Sıvılaşabilir siltli zeminlerin koni penetrasyon deneyi ile tanısı

Depremler özellikle alüvyal ortamlarda zemin büyütmesi, çevrimsel yumuşama ve sıvılaşma gibi olumsuz zemin davranışlarını ortaya çıkarabilmekte ve bu etkilere maruz kalan zeminler üzerlerinde bulunan yapılarda büyük deformasyonlara veya göçmelere neden olabilmektedir. Adapazarı gibi su seviyesinin yüzeye yakın olduğu alüvyal ortamlarda sıvılaşma problemi yaygın olarak görülebilmektedir. Suya doygun kumlar, siltli kumlar ve siltler sıvılaşmaya en yatkın zemin türleridir. Sıvılaşabilir ve sıvılaşmaz zeminlerin belirlenebilmesi için pek çok farklı yöntem mevcuttur. İri daneli zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi için kullanılan yöntemler yeterince mevcut olup tutarlı sonuçlar vermektedir. Yapılan araştırmalardan anlaşıldığı üzere ince daneli zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi için önerilen yöntemlerden genel bir yaklaşım elde etmek pek mümkün olmamaktadır. Zeminlerin fiziksel özelliklerine dayalı olarak geliştirilen sıvılaşma kriterleri birbirinden farklı zemin özellikleri ve bu özelliklerin farklı sınır değerlerini sunmaktadır. Bu sebeple mevcut kriterlerden yola çıkarak bu çalışmada kullanılan veri tabanındaki zeminler ile makine öğrenmesi yöntemlerine dayalı yeni öneriler sunulmuştur. Çalışma kapsamında, iyi bilinen yedi makine öğrenimi yaklaşımı kullanılarak zemin sıvılaşma potansiyeli için bir model sunulmuştur. Kullanılan algoritmalar tüm veri setinin eğitim kalitesine göre sıralandığında karar ağaçlarının (DT) %90 doğruluk başarı oranı ile en yüksek sonuçları elde ettiği görülmüştür. Belirtilen DT modeli, rastgele seçilen eğitim setinde %91 ve test setinde %84 doğrulukla sonuçlanmıştır. Bu çalışmadaki DT modeli sıvılaşma tahmini için iyi bir alternatif sunmakta ve önceki çalışmalara göre daha doğru sonuçlar vermektedir. Ayrıca ele alınan veri setindeki özelliklerin önemi karar ağaçları ile belirlenmiştir. Buna göre özellik sıralaması D50, derinlik, kil içeriği FC, kil yüzdesi, wn, wL olarak keşfedilmiştir. Günümüzde zemin incelemelerinde önemli bir yer tutan ve nitelikli veriler elde edilmesini sağlayan koni penetrasyon deneyi (CPT) sonuçlarıyla da sıvılaşma analizi yapılmaktadır. CPT ile zeminlerin sınıflandırılmasında zemin davranış indeksi (Ic) ön plana çıkmaktadır. CPT sonuçları ve farklı araştırmacılar tarafından sunulan Ic formülleri, veri tabanında bulunan ince daneli zeminlerin fiziksel özellikleriyle pek çok yönden karşılaştırılmış ve sıvılaşabilir ve sıvılaşmaz zeminlerin ayırt edilmesi için belirleyici olabilecek bulgular elde edilmiştir. Mevcut Ic formüllerinin sıvılaşabilir ve sıvılaşmaz zeminleri belirlemede nasıl bir performans sergilediği incelenmiş ve iyileştirmeye yönelik olarak Ic formüllerinin optimizasyonu yapılmıştır. Kil ve silt zeminlerin sınırlarının Ic ile belirlenmesine yönelik 1999 Adapazarı depremimden itibaren yapılan saha çalışmalarından elde edilen geniş bir veri tabanı kullanılmıştır. CPT deneyleriyle eş zamanlı olarak yapılan sondajlardan elde örselenmiş ve örselenmemiş numunelerle yapılan fiziksel özellik deney sonuçları da bulunmaktadır. Böylece CPT verisiyle birlikte geleneksel sınıflandırma yöntemlerinde kullanılan zeminlerin fiziksel özellikleri verileri bir araya getirilmiş, bu verileri karşılaştırma ve analiz etme imkanı doğmuştur. Veri tabanında bulunan 776 veri kullanılmıştır. Söz konusu her bir verinin likit limit, plastik limit, kil yüzdesi, su muhtevası, ince dane oranı ve ortalama dane çapı gibi bilgileri bulunmaktadır. İnce daneli zeminlerin sınıflarını belirlemek için çeşitli araştırmacılar tarafından önerilen zemin davranış indeksi Ic değerleri kullanılmaktadır fakat kil ve silt zeminler için belirli bir Ic değeriyle tam bir ayrım yapılamamaktadır. Seçilen her bir Ic değerine karşılık gelen kil ve silt bulunabilmektedir. Kil ve siltlerin en iyi ayrımını yapan öyle bir Ic belirlensin ki bu değerin altında maksimum seviyede minimum seviyede killer bulunması hedeflenmiştir. Farklı araştırmacılar tarafından önerilen Ic formülleriyle kil ve siltlerin dağılımları incelendiğinde kil ve siltleri ayırmada en yüksek doğrulukla ayırabilecek sınır değeri, kil ve siltlerin her bir Ic formülüne göre aldıkları minimum ve maksimum değerleri bulunmuştur. Kil ve siltleri ayırmada belirlenen sınır değerinin altında kalan oranların farkına göre sonuçlar incelendiğinde Ic =2.55 sınır değeriyle %74.5 fark oranı ile en iyi ayrımı yaptığı söylenebilir. Zemin davranış endeksi Ic değerleriyle sıvılaşabilir ve sıvılaşmaz zeminlerin belirlenmesi için veri tabanındaki zeminlerin farklı araştırmacılar tarafından önerilen Ic değerleri ayrı ayrı analiz edilmiştir. Bu noktada öncelikle zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi gerekmektedir. Zeminlerin sıvılaşma potansiyeli belirlenirken daha önce yapılan çalışmalardaki saha gözlemlerine bakılmıştır. Saha gözlemleri bulunmayan sahalar için literatürde fiziksel özelliklere dayalı olarak belirlenen sıvılaşma kriterleri göz önünde bulundurulmuştur. Sıvılaşma potansiyeli düşük ve yüksek olan zeminlerin zemin davranış tipi indeksi Ic, farklı araştırmacılar tarafından önerilen formüllere göre hesaplanmış bu formüllerden hangilerinin sıvılaşabilir ve sıvılaşmaz zeminleri daha net bir şekilde ayırt edebildiği irdelenmiştir. Buna ilaveten her bir formüldeki elemanların içerisinde çeşitli katsayılar kullanılmaktadır. Bu katsayıların belirli sınırlar içerisinde değişiminin sıvılaşır ve sıvılaşmaz bölgeyi daha iyi bir şekilde belirlemesinin mümkün olup olmadığı irdelenmiştir. Yapılan optimizasyon sonucunda orijinal formüllere göre %21,6 mertebelerine varan iyileştirmeler olduğu görülmektedir. Herhangi bir Ic formülünün sıvılaşma potansiyeli düşük ve yüksek olan zeminleri net bir şekilde ayırt edemediği bazı zeminlerin her halükarda ortak alanda kaldığı görülmektedir. Fiziksel özellikleri bilinen ince daneli 776 numunenin farklı araştırıcılara göre sıvılaşma değerlendirilmesi yapılmıştır. Yapılan bu değerlendirmelere göre her bir yönteme göre sıvılaşan, sıvılaşmayan ve test bölgesine düşen veriler tespit edilmiştir. Daha sonra sıvılaşan ve sıvılaşmayan numuneler ait ortalama koni penetrasyon uç direnci, sürtünme direnci ve boşluk suyu basınçları tespit edilmiş ve bu ham verilerden zemin sınıflamasına yönelik olarak normalize edilmiş uç dirençleri ile sürtünme oranları tespit edilmiştir. Sıvılaşan, sıvılaşmayan ve test bölgesine düşen Ic değerlerinin normal dağılımları incelenmiştir. Sıvılaşmaz, sıvılaşabilir ve test bölgesine düşen zeminlerin zemin davranış indeksleri ile normalize edilmiş uç direnci ve sürtünme oranları göz önüne alınmıştır. CPT verileri göz önüne alındığında bir zeminin sıvılaşmaz kabul edilebilmesi için zemin davranış indeksinin (Ic) 2.98'den büyük olması gerekmektedir. Ayrıca normalize edilmiş uç direncinin 10'dan küçük ve normalize edilmiş sürtünme oranının ise 3.08'den büyük olması gerekmektedir.