Development of liquefaction resistance curves of partially saturated sands
Kısmi doygun kumların sıvılaşma direnç eğrilerinin geliştirilmesi
- Tez No: 676886
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA ECE BAYAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 195
Özet
1964 yılı içerisinde gerçekleşen Alaska ve Niigata depremleri sıvılaşma tehlikesini geoteknik mühendisliğinin önemli araştırma konularından biri haline getirmişir. Sıvılaşma olayı, deprem gibi dinamik etkiler altında kumlu ve plastik olmayan siltli zemin içerisinde anlık olarak gelişen drenajsız koşulların artık boşluk suyu basıncı oluşturması ve zeminin efektif gerilmesini azaltması olarak tanımlanabilir. Zemin içerisinde oluşan artık boşluk suyu basıncı başlangıç düşey efektif gerilmesine eşit olduğu anda danecikler arasındaki etkileşim tamamen kopmakta ve zemin bir akışkan gibi davranmaktadır. Sıvılaşan zeminde stabilite kaybı, yüksek oturmalar ve yanal yayılmalar beklenebilmekte ve buna bağlı yapılarda yapının kullanımını engelleyecek boyutta yapısal sorunlar oluşabilmektedir. Sıvılaşma potansiyelini değerlendirmek için yönetmelikler kapsamında basitleştirilmiş yöntem kullanılmakta ve sıvılaşma riskinin belirlenmesi durumunda sahada zemin iyileştirme yöntemleri kullanılabilmektedir. Bu yöntemlerin çoğu yüksek maliyetli ve/ veya mevcut yapı altında kullanımı mümkün değildir. Literatürde, araştırmacılar laboratuvar çalışmalarıyla sıvılaşma olayının mekanizmasını incelemiş ve sıvılaşmayı etkileyen faktörleri belirlemişlerdir. Çevrimsel yükler altında drenajsız olarak gerçekleştirilen laboratuvar deneyleri ile doygunluk derecesindeki azalmanın sıvılaşma direncini arttırdığı gözlemlenmiştir. Bunun üzerine zemin içerisine hava hapsedilmesi üzerine araştırmalar yapılmış ve Kısmi Doygunluğa İndirgeme (IPS) yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntem hem sıvılaşma potansiyeline karşı ekonomik bir çözüm olmakta hem de mevcut yapılar altında kullanılabilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında İstanbul Teknik Üniversitesi Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Dinamik Laboratuvarında VJ Tech firmasına ait hücre basınçlı dinamik basit kesme deney aleti kullanılarak kısmi doygun kumların sıvılaşma dirençleri incelenmiştir. Hücre basınçlı dinamik basit kesme deney aleti görünüş ve kurulum olarak üç eksenli deney aletlerine benzemesine karşılık çevrimsel yükleme aşamasını dinamik basit kesme deney aletlerine uygun bir biçimde gerçekleştirmektedir. Deney aleti hücre basınçlı dinamik basit kesme deney aparatından, dinamik servo kontrol ünitesinden, ters basınç ve hücre basınç kontrolü makinelerinden, hava ve su basıncının ayarlandığı bir panodan ve hava ve su basıncı arasındaki dengeyi kuran içinde elastik balon bulunan bir silindirden oluşmaktadır. Deney aşaması üç adımdan oluşmakta ve takibi Clisp Studio programı üzerinden bilgisayar programı ile gerçekleştirilmektedir. Deney sırasında sırasıyla doygunluk, konsolidasyon ve sıvılaşma adımları takip edilmiştir. Sıvılaşma adımında çevrimsel yükleme gerilme kontrollü olarak 1 Hz frekansında sinüzoidal dalga formunda gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında kötü derecelenmiş Şile kumu (AFS 40-45) kullanılmış ve öncelikle tam doygun numuneler üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Tam doygun numuneler konsolidasyon aşaması sonrası üç farklı rölatif sıkılık (Dr=%30-40-50) seviyesine ulaşacak şekilde ıslak tokmaklama yöntemi ile hazırlanmışlardır. Deney aletinde yaşanılan sıkıntıdan ötürü Dr=%60-%70 rölatif sıkılık değerleri için tam doygun deneyler geçekleştirilememiştir. Deney numunelerinin başlangıç doygunluk seviyesi S=%50 olacak miktarda su ve kuru kum numunesi karıştırılarak kalıp içerisine iki tabakada yerleştirilmiştir. Numune içerisindeki hava miktarını azaltmak amacıyla deneye başlamadan önce numune içerisinden havası alınmış su geçirilmiş, sonrasında deneye başladıktan sonra yüksek geri basınç değerlerine çıkılarak numune su ile beslenmiştir. Numunenin tam doygunluğa ulaşıp ulaşmadığı ise deney sırasında doygunluk adımında bulunan B parametresi kontrolü fazları ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında kullanılan kum numunesi için B parametresinin, B≥0.91 olduğu durumda numune tam doygunluğa ulaştığı kabul edilerek konsolidasyon adımına geçilmiştir. Deney sırasında doygunluk derecesi takibi ayrıca zemin faz ilişkileri yardımıyla da belirlenmiş ve çalışma kapsamında kullanılan kum için B parametresi ile doygunluk derecesi arasındaki ilişkiyi veren korelasyon geliştirilmiştir. B parametresi ve doygunluk derecesi arasındaki ilişki literatürde yapılmış çalışmalarla kıyaslandığında, B parametresi-doygunluk derecesi ilişkisinin zemin türüne ve sıkılık derecesine bağlı olduğu sonucu çıkarılmıştır. Konsolidasyon aşamasında numuneler 100 kPa düşey efektif gerilme altında konsolide edilmişlerdir. Bu çalışma kapsamında belirtilen konsolidasyon seviyesinin seçilme sebebi sıvılaşma analizlerinde sıkça kullanılan basitleştirilmiş yöntem için kısmi doygunluk direnç faktörü geliştirilmesinin amaçlanmasıdır. İsotropik şartlarda konsolide edilen tam doygun kum numuneleri sonraki adımda farklı seviyelerde çevrimsel yüklere maruz bırakılarak sıvılaşma çevrim sayıları belirlenmiş ve üç farklı sıkılık seviyesinde sıvılaşma direnç eğrileri elde edilmiştir. Sıvılaşma direnç eğrileri oluşturulurken aşırı boşluk suyu basıncın başlangıç düşey efektif gerilmesine ulaşması durumu (ru=1), çift genlikli birim kayma deformasyonu değerinin γ≥%3'e ulaşmasından önce oluştuğu gözlemlenmiş ve çalışma kapsamında sıvılaşma başlangıç kriteri olarak kullanılmıştır. Elde edilen eğriler literatürde aynı şartlarda gerçekleştirilen sıvılaşma direnç eğrileri ile karşılaştırılmış ve benzer sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Bu çalışmanın amaçlarından biri kısmi doygun numunelerin tam doygun numunelere göre sıvılaşmaya karşı direnci ne kadar arttırdığını belirlemektir. Çalışma kapsamında öncelikle tam doygun deney numunelerinin yüklendiği çevrimsel yükleme değerlerinde kısmi doygun numuneleri yüklemek düşünülmüştür. Fakat aynı çevrimsel yükleme değerlerinde yapılan deneylerde kısmi doygun numuneler sıvılaşmamış ve yüksek kayma birim deformasyonları (tam doygun numune deneyi sonucunda ulaşılan değerler) meydana gelmemiştir. Bu durum kısmi doygunluk yönteminin sıvılaşma direncini arttırmış olduğuna bir kanıt olsa da sayısal bir karşılaştırma yapmak açısından yetersiz kalmıştır. İkinci olarak kısmi doygun numune deneyleri tam doygun numune deneylerine göre daha yüksek çevrimsel yükleme değerlerine maruz bırakılmış ve bunun sonucunda kısmi doygun numunelerin aşırı boşluk suyu basıncı değerinin bire (ru=1) ulaştığı gözlemlenmiştir. Literatürde de kullanılan bu yöntemde farklı doygunluk derecesine sahip aynı rölatif sıkılık değerindeki eğrilerin aynı çevrim sayısına karşılık gelen çevrimsel direnç oranları (CRR) oranlanarak sıvılaşmaya karşı direncin ne büyüklükte arttığı belirlenebilmektedir. Çalışma kapsamında kısmi doygun numune deneyleri ikinci yöntem tercih edilerek gerçekleştirilmiştir. Deneysel araştırmanın ikinci aşamasında kısmi doygun numuneler üzerinde sıvılaşma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kısmi doygunluğa indirgeme metodu olarak sodyum perkarbonat adlı kimyasal kullanılmıştır. Belirtilen kimyasal su ile tepkimeye girerek oksijen gazı üretmekte ve zemin içerisinde hava/gaz hapsolmasına sebep olmaktadır. Konsolidasyon sonrası doygunluk derecesinin ortalama S=%75 ve %85 seviyelerine ulaşması hedeflenmiştir. Kısmi doygun numuneler hazırlanırken ıslak yağmurlama yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde kuru kum numunesi, numune başlangıç doygunluk seviyesi tam doygun olacak miktarda hazırlanmış su ve kimyasal karışımı üzerine huni yardımıyla dökülmüştür. Su ile kimyasalın tepkimesi yaklaşık olarak bir gün sürmektedir. Bu sebeple kısmi doygun deney programı gün aşırı gerçekleştirilmiştir. Kısmi doygun deney numunelerini doyurma amacımızn bulunmamasından dolayı yüksek geri basınç uygulaması gerçekleştirilmemiştir. Konsolidasyon aşamasında numuneler 100 kPa düşey efektif gerilme altında konsolide edilmişlerdir. İsotropik şartlarda konsolide edilen kısmi doygun kum numuneleri sonraki adımda farklı seviyelerde çevrimsel yüklere maruz bırakılarak sıvılaşma çevrim sayıları belirlenmiş ve S=%75 doygunluk seviyesi için Dr=%40 ve S=%85 için Dr=%30-40-50-60-70 seviyelerinde sıvılaşma direnç eğrileri elde edilmiştir. Yapılan deneylerle beraber aynı düşey efektif gerilme altında doygunluk derecesinin, rölatif sıkılığın ve çevrimsel kayma oranının sıvılaşma direncine olan etkisi incelenebilmiştir. Belirtilen üç parametreden ikisinin sabit tuttuğumuz durumunda doygunluk derecesi arttıkça veya rölatif sıkılık azaldıkça veya çevrimsel gerilme oranı arttıkça aşırı boşluk suyu basıncı oluşumunun hızlandığı ve sıvılaşmaya karşı direncin azaldığı gözlemlenmiştir. Zeminin rölatif sıkılığı arttıkça sıvılaşma için gerekli çevrimsel gerilme oranı da yükselmektedir. Rölatif sıkılıkla çevrimsel gerilme oranı karşılaştırıldığında Dr=70%'e kadar lineer bir ilişkinin olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca çevrimsel yükleme oranı arttıkça rölatif sıkılığın etkisinin kaybolmaya başladığı da yapılan deney sonuçları ile gösterilmiştir.Aynı rölatif sıkılığa sahip farklı doygunluk derecesindeki eğriler tüm sıvılaşma çevrim sayıları boyunca oranlanarak normalize sıvılaşma direnç eğrileri elde edilmiştir. Elde edilen normalize sıvılaşma direnç eğrileri karşılaştırıldığında aynı doygunluk derecesi için rölatif sıkılık arttıkça sıvılaşmaya karşı dirençteki artışın azaldığı sonucuna ulaşılmıştır. Deney sırasında yüklemesi yapılan kayma gerilmesine karşılık oluşan birim kayma deformasyonu eğrisi kullanılarak sekant kayma modülü değerleri tüm çevrim boyunca çizdirilerek sekant kayma modülü azalımı incelenmiştir.İnceleme sırasında rölatif sıkılığın, çevrimsel gerilmenin ve doygunluk derecesinin modül azalımına etkisi incelenmiştir. Dinamik basit kesme deneyleri yüksek birim kayma deformasyon deneyleri olmasından dolayı elde edilen sonuçlar küçük birim kayma deformasyonu değerleri için genelleştirilmemiştir. Yapılan inceleme sonucunda çevrimsel gerilme oranının sekant kayma modülü azalımına etkisi olduğu fakat rölatif sıkılığın ve doygunluk derecesinin sekant kayma modül azalım izine etkisi olmadığı gözlemlenmiştir. Sabit çevrimsel gerilme oranında ve doygunluk derecesinde farklı rölatif sıkılık değerinde yapılan deneylerde numuneler sabit bir kayma birim deformasyonu değerine farklı çevrim sayılarında ulaşmış olmasına rağmen, ulaşılan kayma birim deformasyonu değeri için aynı sekant kayma modülüne düştükleri belirlenmiştir.Yine sabit çevrimsel gerilme oranında ve rölatif sıkılık değerinde farklı doygunluk derecesinde yapılan deneylerde numuneler sabit bir kayma birim deformasyonu değerine farklı çevrim sayılarında ulaşmış olmasına rağmen, ulaşılan kayma birim deformasyonu değeri için aynı sekant kayma modülüne düştükleri belirlenmiştir. Ayrıca belirtilen üç parametreden ikisinin sabit tutulması durumunda rölatif sıkılık arttıkça veya çevrimsel gerilme oranı azaldıkça veya doygunluk derecesi azaldıkça başlangıç sekant kayma modülü değerinin yükseldiği sonucuna ulaşılmıştır. Çalışma kapsamında kısmi doygunluğa indirgeme yöntemiyle iyileştirilmiş sahadaki zemine ait sıvılaşma potansiyelini değerlendirmek için yönetmeliklerde de kullanılan basitleştirilmiş yönteme entegre edilebilecek kısmi doygunluk direnç faktörü (KPS) S=%85 doygunluk seviyesi için geliştirilmiştir. Tez çalışması,“Kısmi Doygun Kumların Sıvılaşma Direnç Eğrilerinin (CRR) Belirlenmesi”başlıklı, 42354 proje ID'li, MYL-2019-42354 proje kodlu İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimince (Tez Projesi-Yüksek Lisans) desteklenmiştir. Tez çıktıları açıkça göstermektedir ki çalışma kapsamında kullanılan kısmi doygunluğa indirgeme yöntemi sıvılaşma direncini arttırmaktadır. Elde edilen bulgular, sıvılaşma iyileştirme önlemi olarak bu yöntemin gelişmesine katkıda bulunacaktır. Ayrıca, elde edilen sıvılaşma direnç eğrileri, litearatürü zenginleştirecektir.
Özet (Çeviri)
Liquefaction of soils is a devastating geotechnical problem that may occur during earthquakes. Saturated sandy soils and nonplastic silts momentarily behave like a fluid and lose their stability due to undrained conditions during dynamic load such as an earthquake. Researchers have been investigating the phenomena both at site surveys and in laboratory conditions to understand the mechanism. Procedures have been developed to evaluate liquefaction potential at site. Besides, soil improvement methods were enhanced toward the liquefaction phenomena. Most of them were compatible with level ground sites. However, there are sites with existing structures built up without taking any precautions against liquefaction. Inducing partial saturation (IPS) by air entrapping within soil voids is one of the novel methods that can be used at sites with existing structures. In this research, the effectiveness of the IPS (Induced Partial Saturation) method against liquefaction is investigated and liquefaction resistance curves were developed for partially saturated sands with some degree of saturation by performing stress-controlled undrained dynamic simple shear tests in Istanbul Technical University (ITU) Geotechnical Engineering Dynamic Laboratory. Dynamic simple shear with confining pressure (DSS-C) testing device developed by VJ Tech company was used within the scope of this research. The tests were performed on samples consolidated at σv'=100 kPa vertical effective stress to be compatible with the simplified procedure used for liquefaction assessment at a site. One aim of this study is to provide a resistance ratio parameter that can be used while evaluating the liquefaction potential of an IPS treated site. Tests were performed in two stages. Initially, fully saturated tests were performed and the resistance curves for the fully saturated condition were compared with the previous literature data. Moreover, the obtained resistance curves for fully saturated soil were used to determine the resistance ratio for sands partially saturated by IPS. Moist undercompaction method was used for preparing fully saturated samples. Secondly, partially saturated tests were performed. The wet pluviation method was used for preparing partially saturated samples. Partially saturated samples were prepared at fully saturated conditions. A decrease in degree of saturation was obtained using a chemical (sodium percarbonate), which produced entrapped air within soil after a chemical reaction. Test setup includes saturation, consolidation, and liquefaction stages. During the saturation stage, variation of the degree of saturation of sample was calculated via soil phase relations. The variation of the degree of saturation with the B parameter for Sile sand used in this research was presented within this work. It was concluded that the B parameter-degree of saturation (S) relation depends on the soil type and the relative density. A correlation was proposed for the B-S relation. Samples were consolidated at isotropic consolidation conditions. The liquefaction stage was performed at altering levels of cyclic stress ratios to develop liquefaction resistance curves. The results showed that decreasing the degree of saturation by the IPS method increases the liquefaction resistance of sands. Amount of increase in liquefaction resistance with IPS method was obtained by normalizing partially saturated sample resistance curves to fully saturated sample resistance curves. A partial saturation resistance factor was introduced to be used in evaluating the liquefaction potential of the IPS treated site with the simplified procedure in practice. Moreover, it is concluded that an increase in relative density increases the liquefaction resistance. However, when obtained normalized curves at the same degree of saturation were compared, it is detected that sample with lower relative density increases liquefaction resistance more. Moreover, it is seen that the effect of relative density on liquefaction resistance diminishes with increasing cyclic loading levels. Moreover, the effect of relative density, cyclic stress ratio, and degree of saturation on secant shear modulus degradation during liquefaction tests was investigated by holding two of the three mentioned effects constant. It is concluded that, increase in relative density or decrease in cyclic loading level, or decreasing degree of saturation while holding the other two parameters constant increases the initial secant shear modulus of the sample. However, it is obtained that samples follow a similar secant shear modulus degradation path regardless of relative density level or degree of saturation level. Within the scope of the study, the partial saturation resistance factor (KPS), which can be integrated into the simplified procedure used in the regulations, was developed for the saturation level of S=85% to evaluate the liquefaction potential of an IPS treated site. Future research is needed to develop these resistance curves for different degrees of saturation to be applicable for the design of IPS treatment at a site. This research was supported by Research Fund of the Istanbul Technical University (Graduate Thesis Project) with Project ID: 42354, Project No: MYL-2019-42354, and project title of ''Development of Liquefaction Resistance Curves of Partially Saturated Sands''. The outputs clearly prove that the liquefaction resistance of soil is improved. The findings will have a contribution on the development of site evaluation or design of Induced Partial Saturation (IPS) as a liquefaction remediation measure. Moreover, developed liquefaction resistance curves will enrich the literature with laboratory work.
Benzer Tezler
- Sismik sıvılaşma deney numuneleri için otomatik huni tasarımı ve deney sonuçlarına etkisi
Development of automatic funnel system for cyclic simple shear tests on sandy soils
ŞENAY YENİGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA ECE BAYAT
DOÇ. DR. MEHMET MURAT MONKUL
- İzmir deniz bostanlısı arazi ve laboratuvar ve yükleme deneyleri gözönüne alınarak kazıkların taşıma gücü tayini
The Determination of the bearing capacity of piles at Izmir Deniz bostanlısı considering the in-situ laboratory testing
SEMİH YENİŞAR
- Kentsel planlamaya yönelik Yenişehir (Bursa) ilçesinin jeofiziğin DES ve MASW yöntemleri kullanılarak seviye haritaları boyutunda incelenmesi
Investigation of Yenişehir (Bursa) districton level mapsfor urban planning using VES and MASW methods of geophysics
MURAT BAYRAMOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Jeofizik MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVDA ÖZEL