Undrained dynamic response of fully and partially saturated sands through dynamic simple shear test device with confined pressure

Abstract

Deprem yükleri altında tam doygun ve gevşek kum zeminlerde görülen aşırı boşluk suyu basıncı artışına sıvılaşma denir. Zeminde oluşan aşırı boşluk suyu basıncı artışı düşey efektif gerilmenin azalmasına neden olmaktadır. Serbest saha koşullarında, aşırı boşluk suyu basıncındaki artış, örtü yükü düşey efektif gerilmesine eşit olduğu durumda zeminde sıvılaşma olayı meydana gelmektedir. Deprem anında gerçekleşen sıvılaşma olayı serbest saha zemininde oturma ve yapı altında taşıma gücü kaybına ve oturmaya neden olmaktadır. Sıvılaşma sonucu dayanımını kaybeden zemin çeşitli yapısal hasarlara ve can kaybına yol açmaktadır. Son 60 yıldır doygun gevşek kumların sıvılaşma davranışı literatürde çalışılmaktadır ve çeşitli sıvılaşmayı önleyici yöntemler geliştirilmektedir. Bu çalışmalar sırasında kumlu zeminlerin doygunluk derecesindeki az bir miktar azalışın dahi zeminin sıvılaşmaya karşı dayanımını artırdığı gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak kısmi doygun kumların sıvılaşma davranışı üzerine çalışmalar hız kazanmıştır ve kısmi doygunluk, sıvılaşma problemine karşı bir zemin iyileştirme yöntemi olarak geliştirilmeye başlanmıştır. Ancak hala literatürde serbest saha koşullarında kısmi doygun kumların yüksek efektif gerilmeler altındaki drenajsız dinamik davranışı, boşluk suyu basıncındaki değişimlerin bu davranışa etkisi, sıvılaşma direncinin derinliğe bağlı olarak doygunluk derecesiyle değişimi araştırma konusudur. Son yıllarda geliştirilen Kısmi Doygunluğa İndirgeme (IPS) yöntemi sıvılaşmayı engelleyici zemin iyileştirme yöntemlerinden bir tanesidir. Bu yöntemde zemin içerisinde hava kabarcıkları oluşturularak kısmi doygunluk sağlanmaktadır. Kısmi Doygunluğa İndirgeme yöntemi sıvılaşmaya karşı geliştirilen diğer zemin iyileştirme yöntemlerine kıyasla daha ekonomiktir ve hem yeni hem de mevcut binalar altında uygulanmaya elverişlidir. Tez çalışması kapsamında öncelikle, VJ Tech marka Hücre Basınçlı Dinamik Basit Kesme Test Sistemi'nin alımı gerçekleştirilmiş ve İTÜ İnşaat Mühendisliği, Geoteknik Deprem Mühendisliği Laboratuvarına sistemin kurulumu yapılmıştır. Deney düzeneğinin çalışma mekanizması öğrenilmiştir. Hücre Basınçlı Dinamik Basit Kesme Test Sistemi; dinamik basit kesme makinesi, dinamik servo kontrol ünitesi, hücre basıncı ve ters basınç kontrol makineleri, hava basınç kompresörü, hava ve su basıncını dengeleyen silindir, vakum makinesi ve su tankından oluşmaktadır. Deneyler için Clisp Studio yazılım programı kullanılmıştır. Clisp Studio programı kullanılarak çeşitli koşullar altında doygunluk, konsolidasyon, statik yükleme, tekrarlı yükleme ve sıvılaşma deneyleri yapılabilmektedir. Deneylere başlamadan önce, çeşitli tam doygun ve kısmi doygun kum numune hazırlama yöntemleri çalışılmıştır. Deformasyonsuz ve gevşek numune elde edilmesi sıvılaşma deneyleri için önem taşımaktadır. Numuneler plastik membran içinde hazırlanmıştır. Tam doygun numune hazırlama yöntemleri olarak; kuru yağmurlama, ıslak yağmurlama ve yarı doygunlukta sıkıştırma yöntemleri incelenmiştir. Öncelikle, kuru yağmurlama yöntemi denenmiştir. Bu yöntemde kuru kum numunesi huni yardımıyla sabit bir yükseklikten numune kalıbının içine dökülmüştür. Ancak kuru yağmurlama tekniği ile yüksek sıkılıkta numuneler elde edilmiştir. Diğer yöntem olarak ıslak yağmurlama tekniği denenmiştir. Bu yöntemde kuru kum numunesi belirli bir miktar suyun içerisine huni yardımıyla sabit bir yükseklikten dökülmüştür. Ancak numune kalıbı çıkartıldığında ıslak numunenin kolayca deformasyona uğradığı ve yüksek sıkılıkta numune elde edildiği gözlemlenmiştir. Her iki yöntemde de deformasyonsuz ve gevşek numune elde edilememiştir. Bu nedenle tam doygun numune hazırlama yöntemi olarak tercih edilmemişlerdir. Son yöntem olarak yarı doygunlukta sıkıştırma yöntemi incelenmiştir. Bu yöntemde, yaklaşık %50 doygunluk derecesi elde edilecek şekilde kum ve su karıştırılmıştır. Daha sonra bu karışım tabakalar halinde sıkıştırılarak numune kalıbına yerleştirilmiştir. Bu yöntem kullanılarak sıkıştırma miktarının ayarlanmasıyla istenilen sıkılıkta, deformasyonsuz numune hazırlanabilmektedir. Bu nedenle, tam doygun kum numune hazırlama yöntemi olarak yarı doygunlukta sıkıştırma yöntemi en uygun yöntem seçilmiştir ve tam doygunluk, numuneye ters basınç uygulanarak elde edilmiştir.Kısmi doygun kum numune hazırlama yöntemi ise iki farklı aşamada incelenmiştir. Kısmi doygunluk derecesi, zeminin içerisindeki boşluklarda hava (gaz) kabarcığı oluşturularak elde edilmiştir. Hava (gaz) kabarcıkları, sodyum perkarbonatın suyla tepkimeye girmesi sonucu oluşmuştur. Bu tepkime sonucunda çevreye zararlı her hangi bir yan ürün oluşmamaktadır. İlk yöntem olarak, kuru kum ve sodyum perkarbonat belli oranlarda karıştırılıp suyun içerisine yağmurlama tekniği ile dökülmüştür. Ancak, bu yöntemde tepkime sonunda farklı büyüklüklerde, homojen olmayan hava kabarcığı dağılımı gözlemlenmiştir. Kısmi doygunlukta, numune içerisinde homojen dağılımlı hava kabarcığı oluşumu istendiği için bu yöntem tercih edilmemiştir. İkinci yöntem olarak, öncelikle sodyum perkarbonatlı su çözeltisi hazırlanmıştır. Daha sonra, hazırlanan bu çözelti içerisine kuru kum numunesi yağmurlama tekniği ile dökülmüştür. Tepkime sonucunda homojen dağılımlı hava kabarcıklarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Hava kabarcıklarının oluşumuyla yükselen su seviyesi zamana bağlı olarak ölçülmüş ve doygunluk derecesindeki değişimler hesaplanmıştır. Numune hazırlama sürecinde tepkimenin tamamlanması için bir gün beklenilmiştir. Kimyasal ve kuru kum miktarları arasında bir oran elde edilmiş olup bu farklı oranlara göre hazırlanan numunelerin doygunluk dereceleri ölçülmüştür. Ölçümler sonucunda doygunluk derecesinin kimyasal ve kum miktarı arasındaki orana bağlı olarak değişimini gösteren bir grafik elde edilmiştir. Bu oranlara göre de çeşitli doygunluk derecelerinde numuneler hazırlanmış olup istenilen doygunluk derecesinin ayarlanması ters basınç ile numune içerisine alınan su miktarına göre hesaplanmıştır.Uygun numune hazırlama yöntemleri belirlendikten sonra, tam doygun ve kısmi doygun kumlar üzerinde sırasıyla; B değeri kontrolü ve doygunluk deneyleri, izotropik basınçlar altında konsolidasyon deneyi ve drenajsız koşulda tekrarlı yüklemeler altında kayma deformasyonu kontrollü sıvılaşma deneyleri yapılmıştır. Öncelikle, tam doygun numuneler üzerinde hücre basınçlı dinamik basit kesme deneyleri yapılmıştır. Farklı düşey efektif gerilmeler ve birim kayma deformasyonları altında gerçekleştirilen tam doygun numuneler üzerindeki deneyler, aynı koşullarda gerçekleştirilecek kısmi doygun numuneler üzerindeki deneylerle karşılaştırılmak için yapılmıştır. Tam doygun numuneler üzerindeki deneylerde, sabit birim kayma deformasyonu ve rölatif sıkılıkta, düşey efektif gerilmenin artması sonucu sıvılaşma için gerekli çevrim sayısında artış gözlemlenmiştir. Sabit rölatif sıkılık ve düşey efektif gerilme altında ise birim kayma deformasyonu arttıkça sıvılaşma için gerekli çevrim sayısında azalış gözlemlenmiştir. Ancak her koşulda da gerekli çevrim sayısı sağlandığı sürece tam doygun numunelerde sıvılaşma meydana gelmiştir.Kısmi doygun numunelerdeki deney sonuçlarına göre, yeterli çevrim sayısı sağlandığında düşük doygunluk derecelerinde dahi maksimum aşırı boşluk suyu basıncı oranı (ru,max) 1.0'a ulaşmıştır. Bu bulgu, büyük boyutlu numuneler üzerindeki sarsma tablası ve santrifüj deneylerinde (model deneylerinde) elde edilen maksimum aşırı boşluk suyu basıncı oranı ru,max<1.0 bulgusu ile ters düşmektedir. Model deneyleri sonuçlarının tersine, çevrim sayısı arttıkça aşırı boşluk suyu basıncı oranında (ru) artış gözlemlenmiş, bu değer ru<1.0 değerlerinde sabitlenmemiş ve 1.0'a yaklaşmıştır. Bunun sebebi olarak, küçük numune deneylerinde çevrim sayısı arttıkça, numune boşluklarındaki hava (gaz) kabarcıklarının kaçtığı ve numunenin kolaylıkla doygun hale geldiği düşünülmektedir. Büyük numunelerde hava yüzeyden ilk 5-10 santimetredeki boşluklardan ancak kaçabilmekte, daha derindeki boşluklardaki hava (gaz) hapsolmaktadır. Kısmi doygun numuneler üzerindeki deneylerde, birim kayma deformasyonu, doygunluk derecesi, düşey efektif gerilme ve boşluk suyu basıncının (ters basınç) aşırı boşluk suyu basıncı artışına etkisi incelenmiştir. Birim kayma deformasyonundaki artış, sıvılaşma için gerekli çevrim sayısını (NL) düşürmüştür. Doygunluk derecesindeki azalmalar ise sıvılaşma için gerekli çevrim sayısını (NL) artırmıştır. Aynı şekilde, düşey efektif gerilmelerdeki artış sonucunda NL artırmıştır. Sabit boşluk suyu basıncı altında, farklı düşey efektif gerilmelerin aşırı boşluk suyu basıncı artışına etkisi incelendiğinde, düşey efektif gerilmeler arttıkça sabit çevrim sayısında, ru değerinin azaldığı gözlemlenmiştir. Son olarak da boşluk suyu basıncının ru oluşumuna etkisi incelenmiştir. Sabit düşey efektif gerilme, birim kayma deformasyonu ve doygunluk derecesi altında, boşluk suyu basıncı arttıkça kısmi doygun zeminin sıvılaşmaya karşı direnci azalmıştır. Deneyler sonucunda, boşluk suyu basıncı ve düşey efektif gerilmelerdeki artışın aşırı boşluk suyu basıncı artışına birbirlerine göre ters oranda etkidiği gözlemlenmiştir. Bu nedenle, analizlerin belli bir derinlikte numunenin sahip olduğu düşey efektif gerilme ve o derinlikteki gerçek boşluk suyu basıncı altında incelenmesi kararlaştırılmıştır. Sabit doygunluk derecesinde ve birim kayma deformasyonunda, boşluk suyu basıncı ve düşey efektif gerilme aynı miktarda arttıkça kısmi doygun numunenin sıvılaşmaya karşı direncinin arttığı gözlemlenmiştir. Bu sonuçlara göre, doygunluk derecesinin ru oluşumuna etkisi aynı derinlikteki efektif gerilme ve boşluk suyu basıncında karşılaştırılmıştır. Analiz sonuçlarına göre, sabit 100 kPa boşluk suyu basıncı ve düşey efektif gerilme altında; 15., 50. ve 100. çevrim sayılarında, tam doygunluk ve farklı kısmi doygunluk derecelerinde oluşan aşırı boşluk suyu basıncı oranlarının (ru) birim kayma deformasyonu ile değişimini gösteren bir parametrik çalışma yapılmıştır. Bu tez çalışması sonucunda, tam doygun ve kısmi doygun kumların farklı değişken parametreler altında drenajsız dinamik davranışı Hücre Basınçlı Dinamik Basit Kesme deneyleri ile belirlenmiştir. Sonuç olarak; doygunluk derecesindeki azalışın, birim kayma deformasyonundaki azalışın, eşit miktardaki düşey efektif gerilme ve boşluk suyu basıncındaki artışın, gevşek kum zeminlerin sıvılaşmaya karşı dayanımını artırdığı belirlenmiştir. Tez çalışması, ''Deprem Anında Sıvılaşmayı Engellemek Amacıyla Önerilen Kısmi Doyguna İndirgeme (IPS) Yöntemiyle İyileştirilmiş Zeminlerinin Mevcut veya Yeni Yapılar Altında Dinamik Davranışı'' başlıklı, 213M367 numaralı TÜBİTAK Projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir ve araştırma sonuçları projenin geliştirilmesinde kullanılmıştır. Aynı zamanda bu çalışma, tam doygun ve kısmi doygun kumların drenajsız dinamik davranışının hücre basınçlı dinamik basit kesme deneyleri ile belirlenmesi ve Kısmi Doygunluğa İndirgeme yönteminin sıvılaşmaya karşı bir zemin iyileştirme yöntemi olarak geliştirilmesi için gelecek literatür çalışmalarına katkı sağlayacaktır.

Liquefaction induced seismic hazard is still a major problem in geotechnical engineering. Sand boils, liquefaction induced settlements and bearing capacity failures create damages for both human life and structures. At this concern, various liquefaction mitigation techniques have been improved. Altering the fully saturated condition in loose sands to partial saturated is one of the recent liquefaction mitigation techniques that is being developed. Partial saturation is induced by air entrapment inside the voids. In this method, liquefaction resistance of loose fully saturated specimens can be increased by decreasing degree of saturation of the specimen. This study aims to investigate undrained dynamic response of fully and partially saturated sand specimens.VJ Tech brand dynamic simple shear with confining pressure (DSS-C) testing system was used in this research to simulate field conditions in the laboratory. The testing system was established in Geotechnical Earthquake Engineering Laboratory of Civil Engineering Faculty in Istanbul Technical University. Initially, the working mechanism of DSS-C testing system was studied comprehensively. Clisp Studio software program was used to perform the tests. The test setups include; saturation, isotropic consolidation and undrained cyclic loading liquefaction tests.The best specimen preparation methods were examined for both fully and partially saturated sand specimens by using an unconfined membrane. Dry pluviation, wet pluviation and moist undercompaction methods were performed for fully saturated sand specimen preparation. Moist undercompaction method was chosen as the most suitable technique for this research to get loose, undeformed and fully saturated sand specimens for undrained dynamic loading tests. Secondly, partially saturation was achieved by generation of gas bubbles inside the voids. Gas bubbles were created by using sodium percarbonate powder. The partially saturated sand specimen preparation methods were examined in two sections, which were preparing sand-chemical mixture and preparing water-chemical mixture. The best specimen preparation method was chosen as preparing water-chemical mixture and wet pluviation of dry sand into this mixture to get loose and undeformed partially saturated sand specimens at various degrees of saturation. Several undrained cyclic loading strain controlled tests were performed on fully and partially saturated sand specimens. During the test program, change in effective vertical stress and excess pore pressure generation with time and shear stress-shear strain behavior of the fully and partially saturated specimens were determined. Excess pore pressure generation in fully and partially saturated sand specimens were compared under different shear strain levels at 15, 50 and 100 number of cycles. Furthermore, the effect of effective vertical stress, degree of saturation and back pressure on excess pore pressure generation in partially saturated sand specimens were investigated. The results demonstrated that the liquefaction resistance of partially saturated sand specimens increases by decreasing degree of saturation, decreasing back pressure and increasing effective vertical stress. Although the excess pore pressure generations are lower in partially saturated sand specimens compared to fully saturated specimens, it was observed that eventually the excess pore pressure ratio (ru) reaches to 1.0 in partially saturated sand specimens, contrary to the published results in large sand specimens tested, where ru stabilizes at maximum values less than 1.0. This difference in small specimen tests can be attributed to the escape of oxygen bubbles from the short samples, resulting in increasing degree of saturation as cycling continues. Therefore, the behavior in small specimen tests should be only examined for low number of cycles. This research was funded by TUBITAK (The Scientific and Technological Research Council of Turkey) under the grant No: 213M367 and project title of ''Dynamic Response of Sands Mitigated by IPS (Induced Partial Saturation) under New and Existing Structures''. The research results were used to improve the project goals. Additionally, this study will give a contribution to next literature researches to determine the undrained dynamic response of fully and partially saturated sands through dynamic simple shear tests with confining pressure also to improve Induced Partial Saturation (IPS) method as a liquefaction mitigation technique against liquefiable soils.