Örselenmiş killi zeminlerin statik mukavemetine deprem yüklerinin etkisi
Effect of earthquake loading to the static strength on undisturbed clayey soils
- Tez No: 127185
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYFER ERKEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2002
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 186
Özet
ÖRSELENMEMİŞ KİLLİ ZEMİNLERİN STATİK MUKAVEMETİNE DEPREM YÜKLERİNİN ETKİSİ ÖZET Bu çalışmada örselenmemiş killi zeminlerin tekrarlı gerilmeler altında davranışını incelemek için 1995 yılında Dinar'da meydana gelen M=5.9 büyüklüğündeki depremden sonra bölgede yapılan geniş çaplı geoteknik araştırma sırasında piston numune alıcılarla sondaj kuyularından alınan killi zemin numuneleri üzerinde üç eksenli dinamik basınç deney aletinde deneyler yapılmıştır. Zeminlerin dinamik yükler etkisinde davranışının incelenmesine 1960'lı yıllarda başlanmış olup son yıllarda önem kazanarak devam etmektedir. Zeminlerin dinamik davranışlarının incelenmesi için arazi ve laboratuvar deneylerinden faydalanılır. Dinamik yükler etkisi altında zemin davranışı iki ana başlıkta incelenir. Bunlar, gerilme-birim şekil değiştirme özellikleri ve mukavemet özellikleridir. Gerilme-birim şekil değiştirme özelliği olarak dinamik kayma modülü, birim kayma ve sönüm oranı incelenir. Mukavemet özelliği olarak ise kayma gerilmesi genliği ve çevrim sayısı en önemli iki özelliktir. Bu çalışmada ağırlıklı olarak önce mukavemet özellikleri incelenmiş daha sonra gerilme şekil değiştirme özelliklerine değinilmiştir. Çalışmanın giriş bölümünde zeminlerin dinamik davranışı ile ilgili genel bilgilerden bahsedilerek konu tanıtılmaya çalışılmıştır. Depremler sırasında suya doygun killi zeminlerde artan çevrim sayışma bağlı olarak boşluk suyu basıncında ve deformasyonlarda büyük artışlar meydana gelmektedir. Bunun sonucunda zeminde yumuşama oluşmakta iç yapı değişmekte ve deformasyonlar artmaktadır. Artan deformasyonlar sonucunda zemin üzerindeki yapılarda oturmalar ve dönmeler oluşmaktadır. Suya doygun killi zeminlerde tekrarlı yükler altında şevlerde kaymalar oluşmakta, ulaşım ve enerji hatlarında büyük hasarlar meydana gelmektedir. Dinamik yükler altında zeminlerin gerilme-şekil değiştirme ve mukavemet davranışları ile ilgili başka araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalar tezin ikinci bölümünde verilmiştir. Killerin dinamik davranışı ile ilgili ilk deneysel çalışmalardan biri 1962 yılında Larew ve Leonards tarafından dinamik üç eksenli basınç deney aletinde laboratuvarda kompaksiyon yolu ile hazırlanmış numuneler üzerinde yapılmıştır. Bu çalışmada dinamik mukavemetin statik mukavemetin % 77-84 olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmadan sonra günümüze kadar yapılan çalışmalarda killerin tekrarlı yükler etkisi altında davranışını etkileyen parametrelerin dinamik kayma gerilmesi oranı, gerilme geçmişi, plastisite indisi, aşırı konsolidasyon oranı (AKO), boşluk oranı, efektif çevre gerilmesi, yükleme hızı, yükleme şekli ve zemin yapısı olduğu belirtilmiştir. Laboratuvarda yapılan davranış incelemesinde deney sistemi ve tekniği de zeminlerin davranışını etkilemektedir. İnce daneli zeminlerde dinamik mukavemet plastisite, aşırı konsolidasyon oranı ve frekans arttıkça artmakta boşluk oranı azaldıkça yine dinamik mukavemet artmaktadır. xııı \Bu bölümde ayrıca killi zeminlerin gerilme-birim şekil değiştirme davranışı ile ilgili literatür bilgileri de verilmiştir. Çok küçük birim boy değişimi seviyelerindeki Dinamik Kayma Modülünü etkileyen parametrelerin efektif çevre gerilmesi ve plastisite indisinin en önemli iki parametre olduğu gösterilmiştir. Zeminlerin sönüm oranının yumuşak zeminlerde daha çok olduğu da yapılan çalışmalarda gösterilmiştir. Dinamik kayma modülü ve sönüm oranının efektif çevre gerilmesine, gerilme geçmişine, boşluk oranına, doygunluğa, plastisiteye, aşırı konsolidasyon oranı AKO ya ve zemin yapısına bağlı olduğu gösterilmiştir. Tekrarlı yük etkisinde belirli bir çevrim sayısına sonra boşluk suyu basıncında ve birim boy değişimlerinde büyük artışlar oluşmaktadır. Birçok araştırmacı tarafından eşik birim boy değişimi seviyesi olarak bu nokta tanımlanmıştır. Eşik birim boy değişimi seviyesi aşılınca zeminde kalıcı şekil değiştirmeler oluşmakta ve mukavemet kaybı başlamaktadır. Tezin üçüncü bölümünde bu çalışmada kullanılan deney sistemi detaylı olarak tanıtılmıştır. İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Geoteknik Anabilim Dalı Zemin Dinamiği Laboratuarına JICA (Japonya Ululararası Yardım Ajansı) tarafından getirilen gelişmiş üç eksenli dinamik deney aletinde hem statik hem de dinamik deneyler yapılabilmektedir. Deney aletine bağlı elektrikli amplifikatörden düşey dinamik sinüzoidal yük, düşey boy değiştirme, boşluk suyu basıncı ve küçük boy değiştirmeler kaydedilmektedir. Bu değerler veri hatları vasıtası ile kişisel bilgisayara aktarılıp değerlendirilmektedir. Daha sonra kişisel bilgisayar ofis ortamında açılan bu verilerle deney sonuçları elde edilmiştir. Çok küçük birim boy değişimleri seviyesinde deneyler yapılarak en büyük elastisite modülü bu sisteme bağlı küçük yer değişimi ölçerler vasıtası ile hesap edilmiştir. Tezin bu bölümünde üç eksenli deney sisteminin nasıl kalibre edileceği ve deneyin yapılışı detaylı olarak anlatılmıştır. Araziden piston numune alıcılarla mümkün olduğunca örselenmeden alman numuneler yarılarak tüplerden çıkarılmış ve üç eksenli deney sisteminin hücresine yerleştirilmiştir. Dinamik deneyden önce konsolidasyon deneyleri yapılarak zeminin gerilme geçmişi hakkında bilgi edinilmiştir. Her dinamik deney sonunda fiziksel özellikleri belirlemek amacı ile numune 200 nolu elekten yıkanarak elenmiş ve kaba dane oranı bulunmuştur. Ayrıca her numunenin likit limiti ve plastik limiti de deneylerden sonra standart laboratuvar yöntemleri ile bulunmuştur. Dinamik deneylerin yapılışında ve numune hazırlanmasında JGS T 542-1995 ve JGS T 542- 1995 nolu Japon Geoteknik Standartlarına uyulmuştur. Yapılan Standart Penetrasyon Deneyi (SPT) ve laboratuvar indeks deney sonuçlarına göre numunelerin orta katı kil kıvamında olduğu, plastisitelerinin 15-44 arasında değiştiği ve CL ile CH sınıflarında olduğu bulunmuştur. Dinamik üç eksenli deney aletinde dört değişik yükleme gurubu kullanılmıştır. Bunlardan ilk gurup dinamik deneylerde seçilen dinamik kayma gerilmesi genliği altında numune göçünceye kadar deneye devam edilmiştir. Bazı numunelerde gerilme oranının düşük seçilmesinden ötürü yüklemeye çok uzun süre devam edildiği halde göçme meydana gelmemiş, birim boy değişimi ve boşluk suyu basıncı artışları sınırlı seviyede kalmıştır. İkinci gurup deneylerde numuneye önce N=20 çevrim tekrarlı gerilmeler uygulanmış sonra ara verilmeden drenaj sız koşullarda deformasyon kontrollü statik deney yapılmıştır. Bu deneylerde numunede % 20 birim boy değişimi oluncaya kadar deneye devam edilmiştir. Tekrarlı gerilmenin düşük xıvolduğu numunelerde statik deviatorik gerilme daha yüksek meydana gelirken tekrarlı yükün şiddetinin artması ile statik deviatorik gerilmede azalım meydana gelmiştir. Üçüncü gurup deneyler ise başlangıç elastisite modülünün ölçümü için yapılan deneylerdir. Bu deneylerde çok küçük değerlerden itibaren N=5 çevrim de bir artacak şekilde gerilme genlikleri uygulanarak küçük birim boy değişimleri ölçülmüştür. Uygulanan en küçük düşey tekrarlı gerilme etkisinde 10"5 mertebesindeki düşey birim boy değişimleri hesaplanarak elastisite modülü bulunmuş buradan poisson oranı v=0.50 alınarak en büyük Kayma Modülü Gmaks. elde edilmiştir. Son gurup deneyler ise deformasyon kontrollü statik deneylerdir. Bu deneyler dinamik üç eksenli deney aletinde drenajsız koşullarda numunede %20 eksenel birim boy değişimi oluncaya kadar yapılmıştır. Yukarıda anlatıldığı gibi yapılan bu deneyler sonucunda örselenmemiş killerin dinamik mukavemetini etkileyen parametreleri göstermek amacı ile dinamik kayma gerilmesi oranı, DKGO=CTd/2c0 değerinin çevrim sayısı, (N)'e göre değişimleri oluşturulmuştur. Örselenmemiş numunelerde plastisitenin ve zemin kıvamının dinamik davranışı etkilediği görülmüştür. Plastisite arttıkça belirli bir birim boy değişimi seviyesine ulaşmak için gereken çevrim sayısı (N) artmaktadır. Aynı plastisiteye ve aynı efektif çevre gerilmesine sahip numunelerde kıvam indisi, Ic arttıkça dinamik kayma gerilmesi oram artmaktadır. Aynı kıvam ve çevre basıncına sahip numunelerde plastisite arttıkça dinamik kayma gerilmesi oranı artmaktadır. Plastisitenin DKGO üzerinde etkisi s=±2.50 düşey birim boy değişimi seviyesinde N=20 çevrim sayısında diğer araştırmacıların bulduğu değerlerle karşılaştırılmış olup plastisite arttıkça DKGO'nın arttığı gösterilmiştir. Dinamik kayma gerilmesi üzerinde frekansın ve konsolidasyon basıncının etkisi gösterilmiştir. Frekans arttıkça DKGO artmakta konsolidasyon basıncı arttıkça ise DKGO azalmaktadır. Killi zeminlerde bulunan kum oranının dinamik kayma gerilmesi oranını azaltıcı etki yaptığı gösterilmiştir. Dinamik gerilme oranı belirli bir değerin altında ise numunede büyük boşluk suyu basıncı artışı ve deformasyon artışı olmamaktadır. DKGO ve boşluk suyu basıncı oranı (BSBO) ilişkileri farklı kıvam ve plastisitedeki numuneler için gösterilmiştir. Boşluk suyu basıncı artışında DKGO'nın etkili olduğu görülmüştür. Ayrıca DKGO birim boy değişimi ilişkileri farklı çevrim sayılarında gösterilerek çevrim sayısı arttıkça DKGO'nın azaldığı görülmüştür. N=20 çevrim dinamik ardından hiç ara vermeden yapılan statik deneylerden yararlanarak deviatorik gerilme oranı azalımı (ajas) nin DKGO'na göre değişimi incelenmiştir. Önce dinamik ve sonra statik deneyler sonucunda %20 birim boy değişimi seviyesinde oluşan deviatorik gerilmenin sismik geçmişi olmayan aynı gerilmeye oranı oluşturulmuştur. Plastisitesi Ip=18-44 aralığında olan orta katı killerde DKGO-(aa/as), ilişkisinden aşağıdaki bağıntı elde edilmiştir. ^=-0.6891 İn (DKGO)+0.0837 (1) Normal konsolide killi zeminler için önerilen bu bağıntı dinamik yüklemeden sonra yapılan statik deneyin eksenel birim boy değişiminin %10 veya %20 olması durumu için fazla fark etmemektedir. XVDinamik kayma gerilmesi oranının hacimsel deformasyona etkisi değişik numunelerde gösterilmiştir. Orta katı killerde plastisitenin Ip= 18-44 olması durumuna göre dinamik yükten oluşacak hacim değişimi hesabı için aşağıdaki bağıntı önerilmiştir. s = 7.5483 -^- - 1. 1404 (%) (2) 2
Özet (Çeviri)
EFFECT OF EARTHQUAKE LOADING TO THE STATIC STRENGTH ON UNDISTURBED CLAYEY SODLS SUMMARY In this study dynamic triaxial tests were conducted on undisturbed clay specimens taken during a wide geotechnical research from Dinar region after the 1995 earthquake which had a magnitude of 5.9. Research on the behavior of soils under dynamic loads has began in I960' s and has increased in the recent years. Soil behavior under dynamic loads can be seperated into two parts, namely stress strain properties and strength properties. Dynamic shear moduli and damping ratio are governing parameters in stress strain properties. Cyclic stress ratio and number of cycles are the important parameters for strength properties. First strength properties and then stress strain properties are considered in this study. In the first chapter the subject of general dynamic behavior of soils are described. Depending on the number of cycles pore pressure and shear strain of saturated clay soils increase during the earthquakes. As a result, reduction in stiffness, a change in structure and an increase in deformation occur. Increase of deformations causes settlements and tilting of the structures above. When saturated clay soils are subjected to dynamic loads, failures on slopes, damages on transportation and energy lines may occur. On the second chapter of the study a literature survey has been made on the subject of stress strain and strength properties by other researchers. First experimental study has been made by Larew and Leonards in 1962 on dynamic triaxial test apparatus on compacted specimens prepared in the laboratory. It is concluded that the dynamic strength is about 77-84 % of the static strength. After that attempt several researches has been made to the present date about effects of several parameters. Dynamic shear stress ratio, stress history, plasticity index, over consolidation ratio, void ratio, effective stress ratio, speed of loading, type of loading and soil structure have been found as the most effecting parameters on dynamic behavior of soils. Also testing devices and techniques are effecting parameters as well. It is found that cyclic strength increases as the plasticity, over consolidation ratio and frequency increases and void ratio decreases in fine grained soils. Second chapter also covers a literature survey about stress strain behavior of clay soils. It is shown that effective consolidation pressure and plasticity index are the most effective parameters on the maximum dynamic shear moduli. It is also concluded that damping ratio has larger values in softer soils. Dynamic shear moduli and damping ratio are mostly affected from effective consolidation pressure, stress history, plasticity, over consolidation ratio and soil structure. During cyclic loading it xvii Iis seen that pore pressure and deformations begin to increase after some number of cycles. Some researchers define this point as a threshold deformation level. Beyond this threshold permanent deformations and the loss of strength begin. On the third part of the study the test apparatus is described in details. Dynamic triaxial test apparatus which was donated to ITU Civil Engineering Faculty Geotechnical Department Soil Mechanics lab from JICA is capable of conducting both static and dynamic tests. By using amplificators it is also possible to measure vertical dynamic sinus loading, vertical deformations and small deformations by a personal computer. The test data is analyzed by using statistical softwares. Calibration of the test apparatus and conducting of the tests are also included into the third chapter. The specimens taken from the in situ by piston samplers were cut and placed in to the triaxial chamber. Consolidation tests were conducted in order to find about stress history of the specimens. After every test, specimens were sieved to find grain distribution and weight of the grains passing from no:200 sieve. Liquid and plastic limit tests were also conducted for each specimen. JGS T 542-1995 and JGS T 542- 1995 Japanase Geotechnical Testing standarts were used during specimen preparation and dynamic tests. From SPT results the specimens seems to be medium stiff plastic clay and the plasticity indicies are between 15-44 %. The specimens are between high plasticity clay (CH) and low plasticity clay (CL). Four different loading procedures were used during the dynamic tests. In the first group the tests were lasted until the failure under a pre chosen cyclic stress ratio. No failure occured on some specimens because of the small cyclic stress ratio amplitudes. The deformations and pore pressure values remain limited. On the second group of tests specimens were cyclically loaded to 20 cycles and then subjected to static monotonic loading. The monotonic loading ended when the deformations reached to a value of %20. It's observed that static deviatoric stress ratio decreases as the cyclic stress ratios increases. The third group of experiments were conducted to evaluate the initial Young's modulus. The cyclic stress ratios were increased for every five cycles beginning from very small values. By using the small amplitude values (on the order of 10“5) and assuming Poisson's ratio v=0.5 maximum dynamic shear modulus was evaluated. Last set of experiments included strain controlled static tests. Undrained triaxial tests were conducted until an axial deformation level of %20 is reached. From the test results the relationship between dynamic shear stress ratio, DKGO=CTd/2o-c and number of cycles, N were obtained. It's observed that plasticity index and soil consistency are the important parameters affecting the dynamic behavior of soils. As the plasticity increases the number of cycles to reach the same strain amplitude increases. Also its observed that dynamic shear stress ratio increased as the consistency index increased for the same plasticity and consolidation pressure. Dynamic shear stress ratio is also compared with the results of other researchers. The effect of frequency and consolidation pressure is also shown. It is concluded that increase in frequency causes an increase in dynamic strength. Sand percentage is an effective parameter for the dynamic shear stress ratio. Increasing the sand ratio is cause for decreasing the dynamic shear stress ratio. As the percentage of sand in clay increases dynamic shear stress ratio decreases. If the dynamic shear stress ratio is XVlll Ismall the pore pressure generation and double amplitude axial strain are not so large. Relationship of dynamic shear stress ratio and pore water pressure ratio has been shown for different soil plasticity and different soil consistency. In the study it is observed that dynamic shear stress ratio is the main parameter on pore water generation. In addition to dynamic shear stress ratio and axial strain relationship were investigated to different value of number of cycles. Increasing of the number of cycles causes an increase the axial strain under high level the dynamic shear stress ratio. Post cyclic behavior of clays was also investigated. Deformation controlled monotonic loading strain of 20% following dynamic load with number of cycles, N=20 was applied. The relationship between cyclic shear stress ratio and static deviatoric stress ratio, ajas for medium consistency of clay which has a soil plasticity between 1 8-44 is given below. -^-=-0.6891 In (DKGO)+0.0837 (1) 0\ This relationship can be used for monotonic axial strain of 10% or 20% for normaly consolidated clays which have medium consistency and.plasticity index Ip=18-44. Dynamic shear stress ratio versus volumetric strain relationship was investigated for different soil plasticity and consistency. Using simple a correlation between dynamic shear stress ratio and volumetric strain for medium consistency clays which has plasticity index between Ip= 18-44, the volumetric strain can calculated by the formula given below. evd = 7.5483 -^ - 1. 1 404 (%) (2) 2cr”The Young's modulus E were calculated for small strain using measurements with gap sensors. All samples have a different value of Young's modulus because of differences in soil consistency, plasticity, consolidation pressure, soil fabric, void ratio and sand ratio. If deformation level rise up 2.5% the modulus E decreases below of 20 MPa under dynamic and static loading. When the dynamic shear stress ratio increases modulus of Young's decreases and the consolidation pressure causes an increase in modulus of elasticity. Young's modulus versus static deviatoric stress at 20% deformation level has been investigated. It has been illustrated as Young's modulus increases, static deviatoric stress increases. Dynamic shear modulus of saturated specimens, Go were calculated by taking poisson ratio v=0.50 from Young's modulus E. It has been shown that measured Go values are consistent with formulas given in the literature. Very small strain levels down to s=10"5 was calculated by gap sensors. Maximum shear modulus for clays of Xlx ^imsmmedium consistency with a plasticity index between 15-40 can be calculated by the given formula. (8.50 -e)2 G0=120 ac050 (kPa) (3) (\+e) xx J
Benzer Tezler
- Siltli ve killi zeminlerin tekrarlı yükler altındaki davranışı
The cyclic behavior of silty and clayey soils under cyclic loads
MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiZemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYFER ERKEN
- Static and cyclic properties of expansive clays treated with lime and fly ash with special reference to swelling and resilient moduli
Kireç ve uçucu kül ile iyileştirilen şişen killerin şişme ve esneklik modülü odaklı statik ve tekrarlı yükler altındaki özellikleri
İNCİ SÜT ÜNVER
Doktora
İngilizce
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
PROF. DR. ERDAL ÇOKÇA
- Suya doygun normal konsolide killi zeminlerin boşluk suyu basıncı değişimi
Pore water pressure variation of saturated normally consolidated clayey soils
UĞUR DAĞDEVİREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İnşaat MühendisliğiDumlupınar Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MUSTAFA TUNCAN
- Adana bölgesindeki killi zeminlerin hassasiyet özelliği
Sensitivity properties of the clayey soils in the Adana region
BARIŞ KAYHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Jeoloji MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÇETİN