvetlerden dolayı oluşan kısa süreli ve ani hareketler nedeniyle danecikler arasındaki boşluk suyunun drene olması için yeterli süre olmaz. Böyle bir durum zeminde hızlı ve ciddi miktarlarda boşluk suyu artışına sebep olur. Efektif gerilme olarak tanımlanan olgu ise zemine etkiyen total basıncın, zeminde tanecikler arasında oluşan efektif gerilme ile su basıncının birleşimiyle karşılanacağı şeklinde ifade edilebilir.
Sıvılaşmaya etki eden parametreler zemin cinsi, dane özellikleri ve şekli, zeminin sıkılık derecesi, zeminin drenaj koşulları, zemindeki mevcut yeraltı su seviyesi, deprem büyüklüğü ve süresi, sismik geçmiş, yapı yükü, yerleşim koşulları ve çökelme ortamı, yanal basınçlar, yaşlanma ve çimentolanma olarak sıralanabilir. Kum muhteva eden ve/veya kumlu, yuvarlak daneli, gevşek özellikli, drenajın yetersiz olduğu, yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu zeminler diğer özelliklerdeki zeminlere göre sıvılaşma riski daha yüksek olan zeminlerdir. Deprem büyüklüğündeki artış, deprem süresindeki artış ve yapı yükündeki artış da sıvılaşma duyarlılığı ile doğru orantılı parametrelerdir. Yanal basınç miktarlarındaki artış ise sıvılaşma duyarlılığını azaltan bir parametredir. Yeni zemin çökellerinin eskilerine göre, su altında yapılan hidrolik dolguların da diğer koşullardaki dolgulara göre sıvılaşma duyarlılığı fazladır.
Sıvılaşma nedeniyle meydana gelen problemlere örnek olarak; akma göçmesi, taşıma gücü kaybı, kum kaynaması, istinat yapısı yenilmesi, gömülü yapı yüzeylenmesi ve yanal yayılma verilmektedir.
Sıvılaşmaya karşı güvenlik katsayısının bulunmasında kullanılan yöntemler analitik, fiziksel modellemeye bağlı ve ampirik yöntemler olmak üzere 3 ana başlıkta incelenmektedir. Analitik ve fiziksel modellemeye bağlı yöntemlerdeki kullanım zorlukları nedeniyle mühendislik uygulamalarındaki sıvılaşma potansiyelinin tayininde ampirik yöntemler çokça kullanılan yöntem halini almıştır. Çeşitli araştırmacılar tarafından birçok değişik ampirik yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden en bilinen Seed ve Idriss (1971) tarafından ortaya atılan ve daha sonra Youd vd. (2001a) tarafından geliştirilip güncel halini alan "Basitleştirilmiş Yöntem" yaklaşımıdır. Bu tez çalışmasında "Basitleştirilmiş Yöntem" yaklaşımı ile seçilen inceleme alanının sıvılaşma potansiyeli hesaplanmıştır.
Tez çalışması kapsamında seçilen çalışma alanında daha önce yapılmış sondaj çalışmaları, oluşturulmuş geoteknik rapor, saha ve laboratuvar deneylerinden elde edilen veriler ışığında sıvılaşmaya karşı güvenlik katsayısı hesaplanmıştır. Saha deneyi olarak Standart Penetrasyon Deneyi (SPT) sonuçları kullanılmıştır.
"Basitleştirilmiş Yöntem" yaklaşımı zeminin sıvılaşması için zaruri çevrimli direnç oranının (CRR), sismik hareketin meydana getirdiği çevrimli gerilme oranına (CSR) oranlanması sonucu zeminin sıvılaşmaya karşı güvenlik katsayısının (FS) bulunması temeline dayanır.
Çevrimli gerilme oranı (CSR); yerçekimi ivmesi, zemindeki mevcut maksimum yatay yer ivmesi, efektif gerilme, toplam gerilme ve gerilme azaltma katsayısına bağlı olarak hesaplanır. Bu parametreler derinliğe bağlı parametrelerdir. Çevrimli direnç oranı (CRR) ise SPT ile belirlenen darbe sayısının numune alma metodu, üst tabaka yükü, tij boyu, enerji oranı, kuyu çapı düzeltme faktörleri ile düzenlenmiş şekli yardımıyla bulunabilmektedir. Çevrimli direnç oranına (CRR) etki eden bir diğer faktör de zeminin ince dane oranıdır. Deprem düzeltme faktörünün de hesaplanmasıyla çevrimli direnç oranının çevrimli gerilme oranına oranlanması sıvılaşmaya karşı güvenlik faktörünü oluşturur. Sıvılaşmaya karşı güvenlik faktörü, FS≤1 olması durumunda zeminin sıvılaşabilme riski bulundurduğu bilinirken sıvılaşmaya karşı güvenlik faktörü, FS>1 olması durumunda zemin sıvılaşabilme riskinin görülmediği söylenebilmektedir.
Sıvılaşma sonucu oluşan hasar tiplerinden biri olan yanal yayılma, hafif eğimli zeminlerde görülen yatay yer değiştirmeler olarak tanımlanabilir. Eğimler çoğaldıkça eğim yönündeki yatay yer değiştirmeler de çoğalmaktadır. Yanal yayılmalar sonucu oluşan yer değiştirmeler birkaç santimetrelerden birkaç metre boyutlarına kadar oluşabilir. Kayma işlemi sonucu zeminde oluşan çatlak ve yarıklar eğim yönüne dik bir şekilde meydana gelmektedir.
Yanal yayılma sonucu oluşan yer değiştirmelerin büyüklüğünü hesaplamak için önerilen yöntemler; bünye modelleri (sonlu eleman modelleri), deneysel modeller, basit analitik modeller ve fiziksel modeller olarak 4 başlıkta gruplanmaktadır. Hangi modelin daha doğru ve güvenilir sonuçlar vereceği inceleme alanının şartlarına göre değişmektedir. Bu tez çalışmasında ampirik modeller üzerinden yanal yayılma sonucu oluşan yatay yer değiştirme tahmin metotları kullanılmıştır.
Tez kapsamında yanal yayılma sonucu oluşan yatay deplasmanları tahmin etmek için Youd ve Perkins(1987)'in LSI metodu, Hamada vd.(1986)'nin metodu, Bartlett ve Youd(1992)'un MLR metodu ve Shamoto vd.(1998)'nin metodu açıklanmıştır.
Bu tez çalışmasının analiz bölümünün ilk kısmında seçilen inceleme alanında belirlenen 12 tanesi deniz, 15 tanesi kara sondajı olmak üzere 27 adet sondaj noktasının "Basitleştirilmiş Yöntem" yaklaşımı ile sıvılaşma potansiyeli belirlenmiştir. Bu 27 sondajın güvenlik faktörü-derinlik grafikleri oluşturulmuştur. Yapılan analiz sonucunda inceleme alanının büyük bölümünün sıvılaşma potansiyeli bulundurduğu belirlenmiştir. Tezde verileri kullanılan çalışma alanının tamamı alanın üzerine yapılan proje kapsamında sıvılaşma riskine karşı jet grout, deep soil mixing(DSM) ve turbo grouting ile iyileştirilmiştir. Bu tez kapsamında sıvılaşma analizi için kullanılan veriler bahsedilen zemin iyileştirme işlemleri yapılmadan önceki verilerdir.
Analiz kısmını diğer bölümünde ise çalışma alanında seçilen sondaj noktaları kullanılarak yanal yayılmadaki yatay deplasman miktarını tahmin etmek amacıyla 3 farklı deneysel model kullanılmıştır. Kullanılan bu 3 model Hamada vd.(1986)'nin ampirik modeli, Bartlett ve Youd(1992)'un MLR model ve Shamoto vd.(1998)'nin modelleridir. Bu 3 farklı metot kullanılarak bulunan sonuçlar grafiklerle gösterilmiştir ve karşılaştırma yapılmıştır. Bulunan sonuçların da gösterdiği üzere hangi yöntemin daha doğru ve güvenilir sonuçlar vereceği uygulama yapılacak inceleme alanının şartlarına göre değişmektedir. Tezde verileri kullanılan çalışma alanının tamamı alanın üzerine yapılan proje kapsamında kesişen kazık ve diyafram duvar ile tamamen çevrelenmiş ve yanal yayılma sınırlandırılmıştır. Bu tez kapsamında yatay yer değiştirme tahmini için kullanılan veriler bahsedilen yanal yayılmayı sınırlandıran işlemler yapılmadan önceki verilerdir.
Bu tez çalışması kapsamında genel olarak sıvılaşmanın tanımı, tarihi ve oluşumu, sıvılaşmaya etki eden faktörler, sıvılaşma kaynaklı hasar tipleri, sıvılaşma analizi ve yanal yayılma tahmin yöntemlerinin karşılaştırılması ele alınmıştır. Seçilen çalışma alanındaki veriler kullanılarak sıvılaşma potansiyeli hesaplanmış ve yanal yayılmada yatay deplasman tahmin metotları ve sonuçları karşılaştırılmıştır.
Bu tez çalışmasında hedef; ülkemizin büyük bir kısmında mevcut olan deprem tehlikesinin neden olabileceği sıvılaşma ve sıvılaşma sonucunda oluşacak yanal yayılma tahmin yöntemlerini incelemektir. Sıvılaşma güvenlik faktörlerinin hesaplanması ve yanal yayılma tahmin yöntemlerinin karşılaştırılmasıyla mühendislik yapılarında gerekli zemin iyileştirmelerinin ve geoteknik imalatların daha sağlıklı projelendirilmesi sağlanacaktır. Bu durum doğal afetler içerisinde ülkemizi en çok etkileyen depremin yıkıcı sonuçlarını minimize etmeye yardımcı olabilir.

Abstract:
Turkey has suffered many natural disasters due to it's geography throughout history. As a result of the researches, considering the number of affected people and the number of damaged residential areas, it was revealed that the most effective natural disaster in our country is earthquake.
Against the eartquake hazard that causes major materials an moral losses, safety description can be explained in two main matters. The first is the safety of the structure against potentially severe dynamic loads and the second is the behavior of the ground on which the building its under the influence of dynamic forces caused by cyclic stresses such as earthquakes. In order to minimize the danger caused by the earthquake and increase the safety of structures under dynamic loads, it is extremely important to know the liquefaction phenomenon that occurs on saturated soils.
Liquefaction in the ground can be explained as losing some or all of the shear strength or even acting as a liquid due to the dynamic forces caused by the earthquake on the soils with loose properties located below the groundwater level, without cohesion and enough drainage.
Although Terzaghi's studies in Istanbul between 1916 and 1925 were accepted to reveal the relationship between effective stress and pore pressure, the first liquefaction term was introduced by Mogami and Kubo in the 1950s.
1920 California, 1938 Montana Fort Peck, 1948 Fukui, 1964 Niigata, 1971 California San Fernando, 1964 Alaska earthquakes in history are considered to be the first examples of damage caused by liquefaction. As a result of these earthquakes, the possibility of liquefaction in the design of vital structures such as hospitals, nuclear facilities, military structures and dams etc. has begun to take place as an important engineering problem. In our country, 1993 Erzincan, 1999 Gölcük-Düzce and 2011 Van earthquakes once again demonstrated the importance of the liquefaction phenomenon that many damages can occur in structures.
The behavior of soils in the static state may differ from the behavior in the dynamic state. As the shear waves caused by seismic movements may act on the ground in different forms, the liquefaction potential can create shear stresses with different properties that may cause liquefaction in existing soils.
When the liquefaction mechanism is examined, definitions of effective stress and pore water pressure are frequently seen. If the soil has a low permeability coefficient and a high loading speed, short-term and sudden movements caused by the dynamic forces at the time of the earthquake do not give enough time to drain pore water between the particles. This situation causes rapid and serious amount of pore water increase on the soil.
phenomenon defined as effective stress can be expressed as the total pressure affecting the soil will be met by total of the effective stress and water pressure occurring between the particles in the soil.
The parameters affecting liquefaction can be listed as soil type, grain characteristics and shape, degree of soil dense, soil drainage conditions, current groundwater level in the soil, earthquake magnitude, earthquake duration, seismic history, building load, placement conditions or depositional environment, confining pressure, aging and cementation. The soils which are sand-containing or sandy, round grained, loose, insufficient drained and having high groundwater levels have a higher liquefaction risk than those with other properties. Increase in building load and earthquake magnitude and duration are also parameters directly proportional to liquefaction sensitivity. The increase in confining pressure is a parameter that decreases liquefaction sensitivity.
Examples of problems arising from liquefaction include runoff collapse, loss of bearing strength, sand boiling, retaining structure collapse, embedded structure surfacing and lateral spreading.
The methods used in finding the safety coefficient against liquefaction can be examined under three main titles: analytical, physical modeling and empirical methods. Empirical methods are widely used in the determination of liquefaction potential in engineering applications due to usage difficulties in analytical and physical modeling methods. Many different empirical methods have been developed by various researchers. The most known of these methods is the "Simplified Method" approach, which was put forward by Seed and Idriss (1971) and later developed as well as updated by Youd (2001a). In this thesis, the liquefaction potential of the selected area was analyzed with the "Simplified Method" approach.
Within the scope of the thesis study, the potential of liquefaction has been calculated in the light of previous drilling studies, geotechnical report, field and laboratory experiments. Standard Penetration Test (SPT) results were used as the field test. The "Simplified Method" approach is based on the basis of finding the factor of safety coefficient (FS) of the ground against liquefaction as a result of the proportion of the essential cyclic resistance ratio (CRR) created by the seismic movement to the cyclic stress ratio (CSR).
The cyclic stress ratio (CSR) is calculated based on the parameters of the maximum horizontal ground acceleration, gravity acceleration, total stress, effective stress and strain reduction coefficient available on the ground. These parameters depend on depth. The cyclic resistance ratio (CRR) can be found as a regulated function of the top layer load of the pulses number measured by SPT, energy ratio, well diameter, rod length, sampling method correction factors. Another factor affecting the cyclic resistance ratio (CRR) is fine grain rate of the soil. Calculating the earthquake correction factor and dividing the cyclic resistance ratio by the cyclic stress ratio constitutes the safety factor against liquefaction. It is concluded that if the value of the factor of safety (FS) against liquefaction is 1 or less than 1, the soil has a potential of liquefaction.
Lateral spreading, one of the types of damage, can be defined as horizontal displacements seen on slightly inclined soils. As the slopes increase, the direction of the slopes horizontal displacements are also increasing. Displacements caused by lateral spreads may occur from a few centimeters to several meters. Cracks and crevices formed in the soil as a result of sliding occur perpendicular to the slope direction.
The suggested methods to calculate the magnitude of displacements resulting from lateral spreading can be grouped under 4 headings: body models (finite element models), simple analytical models, experimental models, and physical models. Which model will give more accurate and reliable results depends on the conditions of the examination area. In this thesis, displacement estimation methods resulting from lateral spreading over experimental models are used.
Within the scope of the thesis, Youd and Perkins(1987) LSI method, Hamada et al. (1986) experimental method, Barlett and Youd(1992) MLR (Multi Linear Regression) method and Shamoto et al. (1998) method which are among the methods of estimate the values of displacements resulting from lateral spreading are explained.
In the first part of the analysis section of this thesis study, liquefaction analysis was carried out with "Simplified Method" to 27 points in the selected study area, 12 of them were offshore drilling and 15 of them were land drilling. Safety factor-depth graphics of these 27 drillings was formed. As a result of the analysis, it was determined that there is a liquefaction potential in most of the study area. The field used in the thesis was improved with jet grout, deep soil mixing (DSM) and turbo grouting against the liquefaction potential within the scope of the project on the field.The data used for liquefaction analysis within the scope of this thesis are the data prior the mentioned soil improvement operations.
In the other part of the analysis section, 3 different experimental models were used to estimate lateral displacement in the lateral spread using drilling points selected in the field. These 3 models used are Hamada et al. (1986) experimental model, Bartlett and Youd(1992) MLR model and Shamoto et al. (1998). The results compared with the graphics. As the results show, which method will give more accurate and reliable results depends field conditions to be applied. All field used in the thesis, completely surrounded by secant piles and diaphragm walls. Lateral spreads is limited. The data used for lateral displacement within the scope to this thesis are the data prior the mentioned geotechnical operations.
In the scope of this thesis, definition of liquefaction, history and formation of liquefaction, factors affecting liquefaction, liquefaction damage types, liquefaction analysis and comparison of lateral spread estimation methods are discussed. Using data in the selected field, liquefaction potential was calculated and horizontal displacement estimation methods and results were compared in lateral spread.
In the thesis, the goal is; is to introduce lateral spreading estimate methods that may occur as a result of liquefaction and liquefaction that may be caused by the earthquake hazard present in a large part of our country. By calculating the liquefaction safety factors and comparing the lateral spread estimation methods, the necessary soil improvements and geotechnical productions in engineering structures can be better projected. It may help minimize the destructive consequences of the earthquake that affects Turkey the most among natural disasters.