Liquefaction

Ali COANDAL mt KARADOAN Mustafa EK Bar GNAY Orhan DEMR Ebru NAN Methiye GNDODU

Svlamann varlnn bilinmesine ramen, neminin anlalmas ve aratrmalarn balatlmas, depremlerin ykc etkileri gz nnde tutularak yaklak 50 yl nceye dayanmaktadr. zellikle deprem etkisiyle meydana gelen svlama geoteknik mhendisliinin en nemli, ilgin ve tartmaya ak konularnn banda gelmektedir.

Resim 1 - Shinano Nehri Kawagishi-cho Apartmanlar - 1964 Niigata / Japonya

17 Austos 1999 Adapazar Depreminde zemin svlamas ve zemin kmesi sonucunda yzlerce binann temeli zeminin iine gmlm veya ar dnerek binalarn ktle olarak devrilmesine neden olmutur. Gemite meydana gelmi byk depremler, 1964 Alaska, 1964 Niigata (Resim 1 ), 1989 Loma-Prieta, 1995 Hyogoken-Nambu svlamann hasara neden olan etkisini kantlamtr.

Resim 2- Yolda Krlma , Alaska, 1964 Yol dolgusunun altndaki kum zemindeki svlama sonucu yolda oluan krk

Resim 3- Krn oluma mekanizmas

Svlama ,deprem kkenli devirsel kayma gerilmelerine maruz kohezyonsuz zeminlerde grlen hzl,ani kayma mukavemeti kaybdr. Baz durumlarda kayma dayanm neredeyse tamamen kaybolurken (sfra derken) , bazen de normalden daha dk bir deere iner.

1964 Niigata Depremi (Japonya) srasnda yzeyde gzlenen yaygn kum birikimleri ve yaplarda zemine bal olarak gelien yana yatma, oturma , devrilme gibi davranlar svlamann zellikle dinamik bir ykleme ile drenajsz koullarda su basnlarnn ani deiimi gibi iki nemli faktrden etkilenen bir zemin davran olduu ynnde kanaata varlmtr. (Ulusay,2000).

Zemin svlama olay yaygn bir ekilde depremlerde gzlemlenebilecei gibi , svlama potansiyeli tayan daneli zeminlerin etrafnda yaratlan yapay titreimlerden de, rnein akma kazklarn akm srasnda oluan titreimler veya maden iletmelerinde yaplan retim/ dekapaj patlatmalarndan kaynaklanabilir. Dekapaj ( pickling ): Bina yaplacak bir arsa, dolgu yaplacak bir arazinin zerindeki bitkisel ya da yumuak topran, ak maden iletmelerinde cevher zerindeki topran syrlmas.

1. Kum fkrmas a-Kum volkan b-Kum krateri 2. Yanal yaylmalar 3. Kademeli yarklar

pre-liquefaction

Tekrarl ykler altnda boluk suyu basncnn (pore water pressure) artarak bir ykleme evrimi sonunda efektif evre basncna eit olmas n svlama eklinde tanmlanmaktadr.

Byle bir tanm yapmaktaki ama zemin elemannn tekrarl ykler altnda davranlarnn adlandrlmas ve n svlamadan sonraki davrannn deerlendirilmesine aklk getirilmesidir.

Tekrarl ykler altnda bir ykleme evrimi sonunda n svlama oluur. n svlamay izleyen ykleme evrimlerinde zemin eleman bir miktar dayanm kazanr veya hacim kabarmasndan dolay boluk suyu basnc der. Bundan dolay ekil deitirmelerin snrl kalmas ve zemin elemannn tekrarl ykler altnda durayl(stable ,stabil) bir konuma gelmesine snrl svlama veya evrimsel hareketlilik denir( Seed ve ark., 1976).

sandboil

Bir zemin ktlesindeki ar boluk suyu basncndan dolay kum ve suyun borulanarak dar kmasdr (Wang ve Law, 1994). Resim 5 de kum krater dizisi grlmektedir.

Resim 4- Kum kaynama mekanizmas

Resim 5 - Kum Kraterleri 1964 Niigata Depremi, Japonya

Sabit bir kayma gerilmesi ve evre gerilmesi altnda kumun hacminin sabit kalarak srekli olarak deforme olduu durumdur (Castro, 1975). Bu durumdaki kumun kayma gerilmesine, dengeli durum mukavemeti veya kalc mukavemet denir.

Zeminin hacimsel bzlmesine ve ar boluk suyu basncnn gelimesine neden olan kayma deformasyonlarn , yer hareketinin ivme ve sarsnt sresi gibi zellikleri belirler. Svlamann en yaygn nedeni, deprem annda aa kan sismik enerjidir. Deprem iddeti ve sarsnt sresi artarken, svlama iin potansiyelde artmaktadr.

Resim 6 (BA Mh. - Mim. Fak. Geoteknik Deprem Mhendislii Dersi, B. Yac Blm-7)

Resim 6da veriler az olsa da , svlamann olumas iin gerekli eik bir sarsnt deerinin olduu tahmin edilmektedir. Bu eik deerler, maksimum yatay yer ivmesi iin yaklak 0.10 g ve yerel byklk iin yaklak olarak 5'dir. Bu nedenle , 0.10g'den daha kk bir maksimum yatay yer ivmesinin veya 5'den daha kk bir yerel bykln sz konusu olduu yerler iin , svlama analizine gerek yoktur. (Zeminlerde Svlama, Analiz veyiletirme Y ntemleri M. Mollamahmutolu, F.

Svlamaya yatkn bir zemin seviyesinin zerinde svlamaya kar direnli rt zeminlerinin bulunmas , svlamann yzeyde neden olabilecei etkileri engelleyebilmektedir.

Genellikle, yeralt su seviyesinin yksek olduu yerlerdeki yakn zamana ait olan skmam kum ve siltlerin skma potansiyeli yksektir. Bunun yannda akarsularn yd kumlar, boyutlarndaki dzgnlk nedeniyle svlama potansiyeline sahiptirler. Yeralt su seviyesinin yzeye 10 m den daha yakn olmas da svlama tehlikesini arttrr.

Efektif dey gerilme svlama oluumunu kontrol ettii iin yksek basn altnda veya kk kayma gerilmesi dey efektif gerilme oran dolaysyla svlama olmayacak bir maksimum derinlik vardr. Svlama dayknn gzlendii birok blgede yerin 15 m altndan daha derinde svlama olmad anlalmtr (Wang veLaw, 1994).

Svlama olaynn gzlendii ou blgelerde yeralt suyu seviyesi 3 m' den daha derin deildir. Sadece birka olayda yeralt suyu seviyesi 3-4 m arasndadr. Yeralt suyu 5 m 'nin altnda olduu kesimlerde svlama olay gzlemlenmemitir (Wang ve Law,1994). Resim 7de grld gibi Adapazarnda yeralt su seviyesinin yksek olmas ve zeminin siltli kil olmas zemin svlamasnn ortaya kmasnda nemli rol oynamtr

Resim 7 :17 Austos 1999 Adapazar depreminde Adapazar kent merkezinde svlama sonucu zemine gmlm bina (Demirta ve Erkmen, 2001)

Kohezyonsuz zeminlerin, statik ykleme durumunda olduu gibi, tekrarl ykler altnda da davranlarn belirleyen en nemli ekenlerden biri zeminin sklk orandr. Relatif sklk (Dr) daneli zeminlerdeki oturma ve svlama riskinin belirlenmesindeki temel parametrelerden biridir.

Sklk deerinin artmasyla nsvlamaya ulamak iin gerekli devir saysnn veya uygulanan kayma gerilmesinin artmas gerekmektedir. Sk zeminler geveyerek, gevek zeminler de skarak krlr (Seed, 1976).

Balang relatif sklk deeri arttka titreim srasnda oturma ve boluk suyu basncnn azald bilinmektedir. Yer ivmesi ve relatif skla bal olarak svlama potansiyeli durumu izelge 1de verilmitir (Dowrick, 1975).

Yaplan aratrmalarda ince dane ieren kumlarn svlama olaslklar ince dane iermeyen kumlara oranla daha fazladr (Ishihara, 1985).

Bir kum elemannn svabilirliinin , o kum elemann daha nce tekrarl ykler etkisi altnda kalm olmasndan etkilendii birok aratrmac tarafndan gzlenmitir. Bu etkinin ne ynde olacan ve nemini daha iyi kavramak iin ayn ekilde ve ayn sklkta hazrlanm numunelerden bir ksm ok ufak titreimlere tabi tutulmutur. Btn numuneler zerinde yaplan gerekli gerilme oranlarnn, hi titreim altnda kalmam numunelere gre svlama riskinin % 50'den daha byk olduu gzlenmitir.

Svlamaya etki eden faktrlerden bir dieri yatay toprak basncdr. Ishihara (1980), tarafndan ayn tip kum numuneleri kullanarak burulmal kesme deneylerinde ar yklenmiliin etkisi incelenmi ve deney sonularna gre, ar konsolidasyon orannn artmasyla svlamaya kar direncin artt belirlenmitir.

Suya doygun kohezyonsuz zeminlerde yaplan aratrmalarda uygulanan konsolidasyon basnlar arttka, numunelerin dinamik mukavemetleri azalarak svlaabilirliin artmakta olduu gzlenmitir (Castro ve Paulos, 1976).

Uzun sre yk altnda kalmann bir sonucu olarak, daneler arasnda bir kaynamann ve imentolamann olumas sebebiyle svlama dayanm %75 orannda art gsterilmektedir

Svlamaya urayan zeminin dane ekli konusundaki genel anlay, daneleri keli olan zeminlerin belirli bir konsolidasyon basncna kadar svlamaya kar daha direnli olaca ynndedir. Daha byk basnlarda ise, kelerin, krlp ince dane oluturmalar nedeni ile svlamay kolaylatrc ynde bir etki yaptklar gzlenmitir (Vaid ve ark. 1990).

Bugne kadar meydana gelmi depremlerde, kt derecelenmi zeminlerin, iyi derecelenmi zeminlere gre, boluk oranlarnn ok yksek olmas nedeni ile svlama asndan daha hassas olduklar grlmtr.

Zeminin boluk oran kritik boluk oranndan kk iken zemin iin svlama potansiyeli dk olarak kabul edilirken, kayma annda drenajn mmkn olmad ve zeminin boluk orannn kritik boluk oranndan byk olduu gevek kumlar iin svlama potansiyeli byktr.

Kritik boluk oran, Casagrande'nin (1936) nerdii, aadaki eitlikten bulunabilir: (Seed 1976) ecr = e min + (e max - e min) * e[-0.75 a/g]

Burada; emin : Deney sonularndan elde edilmi minimum boluk oran, % emax : Maksimum boluk oran, % Maksimum deprem ivmesi, m/sn2 Yerekimi ivmesi, m/sn2

Zeminlerde svlama ve yer deitirme; dinamik yklemenin tipi, bykl ve yaps ile ilgilidir. Dzenli titreim altndaki svlamalar, zemin tabakasnda stten balayp aaya doru ilerlerken, bazen titreim etkisi ile tm tabaka ayn anda svlaabilmektedir. Kuru kumlarda, genellikle yatay titreim, dey titreimden daha byk yer deitirmeler meydana getirmektedir (Vaid ve ark., 1990).

Depremin i-merkezinde (odak noktas) faylanma sonucu sert kayalar krlarak yrtlmaya balar ve sismik dalgalar yaylmaya balar. Sismik dalgalar(seismic waves), yeryzne ulatklar zaman, gevek ve suya doygun zeminlerde sourularak (absorbe olarak) olduka karmak krlma, yansma ve karma urarlar. Sismik dalgalarn hareketleri, yeryzne yakn tabakalarn bileimi ve fiziksel zelliklerine bal olarak deiir.

Genellikle yzeye yakn tabakalar ne kadar yumuak ve kaln olursa, sismik hareketler de o kadar byk ve hareket sresi de o kadar fazla olur (Demirta ve Erkmen, 2001). Bu nedenle bu tr zeminlerde kuvvetli yerhareketi birka kat bytlr, deprem titreimleri altnda skarak oturur ve hasar olduka ar olarak sonulanr. Resim 8 de zemin zerinde kuvvetli yer hareketi sonucu kum tanelerinin deien yapsna, deprem etkisinin nedenli byk olduu grlmektedir (Demirta ve Erkmen, 2001).

Resim 8 - Depremin svlamaya etkisi grlmektedir (Demirta ve Erkmen, 2001)

Depremin neden olduu tekrarl kayma gerilmeleri yklemesi ne kadar uzun ve gl ise, svlama hali o kadar kalc olacaktr. Eer svlam zemin altta ve stte kil tabakas ile snrlanm ise , svlam zeminden suyun ak ile ar boluk suyu basncnn snmlenmesi de uzun sre alacaktr.

Resim 9 Svlamann fiziksel sreci (Demirta ve Erkmen, 2001)

Genellikle % 5 eimden kk arazide gzlenen yanal yaylma, svlamadan kaynaklanan kayma dayanm kaybnn neden olduu bir yzey hareketidir. Yzeyde belirli kalnlktaki katman "svlaan katman"n zerinde hareket eder. Resim 10da grld gibi, 1999 Dou Marmara depreminde Glck Krfezi ve Sapanca gl kysnda yanal yaylma hareketleri yaygn bir ekilde gzlenmitir.

lateral spreading

Resim 10 -Svlamaya bal olarak yanal hareket (Maual, 1993)

Yzeyde gzlenen yanal yaylma sonucunda binalar zellikle rijit binalarda ekme gerilmelerinden kaynaklanan ciddi atlaklarfarkl oturmalar oluur. rnein, 1999 Dou Marmara depreminde Glck- narck ky eridi iinde zellikle Kavakl sahilinde krfeze doru kayan alanlarda zemin svlamasndan kaynaklanan nemli yanal hareketler olumutur (Arolu ve ark., 2000).

Resim 11 - Yanal yaylma oluum biimi(H..

YKSEK LSANS TEZ Z. zgen YATMAN ANLIURFA 2006)

Resim 12 - 2001 Nisqually depremi Green River boyunca oluan yanal yaylma

Resim 13 - 1989 Loma Prieta depreminde devlet park yaknnda oluan yanal yaylma

Resim 14 - 2001 Nisqually, WA depreminde PajaroSunsetLake'de yanal yaylma

Resim 15 - 1995 Japonya -Kobe Depreminde Gzlemlenen Yanal Yaylma Hareketi (GYTE HEYELANLAR VE EV STABLTES DERS SUNUMU - n.Mh. Yusuf Serdar C)

Akma hareketi prensip olarak yanal hareketin daha geni bir blgeye yaylm biimi olup, genellikle % 5 eimden daha byk arazide oluur. Binalarda yanal yer deitirmeler, farkl oturmalardan dolay ciddi yapsal hasarlar sz konusudur. Binalarn maruz kalaca "farkl oturma" deerleri "yapsal hasarlarn dzeyini belirler. Gerek yanal yaylmada gerekse akma hareketinde gzlenen maksimum kme deerleri binalarda izin verilebilir kme deerlerinden (50-60 mm) daha byktr (Arolu ve ark., 2000).

Resim 16 - Akma gmeleri biimi

Depremin tetikledii svlama sonrasnda zeminde meydana gelen akma hareketi sonucu Resim 16 da devrilmi bir bina grlmektedir.

Resim 17 - Austos 1999 zmit Krfezi depreminde svlama sonucu devrilmi bina (Demirta ve Erkmen, 2001)

Resim 18 - San Francisco'daki Merced Gl kys boyunca 1957 ylnda gelien bir akma kaymas

Resim 19 - 1964 Alaska depreminde Turnagain tepelerinde grlen akma gmesi

Resim 20 - 1971 depreminde The Lower San Fernando Barajnda oluan akma gmesi

Svlam temel zemininin destek kaybndan veya istinat yaps arkasndaki svlam zeminden oluan artan yanal yklerden kaynaklanr. Bu etkiler sonucu istinat yaps dey ve/veya yatay ynde deplasmanlara maruz kalr.

Resim 21 - stinat yaps yenilme biimi (BA MhMim Fak. Geoteknik Deprem Mhendislii Ders Notu , B. Yac)

Resim 22 - 1995 Kobe depreminde svlama sonucu oluan istinat duvar yenilmesi (BA Mh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mhendislii Ders Notu , B. Yac)

Svlama esnasnda kaldrma kuvveti etkisiyle, muayene bacas, tank, boru hatlar ve benzeri hafif yaplar zemin yzeyine ykselir.

Resim 23 Gml yap yzeylenmesi biimi(BA Mh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mhendislii Ders Notu , B. Yac)

Resim 24 - 2003 Tokachi oki depreminde svlama sonucu muayene bacas ykselmesi (BA Mh-Mim Fak. Geoteknik Deprem Mhendislii Ders Notu , B. Yac)

a. b. c. d. a. b. c.

Arazi deneyleri Standart penetrasyon deneyi (SPT) Koni penetrasyon deneyi (CPT) Sismik koni penetrasyon deneyi (SCPT) Yass dilatometre deneyi Laboratuvar deneyleri Dinamik eksenli deney Burulmal dinamik deney sistemi Sarsma tablas deneyi

Kayalk alanlar svlama tehlikesi tamazlar Yeralt yaps ince kumlu ve siltli ise svlama olabilir Eer yeralt suyu seviyesi 3-5 metre gibi ssa svlama olabilir

Svlamann saysal olarak belirlenmesi iin bir ok aratrma yaplmtr.nk her koulda ve ortamda alan bir bant olmadndan her alma alannda deiik parametreler kullanan birden fazla bant ile alma yaplmaldr. Geoteknik literatrnde deprem kaynakl zemin svlama riskini belirlemek zere gelitirilmi eitli yntemler vardr. Yntemler dikkatle incelendiinde byk ounluu temelde Seed-Idrissin 1982 almasnda (Bray, 1995) ortaya koyduu periyodik kayma gerilme oran kavramna dayanmaktadr.

Svlamaya duyarl zeminlerde yap inasndan kanlmasSvlamaya kar dayankl yap inaas Zemin iyiletirilmesi yoluyla svlama olaslnn ortadan kaldrlmas

ncelikle sahann jeolojik ve hidrojeolojik (yeralt suyuna ilikin) zellikleri, belirlenip daha sonra belirli teknikler ve ltler kullanlarak, zemin mekanii biliminin esaslarndan yararlanlarak zeminin svlamaya yatkn olup olmad tayin edilmelidir.

Deerlendirme sonularnn zeminin svlama potansiyeline sahip olduunu gstermesi halinde planlanan yapnn inaasnn bu zeminlerde yaplmasndan vazgeilerek baka inaat alan seenekleri aratrlr.

Svlamaya kar dayankl yap inasnda yapnn temelini oluturan yap elamanlar svlamann etkilerini karlayabilecek ekilde tasarlanr. Temel tipi seimine; st yapdan gelen ykn nitelik ve nicelii, yapnn nemi, zeminin zellikleri gz nnde bulundurularak karar verilmelidir.

Zeminlerin svlamaya kar direncini artrmak amacyla uygulanan zemin iyiletirilmesi (slah) tekniklerinin esas hedefi, deprem srasnda ar gzenek suyu basnlarnn gelimesini nlemektir. Svlamann verecei hasarlara kar mhendislik projelerinin gvenliini salamak amacyla, svlama ihtimali olan zemin tabakalarnda aadaki baz nlemler alnabilir (Ate, 2003).

Zeminlerin iyiletirilmesi (improve) Dinamik kompaksiyon Vibra flotasyon Ta kolonlar Sktrma enjeksiyonu Svlaacak zeminin svlamayacak bir zeminle yer deitirilmesi Drenaj teknikleri

1) 2) 3) 4)

Zeminlerin sertletirilmesinden ama, zeminin kohezyonunu ve isel srtnmesini arttrmaktr. Bu da zemin iindeki suyun uzaklatrlmas ile salanabilir. Duraylln salanmasnda uygulanan kalc ve geici usullerdaha ok temel mhendisliinde (baraj, bina, yol, vb.) uygulanr. Elektro-osmoz Dondurma yntemi Piirme yntemi imentolama (enjeksiyon) yntemi

Bu yntem ahmerdan ad verilen metalden yaplm bir arl 10 m ile 30m arasnda deien yksekliklerden ard arda drlerek darbe etkisiyle sktrlmas asasna dayanr. Bu amala iyiletirilecek zemin yzeyi kare eklinde alanlara blnr ve her karenin iinde kalan alandaki zemine darbe uygulanr. Dinamik yklemeden dolay zemindeki ar gzenek suyu basnc kaybolduunda zeminde ek bir skma meydana gelir.

Bu yntemde zeminin iine indirilen bir baln titretirilmesiyle zeminin tane yaps bozulmakta ve taneler bir araya gelerek zeminin skmas salanmaktadr. Uygulamada 30m kadar bir derinlie indirilebilmekte ve kompaksiyon ynteminde olduu gibi belirli aralklarla sktrma ilemi yaplmaktadr (Prakas,1981).

Zemine alan geni apl deliklerin akl ile doldurulmas bu yntemin esasn oluturur. Ta kolonlar vibra flotasyon teknii ile yerletirilebilecei gibi, metal muhafaza borularnn iinden zemine dklen akllarn zerine ahmerdan drlerek de oluturulabilir. Skma ilemi yapldka muhafaza borusu aamal olarak yzeye ekilir

Bu yntemde; su kum ve imentonun kartrlmasyla elde edilen ve akcl dk (vizkos) bir karm belirli bir basn altnda zemine enjekte edilir. Karmn nfuz ettii zeminin tanelerini teleyerek sktrr ve durayl bir zon oluturur. Yntemin en nemli avantajlarndan biri de mevcut yaplarn temellerine uygulanabilmesidir.

Yntem svlama potansiyeline sahip zeminin kazlarak kaldrlmas ve yerine svlama eilimi olmayan bir zeminin konmas esasna dayanr. Bu amala genellikle imentoyla kartrlm akl ve kum kullanlmaktadr.

Svlamadan kaynaklanabilecek zararlar, zeminin drenaj kapasitesinin artrlmasyla, suyun zeminden atlmas, attrlmas suretiyle de azaltlabilmektedir. akl ve kum drenleri veya zemine yerletirilen sentetik malzemeler (geomembranlar) balca drenaj teknikleri olarak kullanlmaktadr.

Svlama potansiyeli olan zemin blgelerini, zeminin yapsndan hareket ederek belirli lde tahmin etmek mmkn olabilirse de, bir depremde svlamann olacan tahmin etmek zordur. Zemin tr, younluunu ve yer alt su seviyesinin derinliini belirleyerek, zemin svlama potansiyeli yksek blgeler belirlenebilir. Bunun yannda depremin skl ve bykl, alnacak tedbirlerin belirlenmesinde etkili olur.