Zeminlerin sıvılaşmasında tabakalaşma etkisinin sayısal analiz ile belirlenmesi

Artan bilimsel çalışmalar ışığında sıvılaşma konusunda çok sayıda araştırma yapılmakta olup güncel konulardan biri zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesinde üst tabaka etkisinin incelenmesidir. Bu çalışmada literatürde Ishihara (1985) tarafından önerilen ön değerlendirme abağı ve diğer araştırmacılar tarafından önerilen sıvılaşma şiddet endeks değerlendirmeleri üzerine literatüre katkı sağlamak maksadıyla sayısal analiz yöntemi ile tabakalaşma etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Yapılan çalışmalarda; sıvılaşmayan bir katman altında, sıvılaşma potansiyeli olan bir tabaka bulunması durumunda üzerinde yer alan yapıda oluşacak deformasyonların tespit edilmesinde sayısal analiz programının kullanılarak elde edilen sonuçların göreli kat ötelenmesi, kaykılma, eğilme ve oturma davranışları açısından değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle değerlendirmenin yapılabilmesi için Sakarya/Adapazarı'nda sıvılaşan ve sıvılaşmayan tabakanın yer aldığı bir sondaj logu seçilerek seçilen sondaj loguna dair deneysel parametreler elde edilmiştir. Seçilen sondaj logunda belirtilen SM3 (Sıvılaşma potansiyeli bulunmayan) zemin tabakası üstte olacak şekilde, SM4 (Sıvılaşma potansiyeli bulunan) ve altında CH4 kil tabakasından oluşan zemin modeli oluşturulmuştur. Öncelikle seçilen log kapsamında yer alan 75 m derinliğe sahip SK-2 kolonunun bir boyutlu olarak analizi literatürde yer alan "1999 Marmara Deprem kaydı" kullanılarak analiz gerçekleştirilmiş, SM3 tabakasının sıvılaşmadığı, SM4 tabakasının sıvılaştığı görülmüştür. Bahse konu SK-2 sondaj logunun bir boyutlu (1D) analizi öncesi -25 m kotunda nokta tanımlanarak, söz konusu noktaya dair ivme kaydı elde edilmiştir. 75 m derinliğe sahip sondaj logunun 25 m'sinde yer alan ivme kaydı bahse konu logun ilk 25 m'si modellenerek analiz gerçekleştirilip sonuçlar karşılaştırıldığında benzerliğin bulunduğu görülmüştür. Gerçekleştirilen bir boyutlu (1D) analiz sonrasında aynı model (2D) olarak modellendiğinde zemin yüzeyinde meydana gelen ivme değerlerinin yaklaşık 2 katına yaklaşabilecek şekilde arttığı görülmüştür. Bu durumun zemin içerisinde meydana gelen sismik davranışın zemin içerisinde yansımaya sebep olması ve model genişliğinin kısa ya da yeteri kadar uzun tutulmamasından kaynaklı olabilecek şekilde sınır koşullarından kaynaklanabileceği hususu tespit edilmiştir. Model, üst tabaka etkisinin araştırılması kapsamında sıvılaşmayan tabaka altında yer alan sıvılaşabilen tabaka altında bulunan kil tabakası ile oluşturulan model üzerine genişliği 10 m, yüksekliği 15 m olan bir bina modellenmiştir. Sonrasında seçilen model genişliğinin sonuçlar üzerinde etkileri irdelenmeye çalışılmıştır. Bu kapsamda farklı genişliklere (600 m, 800 m ve 1000 m'de) sahip modellemeler yapılmıştır. Modellere dair analizler gerçekleştirilmiştir. Model genişliği 600 m olan modelde sınır koşullarından kaynaklı yüksek ivme değerlerinin model ortasında görüldüğü gözlemlenmiştir. Model ortasında meydana gelen boşluk suyu basınçlarının, model genişliğinin 800 m olduğu model için azaldığı, model genişliğinin 1000 m olduğu modelde ise daha stabil hale geldiği görülmüştür. Sınır koşullarının model üzerinde etkisinin azaltmak maksadıyla model genişliği 1000 m olarak seçilmiştir. Sayısal analiz için davranışın modellenmesi ile ilgili olarak literatürde yer alan UBC3D-PLM bünye modeli seçilmiştir. İlgili parametreler ilgili sayısal analiz programı tarafından hazırlanan kullanım kılavuzunda yer alan formülasyonlar kullanılarak kalibre edilmiştir. Literatürde yer alan çalışmalarda P_ref değeri atmosferik basınca eşit olması maksadıyla 100 Kpa olarak kabul edildiği görülmüştür. Bu çalışmada Boulanger (2003b) tarafından K_σ düzeltme katsayısı ilişkisi için önerilen denklem doğrultusunda UBC3D-PLM bünye modeli kapsamında kullanılan bir model sabiti olan P_ref değeri her bir tabaka için kalibre edilerek, elde edilen değerleri üzerinden analizler gerçekleştirilmiştir. Üst tabaka etkisinin araştırılması maksadıyla, zemin üstünde yer alan ilk 10 m'lik kısımda bulunan sıvılaşmayan tabaka kalınlığı 2'şer metre kalınlıklarla arttırılması ile elde edilen toplam altı adet model için sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Sıvılaşma potansiyelinin tayininde literatürde kullanılan sıvılaşma şiddet indeks değerleri deterministik yöntemler ile tespit edilmiştir. Elde edilen değerlerin tanımlamaları yapılmıştır. Belirlenen zemin profilleri doğrultusunda analizler gerçekleştirilerek model üzerinden belirlenen noktalar vasıtasıyla gerekli karşılaştırmalar yapılmaya çalışılmıştır. Model üzerinde belirlenen noktalar üzerinde göreli kat öteleme, oturma, kaykılma ve eğilme kontrolleri açısından gerekli karşılaştırmalar yapılmıştır. Öncelikle literatürde yer alan Ishihara (1985) tarafından önerilen ön değerlendirme abağı ile doğrultusunda değerlendirildiğinde elde edilen sayısal analiz sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Literatürde yer alan sıvılaşma şiddet indeks ölçeklemelerinin birbirleri değerlendirilmesi halinde anlamca farklı kavram üzerinden yanlış değerlendirmeye sebebiyet verebileceği anlaşılmıştır. Ishihara (1985) tarafından hacimsel birim deformasyon değerinin %1 dolayına varması kabulüne dayalı ve sadece ön değerlendirme amacıyla kullanılan abakta sonlu elemanlar yazılımı ile modellenen modellere dair analiz sonuçlarının uyumlu olduğu izlenmiştir. Deterministik yöntemler ile elde edilen sıvılaşma şiddet ölçek değerlendirilmelerinde elde edilen sonuçların kavramsal olarak değerlendirilmesine katkı sağlanmaya çalışılmıştır. Bazı sıvılaşma şiddet ölçekleme yöntemlerinin kullanılması uygulanacak proje açısından uygun olamayacağı asla göz önünden kaçırılmamalıdır. Sönüm oranının seçiminde model bazında analiz sonuçlarının büyük ölçüde etkilediği ayrıca literatürde yer alan sönüm parametrelerinin belirlenme yöntemlerinin birbirinden farklı olduğu ve birçok araştırmada sönüm değerlerinin belirlenme çalışmalarının geliştirilmesine ihtiyaç duyulduğu ifade edilmesi yönünde değerlendirmelerin yapıldığı görülmektedir. Literatürde sıvılaşmayan tabakaların HS-Small olarak tanımlanması önerilmekte, ancak bu çalışmada sıvılaşan tabaka üzerinde sıvılaşmayan tabakanın sıvılaşıp, sıvılaşmayan tabaka üzerindeki etkiyi simüle etmesi maksadıyla tüm tabakaların UBC3D-PLM bünye modeli ile modellenmesi sağlanmıştır. Sıvılaşmayan tabakada boşluk suyu basıncı artı değerde basınç üreterek toplam efektif gerilmeye ilave dayanım getirdiği görülmektedir. Bu durumun sıkı kumda oluşması halinde hacimsel genişlemeye sebep olacak şekilde davranış sergilediğinden hesaplanan artık boşluk suyu basınçları +/- şeklinde işaret değiştirdiği şeklinde değerlendirilmektedir. Modeller arasında ivme değerlerinin değerlendirilmesi program tarafından elde edilen PSA diyagramları üzerinden karşılaştırılması yapılmıştır. Sıvılaşan tabakanın olmadığı ile sıvılaşan tabakanın olduğu modeller arasında yüzeye ulaşan ivme değerleri açısından büyük farklar olduğu görülmüştür. Bu durumun model içerisinde yer alan sıvılaşan tabakanın yüzeye ulaşan ivme değerinde sönümlenmesinden kaynaklı daha az olacak şekilde ivme değerlerinin aktardığı görülmüştür. Yapının zemin üzerinde oturması ile ilgili olarak; sıvılaşmayan üst tabaka kalınlığı arttıkça ortaya çıkan oturma miktarında azalmaların olduğu görülmüştür. Göreceli kat ötelenmesi açısından hasar derecelerinin tespit edilmesi; Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği(Yönetmeliği (TBDY) çerçevesinde hasar değerlendirmeleri yapıldığında ilk 10 m için sıvılaşmayan tabaka altında yer alan sıvılaşan tabaka kalınlığı arttıkça alt yapının zarar görmesinden, ağır hasara doğru bir kademeli değerlendirme yapılmıştır. İlk 10 m'lik tabakada sıvılaşan tabakanın var olması halinde etkisinin yüzeye ulaşması ihtimalinin yüksek olacağı düşünülmektedir.