DİNAMİK ÜÇ EKSENLİ KESME DENEYİNİN MONTEREY KUMU İLE

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
Polito
Gallagher
çalışma
No.0/30 No.0/30
Simge
SP
SP
SP
D50
0.38
0.43
0.44
Gs
2.65
2.65
2.65
emax
0,82
0,82
0,821
emin
0.56
0.63
0.464
1
2
Horita
No.0/30
SP
0.45
2.65
0,80
0.56
Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Müh. Böl, ADAPAZARI
Istanbul Kültür Üniversitesi Mühendislik –Mimarlık Fakültesi İnşaat Müh. Böl., İSTANBUL
1157
William
No.0
SP
0.36
2.65
0.88
0.67
Silver
No.0
SP
0.36
2.65
0.85
0.56
Mulilis
No.0
SP
0.40
2.65
0.851
0.573
Chan
No.0
SP
0.36
2.65
0,86
0.57
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.
birim boy kısalma
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
5
10
15
20
25
15
20
25
15
20
25
zaman
0.7
boşluk suyu basıncı
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1 0
5
10
-0.2
-0.3
zaman
dinamik gerilme oranı
0.40
0.20
0.00
0
5
10
-0.20
-0.40
zaman
Şekil 4. Dinamik Üçeksenli Deney Sonuçları
1160
Tablo 2. Karşılaştırmalı Dinamik Üç Eksenli Kesme Deneyi Sonuçları
Silver
Polito
Sancio
Bu çalışma
Dr(%)=60
Dinamik gerilme oranı
σ’=0 için çevrim sayısı
0,30
29
0,35
15
0,40
8
0,30
32
0,35
15
0,40
4
0,30
39
0,41
8
0,28
30
0,31
20
0,38
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.
dinamik gerilme oranı
0.45
0.4
0.35
Silver (1976)
Polito (1999)
0.3
Bu Çalışma
Sancio(2003)
0.25
0.2
1
10
100
çevrim sayısı
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