Zeminin statik ve dinamik yükler altındaki davranışını belirlemede kullanılan analitik ve nümerik analizlerin karşılaştırılması

Abstract

Dünyanın en çok zarar veren doğal afetlerinden birisi olan depremler insanları ve çevresindeki yapıları etkileyecek kadar kuvvetli yer hareketleri oluşturur. Depremler sıvılaşma, şev stabilitesi, zeminde oturma ve tsunami sorunlarının oluşmasına neden olur. Kohezyonsuz zeminlerde deprem sırasında boşluk suyu basıncının artması sonucu meydana gelen sıvılaşma, zeminde büyük deformasyonlara yol açabilir. Ülkemiz aktif deprem kuşağı içerisinde yer aldığından dolayı yıkıcı etkiye sahip birçok deprem meydana gelmektedir. Depremlerin zeminde ve yapılarda meydana getirdiği hasarları azaltmak için zeminin depremselliğinin doğru bir şekilde değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, mühendislik yapıları tasarlanırken, üzerine inşa edildiği zeminin özelliklerini tam olarak belirlemek için gerekli tüm saha ve laboratuvar çalışmaları yapılmalıdır. Farklı zemin koşullarına bağlı olarak belirli büyüklük, süre ve frekans içeriğine sahip deprem etkilerine karşı zeminin göstereceği dinamik tepkiyi ve deprem hareketinin ana kayadan yüzeye kadar değişimini belirlemek amacıyla zemin davranış analizleri yapılmaktadır. Bu çalışmada, sismik açıdan en aktif bölgelerden biri olan Sakarya İli, Geyve İlçesi'nde bulunan Sakarya nehri çökellerini temsil eden suya doygun kumlu bir zemin modellenmiştir. Çalışma alanında kullanılan 11 adet deprem kaydı (PEER - Pacific Earthquake Engineering Research), özellikle yakınındaki depremlerin büyüklükleri, kinematiği ve faya olan uzaklıkları dikkate alınarak seçilmiştir. Bu tezde, yapılan zemin davranış analizlerinin sonuçları hem analitik hem de nümerik olarak sunulmuştur. İncelenen alanda yapılan arazi deneyleri ve sahadan alınan numuneler üzerinde gerçekleştirilen laboratuvar deneyleri ile zeminin litolojisi tanımlanarak, ilgili zemine ait mukavamet değerleri ve idealize zemin profili belirlenmiştir. Analitik hesaplamalarda, zeminin taşıma gücü ve oturma değerleri ile dinamik yüklemeden kaynaklanan oturmalar ve sıvılaşma belirlenmiştir. Deprem yüklemesi sırasında oluşan tekrarlı gerilme oranının belirlenmesi için Seed ve Idriss (1971) tarafından önerilen ve Idriss ve Boulanger (2004) tarafından değiştirilen basitleştirilmiş yöntem kullanılmıştır. Standart Penetrasyon Testlerinden elde edilen veriler, zeminin sıvılaşma potansiyelini belirlemek amacıyla analiz edilmiştir. Sonuçlar değerlendirildiğinde sahanın ilk 15 metresinde sıvılaşma potansiyelinin oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Kumlar için sismik sarsıntıdan kaynaklanan xxiv hacimsel deformasyonu ve oturmayı tahmin etmek için Tokimatsu ve Seed (1987) tarafından önerilen ampirik yöntemler kullanılmıştır. Sıvılaşma sonrası oturmaların 20 cm'ye kadar ulaşabildiği görülmüştür. Zeminin nümerik modellemesini gerçekleştirmek için DEEPSOIL ve PLAXIS-2D programları kullanılmıştır. Dinamik analizler DEEPSOIL programının zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemi seçilerek yapılmıştır. Bu çalışmada Kayma Mukavemeti Kontrollü Genelleştirilmiş Quadratik/Hiperbolik (GQ/H) Model ve seçilen bu zemin modeli eğrilerine en uygun zemin modelini denk getirmek için Non- Masing Re/Unloading formülü dikkate alınarak analiz yapılmıştır. Her bir kuvvetli yer hareketi kaydı için hem taban kayasındaki hem de yüzeydeki tepki spektrumları, ivme ve yer değiştirme değerleri elde edilerek, birbirleri ile karşılaştırılmıştır. İki boyutlu dinamik analizler için Plaxis 2D sonlu elemanlar programı kullanılmıştır. Oluşturulan zemin modeli için başlangıç gerilme durumunu belirlemek ve deprem kayıtları etkitilerek, serbest saha şartları altında maksimum ivme ile maksimum yer değiştirme değerlerini elde etmek amacıyla HSsmall (Küçük şekil değiştirmeler ile pekleşen zemin modeli) zemin modeli kullanılmıştır. Zemin davranış analizleri ile belirlenen PGA, düşey yer değiştirme ve yatay yer değiştirme değerlerinin yüzeyde yüksek değerlere ulaştığı görülmektedir. Maksimum spektral ivme değerlerinin, Deepsoil ile yapılan analiz neticesinde hem yüzeyde hem de taban kayasında genelde aynı periyot aralığında, ancak Plaxis üzerinden elde edilen yüzeydeki maksimum spektral ivme değerlerinin, ana kayaya göre ötelenmiş bir periyot aralığında yer aldığı görülmektedir. Bu çalışma kapsamında kohezyonsuz zeminlerin sıvılaşma problemlerini serbest saha koşullarında nümerik olarak incelemek amacıyla kullanıcı tanımlı PM4Sand zemin modeli kullanılmıştır. Sayısal analiz sonucunda elde edilen düşey oturmaların ampirik sıvılaşma analizinden elde edilen oturmalarla genelde uyumlu olduğu görülmektedir. Yine, nümerik sonuçlar, kesit üzerindeki sıvılaşabilir bölgenin, basitleştirilmiş yöntemlerle elde edilen sıvılaşabilir bölge ile yaklaşık olarak benzer olduğunu göstermektedir. Nümerik analiz sonuçları ile ampirik sonuçlar arasındaki en büyük fark genelde numerik analiz sonuçlarında deprem datalarının bir çoğu dikkate alındığında sıkı kum biriminde sıvılaşma gözlenmezken, ampirik yöntemlerle elde edilen sonuçlarda sıkı kum biriminde de sıvılaşma gözlenmesidir. Nümerik analizlerde deprem kayıtlarının çoğunda gevşek kum biriminde tam sıvılaşma, bir kısım deprem kaydında da lokal sıvılaşma görülmektedir. Orta sıkı kum birim içinse, numerik analizlerde genelde bir zon halinde değil lokal sıvılaşmalar gözlenmektedir.