Dane Dağılımı, İnce Dane Oranı Ve Silt Dane Şekil Özelliklerinin Kumdaki Statik Sıvılaşma Davranışına Etkisi

Abstract

Zemin sıvılaşması, geoteknik mühendisliğinin en önemli olgularından biri olup, çeşitli dinamik veya statik yükler neticesinde, özellikle kumlu zeminlerde, çeşitli problemlere yol açabilmektedir. Zemin sıvılaşması modern geoteknik mühendisliğinin son elli yılı gözönüne alındığında en çok merak edilen ve araştırılan konulardan birisi olma özelliğini halen korumaktadır. Bunun en önemli sebebi; ister statik ister dinamik yükler etkisinde gerçekleşsin, sıvılaşmanın sonuçlarının çoğu zaman, ekonomik ve sosyal anlamda önemli kayıplara neden olmasıdır. Bu sebeple, özellikle silt ve kil gibi ince dane içeren kumlu zeminlerin, sıvılaşma davranışı laboratuvar ortamında, ince dane içeriği, plastisite vb... gibi çeşitli parametreler kontrol altında tutularak incelenmeye devam edilmektedir. Her ne kadar SPT, CPT ve kuyu yöntemi kullanarak, kayma dalgası hızı belirleme gibi arazi deneyleri ile sismik yükler altında sıvılaşma potansiyeli tahmini yapılabilse de, statik yükler altında sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi için benzer arazi deneylerine dayanan bir yöntem bulunmamaktadır. Bu sebeple kumlu zeminlerden oluşan setler, dolgular, kıyı ve liman zeminleri, sualtı şevleri ve hidrolik dolgular vb... gibi mühendislik yapılarının statik yükler altında sıvılaşma potansiyellerinin belirlenmesi için drenajsız üç eksenli basınç deneyi yapılması gerekmektedir. Başlangıçta sıvılaşma vakalarının, kumlu zeminde meydana geldiğini kabul ederek, araştırmacılar laboratuvarda bu tür zeminlerin davranışlarını belirlemek üzere çeşitli deneyler yapmışlardır. Ancak, saha çalışmaları ve vaka analizleri, sıvılaşabilen suya doygun gevşek kumlu zeminin bir çoğunun çeşitli oranlarda silt muhteva ettiğini göstermiştir. Bu gözlemler sonucu, çeşitli parametrelerin kontrol edilmesine dayanan laboratuvar çalışmaları hız kazanmış ve geoteknik literatüründe, özellikle gerilme koşulları, numunelerin hazırlanması ve ince dane oranının sıvılaşma davranışına nasıl etki ettiği sorgulanmıştır. Araştırmacıların amacı, söz konusu gerçek arazi gerilme koşullarını, laboratuvar ortamında gerçekleştirmek olmuştur. Ayrıca, kohezyonsuz zeminlerden örselenmemiş numune almak çok kolay olmadığından dolayı, laboratuvarlarda hazırlanan numunelerin, arazi koşullarını ne derece temsil ettiği diğer bir araştırma konusudur. Farklı araştırmacılar tarafından önerilen numune hazırlama yöntemlerinin avantaj ve dezavantajlarını gözönüne alarak, siltli-kum zemin için kuru huni yöntemi ile hazırlanmıştır. Geotenik literatüründe, temiz kumun dane dağılımının ve şekil özellikerinin, sıvlaşma davranışına etkileri, çok az sayıda bilimadamı tarafından araştırılmıştır. Buna rağmen, kumun içinde bir miktar silt olduğunda, dane dağılımının, sıvılaşma sırasında nasıl etkilendiği çok az bilinmekteydi. Ayrıca siltin dane şekil özelliklerinin siltli kumun drenajsız kayma mukavemetine ve sıvılaşma davranışına etkileri bilinemiyordu. Bu araştırmanın amacı, çeşitli faktörlerin, siltli kumun statik yükler altında sıvılaşma potansiyeline etkilerini incelemektir. Bu faktörler; ince dane oranı, ana kum dane dağılımı, siltin dane dağılımı, siltli kumun dane dağılımı, siltin şekil özellikleri ve zeminin hacimsel sıkışma katsayısıdır. Çalışma kapsamında, İstanbul'un Şile bölgesinden alınmış, aynı jeolojiye sahip olan fakat farklı dane dağılımlı üç ana kum (Sile Sand 20/30, 50/55 ve 80/100), üç farklı dane dağılım ve şekil özelliklerine sahip, plastik olmayan silt (TT, SI ve İZ silt), çeşitli ince dane yüzdelerinde (%0, %5, %15 ve %25) karıştırılmış ve elde edilen numuneler deney programında kullanılmıştır. Deney programının sonuçlarına göre yukarıdaki faktörlerin hepsi, statik yükler altında sıvılaşma davranışlarına etkili olmuştur. Drenajsız üç eksenli basınç deneyleri sonucunda, tüm numunelerde, ince dane oranın artışı ile, zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin sistematik olarak arttığı görülmektedir (ince dane oranın %0 ile %25 arası). Düşük yüzdeli ince dane oranlarında (≤%15) en kaba daneli ve en üniform numune olan İZ silti, diğer siltlere göre, her üç ana kumun daha çok sıvılaşmasına sebep olmuştur. Bu sebeple, relatif sıkılık, ince dane oranı, gerilme koşulları, kumun dane dağılımı ve minerolojik koşullarının değişmediği deney ortamlarında, ortalama dane çap oranının (D50-kum / d50-silt) azalması ile zeminlerin sıvılaşma potansiyelinin arttığı görülmektedir. Sadece TT silt ile SI silti karşılaştırıldığında, bir farklılık görüldü. Bu sonucu açıklamak amacı ile, SEM ve optik mikroskopları kullanılarak, siltlerin dane şekil özellikleri saptanmıştır. Sonuçlara göre, TT siltinin çok köşeli danelere sahip olduğu ortaya çıkmış ve dolayısıyla TT siltlerinin kum daneleri ile temas noktalarında yarı dengeli (meta-stable) bir yapı oluşturduğu gözlenmiş ve bunun diğer iki silt karışımlarına benzemeyen bir davranış göstermiştir. Bu araştırmanın devamında, siltlerin dane parametreleri (Cu-silt ve d50-silt) ve dane şekil özellikleri (yuvarlaklık ve küresellik) incelenmiştir ve buradan ince dane oranının %15 ve üzeri olduğunda, ince dane üzerindeki etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Temiz kumların (%0 ince dane oranı) deney sonuçlarını incelediğimizde, Sile kum 80/100 diğer temiz kumlara göre sıvılaşma direncinin en düşük olduğu ve sistematik olarak Sile kum 50/55 ve 20 / 30 kumlarının sıvılaşma dirençlerinin arttığı gözlenmiştir. Başka ifade ile temiz kumlarda, dane çapları küçüldükçe ve daha üniform hale geldiğinde sıvılaşma potansiyelinin artabilmektedir fakat temiz kuma silti ilave ettiğimizde, bu eğilim tam tersi bir davranış göstermektedir. Deneylerde kullanılan siltler, en kaba daneli olan Sile kum 20/30 a ilave ettiğimizde, bu karışımların hepsisinin sıvılaşma dirençlerinin, diğer karışımlara göre en düşük olduğu görülmektedir. Görülen bu ters davranışın nedenini bulmak için süreksiz bir dane dağılıma sahip olan bir numune hazırlanıp, deneylere tabii tutulmuştur ve bu sonuç kanıtlanmıştır. Bütün siltli kum karışımları için, dane dağılımları gözönüne aldığında, üniformlük katsayı artışı ile, sıvılaşma direncinin azaldığı görülmektedir. Üniformlük katsayıları çok yakın olan numunelerin de, farklı sıvılaşma direncini gösterdiğini gözlenmiştir. Bu sebeple, sadece üniformlük katsayısı (Cu) sıvılaşma belirticisi etkin bir parametre olarak kullanılamaz. Çalışmanın diğer bir kısmında, üniformlük katsayısı (Cu) ve normalize edilmis deviatör gerilme arasındaki ilişki incelenmiştir. Bu ilişkiler için iki farklı denklem önerilmiştir. İlki, dengeli ve geçici sıvılaşma davranışı gösteren numuneler için, diğeri ise sıvılaşmış numuneleri kapsamaktadır. Araştırmanın son kısmında ise tam 6 grup deney numunesi bulunmaktadır. Bunlar üç temiz kum ve Sile kum 80 / 100 numnunesinin 3 faklı silt ile karışımlarıdır. Bunların hacimsel sıkışabilirlikleri incelenmiştir. Siltli kumların arazide sıvılaşma potansiyeli tahmin etmek için hacimsel sıkışma katsayısını kullanmak yeni bir yöntem olarak kabul edilmektedir. Zemin ne kadar sıkışabilirlirse, o kadar sıvılaşma potansiyele sahip olduğu görülmüştür. Araştırmanın sonucunda, hacimsel sıkışma katsayısının, 0.17 (1/MPa) dan düşük olduğunda zeminin sıvılaşmaya karşı dengeli olduğu ve 0.23 (1/MPa) dan büyük olduğunda ise zeminin sıvılaşmış olduğu belirlenmiştir. Gelecekte numune çeşidi ve sayısı arttırılarak bu sonuç daha da irdelenebilir.

Static liquefaction remains to be a challenging problem of geotechnical engineering as its consequences are generally catastrophic when occurred on site. Previous laboratory studies focused on various factors that could influence the static liquefaction potential of silty sands. Most popular of those investigated factors are stress conditions, deposition method and fines content. Regarding the behavior of clean sands, possible influence of grain size distribution or sand grain shape on liquefaction response had also attracted the attention of a limited number of researchers. However, very little is known about how gradation influences the liquefaction response of sands involving silt fractions. Furthermore, the possible effects of shape characteristics of silt grain matrix within sand, during undrianed monotonic loading, were unknown. The purpose of present study is to investigate the influence of several factors including fines content, base sand gradation, silt gradation, overall gradation and silt grain shape on static liquefaction of sands and finally volumetric compressibility, as an indicator of liquefaction potential of silty sands. Three base sands with same geologic origin but with different gradations (Sile Sands 20/30, 50/55 and 80/100) and three different non-plastic silts (TT, SI and IZ silts) with different gradations and shape characteristics were mixed and tested at four fines contents (i.e. FC=0, 5, 15, 25%). The experimental results revealed that each of the mentioned factors had their own influence on static liquefaction behavior of sands. Results of undrained monotonic triaxial compression tests showed that liquefaction potentials of Sile Sands have systematically increased with increasing fines content within the studied range (for FC≤25%). At low fines contents (i.e. FC≤ 15%), the greater and more uniform IZ silt made three base sands more liquefiable compared to other two silts. Therefore, the general trend was that the liquefaction potential of silty sands increased as the mean grain diameter ratio (D50-sand/d50-silt) decreased (when Dr, FC, initial stress conditions, base sand gradation and mineralogy were kept the same). However, there was an exception for the specimens involving TT silt versus SI silt. After the grain shape characterization of three silt types, it was discovered that the angular nature of TT silt and the resulting meta-stable grain contacts were responsible for that exception. It was also found that the impact of gradation parameters (CU-silt, d50-silt) and shape characteristics (roundness, sphericity) of silt grain matrix on liquefaction potential of Sile Sands was found to be dependent on the amount of fines content. In another words, their impact gradually diminished for FC≥15%. When clean Sile Sands were tested, it was observed that the liquefaction resistance of base sands slightly decreased as the sand became finer and relatively uniform (e.g. Sile Sand 80/100 had the lowest liquefaction resistance). However, when silts were added to the sands the order of liquefaction resistance had been reversed (i.e. specimens with the larger and relatively well graded Sile Sand 20/30 suddenly had the least liquefaction resistance for all three silt types). Possible reason was expressed to be the different levels of gap gradations in specimens induced by the base sand gradation. It was shown that soils with similar CU could have very different liquefaction resistances, whereas soils with very different CU could have similar liquefaction potentials. Therefore, CU by itself cannot be an indicator of liquefaction behavior because of the many factors investigated in this study. In other part of the study, the relationship between the normalized peak deviator stress (qpeak/σ'3c) and coefficient of uniformity (CU) is discussed. With respect to outcomes, intrestingly, it was shown that unlike clean sands, for which liquefaction potential decreases with increasing CU, the liquefaction potential of sand-silt mixtures reconstituted in the laboratory increases with increasing coefficient of uniformity (i.e. technically as they became more well graded). Two equations were proposed to represent the discussed relationship between qpeak/σ'3c and CU; one for stable and temporarily liquefied specimens, the other for liquefied specimens. Then, the applicability of these equations to other types of silty sands in literature was illustrated. As the last part of experiments, volumetric compressibilty of three used base sands and mixtures of Sile Sand 80/100 with TT silt and IZ silt has been investigated. In fact, to evaluate the liquefaction potential for silty sands, a quantity that may be used as an indicator and can be measured in-situ is the volume compressibility. The more compressible the easier the soil will liquefy. Analysis of performed experiments have shown that volumetric compressibilities increase with increasing fines content for silt types, which is similar to the observation of increasing liquefaction potential with fines content. Approximate boundaries for stable response, transition stage, and liquefaction region are determined. Accordingly, specimens with volumetric compressibility values smaller than 0.17 (1/MPa) were stable, while all specimens with volumetric compressibility values greater than 0.23 (1/MPa) liquefied. It should be noted that further laboratory and in-situ tests on different sand and silt types are still needed to verify and tune those boundaries, which could potentially serve as indicators of liquefaction potential via in-situ compressibility tests. The dissertation includes literarure review on the liquefaction and specially static type of liquefaction phenomena which includes basic theoris of them. Then, index properties of the soils used during experimental program, and experimental programs are discussed in details. The following two chapters refers to evaluation of tests’ outcomes from different aspects. Finally, all of conducted tests’ results and suggestions for future studies have discussed in conclusion chapter.