Deprem ve Sıvılaşma Riski: Zemin Özelliklerinin Etkisi

Özet

Sıvılaşma, doygun ve gevşek kumlu zeminlerin deprem sırasında dayanımlarını kaybederek akışkan hale gelmesiyle meydana gelen bir olaydır. Bu durum, yapı temellerinin taşıma kapasitesinin düşmesine, büyük oturmalara ve hatta yapıların tamamen çökmesine yol açabilir. Deprem sırasında gözenek su basıncının artması sonucu, zeminin efektif gerilmesi sıfıra yaklaşır ve bu süreç zemin stabilitesini ciddi şekilde etkiler.

Özellikle alüvyon birikintileri, nehir deltaları ve kıyı bölgeleri gibi gevşek kumlu ve suya doygun zeminlerde sıvılaşma riski oldukça yüksektir. 1999 Kocaeli Depremi, 2011 Tohoku Depremi ve 2016 Kumamoto Depremi gibi büyük depremlerde sıvılaşmanın yol açtığı hasarlar gözlemlenmiştir. Bu makalede, sıvılaşma mekanizması, sıvılaşmaya neden olan zemin özellikleri, sıvılaşmanın analiz edilmesi ve sıvılaşmaya karşı alınabilecek mühendislik önlemleri detaylı olarak incelenmektedir. Literatürde yapılan araştırmalara dayanarak, farklı zemin türlerinin sıvılaşmaya yatkınlığı ve bu riski azaltmaya yönelik teknikler kapsamlı bir şekilde ele alınmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Sıvılaşma, deprem mühendisliği, zemin dinamiği, taşıma gücü, zemin iyileştirme

1. Giriş

Depremler, dünya genelinde büyük can ve mal kayıplarına yol açan doğal afetler arasında yer almaktadır. Sismik hareketler, yalnızca yapıların dayanıklılığına bağlı değildir; aynı zamanda yapıların oturduğu zeminin mekanik özellikleri de büyük önem taşımaktadır. Zemin sıvılaşması, depremler sırasında özellikle gevşek ve suya doygun kumlu zeminlerde meydana gelen ve mühendislik yapıları için ciddi tehlike oluşturan bir olgudur (Ishihara, 1993).

Depremler sırasında zeminlerin dinamik yükler altında geçici olarak taşıma kapasitelerini kaybetmesi, altyapı sistemlerinin ve binaların güvenliğini doğrudan etkileyen kritik bir faktördür. Örneğin, 1964 Alaska ve Niigata depremlerinde sıvılaşma nedeniyle çok sayıda bina ve köprü büyük hasar görmüştür. Bu olay, gevşek zeminlerde deprem dalgalarının etkisiyle boşluk suyu basıncının artmasına ve taneler arası sürtünmenin azalmasına bağlı olarak gelişmektedir (Seed & Idriss, 1971).

Bu çalışmada, sıvılaşma mekanizması detaylı olarak açıklanmakta, zemin özelliklerinin sıvılaşma üzerindeki etkileri incelenmekte ve sıvılaşmayı belirlemek için kullanılan mühendislik yöntemleri tartışılmaktadır. Ayrıca, sıvılaşma riskini azaltmaya yönelik modern zemin iyileştirme teknikleri de ele alınacaktır.

2. Sıvılaşma Mekanizması ve Etkileyen Faktörler

2.1. Sıvılaşma Nedir?

Sıvılaşma, depremler sırasında gözenek su basıncının artarak zeminin kesme dayanımını kaybetmesi sonucu meydana gelen bir olaydır. Özellikle kumlu ve siltli zeminlerde görülür. Zemin, normal koşullarda taneler arası sürtünme ile belirli bir dayanım gösterir. Ancak, deprem sırasında tekrar eden yüklemeler nedeniyle gözenek suyu basıncı yükselir ve zemin taneleri arasındaki bağlar zayıflar. Sonuç olarak, zemin akışkan hale gelir ve bina temelleri taşıma gücünü kaybederek yer değiştirir veya çöker (Robertson & Wride, 1998).

Bu süreci anlamak için aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır:

Deprem Yüklemesi: Depremler sırasında meydana gelen yatay ivmeler, zeminin kayma gerilmesine maruz kalmasına neden olur.
Gözenek Su Basıncı Artışı: Zemin taneleri arasındaki boşluklarda bulunan suyun basıncı artar ve efektif gerilme düşer.
Efektif Gerilme Kaybı: Gözenek su basıncı zeminin taşıma kapasitesini azalttığında, zemin mukavemetini kaybeder ve sıvılaşma gerçekleşir.

2.2. Sıvılaşmaya Etki Eden Zemin Özellikleri

Sıvılaşma riski, büyük ölçüde zeminin fiziksel ve mekanik özelliklerine bağlıdır. Literatürde yapılan çalışmalar, belirli zemin türlerinin sıvılaşmaya daha yatkın olduğunu göstermektedir. Sıvılaşmaya en fazla eğilim gösteren zemin özellikleri şunlardır:

Zemin türü: Kumlu ve siltli zeminler sıvılaşmaya karşı en hassas zeminlerdir. Özellikle ince taneli, kötü derecelenmiş kumlar en riskli gruptadır.
Su doygunluğu: Sıvılaşma, yalnızca suya doygun zeminlerde gerçekleşir. Gözenek suyu basıncının artması, efektif gerilmeyi azaltarak sıvılaşmayı tetikler.
Dane boyu ve şekli: Yuvarlak taneli kumlar, köşeli tanelilere göre daha fazla sıvılaşma eğilimi gösterir.
Yoğunluk: Gevşek zeminler, sıkı zeminlere kıyasla daha yüksek sıvılaşma potansiyeline sahiptir.

3. Sıvılaşma Potansiyelinin Belirlenmesi

Sıvılaşmanın belirlenmesi, sahada ve laboratuvarda yapılan çeşitli mühendislik testleriyle mümkündür. Bu testler sayesinde zeminin sıvılaşma potansiyeli tahmin edilerek uygun mühendislik önlemleri alınabilir.

3.1. Standart Penetrasyon Testi (SPT) Tabanlı Yöntemler

SPT, sıvılaşma potansiyelinin değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan bir saha deneyidir. Seed ve Idriss (1971) tarafından geliştirilen bağıntılar, SPT darbe sayısı (N) kullanılarak sıvılaşma riskinin hesaplanmasını sağlar.

3.2. Konik Penetrasyon Testi (CPT) Yöntemleri

CPT, zemin profilinin sürekli ölçülmesini sağlayarak sıvılaşmaya yatkın katmanları hassas bir şekilde belirleyebilen bir yöntemdir. Robertson ve Wride (1998) tarafından geliştirilen ampirik bağıntılar, CPT verilerinin sıvılaşma analizinde kullanılmasını sağlar.

3.3. Laboratuvar Deneyleri ve Sayısal Modelleme

Üç eksenli basınç testleri ve drenajsız kayma mukavemeti deneyleri, zeminlerin sıvılaşma eğilimini belirlemek için laboratuvar ortamında uygulanır. Ayrıca, Plaxis ve FLAC3D gibi yazılımlar kullanılarak sayısal modelleme çalışmaları yapılmaktadır.

4. Sıvılaşmaya Karşı Alınabilecek Mühendislik Önlemleri

Sıvılaşmanın potansiyel etkilerini en aza indirmek için çeşitli zemin iyileştirme teknikleri uygulanmaktadır. Bu yöntemler, genellikle sıvılaşmaya karşı dayanıklı zemin oluşturma, gözenek su basıncını kontrol etme ve yapısal dayanımı artırma esasına dayanmaktadır. Bu bölümde, sıvılaşma riskini azaltmaya yönelik başlıca mühendislik yöntemleri ele alınacaktır.

4.1. Zemin Sıkıştırma Yöntemleri

Zemin sıkıştırma yöntemleri, zeminin daha sıkı bir yapıya ulaşmasını sağlayarak sıvılaşma potansiyelini azaltmayı hedefler. Gevşek ve doygun kumlu zeminler, sıkı hale getirildiğinde, gözenek su basıncındaki artış kontrol altına alınabilir ve sıvılaşma riski düşer. Bu amaçla kullanılan yöntemler şunlardır:

Dinamik Kompaksiyon: Ağır ağırlıkların belirli yüksekliklerden zemine bırakılmasıyla zemin sıkılaştırılır.
Titreşimle Sıkıştırma: Zemine yerleştirilen vibratörler yardımıyla kum taneleri yeniden düzenlenir ve daha yoğun bir hale getirilir.
Ön Yükleme ve Drenaj Yöntemleri: Zemin yüzeyine yük uygulanarak suyun dışarı çıkması sağlanır ve oturmalar hızlandırılarak sıvılaşma riski azaltılır.

4.2. Kimyasal Stabilizasyon Teknikleri

Kimyasal stabilizasyon, sıvılaşmaya karşı zemin direncini artırmak için çimento, kireç veya kimyasal katkı maddeleri kullanılarak uygulanmaktadır.

Çimento Enjeksiyonu: Zemin içine çimento bazlı harç enjekte edilerek zeminin dayanımı artırılır.
Silika Jel Enjeksiyonu: Gözenekli zeminlerin içerisindeki boşluklar silika jel ile doldurularak sıvılaşma engellenir.
Kireç Karışımı: Killi zeminlerde sıkça kullanılan bu yöntem, zeminin plastik deformasyon kapasitesini düşürerek dayanımı artırır.

Bu teknikler, özellikle altyapı projeleri ve yüksek riskli bölgelerde kullanılan en etkili sıvılaşma önleme yöntemlerinden bazılarıdır.

4.3. Drenaj Sistemleri ile Gözenek Suyu Basıncının Kontrolü

Sıvılaşma, gözenek su basıncının hızlı artışı sonucu meydana geldiği için, drenaj sistemleri kullanılarak su basıncı azaltılabilir ve sıvılaşma riski minimize edilebilir.

Dikey Drenler: Zemine yerleştirilen kum veya plastik dren boruları sayesinde suyun boşalması hızlandırılır.
Sondaj Kuyuları: Derin zemin tabakalarındaki su basıncını azaltmak için kullanılır.
Yüzey Drenaj Sistemleri: Yağmur suları veya yer altı sularının kontrol altında tutulmasını sağlar.

Drenaj sistemleri özellikle nehir deltaları, kıyı bölgeleri ve gevşek alüvyon alanlarında büyük önem taşımaktadır.

5. Sıvılaşma Kaynaklı Hasar Örnekleri ve Önleyici Önlemlerin Uygulanması

5.1. 1999 Kocaeli Depremi (Türkiye)

1999 Kocaeli Depremi, sıvılaşma nedeniyle büyük çaplı altyapı hasarlarına neden olan depremlerden biridir. Özellikle Gölcük ve Adapazarı bölgelerinde, zemin sıvılaşması nedeniyle binaların temelleri oturmuş, bazı yapılar tamamen yıkılmıştır.

Bu depremde en büyük hasarlardan biri, Tüpraş Rafinerisi’nde meydana gelen yangın olmuştur. Sıvılaşma nedeniyle yer altı boru hatları zarar görmüş ve patlamalar yaşanmıştır. Bu olay, sanayi tesislerinde sıvılaşma risk analizlerinin ne kadar önemli olduğunu göstermiştir.

Alınan Önlemler:
Deprem sonrası bölgede derin temel sistemleri, drenaj sistemleri ve zemin iyileştirme çalışmaları uygulanmıştır. Özellikle kazıklı temeller, sıvılaşmaya karşı direnç artırmada etkili olmuştur.

5.2. 2011 Tohoku Depremi (Japonya)

Japonya’da meydana gelen Mw 9.0 büyüklüğündeki Tohoku Depremi, geniş çaplı sıvılaşmaya neden olmuştur. Özellikle Tokyo ve Sendai bölgelerinde, nehir deltaları ve kıyı bölgelerinde büyük çaplı zemin kaymaları yaşanmıştır.

Alınan Önlemler:
Japonya, depremlerden sonra zemin iyileştirme çalışmalarını zorunlu hale getirmiştir. Derin karıştırma (deep mixing), drenaj sistemleri ve kazıklı temel sistemleri, Japon mühendisleri tarafından yaygın olarak kullanılan önleyici yöntemler arasındadır.

6. Sonuç ve Değerlendirme

Bu makalede, sıvılaşma olgusunun temel mekanizması, sıvılaşmaya neden olan zemin özellikleri, sıvılaşmanın belirlenmesi için kullanılan yöntemler ve sıvılaşmaya karşı alınabilecek mühendislik önlemleri kapsamlı bir şekilde ele alınmıştır.

Özetle, sıvılaşma özellikle suya doygun kumlu zeminlerde ciddi mühendislik sorunları yaratmaktadır. Yapıların taşıma gücünü kaybetmesine, oturmalara ve yıkımlara neden olan bu olgu, doğru mühendislik yaklaşımlarıyla önlenebilir. Sıvılaşma riskinin azaltılması için aşağıdaki temel önlemler alınmalıdır:

Riskli zeminlerin belirlenmesi: SPT ve CPT testleri gibi mühendislik analizleriyle sıvılaşmaya yatkın bölgeler belirlenmelidir.
Zemin iyileştirme tekniklerinin uygulanması: Drenaj sistemleri, kimyasal stabilizasyon, sıkıştırma ve kazıklı temel sistemleri kullanılmalıdır.
Yapısal dayanımın artırılması: Depreme dayanıklı temeller ve derin kazık sistemleri ile yapıların sıvılaşma etkilerine karşı dirençli hale getirilmesi sağlanmalıdır.
Mevzuat ve yönetmeliklerin sıkılaştırılması: Japonya gibi deprem riskinin yüksek olduğu ülkelerde olduğu gibi, sıvılaşmaya karşı özel yönetmelikler geliştirilmeli ve mühendislik projelerinde uygulanmalıdır.

Sonuç olarak, deprem mühendisliği açısından sıvılaşmanın etkin bir şekilde analiz edilmesi ve uygun önlemlerin alınması, yapı güvenliğinin sağlanması açısından kritik bir faktördür. Gelecekte, gelişmiş modelleme teknikleri ve yeni zemin iyileştirme teknolojileri ile sıvılaşmaya karşı daha etkili çözümler üretilebilecektir.

7. Kaynakça

Ishihara, K. (1993). Liquefaction and flow failure during earthquakes. Geotechnique, 43(3), 351-415.
Robertson, P. K., & Wride, C. E. (1998). Evaluating cyclic liquefaction potential using the CPT. Canadian Geotechnical Journal, 35(3), 442-459.
Seed, H. B., & Idriss, I. M. (1971). Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential. Journal of Soil Mechanics & Foundations Div, 97(9), 1249-1273.

Erhan Baytak. İnşaat Yüksek Mühendisi. Medeniyet Mühendisleri. 2025