Determination of volumetric strains in fully and induced partially saturated sands through dynamic simple shear test device with confining pressure

Abstract

The concept of liquefaction, which is one of the most common research topics in geotechnical engineering, is the loss of vertical effective stress of the soil due to the excess pore water pressure of loose and saturated sands under earthquake loads. The induced excess pore water pressure cannot dissipate due to effect of short-term cyclic loads After a while, liquefaction occurs at the point where the excess pore water pressure is equal to the vertical effective stress. The liquefaction can cause settlements and loss of bearing capacity. The effects of liquefaction were firstly observed in the 1964 Alaska and Niigata earthquakes that caused extensive structural damage and loss of lives. In the literature, studies focused on saturated loose sands and various methods proposed against liquefaction. Many techniques were investigated as a method of soil improvement against liquefaction. IPS, Induced Partial Saturation was one of these newly proposed techniques. The preliminary researches about IPS method was proposed by Eseller (2004) and Yegian et al. (2007). The objective of Induced Partial Saturation (IPS) method, was to reduce the saturation by entrapping air/gas bubbles in the soil to achieve partial saturation. The major advantage of IPS is that it can also be applied under existing structures. The studies published in the literature showed no clear findings on how the degree of saturation affected volumetric strains. It was important to evaluate the volumetric strains developed in partially saturated sands during earthquakes in terms of providing knowledge about the use of IPS as a mitigation technique. Within the scope of the thesis, VJ-Tech Dynamic Simple Shear Test Device with Confining Pressure was used to investigate the dynamic behavior of partially and fully saturated sand specimens. The testing program included; saturation, isotropic consolidation, undrained and drained strain-controlled cyclic simple shear stages. In this study, Şile sand was used for fully and partially saturated sand samples. Moist tamping method was preferred to obtain loose specimens on fully saturated specimens whereas the partially saturated specimens were prepared with IPS technique. In the IPS, sodium percarbonate was selected to generate air/gas bubbles in the sample. In fully and partially saturated sand specimens, excess pore water pressure ratio (ru) was investigated at different shear strain amplitudes under undrained cyclic simple shear tests. During the undrained cyclic simple shear stage, unlike the behavior in fully saturated specimens, the excess pore water pressure (ru) in partially saturated specimens did not reach 1.0 with the increasing number of cycles. After undrained cyclic simple shear tests, the drained cyclic tests were performed on fully and partially saturated sand samples. Some probles faced during the tests and a software setting was recommended by VJ-Tech. Although the recommended setting were applied, it did not work on fully saturated sand samples. The recommended settings worked fine for partially saturated sand specimens. The isotropic consolidation (K0 =1.0) performed prior to drained cyclic simple shear tests. The relationship between volumetric strains, degrees of saturation, relative densities and shear strain amplitudes were investigated by drained cyclic simple shear tests. The volumetric strains decreased with; decreasing degree of saturation, increasing relative density and decreasing shear strain amplitude. Secant shear modulus was evaluated and obtained from the shear stress-shear strain hysteresis loop. In drained cyclic simple shear tests, hardening behavior was observed on partially saturated specimens. The volumetric strains were also compared with Finn et al. (1976) and Byrne (1991) correlations. Experimental results and empirical correlations followed similar trends in samples with low to high degrees of saturation. The presented results showed that the volumetric strains depended on the degree of saturation. The bulk modulus of air-water mixture (Kaw) was estimated by using Martin et al. (1975) effective stress model. The calculated Kaw values were compared with those obtained from the numerical model based predictions Seyedi-Viand and Eseller-Bayat (2020) and Koning (1963) equation. It can be seen that the experimental-based and numerical-based estimations were in a good agreement unlike Koning (1963) predictions. Finally, the findings in this study will provide data and knowledge base for the future research to evaluate the post-liquefaction deformations in specimens mitigated by Induced Partial Saturation (IPS).

Geoteknik mühendisliğinde en yaygın araştırma konularından biri olan zeminlerin sıvılaşması, deprem yükleri altında gevşek ve suya tam doygun kumların ve siltlerin, oluşan aşırı boşluk suyu basıncının etkisiyle, zeminin düşey efektif gerilmesinin düşmesi ve mukavemetini kaybetmesi durumudur. Deprem süresince oluşan kısa süreli çevrimsel yüklerin etkisiyle su drene olamaz ve bu durum aşırı boşluk suyu basıncının artmasına sebep olur. Toplam gerilmenin değişmediği bu durumda oluşan aşırı boşluk suyu basıncının etkisiyle daneler birbirinden uzaklaşmaya başlar. Daneler arası temasın kaybolmasıyla düşey efektif gerilmedeki azalma bir süre sonra oluşan aşırı boşluk suyu basıncına eşit olur ve aşırı boşluk suyu basıncının deprem etkisine maruz kalmadan önceki düşey efektif gerilmeye eşit olduğu noktada sıvılaşma meydana gelir. Sıvılaşma sonrası zeminde oturmalar ve taşıma gücünde azalmalar gerçekleşir. Bu etkiler ilk olarak yapısal hasarların ve can kayıplarının yaşandığı 1964 Alaska ve Niigata depremlerinde gözlemlenmiştir. Literatür çalışmalarında bu doğrultuda suya doygun ve gevşek kumlar üzerine yoğunlaşılmış ve sıvılaşmaya karşı zeminde direnç oluşturabilecek çeşitli yöntemler araştırılmıştır. Bu yöntemlerden biri de son yıllarda geliştirilen Kısmi Doygunluğa İndirgeme (Induced Partial Saturation, IPS) yöntemidir (Yegian et al. 2007, Eseller-Bayat, et al. 2013 (a) ve (b)). Yapılan araştırmalar sonucunda kısmi doygun kumların sıvılaşmaya karşı tam doygun kumlarla kıyaslandığında daha dayanımlı olduğu gözlemlenmiştir. Tekrarlı çevrimsel yükler altında kısmi doygun kumlarda boşluk suyu basıncındaki değişim ve bu değişimin doygunluk derecesiyle olan ilişkisi hakkında çalışmalar gerçekleştirilmiş (Eseller-Bayat, et al. 2013 (a) ve (b), Eseller-Bayat and Gülen 2020) ve araştırmalar halen devam etmektedir. Sıvılaşmaya karşı zemin iyileştirme metodu olarak birçok teknik araştırılmaktadır. Son yıllarda kısmi doygun kumların sıvılaşmaya karşı direnci göz önünde bulundurularak geliştirilen yöntemlerden Kısmi Doygunluğa İndirgeme (IPS) metodundaki amaç, zemin içerisindeki boşluklarda hava kabarcıkları oluşturarak zeminin doygunluk derecesinin düşürülmesi ve kısmi doygunluğun sağlanmasıdır. Kısmi Doygunluğa İndirgeme yönteminin en büyük avantajı mevcut yapıların altında da uygulanabilir olmasıdır. Çevrimsel yükleme sonrasında kısmi doygun kumlarda meydana gelecek olan hacimsel deformasyonların tam doygun kumlarda oluşacak deformasyonlarla kıyaslanabilmesi IPS yönteminin zemin iyileştirme yöntemi olarak kullanılması hakkında bilgi vermesi açısından önemlidir. Literatür çalışmaları incelendiğinde hacimsel deformasyonların tam doygun kumlar üzerine yoğunlaştığı ve doygunluk derecesinin hacimsel deformasyonlar üzerindeki etkisinde çalışmaların devam ettiği görülmektedir. Bu kapsamda yapılan bu tez çalışmasıyla, Hücre Basınçlı Dinamik Basit Kesme Test Sistemi kullanılarak IPS yöntemiyle kısmi doygunluğa indirgenmiş kumların ve tam doygun kumların hacimsel deformasyonlarının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Bu doğrultuda; kısmi ve tam doygun kum numunelerinin dinamik davranışlarını derinliğe bağlı olarak inceleme amacıyla VJ-Tech marka Hücre Basınçlı Dinamik Basit Kesme Test Sistemi ve Clisp Studio yazılımı kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında tam doygun numunelerin drenajsız deformasyon kontrollü çevrimsel yükleme altında farklı birim kayma deformasyon değerlerinde aşırı boşluk suyu basıncı oranı incelenmiştir. Tam doygun numunelerde, gevşek ve doygun numuneler elde etmek amacıyla ıslak tokmaklama yöntemi tercih edilmiştir. Deneylere ilk olarak doygunluk aşamasıyla başlanmış olup, numunenin içinde kalan havayı tamamen dışarıya atıp tam doygun hale getirebilmek amacıyla yüksek değerlerde hücre basıncı ve ters basınç uygulanmıştır. Numunenin doygunluk derecesi yapılan B değeri (Skempton katsayısı) kontrolü ile sağlanmış olup, B değeri en az 0.95 olacak şekilde hücre ve ters basınçlar arttırılarak numune doygun hale getirilmiştir. Doygunluk aşamasından sonra sıvılaşma deneyine geçmeden önce numune 50 kPa ve 100 kPa efektif gerilme altında izotropik olarak konsolide edilmiştir. Belli bir efektif gerilme altında konsolide edilen numuneler deformasyon kontrollü sinusoidal dalga formuna sahip çevrimsel yüklemeye maruz bırakılmıştır. Bu aşamada gerilme-deformasyon eğrisi ve aşırı boşluk suyu basıncı oranları incelenmiştir. Tam doygun numunelerde aşırı boşluk suyu basıncı oranı 1.0'e ulaşmış olup, efektif gerilme ve çevrim sayısına bağlı ilişkiler irdelenmiştir. Tam doygun numunelerin drenajsız çevrimsel yüklemelerinin tamamlanmasından sonra 50 kPa efektif gerilme ve tekrarlı birim deformasyonlar altında kısmi doygun numunelerin deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kısmi doygun numuneler kısmi doyguna indirgeme (IPS) yöntemi ile hazırlanmıştır. IPS yönteminde, numune içinde hava kabarcıkları oluşturması için sodyum perkarbonat kimyasal maddesi seçilmiştir. İlk olarak kum ağırlığına bağlı, farklı oranlarda sodyum perkarbonat kullanılarak cam beherlerde ıslak yağmurlama yöntemi ile deneme numuneleri hazırlanmıştır. Numunelerde kimyasal reaksiyonun 8 saatten sonra yavaşladığı ve 24 saat sonra tamamen durduğu belirlenmiştir. Kum ve kimyasal ağırlığını belirlemek için yapılan bu denemelerde doygunluk derecesine ve sodyum perkarbonat ağırlığının kum ağırlığına oranına bağlı bir korelasyon elde edilmiştir. Bulunan korelasyon sonucunda 0.15'den küçük oranlarda numunenin doygunluk derecesinde ciddi bir azalma görülmemiştir. 0.30'dan büyük oranlarda ise numune kısmi doygun sınırından doygun olmayan derecelere düşmüş ve boşluklarda oluşan büyük hava kabarcıklarından dolayı homojen yapısını kaybetmiştir. 0.15 ve 0.30 aralığında ise numunede küçük hava kabarcıkları homojen olarak dağılmış olup, bu tepkime sonucunda başlangıçta sıkı durumda olan numuneler gevşek duruma geçmiştir. Deneylerde hedeflenen doygunluk derecelerine ulaşabilmek için 0.15-0.30 aralığına sahip oranlarda numuneler kurulmuştur. Hazırlanan numuneler tam doygun numunelerde olduğu gibi doygunluk, konsolidasyon ve sıvılaşma aşamalarında incelenmiştir. Numuneler 50 kPa efektif gerilme altında izotropik olarak konsolide edilmiştir. Sıvılaşma esnasında çevrim sayısına bağlı olarak aşırı boşluk suyu basıncındaki artış gözlemlenmiştir. Aşırı boşluk suyu basıncı oranı tam doygun kumlarda gözlemlenen davranıştan farklı olarak, artan çevrim sayısına rağmen 1.0'e ulaşmamıştır. Tez kapsamında drenajsız deformasyon kontrollü tam doygun ve kısmi doygun numunelere ait deneylerin tamamlanmasından sonra benzer özellik ve parametrelere sahip tam doygun ve kısmi doygun numunelerde drenajlı deformasyon kontrollü deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın başlangıcında çevrimsel yükleme sonrası oluşan aşırı boşluk suyu basıncının drene olmasıyla zeminde oluşacak hacimsel deformasyonu tayin edilmek istenmiş ancak deney aletinde çevrimsel yükleme sonrası drenaj aşaması yapılamadığı için, deney planı drenajlı çevrimsel yükleme esnasında oluşacak hacimsel deformasyonu bulmaya yönelik olmuştur. İlk olarak tam doygun kum numunelerde deneyler yapılmaya başlanmıştır. Deney prosedüründe belirtildiği üzere düşey efektif gerilmenin deney süresince sabit kalmadığı ve gittikçe azalmaya başladığı gözlemlenmiştir. Kısmi doygun kum numunelerde de aynı davranış gözlemlendiği için elde edilen değerlerin güvenilir olmadığı düşünülerek, Clisp programında efektif düşey gerilmeyi sabit tutabilmek için izotropik konsolidasyondan sonra VJ-Tech firması tarafından önerilen kısa süreli anizotropik konsolidasyon ayarı aşaması yapılmıştır. Ancak anizotropik ayarında hücre içindeki ortam koşullarını değiştirmemek için K0=1.0 olarak alınmıştır. Yapılan bu ayarlamadan sonra drenajlı çevrimsel yükleme aşamasında ise tam doygun kum numunelerde deney başlangıcında, kısmi doygun kum numunelerde ise deney tamamlanmadan numunede göçme meydana gelmiştir. Bu soruna çözüm olarak Clisp programında düşey yükü kontrol eden bölge için kalibrasyonda değişiklikler yapılmıştır. Yapılan değişiklik sonucu kısmi doygun numunelerde drenajlı çevrimsel yükleme aşaması yapılabilirken, tam doygun numunelerde bu uygulama bir çözüm olmamıştır. Kısmi doygun numunelerde hücre içerisindeki izotropik durumu değiştirmeyecek şekilde K0=1.0 anizotropik ayarı yapılarak ve 1.0 Hz frekansa sahip tekrarlı birim deformasyonlar altında drenajlı çevrimsel yükleme deneyleri yapılmıştır. Farklı doygunluk derecesinde hazırlanan numunelerde doygunluk derecesi, sıkılık derecesi ve kayma birim deformasyonların hacimsel birim deformasyonlar üzerindeki etkileşimi incelenmiştir. Çevrimsel yükleme altında drenajlı deformasyon kontrollü deneylerde numunelerde genel olarak gevşek kum davranışı gözlemlenmiş ve hacimsel olarak sıkışma meydana gelmiştir. Artan doygunluk derecesiyle birlikte hacimsel deformasyonlarda artış görülürken, sıkılık derecesi arttıkça hacimsel deformasyonda azalma görülmüştür. Artan çevrim sayısı ile kayma gerilmelerindeki artışa bağlı olarak numunelerde pekleşme davranışı gözlemlenmiştir. Kısmi doygun kum numuneye ait sekant kayma gerilmesi degradasyon eğrisi elde edilmiştir. Yapılan drenajsız deneyler sonucu elde edilen aşırı boşluk suyu basıncı oranı ile drenajlı deneyler sonucunda bulunan hacimsel deformasyonlar kıyaslanmış olup, yüksek aşırı boşluk suyu basıncı oranlarında daha fazla hacimsel deformasyonların oluştuğu görülmüştür. Hacimsel deformasyonların tayininden sonra, drenajsız deneylerden elde edilen boşluk suyu basıncındaki değişim ve drenajlı deneylerden elde edilen hacimsel deformasyondaki değişimden faydalanılarak Martin et al. (1975) tarafından önerilen efektif gerilme modeli ile su-hava karışımına ait hacimsel (sıkışma) modülü (Kaw) deneysel olarak tahmin edilmiştir. Bulunan sonuçlarda hacimsel deformasyon modülünün azalan doygunluk derecesiyle birlikte azaldığı gözlemlenmiştir. Elde edilen Kaw değerleri, hacimsel modülü doygunluk derecesine bağlı olarak tahmin eden Koning (1963) denklemi ve Seyedi-Viand and Eseller-Bayat (2020) nümerik sonuçları ile kıyaslanmıştır. Koning denkleminden hesaplanan değerlerin deneysel olarak elde edilen Kaw değerlerinden daha düşük geldiği belirlenirken, nümerik sonuçlar ile deneysel sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür. Koning denklemi ile deneysel sonuçların birbiriyle uyuşmaması hacim modülü için yeni bir formülasyon geliştirilebileceği sonucunu çıkartmıştır. Nümerik analizlerle deneysel çalışmaların tutarlı bir şekilde değerlendirilebilmesi için doygunluk derecesine göre Kaw parametresi önemli bir rol oynamaktadır. Kısmi doygun kumların boşluklarında yer alan su-hava karışımının hacim modülünün doygunluk derecesine göre belirlenmesi, nümerik analizlerde kısmi doygun kumların çevrimsel yükleme altındaki davranışının gerçekçi olarak tayin edilmesi açısından oldukça önemlidir. Yapılan çalışmalar sonrasında drenajlı çevrimsel yüklemeler altında artan çevrim sayısına bağlı olarak kısmi doygun numunelerde hacim azalması eğilimi görülmüştür. Hacimsel sıkışmaya bağlı olarak numunelerde pekleşme meydana gelmiştir. Gözlemlenen hacimsel deformasyonların birim kayma deformasyonundaki artışla birlikte arttığı belirlenmiştir. Ayrıca numunelerin sıkılık derecesi de hacimsel deformasyonları etkileyen bir başka önemli parametredir. Kısmi doygun kumlarda doygunluk derecesinin azalmasıyla daha düşük değerlerde hacimsel deformasyonlar meydana gelmiştir. Elde edilen bulgular, kısmi doygunluğa indirgeme (IPS) yöntemiyle hazırlanan numunelerin çevrimsel yüklemeler sonrası meydana gelecek deformasyonlarının incelenmesi açısından gelecek literatür çalışmalarına katkı sağlayacaktır.