Deprem Araştırma Bülteni (23. Sayı)
Kohezyonlu Zeminlerin Dinamik Mukavemeti Hakkında.


Erguvanlı A.

Summary.


During earthquakes, the soils under the foundations of buildings and other structures, as well as earth embankments and dams, are subject to a series of dynamic stresses. The situation is idealized as shear waves propating vertically and causing horizontal dynamic shear stresses on the soil elements. (Fig. 1 and 2). The behaviour of the foundation soil or soil structures will depend primarily on the properties of the earthquake and its induced effects, as well as the dynamic characteristics of the soil. In the last decade, attention has been concentrated on research into understanding the general behaviour of cohesionless soils and specifically of saturated sands. This was due mainly to the critical liquefaction phenomena, which had caused severe vital effects. But the recent construction tendency in the world has called for major structures, such as off·shore gravity oil tanks in the North Sea, nuclear-power plants (i.e., off-shore New Jersey) and pipelines (i.e., Alaska) etc., to be built on cohesive soils and soft clayey marine deposits with certain undesirable properties. Thus, structures on clayey soils, undergoing vibrations from earthquakes and wave action, were subject to the consequences of soil failure and great deformations. Previous tests and studies have shown that clay strength and moduli under dynamic "transient" loading was greater than its static value, but "cyclic" loading decreased the strength and moduli. Therefore, the contradicting strength increasing effect of strain rate, and the decreasing tendency due to the repetition of alternating load on cohesive soils, has gained importance for investigation. The problems associated with the strength and deformation parameter of clays subjected to vibrations vary from, a) Behaviour of foundation soils of major structures, during and after cyclic loading and effects of dynamic blasts. b) Response and behaviour of earth embankments, soil structures, natural slopes, soil layers during and after cyclic loading. The analysis of the deformations and stability of soils during earthquakes requires knowledge of the strength properties and stress-strain characteristics, under combined sustained and cyclic stresses. It should be understood that stress conditions on soil elements during an earthquake are entirely different from tran sient loading conditions, where cohesive soils tend to have a strength increase. On the other hand, during earthquake loading, a soil element is subject to a series of stress pulses, none of which would necessarily cause failure by itself, but the accumulative effect may induce failure or large deformations. It has been shown that, for many soils, failure under repeated loading occurs at stresses about 40 % below the maximum of that which can be supported in a single cycle test. There are also "critical levels of repeated stress" that can be in­ definitely tolerated by the soil without causing failure or ultimate collapse. It is also of great importance that cohesive soils tend to lose their static strength after the application of cyclic or transient stresses. Fig. 3, from early investigations, illustrates the weakening effect of clays after transient loading. Thus, the concepts of "temporary-(instantaneous)" and "permanent" dynamic strengths of clayey soils arid the stress-strain relationship being a time· dependent function of the rate of loading gains prominence, in effect that soil structures may stand the strains developed during earthquakes or waves but the weakening effect may cause a post-cyclic failure. Examples of such behaviour include landslide occurring in sensitive Leda clay after dynamite explosion (Eden,1957) landslide in cohesive soil a few days after an earthquake (Morimoto et al., 1967). and the increasing number of slopes being constructured in cohesive soils make it desirable to determine satisfactorily the time-dependent creep rupture and behaviour of clays after and under cyclic loading. Today, it is evident that the realistic determinations of the strength parameters and-stress relationships of cohesive soils is essential and basic design data still requires refinements. The aim of this paper was to gather and recapitulate the up-to-date, draw up a critical review of the present status and define the requirements for further research. Upon reviewing the present data and literature, it can be concluded primarily that more information and investigation is required on many of the topics underlined below which are related to the cyclic strength and behaviour of cohesive soils, during and after cyclic loading. Up-to-date investigation has brought us to the state of knowledge that, (a) The cyclic/strength is reduced with reversing cyclic stress rather than one-directional pulsating load. Effects of different laboratory testing, frequency and load shape have to be minimized by simulating the actual field conditions (Refer to Figures). (b) Cyclic stresses cause the building up of excess pore pressures leading to large strains. Strain dependent explanation of cyclic strength reduction and behaviour is plausible for cohesive soils, since softer soil requiring larger static strain to fail will be weaker than stiff soil under cyclic loads. (c) Overconsolidated clays have initially greater cyclic strength than norm­ ally consolidated clays, but the strength reduction due to cyclis loading and pore water generation for overconsolidated requires more investigation. (d) From the available up·to-date test data, the cyclic strength of different clays tested under different stress and strain conditions form a greatly scattered broad band, but have the same tendency of strength decrease with increasing number of applied cycles. Data suggests that cyclic strength is considerably reduced after 30 cycles (Fig 24). (e) Post-cyclic strength of cohesive soils is lower and the post·cyclic stress· strains curves are flatter, requiring more strain to failure. But, cyclic loading pro­ duces a very small decrease if the cyclic strains are less than static failure strain, which may be suggested as design criterion for failure strain (Fig 21). (f) A realistic failure criterion under dynamic loads must be assessed. A method is suggested and a dynamic stress-strain relationship is given in Fig 30.

Özet.


Depremler sırasında zemin tabakaları, yapı temelleri altındaki zemin ortamları, toprak barajlar ve benzeri zemin yapıları yön ve şiddet değiş- tiren dinamik gerilme serilerine maruz kalmaktadır. Bu durum alışagelmiş mühendislik yaklaşamında, genellikle, düşey yönde hareket eden fakat zemin elemanları üzerinde yatay dinamik kayma gerilmeleri oluşturan kayma dalgaları olarak basitleştirilmektedir. Şekil 1 ve 2'de iki değişik konumda tipik zemin elemanı üzerinde tekrarlı yatay yükler ve depremler sırasında oluşan basitleştirilmiş gerilme durumları verilmiştir. Temel zeminin veya toprak yapıların depremler sırasındaki davranışları depremin özellikleri kadar, zeminin "dinamik mukavemet (dayanım)" ve "dinamik malzeme" özelliklerine bağlı olmaktadır. Son onbeş yıldan bu yana kohezyonsuz zeminlerin, bilhassa suya doygun kumların, depremler ve dinamik yükler altındaki davranışlarının anlaşılması için yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Suya doygun kumlarda oluşan ve büyük hasarlara yol açabilen kritik mukavemet kaybı ve "sıvılaşma" problemleri, bu incelemelerin nedeni olmuştur. Ancak, son yıllarda dünyada büyük ve önemli bazı inşaatların [örneğin denizde ağırlık depolama tankları (Ekofisk v.b.), uzun boru hatları (Alaska v.b.)] yumuşak ve denizsel orijinli killi zeminler üzerinde yapılmaları, kohezyonlu zeminlerin de dinamik (deprem, dalga etkisi v.b.) yükler altındaki davranışlarının daha yakından anlaşılmasını zorunlu kılmaktadır. Killi zeminler üzerinde yapılan ilk dinamik deneyler "geçici" (ani) dinamik yükler altında mukavemet ve gerilme-deformasyon modülü değerlerinin, statik deney değerlerine oran ile yüksek olduğunu, ancak "tekrarlı" yükleme altında mukavemet ve deformasyon modüllerinin azaldığını göstermektedir. Dolayısıyla, tekrarlı yükler ve bilhassa uzun süreli tekrarlı gerilmeler altında kohezyonlu zeminlerin davranışlarının saptanması önem kazanmaktadır. Kohezyonlu zeminler ile ilgili yukarda örneklenen dinamik problemler aşağıda belirtilen genel gruplarda toplanabilir, a) Büyük ve önemli yapıların açık deniz depolama tanklarının temelleri ve temel zeminlerinin, tekrarlı dinamik yükler, dalga etkisi veya patlamalar "sırasında'' ve "sonrası" davranışları, b) Zemin tabakaları, toprak dolgu barajlar gibi zemin yapıları ile şevlerin tekrarlı dinamik yükler "sırasında" ve "sonrası" davranışları Zeminlerin depremler sırasında oluşan boşluk suyu basınçları ile deformasyonları ve dolayısıyla göçmeye karşı stabilitelerinin hesaplanması için, o zemine ait, belirli gerilme şartları altında ve tekrarlı gerilmeler halindeki "mukavemet" ve "gerilme·deformasyon" özelliklerinin bilinmesi gerekli olmaktadır. Depremler sırasında zemin elemanlarında oluşan gerilme koşullarının, killi zeminlerin geçici dayanım kazandıkları ani yükleme durumuna katiyen benzemediği dikkate alınmalıdır. Deprem titreşimleri sırasında zemin elemanları, herbir tanesi tek başına akma veya göçme oluşturmayan birçok tekrarlı gerilme darbelerine maruz kalmakta ve toplanarak artan bu tesirlerin nihai etkisi büyük toplam kalıcı deformasyonlar, büyük boşluk suyu basıncı artışı veya göçme oluşturabilmektedir. Ancak, zemin cinsine göre belirli "kritik tekrarlı gerilme" değerinden ufak dinamik gerilme darbelerin zemin elemanları nihai göçme meydana gelmeden sonsuza dek taşıyabilmektedir. Bir başka hususta, tekrarlı veya ani (geçici) dinamik yüklerin uygulanmasından sonra killi zeminlerin statik dayanımlarının azaldığır. Killerin yüksek hızlı geçici yükleme dayanımı ani yükleme sonrası yumuşama etkisi Şekil 3'te gösterilmektedir. Dolayısıyla killi zeminlerde "(geçici" (ani) ile tekrarlı" dinamik dayanım kavramları ve zaman ile yükleme hızına bağlı gerilme-birim "boy değişimi" (deformasyon) bağıntıları önem kazanmaktadır. Bilhassa temel zeminlerinde ve zemin yapılarında, depremin veya tekrarlı dalgaların bitiminden "sonra" oluşan yumuşama ve deformasyonların nihai göçmeye sebep olabilecegi dikkate alınmalıdır. Bu tür davranışa örnekler, hassas Leda kilinde, dinamit patlatılması sonrası oluşan heyelanlar (Eden, 1957). Kohezyonlu zeminde depremden birkaç gün sonra oluşan heyelan (Morimoto 1967) olmaktadır (24). Kili zeminlerin mukavemet ve gerilme-deformasyon bağıntıların gerçekçi olarak saptanmasının önemi ve projelendirme esasları ile hesap yöntemlerinin geliştirilmelerinin gereği açıktır. Bu konu ile ilgili bir deneysel araştırma ve sonuçları, ilerde yapılacak araştırmalara yön vermek açısından , Ek 1 ‘de ayrıntılı olarak verilmiştir. Bu araştırmaların gayesi, tekrarlı dinamik yükler altında kohezyonlu zeminlerin mukavemeti (dayanımı) hakkında bugüne kadar yapılan araştırma ve bulguları toplayıp değerlendirerek proje aşamasına ışık tutmaktadır.