Numerical modelling of sand behavior under cyclic simple shear tests in a special liquefaction box

Sıvılaşma sıklıkla gevşek suya doygun kumlu topraklarda görülen depremin çevremize ve yapılarımıza yaptığı yıkıcı etkilerinden biridir. Sıvılaşma deprem anında doygun gevşek kumlarda görülen ve boşluk suyu basıncının artması ile büyük deformasyonlara neden olan yıkıcı bir olaydır. Boşluk suyu basıncındaki artışın (Δu) düşey efektif gerilmeye (σ'v0) eşit olma durumunda zemin dayanımını kaybeder ve sıvı faza geçer.Sıvılaşmanın neden olduğu hasarlar, taşıma gücü kayıpları, yanal yayılma ve farklı oturmalarla sonuçlanabilir. Sıvılaşmanın yıkıcı etkisini yok etmek adına, günümüzde çeşitli zemin iyileştirme yöntemleri geliştirilmiştir. Bu tekniklere ek olarak, sıvılaşma etkisini engellemek adına diğerlerinden daha pratik ve ekonomik olması avantajıyla Kısmi-Doyguna İndirgeme (IPS) yeni bir yöntem olarak Yegian vd. (2007) ve Eseller-Bayat (2009) tarafından geliştirilmiştir. Bu yöntemin konsepti kumun boşluklarında gaz kabarcıkları üreterek kum zeminlerin doygunluk derecesini azaltmaktır. Bu tez çalışması TÜBİTAK destekli 213M367 proje numaralı '' Deprem Anında Sıvılaşmayı Engellemek Amacıyla Önerilen ''Kısmi-Doyguna İndirgeme (IPS)'' Yöntemiyle İyileştilimiş Zeminlerinin Mevcut veya Yeni Yapılar Altında Dinamik Davranışı'' başlıklı proje çalışmasının ilk aşamalarını kapsamaktadır. Önerilen proje yeni bir zemin iyileştirme metodu olan ''Kısmi Doyguna İndirgeme (IPS)' tekniğinin gerçek zemin koşullarında uygulandığında hem serbest zeminde hem de yapı-zemin etkileşimi ile oluşacak aşırı boşluk suyu basıncı ve oturmaları tahmin etmeyi amaçlayan bir modelin oluşturulmasını planlamaktadır. Aynı zamanda IPS saha uygulamasında spesifik bir bölgede sıvılaşma kaynaklı hasarı minimize etmek için sağlanması gereken kısmi doygunluk derecesini de bu modelle belirlemeyi amaçlanmaktadır. Bu kapsamda ilk olarak, sarsma tablası deneyleri ve özel sıvılaşma deney düzenegi (CSSLB, çevrimsel basit kesme sıvılaşma deney düzeneği) FLAC3D sayısal analiz programında modellenmiştir. Suya tam doygun kum numuneleri bir dizi relatif sıkılık (Dr) değerlerinde ve farklı kesme birim deformasyon büyüklükleri (γ) altında çevrimsel basit kesme birim deformasyonlarında sayısal olarak test edilmiş ve sarsma tablası deney sonuçları ile aşırı boşluk suyu basıncı (ru) ve sıvılaşma için gerekli çevrim sayısı (NL) değerleri cinsinden kıyaslanmıştır. Yüksek efektif gerilmeler için CSSLB deney düzeneğinin sınırlandırmalarından dolayı elde edilemeyen çıktılar sayısal analizle elde edilmiştir. Tam doygun kumlarda yapılan basit kesme sayısal analiz sonuçlarına ve sarsma tablası deney sonuçlarına göre düşük ve yüksek efektif gerilmelerde elde edilen sıvılaşma için gereken çevrim sayısı NL için relatif sıkılık (Dr), kesme birim deformasyon büyüklüğü (γ) ve başlangıç efektif gerilme (σv0')'ye bağlı olarak bir formülasyon geliştirilmiştir. Kısmi doygun kum numuneleri boşluklardaki su-hava karışımının hacim modülü ya da sıkışabilirliğini doygunluk derecesine göre tahmin eden Koning (1963) denklemi kullanılarak FLAC3D yazılımında modellenmiş ve sonuçlar sarsma tablası deney sonuçları ile maksimum boşluk suyu basınç oranı (rumax) (zeminin çevrim sayısı devam edildiği sürece erişebileceği ve orda sabit kalacağı maksimum değer) ve rumax'e ulaşmak için gereken çevrim sayısı (Nmax) cinsinden karşılaştırılmıştır. Sayısal analizlerde elde edilen rumax değerleri deneysel sonuçlardan yüksek doygunluk derecelerinde daha düşük, düşük doygunluk derecelerinde daha yüksek, Nmax değerleri ise deneysel sonuçlardan daha fazla elde edilmiştir. Kısmi doygun kumların modellenmesinde Koning denkleminin yetersiz kaldığı ve hava-su karışımının hacim modülü veya sıkışabilirliği için yeni bir formülasyonun gelecek araştırmalarda geliştirilmesi gerektiği sonucu çıkarılmıştır. Bu çalışmada ayrıca, sıvılaşmanın olup olmadığını tahmin edebilecek pratikte kullanılabilecek bir basit metod geliştirilmiştir. M şiddetindeki bir depreme eşdeğer çevrim sayısı Nγ ve bu çalışmada geliştirilen NL değerleri kullanılarak, Nγ / NL ≥1 olduğu durumda sıvılaşmanın gerçekleştiği tahmin edilebilmektedir. Suya tam doygun 15 m derinliğinde serbest saha kum modeli üzerinde yapılan M şiddetindeki bir deprem altında yapılan sıvılaşma analizleri ile bu metod doğrulanmıştır. NL değerinin belirlenebilmesi için kum tabakasından deprem kaynaklı oluşan birim kesme deformasyon kayıdının yer tepki analizleri ile belirlenmesi gerekmektedir. (ProSHAKE, EERA gibi programlar kullanilabilir.) Suya kısmi doygun 15 m derinliğindeki serbest saha kum modeli üzerinde M şiddetindeki bir deprem altında yapılan sıvılaşma analizleri sonuçları, RuPSS (kısmi doygun kumlarda boşluk suyu basıncı oranı) ampirik tahmin modeli sonuçları ile kıyaslanmıştır. Sayısal sonuçlarda da ve RuPSS tahmin sonuçlarında da ru, rumax değerlerine ulaşmıştır ancak RuPSS modeli rumax değerlerini daha büyük tahmin etmiştir. FLAC3D programında dinamik ve sıvılaşma modellemelerinde hem deneysel hem de serbest saha modellemelerinde dikkat edilmesi gereken önemli husular bu çalışmada sunulmuştur.