Üniversite Adı : Dokuz Eylül ÜniversitesiFakülte : Mühendislik FakültesiBölüm : Jeofizik Mühendisliği Bölümü

İzmir, Haziran 2014

Menemen Ovasının Zemin Özelliklerinin Jeofizik Etütlerle

BelirlenmesiHazırlayan:

Fatih ERCAN

2009505057

Danışman:

Yrd. Doç. Dr. Şenol ÖZYALIN

ÇALIŞMANIN İZLENCESİ

•GİRİŞ

•YÖNTEMLER

•SİSMİK KIRILMA YÖNTEMİ

•MASW YÖNTEMİ (1D&2D)

•ReMi YÖNTEMİ

•MİKROTREMÖR YÖNTEMİ

•DEĞERLENDİRME AŞAMALARI

•SONUÇLAR

GİRİŞ

Jeofizik çalışmalar, yer altı zemin yapısının aydınlatılmasına dair geleneksel araştırma yöntemlerine bir alternatif oluşturmaktadır. Bilineceği üzere “zemin” olarak tanımlanan yüzey tabakasının kalınlığı ve özellikleri “anakaya” olarak bilinen ve yeraltının derinliklerinde bulunan sağlam kayaya oranla daha azdır. Bilhassa mühendislik yapılarının inşası öncesinde “zemin” olarak tanımlanan yüzey tabakasının özelliklerinin belirlenmesi önem taşımaktadır. Zira mühendislik yapıları çoğu yerde anakaya olarak tanımlanan sağlam kaya üzerinde değil, “zemin” olarak tanımlanan dayanımı zayıf yüzey tabakası üzerine inşa edilir.

Bu sebeplerden ötürü, yüzeyden itibaren ilk 30-40 metrenin araştırılması önem kazanmaktadır. Jeofizik araştırma yöntemleri sığ sorunları çözmede oldukça etkili bir rol oynamaktadır.

YÖNTEMLER

SİSMİK KIRILMA YÖNTEMİ

Sismik kırılma yöntemi, yer içine bir kaynak vasıtasıyla gönderilen sinyalin, yeraltının tabakalı yapısından kırılarak yeryüzüne ulaşmasının “jeofon” adı verilen alıcılarla algılanması ve “sismograf” denilen kayıt ünitesi ile kaydedilmesinden oluşur.

Kaydedilen parametre bir dalganın kaynaktan çıkıp alıcıya gelmesi için geçen zamandır. Ayrıca kaynak ile algılayıcı arasındaki uzaklık yeryüzü boyunca ölçülebildiğinden, bilinen bir parametre olarak hesaplarda kullanılır.

Deprem sırasında açığa çıkan enerji, ses veya su dalgalarına benzeyen ve sismik dalgalar adı verilen dalgalar ile yayılır. Bu dalgalardan Cisim Dalgaları, P dalgaları ve S dalgaları olarak ikiye ayrılır. P dalgaları, en hızlı yayılan bu yüzden deprem kayıt aletlerinde (sismograf) en önce görülen dalgalardır. P dalgalarında, titreşim hareketi yayılma doğrultusu ile aynıdır. Daha yavaş yayılan S dalgaları, kayıt aletlerinde ikincil olarak görülen ve titreşim hareketi yayılma doğrultusuna dik olan dalgalardır. S dalgaları sıvı içinde yayılamazlar.

Yüzey Dalgaları ise Cisim Dalgalarına göre daha yavaş yayılırlar ancak genlikleri daha büyüktür. Hızı daha fazla olan Love ve genliği daha büyük olan Rayleigh dalgaları olarak ikiye ayrılırlar. Yapılarda yıkıma yol açan dalgalar S dalgaları ile yüzey dalgalarıdır.

Şekil 1. Sismik dalgaların yeryüzünde yayınımı

Sismik kırılma yönteminde, yeraltının tabakalı yapısına ait 2 tabakalı ya da 3 tabakalı çözümler yapılarak her bir tabakaya ait Vp ve Vs hızı ile tabaka kalınlıklarından yararlanılarak yeraltının elastik parametreleri hesaplanabilmektedir. Bunlar;

•Sökülebilirlik: P dalga hızına göre yapılmaktadır.

•Dayanım: S dalga hızına göre yapılmaktadır.

•Yoğunluk: Vp hızına bağlı olarak hesaplanmaktadır. ρ=0.31*Vp^0.25 ile bulunmaktadır (Gardner vd, 1974)

•Poisson Oranı: Vp ve Vs hızına bağlı bir hesaplama ile bulunur. 0-0.5 arası değerler alır. Tabakaların sıkılığının bir göstergesidir.

•Kayma Modülü: Tabakaların şekil değiştirmeye karşı gösterdiği dirençtir. Yoğunluk ile ilgili tabakanın Vs hızı kullanılarak elde edilir.

•Elastisite Modülü: Yeraltına etkiyen kuvvetle meydana gelecek gerilmenin boyuna uzama miktarını oluşturur. Yerin düşey yamulmasıdır. Kayma modülü ile Vp ve Vs hızlarından hesaplanır.

•Sıkışmazlık Modülü: Bulk Modülü, bir çepeçevre saran basınç altında sıkışmasının ölçüsüdür.

•Zemin Büyütmesi: Yer içinde bir deprem meydana geldiğinde sismik dalgalar seyahatlerinin büyük bir kısmını anakaya içindeki sağlam kayalarda yaparlar. Yeryüzüne yaklaştıkça ise “zemin” adı verilen ayrışmış birime varırlar. Zeminler, anakayadaki deprem etkisini çoğu zaman büyüterek yüzeye iletirler.

•Zemin Hâkim Titreşim Periyodu: Yüzey tabakası; derinliğine, yoğunluğuna ve sismik dalgaları geçirme özelliğine bağlı olarak, taban kayasının yer hareketini değiştirerek, çoğu zaman büyüterek, yüzeye iletir. Yüzey tabakasının genliğini büyüttüğü titreşimlerin periyodu, yüzey tabakasının (zeminin) hakim periyodudur.

MASW YÖNTEMİ

Yüzey dalgası analiz yöntemlerinde, yer altındaki tabakalı yapıların kesme dalgası hızının (Vs) derinlikle değişiminin hesaplanması amacıyla Rayleigh dalgasının dispersif özelliğinden faydalanır. Yüzey dalgası yöntemleri aktif kaynaklı ve pasif kaynaklı yöntemler olmak üzere iki ana grup altında toplanabilir. Pasif kaynaklı yöntemler daha derin nüfus gücüne sahiptir. Özellikle ana kaya derinliğine ulaşılması gereken sahalarda etkin olarak kullanılabilmektedir. Bunun yanında, MASWyöntemi daha sınırlı nüfus derinliğine sahip olmasının yanında, etkin kaynak kullanılması ile daha baĢarılı sonuçlar alınmaktadır.

Yüzey dalgası analiz yöntemleri aşağıdaki üç adımda gerçekleştirilir:

(1) Yüzey dalgalarının alıcılar ile kaydedildiği arazi aşaması,(2) Veri işlem ve dispersiyon eğrilerinin eldesi,(3) Dispersiyon eğrisinin farklı yöntemlerle ters çözümlenmesinden elde edilenVs değerlerinin derinlikle değişimi olarak özetlenebilir.

Dispersiyon eğrisinin elde edilmesi kritik bir adımdır. Ters çözümleme ile elde edilen Vs hız profilinin doğruluğu büyük oranda frekansa ve faz hızına bağlı olan dispersiyon eğrisinin doğruluğuna ve özelliklerine bağlıdır.

ReMi YÖNTEMİ

ReMi, adı “kırılma – mikrotremör” olarak bilinen jeofizik bir yöntemdir. ReMi yöntemiyle S dalgası hızı bulunur. Kentsel alanlarda kaynak kullanılmasına gerek yoktur. 12 veya 24 kanallı sismik ölçüm cihazı ile ölçüm yapılır. 30 saniyelik gürültü kayıtları alınır. Ölçümler tekrar edilir. Yüzey dalgası faz geçişleri izlenerek tabakaların Vs hızlarına ulaşılır. Vs hızları, tabakaların sağlamlığının bir göstergesidir.

ReMi yöntemiyle, gürültülerden yararlanarak, düşey jeofonlar vasıtasıylatabakaların kalınlıkları ve bu tabakalara ait S dalgası hızları bulunur. Düşük hız tabakalarında veya sinyal/gürültü oranının yeterli olmadığı durumlarda hesaplamalar zorlaşır.

MİKROTREMÖR YÖNTEMİ

Depremler ve sismik patlamalar dışında, doğal ve doğal olmayan nedenlerle oluşan, periyotları birkaç dakikayı aşmayan, yeryüzünün titreşim hareketlerine genel olarak mikroseism(çok küçük yer sarsıntıları) denir. Mikrotremör(titreşimcik) ifadesi 0.05 ile 2 sn. aralıklı periyotlar için kullanılır.

Mikrotremörler rüzgar, okyanus dalgaları, jeotermal reaksiyonlar, küçükmagnitüdlü yer sarsıntıları gibi doğal etkiler yanında kültürel gürültüler olarak tanımlanan ve başta trafik hareketleri olmak üzere insanların yaşam sürecinde neden oldukları hareketlilikten kaynaklanmaktadır.

Mikrotremörlerin Kullanım Amaçları

-Zemin cinsleri ve tabakalanmasının belirlenmesi

-Yer hareketinin yerel zemin koşulları etkisiyle oluşturabileceği büyütme özelliklerinin belirlenmesi ve projenin oluşmasında önemli olan zemin hakim periyodunun bulunmasında etkin olarak faydalanılmaktadır.

-Mikrobölgelendirme çalışmalarında yaygın olarak kullanılan mikrotremörler sayesinde sismik bölgelendirme yapılabilmektedir.

-Sismik bölgelendirme yapılmış yerin geoteknik risklere karşı farklı risk derecelerinin tanımlanması amaçlı, esaslar dikkate alınarak oluşturulur.

Şekil 2. Çalışma alanının yer bulduru haritası

DEĞERLENDİRME AŞAMALARI

Jeofizik kayıtlar 15 noktada alınmıştır. Değerlendirmeye ilk olarak sismik kırılma yöntemi ile başlanmıştır. Seismager paket programı içerisindeki Pickwin programı sayesinde sismogramdaki P dalgası ilk varışları işaretlenmiş ve aynı paket programdaki Plotrefa ile zaman-uzaklık grafiği çizdirilerek, 2 tabakalı çözümler ile yeraltının Vp hız değerleri kesit olarak elde edilmiştir.

Şekil 3. Vp hızı ilk varışları işaretlenen sismogram ve t-x grafiği

Değerlendirmeye MASW 1D ile devam edilmiştir. Bunun için de Saismager paket programındaki Surface Wave Analysis Wizard yazılımından yararlanılmıştır.

Öncelikle verimiz çağrılmıştır. Bazı kayıtlarda gürültünün fazla olmasından ötürü filtreleme işlemi yapılmıştır. Bunun için Edit menüsündeki Filter seçeneğinden yararlanılmıştır. Faz hızı 0-500 m/sn arasında, frekans da 5-30 Hz arasında alınarak dispersiyon eğrisi elde edilmiştir. Sinyal/gürültü oranının en az olduğu bölge seçilerek, ters çözüm için bir başlangıç modeli oluşturulmuştur. Bu modelde, 10 tabaka ve toplam araştırma derinliği 45 m seçilmiştir.

Şekil 4. Sırasıyla; dispersiyon, S/G oranı ve başlangıç modeli

MASW 2D değerlendirmesi ile çalışmaya devam edilmiştir. Bunun için de yine Surface Wave Analysis Wizard yazılımından yararlanılmıştır. MASW kayıtları düz-orta-ters şeklinde alındığından iki boyutlu değerlendirmeye uygundur. Aktif kaynaklı 2D MASW seçeneği ile yazılıma bu üç kayıt liste olarak eklenir. Daha sonra atış koordinatları girilerek, atış geometrisi belirlenir. Yine ters çözüm için faz hızı 0-500 m/sn arası, frekans 5-40 Hz arası alınır. Dispersiyon eğrisi için Common-Mid-Point (CMP) yapılır. Aynı noktadan gelen sinyaller üst üste bindirilir (ortak orta nakta). Sonra, 1D MASW’de olduğu gibi öncelikle S/G oranına bağlı olarak faz hızı geçişi yapılarak bir başlangıç modeli ile yeraltının Vs hız dağılımı iki boyutlu olarak elde edilir.

Şekil 5. Atış geometrisi, CMP izi, S/G oranına bağlı Faz hızı ve Başlangıç modeli

Çalışmaya ReMi yöntemi değerlendirmesiyle devam edilmiştir. ReMi yöntemi, aktif kaynak kullanmadan yer içinin Vs hız kesitinin çıkarılmasını sağlar. Bunun için de, Surface Wave Analysis Wizard yazılımının pasif kaynaklı 1D MAM seçeneği ile başlanmıştır. 8 sn süreli gürültülerin kayıtları toplu halde yazılıma yüklenmiştir. Diğer değerlendirmelerde olduğu gibi başlangıç modeli oluşturmak üzere faz hızı ve frekans değerleri ile toplam araştırma derinliği ile tabaka sayısı değerleri girilerek veriler ters çözüm işlemine tabii tutulmuş ve sonunda yeraltının tabakalı yapısının Vs hız değişimleri kesit olarak elde edilmiştir.

Şekil 6. Sırasıyla; dispersiyon, S/G oranına bağlı faz hızı ve başlangıç modeli

Mikrotremör değerlendirmeleri Geopsy yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Mikrotremör kayıtları 40 dakika boyunca alınmıştır. Öncelikle sinyal yazılıma yüklenmiştir. Değerlendirmeler esnasında bazı sorunlarla karşılaşılmıştır. Bunlardan en önemlisi, mikrotremör olabilecek düzeyde küçük titreşimlerin gözlenememesidir. Bunun nedeni de fazla gürültü düzeyidir. Bu sebeple birçok noktada H/V oranını sağlamak üzere başta pencere boyu olmak üzere STA ve LTA değerlerinde değişikliklere gidilmiştir. Havza yapısına uygun olacak şekilde düzenlemelerle yatay düşey spektral oran belirlenmiştir. H/V grafiğinden yararlanarak ovaya uygun değerlendirmelerle zeminin hakim titreşim periyoduna geçiş yapılmıştır. Çoğu noktada pencere uzunlukları 25 sn’den az tutulmuştur. Bu da değerlendirmeyi zorlaştırmıştır.

Şekil 7. Sinyal kaydı ve H/V eğrisini elde etmek için parametreler

Şekil 8. Pencerelenmiş mikrotremör sinyal kaydı

SONUÇLAR

Yapılar değerlendirmeler sonucunda Menemen ovasının zemin özellikleri jeofizik etütlerle belirlenmiştir. 15 noktada alınan kayıtlar ile yeraltının Vp ve Vs hızlarına göre haritaları yapılmıştır. Bunların yanı sıra, bu hızlardan ve tabaka kalınlıklarından yararlanarak Menemen ovasının dinamik ve elastik parametreleri saptanmıştır. Ayrıca, mikrotremör yönteminden elde edilen zemin hakim periyodu ve zemin büyütmesi değerleri, sismik kırılma ve MASW ile elde edilen Vp ve Vs hızlarına göre hesaplanmış dinamik-elastik parametrelerdeki zemin hakim periyodu ve zemin büyütmeleri değerleriyle hemen hemen uyum içindedir. Bu da yöntem ve değerlendirmelerin birbirlerini desteklediğini, böylelikle de sonucun daha net söylenebilecek düzeye getirildiğinin bir göstergesidir.

Sunuş amacıyla 10. noktadaki değerlendirme sonuçları aktarılacaktır.

Sismik kırılma yöntemi 10. noktadaki değerlendirme sonucu aşağıdaki Vp hızı yer altı kesiti elde edilmiştir:

Şekil 9. 10. noktadaki Vp hızı yer altı kesiti

MASW yönteminin 1D değerlendirmesi sonucu elde edilen yeraltının Vs hız dağılımı aşağıdaki kesitte verilmiştir:

Şekil 10. 10. noktadaki MASW yöntemi ile elde edilen yer altı Vs hız kesiti

MASW yönteminin 2D değerlendirmesi sonucu elde edilen yeraltının Vs hız dağılımı aşağıdaki kesitte verilmiştir:

Şekil 11. 10. noktadaki MASW yöntemi ile elde edilen 2 boyutlu yer altı Vs hız kesiti

ReMi yönteminin değerlendirmesi sonucu elde edilen yeraltının 1 boyutlu Vs hız dağılımı aşağıdaki kesitte verilmiştir:

Şekil 12. ReMi yöntemi ile 10. noktada elde edilen yer altının 1 boyutlu Vs hız kesiti

Mikrotremör yönteminin 10. noktadaki değerlendirmesi sonucu elde edilen H/V değerlerinin frekansla değişimi aşağıda sunulmuştur:

Şekil 13. Mikrotremör yöntemi ile 10. noktada elde edilen H/V grafiği

Elde edilen bilgiler ile Menemen ovasının havza yapısı kestirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre yüzeyde ileri derecede ayrışmış alüvyon birikimi vardır. Ortalama kalınlığı 8 m olan bu tabakanın dayanımı çok düşüktür ve sökülebilirliği kolaydır. 8 m derinlikten sonrasında ise kısmi derecede ayrışmış, yüzey örtüsüne nazaran daha fazla dayanıma sahip alüvyon birikimi gözlenmiştir. Derinlere doğru artan Vp ve Vs hızları bunu işaret etmektedir. Mikrotremör yöntemi sonucu elde edilen zemin hakim titreşim periyodu değişimlerinin ortalama 1,2 sn civarında olduğu ve zemin büyütme değerlerinin de ortalama 3,5 düzeyinde olduğu göze çarpmaktadır. Bu değerler, bir alüvyon havza yapısını ortaya koymaktadır. Tarım alanı olarak kullanılan bu bölgede olası kentleşme ile birlikte depreme dayanıklı yapı tasarımı önem kazanacaktır.