Özel Sıvılaşma Düzeneği İçinde Çevrimsel Basit Kesme Deneyleri Altında Kum Davranışının Sayısal Modellenmesi

Abstract

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) FLAC 3D 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.

Liquefaction is one of the most catastrophic effects of earthquakes to the built environment. Liquefaction causes decrement of shear strength in fully saturated loose sands due to excess pore water pressure increment during a repeated loading or dynamic excitation, such as an earthquake. The devastating results of liquefaction can be listed as bearing capacity failures, lateral spreading, differential settlements, etc. In order to reduce liquefaction related failures, some mitigation techniques are implemented in practice. Induced-Partial Saturation (IPS) which has been recently proposed by Yegian et al.(2007) and Eseller-Bayat (2009) is a technique to mitigate liquefaction by generating air/gas in fully saturated liquefiable sand sites. An experimental study was performed to investigate excess pore water generations in partially saturated sands, that were tested in cyclic simple shear liquefaction box (CSSLB) by Eseller-Bayat (2009). This thesis study includes the initial tasks of a TUBİTAK funded project (No: 213M367) with a title ''Dynamic Response of Sands Mitigated by IPS (Induced Partial Saturation) under New and Existing Structures''. The primary goal of this project is to numerically model partially saturated sands and determine how much partial saturation should be induced in liquefiable areas and how accurate the RuPSS (excess pore water pressure ratio in partially saturated sands) empirical model predicts the liquefaction response of remediated sites by IPS. First, the shaking table tests and the CSSLB box setup are numerically modeled in FLAC3D. Fully saturated sand specimens are tested under cyclic simple shear conditions at a range of relative densities (Dr) and shear strain amplitudes (γ) and compared with the shaking table test results from excess pore water pressure ratio (ru) and number of cycles to liquefaction (NL) point of view. More numerical data are obtained for high effective stresses that could not be achieved under shaking table tests due to the limitations of the CSSLB setup. A formulation for NL is developed as a function of relative density (Dr), simple shear strain amplitude (γ) and initial effective stress (σ'v0). Then, partially saturated specimens are modeled in FLAC3D, by changing the bulk modulus of air-water mixture based on Koning (1963) equation and are compared with the shaking table test results in terms of maximum excess pore water pressure ratio (rumax) and number of cycles to rumax (Nmax). It is concluded that the rumax values obtained in numerical model analysis are lower for high degree s of saturation (S) and higher for lower degrees of saturation than experimental results. Also, Nmax values are achieved higher in numerical analysis results. Future research is needed for modelling the bulk modulus of air-water mixture for numerical modeling. A procedure is suggested in this study for determining the initiation of liquefaction by using NL formulation developed and equivalent number of earthquake cycles Nγ . If Nγ / NL ≥1 liquefaction initiates in that sand layer. The procedure is confirmed with the results of a free-field 15 m sand layer numerical model tested under an earthquake record with magnitude M. RuPSS model prediction is also compared with the free-field 15 m partially sand layer results. The excess pore water pressure ratio ru reached rumax in both results, however the RuPSS model predicted the rumax values higher than the numerical model results. Finally, important issues in numerical modeling of experimental and free-field fully and partially saturated sands for dynamic and liquefaction conditions in FLAC3D are presented in this study.