Zemin Sıvılaşması Nedenleri

Binaların deprem, sel gibi doğal afetlerde yıkımına sebep olan teknik faktörlerden birisi olan zemin sıvılaşması olayını bu içeriğimizde sizler için derledik.

Zemin Sıvılaşması Nedir?

Zemin sıvılaşması, deprem gibi hareketli yükler altında gevşek ve yüzeye yakın zeminlerde oluşan bir durumdur. Sismik kuvvet uygulandığı zaman, tanecikler arasındaki denge bozulur. Zeminde durağan ve dağınık halde bulunan su içeriği yüzeye doğru hareket eder. Bu olaya zemin sıvılaşması denir. Sıvılaşma olayında kum, su ile beraber hareket ederek sıvı gibi davranır. Bu olay oluştuğu vakit zemin üzerinde ki yapılarda yan yatma, devrilme ve batma kaçınılmaz hale gelir.

Zemin sıvılaşması olayı, çoğunlukla deniz kenarlarında, körfez bölgeleri ve kıyı düzlüklerinde, akarsuların taşkın ovalarında görülür. Bilinen en büyük örnekleri; 1964 Nigaata – Japonya, 1967 Mudurnu – Bolu, 1999 Gölcük – İzmit.

Yakın tarihte gerçeklesen ve ülkemiz için acı bir olay olan Gölcük depreminde şehir merkezinde hasarın daha büyük olmasının ana sebebi zemin Sıvılaşmasının sonucudur. Birçok binanın zemin katının içe gömülmüş ve pek çok yapıda ise yan yatma devrilme olmuştur.

Türkiye Mühendislik Haberleri yayınının 430.sayı -2004/2 nüshasında Kemal Önder Çetin ve Berna Unutmaz’ın yayınından alınmış tablodan da görüldüğü üzere zeminlerin sıvılaşma durumları likit limit ve kil içeriğine göre bizlere bazı fikirler verebilmektedir.

Boşluk Suyu Basıncı

Teknik olarak bu şekilde tanımlanan zemin sıvılaşması daha basit tabirle suya doygun ve gevşek zeminin deprem dalgaları etkisiyle taneli zeminin taşıma kapasitesinin kaybedilerek sıvı gibi akıcı bir özellik göstermesidir. Deprem dalgaları dane yerleşimini değiştirirken “boşluk suyu basıncı” artar ve su yükselmeye çalışarak ortamdan uzaklaşmaya çalışır. Bu sırada danelerin çökmesini ve sıvı bir davranış sergilemesine yol açar. Genellikle yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu yerler daha risklidir. Yeraltı su seviyesinin yüzeyden 20 m’den daha derinde ve sıkı zeminlerde olması riski azaltır. Buna ek olarak deprem riski taşıyan bölgelerde ve kumlu-siltli gevşek zeminlerde sıvılaşma göz ardı edilemeyecek bir risktir.

Kendi başına yapılara zarar vermeyen bu durum zeminde büyük hareketlere sebep olarak üzerindeki yapılarda deformasyona sebep olmakta hatta yıkımlarına bile neden olabilmektedir. Zeminde oluşacak oturma ve dönmeler üzerinde yapının sağa sola yatmasına, bir yönde dönmesine neden olabilir. Sıvılaşma açısından zemini riskli bölgeler belli parametreler ile belirlenebilse de deprem etkisi de yadsınamaz bir durumdur. Deprem etkisinde sıvılaşma tahmini yapmak oldukça zordur ve depremin uzaklığı, şiddeti gibi değişkenlere bağlıdır.

Plastisite İndisi ve Likit Limit

Jeoloji Mühendisleri Odasının Basitleştirilmiş Zemin Sıvılaşma Potansiyeli Analizi Ve Sıvılaşma Sonrası Oturma, Yanal Deformasyon, Kayma Dayanımı Kaybı Ve Kapak Tabakası Etkisi Hesap Cetveli Kullanım Kılavuzu yayınından alınan aşağıdaki tabloda ise ince daneli zeminlerin sınıflandırılmasında görmeye alışkın olduğumuz plastisite indisi ve likit limit değerlerinden oluşan grafik üzerinde sıvılaşma riskiyle karşılaşılabilecek potansiyel bölgeler ve ileri analizlerin gerektiği bölgeler gösterilmiştir.

Ülkemizde ise 17 Ağustos 1999 depremine kadar olan dönemde zemin etütlerinin ciddiye alınmaması maalesef bize tüm bu riskleri acı yoldan göstermiştir. Özellikle Adapazarı’nda yeraltı su seviyesinin yüksek olması ve zeminin siltli kil olması zemin sıvılaşmasının ortaya çıkmasında çok önemli rol oynamıştır. Deprem yüklerinden oldukça az hasarla çıkan binaların bile gerek dönme gerek çökme yaşayarak kullanılamaz hale geldiği görülmüştür.

Önemli bir diğer nokta ise sıvılaşma oluşan zemin üzerindeki yapı çok ağır değilse o an büyük deformasyona yol açmasa bile sonrasında artan su basıncı ve drenajı sonrasında göçmeye neden olabilmektedir.

Özetlemek gerekirse:

• Temel açıldıktan sonra zemin çalışması sırasında 10-20 metre derinlikte suyla karşılaşılması,
• İnşa yapılan bölgenin birinci derece deprem riski taşıması,
• Zeminin kumlu siltli (siltli kil) topraktan oluşması,
• Deprem şiddeti ve süresi zeminde sıvılaşma için gerekli şartları sağlamakta ve riskleri artırmaktadır.

Ne yapabiliriz?

Sıvılaşma riski taşıyan zeminlerin tespiti belirli parametreler incelenerek yapıldığından erken tespit mümkündür. Zemin etütleri ve çalışmaları sırasında riskli olduğu görülen zeminlerde zemin enjeksiyonu ile zemine kimyasal enjekte edilerek daneler arası boşluklar doldurulmaktadır. Enjekte edilen malzeme suya karşı direnimi ile suyu ortamdan öteler ve zemini sıkıştırarak direnimini artırır ve sıvılaşma riski azaltılır.

Aşağıda konuyla ilgili oldukça açıklayıcı ve zeminlerde sıvılaşma konusunun gerçek hayattan örneklerini görebileceğiniz videolara ulaşabilirsiniz.

 

 

Kaynaklar:

http://www.imo.org.tr/resimler/ekutuphane/pdf/182.pdf Türkiye Mühendislik Haberleri Sayı 430 -2004/2 (ZEMİN SIVILAŞMASI VE SİSMİK ZEMİN DAVRANIŞI)

https://www.jmo.org.tr/resimler/ekler/bb07e43897e7ded_ek.pdf (TÜRKİYE BİNA DEPREM YÖNETMELİĞİ-2018 İLE UYUMLU BASİTLEŞTİRİLMİŞ ZEMİN SIVILAŞMA POTANSİYELİ ANALİZİ VE SIVILAŞMA SONRASI OTURMA, YANAL DEFORMASYON, KAYMA DAYANIMI KAYBI ve KAPAK TABAKASI ETKİSİ HESAP CETVELİ KULLANIM KILAVUZU)

https://www.movea.com.tr/zeminde-sivilasma-nedir/

https://en.wikipedia.org/wiki/Soil_liquefaction

https://www.kuyutemel.com/zeminde-sivilasma.html

https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/231194

Kahramanmaraş'ta meydana gelen depremlerin ardından zemin sıvılaşması gündeme gelirken suların çekildiği Keban Barajı Gölü sahasında zemin sıvılaşması olduğu görüldü. Peki, Zemin sıvılaşması nedir, neden olur, deprem için neden tehlikeli? Zemin sıvılaşması nasıl gerçekleşir, alınacak önlemler nelerdir? 

ZEMİN SIVILAŞMASI NEDİR?

Sıvılaşma, zeminin sarsıntı sırasında taşıma gücünü kaybetmesidir. Eğer zemin 'alüvyon' denilen henüz suyunu kaybetmemiş, diyajenez sürecini (taşlaşma-taş haline geçme) tamamlamamış ise, yer altı suyu seviyesi 0-10 metre arasındaysa ve kum-silt boyutundaki malzemeden oluşuyorsa o bölgede sıvılaşma tehlikesi var demektir. Normalde bu tür zeminler üzeri imara açılmadan önce jeolojik-jeoteknik etütlerle belirlenir. 

ZEMİN SIVILAŞMASI NEDEN OLUR?

Zemin sıvılaşması, kohezyonsuz, doymuş veya kısmen doymuş bir toprak, deprem sırasındaki sallanma veya gerilme durumundaki diğer ani değişiklikler gibi uygulanan bir gerilmeye tepki olarak mukavemetini ve sertliğini önemli ölçüde kaybettiğinde meydana gelir. Zemin sıvılaşmasıaşması, zeminin efektif gerilmesi ( kayma mukavemeti ) sıfıra düştüğünde meydana gelir.   Toprak, deprem sırasındaki sallanma veya gerilme durumundaki diğer ani değişiklikler gibi uygulanan bir gerilmeye tepki olarak mukavemetini ve sertliğini önemli ölçüde kaybettiğinde meydana gelir. Böylelikle normalde katı olan malzeme sıvı gibi davranır. 

ZEMİN SIVILAŞMASI NERELERDE GÖRÜLÜR?

Kıyı şeridi, denize bakan kısımlar sıvılaşma açısından en riskli alanlar. Dere yataklarının sıfıra yakın eğimde aktığı alanlar sıvılaşma riskinin olduğu alanları oluşturuyor. Burada inşa edilecek yapılarda tedbirlerin alınması gerekiyor. Ülkemizde hemen hemen her depremde gözlemleniyor. Alüvyal zeminlerde sıvılaşma daha sık yaşanıyor ve bu risk Kuzey Anadolu fay hattı üzerinde daha çok yer alıyor. 

ZEMİN SIVILAŞMASI İÇİN ALINACAK ÖNLEMLER NELERDİR?

Samsun Ondokuz Mayıs Üniversitesi İnsan ve Toplum Bilimleri Fakültesi Coğrafya Bölüm Başkanı Prof. Dr. Ali Uzun, ise “Sıvılaşmayı önlemek mümkün değildir. Uygun alanlarda yapılar yapılması gerekir” uyarısında bulundu. 

Depremlerde, alüvyal zeminlerin riskli olduğu ve bunların üzerine yapılacak binalarda bu koşulların mutlaka gözetilmesi gerektiğini belirten Prof. Dr. Ali Uzun, “Özellikle zemin şartlarının büyük etkisi var. Ana kaya üzerine inşa edilen yapılar depremden daha az etkilenecektir. Uygun alanlarda bina yapmak lazım” diye konuştu. 

Prof. Dr. Uzun, “İbn-i Haldun’un da dediği gibi coğrafya kaderdir. Kuzey Anadolu Fay Hattı, fay oluğu içerisindeki bütün ovalar, tektonik ve çukur alanlar bundan etkilenir. Geçmişte yaşadığımız depremlerde Adapazarı, Düzce, İzmit buralarda da zemin sıvılaşması görülmüştür” dedi. 

Zeminde Sıvılaşma Neden Görülür?

Depremin etkisiyle gevşemiş, suya doygun duruma gelmiş daneli zeminin yük taşıma kapasitesi düşer. Bu durumda oluşan zemin sıvılaşması sonucu zemindeki daneler yer değiştirir. Danelerin yer değiştirmesi sonucu ise su gidecek yol bulamaz ve basınç yükselir. Basıncın yükselmesi ise daneli tabaka sıvılaşma özelliği göstermeye başlar. Böylece sıvılaşma olayı meydana gelmiş olur.

Zeminin sıvılaşması sonunda zemin üzerinde bulunan yapılarda batma ya da yana yatmalar görülür. Buna en güzel örnek 1999 Marmara Depremi’dir. Zemin sıvılaşması görülen zeminlerde eğer yapı çok ağır değilse deprem anında zemin sıvılaşması görülmeyebilir ancak daha sonraki zamanlarda olan basınçtaki suya direnç gösterilmezse bu göçüğe sebep olabilir.

Zeminde Sıvılaşma Etkileri Nelerdir?

• Eğer deprem sırasında zeminde sıvılaşma görülürse yapılarda önemli hasarlar oluşur.
• Zeminin sıvılaşması sonucunda zemin direncini kaybeder ya da kısmen direnç kaybolur.
• Zeminde sıvılaşma ise deprem sonrası binanın yan yatmasına ya da batmasına sebep olacaktır.

Zeminde sıvılaşma arazinin tümünde oluşmaz. Bu yüzden sıvılaşma tehlikesinin önceden analiz edilerek etüd çalışmalarının yapılması büyük önem taşır. Arazinin yapılandırılmaya uygun olup olmadığı yapılan incelemeler sonucu belirlenmelidir.

Bir zeminin sıvılaşabilirliği sıkılık durumuna, zeminin arazi gerilmelerine, zeminin jeolojik geçmişine, depremin büyüklüğü ve merkeze uzaklığına, zemin tabakasının kompozisyonuna bağlıdır. Sıvılaşmayı etkileyen faktörler arasında zemin ve sıvılaşmaya yol açan elemanın yani depremin özellikleri sayılabilir. Sıvılaşmayı etkileyen faktörler arasında zemin vardır. Bunun dışında yapılan gözlem ve deneyler sonunda molekül çekim kuvveti olmayan zeminlerde sıvılaşma görülebilir. Yani zeminin sıkılık derecesi, dane özellikleri, kil zemin içeriği ve arazide bulunan drenaj şartları sıvılaşmayı etkileyen faktörler arasında yerini alır.

Zemin-dane özellikleri de zemin sıvılaşmasında önemlidir. Dane boyutu, dane şekli, dane çapının dağılımı, kil içeriği, dane özelliklerini oluşturur. Dane boyutunun küçük olması granül zeminlerde sıvılaşmayı artırır. Yuvarlak daneli zeminler, köşeli daneli zeminlere göre daha fazla sıvılaşma riski taşır. Bunun yanında ince kumlu zeminler, kaba kumlu zeminlere göre sıvılaşmanın daha hassas olduğu zeminlerdir.