2.5.2. MÜHENDİSLİK JEOFİZİĞİ UYGULAMALARI 2.5.2.1. Sismik

2.5.2. MÜHENDİSLİK JEOFİZİĞİ UYGULAMALARI
2.5.2.1. Sismik Refraksiyon (Kırılma) Etüdleri
İstanbul ili Silivri ilçesi --- sınırları içinde kalan AHMET MEHMET adına kayıtlı Pafta : F19C21A
Ada : 123 Parsel : 12 nolu alanda temel zeminin dinamik özelliklerinin araştırılması ve jeolojik yapı ile
korelasyonu amacıyla 01.01.2012 tarihinde Sismik (Kırılma) Refraksiyon Etüdü yapılmıştır.
Sismik yöntemler, yapay bir kaynak kullanılarak oluşturulan titreşimlerle yeraltının incelenmesidir.
Yapay olarak oluşturulan bu sismik dalgalar, farklı yapıdaki ortamların ara yüzeylerinden kırılarak ve
yansıyarak,yayıldıkları ortamların çeşitli fiziksel özellik bilgilerini yeryüzüne taşımaktadır.
Yeryüzünde bir doğrultuda göre yerleştirilen alıcılar(jeofonlar)ile algılanan ve kayıtçı tarafından
kaydedilen sinyaller değerlendirilerek ortama ait çeşitli parametreler saptanır.Bu saptanan parametreler,
ortamın geometrisini ve ortamı oluşturan jeolojik birimlerin yapısal ve mekanik özelliklerini yansıtır.
Kırılma sismogramları 12 kanallı Geometrics ES 3000 sayısal kayıtçılarla kaydedilmiştir. Kayıtları
incelemek ve işlenmek amacıyla alınan anolog sismogramlara ek olarak veriler,büroda incelemek ve
işlenmek amacıyla,arazide sayısal portatif bilgisayara kaydedilmiştir.Sistemin bu yeteneği bize sismik
verilerin gelişmiş bilgisayar program paketleri ile işlenmesi ve değerlendirilmesi olanağını
sağlamaktadır.Cihazın 12 adet P ve 12 adet S Jeofonu (OYO-ABD) olup,Enerji kaynağı olarak 8 kg
ağırlığında trigerli balyoz kullanılmıştır.Boyuna atışlarda metal plaka, enine atışlarda ise vuruş için çukur
kazılıp metal plaka enine yerleştirilmiştir. Cihaza bağlanan taşınabilir bilgisayarda sismik izler Geometrics
firması tarafından üretilen Seismodule Controller ile kayıt edilmiş ve ilk varış zamanları Pickwin(Pick
First Breaks or Dispersion Curves),sayısal olarak okunup yol-zaman grafikleri ve sismik kesitleri ise
Geometrics firması tarafından üretilen Plotrefa(Refraction Analysis)programı ile proses edilmiştir.
Alınan kayıtlarda ölçü profil uzunluğu 18 metre ve Sismometre (jeofon) aralıkları 1,5 metre vuruş
noktasının ilk jeofona uzaklığı (offset) ise 1,5 metre uygulanmıştır. Boyuna (Vp) sismik dalga hızı yer altı
yapısal konumları daha derinlerden tespit etmek için enine (Vs) sismik dalga hızı ise yanal süreksizlikler
ile mekanik özellikleri daha iyi tanımak amacıyla ölçülmüştür.
Alınan sismik ölçü kayıtları ve zaman-uzaklık grafikleri eklerde sunulmuştur.Bu ölçülerden saptanan
sismik hızlardan yer altı mekanik özelliklerini tanımlayan parametreler hesaplanmıştır.
Alınan sismik ölçü kayıtları ve zaman-uzaklık grafikleri eklerde sunulmuştur.Bu ölçülerden saptanan
sismik hızlardan yer altı mekanik özelliklerini tanımlayan parametreler hesaplanmıştır.
Resim 1 : İnceleme Alanında Yapılan Sismik Kırılma Çalışmalarından Genel Görünüm
2.5.2.1.1. Sismik Zemin Parametrelerinin Açıklanması
Sismik Hız Oranı (Vp/Vs):
Zeminin sıklığını gösterir.Oran; (0-2) arası zemin sıkı,(2-3) arası az sıkı, (3’ ten) göstermektedir.Bu
oran zeminin sıvılaşabilme potansiyeli ile ilgili olarak bilgi vermektedir.Gevşek suya doygun siltli kum,
kum ortamları için bu oranın 3 ten büyük çıkması zeminin Depremin büyüklüğü süresi ve etki alanına
bağlı olarak sıvılaşabilme potansiyelinin olduğunu ifade etmektedir.
Poisson Oranı ( σ )
0.5
0.4-0.49
0.3-0.39
0.2-0.29
0.1-0.19
0-.0.09
Vp/Vs
∞
∞-2.49
2.49-1.87
1.87-1.71
1.71-1.50
1.50-1.41
Sıkılık
Cıvık-Sıvı
Çok Gevşek
Gevşek
Sıkı-Katı
Katı
Sağlam Kaya
Tablo 1: Vp / Vs oranı ile sıkılık arasındaki ilişki (Ercan, 2001).
Poisson Oranı (s ):
Boyuna ve enine sismik dalga hızlarının birbirine oranı kullanılarak hesaplanan Poisson oranı, enine
kırılmanın boyuna uzamaya olan oranını vermektedir. Çoğu elastik katılar için ortalama değeri 0,25
civarındadır ve farklı ortamlar için aldığı değerler 0-0.5 arasında değişmektedir. Poisson oranı, kayaçların
yoğunlukları dikkate alınmadan hesaplanır. 0,25-0,35 arasında ise orta derecede gözenekli, 0,35-0,50
arasında ise gözenekli olduğunu göstermektedir. kayacın kırıklı olup olmadığı, ayrıca kayacın
gözeneklerinde su taşıyıp taşımadığı Poisson oranı incelenerek belirlenebilir. artar ve 0.5 değerine
yaklaşır.Poisson oranının sismik hızların oranı cinsinden ifadesi,
σ = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) şeklindedir ve Poisson oranı boyutsuzdur.
Elastite (Young) Modülü:
Jeolojik birimlerin sertlik ve sağlamlılığının bir ölçüsüdür. altındaki zemin veya kayacın biçim
değişikliği küçük olmaktadır. Elastisite modülü; 1.700 kg / cm² ise gevşek, 2.000- 10.000 kg / cm²
arasında ise orta derecede sıkı , 10.000-30.000 kg / cm² arasında ise sağlam ve 30.000 kg / cm² ‘ den büyük
ise çok sağlam olduğunu gösterir.
Kayma (Shaer) modülü:
Zeminin yatay kuvvetlere karşı direncini,dayanıklılığını gösterir.Kayma modülünün;(600kg/cm²)
gevşek,(600kg/cm²-3.000kg/cm²)arası orta sağlam(bozuşmuş),(3.000kg/cm²-10.000kg/cm²) arası sağlam
ve (10.000kg/cm²) çok sağlam olduğunu gösterir.
Bulk ( Sıkışmazlık) Modülü:
Bir kütlenin kendisini saran basınç altında sıkışmasının bir ölçüsü olan Bulk modülü diğer bir
söyleyişle uygulanan basınç altındaki hacim değişiminin ölçüsüdür.
Dinamik Yoğunluk:
Birimi gr/ cm3 olup (d) sembolüyle ifade edilir. Porozitesi yüksek, gevşek ortamlarda düşük, sağlam,
çatlaksız ve kaya ortamlarında yüksek değerler alır.Bozuşmamış,ayrışmamış kayaçların dinamik
yoğunluğu (d=2,6 gr/cm3 ) tür.
Gözeneklilik :
Gözeneklilik, kayaçların tane büyüklüğüne, şekline, tanelerin benzer boyutlarda oluşuna ve
sıralanmasına ayrıca ara maddeyi oluşturan malzemenin çimentolama derecesine bağlı olarak değişim
gösteren bir özelliktir.İrili ufaklı tanelerin oluşturduğu ortamlarda ufak taneler iri tanelerin arasını
doldurduğu için gözeneklilik azalır.Tanelerin dik dizilişlerinde gözeneklilik artarken, eğik dizilişlerinde
gözeneklilik azalır. Birincil gözeneklilik, kayacın ilk oluşumu sırasında kazandığı düzenli gözeneklilik
olarak tanımlanmaktadır. İkincil gözeneklilik ise kayacın ilk oluşumundan sonra geçirdiği olaylar (kayacın
sıkışması, erimesi ve çatlaması sonucu oluşan çatlaklar, erime boşlukları gibi) sonucu oluşan gözenekliliği
tanımlamaktadır. Gözeneklilik daha çok metamorfizma geçirmiş kayaçlarda gözlenir.
Ø = -0,175 * In( Vp )+ 1,56 bağıntısından hesaplanabilmektedir (Watkins ve diğ., 1972)
Birimler sahip oldukları gözeneklilik oranına % Ø göre genel olarak,
% Ø > 25
ise Yumuşak
25 > % Ø > 15 ise Orta Sert
% Ø < 15
ise Sert
şeklinde sınıflandırılmaktadır. Gözeneklilik yüzde olarak ifade edilmektedir.
Kayacın Cinsi
Gözeneklilik
Toprak
50-60
Kil
45-55
Silt
40-50
Kaba ve İnce Kum Karışığı
30-40
Çakıl
30-40
Kum ve Çakıl
20-35
Kumtaşı
10-20
Killi Şist(Şeyl)
1-10
Kalker
1-10
Tablo 2: Bazı kayaçların gözeneklilik değerleri (Erguvanlı ve Yüzer, 1987).
Zemin Hakim Titreşim Periyodu:
T0=(4 *h1 / Vs1) + (4*h2 / Vs2)
( Kanai 1983)
Formülünden hesaplanmaktadır.Bina öz periyotlarından uzak tutulur.Kayaçlarda aldığı değer,
zeminlere nazaran düşüktür. (0-1) arasında değerler alıp birimi saniyedir.
Yapı Periyotları Amplifikasyon Aralığı :
Yapı periyot değerlerinin zemin hakim periyodu değerinin 0,67 si ile 1,5 katı arasında bulunmamasına
özellikle dikkat edilmesi gerekmektedir.Zemin hakim periyot değeri 0,67 ve 1,50 değeri ile çarpıldığında
yapı periyotlarının yer almaması gereken amplifikasyon bölgesi belirlenmektedir.
ZEMIN DINAMIK PARAMETRELERI
P Dalgası Hızı
S Dalgası Hızı
Tabaka Derinliği
Poisson Oranı
Shear (Kayma) Modülü
Elastisite – Young Modülü
Dinamik Yoğunluk
Bulk Modülü
Vp / Vs
Zemin Hakim Periyodu (To)
Zemin Büyütmesi Zb= (701/Vs)
1.ORTAM
321 m/sn
171 m/sn
1,40 m
0,30 kg/cm²
0,55 kg/cm²
999 kg/cm²
1,31 gr/cm3
840 kg/cm²
1,88
.
% 4,10
Tablo 3 :Dinamik Elastik Paremetreler
2.ORTAM
571 m/sn
377 m/sn
.
0,11 kg/cm²
0,45 kg/cm²
4.797 kg/cm²
1,52 gr/cm3
2.069 kg/cm²
1,51
0,55 sn
% 1,86
Vp (boyuna veya sıkışma) Dalga Hızı:
Vp1ort = m/t = 321 m/sn
Vp2ort = m/t = 571 m/sn
Vs (enine veya kayma) Dalga Hızı:
Vs1ort = m/t = 171 m/sn
Vs2ort = m/t = 377 m/sn
Sismik Hız Oranı (Vp / Vs):
Vp1 / Vs1 = 321 / 171 = 1,88
Vp2 / Vs2 = 571 / 377 = 1,51
Poisson Oranı (s ):
σ1 = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) = 0,30
σ2 = (0.5 *(Vp/Vs)²-1) / ( (Vp/Vs)²-1 ) = 0,11
Elastisite (Young) Modülü:
E1 = 2* Shear Modülü*(1+Poisson Oranı) 999 kg/cm²
E2 = 2* Shear Modülü*(1+Poisson Oranı) 4.797 kg/cm²
Dinamik Yoğunluk:
d1ort = 0,31 * (Vp1ort)0.25 = 1,31 kg/cm²
d2ort = 0,31 * (Vp2ort)0.25 = 1,52 kg/cm²
Kayma (Shear) Modülü:
G1=(d1 / 9.81)*(Vs*0.001)² * 100000 kg / cm² = 384 kg/cm²
G2=(d2 / 9.81)*(Vs*0.001)² * 100000 kg / cm² = 2.154 kg/cm²
Bulk ( Sıkışmazlık) Modülü:
Saran basınç altında Gerilme/Yamulma oranı =
Young Mod. / (3 * (1 - ( 2* Poisson ) ) kg /cm²
1. ortam için 840 kg/cm² hesaplanmıştır
2. ortam için 2.069 kg/cm² hesaplanmıştır
( Bowles 1988)
Zemin Hakim Titreşim Peryodu :
T0 =(4*h1/Vs1) + (4*h2/Vs2) = 0,55
Yapı Periyotları Amplifikasyon Aralığı :
To1= 0,37 sn - To2= 0,82 sn olarak belirlenmiştir.
Kalınlık:
h1düz = T1/2 * ( Vp1*Vp2 ) / √Vp1² – Vp2² = 1,40 m
Gözeneklilik :
Ø1 = -0,175 * In( Vp1 )+ 1,56= % 0,55
Ø2 = -0,175 * In( Vp2 )+ 1,56= % 0,45
2.5.2.1.3. Sismik Dinamik Elastik Parametrelerin Değerlendirmesi ve Yorumu
İnceleme alanında 2.ortam için hesaplanan sismik hız oranı 1,51 bulunması zeminin sıkı olduğunu, Poisson
oranının 2.sismik ortam için 0,11 hesaplanması zeminin gözeneksiz olduğunu, Elastisite Modülünün
2.sismik ortam için 4.797 kg/cm² bulunması zeminin orta derece sıkı olduğunu, Kayma Modülünün
2.sismik ortam için 2.154 kg/cm² bulunması zeminin orta sağlam (bozulmuş) olduğunu gösterir.
2.5.2.1.4. Sismik Sonuç:
Yapılan sismik etüt sonucunda (Vs) kayma dalga hızı Temel zemine esas 2. sismik ortam için kayma
dalga hızı (Vs)= 377 m/sn hesaplanmıştır.
Buna göre:
Yerel Zemin Sınıfı Z3 Zemin Grubu C
sınıfına giren zeminler için Spektrum Karakteristik Periyotları (Ta = 0.15 sn - Tb= 0.60 sn)
Zemin Hakim Peryodu To = 0,55 sn
Yapı Periyotlarının Yeralmaması Gereken Amplifikasyon Aralığı;
To1= 0,37 sn - To2= 0,82 sn olarak belirlenmiştir.
1. Derece deprem bölgesi için etkin yer ivme katsayısını ( Ao) = 0.4g olarak verir.
Zemin Taşıma Gücü qu = d * Vs /100 (Prf A.KEÇELİ) Formülünden 1. ortam için;
qu= 2,24 kg/cm² ( 220 Kpa) (1.sismik ortam ) olarak hesaplanır.
Düşey Yatak Katsayısı = Kv = 40 x qa (Kpa)
(1988-J.Bowles’a göre)
Kv= 40 * 220 Kpa
Kv= 8.796 kN/m3 = 880 ton / m3 (1.sismik ortam ) olarak hesaplanır.
Zemin Taşıma Gücü qu = d * Vs /100 (Prf A.KEÇELİ) Formülünden 2. ortam için;
qu= 5,71 kg/cm² ( 560 Kpa) (2.sismik ortam ) olarak hesaplanır.
Düşey Yatak Katsayısı = Kv = 40 x qa (Kpa)
(1988-J.Bowles’a göre)
Kv= 40 * 560 Kpa
Kv= 22.395 kN/m3 = 2.239 ton / m3 (2.sismik ortam ) olarak hesaplanır.
ZEMİN KESİTİ
0
Bitkisel Toprak
Vp1 = 321 m/sn
Vs1 = 171 m/sn
1
2
3
Killi Kum Birimi
Vp2 = 571 m/sn
4
5
6
Vs2 = 377 m/sn