DİNAMİK ÜÇ EKSENLİ KESME DENEYİNİN MONTEREY KUMU İLE ...kocaeli2007.kocaeli.edu.tr/kocaeli2005/deprem_sempozyumu_kocaeli_2005/... · amacıyla dinamik üçeksenli kesme deneyi

DİNAMİK ÜÇ EKSENLİ KESME DENEYİNİN MONTEREY KUMU İLE KALİBRASYONU

Nazile URAL1, Akın ÖNALP2

[email protected] [email protected]

Öz: Türkiye’de deprem hasarının fazla olmasının nedenlerinden biri de, tekrarlı yükler altında zeminlerin verdiği tepkinin gözönüne alınmamasıdır. Aynı zemin farklı yükleme şekillerinde farklı davranış göstermekte, sismik yüklemelerde ise dinamik zemin özellikleri etkin olmaktadır. Bu konuda birçok arazi ve laboratuar yöntemleri olup her deneyin farklı problemler açısından üstünlükleri ve sınırlamaları vardır. Zeminlerin dinamik özelliklerinin belirlenmesi, dinamik yüklemeler nedeniyle oluşan şekil değiştirmeler ve boşluk suyu basıncındaki artışların ölçüldüğü gerilme kontrollü dinamik üç eksenli veya dinamik basit kesme deneyleri ile yapılabilir. Sıvılaşmaya neden olan şartları laboratuar numuneleri üzerinde sağlayarak deprem anında nerelerin, nekadar ve nasıl tepki vereceğini incelemek amacıyla dinamik üçeksenli kesme deneyi yapılması sıkça kullanılan bir yoldur. Bu çalışmada dinamik üç eksenli kesme deney aletinin Monterey No.0 kumu ile yapılan kalibrasyon sonuçları verilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Dinamik Üç Eksenli Kesme Deneyi, Monterey Kumu, Sıvılaşma

Giriş Zeminlerin statik yükler altındaki davranışlarını önceden tayin etmek ne kadar önemli ise özellikle deprem bölgelerinde inşa edilecek yapıların güvenirliği açısından boyutlandırmalarda dinamik zemin davranışlarının göz önüne alınması da önem taşır. Zeminlerin dinamik özelliklerinin belirlenmesi için 1960lardan bu yana birçok deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Adapazarı gibi genç akarsu/göl ortamlarında oluşmuş zeminlerin geoteknik özelliklerinin kısa mesafelerde büyük farklılık göstermeleri nedeni ile daha çok laboratuvar çalışmalarının gerekliliği anlaşılmıştır. Suya doygun kum ve siltlerde görülen ve yapılarda hasarlara neden olan zemin yenilmesi problemleri nedeniyle dinamik üç eksenli kesme deneylerinin (CTX) önemi artmıştır. Bu çalışmada dinamik üç eksenli kesme deneyinde, Silver vd. 1970’ li yıllarda kumun dinamik davranışı ile ilgili yaptığı araştırmalarda kullanılmaya başlayan ve standart kum olarak kabul edilen kum üzerinde deneyler yapılmıştır. Deneyler sonucunda elde edilen veriler literatür değerleriyle karşılaştırılarak Sakarya Üniversitesi Geoteknik Laboratuarında bulunan dinamik üç eksenli sistemin kalibrasyonu yapılmıştır.

1. Monterey No.0 Kumu Monterey No.0 kumu ABD Kaliforniya’dan temin edilmektedir. Monterey No.0 üniform, açık kahve renginde ince kum olup üzerinde sınıflandırma deneyleri yapılmıştır ( Gallagher, P. M., 2000, Horita, M.,1985, Silver, M.,.1976 ). Eldeki kum TS 1900/1987 uyarınca sınıflandırılmış hesaplanan D50 değeri ile ASTM’ye göre yapılan maksimum ve minimum boşluk oranı Tablo .1’de gösterilmiştir. Monterey No.0 kumunun optik mikroskop (x50 büyültme) görüntüsü Şekil 1.’de görülmektedir. Tablo 1. Monterey No.0 Kumunun Temel Özellikleri

Bu çalışma

Polito No.0/30

Gallagher No.0/30

Horita No.0/30

William No.0

Silver No.0

Mulilis No.0

Chan No.0

Simge SP SP SP SP SP SP SP SP D50 0.38 0.43 0.44 0.45 0.36 0.36 0.40 0.36 Gs 2.65 2.65 2.65 2.65 2.65 2.65 2.65 2.65 emax 0,82 0,82 0,821 0,80 0.88 0.85 0.851 0,86 emin 0.56 0.63 0.464 0.56 0.67 0.56 0.573 0.57

1 Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Müh. Böl, ADAPAZARI 2 Istanbul Kültür Üniversitesi Mühendislik –Mimarlık Fakültesi İnşaat Müh. Böl., İSTANBUL

1157

Şekil 1. Monterey Kumunun Optik Mikroskopta Görünüşü

2. Dinamik Üç Eksenli Sistemi Üç eksenli kesme deneyi zeminin statik şartlar altındaki özelliklerini belirlemede ne denli yaygınsa CTXde zeminin dinamik özelliklerini belirlemede o kadar yaygın olarak kullanılmaktadır. Dinamik üç eksenli deneyi bilgisayar kontrollüdür ve bu cihazın parçaları Şekil 1’ de gösterilmiştir. Buradaki parçalar; 1. Su ve hava dolaşım sistemi, 2. Hava kurutucu, 3.Yükleme çerçevesi, 4. ve 5. Basınç sağlar hücresi, 6.Hacim değişimi ölçer, 7. Kontrol ve veri alıcı sistem (CDAS). Geri basınç, izotrop veya anizotrop konsolidasyon, monotonik veya dinamik fonksiyonların kullanılma kolaylığı bulunmaktadır. Veriler ASCII formatına saklanabilmekte ve gerekli grafikler elde edilebilmektedir. Düşey yükleme Şekil 2.(3) de gösterildiği gibi hava basınçlı (pnömatik) olarak yapılmaktadır. Deney sırasında verilen çevre basıncı ve geri basınç da pnömatik olarak verilmektedir. Kontrol ve veri toplayıcı sistem deney sırasında elde edilen verilen toplanmasını sağlar. Şekil 1.(7) de gösterilmiştir.

3. Numune Hazırlanması Bu ilk çalışmada numuneler bağıl birim hacım ağırlık Dr=%60 olacak şekilde hazırlanmıştır. Kum kauçuk kılıfı geçirilmiş ve boyutları belli iki parçalı numune hazırlama kalıbı içine yedi tabaka halinde sıkıştırılarak hazırlanır ve numuneye emme uygulanır. Uygulanan kısmi vakum, deneyde kullanılacak efektif konsolidasyon basıncını hiçbir zaman geçmemelidir. Ancak numune içinde akımı sağlamak için de 35kPa’ dan az olmamalıdır (ASTM, 1996). Tabakaların sıkıştırılmasında düşey sıkıştırma olacak şekilde titreşim kullanılmıştır (Mulilis, J.P. ve diğ., 1977). Sıkıştırma tamamlandıktan sonra iki parçalı numune hazırlama kalıbı çıkarılır ve nımunenin üst başlığı takılır. Hücre damıtık su ile doldurulur ve hücreye basınç uygulanırken vakum kapatılır. Numune üzerindeki filtre kağıtlarını ve numune içindeki hava ile dolu boşlukları su ile doldurmak için, hücre basıncından daha düşük bir basınçla alttan yukarıya doğru su verilir. Bu aşamaya kadar yapılan işlemler operatörün müdahalesiyle yapılan işlemlerdir. Bundan sonra deney değerleri bilgisayara girilir ve sistemde kontrollü aşamalara geçilir (Şekil 3).

1158

Şekil 2. Dinamik Üç Eksenli Deney Sistemi

4. Deneyin Yapılışı Numuneye uygulanması öngörülen titreşim dalga tipi seçilir (kare, sinüzoidal…gibi). Bu noktada doyurma aşamasına geçilir. Doyurma işlemi geri basınç uygulaması ile yapılmalıdır. Bunun amacı, basınçların verilmesinden önce numunede olan hava ile dolu boşlukların tamamen su ile doldurulmasıdır. Geri basıncı uygularken zemin numunesinin istenmeyen ön gerilmelere maruz kalmaması için basınçlar kademeli olarak arttırılır. Her kademe değişikliğinde boşluk suyu basıncının dengeye gelmesi beklenir ve bu aşamalarda boşluk suyu basıncı parametresi “B” değerinin artışı izlenir ve B=0.95-1.00 değerlerine ulaştığında konsolidasyon aşamasına geçilir. Burada amaç, dinamik yükleme sırasında numunenin alması gereken efektif konsolidasyon basıncı altında denge durumuna gelmesidir. Sistemde drenaj vanaları kapalı iken, hücre basıncı ile geri basınç arasındaki fark istenen efektif konsolidasyon basıncı değerine getirilir ve konsolidasyonun başlaması için drenaj vanaları açılır. %100 konsolidasyon tamamlandıktan sonra numuneye dinamik yükleme yapılır. Yapılan deneylerin doğruluğunu karşılaştırmak için Silver’in , 1976’daki çalışmalarında kullandığı değerlerle test frekansı=1Hz , hücre basıncı 100 kPa kullanılmıştır . Deney başladıktan sonra dinamik yük, boşluk suyu basıncı ve birim boy değiştirmeler CDAS tarafından bilgisayara gönderilir ve otomatik olarak kaydedilir. Dinamik yükleme ASTM D5311-92’ e göre yapılmaktadır. Deney

Şekil 3. Bilgisayar Değerlerinin Belirlenmesi

1159

tamamlandıktan sonra tüm basınçlar sıfırlanır ve sonuçlar sayısal ve grafik olarak gösterilir. Toplu deney sonuçları Tablo 2’ de verilmiştir (Polito, C.P.,1999, Sancio, B. R.,2003, Silver, M., ve diğ.1976) . Kalibrasyon deneylerinin tamamlanmasından sonra Adapazarı numuneleri üzerinde deneyler yapılmıştır. Kahve renkli CI numunesi üzerinde, efektif konsolidasyon değeri 100kPa olmak üzere deneyler yapılmıştır. Sıvılaşmanın görülmediği deney sonuçları Şekil 4’te verilmiştir.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0 5 10 15 20 25

zaman

birim

boy

kıs

alm

a

-0.3-0.2-0.1

00.10.20.30.40.50.60.7

0 5 10 15 20 25

zaman

boşl

uk s

uyu

bası

ncı

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0 5 10 15 20 25

zaman

dina

mik

ger

ilme

oranı

Şekil 4. Dinamik Üçeksenli Deney Sonuçları

1160

Tablo 2. Karşılaştırmalı Dinamik Üç Eksenli Kesme Deneyi Sonuçları

Dr(%)=60 Silver Polito Sancio Bu çalışma

Dinamik gerilme oranı 0,30 0,35 0,40 0,30 0,35 0,40 0,30 0,41 0,28 0,31 0,38 σ’=0 için çevrim sayısı 29 15 8 32 15 4 39 8 30 20 12

5. Sonuç

Bu çalışmada elde edilen sonuçlar daha önce Monterey standard kumu üzerinde kalibrasyon işlemi yapmış araştırmacıların bulguları ile karşılaştırıldığında eğrilerin çakıştığı Şekil 5’de görülmektedir (Polito, C.P.,1999, Sancio, B. R.,2003, , M., ve diğ.1976). Bunun anlamı, kullanılmakta olan Wykeham Farrance CTX aletinin kullanılmış diğer aletlerle aynı performansa sahip olduğudur. Ancak bu sonuçlara varılana değin sistemde belirli ayarlamaların yapılması gerekmiştir. Bu nedenle deneylere başlamadan her yeni sistemin kontrol edilmesi ve kalibrasyonun titizliklikle gerçekleştirilmesi önem taşımaktadır.

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

1 10 100

çevrim sayısı

dina

mik

ger

ilme

oranı

Silver (1976)Polito (1999)Bu ÇalışmaSancio(2003)

Şekil 5. Monterey Kumunda Dinamik Gerilme Oranı ile Çevrim Sayılarının Karşılaştırılması

KAYNAKÇA 1. ASTM D5311-92, 1996. Standard Test Method for Load Controlled Cyclic Triaxial Strength of Soil 2. GALLAGHER, P. M., 2000. Passive Site Remediation for Mitigation of Liquefaction Risk,. PhD Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University. 3.GEORGE E.V. and WAYNE A.C., 1990. Laboratory Study of Compressional Liquefaction, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 116(5), pp. 790-804. 4. HORITA, M.,1985. Modelling of cyclic behavior of saturated Monterey No.0/30 Sand, PhD Thesis, University of Colorado. 5. MULILIS, J.P., SEED, H.B., CHAN, K.C., MITCHELL, J.K. , ARULANANDAN, K., Effects of sample preparation on sand liquefaction, 1977. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, pp. 91-107. 6. POLITO, C.P.,1999. The Effects of Non-Plastic and Plastic Fines On The Liquefaction of Sandy Soils, PhD Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University 7. SANCIO, B. R., 2003. Ground failure and building performance Adapazarı, Turkey. PhD Thesis, University of California, Berkeley. 8. SILVER, M., CHAN, C., LADD, R., LEE, K., TIEDEMANN, D., TOWNSEND, F., VALERA, J., WILSON, J., 1976. Cyclic Strength of Standard Test Sand, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 102(5), pp. 511-523. 9.WILLIAM, G. Pierce, 1985. Constitutive relations for saturated sand under undrained cyclic loading. PhD Thesis, Rensselaer Polytechnic İns., NewYork.

1161