Zemin Sıvılaşması Nedir?

Zemin Sıvılaşması tanımı: Suya doygun kohezyonsuz gevşek zeminlerin, drenajsız koşullar altında tekrarlı yüklere maruz kaldığı durumlarda boşluk suyu basıncında ani artışlar olmaktadır. Bu ani artışın sebebi, kayma gerilmeleri altında hacimleri daralmaya zorlanan bu tip kohezyonsuz zeminlerdeki boşluk suyunun, hacim azalmasına karşı koymaya çalışmasıdır. Boşluk suyu basıncının artması, zemin taneleri arasındaki efektif gerilmenin azalmasına yol açar. Bunun sonucunda zemin kayma direncini kaybeder ve adeta bir sıvı gibi davranış göstererek büyük şekil değiştirmelere uğrar. Bu olay sıvılaşma olarak adlandırılmaktadır.

Sıvılaşmanın ardından aşırı boşluk suyu basıncı sönümlenmekte, suyun drene olmasıyla birlikteyse zeminde oturmalar meydana gelmektedir. Oturmaların oluştuğu zeminin hacmindeki azalma, dışarı çıkan boşluk suyunun hacmine eşit olmaktadır.

Zemin sıvılaşması üzerine yapılan ilk çalışmalar

Zeminlerdeki sıvılaşma eğilimini ilk kez 1920’de Hazen fark etmiştir. Hazen, California Calaveras Barajı’nın zemininde oluşan akma yenilmelerinin sebebini zeminlerin sıvılaşabilen davranışına bağlamıştır. Casagrande, 1936’da kohezyonsuz zemin özelliklerinin, şev stabilitesi ve toprak dolgular üzerindeki etkisi ile ilgili yaptığı çalışmada, “kritik boşluk oranı” kavramını kullanarak, kum zeminlerdeki sıvılaşmanın ne tür şartlarda meydana gelebileceği üzerinde durmaktadır. Bu çalışma, kritik boşluk oranını aşan zeminlerin, kayma gerilmesi altında hacimsel daralmaya uğraması sonucu, drenajsız koşullarda zemin daneleri arasında aşırı boşluk suyu basıncının oluşacağını ortaya koymaktadır.

“Sıvılaşma” kavramı ise ilk olarak 1953’te Mogami ve Kubo tarafından ortaya atılmış olup tarihsel süreçte; drenajsız yükleme şartlarında, tekrarlı yüklerin etkisinde kalan suya doygun kohezyonsuz zeminlerin davranış sistemlerini belirtmek amacıyla kullanılmıştır. 1964’te yaşanan Alaska ve Niigata depremleri sonucunda oluşan sıvılaşmanın neden olduğu şiddetli hasarlar neticesinde, sıvılaşma ile ilgili araştırmalarda artış olmuştur. Bu dönemde Seed ve grubundaki araştırmacılar, sıvılaşmanın tetiklenmesi için gereken yükleme koşulları üzerine çalışmalar yapmışlardır.

Sıvılaşma Türleri

Akma türü sıvılaşma (flow liquefaction) ve çevrimsel hareketlilik (cyclic mobility) olmak üzere iki çeşit sıvılaşma türü bulunmaktadır.

Akma türü sıvılaşma, zemin kütlesinin statik kayma gerilmesi, sıvılaşmış olan zeminin kayma direncinden büyük olduğu durumlarda oluşmaktadır. Aniden ortaya çıkan kuvvetin etkisiyle tetiklenen statik haldeki zemin, statik kayma gerilmeleri altında büyük şekil değiştirmelere maruz kalmakta ve akma göçmesi meydana gelmektedir. Deprem sona erdikten sonra bile büyük ve hızlı zemin hareketleri devam etmekte, taşıma gücü kayıpları ve şev göçmeleri meydana gelmektedir.

Çevrimsel hareketlilik ise, akma sıvılaşmasının tersine, zemin kütlesinin statik kayma gerilmesi, sıvılaşmış olan zeminin kayma direncinden küçük olduğu durumlarda meydana gelmektedir. Zeminde, yanal akmalar olarak da nitelendirilebilecek sürekli ve sınırlı deformasyonların oluştuğu bu sıvılaşma türünde deprem sonrasında zemin hareketi devam etmemektedir. Sıvılaşmanın oluşum mekanizması, zemin daneleri arasındaki temas kuvvetleri ile birlikte değerlendirilerek dikkate alındığında; akma sıvılaşması yerine “tam sıvılaşma”, çevrimsel hareketlilik yerine ise “sınırlı sıvılaşma” kavramları kullanılabilmektedir.

Zemin Sıvılaşması olayına karşı alınabilecek önlemler

Sıvılaşmadan kaynaklanabilecek hasarları en aza indirmek için ilk olarak sıvılaşma tehlikesinin tespit edilmesi gerekmektedir. Zeminin sıvılaşmaya karşı duyarlılığına bakılarak, sıvılaşmanın olma ihtimali değerlendirilmelidir. Sıvılaşma olasılığının yüksek çıkması durumunda, zeminin ve/veya üzerine inşa edilecek yapının zarar görmesini engellemeye yönelik gerekli tedbirler ve uygulamalar değerlendirilmelidir. Sıvılaşma potansiyeline sahip zeminler üzerine inşa edilmesi düşünülen yapıların projelendirilmesi ve uygulanmasına yönelik karar aşamasında üç farklı yöntem devreye girmektedir: Zemini, sıvılaşma ihtimaline karşı iyileştirmek; Yapısal tasarımı, sıvılaşma riskini göz önüne alarak gerçekleştirmek; Bulunan diğer çözümler maliyetli olduğunda, projenin uygulanması için sıvılaşma tehlikesi bulunmayan yerleri seçmek.