Depremler sırasında zeminlerin davranışına bağlı olarak meydana gelen zemin deplasmanlarının belirlenmesi
Determination of soil displacements depending on the soil behaviour during earthquakes
Yazar: ZÜLKÜF KAYA
Danışman: PROF. DR. AYFER ERKEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Bölümü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dayanım = Strength ; Deformasyon = Deformation ; Deneysel inceleme = Experimental research ; Deprem 17 Ağustos 1999 = Earthquake 17 August 1999 ; Deprem = Earthquake ; Deprem davranışı = Earthquake behavior ; Dinamik testler = Dynamic tests ; Dinamik yükleme = Dynamic loading ; Sıvılaşma = Liquefaction ; Yer değiştirme = Displacement

Özet:
17 Ağustos 1999 tarihinde Kocaeli-Gölcük'te meydana gelen depremin moment manyitüdü 7.4 ve derinliği 17 km'dir. Alüvyonlu zemin tabakaları üzerinde yer alan Adapazarı'nda Kocaeli depremi sırasında silt ve kumlarda sıvılaşmaya, ince daneli zeminlerde ise taşıma gücü kaybı oluşmuştur. Bunun sonucunda yapılarda yana yatma, oturma ve yanal deplasmanlar gözlenmiş ve çok sayıda insanın ölümü ile milyonlarca liralık ekonomik kayıplar meydana gelmiştir.Bu tehlikeleri azaltmak için o bölge zeminin tekrarlı yükler etkisi altında nasıl davranacağı, zeminin nasıl ve ne kadar deformasyona uğrayacağı, ayrıca deplasman veya deformasyonların izin verilebilir sınırlar içerisinde olup olmadığının belirlenmesi büyük öneme sahiptir.Kaba veya ince daneli zeminlerin mevcut yöntemlere göre sıvılaşma potansiyellerinin belirlenebilmesi için kayma dalgası hızı, en büyük yer ivmesinin belirlenmesi ve zeminlerin endeks parametrelerinin belirlenmesi gereklidir. Ancak bu parametrelerin elde edilmesine rağmen zeminin sıvılaşma potansiyeli hakkında tam bir sonuç elde edilemeyebilir. Bu nedenle bu tür zeminlerin sıvılaşma veya taşıma gücü kaybını araştırırken dinamik laboratuvar deneylerinden yararlanmak büyük önem taşımaktadır.Bu çalışma kapsamında Türkiye sınırları içerisinde meydana gelen 17 Ağustos 1999 Kocaeli depremi veya gelmesi olası depremler sırasında zeminlerin tekrarlı yükler altında davranışının belirlenmesi ve yanal yayılmaların değerlendirilmesinde günümüze kadar farklı araştırmacılar tarafından önerilen yöntemler detaylı olarak ele alınarak ve bazı vaka analizlerinde de kullanılarak, bir bölgeye ait zeminlerin deprem yükleri altındaki davranışlarının belirlenmesine yardımcı olmak amacıyla çalışmalar yürütülmüştür. Bu kapsamda Adapazarı'nın sekiz farklı bölgesinde yürütülmüş olan on sondaj çalışması sırasında alınmış örselenmiş ve örselenmemiş zemin numuneleri bu çalışmada kullanılmıştır.Bu çalışma kapsamında ilk olarak kaba ve ince daneli zeminlerin mevcut yöntemlere göre sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi ile ilgili yapılmış araştırmalar, daha sonra yanal yayılmanın tanımı, mühendislik yapılarına etkileri, yanal yayılmayı belirlemek için kullanılan mevcut yöntemler hakkında detaylı bilgiler verilmiştir. Bu araştırmanın ilk aşamasında laboratuvar çalışmalarıyla zemin özellikleri belirlenmiş, sıvılaşma analizi için gerekli parametrelerden kayma dalgası hızı ampirik bağıntılar kullanılarak elde edilmiş ve daha sonra en büyük zemin yüzeyi ivmesi azalım ilişkileri ve ProSHAKE yazılımı kullanılarak belirlenmiştir. Bu parametreler yardımıyla sıvılaşma analizleri yapılarak potansiyel sıvılaşma derinlikleri belirlenmiştir.İnce daneli zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesiyle ilgili olarak kullanılan yöntemlere göre silt-kil karışımı zeminlerin büyük bir çoğunluğu sıvılaşmamaktadır. Ancak Seed ve diğ. (2001), Bray ve Stewart (2000), Bray ve diğ. (2001) ve Sancio ve diğ. (2002;2003;2003b) tarafından yapılan çalışmalarda olduğu gibi bu çalışma sonucunda da ince dane oranının (İDO) %15'den fazla bulunduğu zemin tabakalarında taşıma gücü kaybı ve sıvılaşmanın meydana geldiğine dair deneysel sonuçlar elde edilmiştir.Adapazarı zeminlerinin tekrarlı yükler altındaki davranışları ile tekrarı yükleme sonrası statik mukavemetinde meydana gelecek mukavemet kayıplarını belirlemek amacıyla Adapazarı'ndan alınmış olan örselenmemiş zemin numuneleri üzerinde dinamik üç eksenli basınç deney sisteminde iki grup deney yapılmıştır. İlk olarak bir grup zemin numunesi üzerinde sıvılaşma meydana gelinceye kadar tekrarlı yükleme yapılmış, ikinci olarak diğer zemin numuneleri üzerinde manyitüdü Mw=7.4 olan 17 Ağustos 1999 Kocaeli depremini temsil etmesi bakımından seçilen N=20 çevrim sayısına kadar farklı gerilme oranlarında f=0.1 Hz frekansında tekrarlı yükleme yapılmış ve sonrasında deformasyon kontrollü yükleme hızı 0.20 mm/dak olan statik deneyler yapılmıştır. Statik yükleme deney aletinin sınırlamalarından dolayı eksenel birim deformasyon % 10 veya 20 seviyelerine kadar devam ettirilmiştir.Örselenmemiş numuneler Adapazarı'nın sekiz farklı mahallesinde açılmış on tane sondaj kuyusundan alınmıştır. Deney numunelerinin su muhtevası wn=%22-50, ince dane oranı İDO=%1-100, likit limiti wL=%26-74, plastisite indisi IP=%0-44 ve düzeltilmemiş SPT-N değeri N30=5-44 arasında değişmektedir. Genel olarak zeminlerin büyük çoğunluğu %35'den fazla ince dane oranına sahip olup düzeltilmemiş SPT-N değeri N30=4-9 arasında değişmektedir.Adapazarı'nın yüzeye yakın 2.5 m ve 4.5 m derinliklerinden alınan zemin numuneleri üzerinde yapılan ödometre deneyi sonucunda aşırı konsolidasyon oranları AKO=2.75-3.85 arasında elde edilmiştir. Elde edilen bu sonuca göre Adapazarı'nda yer altı su seviyesindeki mevsimsel değişimler ve yüzey zeminlerinin kurumasından dolayı yüzeye yakın zeminlerin aşırı konsolide olduğu görülmüştür.Birinci grupta yer alan plastik olmayan siltli kum veya kum oranı yüksek olan silt ile plastisite indisi IP=%15-22 arasında değişen zemin numuneleri eksenel birim deformasyon ? =% ? 2.5 göçme kriteri sağlanıncaya kadar tekrarlı yüklemeye maruz bırakılmıştır. Bu deneylerin sonucunda elde edilen mukavemet eğrisine göre siltli kum-kum (İDO=%39-46) zeminlerin dinamik mukavemeti yüksek plastisiteli (MH, IP=%15-22) zeminlere göre %45 daha düşük elde edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan zeminlerin plastisitesinin artmasıyla birlikte zeminlerin dinamik mukavemeti de artmıştır.Bu çalışma kapsamında yapılan dinamik deney sonuçlarına göre ? =±%2.5 göçme kriterini sağlayan numunelere ait veriler kullanılarak farklı zemin grupları için elde edilen mukavemet eğrileri kullanılarak deprem manyitüdü Mw=7.4 olan bir depreme karşılık gelen N=20 çevrim sayısında göçmeye yol açan gerilme oranları plastisite indisi IP=%27-31 arasında değişen MH grubu zeminler için 0.490, IP=%15-22 arasında diğer MH grubu zeminler için 0.360, CH grubu için 0.430, CL grubu için 0.325, ML grubu için 0.240 ve SM grubu zemin için 0.220 elde edilmiştir.İkinci grup deney kapsamında farklı gerilme oranlarında N=20 çevrime kadar dinamik ve sonrasında 0.20 mm/dak hızla statik deneyler yapılmıştır. Dinamik deney aşamasında fazla eksenel birim deformasyona uğrayan zeminlerin dinamik sonrası statik mukavemetleri başlangıç değerlerinden daha düşük elde edilmiştir. Ancak bazı deney numunelerinde dinamik yükleme aşamasında meydana gelen genişlemeden dolayı oluşan negatif boşluk suyu basıncı zeminlerin daha mukavemetli olmasını sağlamıştır.İkinci grup deneylerde plastik deformasyonlar oluşturacak kadar dinamik yüklemeye başlamadan önce çok küçük deformasyon seviyelerindeki en büyük elastisite modülleri belirlenmiştir. Daha sonra N=20 çevrim sayısına kadar yapılan tekrarlı yükleme aşamasında artan çevrim sayısıyla birlikte numunede rijitlik azalmıştır. Plastik bölgede deney numunelerinde meydana gelen elastisite modülleri hesaplanmış ve ampirik bağıntılar kullanılarak kayma modülleri belirlenmiştir. Daha sonra kayma modülü oranının (G/Gmaks) birim kaymaya bağlı ( ? ) değişimi elde edilmiştir. Bu çalışmaya ait zemin numuneleri kullanılarak elde edilen bu grafikte en düşük kayma modülü plastik olmayan zeminlere, en yüksek kayma modülü ise plastisite indisi IP=%40 olan zeminlerde elde edilmiştir.Daha sonraki aşamada 1999 Kocaeli depreminde yanal yayılmaların meydana gelmiş olduğu Gölcük kıyı şeridindeki kapalı yüzme havuzunun bulunduğu bölgeye, 1995 Kobe depreminde yanal yayılmaların ölçülmüş olduğu bölgelerde yer alan bazı zemin kesitlerine yanal yayılmanın belirlenmesiyle ilgili mevcut yöntemler uygulanmıştır. Ayrıca bu çalışmaya konu olan Adapazarı'nın sekiz farklı bölgesinde yapılan on tane sondaj kuyusundan sıvılaşmanın en fazla gözlendiği beş sondaj üzerinde yanal yayılmanın belirlenmesiyle ilgili mevcut yöntemlerden bazıları, Cylic 1D programı ve bu çalışmaya ait deney sonuçları kullanılarak Wu (2002) çalışmasına benzer olarak oluşturulan birim kayma deformasyon eğrisi kullanılarak yanal yayılmalar belirlenmiş, daha sonra 1999 Kocaeli depremi öncesi ve sonrası 1/1000'lik haritalar kullanılarak elde edilen ölçüm değeriyle karşılaştırılmıştır. Bu çalışma kapsamında sınırlı sayıdaki deney numunesi kullanılarak geliştirilmiş eğri ile belirlenene yatay yer değiştirmeler ölçüm değerleriyle genel olarak uyum göstermiştir. Ancak bu eğri örselenmemiş zemin numuneleri üzerinde yapılacak deney verileriyle geliştirilmelidir.

Abstract:
The August 17, 1999 Kocaeli Earthquake had a moment magnitude of Mw = 7.4 with a focal depth of 17 km. Several cases of liquefaction in silt and sand layers and bearing capacity loss in fine-grained soils have been observed in Adapazarı City that is located on alluvial soil deposits. Such phenomenon resulted in tilting of buildings, excessive settlements and lateral displacements and caused several thousands of casualties and billions of dollars of losses consequently.For the mitigation of such hazards, the determination of the cyclic behaviour of the soils in the region, the mode and magnitude of displacements under cyclic loading conditions and ascertaining the displacements or deformations being whether within tolerable limits or not become very important.According to the existing liquefaction analysis methods, it is necessary to determine the shear wave velocity values, maximum ground acceleration value and soil index properties for the determination of liquefaction potentials of soils. But in spite of such a study, still accurate results for liquefaction potential may not be obtained. Therefore, it becomes very important to utilize laboratory cyclic tests for the investigation of liquefaction potential and bearing capacity loss of soils.Within the context of this study, the cyclic behaviour of Adapazarı soils with reference to August 17, 1999 Kocaeli Earthquake have been investigated both in the field and laboratory by studying on soil samples taken from 10 borings loacted at 8 different sections of Adapazarı. By focusing on the lateral spreading of soils caused by the Kocaeli Earthquake and studying different methods proposed by various researchers, a new approach for the determination of lateral soil spreading under cyclic loadings has been developed and this new method was applied to a couple of cases.The first part of this study covers a literature survey on current methods developed for the determination of liquefaction potential of coarsed and fine grained soils, and a detailed information on the definition of lateral spreading of soils, its effects on engineering structures and current methods for the determination of the intensity of lateral spreading. The second part involves the laboratory determination of dynamic soil properties and also ascertaining the values of soil parameters for liquefaction analyses. As being one of these parameters, shear wave velocity of the soil layers were calculated by using emprical relationships while the maximum ground surface acceleration values were obtained with the help of attenuation relationships and by running the software ProSHAKE. The liquefaction analyses were conducted by using these parameters and the possible liquefaction depths were calculated accordingly.The results of different methods of liquefaction analysis performed for fine grained soils have shown that most of the silt-clay soils do not liquefy. But with regard to the experimental results obtained within this study, it was determined that bearing capacity loss and liquefaction may occur for soils having fine-grained particles more than 15%. This important finding is in harmony with the studies of Seed et al. (2001), Bray and Stewart (2000), Bray et al. (2001) and Sancio et al. (2002;2003;2003b).In order to determine the behaviour of Adapazarı soils under cyclic loading conditions and the reduction in post-cyclic static strength of these soils, two different sets of cyclic triaxial tests were conducted on undisturbed soil samples taken from borings made in Adapazarı. The first set includes the tests where cyclic loading was continued until liquefaction occurred ( ? =±2.5 %) while the second set involves the tests with a constant cyclic stress ratio applied with a loading frequency of f=0.1 Hz for a specific number of cycles, i.e. N=20 was chosen to represent August 17, 1999 Earthquake with Mw=7.4. Strain controlled monotonic tests (20 mm/min) were performed at the end of cyclic loading application stage. Due to the limitations of the loading system, the monotonic tests were carried on until an axial strain value of 10% or 20 %.Undisturbed soil samples were taken from 10 borings located at 8 different districts of Adapazarı. The soil samples have moisture content values varying between wn=22-50%, fines content values changing between FC = 1-100 %, liquid limit values between wL = 26-74 % and plasticity index values change between Ip=0-44% while uncorrected SPT-N values vary between N30=5-44. For most of the soils investigated, fines content is greater than 35% and SPT-N values change between N30=4-9.According to the results of oedometer tests conducted on soil samples taken from near surface between 2.0 m to 4.5 m depths, overconsolidation ratio values vary between OCR=2.75-3.85 which means that soils near to the soil surface had become overconsolidated due to seasonal variations in ground water level and dessication phenomena.The first set of tests involving cyclic loadings being applied regarding the failure criterion of the axial strains reaching ? = ? 2.5 %, were conducted on non-plastic silty sands or very sandy silts and soils having plasticity index values of Ip=%15-22. According to the strength curves obtained by using the results of these tests, the cyclic strength of silty sands-sands (FC=39-46) is 45% less than the cyclic strength of high plasticity soils (MH, IP=15-22%). It has also been determined that cyclic strength of soils with a plastisity index of Ip=15-16 is less than that of high plasticityAccording to the strength curves obtained by using the results of the first set of cyclic triaxial tests performed within this study obeying the failure criteria of reaching an axial strain of ? =±%2.5, the cyclic stress ratio values obtained for a number of cycles of N=20 which represents an earthquake with magnitude Mw=7.4, are determined to be as CSR=0.490 for MH soils with plasticity index values changing between Ip = 27-31 % and CSR=0.360 for MH soils with plasticity index values between Ip = 15-22 %, CSR=0.430 for CH soils, CSR=0.325 for CL soils, CSR=0.240 for ML soils and CSR=0.220 for SM soils.The second set of tests involve a cyclic loading stage for a constant stress ratio with a specific number of cycles of N=20 and then a monotonic loading stage with a loading speed of 0.20 mm/min It was determined that soils reaching excessive axial strain levels during cyclic loading stage have a lower post-cyclic monotonic strength when compared with their initial strengths. But for some samples, the negative pore water pressure build-up due to dilatation gave rise to higher strength values.For the second set of tests, the maximum elasticity modulus values were determined at very low strain levels prior to the loading levels causing plastic deformations. For the later stages of cyclic loading continued for number of cycles of N=20, the stiffness of soils decrease as the number of applied cycles increase. Elasticity modulus values were determined also for successive loading stages where plastic deformations encountered and shear modulus values were calculated accordingly. Consequently the shear modulus ratio (G/Gmax) variation with the strain ( ? ) have been determined. According to the graphical plots obtained from the results of the tests conducted with this study, the minimum value of shear modulus was attained for non-plastic soils while soils with IP=40% have the highest shear modulus values.In the proceeding stage, the existing methods for the determination of the lateral spreading of soils were applied to cases those being a lateral spreading case for the region where an indoor swimming pool facility is located along the sea-shore in Golcük after the 1999 Kocaeli Earthquake and some cases where lateral spreading due to liquefaction had been encountered in some soil sections in Kobe City after the 1995 Kobe Earthquake. In addition tho this, the lateral soil spreading values for 5 borings among 10 located at 8 different districts of Adapazarı City have been determined by utilising some current methods for lateral soil spreading determination. Cyclic 1D software and shear strain curves obtained in a manner similar to the method proposed by Wu (2002) by using the results of the tests conducted within this study have been used for the calculation of the lateral soil spreading values. These values have been compared with the observed values deduced by using 1/1000 scaled maps of the investigated region belonging to the periods of before and after the 1999 Kocaeli Earthquake. It has been shown that the calculated lateral soil spreading values determined by using the curve obtained by limited number of tests conducted are generally in harmony with the observed ones. On the other hand, it has been deduced that this curve should be refined by using more experimental data.