Sıvılaşma Nedir? Sıvılaşma Oluşumu, Çeşitleri ve Analizi

Sıvılaşma Nedir?

Sıvılaşma genellikle kohezyonsuz zeminlerde meydana gelen dinamik ve monotonik yüklemeler sonucu boşluk suyu basıncının artması ve buna bağlı olarak efektif gerilmelerin azalması ile zemindeki kayma dayanımındaki kayıptır.

Sıvılaşan zemin, bir akışkan gibi davranmaktadır. Sıvılaşma olayı sırasında, zeminlerin taşıma kapasitelerini kaybetmeleri sonucu, yüzeyde yer alan yapı ve binalarda önemli hasarlar ve deformasyonlar meydana gelebilmektedir.

Sıvılaşma deprem sırasında gevşek ve orta sıkılığa sahip suya doygun kum zeminlerde meydana gelebilecek, geoteknik açıdan en dramatik olaylardan birisidir. Sıvılaşma sonucu yapılarda ağır hasarlar ve göçmeler gözlemlenmektedir. Hasarın ciddiyeti yapı tipi, saha koşulları, deprem karakteristiği gibi etmenlere bağlıdır.

Yeraltı su seviyesinin altında bulunan statik koşullardaki bir zemin tabakası, zemin daneleri arasındaki temas kuvvetinden kaynaklanan belirli bir dayanıma ya da dirence sahiptir. Zemin danelerini bir arada tutmaya yarayan bu temas kuvvetinin etkisiyle, daneler arasında efektif gerilme olarak tanımlanan gerilmeler oluşmaktadır. Daneler arası boşluklarda biriken suyun daneler üzerinde oluşturduğu basınç ise boşluk suyu basıncı olarak ifade edilmekte ve efektif gerilmeler üzerinde doğrudan etkili olmaktadır.

“Sıvılaşma Nedir?”

“Sıvılaşma Nasıl Olur”

Depremler gibi büyük ve hızlı dinamik yüklemeler sonucu oluşan kayma dalgaları, suya doygun halde bulunan daneli zemin tabakalarının sahip olduğu dane yerleşim düzeninde yer değiştirmelere ve sıkışmalara neden olmaktadır. Bu nedenle, daneler arası boşluk suyu drene olamamakta ve dolayısıyla boşluk suyu basıncı artmakta ve efektif gerilme sıfır olmaktadır. Bu durum zemin tabakasının dayanımının düşmesine neden olmakta ve taşıma kapasitesini kaybeden zemin tabakasının katı bir halden sıvı hale geçmesi sonucu zeminlerin sıvılaşması meydana gelmektedir

Sıvılaşma terim olarak ilk kez Terzaghi ve Peck tarafından 1948 yılında gevşek kumlu zeminlerde kayda değer dayanım kayıpları ve dayanım kayıplarına bağlı akış göçmelerini tanımlamak için kullanılmıştır. Benzer şekilde Mogoami ve Kubo 1953 yılında svılaşma terimini çevrimsel yükleme sonuçu oluşan kayma dayanımı kayıplarını tanımlamak için kullanmıştır.

Zemin Sıvılaşması için Gerekli Koşullar

Sıvılaşma durumunun meydana gelebilmesi için gerekli olan şartların oluşması gerekmektedir. Zemin sıvılaşmasını etkileyen faktörler şu şekildedir:

Depremin büyüklüğü ve süresi

Deprem sırasında oluşan sismik enerjinin de etkisi ile oluşan tekrarlı kayma gerilmeleri neticesinde boşluk suyu basıncının artmasıyla birlikte sıvılaşma durumu oluşmaktadır. Depremin süresi ve büyüklüğü arttıkça, meydana gelen sismik enerjinin de artış göstermesine bağlı olarak zeminde deformasyonlara yol açacak yer sarsıntısı ve büyük yer ivmesi meydana gelmektedir. Yer sarsıntısının da etkisiyle artan yer ivmesiyle meydana gelen kayma değişimleri, zemin içerisindeki tanelerin aralarında yer değiştirmesi, boşluk suyunun da artmasına bağlı olarak sıvılaşma olayı meydana gelmektedir. Netice olarak, depremin büyüklüğünün ve süresinin artmasına da bağlı olarak zeminde belirli tabakalarda sıvılaşma potansiyelini de artıracaktır

Yeraltı su seviyesi

Sıvılaşma olayı, suya doygun halde bulunan kohezyonsuz zeminlerde meydana gelmektedir. Bu sebepten dolayı bölgedeki yeraltı su seviyesinin yüzeye yakın olması sıvılaşma tehlikesini daha da artırmaktadır. Yeraltı su seviyesinin üstünde kalan, zemin içerisinde su bulunmayan veya suya doygun olmayan zeminlerde sıvılaşma olayı mümkün olmadığından, literatüre göre bu tür zeminler genelde sıvılaşma durumu için değerlendirmeye alınmamaktadır.

Zeminin tipi

Kohezyonsuz (plastik olmayan) zeminler, sıvılaşma potansiyeli yüksek zemin türleridir. Bu tür zemin profiline örnek olarak; plastik olmayan siltli kumlar, plastik olmayan siltler, temiz kumlar ve çakıllar verilebilir. Siltli ve killi zeminlerde ise, permeabilite katsayısı düşük olduğundan genel hatlarıyla ön sıvılaşma durumunun oluşmadığı kabul edilmektedir.

Zeminin sıkılık derecesi

Zemin tanelerinin yerleşme şekli; boşluk suyu basıncı üzerinde, oluşumunda ve zeminin sıvılaşabilirliği noktasında çok büyük etkisi vardır. Tekrarlı yüklere maruz kalan kohezyonsuz zeminlerin dinamik davranışını etkiyen en önemli faktörlerden birisi de zeminin sıkılık derecesi oranıdır.

Zeminin tane boyutu ve dağılımı

Çalışmalar, kohezyonsuz (plastik olmayan) zeminlerin, dinamik yükler etkisi altındaki davranışı üzerinde tane dağılımının ve boyutunun önemli derecede etkin olduğunu göstermiştir. Gevşek halde bulunan temiz (kil, silt veya farklı bağlayıcı madde içermeyen) ve kohezyonsuz kum zeminler, sıvılaşma açısından en uygun zeminler olarak gösterilebilir.

Tabakalanma özellikleri ve drenaj şartları

Suya doygun halde bulunan, kohezyonsuz ve gevşek zeminlerde sıvılaşmaya sebep olan etkenlerden birisi de drenajsız koşullar altında boşluk suyu basıncının artmasına ilişkin olarak taneler arası efektif gerilmenin azalmasıdır. (Drenaj nedir? Nasıl Yapılır?) Zemin tabakalarının üstünde daha az geçirime sahip başka bir zemin tabakası olması halinde, deprem sırasında meydana gelen boşluk suyu basıncı etkisinin sönümlenmesi için ihtiyaç olan gerekli drenaj süresi uzamasından kaynaklı sıvılaşma potansiyeli artmış olacaktır. Zeminde boşluk suyu basınç artışının sönümlenmesi halinde ise zemin tabakasında sıvılaşma meydana gelmeme ihtimali söz konusudur.

Çevre basıncı

Zemin yüzeyinden itibaren daha derinlere gidildikçe, yükselen çevre basıncına bağlı olarak, zeminin tabakalarının sıvılaşmaya karşı hassasiyeti azalmaktadır. Yapılan çalışmalar neticesinde, sıvılaşmanın olayının zemin yüzeyinden itibaren yaklaşık olarak 15 metre derinliğe kadar etkilediği bölgelerde oluşabileceğini, 15 metreden sonraki derin bölgelerde ise, zemin tabakalarının daha yüksek bir çevre basıncına maruz kalacağı düşünülerek genellikle bu derinliklerde bulunan zeminlerde sıvılaşma olayının olmayacağını araştırmalar göstermektedir. Bu duruma ek olarak sıvılaşmayacağı düşünülen zemin veya bölgelerde birçok durum için sıvılaşma analizi yapılması gerekebilmektedir.

Zeminin tane şekli

Yuvarlak şekle sahip zemin tanelerinden meydana gelen zeminler, köşeli haldeki zemin tanelerinden oluşmuş olan zeminlere istinaden daha kolay sıkışabilme eğilimi gösterdiğinden bu tür zeminler sıvılaşmaya tehlikesine karşı daha hassas özellik göstermektedir. 2014 yılında yapılan Wei ve Yang‟ın çalışmalarında, temiz kum içerisine yuvarlak şekle sahip toz katkılar katılması, daha açısal, köşeli şekilde bulunan tozların eklenmesi haline göre, sıvılaşma riskini etkin bir şekilde artırmış olduğunu ve bu deneysel farklılığın ise eklenen katkı tanelerinin sertliğinden daha çok şeklinden dolayı olduğunu belirtmişlerdir.

Yaş ve taneler arası çimentolanma

Sıvılaşma olayının meydana gelebilmesi açısından en uygun jeolojik ortamlar, gevşek ve genç çökellerin bulunduğu alanladır. Holosen yaşlı diye ifade edilen on bin yıldan daha genç olan çökeller, sıvılaşma potoniyeli yüksek olan çökellerdir. Son dönemlerde ülkemizde meydana gelen depremler esnasında sıvılaşma durumunun çoğunlukla bu tip çökellerin olduğu alanlarda meydana geldiği tespit edilmiştir. Zemin taneleri arasında sıklıkla görülen çimentolanma olayı poroziteyi (gözenekliği) azalttığından dolayı, zemin tanelerinin yerleşmesine, sıkışmasıyle ilişkili olarak zeminin sıvılaşma mukavemetinde artış meydana getirmektedir. Yer altı suyu seviyesi derinliğinde sismik dalgalanmaların olduğu asidik ortamlarda (örneğin organik asitler) meydana gelen kimyasal reaksiyonlar nedeniyle taneler arası çimentolanmanın zayıflaması buna bağlı olarak da sıvılaşma direncini de azaltmaktadır.

Aşırı konsolidasyon oranı

Zemin tabakalarının sıvılaşma olayında önemli etkenlerden birisi de konsolidasyon derecesidir. Ishihara ve Takatsu‟nun 1979 yılında yapmış olduğu çalışmada, nehir kumu kullanarak yapmış oldukları üç eksenli burulmalı kesme deneyi neticesinde, aşırı konsolide oranının (OCR) artmasına bağlı olarak zemin sıvılaşma direncinin doğrusal olmayan bir şekilde arttığını tespit etmişlerdir.

Sıvılaşma Oluşumu ve Sıvılaşma Çeşitleri

1-Sıvılaşma terimi gevşek ve doygun zeminlerde gözlenen ve birbirleriyle ilişkili fakat çok sayıdaki olayı tanımlamakta kullanılır. Mühendislik açısından bu olaylar üç başlık altında incelenebilir:

-Akma sıvılaşması,

-Devirsel hareketlilik,

-Düz yüzey sıvılaşması,

2-Akma sıvılaşması; sıvılaşabilir zemindeki statik kayma gerilmesi, zeminin sabit durum dayanımından büyük olduğu zaman oluşur. Deprem sırasında ve sonrasında çok yıkıcı akma kaymaları oluşturabilir. Akma kaymaları sadece gevşek zeminlerde gelişebilir.

3-Devirsel hareketlilik, statik kayma gerilmesinin sabit durum dayanımından daha küçük olduğu durumda, devirsel kayma gerilmesinin sabit durum dayanımını geçici olarak açacak şekilde büyük olduğu zaman gelişir. Devirsel hareketlilik ile oluşan deformasyonlar artarak gelişir fakat kuvvetli ve/veya  uzun süreli depremin sonuna kadar büyük boyutlara ulaşabilir. Devirsel hareketlilik hem gevşek hem de sıkı zeminlerde oluşabilir, fakat artan sıklıkla beraber deformasyonlar önemli ölçüde azalır.

4-Düz yüzey sıvılaşması, statik sürücü gerilmelerin olmadığı durumlarda bile tekrarlı yüklemenin yüksek düzeyde aşırı boşluk suyu basıncı oluşturmaya yeterli olduğu zaman gelişir. Düz yüzey sıvılaşmasının oluşumu genellikle zeminde dalgalanma, deprem sonrası oturma ve kum kaynamalarının gelişmesi şeklinde kendini belli eder. Düz yüzey sıvılaşmasından kaynaklanan kalıcı yanal yer değiştirmeler genellikle küçüktür.

5-Sıvılaşma tehlikesi analizi için sıvılaşmaya duyarlılık, sıvılaşma başlangıcı ve sıvılaşmayı etkileyen faktörlere dair soruların cevaplandırılması gerekir. Bir sahanın sıvılaşma tehlikesinden uzak olabilmesi için, zeminler sıvılaşmaya duyarlı olmamalıdır. Beklenen yükleme şartları sıvılaşmayı başlatacak düzeyde olmamalıdır veya sıvılaşma etkileri kabul edilebilir düzeyde olmalıdır.

6-Sıvılaşmaya duyarlılık tarihsel, jeolojik, bileşimsel ve durum açısından değerlendirilebilir. Bir zeminin sıvılaşmaya duyarlı olabilmesi için jeolojik, bileşimsel ve durum kriterlerinin sağlanması gerekir. Bu kriterlerden birisinin sağlanmaması durumunda zemin sıvılaşmaya duyarlı değildir.

7-Değişik sıvılaşma olayları için sıvılaşma duyarlılığı da farklıdır. Devirsel hareketliliğe veya düz yüzey sıvılaşmasına duyarlı olan bir zemin, akma sıvılaşmasına duyarlı olmayabilir. Değişik sıvılaşma olaylarına duyarlılık, zeminin başlıca deprem sırasındaki durumuna, gerilme ve yoğunluk şartlarına bağlıdır.

8-Belirli yükleme şartları altında bir kum, yüksek birim deformasyonlarında efektif hücre basıncı, kayma dayanımı ve yoğunluğu özel bir kombinasyona erişecektir. Bu kombinasyon, bir sabit durum çizgisiyle grafiksel olarak tanımlanabilir. Sabit durum çizgisinin konumunu etkileyen en önemli özellikler tane boyutu ve tane şeklidir. Bir kumun davranışı ile o kumun sabit durum çizgisine göre göreceli konumu arasında kuvvetli bir ilişki söz konusudur.

9-Akma sıvılaşması; asal efektif gerilme oranının drenajsız, gerilme kontrollü şartlarda kritik bir değere ulaştığı zaman oluşmaktadır. Akma sıvılaşması başlangıcındaki gerilme durumu, gerilme izi uzayında akma sıvılaşması yüzeyi ile grafiksel olarak tanımlanabilir. Bir zemin elemanının efektif gerilme izi akma sıvılaşması yüzeyine eriştiği zaman, ilave birim deformasyona maruz kalma sonucunda, ilave aşırı boşluk suyu basıncı oluşur ve mevcut kayma direnci sabit durum dayanımının altına düşer.

10-Yüksek ilksel kayma gerilmesi altında dengede olan gevşek bir kumun durumu, daha düşük ilksel kayma gerilmesine maruz kalan aynı özellikteki bir diğer zemine kıyasla akma sıvılaşması yüzeyine daha yakın olduğundan, akma sıvılaşmasının başlangıcı için daha düşük düzeyde aşırı boşluk suyu basıncı gereklidir. Akma sıvılaşması, yüksek ilksel kayma gerilmesine maruz kalan zeminlerde küçük drenajsız örselenmelerle tetiklenebilir. Böyle zeminlerde sıvılaşma tehlikesi yüksek olabilir.

11-Devirsel gerilme yüksek düzeyde aşırı boşluk suyu basınçları ve düşük efektif gerilmeler oluşturabilir. Fakat, tek yönlü hareket zeminin genişlemesine neden olacaktır. Genişlemenin neden olduğu artan kayma direnci, akma kaymalarına izin vermeyecek şekilde zemini hapseder.

12-Kum kaynamalarının varlığı çoğu zaman düz yüzey sıvılaşmasının kanıtı olarak değerlendirilir. Ancak kum kaynamasının oluşumu; sıvılaşan katmanın derinliği, kalınlığı ve boşluk hacmi gibi faktörler ile onun üzerine gelen zeminlerin özelliklerine bağlıdır. Derinlerdeki ince veya siltli bir katmanın düz yüzey sıvılaşması, zemin yüzeyinde kimi zaman gözlemlenemediğinden, kum kaynamalarının yokluğu düz yüzey sıvılaşmasının oluşmadığı anlamına gelmemelidir.

13-Sıvılaşma potansiyelini değerlendirmede devirsel gerilme yaklaşımı hem deprem yükünü hem de zeminin sıvılaşma direncini devirsel gerilmeler cinsinden karakterize eder. Geçici bir deprem hareketi, kayma gerilmesinin üniform devirlerinin eşdeğer dizisine dönüştürülür. Hareketin süresinin bir fonksiyonu olan eşdeğer devir sayısı deremin büyüklüğü ile eşleştirilir. Sıvılaşma direnci laboratuvar veya arazi deneylerinden elde edilir. Tekrarlı üç eksenli ve tekrarlı basit kesme deneyleri genellikle laboratuvarda kullanılır. Sıvılaşma direnci, belirli bir yoğunlukta olan belirli bir düzeydeki devirsel kayma gerilmesine maruz kalan zeminde yenilme oluşması için gerekli devir sayısı cinsinden ifade edilir. Ancak, devirsel gerilmeye dayalı sıvılaşma direnci, numune alma sırasında tahrip edilen ve laboratuvarda taklit edilmesi çok zor olan zemin dokusu, gerilme ve birim deformasyon tarihçesi ve yaş gibi faktörlerden etkilenmektedir. Arazi deneylerine dayalı yöntemler; sıvılaşma direncini, geçmiş depremler sırasında sıvılaşmış zeminlerle ilgili in situ parametreleri cinsinden karakterize etmektedir. SPT direnci en yaygın kullanılan tür olup, CPT direnci ile kesme dalgası hızı da giderek yaygınlaşmaktadır. Devirsel gerilme yaklaşımında sıvılaşmaya karşı emniyet katsayısını hesaplamak mümkündür.

14-Devirsel birim deformasyon yaklaşımında deprem yükü ve sıvılaşma direnci, devirsel birim deformasyonlarla karakterize edilir. Sıvılaşmayı başlatmak için gerekli devirsel kayma gerilmelerini etkileyen faktörler, kayma modülü üzerinde de aynı etkiye sahip olduğundan, devirsel birim deformasyon (devirsel kayma gerilmesinin kayma modülüne oranı) bu faktörlere daha az duyarlıdır.

15-Sıvılaşma potansiyelinin değerlendirilmesine yönelik başka yaklaşımlar da geliştirilmiştir. Sönümlenmiş enerji yaklaşımı sıvılaşma direncini değerlendirmede kullanılmaktadır. Yer hareketinin enerji içeriği ile sönümlenmiş enerjinin karşılaştırılmasıyla sıvılaşma potansiyeli değerlendirilebilir. Deprem sırasında ve sonrasındaki aşırı boşluk suyu basıncı oluşumu ve modellerini veya ileri yapıcı modelleri kapsayan efektif gerilme zemin tepki analizleri kullanılabilir.

16-Farklı sıvılaşma olaylarına ait sıvılaşma etkileri de farklıdır. Akma sıvılaşması çok çarpıcı etkiler oluşturabilirken, devirsel hareketlilik ve düz yüzey sıvılaşması da kapsamlı hasar oluşturabilmektedir.

17-Sıvılaşma, zemin yüzeyi hareketlerinin frekans içeriğini ve genliğini önemli ölçüde değiştirebilir. Aşırı boşluk suyu basıncının birikimi sıvılaşabilir zeminin yumuşamasına neden olurken, zemin yüzeyi ivmeleri küçülürken bile zemin yüzeyi yer değiştirmeleri artabilir. Zemin dalgalanması yüzeysel zeminin çatlaklı bloklarının dağınık kalıcı hareketine neden olabilir.

18-Zemin yüzeyi oturması kuru veya doygun kumların deprem sırasında veya sonrasında sıkışmasıyla oluşur. Kuru kumun oturması neredeyse anlık olarak gelişirken, doygun kumlardaki oturma deprem sarsıntısı sona erdikten uzun bir süre sonra bile gelişmeyebilir. Deprem sonrası oturmanın büyüklüğü kumun yoğunluğu ile sarsıntının genlik ve süresine bağlıdır.

19-Depremden kaynaklanan kayma gerilmeleri, sıvılaşan zeminin kayma direncini aştığında duyarsızlık yenilmeleri gelişebilir. Sıvılaşmış zeminin kayma direnci, dikkatli bir örselenmemiş numune alımı ve laboratuvar deneyiyle veya arazi deneyi parametreleri ve sıvılaşma olaylarından geri hesaplama yoluyla değerlendirilebilir. Mevcut yaklaşımların tümündeki dayanım hesaplamalarında önemli derecede belirsizlik söz konusudur.

20-Sıvılaşma akma yenilmeleri, statik kayma gerilmelerinin sıvılaşmış zeminin kayma direncini aştığı durumda oluşur. Bu durum, deprem sırasında veya sonrasında ortaya çıkabilir. Gözenek suyu akışından ileri gelen zemin gevşemesinin kayma dayanımı üzerine etkileri teşhis edilmeli ve olası akma yenilmesinin değerlendirilmesinde hesaba katılmalıdır.

21-Yanal yayılma gibi deformasyon yenilmeleri deprem sarsıntısı süresi içinde artan şekilde gelişebilir. Kuvvetli düzeydeki ve uzun süreli sarsıntılarla ilişkili deformasyon yenilmeleri büyük yer değiştirmelere ve önemli hasarlara neden olabilir. Deformasyon yenilmelerinin neden olduğu yer değiştirmeleri hesaplamaya yönelik prosedürler geliştirilmiştir.

Belirli zemin gradasyonlarında zemini iyileştirme tekniklerinin, sıvılaşmayı azaltma yeteneği

KaynakLAR: 
Steven L. Kramer, Geoteknik Deprem Mühendisliği Kitabı
Mitchell, J. K., 2008, Mitigation of liquefaction potential of silty sands, From Research to Practice in Geotechnical Engineering, Geotechnical Special Publication 180, 433-451p.
Süleyman GÜCEK -ARAZİ DENEYLERİNE DAYALI ZEMİN BÜYÜTMESİ VE SIVILAŞMA ANALİZLERİ: AFYONKARAHİSAR-UYDUKENT YERLEŞİM ALANI ÖRNEĞİ
VİDEO:https://www.youtube.com/watch?v=b_aIm5oi5eA