Sismik Dalga Hızları İle Spt Ve Pressiometre Deney Sonuçları Arasındaki İlişkilerin İncelenmesi

Sismik kırılma çalışmaları ile belirlenen P ve S dalga hızları ile zeminlerin bazı özellikleri(Standart Penetrasyon N Deneyi, Pressiometre Deney Sonuçları, Birim Hacim Ağırlığı, Serbest Basınç Dayanımı, Kohezyon İçsel Sürtünme Açısı) arasındaki ilişkiler değişik zemin sınıflarında incelenmiştir.(Şişman, 1999)

Zeminin mekanik özellikleri ile sismik dalga hızları (Özellikle S dalga hızı) arasında oldukça iyi ilişkilerin olduğu görülmüştür. En küçük mutlak değerler yöntemi kullanılarak bu ilişkilerin her birinin ampirik bağıntıları bulunmuştur.

Her çeşit zemin için S dalga hızları ile yerin mekanik doğal özellikleri arasında çok yakın ilişkilerin bulunduğu ve S dalga hızlarının mühendislik çalışmalarında kullanımının önemi belirtilmiştir.

Son yıllarda çok katlı binaların çoğalmasıyla inşaat mühendisliğinde deprem risklerine karşın bina ve zeminlerin dinamik tepkilerinin belirlenmesi amacı ile yapılan çalışmalarda da paralel bir artış gözlenmektedir. Özellikle büyük mühendislik yapılarında dinamik karakteristiklerin belirlenerek titreşim problemlerinin çözümü için sismik P ve S dalga hızlarının belirlenmesi önem taşımaktadır. Yine P ve S dalga hızları sökülebilirlik çalışmalarında kaya ve zeminlerin özellik ve sınırlarının belirlenmesinde bize çok önemli bilgiler vermektedir.

Günümüzde özellikle demiryolu, otoyol, baraj gibi büyük mühendislik projelerinde zemin ve kayaçaların fiziksel niteliklerini ortaya çıkarmak amacı ile sismik kırılma çalışmaları ve sondajlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Açılan bu sondaj kuyularında değişik derinliklerde genellikle 1.5-2 metre ara ile ve zemin özelliklerinin değiştiği derinliklerde SPT ve Pressiometre gibi deneyler yapılmaktadır.

Yüzeyden yapılan P ve S sismik kırılma çalışmaları özellikle sığ araştırmalarda enerji kaynağı olarak çekiç kullanılarak pratik ve hızlı bir şekilde yapılabildiğinden, ön etüdlerde yaygın olarak kullanılan yerinde ölçüm yöntemlerinin başında gelmektedir.
Bu çalışmaların yanı sıra SPT ve Shelby tüpüyle alınan örnekler üzerinde laboratuvarda gerekli deneyler yapılarak zemin sınıfları belirlenmektedir. Örselenmemiş numuneler üzerinde konsolidasyon, serbest basınç, üç eksenli gibi standart deneyler yapılarak zemine ait serbest basınç dayanımı, içsel sürtünme açısı, kohezyon, birim hacim ağırlığı gibi önemli zemin parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmada çeşitli projeler kapsamında gerçekleştirilen SPT, pressiometre, P ve S dalga hızı ve laboratuvarda yapılan deneylerin sonuçları sistematik bir şekilde toplanarak bu veriler arasındaki ilişkiler incelenmiş ve uygun matematiksel bağıntılar verilmiştir. Sismik dalga hızları özellikle S dalga hızları ile SPT darbe sayısı, serbest basınç dayanımı ve limit basınç arasında oldukça iyi ilişkiler görülmektedir. Bu verilerin incelenmesi esnasında zeminlerin elastik özellikleri ile ilgili önemli bilgiler elde edilmiştir.

2.18.1 Hız Ölçüm Yöntemi

Sismik kırılma yöntemi yüzeyden yapılan çalışmalarda özellikle sığ etüdlerde, sinyal biriktirmeli cihazların gelişimi ile basit ve hızlı ölçü alımına olanak sağladığından, enerji kaynağı olarak çekiçten yararlanılarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu yöntemin özellikle yerleşim yerlerinde, düşük hız romu içeren yumuşak zeminlerde uzun ölçüm profillerine ve dinamit gibi büyük enerji kaynaklarına gereksinim duyulması nedeniyle uygulama olanağı zordur. Bu durumlarda işin önem derecesi göz önünde bulundurularak sondaj kuyusu içinde doğrudan kayıtları kaydeden log yöntemleri kullanılmalıdır. Ancak sondaja gereksinim duyulduğundan bu yöntem daha pahalı ve zaman alıcıdır.
2.18.2 Standart Penetrasyon Deneyi

Özellikle kohezyonsuz zeminlerin yaklaşık yerinde göreceli sıkılığını saptamak için geliştirilmiş olan bir deney yöntemidir. SPT deneyleri sondaj kuyularında (51mm.) dış çaplı standart bir örnek alıcı (76 cm.) yükseklikten (63.5 kg.) ağırlığındaki bir şahmerdan düşürülerek tekrarlanan darbeleri ile zemine (45 cm.) sokulur. Bu darbeler tijin üstünde yer alan çakma başlığı sayesinde kuyu tabanındaki örnek alıcıya iletilmektedir. Sadece son 30 cm.' lik standart penetrasyon değerleri (N değeri) olarak kullanılır. 45 cm.' lik çakma sırasında her 15 cm.' lik çakma için darbe adetlerinin sayılması iyi bir uygulama şeklidir. Bu şekilde kuyu tabanındaki değişik özellikteki zeminin derinliği daha sağlıklı belirlenir. Çakma işlemini zorlaştıran çakıl, blok veya çimentolaşmış yerler saptanır. SPT dalga sayıları belirlendikten sonra kuyudan takımla beraber tüp çıkarılır ve açılarak içindeki zemin çeşidi belirlenir. Zemin örneği bir kavanoza konularak ağzı sıkıca kapatılır ve parafinlenir. Bu örnek üzerinde laboratuvarda çeşitli deneyler yapılarak zemin sınıfı belirlenir.

2.18.3 Pressiometre Deneyi

Pressiometre deneyleri ile zeminlerin yerinde elastisite modülleri, taşıma gücü, temel oturmaları ile değişik zemin parametreleri hesaplanabilmektedir. Sondaj deliğine indirilen bir sonda ile oluşturulan radyal basınçların kuyu çeperinde yol açtığı deformasyonlara karşılık gelen hacim-basınç grafiğinin belirlenmesi Pressiometre cihazının başlıca çalışma prensibidir. Pressiometre cihazının başlıca 3 bölümü bulunmaktadır. Bunlar, yerüstü ölçme cihazları, sonda (Prob) ve basınç ileten plastik borulardır. Günümüzde geliştirilmiş Pressiometre cihazları ile 70 kg/cm2 'ye kadar efektif basınç uygulayarak 5-200000kg/cm2 arasındaki zemin ve kayaların deformasyon modülünü ölçebiliriz.

Pressiometre her cins zeminlerde ve yumuşak kaya formasyonlarda kullanılır. Aynı prensip ile çalışan Dilatometre denilen cihazlar ise yumuşak ve en sert kayalarda kullanılır.


Pressiometre deneyleri uygulama açısından iki şekilde yapılır.

• Basınç kontrollü (PC)
  
• Deformasyon kontrollü (DC)
  

• Basınç kontrollü : Bu halde pressiometre sondasına düzgün kademeler halinde basınç uygulanır, bu basınç altında sondanın radyal deformasyonları ölçülerek basınç deformasyon eğrisi çizilir.
  
• Deformasyon kontrollü : Bu halde ise sondanın maksimum radyal deformasyon değerine düzgün kademeler halinde (örneğin 0,05; 0,15; 0,20) gelinir. Her deformasyon kademesinde sondaya verilen basınç saptanır ve basınç-deformasyon eğrisi çizilir.
  

2.18.4 Daha Önce Yapılan Çalışmalar

Kuyu logu ekipman ve yöntemlerinin kullanılarak,ölçülen S dalga hızlarıyla SPT (N) deyerleri arasında , aşağıdaki deneysel bağıntı verilmiştir.

Vs=92.1.N0,329 (92)
Vs=89.8.N0,341 (93)

S Dalga hızları ile SPT (N) değerleri arasında iyi ilişki olmasına karşın P dalgası ile SPT (N) değerleri ilişkisinin daha geniş bir aralıkta dağılaım gösterdiği belirtilmiştir.

S dalga hızları ile zemin mekaniğinde yaygın olarak kullanılan parametrelerden serbest basınç dayanımı (qu) arasındaki ilişki ilk kez Shima Et Al (1968) tarafından 12 veri üzerinde incelenmiştir. İmai ve Yoshimura(1975) bu verileri de kulanarak aşağıdaki deneysel bağıntıyı vermiştir. Bu ilişkilendirmede kullanılan veri sayısı 33' tür.

Vs=147,6 qu 0.417 (94)

Pressiometre çalışmalarından elde edilen, net limit basınç (Py) değerleri ile kuyu logu yöntemi ile belirlenen S dalga hızları arasındaki ilişki izleyen şekilde verilmiştir. (İmai ve Yoshimura - 1975)
Vs=144,5 Py 0.377 (95)

Vs ile Py arasında iyi bir ilişki bulunmuş olup kullanılan veri sayısı 19' dur. Çalışma yapılan ortamlar daha çok killi, kumlu, siltli zeminlerden oluşmuştur.
İmai ve Yoshimura (1975) tarafından pressiometre deney sonuçlarından hesaplanan pressiometrik modül, diğer bir deyişle statik (pressiometrik) modül (Ep) ile kuyu loglarından elde edilen sismik hızlardan hesaplanan dinamik elastisite modülü (Ed) arasındaki ilişkiyi aşağıdaki deneysel bağıntı ile vermiştir.

Ed=108,4 Ep0.773 (96)
2.18.5 Elastik Dalga Hızları ve SPT N Değeri İlişkisi

SPT deneylerinde elde edilen N değerinin fiziksel anlamı kuşkuluda olsa , kullanım kolaylığı nedeni ile temel mühendisliğinde tasarım için zorunlu deneyler arasında yer almaktadır.

SPT N değerleri ile aynı yerde yüzeyden sismik kırılma çalışmaları sonucu elde edilen P ve S sismik dalga hızı değerleri arasındaki ilişkiler aşağıda sırası ile irdelenecektir.


2.18.6 P Dalga Hızı İle SPT ( N ) Değeri İlişkisi

Yüzeyden yapılan sismik kırılma çalışmalarında elde edilen P dalga hızları ile aynı derinliklere karşılık gelen SPT N değerlerinin aritmetik ortalaması arasındaki ilişkisi için Press et al (1988) tarafından verilen bilgisayar programı kullanılarak verilere en iyi uyan bağıntı

VP = 108,9 N0,562 (97)

olarak hesaplanmıştır. P dalga hızı ile SPT değerlerinin dağılımı geniş bir aralıkta olmaktadır. Buna P dalga hızının su düzeyinin altında ani olarak artışı neden olmaktadır. Zeminlerin hemen hemen tümü belirli bir poroziteye sahiptir. Boşluk oranı tane boyu arttıkça artar. Zeminler sıkıştıklarında boşluk oranları azalmakta , dolayısı ile SPT değerleri büyümektedir. P dalgasının havada yayılma hızı 340m/sn 'dir. Bu boşluklar su ile dolu olduğunda buradaki yayılma hızı 1600m/sn civarındadır. Özellikle porozitesi yüksek kumlarda yeraltı su düzeyinin altında ölçülen değeri etki eden başlıca faktör suyun P dalga hızıdır. Özellikle kuru halde düşük P dalga hızı veren zeminler suya doygun hale getirildiğinde , P dalga hızlarında aşırı artışlar olmaktadır. Bunun tersi olarak zeminin dayanım paremetreleri azalmaktadır. Bu nedenle verilerimizin yeraltı su düzeyinin altındaki ve üstündeki dağılımı farklıdır. Çalışmada 103 adet veri kullanılmıştır.

Yukarıda belirtilen bağıntıdaki verilerin büyük bir kısmı yeraltı su seviyesinin altında ölçülen değerlerdir. Bu nedenle bağıntının tek başına kullanılması sakıncalıdır.

2.18.7. S Dalga Hızı İle SPT (N) Değeri İlişkisi

Yüzeyden yapılan sismik kırılma çalışmaları sonucu bulunan S dalga hızları ve aynı yerde yapılan SPT ( N ) değerleri arasında ilişkiler izlenen yöntemle verilmiştir. Burada N, 30 cm penetrasyona karşılık gelen darbe sayısıdır. Çalışmada zemin cinsleri birleştirilmiş, zemin sınıflamasına göre belirlenmiştir.

İzleyen şekilde gösterilen bu verilerin yukarıda verilen fonksiyonun yaklaştırılmasıyla en küçük mutlak değerler yöntemi ile verilere en iyi uyan bağıntı

Vs= 32,8 N0,51 (98)

olarak hesaplanmıştır. VS ile N arasındaki ilişki, VP ile N arasındaki ilişkiden daha iyidir. Bunun başlıca nedeni yeraltı su seviyesinden sonra Vp hızlarının artmasıdır. Suda S dalgaları yayılmamaktadır. Bu nedenle suya doygun zeminlerde S dalgaları zeminin katı kısımlarında yayıldığından dolayı zeminlerin sıkılığı hakkında önemli bilgileri içermektedir. VS ve SPT ( N ) değeri arasında iyi bir ilişki görülmektedir. Zeminlerin suya doygun olduğu durumlarda P dalga hızının artmasıyla Poısson oranı artacağından VP hızıyla birlikte Poısson oranının irdelenmesi bize zeminin durumu hakkında daha fazla bilgi sağlayacaktır. Sadece Vp hızlarıile zeminlerin özelliklerinin belirlenmesi çok zordur. Bu nedenle Vp ve Vs hızlarının birlikte belirlenmesi gereklidir.

Yüzeyden yaptığımız sismik kırılma çalışması sonucu elde ettiğimiz Vs hızları ile N değeri arasındaki (7) bağıntısı Imai ve Yoshimura (1975) tarafından kuyu loglarındaki hız değerlerini kullanarak elde edilen (91) bağıntısı ile paralellik göstermektedir. Ancak kuyu loglarından elde edilen hızlar yüzeyden elde edilen hızlardan bir miktar yüksek çıktığında , (91) bağıntısı daha emniyetli tarafta kalmaktadır.

2.18.8. Elastik Dalga Hızları Ve Pressiometre Sonuçları Arasındaki İlişkiler

Arazide açılan sondaj kuyularında yapılan pressıometre deneyi ile değişik seviyelere ait Py net limit basınç ve Ep pressıometrik modüleri ile aynı yerde yüzeyden yapılan sismik kırılma çalışmaları sonucu elde edilen boyuna (P) ve enine (S) sismik dalga hızları arasındaki ilişkiler aşağıda sırasıyla incelenmştir.

2.18.9. P Dalga Hızı İle Net Limit Basınç ( Py ) İlişkisi

Boyuna sismik dalga hızı (Vp) ile pressiometre deneyinde elde edilen net limit basınç (Py) arasındaki ilişki aşağıda gösterilmiştir.

Aşağıda Vp dalga hızı ve pressiometre net limit basıncı (Py) verilerine en iyi uyan bağıntısı
VP= 89,5 PY0,855 (99)

olarak bulunmuştur. Burada , Vp; boyuna (P) dalga hızı (m/cn) , PY; net limit basınç (kg/cm2) olarak verilmektedir.

Çalışmada kullanılan veri sayısı 17 ' dir. Buradaki ilişki , Vp ve SPT (N) değeri ilişkisinden daha iyidir.

2.18.10. S Dalga Hızı İle Net Limit Basınç ( PY ) İlişkisi

Enine sismik dalga hızı (VS) ile pressiometre deneyinden elde edilen net limit basınç (Py) arasındaki ilişki aşağıda gösterilmiştir. Vs enine sismik dalga hızı ve pressiometre net limit basıncı (Py) verilerine en iyi uyan bağıntı

Vs= 74,06 Py0,458 (100) olarak bulunmuştur

Burada , Vs; enine (S) dalga hızı (m/sn) , Py ; net limit basınç (kg/cm2) olarak verilmiştir. Çalışmada kullanılan veri sayısı 17 ' dir. S dalga hızları ile net limit basınç (Py) arasında P dalga hızına nazaran daha iyi bir ilişki görülmektedir.

Yüzeyden yaptığımız sismik kırılma çalışması sonucu elde ettiğimiz Vs hızları ile pressiometre net limit basınç (Py) değerleri arasındaki (99) bağıntısı Imai ve Yoshimura (1975) tarafından Japonya 'daki kuyu loglarındaki S dalga hızı değerlerini kullanarak elde ettikleri (93) bağıntısı ile paralellik göstermektedir.
2.18.11 Elastik Dalga Hızları İle Değişik Mekanik Özellikler Arasındaki İlişkiler

Yüzeyde yapılan sismik kırılma çalışmaları sonucu elde edilen P dalga hızı (Vp) ve S dalga hızı (VS) ile labaratuvarda elde edilen zemin mekaniği paremetreleri arasındaki ilşkiler aşağıda sıra ile incelenmiştir.

2.18.12. S Dalga Hızı İle Serbest Basınç Dayanımının (qu) İlişkisi

Sondaj kuyularından alınan örselenmemiş zemin örnekleri üzerinde tek eksenli basınç dayanımı yapılarak 23 adet serbest basınç dayanımı değeri bulunmuştur. Aynı yerde elde edilen S dalga hızı (VS) ile zemin örnekleri üzerinde yapılan deneyler sonucu elde edilen serbest basınç dayanımı (qu) arasındaki ilişki incelenmiştir.VS dalga hızı ile serbest basınç dayanımı (qu) verilerine en iyi uyan bağıntı

Vs= 143.6 qu0.529 (101)

olarak bulunmuştur.Burada VS ; enine (S) dalga hızı (m/sn) ,qu; serbest basınç dayanımı (kg/cm2) olarak verilmektedir. Özellikle kumlu çakıllı zeminlerden örselenmemiş tüp zemin örneği alınması olanaksız olması nedeniyle serbest basınç deneyi yapılabilen zeminler genellikle killi - siltli zeminlerdir. VS ile qu arasında iyi bir ilişki bulunmaktadır.

SPT sonuçlarının temel mühendisliğinde yaygın olarak kullanılması SPT deneyinde elde edilen N değerleri ile serbest basınç arasındaki ilişkiye dayandığından , N değerleri ile qu değerlerinin dağılımı incelenmiş olup SPT (N) değerleri ile serbest basınç dayanımı (qu ) verilerine en iyi uyan bağıntı

N = 19,4 qU0,527 (102)

olarak bulunmuştur. Burada, N: darbe sayısı (Birimsiz), qU: Serbest basınç dayanımı (kg/cm2) olarak verilmektedir. Çalışmada kullanılan veri sayısı 23 tür.

(100) bağıntısı ile verilen Vs ve qu ilişkisinin (101) bağıntısında gösterilen N ile qu arasındaki ilişkiden daha iyi olduğu görülmektedir.

Taşıma gücü ile ilgili yöntemlerin çıkış noktası SPT, serbest basınç ilişkisinden kaynaklandığından, S dalga hızlarının taşıma gücünü belirlemesindeki önem ve potansiyeli açık olarak görülmektedir.

Yüzeyden yaptığımız sismik kırılma çalışması sonucu elde ettiğimiz Vs hızları ile serbest basınç (qu) değerleri arasındaki 10 bağıntısı, Imaı ve Yoshimura (1975) tarafından Japonya'daki kuyu loglarındaki S dalga hızı değerlerini kullanarak elde ettikleri 2 bağıntısı ile benzerlik göstermektedir. P dalga hızı ile qu arasında iyi bir ilişki bulunmamıştır.






2.18.13. Sismik Dalga Hızları İle Birim Hacim Ağırlığı (d) İlişkisi

Yüzeyden yapılan sismik kırılma çalışmaları sonucu elde edilen Vp ve VS dalga hızları ile aynı yerdeki sondajlardan alınan zemin örnekleri üzerinde yapılan deneylerle belirlenen birim hacim ağırlığı (d) değerleri arasındaki ilişkiler sırasıyla incelenmiştir.

2.18.14. P Dalga Hızı İle Birim Hacim Ağırlığı (d) İlişkisi

Sondaj kuyularından alınan zemin örnekleri üzerinde birim hacim ağırlığı deneyi yapılarak 52 adet birim hacim ağırlığı değeri bulunmuştur. Aynı yerde yüzeyden yapılan sismik kırılma çalışması sonucu elde edilen P dalga hızı (Vp) ile laboratuvardaki zemin örnekleri üzerinde yapılan deneyler sonucu belirlenen birim hacim ağırlığı (d) arasındaki dağılım da ayrıca incelenmiş olup Vp ile d arasında iyi bir ilişki bulunmamıştır. Bunun başlıca nedeni suyun etkisidir. Bir zeminin birim hacim ağırlığı zemin yığının ağırlığı (zemin+su) olarak tanımlanmaktadır. Bu değer yığının katılar kısmını oluşturan tanelerin birim hacim ağırlığına, yığının porozitesine ve doygunluk derecesine bağlıdır. Suyun doygun birim hacim ağırlığı (Terzaghi ve Peck 1948)

d=(1-n)d0+n ds= d0-n(d0-ds) (103)

kuru birim hacim ağırlığı ise

dk=(1-n)d0 (104)

bağıntısından hesaplanmaktadır. Burada d: suya doygun birim hacim aralığı, d0: ortalama tane birim hacim ağırlığı, n: porozitedir (oran olarak)

Yukarıdaki açıklamalardan görüleceği üzere suya doygun birim hacim ağırlığı, porozite değerine bağlı olarak, kuru birim hacim ağırlığından fazladır. Yani suya doygun zeminlerin birim hacim ağılığında, poroziteye bağlı olarak artışlar olmaktadır. Ancak yeraltı su düzeyi altındaki P dalga hızındaki artışlar çok daha yüksek olmuştur.

2.18.15. S Dalga Hızı İle Birim Hacim Ağırlığı (d) İlişkisi

Yüzeyde yapılan sismik kırılma çalışmaları sonucu elde edilen S dalga hızı (Vs) dğerleri aynı yerde açılan sondaj kuyularından alınan 52 adet zemin örneği üzerinde laboratuvarda yapılan deneyler sonucu belirlenen birim hacim ağırlıkları arasındaki ilişki de ayrıca incelenmiş olup başarılı olmamıştır.

2.18.16. S Dalga Hızı İle İçsel Sürtünme Açısı (Ø )

S dalga hızları ile aynı yerde olan sondajlardaki örselenmemiş örnekler üzerinde yapılan 3 eksenli basınç deneyi sonucu elde edilen içsel sürtünme açısı (Ø ) değerleri arasındaki dağılım incelenmiş olup S dalga hızı ile içsel sürtünme açısı (Ø ), SPT (N) ile aynı şekilde içsel sürtünme açısı (Ø ) verileri arasındaki ilişkiler aşağıdaki bağıntılarla verilmiştir.

Vs=128. Ø 0.194 (Killer için) (105)

Ø =(20.N)1/2+15 (106)

Ø =(12.N)1/2+(15~ 20) (107)

olarak bulunmuştur. Burada, Vs: S dalga hızı (m/sn), Ø : İçsel sürtünme açısı (derece)
olarak verilmektedir.

Çalışmada kullanılan veri sayısı 12 dir. S dalga hızı ile (Ø ) arasında orta derece, SPT (N) darbe sayısı ile (Ø ) arasında ise yüksek derece bir ilişki görülmektedir.