ZEMİN MEKANİĞİ-I (İNŞ 3013)Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı

İnşaat mühendisliği eğitiminizin üçüncü yılı güz yarıyılında almakta olduğunuz buders Geoteknik Anabilim Dalı’nın zorunlu üç dersinden birincisidir. İçeriğindenanlaşılacağı üzere Zemin Mekaniği-I dersinde beş ana konu bulunmaktadır. Bunlartemel zemin karakteristikleri, sızma, efektif gerilme, tek yönlü sıkışma ve konsolidasyonile kayma mukavemetidir.

Dersin ana konuları bir mühendislik malzemesi olarak ele alındığı zaman zemininyük altındaki davranışının veya zemin içinden su akışının hesaplanabilmesi içinbilinmesi gerekli temel bilgilerdir.

1

Zemin MekaniğiZeminlerin hidrolik ve mekanik özelliklerinin yapı ve temel davranışına etkileri tarih boyunca mühendisler tarafından bilinmesine rağmen bunların modern fizik ve matematik diliyle ifade edilmeye başlanması 19. yüzyıl sonu ve 20. yüzyıl başında mümkün olmuştur (örneğin Coulomb, Rankine ve Terzaghi).

Zemin mekaniği pekişmemiş jeolojik unsurların statik ve dinamik yükler, yerçekimi, hidrolik ve ısı gradyanı altındaki davranışını, bu davranışı belirleyen parametrelerin incelenmesini konu edinen bir bilim dalıdır.

«Geoteknik» zemin mekaniği-dinamiği, temel mühendisliği, çevresel geoteknoloji ve enerji geotekniği konularının ele alındığı disipline verilen isimdir.

Modern anlamda geoteknik disiplininin kurucusu kabul edilen Prof. Dr. Karl Terzagi (1883-1963)

İskoç bilim insanı ve mühendis Prof. Dr. William J. M. Rankine (1820-1872)

2

1. Temel Zemin Karakteristikleri

İnşaat mühendisleri için zemin, kayaların parçalanması ve/veya ayrışması ile oluşanmineral danelerinin çimentolanmış veya zayıf çimentolanmış birikimidir.Çimentolayıcı unsur kil, kireç ve benzeri maddelerdir.

1.1 Zemin Oluşumu

Zeminlerin kaynağı olan kayaç türleri:

i. Magmatik kayalar, magmanın yer yüzeyi altında gömülü olarak veya yer yüzeyine çıkarak soğuması ve katılaşması ile oluşurlar. Yer yüzeyi altında soğuma yavaş olur. Yavaş soğuma nedeniyle kaya kristal yapısı iridir. İri kristal yapı dayanıklı kaya oluşturur (örneğin granit). Yer yüzeyi üzerinde soğuma hızlı gerçekleşir. Hızlı soğuma, küçük kristal yapı ve nispeten dayanıksız kaya oluşumuna neden olur (andezit v.b.). İzmir ve çevresinde andezit birimleri yaygın olarak görülür.

ii. Sedimanter (tortul) kayalar, zemin danelerinin taşınarak birikmesi ve yük altında konsolide olup bağlanması şeklinde klastik (kumtaşı, silttaşı, kiltaşı, konglomera, v.b.), canlı organizma kalıntılarının birikmesi ile biyojenik (örneğin kömür) ve inorganik kimyasal malzemenin deniz veya göl ortamında çökelmesi ile kimyasal (örneğin kaya tuzu ve kireçtaşı) oluşumlardır.

iii. Metamorfik (başkalaşım) kayalar, magmatik veya sedimanter kayaların yüksek basınç ve/veya yüksek ısı altında değişimi sonucu oluşurlar (örneğin kireçtaşının mermere dönüşmesi).

Zeminlerin sıkışma ve kayma mukavemeti özelliklerinin bilinmesi yapı temellerinin oturmasının ve kayma güvenliğinin hesaplanması için gereklidir.

Dayanma yapılarına etki edecek yanal zemin basınçlarının hesabı ve toprak barajların tasarımı için zemin mekaniği bilgisi gereklidir.

3

Kayalardan zemin oluşumuna neden olan süreçler:

i. Parçalanma: Isıl etki (genleşme-büzülme), yük azalması (erozyona bağlı) ve donma-çözülme, kayaların fiziksel parçalanmasına; rüzgar, su ve buzul erozyonu ise mekanik parçalanmaya neden olur. Parçalanma sonucu oluşan zemin daneleri ana kayanın mineral yapısındadır (örneğin kum ve çakıl).

ii. Ayrışma: Organik asitler, havadaki oksijen ve karbondioksit suda eriyerek, kayanın çatlak ve gözeneklerinden nüfuz edip, kaya mineral yapısında kimyasal reaksiyona ve neticesinde kimyasal ayrışmaya neden olur. Bu mekanizma ile oluşan zemin danelerinin mineral yapısı ana kayanınkinden farklıdır (örneğin kil).

1.2. Depolanma şekline göre zemin türleri

i. Rezidüel (yerinde oluşmuş) zemin: Parçalanma ve ayrışma hızı, taşınma hızından büyükse rezidüel zemin oluşur. Bir başka deyişle kayadan oluşan zemin daneleri oldukları yerde kalıp zemin profilini oluştururlar (Şekil 1).

ii. Sedimanter (taşınıp birikmiş) zemin: Su, rüzgar, buzul ve canlılar kayaların parçalanması ve ayrışması ile oluşan zemin danelerini taşıyıp biriktirmektedir. Akarsuların taşıyıp biriktirdiği zeminler alüvyonel, deniz ve göl ortamlarında çökelme ile oluşan zeminler ise sırasıyla denizel («marine») ve gölsel («lacustrine»), buzulların oluşturduğu zeminler «glacial» ve rüzgar ile taşınıp birikerek oluşan zeminler «aeolian» olarak tanımlanabilmektedir. Sedimanter bir zemin profili Şekil 2’de verilmiştir.

Zemin Mekaniği-I Ders İçeriği

Hafta # Konular

1 TEMEL ZEMİN KARAKTERİSTİKLERİ: Zeminlerin oluşumu, zemin bileşenleri ve faz ilişkileri

2 Zemin türleri ve yapısal özellikleri, kil mineralleri

3 Zeminlerin indeks özellikleri (dane çapı dağılımı, sıkılık, kıvam)

4Zemin sınıflandırması (USCS, AASHTO, TS sistemleri), zeminlerin sıkıştırılması (laboratuvar ve arazi sıkıştırmaları, sıkıştırma kontrolü)

5 SIZMA: Hidrolik eğim, Darcy Kanunu, sızma hızı, sızma denklemi, akım ağı çizimi

6Hidrolik iletkenlik (laboratuvar ve arazi deneyleri): etki eden faktörler, tipik değerler ve sınıflandırma; zeminde kılcallık

7 Ara Sınav #1

8EFEKTİF GERİLME: Geostatik zemin basınçları (toplam, efektif ve boşluk suyu basınçları), sızmanın efektif gerilmeye etkisi, efektif gerilmenin zamanla değişimi

9TEK YÖNLÜ SIKIŞMA ve KONSOLİDASYON: Tek yönlü sıkışma denklemi, ödometre deneyi ve deney bulgularının değerlendirilmesi, ön yükleme basıncı, normal ve ön yüklemeli zeminlerin sıkışma hesabı

4

Zemin Mekaniği-I Ders İçeriği (devam)Hafta # Konular

10Konsolidasyon denklemi ve çözümü, konsolidasyon oranı, aşırı boşluk suyu basıncı oranı ve bunun zamanla değişimi, zaman bağlı yükleme, konsolidasyon katsayısının tayini

11 Ara Sınav #2

12KAYMA MUKAVEMETİ: Zeminlerin kayma davranışını ele alan modeller, Mohr-Coulomb Göçme Kriteri

13Kayma mukavemeti deneyleri: Üç eksenli basınç deneyi, tek eksenli basınç deneyi, kesme kutusu deneyi, Vane kesme deneyi

14 İri ve ince daneli zeminlerin kayma davranışı, hassasiyet ve tiksotropi

ÖdevlerNo.1: Zeminlerin temel karakteristikleri (Birinci hafta)No.2: Zeminlerin indeks özellikleri (Üçüncü hafta)No.3: Sızma (Beşinci hafta)No.4: Tek yönlü sıkışma ve konsolidasyon (Dokuzuncu hafta)No.5: Kayma mukavemeti (Onüçüncü hafta)

Devam zorunluluğu ve Sınavlar: Düzenli yoklama alınır. Devamsız öğrenci dönem sonu sınavına giremez. Sınavlar notlar kapalı olarak yapılır. Formül kağıdı öğretim üyesi tarafından dersten önce dağıtılır. Sınava öğrenciler kalem, silgi, küçük cetvel, iletki ve hesap makinesi getirmekle yükümlüdür.

5

ZEMİNLERİN TEMEL KARAKTERİSTİKLERİ• Zemin tabakaları kayaların mekanik veya kimyasal

ayrışması sonucu meydana gelir. Zemin ve kaya tabakalarının oluşumu aynı zamanda bir döngüdür:

Zeminlerin Oluşumu:

Kimyasal ayrışma: Ana kayanın mineral yapısının kimyasal reaksiyonlar sonucu değişime uğraması ve farklı yapıya sahip malzemelerin oluşumu (örnek: feldispatın kile dönüşümü)

Mekanik ayrışma: Kaya birimlerinin sıcaklık değişimleri, buzul hareketleri ve benzeri nedenlerle bütünlüğünün bozularak iri parçalara veya danelere parçalanması

Buzul hareketinin basınç ve aşındırma etkisi sonucunda kaya birimlerinin aşınması

6

1.3. Zemin Türleri ve Yapısal Özellikleri

1.3.1. Dane Boyutuna Göre Sınıflandırma

Dane büyüklüğüne göre zeminler kil, silt, kum ve çakıl olarak isimlendirilir. Danebüyüklüğü dane çapı (D) ile gösterilir. Dane çapı, kare delikli eleklerden (bkz. Şekil3) bir danenin geçebileceği en küçük açıklıktır. Örneğin 2x4x8 mm yaklaşıkboyutlara sahip prizmatik bir danenin ancak geçebileceği elek açıklığı 4x4 mmolduğundan dane çapı D=4 mm kabul edilmektedir.

Şekil 3. Dane dağılımının belirlenmesinde kullanılan zemin eleği

Zemin dane çapı değişim aralığı yaklaşık 0.01mm100 mm (10-5102 mm) olup en büyük dane çapı en küçüğün yaklaşık 107 katı olmaktadır.

Zemin dane çapı D>2mm iken daneler üzerinde yer çekimi kuvvetleri etkili olur. Dane 10�̇�<D<2mm aralığında iken elektriksel kuvvetler, D< 10𝐴 ̇ olduğunda ise moleküler kuvvetler söz konusudur (1�̇�=10-8 cm).

andezit

Magmanın yavaş soğuması sonucu oluşan kayalar genellikle iri kristal yapısı gösterir.

Magmatik kayalar

Sedimanter kayalar

Metamorfik kayalar

granit

7

Şekil 4. Elek takımı ve deney sırasında kullanılan sarsma tablası

Zeminlerin sınıflandırmasına yönelik pek çok sistem mevcuttur. Bu konuya ileridedeğinilecek olmasına rağmen dokusal sınıflandırmaya bir örnek teşkil etmek üzereM.I.T sınıflandırma çizelgesi aşağıda verilmiştir:

• Zemini diğer mühendislik malzemelerinden ayıran en önemli özelliği çok fazlı (su, hava, katı) yapısı ve plastik (kalıcı) şekil değiştirme yapmasıdır. Plastik şekil değiştirmeler temel tasarımında daha çok oturma (tasman) şeklinde önem kazanır.

Mühendislik Malzemesi Olarak Zemin

Elasto-plastik şekil değiştirme arz eden tipik bir mühendislik malzemesi

ee: elastik birim şekil değiştirmeep: plastik birim şekil değiştirme

Temel tabanı altındaki zemin tabakalarının izin verilen sınırlar dışında plastik şekil değiştirme arz ettiği Pizza Kulesi

8

Çizelge 1.3.1. M.I.T sınıflandırması

1.3.2. Zeminlerin Yapısal Özellikleri

Zeminlerin yapısal özellikleri başlıca iki grupta incelenebilir. Bunlar plastik veplastik olmayan zeminlerdir. Plastik olmayan zeminler grubunda kum, çakıl venonplastik silt bulunur. Plastik grupta ise kil ve plastisite arz eden siltler yer alır. Bugruplandırmada ana fikir zemin danelerine suyun elektriksel çekim kuvvetleriyoluyla tutunması veya danelerin yüzeyi nötr ise suyun bunlara bağlanmamasıolmaktadır. Mineral yapısında eksik-fazla elektron bulundurmayan nonplastikzeminlere su molekülleri kimyasal bağla tutunabilir.

Zeminin yapısal özelliği denildiğinde daneler arasında etkiyen kuvvetler ile danegeometrik yerleşimi birlikte kastedilir. İri daneli zeminler ile nonplastik siltlerdedaneler arasındaki kuvvetler çok küçük olduğu için «yapısal özellik» ve «daneyerleşimi» genel olarak aynı anlama gelir. Plastik zeminlerde ise durum çokfarklıdır.

Aşırı ancak üniform oturmaRijit dönme şeklinde

oturma davranışıYapıda çatlaklara neden

olan farklı oturma

Temel tabanında aşırı kayma şekil değiştirmesi sonucunda temelin taşıma kapasitesinin aşılması

9

1.3.2.1. İri Daneli Zeminlerin Yapısal Özelikleri

Kumlar ve çakıllar fiziksel ve mekanik parçalanma ile oluşmuşlardır; ana kayanınyapısal özeliklerini taşırlar. Dane büyüklükleri iri bloktan kaya ununa kadar değişir.Yuvarlak ve köşeli aralığında çeşitli şekillerde (Şekil 5) görülebilen danelerinboyutları üç yönde yaklaşık eşit büyüklüktedir. Danelerin doğadaki dizilişi tekildaneli yapı ile temsil edilir. Bu dizilişte her dane komşu danelere doğrudan değmedurumunda olup, aralarında herhangi bir bağ veya kohezyon yoktur (Şekil 6). Bu türzeminlerin kayma mukavemeti sürtünme ve daneler arası kilitlenmeden oluşur. İridaneli zeminler baskın olarak quartz mineralinden meydana gelir ve kararlı bir yapıarz eden bu mineralden (SiO2) oluşan daneler ayrışmaya karşı daha dayanıklıdır.

Şekil 5. İri daneli zeminlerde dane şekilleri

Şekil 6. Tekil daneli yapı

İri daneli zeminler

yuvarlak yarı yuvarlak

Yarı köşeli Köşeli

• Zemin çok fazlı (sıvı, gaz, katı) ve daneli yapıda bir mühendislik malzemesidir. Dane boyutu elektron mikroskopu ile görülebilen kil danelerinden, iri çakıl ve bloklara kadar çok geniş bir aralıkta değişim gösterir.

Kum danesi0.05-2.0 mm

Silt danesi0.002-0.05 mm

Kil danesi< 0.002 mm

kil

kum

diatom

Diatom: Zemin tabakaları içinde bulunan mikroorganizma

Bir deniz sediman örneğine ait SEM görüntüsü

• Dane büyüklüğüne göre:

kil en yüksek dane büyüklüğü < 0.002 mm

silt 0.002 ~ 0.074 mm

kum 0.074 ~ 4.76 mm

çakıl 4.76 ~ 75 mmblok 75 ~ 1000 mm

• Zemin tabakaları arazide farklı oranlarda karışmış bir şekilde bulunurlar (killi kum, siltli killi çakıl, v.b).

• Daneler arasındaki boşluklarda sıvı ve/veya gaz bulunur. Mühendislik pratiği açısından sıvı fazını genellikle yeraltı suyu, gaz fazını ise hava oluşturur.

10

İri daneli zeminlerde bal peteği tarzı dane yerleşimi (Şekil 7) mümkün olan en kararsız ve gevşek durumu temsil eder. Bu dane yerleşimi ile statik yükler taşınabilirse de dinamik yükleme koşullarında zeminin çatısı aniden çökebilir.

Şekil 7. Bal peteği dane yerleşimi

İri daneli zeminlerin kayma mukavemeti üzerinde rölatif sıkılık, Dr ,(bkz. dip not) etkili olsa da tek başına belirleyici bir unsur değildir. Yukarıdaki Şekil 8’de verilen iki zeminin rölatif sıkılığı eşit olmakla birlikte dane yerleşimi birbirinden çok farklıdır. Sağdaki zeminin kayma mukavemetinin soldakine nazaran daha yüksek olması beklenir.

𝐷 =𝑒 − 𝑒

𝑒 − 𝑒𝑥100 (%) e=Vv/Vs Vv : boşluk hacmi

Vs : katıların hacmi

Şekil 8. Rölatif sıkılığı aynı ancak dane yerleşimi farklı iki zemin

BOŞLUK KATILAR

HAVA

SU

KATILAR

SU

KATILAR KATILAR

HAVA

KISMENSUYA DOYGUN ZEMİN

TAMAMENSUYA DOYGUN ZEMİN

KURU ZEMİN

Kil zeminlerin su içeriği çakıl, kum ve silt zeminlere nazaran daha yüksektir. Buna kilin yapısal özellikleri neden olur. Daneler arasındaki boşluklar süreklilik arz eden kanallar ile idealize edilirse killerde bu kanalların çapı çok daha küçüktür.

• Denge durumundaki gerilme halini değiştiren her türlü gerilme farklılığı sıvı ve gaz fazlarında değişime yol açarak zeminin hacim değiştirmesine neden olur.

• Gerilme değişimi artış şeklinde olursa, zemin daneleri arasındaki boşluklarda bulunan su (ve/veya hava), gerilme artışı dane iskeletine aktarılıncaya kadar dışarı çıkar ve zemin sıkışır.

• Gerilme değişimi azalış şeklinde olursa tersine bir mekanizma işleyerek zemin kabarır (şişer). Suya doygun olmayan ve yüksek plastisite gösteren kil zeminlere su girişi gerçekleştiği takdirde zemin kabarma eğilimi arz eder. Şişme basıncı temel değme basıncından yüksekse yapı temeli ve taşıyıcı sisteminde hasar oluşur.

• Zeminin şişme veya kabarma miktarı gerilme değişimine, zemin türüne ve zeminin suya doygunluk derecesine bağlıdır.

• Şekil değiştirmenin önemli bir kısmı kalıcıdır ve boşluk hacminin değişim oranına bağlıdır. Küçük bir kısım şekil değiştirme ise elastiktir ve yükleme kaldırıldığı zaman geri döner.

11

Arazide nadiren temiz kum veya çakıl ile karşılaşılır. İri daneli zeminin içerdiği incedanenin niteliği ve oranına göre siltli kum (SM, SW-SM veya SP-SM), siltli çakıl (GM,GW-GM, GP-GM) ya da killi kum (SC, SW-SC, SP-SC) veya killi çakıl (GC, GW-GC, GP-GC) söz konusu olabilir. Bir zemin örneğine hangi grup sembolünün atanacağınasınıflandırma deneyleri sonucunda karar verilir. Ancak bu noktada, bilhassa kiloranının >%20 olduğu andan itibaren zemin hala «kum veya çakıl» ana grubualtında sınıflandırılsa da bu zeminin mühendislik davranışının kil matrisi tarafındankontrol edildiğinin bir kenara not edilmesi gerekir. İnce dane şeklinin (özelliklesiltler) ve yerleşiminin zemin davranışı üzerinde etkisi vardır:

kum

silt

iri danelerin temas noktalarında arada silt-kil daneleri veya topaklarının bulunması halinde danelerin birbiri üzerinde kayması ve yerleşmesi kolaylaşır; sıkışma potansiyeli artar, kayma mukavemeti düşer. Bu davranış zemine su girişi durumunda çok belirgin hale gelir ve kimi durumda zemin tabakaları su girişi sonucunda kendi ağırlığı altında çok yüksek sıkışma arz edebilir.

İnce dane yüzdesi fc>%2030 olduğu andan itibaren iri daneler ince dane matriksi içinde yüzmeye başlar ve davranışı silt/kil matrisi domine eder.

Şekil 9. İnce dane yüzdesinin artışına bağlı olarak iri dane yerleşiminin etkilenmesi

• Zemin danesi görünüşüne (dane çapı, şekli, yüzey pürüzlülüğü ve rengi) göre sınıflandırılabilir.

• Bir zemin danesi için dane çapı ortalama bir değerdir. İri daneli zeminlerde (D>0.074 mm) danenin içinden geçebildiği en düşük karenin boyutu veya silt-kil dane boyutundaki zeminler için suda zemin danesiyle aynı hızda çökeldiği kabul edilen eşdeğer kürenin çapıdır.

• Silt ve daha büyük danelerin şekli küp veya küre olarak idealize edilebilir. Bunun istisnası mika pulcuklarıdır.

Hidrometre testi

Bir zemin örneğine ait dane dağılım grafiği

12

1.3.2.2. Killerin Yapısal Özelikleri

Kil mineralleri, kayaların ayrışması sonucu oluşmuşlardır. Kil danesinin mineral yapısı anakayanınkinden farklıdır. Kil dane büyüklüğü 0.002 mm’nin altındadır. Kil mineraldanelerinin çoğu plaka şeklindedir. Örneğin, bir kaolin kil danesi 0.07 mm kalınlığında olup,diğer boyutu 1 mm kadardır (Şekil 10).

Şekil 10. Bir Kaolin kil danesi

İğne şeklinde kil mineral daneleri de mevcuttur. Ancak nispeten nadir görülürler. Kilminerallerinin çoğunun temel yapısal birimini silika tetrahedronu ve alumina okta-hedronuoluşturur (Şekil 11).

(a) (a) (b) (b)

Şekil 11. Kil minerallerinin temel yapısal birimleri:(a) Silika tetrahedronu (a) Şematik ; (b) Alumina oktahedronu (b) Şematik

1- O -2

1- Si +4

3- O -6

3- OH -3

1- Al +3

3- OH -3

• Kil daneleri ise genel olarak plaka şekline sahiptir:

Kristalize olmuş kaolin

• Yüzey pürüzlülüğü daneler arası sürtünme üzerinde tesirli unsurlardan biridir. Danelerin yüzeyleri taraklı, kaygan, pürüzsüz veya çok pürüzlü gibi dokulara sahip olabilir.

Taraklı yüzey dokusuna sahip zemin ve kaya örnekleri

Traverten

Kumlarda çok pürüzlü yüzey dokusuna bir örnek

13

Bu birimlerde silisyum ve aluminyum atomlarının başka elementler ile kısmi olarakyer değiştirmesine izomorf yerdeğiştirme denir. Temel birimler birleşerek yaprakyapılarını oluştururlar. Silika tetrahedronlarının bir araya gelmesi ile silika yaprağı,alumina oktahedronlarının bir araya gelmesi ile alumina yaprağı oluşur (Şekil 12).Şekil 12’de atomik yapıların altında yaprak yapıların sembolik gösterimi deverilmiştir.

(a) (b)Şekil 12. Kil minerallerinde yaprak yapı birimleri

(a) Silika yaprağı, (b) Alumina yaprağı

Yaprak yapıların değişik kombinasyonlarda ve farklı bağlar ile birleşmesi sonucuçeşitli kil mineralleri oluşmuştur. Kaolin mineralinde, silika ve alumina yaprakla-rının birleşerek kuvvetli hidrojen bağı ile bağlanması sonucu oluşan iki tabakalı biryapı mevcuttur (Şekil 14a).

Montmorillonit minerali üç tabakalı bir yapıdadır (Şekil 14b). Alumina yaprağınıniki taraftan silika yaprakları ile birleşmesi ile oluşan üç tabakalı yapıların su ve zayıfkatyon bağı ile bağlanması montmorillonit mineralini oluşturmaktadır.

4- O -8

4- Si +16

6- O -12

6- OH -6

4- Al

6- OH -6

Pozitif yüklü kenarlar

Negatif yüklü yüzeyler

Kil danesinin net elektrik yükü izomorf (izomorf: aynı tarz) yer değiştirme ve sınırlarındaki kırılan bağlardan kaynaklanır. Daha düşük elektrik yüklü katyonlar yüksek yüke sahip olanların yerini alır (örneğin Mg+2

Al+3 ile yer değiştirir). Bunun sonucunda net negatif yük meydana gelir.

İzomorf yer değiştirme bir katyonun diğerine nazaran daha fazla bulunması (kil mineralinin oluşumu sırasında) sonucunda ortaya çıkabilir. Örneğin alüminyum +3 yüküyle +4 yüke sahip silikonun yerini alabilir. Bunun neticesinde net negatif yük ortaya çıktığı gibi iyonlar eşit büyüklükte olmadığı için kristal yapıda bozulma gerçekleşir.

Kaolin geoteknik mühendisliğinde en sık karşılaşılan kil türüdür. Cibsit ve silika katmanlarından oluşur. Bu kilde izomorf yer değiştirme oldukça sınırlıdır (bir alüminyumun silika katmanı içindeki her 400 silikon içinden bir silikonun yerini alması). Üç tabakalı kil grubunun iyi tanınan bir üyesi olan montmolillonitte ise izomorf yerdeğiştirme Mg iyonunun Al iyonunun yerini alması şeklinde gerçekleşir (her 6 Al içinde 1 adet). Kaolin için potensiyel değişim kapasitesi 3 me/100 g iken montmorillonitte bu değer 100 olmaktadır. Bunun sonucu olarak montmorillonitin su tutma kapasitesi çok daha fazladır.

14

Su molekülleri kil dane yüzeyleri etrafında negatif yüzey yükü, hidrojen bağı vedeğişebilen katyonlar ile tutulur. Kil dane yüzeyinde elektriksel kuvvetler ile tutulanbu suya adsorbe su denir. Kil dane yüzeyine yaklaştıkça adsorbe suyun viskozitesive birim hacim ağırlığı artar. Adsorbe suyun kil danesi yüzeyindeki tutulma basıncı2.5 GPa ve birim hacim ağırlığı 17 kN/m3 dür.

Kil mineral daneleri arasında çekme ve itme kuvvetleri mevcuttur. İtme, daha çok kildane yüzeyindeki ve adsorbe su bölgesindeki benzer yüklerden; çekme ise daha çokVan der Waals kuvvetleri ile oluşur.

Kil danelerinin çökelerek birikmesi sırasında net itme baskın ise, yüz yüze daneoryantasyonu (Dispers Yapı, Şekil 13a); net çekme baskın ise kenar-yüzey veyakenar-kenar oryantasyonu (Flok Yapı, Şekil 13b) oluşur.

(a) Dispers yapı (b) Flok yapı

Şekil 13. Kohezyonlu zeminlerde flok ve dispers yapı

Kaolin: (a) atomik yapı (b) sembolik yapı

(a)(b)

Montmorillonite: (a) atomik yapı (b) sembolik yapı

15

(a) (b)

Şekil 14. Kaolin ve montmorillonit mineralleri sembolik yapıları(a) Kaolin (b) Montmorillonit

İzomorf yer değiştirme veya hidroksil çözülmesi nedeniyle kil mineral daneleriyüzeyinde rezidüel negatif yük mevcuttur. Su içerisindeki katyonlar dane yüzeyleritarafından çekilir. Ancak bunlar çok kuvvetli bağlar ile tutulmazlar. Suyun doğasıdeğiştiğinde başka katyonlar ile değişme olabilir. Buna katyon değişimi denir (bkzŞekil 14).

Killerin özgül yüzeyi (1 gr kuru zemindeki danelerin yüzey alanlarının cm2

biriminde toplamı) büyüktür. Kaolin ve montmorillonitin özgül yüzeyleri sırasıyla106 cm2/gr ve 107 cm2/gr mertebesindedir. Bu değer kumlarda yaklaşık 102 cm2/grolmaktadır. Killerin özgül yüzeylerinin büyük olması nedeniyle, dane yüzeylerindekikuvvetler davranışını etkiler.

Hidrojen bağı(Göreli olarak kuvvetli)

İzomorf yerdeğiştirme:Silika yaprağında Si yerine Al,

Alumina yaprağında Al yerine Mgve Fe

Su ve değişebilen katyon bağı(göreceli olarak zayıf)

+

+

- + - + - +

+ - + - +

- +

- +

Su molekülü

Katyon

Adsorbe su

Kil danesi

Negatif yüzey

yükü

Kil danesi yüzeyinde su tutuluş mekanizması

+ +

+

Kil tabakalarında tatlı su (göl) ortamında çökelme sonucunda dispers yapı, tuzlu su (deniz) ortamında çökelme sonucunda ise flok yapı oluşumu beklenir.

Göreli olarak dispers yapı kayma dayanımı flok yapıya göre daha az, sıkışma potansiyeli ise daha fazladır. Flok yapının permeabilitesi nispeten izotrop, dispers yapının permeabilitesi ise anizotroptur. Dispers yapıda yatay yöndeki geçirgenlik düşey yöndekine göre daha fazladır.

Yukarıda açıklanan dane dizilişleri fazlaca idealize edilmiş şekillerdir. Gerçek kil tabakalarında tam dispers ve tam flok yapılardan daha karışık, bunların kombinasyonlarını ve iri daneleri de içeren dane dizilişleri olur.

16

Uygulama #1 (Özgül Yüzey)

Özgül yüzey bir küpün yüzey alanının hacmine oranı olarak tanımlanırsa;

1cm x 1cm x 1cm boyutlarında bir küpün özgül yüzeyi 6x(1 cm2)/1 cm3=6/cm=0.6/mm

1mm x 1mm x 1mm boyutlarında bir küpün özgül yüzeyi 6x(1 mm2)/1 mm3=6/mm

1mm x 1mm x 1mm boyutlarında bir küpün özgül yüzeyi 6x(1 mm2)/1 mm3=6/mm=6000/mm

Dane boyutu küçüldükçe özgül yüzey artar. Bir kil danesinin yüzeylerini ıslatmak için bir çakıl danesine nazaran yaklaşık 6000 kat daha fazla suya ihtiyaç vardır. Aynı kütlede bir kil örneğinin özgül yüzeyi daha yüksektir. Bu nedenle aynı boşluk oranına sahip bir kilin su içeriğinin kum ve çakıla nazaran daha yüksek olması beklenir.

Zemin mekaniğinde dane boyutları esas alınarak özgül yüzey hesabı yapılmaz. Zira danelerin yüzeyleri çok nadiren düzgün geometrik şekillerde olur ve ölçümü kolay bir işlem değildir. Çevresel geoteknoloji sahasında ise özgül yüzeyin bilinmesi gerekebilir. Bunun için yaklaşık ölçüm teknikleri (ethylene glycol monoethyl ether (EGME) emilimi, kızıl ötesi yansıma spektroskopisi) geliştirilmiştir.

katı

su

hava

Vs

Vw

Va

Vv

VT

hacim

Ws

Ww

Wa0

ağırlık boşluk oranı : e=Vv / Vs

porozite : n=Vv / VT

dane hacmi : Vs

su hacmi : Vw

hava hacmi : Va

boşluk hacmi : Vv

toplam hacim : VT

toplam ağırlık : WT

su ağırlığı : Ww

dane ağırlığı : Ws

kuru ağırlık : Ws=Wk

birim hacim ağ. : g=WT / VT

dane b.h.a. : gs=Ws / Vs

kuru b.h.a. : gk=Ws / VT

doygunluk oranı: S=Vw / Vv

su içeriği : w=Ww / Ws

WT

Zeminde Temel Faz İlişkileri

Boşluk hacmi değiştiğinde zeminde kalıcı şekil değiştirme meydana gelir! Şekil değiştirmelerin başlıca kaynağı zeminde gerilme durumunun değişmesidir.

17

1.4. Zemin Bileşenleri ve Ağırlık, Hacim İlişkileri

Genel olarak zemin; katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç fazlı yapıdadır. Zemin daneleri (mineral daneleri) katı fazını oluşturur. Daneler arasında boşluklar mevcuttur. Boşluklarda su (sıvı fazı) ve hava (gaz fazı) bulunur. Toplam ağırlığı W ve toplam hacmi V olan bir zemin prizmasının doğal görüntüsü ile bileşenleri (fazları) birbirlerinden ayrılmış görüntüsü Şekil 15a ve Şekil 15b’de gösterilmiştir.

Şekil 15. Zemin prizması (a)Doğal yapı (b) bileşenlerine ayrılmış

Bileşenleri (fazları) ayrılmış zemin prizmasının sol tarafında ağırlık, sağ tarafında ise hacim notasyonları gösterilmiştir. Buna göre, Ww = su ağırlığı, Ws = danelerin ağırlığı, Va = hava hacmi, Vw = su hacmi, Vs = danelerin hacmidir. Ayrıca,

W = Ww + WsV = Vv + Vs, Vv = Va + Vw, V = Va + Vw + Vs

ifadelerinin mevcudiyeti verilen şekil üzerinde kolayca görülmektedir.

Zeminin doğal durumunu tanımlamakta ve zemin mekaniği problemlerinin çözümümde yararlanmak üzere temel hacim ve ağırlık tanımlamaları yapılmış, bunlar arasında bazı ilişkiler (faz ilişkileri) oluşturulmuştur.

W Ww

Ws

Wa 0

V

Vv

Vw

Va

Vs

(a) (b)

Hava

Su

Dane

Boşluk oranı

• Doğal boşluk oranı, e0, zemin davranışı

üzerinde belirleyici parametrelerden

biridir. Zemindeki boşluk hacminin

katıların hacmine oranı olarak

tanımlanır. Bilhassa iri daneli

zeminlerde diğer unsurlar sabit

tutulduğunda (dane şekli ve dağılımı,

yüzey pürüzlülüğü, dane yerleşimi)

boşluk oranı yükseldikçe zeminin kayma

mukavemeti düşer, sıkışma potansiyeli

artar.

• e0 tf st

tf: Kayma mukavemeti

st: Toplam sıkışma

Su içeriği• Su içeriği, w, ince daneli zeminlerin kayma

mukavemeti üzerinde doğrudan belirleyicidir.

Kohezyonlu zeminlerin su içeriği arttıkça

kayma mukavemeti azalır, sıkışma potansiyeli

artar. Su içeriği zemin boşluklarındaki su

ağırlığının kuru ağırlığa oranı olarak

tanımlanır. Su içeriği belirli bir değere

ulaştıktan sonra zemin likit kıvama geçer ve

viskoz sıvı davranışı arz eder (wnwLL). Zemin

su içeriği plastik limitin altına düştüğünde

(wnwPL) yarı katı kıvam söz konusudur. Rötre

limiti ise (wSL) zeminin katı kıvam arz ettiği su

içeriğidir. Zemin su içeriği likit ve plastik kıvam

arasında bulunduğunda (wPL<wn<wLL) plastik

davranış görülür.

Hacim ile ilgili porozite, boşluk oranı ve doygunluk derecesi tanımlamaları vardır. Su içeriği, birim hacim ağırlık (b.h.a.) ve özgül ağırlık tanımlamaları ise ağırlık ile ilgili temel tanımlamalardır. Hacimsel ve ağırlıksal temel tanımlamalar sıra ile aşağıda verilmektedir:

Hacime göre tanımlamalar:Porozite, n (%) = (Vv / V) 100 0 < n < %100Boşluk oranı e = Vv / Vs e > 0Doygunluk derecesi, S (%) = (Vw / Vv) 100 0 S %1000 < S < 1 Kısmi doygun , S = 0 Kuru, S = 1 Doygun

Ağırlığa göre tanımlamalar:Su içeriği w = Ww / WsDoğal b.h.a. g = W / V ( = toplam b.h.a.)Kuru b.h.a. gd = Ws / VDoygun b.h.a. gdoy= Wdoy / VEfektif b.h.a. g = gdoy - gw ( = su altındaki b.h.a.)Dane b.h.a. gs = Ws / VsDane özgül ağırlığı, Gs = gs / gw,+4C

(bundan sonra Gs, sadece G olarak yazılacaktır.)

Temel tanımlamalar arasındaki faz ilişkileri, V = 1 durumu için poroziteye göre çizilmiş zemin prizması (Şekil 16) veya Vs = 1 durumu için boşluk oranına göre çizilmiş zemin prizması (Şekil 17) esas alınarak gösterildiği şekilde oluşturulur:

18

Davranış:

Su içeriği, w:

Likidite indeksi, IL: IL<0 IL=0 0<IL<1 IL=1 IL>1

w<wPL

gerilme-şekil değiştirme davranışı

wwLL

wwPL

w>wLL

wSL wPL wLLw (%)

KatıYarı katı Plastik kıvam Likit kıvam

𝐼 =𝑤 − 𝑤

𝐼

Plastisite indeksi, IP=wLL – wPL (zeminin plastik davranış gösterdiği su içeriği aralığı)

nSgw = w(1-n) gs

(1-n) gs

Wa 0

V = 1

n

nS

n(1-S)

1 - n

Hava

Su

Dane

V = 1 özel durumu mevcut iken aşağıdaki ağırlık ve hacim ilişkileri yazılabilmektedir.

n = Vv/V = Vv/1 Vv = n

Vs = V-Vv = 1 - n

S = Vw/Vv = Vw/n Vw = nS

Va = Vv – Vw = n – nS = n(1-S)

Ws = Vsgs = (1-n)gs

Şekil 16. Poroziteye göre çizilmiş zemin prizması

Şekil 16’da verilen ve poroziteye göre çizilmiş zemin prizmasındaki ağırlık ve hacimtanımlamaları kullanılarak aşağıdaki faz ilişkileri yazılabilmektedir:

e = Vv / Vs e = n / (1-n)g= W / V g = (1-n)gs + nSgw

S = 0 için gd = (1-n)gs

S = 1 için gdoy = (1-n)gs + ngw

g = (1-n)gs + w(1-n)gs = (1-n)gs(1+w) = gd(1+w) gd = g / (1+w)

g = gdoy - gw = (1-n)gs + ngw - gw

g = (1-n)(gs- gw)

19

Doygunluk oranı• Doygunluk oranı, S, zemin boşluklarında mevcut

su hacminin boşluk hacmine oranı şeklinde

tanımlanır. Doygunluk derecesi 0<S<1 olduğunda

ince daneli zeminlerin boşluklarında suyun

yanısıra hava (veya gaz) bulunur. Zeminin kayma

mukavemeti genelde yüksektir. S<1 durumunda

yüksek plastik killere (CH) su girişi olduğunda

şişme davranışı görülebilir.

• Statik yükler altında doygunluk oranının iri

daneli zemin davranışı üzerinde fazla etkisi

yoktur. Dinamik yükleme koşullarında ince ve

orta irilikteki kumlar, siltli kumlar ve non-plastik

siltlerin kayma mukavemeti ve sıvılaşma direnci

üzerinde doygunluk oranı çok tesirlidir.

• Doygunluk oranı, S, değerindeki küçük düşüşler sıvılaşma direncinde 2 kata kadar ulaşan artışlara neden olur:

• Aynı boşluk oranına sahip iki eşdeğer kil örneği kıyaslandığında doygunluk derecesi düşük olanı daha yüksek kayma mukavemeti gösterir (yükleme hızı sabit olmak koşuluyla).

Başlangıç boşluk oranı, S (%)

Tekr

arlı

yükl

er a

ltın

da

kaym

a di

renc

i ora

nı, C

RR

Suya doygun olmayan zemin deneyleri

Kısmen suya doygun zemin deneyleri

S=1 zemin deneyleri

Urayasu kumu

Siltli kumlarda doygunluk oranının sıvılaşma direnci üzerinde etkisi(Tsukamoto, v.d., Soils and Foundations, V.54, No.6, 2014, pp. 1094-1103)

Boşluk oranına göre çizilmiş zemin prizması ve ilgili faz ilişkileri:

Vs = 1 durumu için boşluk oranına göre çizilmiş zemin prizması Şekil 17’de verilmiştir:

Şekil 17. Boşluk oranına göre çizilmiş zemin prizması

Boşluk oranına göre çizilmiş zemin prizmasındaki tanımlamalar kullanılarak elde edilen faz ilişkileri aşağıda sıralanmaktadır.

n = Vv / V n = e / (1+e)g = W / V g = (gs + Segw) / (1+e)

= gw(gs/gw + Se)/(1+e)g = (G+Se) gw /(1+e) S = 1 için gdoy = (G+e) gw /(1+e) S = 0 için gd = Ggw /(1+e)g = (gs + wgs) / (1+e) = gs (1+w)/(1+e)

20

Segw = wgs

gs

Wa 0

1+e

e

Se

e(1-S)

Vs =1

Hava

Su

Dane

Vs = 1 özel durumu mevcut iken aşağıdaki ağırlık ve hacim ilişkileri yazılabilmektedir.

e = Vv/Vs = Vv/1 Vv = e

V = Vs+Vv = 1+e

S = Vw/Vv = Vw/e Vw = Se

Va = Vv – Vw = e – Se = e(1-S)

Ws = Vsgs = 1gs

Uygulama #2. Bir zemin örneğinin özgül ağırlığı 2.68, doğal durumundaki ağırlık ve hacim değerleri sırasıyla 2300 g ve 1150 cm3; etüvde tamamen kurutulduktan sonraki ağırlığı 2050 g olarak belirlenmiştir. Bu zemin örneğinin: a) Doğal b.h.a., b) Su içeriği, c) Boşluk oranı, d) Porozite ve e) Doygunluk derecesi değerlerini hesaplayınız.

• a) g = W / V = 2300 / 1150 = 2.0 g/cm3

• b) Ww = 2300 – 2050 = 250 g

w = Ww / Ws = 250 / 2050 = 0.12

• c) Vs = Ws / gs = 2050 / 2.68 = 764.9 cm3

• Vv = V – Vs = 1150 – 764.9 = 385.1 cm3

• e = Vv / Vs = 385.1 / 764.9 = 0.50

• d) n = Vv / V = 385.1 / 1150.0 = 0.335 n (%) = 33.5

• e) Vw = Ww / gw = 250.0 / 1.0 = 250.0 cm3

S = Vw / Vv = 250.0 / 385.1 = 0.65 S = % 65 < %100, kısmen suya doygun!

gd = Ws / V gd = gs / (1+e)g = gdoy - gw = (G+e) gw /(1+e) - gw g = (G-1) gw / (1+e)

Se = w Se = wgs / gw Se = wG

Poroziteye göre ve boşluk oranına göre çizilmiş zemin prizmalarından elde edilen faz ilişkileri aşağıda özetlenmiştir:

Porozite-boşluk oranı ilişkileri:e = n / (1-n)n = e / (1+e)

Doğal (toplam) birim hacim ağırlık ilişkileri:g = (1-n)gs + nSgwg = (1-n)gs(1+w)g = (G+Se) gw /(1+e)g = gs (1+w)/(1+e)

Kuru birim hacim ağırlık ilişkileri:gd = (1-n)gsgd = g / (1+w)gd = gs / (1+e)gd = Ggw /(1+e)

21

Uygulama #3. Silindirik bir zemin örneğinin çapı 38 mm, uzunluğu 76 mm ve ağırlığı 165.0 g dır. Bu zemin örneği etüvde kurutulduktan sonra 135.0 g olarak tartılmıştır. Özgül ağırlığı 2.70 olan bu zemin örneğinin doygunluk derecesi değerini hesaplayınız.

V = ( 3.82 / 4) 7.6 = 86.2 cm3

Ww = 165.0 – 135.0 = 30.0 gr ( = Vw)Vs = 135.0 / 2.70 = 50.0 cm3

Vv = 86.2 – 50.0 = 36.2 cm3

S = 30.0 / 36.2 = 0.83 S = % 83 < %100, kısmen doygun!

Uygulama #4. Bir zemin örneğinin doğal birim hacim ağırlığı 1.90 g/cm3, su içeriği 0.10 ve özgül ağırlığı 2.70 dir. a)Zemin örneğinin boşluk oranı ve doygunluk derecesi değerlerini hesaplayınız. b) Bu zemin örneğinin boşluk oranıdeğişmeden doygun hale gelmesi durumunda, birim hacim ağırlık ve su içeriği değerlerini belirleyiniz.

a) g = (1+w) G gw / (1+e) e = [(1+w) G gw / g] – 1 = [(1+0.10) 2.70 1.0 / 1.90] – 1 = 0.56S e = G w S = G w / e = 2.70 0.10 / 0.56 = 0.48 S = % 48 < %100, kısmen suya doygun!

b) g = (G + S e) gw / (1 + e) = (2.70 + 1.0 0.56) 1.0 / (1 + 0.56) = 2.09 g/cm3

w = S e / G = 1.0 0.56 / 2.70 = 0.21

Doygun birim hacim ağırlık ilişkileri:gdoy = (1-n)gs + ngwgdoy = (G+e) gw /(1+e)

Efektif birim hacim ağırlık ilişkileri:g = (1-n)(gs- gw) g = (G-1) gw / (1+e)

Doyguluk derecesi, boşluk oranı, su içeriği ve özgül ağırlık ilişkisi:Se = wG

Uygulama #5. Boşluk oranı 0.65 ve özgül ağırlığı 2.72 olan bir zemin örneğinin: a) Kuru b.h.a, doygun b.h.a ve efektif b.h.a değerlerini hesaplayınız; b) Doygunluk derecesinin %70 olması durumunda birim hacim ağırlık ve su içeriği değerlerini bulunuz.

gd = G gw / (1+e) = 2.72 1.0 / (1 + 0.65) = 1.65 g/cm3

gdoygun = (G+e) gw / (1+e) = (2.72 + 0.65) 1.0 / (1 + 0.65) = 2.04 g/cm3

g = gdoygun – gw = 2.04 – 1.0 = 1.04 g/cm3

g = (G+S e) gw / (1+e) = (2.72 + 0.70 0.65) 1.0 / (1 + 0.65) = 1.92 g/cm3

w = S e / G = 0.70 0.65 / 2.72 = 0.17

22

Dane Çapı Dağılımı

• Zemin tabakaları nadiren tek bir türden oluşur. İri veya ince daneli olarak tanımlanan bir zeminin içinde pekala farklı boyutta daneler bulunabilir (örneğin siltli kum veya killi çakıl ya da kumlu çakıllı kil, vb). Zeminin mühendislik davranışı üzerinde dane çapı dağılımının bilinmesi önem arz eder. Bu husus bilhassa iri daneli zeminler için daha ön planda olsa da kimi zaman ince danelerin kendi içindeki dane dağılımının da belirlenmesi arzu edilir.

• Dane dağılımının belirlenmesi amacıyla başlıca iki prosedür vardır: (a) Elek analizi (b) Hidrometre analizi. Elek analizi zeminin belirli göz açıklıklarına sahip eleklerden geçirilerek mekanik olarak ayrıştırılması, hidrometre analizi ise ince danelerin suyun içinde çökeltilmesi ve belirli kabuller altında eşdeğer dane boyutlarının hesaplanmasından ibarettir.

1.5 Dane Çapı Dağılımı

Sınıflandırma ve mühendislik kullanımı amaçlarına yönelik olarak zemin örneklerinin daneçapı dağılımları belirlenmektedir. Dane çapı dağılımı, zemin örneklerinin belirli dane çapıaralıklarındaki oransal miktarlarının dağılımıdır. Belirli dane çapı aralıkların-daki oransalmiktarlar laboratuarda elek analizi ve hidrometre analizi deney yöntemleri uygulanarakelde edilir.

1.5.1. Elek Analizi

Elekler: Zemin mekaniği labotatuarında kullanılan elekler: 3½, 3, 2, 1, 3/4, 1/2, 3/8, 1/4, No. 4 (4.75 mm), No. 10 (2.0 mm), No. 40 (0.425 mm) ve No. 200 (0.076 mm) sıralaması ile özetlenebilir (ihtiyaca göre farklı elekler sete dâhil edilebilir). Numaralı elek adları, 1 uzunluğun bölündüğü parça adetini de göstermektedir. Bu eleklerde net açıklık elek teli kalınlığının çıkartılması ile tanımlanır. Örneğin 1/4 eleğin net açıklığı 25.4/4 = 6.35 mm iken, No. 4 eleğin net açıklığı 4.75 mm olmaktadır.

Eleme: Zemin örneği etüvde kurutularak tartılır. Topakları lastik tokmak ile parçalanır. Su içerisinde bekletilir. Gerektiğinde suya ayrıştırıcı konur. No. 10 eleğin koruması altında No. 200 elekten yıkanarak geçirilir. No. 200 üzerinde kalanlar etüvde kurutulur. Uygun bir elek dizisi oluşturulup, elenir. Malzemenin tamamının seçilen en üst elekten geçmesi zorunludur. Eleklerde kalan miktarlar tartılarak belirlenir.

Hesaplama: Eleklerde kalan miktarlardan yararlanılarak eklenik kalan, % kalan ve % geçen değerleri belirlenir. Örneğin 500 gr kuru zemin örneğinin 1, No. 4, No.10, No. 40 ve No. 200 elek dizisinden elenmesi sonucu eleklerde kalan miktarlar Çizelge 1.5.1’de verilmiştir. Aynı çizelgede eklenik kalan, % kalan ve % geçen değerleri hesaplanıp gösterilmiştir.

23

Elek Açıklık (mm)

Kalan (gr)

Kalan (gr)

% Kalan

% Geçen

1 25.4 - - - 100No. 4 4.75 150 150 30 70

No. 10 2.0 150 300 60 40No. 40 0.425 100 400 80 20

No. 200

0.076 50 450 90 10

Elek altı

- 50 500 100 -

Çizelge 1.5.1. Elek Analizi Hesap Örneği

Dane çapı dağılım grafiği: Elek analizi deney bulguları daneçapı dağılım grafiği çizilerek değerlendirilir. Dane çapı dağılımgrafiğinde yatay eksende dane çapı (logaritmik) düşeyeksende % geçen değerleri işaretlenir. Yukarıda verilençizelgedeki elek analizi bulguları için dane çapı dağılım grafiğiyandaki şekilde çizilmiştir:

Şekil 18. Dane çapı dağılımı grafiği

1.5.2. Hidrometre Analizi

Silt ve kil boyutlarındaki danelerin tamamı zemin mekaniği laboratuarındaki en küçükaçıklıklı elek olan No.200 (0.076 mm) elekten geçtiği için bunların dane çapı dağılımı elekanalizi ile belirlenemez. Silt ve kilin dane çapı dağılımı, bunların su ile karıştırılması ile eldeedilen süspansiyonun çökelmeye bırakılması ve süspansiyon özgül ağırlığının zamanlaazalmasının gözlenmesi esasına dayanan hidrometre analizi (çökeltme analizi) yoluyla eldeedilir.

Çökelme hızı ve dane çapı ilişkisi:Süspansiyonu oluşturan danelerin çökelme hızı v ile dane çapı D arasında Stokes tarafındanbelirlenen aşağıdaki ilişki mevcuttur.

(Denklem 1.5.1)

Burada, gs = dane birim hacim ağırlığı, gw = suyun birim hacim ağırlığı ve m = dinamik viskozitedir.

Süspansiyon özelikleri ve çökelmede %geçen kavramı:Su ve kuru zemin karıştırılarak elde edilen süspansiyonun toplam ağırlığı Wsüsp., toplamhacmi Vsüsp., zemin dane birim hacim ağırlığı gs, özgül ağırlığı G ve kuru ağırlığı Ws, suyunbirim hacim ağırlığı gw ve ağırlığı Ww olsun. Süspansiyonun birim hacim ağırlığı içingenelden özele doğru aşağıdakiler yazılabilir:

burada, Ww / Vsüsp. için

24

Hidrometre ile özgül ağırlık ölçümü

Hidrometre, sap kısmı ölçeklendirilmiş bir cam balon olup; daldırıldığı homojen bir sıvı içerisinde yüzerken sıvı yüzeyi seviyesinde sapından okunan değer, sıvının özgül ağırlığı olmaktadır.

Şekil 19. Hidrometre ve süspansiyon özgül ağırlığı

Sürekli çökelme nedeniyle, zemin su süspansiyonununözgül ağırlığı zaman içerisinde azaldığından vederinlik ile değişim gösterdiğinden; süspansiyoniçerisinde yüzerken herhangi bir anda hidrometreninsap kısmında okunan değer, hidrometre balonununhacimsel ağırlık merkezi seviyesindeki süspansiyonözgül ağırlık değeridir (Şekil 19).

Menisküs düzeltmesi

Cam ile su arasındaki çekim (adhezyon) sonucu hidrometre sapında bir miktar yükselerek menisküs oluşturan su (Şekil 20), gerçek hidrometre okumasının gözlenmesini engeller. Süspansiyon özgül ağırlığını elde etmek için gözlenen değer üzerinde menisküs düzeltmesi yapılır.

Şekil 20. Menisküs düzeltmesi

yazılabildiğinden, yukarıda yerine konarak

elde edilir. Bu ifade aşağıdaki gibi düzenlenerek,

elde edilir. Sürekli çökelme nedeniyle süspansiyonda askıda kalan katı madde miktarızamanla azalmaktadır. Herhangi bir t zamanında askıdaki katı madde %’si Nt olaraktanımlanırsa, bu zamandaki katı madde miktarı Ws Nt olur. Süspansiyonun birim hacimağırlığı da zamanla azalır ve t zamanındaki parametrik değeri gsüsp.,t olarak ifade edilirse,yukarıdaki son eşitlik

şeklinde yazılır. Burada süspansiyon hacmi Vsüsp.’nin zamanla değişmediği kabul edilmiştir.Son ifadede Nt, herhangi bir t zamanında askıda kalan katı madde %’si olarak aynızamandaki %geçen değerini de temsil etmektedir. Yukarıdaki ifadeden Nt çekilip, aşağıdagösterilen düzenlemeler yapılarak,

(Denklem 1.5.2)

elde edilir. Bu ifadedeki Gsüsp.,t = Süspansiyonun herhangi bir t zamandaki özgül ağırlığı ve Gw= Suyun özgül ağırlığı olup, hidrometre ile ölçülebilmektedir.

25

Hidrometre okumaları, çökelme mesafesi ve daldırma düzeltmesi

Hidrometre okumaları t = 15 sn, 30 sn, 1 dk, 2 dk, 4 dk, 8 dk, 15 dk, 30 dk, 1 sa, 2 sa, 4 sa, 8 sa, 24 sa ve devamızaman dilimlerinde çökelme tamamlanıncaya kadar alınır.

İlk iki dakika içerisinde hidrometre süspansiyon içerisinde bırakılır. Daha sonra, çökelmeyi engellememesi için çıkartılıp, arı su dolu mezüre konur. İki dakikadan sonraki okumaların tümünde okuma almadan 15 saniye kadar önce hidrometre süspansiyonlu mezüre yavaşça daldırılır, okuma alınır ve vakit geçirilmeden tekrar yavaşça çıkartılarak sulu mezüre bırakılır.

Denk. 1.5.1’deki çökelme hızı, süspansiyon yüzeyinden hidrometre ağırlık merkezine kadar olan L mesafesinin (Şekil 21), başlangıçtan itibaren ölçüm anına kadar geçen t süresine bölünmesi ile bulunur:

İlk iki dakikadan sonraki daldırmalarda hidrometre, süspansiyon seviyesini yükseltir (bkz. not kısmında Şekil 21). Çökelme hızı hesabına esas L mesafesi yerine L mesafesi oluşur. Hesaplamalarda kullanılacak L mesafesi daldırma düzeltmesi yapılarak aşağıdaki bağıntıdan elde edilir:

(Denklem 1.5.3)

Şekil 21. Hidrometre daldırma düzeltmesi

1.5.3. Kombine Dane Dağılımı Analizi

Bir zemin örneğinde No.200 elek üzerinde kalan kısım için elek analizi, geçen kısım için ise hidrometre analizi uygulanması durumu “kombine analiz” olarak nitelendirilmektedir. No.200 elekten geçen kısım yüzdesi –No.200 olarak belirtildiğinde, Denk. 1.5.2’deki Ntdeğerleri aşağıdaki bağıntıda verildiği gibi oransal olarak küçültülür:

Nt = Nt (-No.200)

1.5.4. Karakteristik dane çapları, granülometrik katsayılar ve tipik dane çapı dağılım eğrileri

Zemin sınıflandırması veya zemin özeliklerinin belirlenmesine yönelik olarak dane çapı dağılım eğrilerinin sayısal olarak ifade edilmesi için, karakteristik dane çapları ve granülometrik katsayılar tanımlanmıştır. Karakteristik dane çapları D10, D30, D60 ; granülometrik katsayılar ise Cu ve Cc’dir.

26

Şekil 22. Tipik dane çapı dağılım eğrileri

yüzd

e ge

çen

(%)

dane çapı (mm)

𝐶 =𝐷

𝐷=

0.27

0.15= 1.8

𝐶 =𝐷

𝐷 𝐷=

(0.17)

0.15 0.27= 0.71

Dane çapı dağılım grafikleri yarı logaritmik eksen takımlarında çizilirler:

Üniform danelerden oluşan zemin.

Örneğin, karakteristik dane çaplarından D10 = zemin malzemesinin %10’unun geçtiği çap olmaktadır. D10 aynı zamanda “efektif dane çapı” olarak da bilinmektedir.

Granülometrik katsayılardan Cu = üniformluk katsayısı ve Cc = derecelenme (eğrilik) katsayısı olup, aşağıda verilen bağıntılar ile belirlenirler:

(Denklem 1.5.3a)

(Denklem 1.5.3b)

Üniformluk katsayısı Cu , dane çapı dağılımı eğrisinin yatıklığının bir ölçüsüdür. Derecelenmekatsayısı Cc ise, dane çapı dağılımı eğrisinin eğriselliğinin bir göstergesi olmaktadır.

Genel olarak Cu2 olduğunda zemin uniform çaplı danelerden oluşur. 1 Cc3 olduğundakumlarda Cu >6 ve çakıllarda Cu >4 koşulu sağlanıyorsa zemin iyi derecelenmiş denilir.Granülometri kriterlerinden herhangi biri sağlanmıyorsa zemin eksik derecelenmiştir denir.Üniform, iyi derecelenmiş ve eksik derecelenmiş zemin dane çapı dağılımları yukarıda (slaytüzerinde) verilen Şekil 22’de gösterilmiştir.

27

S = %100S < %100

Su içeriği, w

Hacim, V

Vmin

Katıkıvam

Yarı katıkıvam

Plastikkıvam

Likitkıvam

wS

Rötre limiti

wP

Plastik limit

wL

Likit limit

Şekil 23. Kıvam durumları, kıvam limitleri ve su içeriği-hacim ilişkileri

Casagrande tekniği ile likit limit deneyinin yapım aşamaları

Düşen koni tekniği ile likit limit deneyi

el ayasında açılan zemin

deneye hazırlanmış zemin örnekleri

Plastik limit deneyi

1.6. Kıvam

Kıvam, ince daneli zeminlerin (plastik zeminler: kil ve plastik silt) mevcut su içeriğindekigenel davranışını belirtmek için kullanılan bir kavramdır. Kıvamın ölçüsü su içeriğidir.

Kil daneleri arasındaki karşılıklı etkileşim, kıvamı belirleyici unsurdur. Su içeriğininazalması, adsorbe su kalınlığını azaltır, daneler arası net çekim kuvveti artar, zeminin kıvamıkatı duruma doğru değişir.

İnce daneli zeminler su içeriği değerine bağlı olarak dört ayrı kıvam durumundan birinde bulunabilirler. Bunlar; katı, yarı katı, plastik ve likit kıvam durumlarıdır. Kıvam durumları, sınır su içerikleri olan kıvam limitleri ile ayrılırlar.

Kıvam durumları ile kıvam limitleri Şekil 23’de (slayt üzerinde) gösterilmiştir. Ayni şekilüzerinde, likit kıvamda iken yavaş yavaş su içeriği azalan bir killi zeminin hacminin suiçeriğine bağlı değişimi de gösterilmiştir. Su içeriği azalırken hacim de azalmaktadır. Rötrelimitine kadar suya tam doygunluk (S = %100) durumu vardır. Rötre limitinde minimumhacme ulaşılır. Rötre limitinin altındaki su içeriklerinde hacim sabit kalır ve zeminboşluklarında hava da bulunur. Yani, kısmi doygunluk (S < %100) söz konusudur.

Plastiklik (veya plastisite) ince daneli zeminlerin sabit hacimde, çatlamadan ve ufalanmadankalıcı şekil değişimi gösterebilme özeliğidir. Zeminin plastik davranış gösterdiği plastikkıvam durumunu üstten ve alttan sınırlayan su içerikleri sırasıyla likit limit (wL) ve plastiklimit (wP) dir.

Plastik davranışın görüldüğü su içeriği aralığı ise plastisite indeksi (IP)

IP = wL - wP

olarak tanımlanır.

Yarı katı ve katı kıvam durumları arasındaki sınır su içeriği rötre limiti (wS) dir. Likit limit,plastik limit ve rötre limiti, kıvam limitleri (Atterberg Limitleri) olarak anılır.

28

Rötre kabı

Yaş zemin Kuru zemin

Rötreden önce Rötreden sonra

Cam plaka

Cam kap

Civa taşırma kabı

Kuru zemin

Kuru zeminin taşırdığı civa

Çatlatılmasına fırsat verilmeden kurutulmuş zemin örneğinin hacminin bulunması

Rötre limiti deneyi

Likidite indeksine göre kohezyonlu zeminlerin kıvamı

0.0 0.25 0.50 0.75 1.0IL

Bu noktada zemin plastik limittedir (wPL).

Bu noktada zemin likit limittedir (wLL).

Katı Orta katı Yumuşak Çok yumuşak

zem

in h

acm

i

su içeriği (%)rötre limiti plastik limit likit limit

𝑤 =𝑊 − 𝑊

𝑊100 −

𝑉 − 𝑉

𝑊𝛾 100

W1: yaş zemin ağırlığıW2: kuru zemin ağırlığıVi: başlangıç hacmiVf: kuru zemin hacmi

Rötre limiti

Kıvam limitlerinin değeri ve plastiklik, kil miktarı ve kil minerali türüne bağlıdır. Belirli birkil mineralinden oluşan kil içeriği C (%) artınca plastisite indeksi IP değeri büyür. IP/C oranıaktivite (A) olarak tanımlanır:

A =

Kil zeminler için aktiviteye göre sınıflandırma yapılabilir. Bir zemin, A<0.75 ise aktifolmayan, 0.75<A<1.25 ise normal aktiviteli ve A> 1.25 ise aktif olarak nitelenir. Kaolin veMontmorillonit kil minerallerinin aktiviteleri sırasıyla 0.38 ve 7.2 dir.

Killi zeminlerin doğal su içeriklerinin likit ve plastik limitlere göre durumu likidite indeksi ILile belirlenebilir:

Killi zeminler doğada genellikle plastik kıvam durumunda bulunurlar. Plastik kıvam durumuüst sınır değeri olan likit limit için likidite indeksi değeri IL=1, alt sınır değer olan plastiklimit için ise IL=0 olur. Plastik kıvam, dört alt kıvam durumuna ayrılmıştır. Bunlar, 0<IL<0.25için katı plastik, 0.25<IL<0.50 için orta plastik, 0.50<IL<0.75 için yumuşak ve 0.75<IL<1 içinise çok yumuşaktır. Likit kıvamda IL>1 ve yarı katı kıvamda IL<0 olur. Killi zeminlerin doğaldurumu, likidite indeksi değeri ve kıvam durumu grup adı belirlenerek ifade edilir.

29

Rölatif Sıkılık

• İri daneli zeminlerin yoğunluğu rölatif sıkılık ile karakterize edilir. Rölatif sıkılık boşluk oranları üzerinden tanımlanır. Zeminin mevcut boşluk oranının maksimum ve minimum boşluk oranlarına nazaran konumunu veren rölatif sıkılık iri daneli zeminlerin yük altındaki olası davranışı (kayma mukavemeti, sıkışma ve sıvılaşma) hakkında önemli bilgi verse de daha önce değinildiği üzere tek başına yeterli bir parametre değildir. Aynı boşluk oranına sahip eşdeğer iki zemin danelerin yerleşimine bağlı olarak farklı davranış arz edebilir (bkz Slayt No.10).

𝐷 (%) =𝑒 − 𝑒

𝑒 − 𝑒100

• emaks : zeminin en gevşek durumundaki boşluk oranı• emin : zeminin en sıkı durumundaki boşluk oranı• e : zeminin arazideki boşluk oranı

Rölatif sıkılık (%) Tanım

015 Çok gevşek

1535 Gevşek

3565 Orta sıkı

6585 Sıkı

85100 Çok sıkı

Bir zeminin maksimum ve minimum boşluk oranları indeks parametreleridir. Bir başka deyişle belirli deney teknikleri ile laboratuvar ortamında elde edilirler. Kil zemin davranışı çok kompleks olduğu için bu parametrelerin elde edilmesi mümkün değildir. İri daneli zeminler içinse ancak yaklaşık bir değer elde edilebilir. Bu konuda en büyük zorluk sahadaki boşluk oranının belirlenmesidir. Zira kohezyonsuz zeminlerden örselenmemiş örnek alınması çok zordur ve sıklıkla arazi deneylerine dayanan korelatif ilişkilerden yararlanılır.

1.7. Rölatif Sıkılık

İri daneli zeminlerin (kum ve çakıl) arazideki durumunu ve bu durumdaki muhtemeldavranışlarını tanımlamak için kullanılan bir kavramdır. Sıkılığın ölçüsü boşluk oranıdır.Doğal boşluk oranı e, en sıkı durumdaki boşluk oranı emin ve en gevşek durumdaki boşlukoranı emax olmak üzere rölatif sıkılık yukarıda verildiği şekilde tanımlanır. Kimi kaynaklardabu parametreye sıkılık indeksi de (ID) denilir. Rölatif sıkılık birim hacim ağırlıklar ile ifadeedilebilir:

𝑒 =𝑉

𝑉 𝛾 =

𝐺 𝛾

1 + 𝑒 → 𝑒 =

𝐺 𝛾

𝛾− 1

(𝑀𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑏𝑜ş𝑙𝑢𝑘 𝑜𝑟𝑎𝑛𝚤𝑛𝑑𝑎, 𝑒 , 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑘𝑢𝑟𝑢 𝑏𝑖𝑟𝑖𝑚 ℎ𝑎𝑐𝑖𝑚 𝑎ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘 𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘𝑙𝑒ş𝑖𝑟. )

𝐷 = 𝐼 =/ _ /

/ _ / _100 (%)

Eş çaplı kürelerin en gevşek dizilişi kübik, en sıkı dizilişi ise piramidaldir (Şekil 24). Budizilişlerdeki boşluk oranı değerleri sırasıyla 0.91 ve 0.35 olarak hesaplanmaktadır. Zemindanelerinin çapları çok değişken ve dane şekilleri küresellikten uzak olduğundan, iri danelizeminlerin en gevşek ve en sıkı durumdaki boşluk oranlarının sırasıyla 1.2 ve 0.14 değerleriarasında değişim gösterdiği söylenebilir.

Şekil 24. Kürelerin diziliş şekilleri (a) en gevşek, e=0.91 (b) en sıkı, e=0.35

30

(a) (b)

İri daneli zeminlerin doğal boşluk oranı arazide kum konisi yöntemiyle belirlenebilmektedir. En gevşek durumdaki (maksimum) boşluk oranı, hacmi belirli silindirik bir kap içerisine kuru zeminin 2.5 cm yi aşmayan bir yükseklikten dökülerek doldurulması suretiyle elde edilebilmektedir. En sıkı durumdaki (minimum) boşluk oranı ise, iri daneli zeminin silindirik kap içerisinde suya doygun olarak ve titreşim uygulanarak sıkıştırılması suretiyle sağlanabilir. Minimum boşluk oranının belirlenmesi

için deney düzeneği

Sahadaki boşluk oranı arazi deneylerinden yararlanılarak belirlenebilir. Bu amaca yönelik olarak en yararlı ve uygulanması nispeten kolay deneyler sırasıyla Standart Penetrasyon (SPT), Dinamik Penetrasyon (DPH) ve Koni Penetrasyon (CPT) testleridir.

Uygulama #6Yıkamalı elek analizi ve hidrometre deneyi sonuçları verilen zemin örneğinin, a) Dane çapı dağılım grafiğini çiziniz, b) M.I.T Sınıflandırmasına göre çakıl, kum, silt ve kil miktarlarını oransal (%) olarak belirleyiniz, c) Karakteristik dane çaplarını belirleyiniz, d) Granülometrik katsayıları hesaplayınız.

31

ELEK ANALİZİ Elek Açıklık Kalan Kalan % Kalan % Geçen

(mm) (gr) (gr) (%) (%)

No. 4 4.760 0 0 0.0 100.0

No. 10 2.000 12.3 12.3 2.9 97.1No. 20 0.850 29.3 41.6 9.8 90.2No. 40 0.425 45.9 87.5 20.6 79.4No. 100 0.150 69.2 156.7 36.9 63.1

No. 200 0.076 64.1 220.8 52.0 48.0Elek altı - 203.8 424.6 100.0 0.0

HİDROMETRE ANALİZİ

t R Rw T R - Rw Nt R' L (L/t)1/2 D Nt'

da - - oC - % - cm - mm %

0.25 26.7 -0.5 22.5 27.2 88.3 27.2 11.0 6.639 0.0855 42.4 0.5 25.1 -0.5 22.5 25.6 83.1 25.6 11.7 4.829 0.0622 39.9 1 21.0 -0.5 22.5 21.5 69.8 21.5 13.3 3.647 0.0470 33.5 2 16.7 -0.5 22.5 17.2 55.8 17.2 15.0 2.740 0.0353 26.8 5 11.3 -0.5 22.5 11.8 38.3 11.8 16.0 1.788 0.0230 18.4

10 8.4 -0.5 22.5 8.9 28.9 8.9 17.1 1.309 0.0169 13.9 20 6.0 -0.5 22.5 6.5 21.1 6.5 18.1 0.951 0.0123 10.1 40 4.6 -0.5 22.5 5.1 16.6 5.1 18.7 0.683 0.0088 7.9 62 4.0 -0.5 22.5 4.5 14.6 4.5 18.9 0.552 0.0071 7.0 115 3.0 -0.5 22.5 3.5 11.4 3.5 19.3 0.410 0.0053 5.5

1089 1.5 -0.5 22.5 2.0 6.5 2.0 19.9 0.135 0.0017 3.1 1524 1.2 -0.5 22.5 1.7 5.5 1.7 20.0 0.115 0.0015 2.6

Hidrometre deneyi verileri ve açıklamalar:Vsüsp. = 1000 ml, Ws = 48.4 gr, G = 2.75, menisküs = 0.5T = 22.5 C için m = 9.495milipoise = 9.495 10-3/980.7= 9.68 10-6 gr sn / cm2 = 9.68 10-6 / 60 gr da / cm2

R = 1000 (Gsüsp. 1), Rw = 1000 (Gw 1)R = R + menisküst 2 da L = 0.4 R + 21.9,t 4 da L = 0.4 R + 20.7

= 3.247 (R – Rw)

N = Nt ( No. 200)

= 0.0129 (L/t)1/2

Uygulama #6 (devam)

Oranlar: Karakteristik dane çapları: Granülometik katsayılar:

Çakıl = 100 – 97.1 = 2.9 D60 = 0.130 mm Cu = 0.13 / 0.011 = 11.8 Kum = 97.1 – 40.0 = 57.1 D30 = 0.040 mm Cc = 0.042 / (0.130.011) = 1.1 Silt = 40.0 – 3.3 = 36.7 D10 = 0.011 mm Kil = 3.3

Kombine analiz sonucu elde edilen dane dağılım eğrisi

MIT sınıflandırmasına göreÇakıl: 2 mm 60 mmKum: 0.06 mm 2.0 mmSilt : 0.002 mm 0.06 mm

Uygulama #7Örselenmemiş durumdaki bir kumlu silt örneğinin toplam hacmi 2832 cm3, kurutulduk-tansonraki ağırlığı 4.5 kg, özgül ağırlığı 2.7, en gevşek ve en sıkı durumdaki boşluk oranlarısırasıyla 0.8 ve 0.3 değerleri olarak bulgulanmıştır. Bu zemin örneğinin sıkılık durumunubelirleyiniz.

gd = Wd / V = 4500.0 / 2832.0 = 1.59 gr/cm3

e = Ggw / gd –1 = 2.7 1.0 / 1.59 = 0.7ID (%) = (emax – e) / (emax – emin) 100 = (0.8 –0.7) / (0.8 – 0.3) 100 = 20%15 ID=20 35 gevşek

Uygulama #8Likit limiti 48, plastik limiti 36 ve rötre limiti 32 olan ince daneli bir zeminin doğal su içeriği0.34 iken kıvam durumunu belirtiniz.

IP = wL – wP = 0.48 – 0.36 = 0.12IL = (w – wP) / IP = (0.34 – 0.36) / 0.12 = - 0.17 0 yarı katı veya katı(wSL = 32) (w = 34) (wPL = 36) yarı katı

Uygulama #9İnce daneli bir zemin örneğinin likit limit, plastisite indeksi ve doğal su içeriği değerleri sırasıyla 54, 15 ve 0.4 olarak belirlenmiştir. a) Zemin örneğinin kıvam durumunu belirleyiniz, b) Bu zemin örneğinin kurutulması aşamasında minimum hacme ulaşıldığında boşlu oranı değeri 0.87 olarak saptanmıştır. Özgül ağırlığı da 2.7 olduğuna göre, rötre limitini hesaplayınız.a) wP = wL - IP = 0.54 – 0.15 = 0.39

IL = (0.4 – 0.39) / 0.15 = 0.07 0.0 (IL = 0.07) 0.25 katı plastik

b) Se = w G wS = S(= %100) emin/G = 1.0 0.87 / 2.7 = 0.32 wSL = 32

32

Uygulama #10

Suya doygun bir kil örneğinin doğal su içeriği 0.3, rötre limiti 20 ve özgül ağırlığı 2.72 dir. Bu zemin örneği kurutulduğunda sahip olacağı hacmi, doğal su içeriğindeki hacmi cinsinden hesaplayınız.

ew=0.3 = 2.72 0.3 / 1.0 = 0.816ew=0.2 = 2.72 0.2 / 1.0 = 0.544

Vv / VS = e (Vv + VS) / VS = 1+e V / VS = 1+eVw=0.3 / VS = 1+ew=0.3 = 1+0.816 = 1.816 Vw=0.2 / VS = 1+ew=0.2 = 1+0.544 = 1.544

Vw=0.2 / Vw=0.3 = 1.544 / 1.816 = 0.85 Vw=0.2 = 0.85 Vw=0.3

katı

su

hava

Vs

Vw

Va

Vv

VT

hacim

Ws

Ww

Wa0

ağırlık

WT

1.8. Zemin Sınıflandırması

Zemin sınıflandırması, benzer davranış gösteren zeminlerin ortak bir isim ve sembol altındatoplanarak gruplandırılmasıdır.

Zeminlerin inşaat mühendisliğinde genel kullanımı amacıyla uygulanan bir sınıflandırmasistemi USCS (Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemi) dir. Karayolu inşaatında kullanımaçısından zeminler AASHTO yöntemi ile sınıflandırılırlar.

Her iki sınıflandırma yöntemi de, dane çapı dağılımı ve kıvam limitleri değerlerinedayandırılmıştır. Bunların yanı sıra USCS ve İngiliz Sınıflandırma Sistemi’ni birleştirenTS1500/2000 Türk Sınıflandırma Sistemi mevcuttur. TS1500/2000 Sistemini USCS’denayıran en önemli unsurlar kum-çakıl sınırını belirleyen dane boyutu ile ince danelizeminlerin sınıflandırılmasında kullanılan plastisite kartıdır.

1.8.1. USCS Sınıflandırması

Bu sınıflandırmada, dane boyutları açısından, 3 ve No. 4 elekler aralığı “çakıl”, No. 4 ve No. 200 elekler aralığı “kum” ve No. 200 elek altı “silt ve kil” olarak kabul edilmektedir. Kum ve çakıl (yani, No. 200 elek üstü) iri daneler, silt ve kil (No. 200 elek altı, veya –No. 200) ince daneler olarak isimlendirilmektedir. Bir zemin örneğinde –No. 200 %50 ise zemin ince danelidir, –No 200 <%50 ise iri danelidir denir.

İnce Daneli Zemin (-No. 200 %50) Sınıflandırması

İnce daneli zeminler olan kil ve silt sırasıyla C ve M notasyonları ile sembolizeedilmektedirler. Likit limit değeri 0.50’ye eşit veya yüksek (wL0.50 ) olan ince danelizeminler yüksek plastisiteli olarak nitelenir ve sembolü H’dir. wL0.50 ise zemin düşükplastisitelidir ve bunun için L harfi kullanılır. İnce daneli zeminlerin sınıflandırması Şekil19’da verilen plastisite kartı kullanılarak yapılmaktadır.

33

USCS Zemin Sınıflandırması

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Likit limit, wL(%)

Plas

tisi

te in

deks

i, IP

(%)

CH

MH

ML

CL

CL-ML 7 4

A-doğrusu IP = 0.73(wL-0.20)

Şekil 25. USCS plastisite kartı

Plastisite kartı üzerindeki A-doğrusu'nun denklemi IP = 0.73(wL-0.20) dir. İnce danelizemine, plastisite kartında (wL,IP) değer çifti ile belirlenen noktanın girdiği bölgenin grupsembolü atanır. Plastisite kartı üzerindeki beş adet farklı grup sembolü ile belirlenenalanlara giren ince daneli zeminlerin adları aşağıdaki gibidir. Zemin adı yanında paranteziçerisindeki adlar TS 1500’den alınmıştır.

Çizelge 1.8.1 Grup sembolleri ve zemin isimleri (ince dane)

34

Grup Sembolü Zemin adı CH Yüksek plastisiteli kil (Yağlı kil) MH Yüksek plastisiteli silt (Elastik silt) CL Düşük plastisiteli kil ML Düşük plastisiteli silt (Silt)

CL-ML Kil-silt karışımı

TS1500/2000 Sınıflandırma Sistemi

İnce daneli zemin içerisindeki kum ve çakıl oranları, zemin ismine ilaveler yapılarakbelirtilmektedir. Zemin örneğinin iri kısmı %15’e eşit veya fazla ve %30 dan az, kum oranıçakıl oranına eşit veya fazla (%15+No.200<%30 ve %kum %çakıl) ise, Çizelge 1.8.1’dekiadın sonuna “...... ve az kum”, aynı koşullarda, %çakıl %kum ise “..... ve az çakıl” eklenir. İrikısım %30’a eşit veya fazla ve kum oranı çakıl oranından fazla (+No. 200 %30 ve %kum %çakıl) ise, zemin adının başına “Kumlu ...”, aynı koşullarda %çakıl>%kum ise “Çakıllı ...”eklenir. Bu son durumda kum veya çakıl oranının %15’e eşit veya fazla olması halinde adınsonuna “... ve az kum” veya “... ve az çakıl” ifadelerinden biri eklenmektedir.

İnce daneli zemin organik ve wL0.50 ise OH (Yüksek plastisiteli organik zemin) veyawL0.50 ise OL (Düşük plastisiteli organik zemin) olarak sınıflandırılmaktadır. Organikzeminler koyu renkli (gri veya siyah) ve kokulu olur. Etüvde kurutma, organik zeminin likitlimit değerini düşürür. Kurutulmuş olarak hazırlanmış zemin örneği likit limit değerinin,kurutulmamış örnek likit limit değerine oranı 0.75 den az (wL,kurutulmuş / wL,doğal 0.75) isezemin organiktir denir.

İri Daneli Zemin (+No. 200 %50) Sınıflandırması

İri daneli zeminler (kum ve çakıl), dane çapı dağılım durumu, ince malzeme oranı ve niteliği dikkate alınarak sınıflandırılmaktadır. İri daneli zeminin çakıl oranı, kum oranından fazla ise (%çakıl %kum) “çakıl”, aksi taktirde (%kum %çakıl) ise “kum” olarak adlandırılır. İri daneli zemin sınıflandırmasında çakıl “G”, kum “S”, iyi derecelenme “W” ve kötü veya eksik derecelenme ise “P” harfleri ile sembolleştirilmektedir.

Çakıl olarak nitelenen iri daneli zeminin No. 200 elekten geçen kısmı %5’ten az ise, “temiz çakıl” denir. Bu durumda, granülometri kriterleri değerleri de CU 4 ve 1 CC 3 ise, GW: İyi-derecelenmiş çakıl; granülometri kriterlerinden herhangi birisi sağlanmıyor ise, GP: Kötü-derecelenmiş çakıl şeklinde sınıflandırılır.

35

AASHTO Sınıflandırma Sistemi

No.200 elekten geçen kısım %12’den büyük ise, “ince malzemeli çakıl” denir. Bu durumda,ince kısım kil ise, GC: Killi çakıl; silt ise, GM: Siltli çakıl, kil-silt karışımı ise GC-GM: Killi, siltliçakıl olarak isimlendirilir. No. 200 elekten geçen kısım %5 ila %12 ise, bir sembol temizçakıla, diğer sembol ince malzemeli çakıla ait olmak üzere iki sembol birden kullanılır (GW-GC, GW-GM, GP-GC veya GP-GM). Bu durumda, örneğin GW-GC sembolü ile gösterilenzeminin adı, “İyi derecelenmiş çakıl ve az kil” olarak ifade edilir. Çakıl olarak nitelenen zeminiçerisindeki kum oranı %15’e eşit veya fazla (kum %15) ise çakıl adının sonuna “... ve azkum” eklenir.

İri daneli zemin kum ise, çakıl için yukarıda açıklanan sınıflandırma ilkeleri veisimlendirmeler CU6 değişikliği dışında benzerdir. “Çakıl” yerine “kum” değişikliğiyapılması yeterlidir. Kum için grup sembolleri SW, SP, SC, SM, SW-SC, SW-SM, SP-SC ve SP-SMolur.

1.8.2. AASHTO Sınıflandırması

Karayolu inşaatlarında mühendislik dolgusu imalatı sıklıkla gündeme gelir. AASHTOSınıflandırma Sistemi Amerika Birleşik Devletleri Karayolu İdaresi tarafından geliştirilmişolup ülkemizde de dolgu malzemelerinin kalite sınıflandırması amacıyla kullanılmaktadır.Bu sistemde vazgeçilmez elekler No.10, No.40 ve No.200’dür. Zeminin ayrıca likit limit veplastik limit değerleri belirlenmelidir. Yukarıda verilen abakta soldan sağa doğru ilerlenir vekoşulların tamamını eksiksiz sağlayan ilk grup zeminin ASSHTO sınıfı olur. Sınıflandırmasırasında ayrıca grup indeksi de hesaplanır:

GI=(F-35)[0.2+0.005(wLL-40)]+0.01(F-15)(IP-10)F : ince dane yüzdesi (-No.200)wLL : likit limitIP : plastisite indisi

A-2-6 veya A-2-7 zeminleri için GI= 0.01(F-15)(IP-10) kullanılır. Grup indeksi tam sayıolarak kullanıma girer. GI<0 ise GI=0 alınır.

36

Uygulama #11

Elek analizi deneyi sonucunda 1", No.4 ve No.200 eleklerden geçen kısımları sırasıyla %100, %80 ve %8, karakteristik dane çapları D60 = 2.5mm, D30 = 0.7mm ve D10 = 0.1mm olarak belirlenen; kıvam limitleri wLL= 45 ve wP = 35 değerlerinde saptanan zemin örneğinin USCS ve AASHTO sınıflandırmalarını yapınız.

USCS

(-No. 200) = %8 %50 İri daneli%Çakıl = 100 – 80 = %20 % 15, %Kum = 80 – 8 = %72(%Kum = 72) (%Çakıl = 20) Kum (S)%5 ((-No. 200) = %8 ) %12 İkili sembolTemiz kum için: CU = D60 / D10 = 2.5 / 0.1 = 25 6,CC = D30

2/ (D60D10) = 0.72 / (2.50.1) = 1.96 1 (CC=1.96) 3Granülometri kriterleri sağlandı İyi derecelenmiş kum (SW)İnce malzeme için: IP = 45 – 35 = 10IP,A = 0.73 (45 – 20) = 18.3(IP= 10) (IP,A = 18.3) İnce malzeme silt (M) SM

SW-SM: İyi derecelenmiş kum ve az silt, çakıl

AASHTO

(-No.200)= %8 < %35 Danelia=(-No.200)-35 = 8-35 = -27 0b=(-No.200)-15 = 8-15 = -7 0c=wLL-40 = 45-40 = 5 0d=IP-10 = 10-10 = 0GI=0.2a+0.005ac+0.01bd

=0.2x0+0.005x0x5+0.01x0x0=0 A-2-5

Uygulama #12

Elek analizi ve kıvam limitleri deneyleri sonucunda -No.4 = %84, -No.200 = %65, wL = 75 ve IP = 30 değerleri elde edilen zeminin USCS ve AASHTO sınıflandırmalarını yapınız.

USCS

(-No. 200) = %65 %50 İnce daneliIP,A = 0.73 (75 – 20) = 40.2, (IP,A = 40.2) (IP= 30) Silt (M)wL = 75 50 Yüksek plastisiteli (H)İri malzeme (kum, çakıl) oranı = (+No. 200) = 100 – 65 = %35 % 30%Kum = 84 – 65 = %19%Çakıl = 100 – 84 = %16%Kum %Çakıl Kumlu ...%Çakıl = %16 %15 ... ve az çakıl

MH: Kumlu, yüksek plastisiteli silt ve az çakıl

AASHTO

(-No.200)=%65 > %35 silt-kil malzemesia=65-35 = 30b=65-15 = 50 40c=75-40 = 35 20d=30-10 = 20GI = 0.2x30 + 0.005x30x20 + 0.01x40x20 = 17wLL – 30 = 75 – 30 = 45 > IP=30

A-7-5(17)

37

Sıkıştırma• İnşaat mühendisliği uygulamalarında kimi

zaman mühendislik dolgusu yapımına ihtiyaç duyulur. Gevşek veya aşırı yumuşak gibi zeminlerin üzerine doğrudan yük uygulanması sakıncalı bulunabilir. Bu tür zeminlerin kalınlığı çok fazla değilse bunların kazılarak kaliteli ve sıkıştırılmış bir zemin ile yer değiştirilmesi uygun görülebilir. Ayrıca dolgu baraj ve karayolu inşaatı sırasında büyük hacimlerde mühendislik dolgusu yapılır.

İnce daneli dolgu zeminler keçi ayaklı silindirle sıkıştırılır.

İri daneli dolgu zeminler titreşimli silindirle sıkıştırılır. sıkışan zemin bölgesi

Zemine enerji uygulanması kullanılan tekniğe bağlı olarak sıkışmaya neden olur.

Dolgu yapımında kullanılacak zeminin sıkışma özelliklerinin bilinmesi gerekir. Sahadaki zeminin sıkışma kontrolü hedeflenen birim hacim ağırlık referans alınarak yapılır.

1.9. Sıkıştırma

Mühendislik dolguları, seçilmiş zemin malzemesi kullanılarak ve kontrollu sıkıştırmayapılarak oluşturulur. Zemin malzemesi seçiminde, kullanım amacına yönelik olarak, belirlidane çapı dağılımı ve kıvam limitleri kriterlerinin sağlanması amaçlanır. Zeminsınıflandırması (USCS veya AASHTO) grup sembolünün bilinmesi, bu açıdan yardımcı olur.

Kontrollu sıkıştırma ise, laboratuar ve arazi deneyleri yapılarak gerçekleştirilir.Laboratuarda standard sıkıştırma enerjisi ile elde edilen kompaksiyon değerlerinin (kurubirim hacim ağırlık ve su içeriği), arazide sıkıştırma işlemi sonrasında yerinde yapılan kurubirim hacim ağırlık tayin deneyleri ile kontrolu yapılır.

Sıkıştırma ekipmanı enerjisi, zemin danelerini birbiri üzerinden kaydırarak, boşluklarınazalmasını (kuru birim hacim ağırlığın artmasını) sağlar. Dane yüzey sürtünme direnci,sıkıştırmaya karşı koyar. Yüzey sürtünme direncini azaltmak için zemin sulanır. Fazla suboşluk oluşturarak sıkıştırmayı engeller. Etkili bir sıkıştırma için, en uygun su içeriğideğerinin belirlenmesi gerekmektedir. Sıkıştırmanın ölçüsü kuru birim hacim ağırlıktır.

Su içeriği ile kuru birim hacim ağırlık arasındaki ilişki, standard sıkıştırma enerjisikullanılarak yapılan laboratuar kompaksiyon deneyleri ile elde edilebilmektedir. Budeneyler Standart Proctor Kompaksiyon Deneyi ve Modifiye Proctor Kompaksiyon Deneyiolarak adlandırılmaktadır.

1.9.1. Laboratuvar Sıkıştırma Deneyleri

Sıkıştırma kontrollerinde referans alınacak maksimum kuru birim hacim ağırlık değerizemin mekaniği laboratuvarında belirlenir. Referans değeri laboratuvar ortamındauygulanan sıkıştırma enerjisi tayin eder. Bu amaçla en sık kullanılan iki deney StandartProctor ve Modifiye Proctor sıkıştırma testleridir. Modifiye deneydeki enerji seviyesi dahayüksektir.

38

• Sıkıştırma yoluyla dolgu malzemesinin aşağıdaki nitelikleri iyileştirilir:

• Boşluk hacmi düşürülür. Bu sayede daneler birbirine yaklaştırılır, aralarındaki kilitlenme artar; kayma mukavemeti yükselir ve sıkışma potansiyeli düşer.

• Zeminin su iletim katsayısı azaltılır.

• Bilhassa ince daneli zeminlerin şişme-büzülme kapasitesi düşürülür.

• Zemin örneği sıkıştırılırken danelerin birbiri üzerinde daha rahat kayarak yerleşmesi amacıyla su eklenir. Birim hacim ağırlık optimum su içeriğine (wopt) kadar artar, bundan sonra daha fazla su eklenmesi kuru birim hacim ağırlığın (gd) düşmesine neden olur. Sıkışma eğrisi (wopt , gd) veri çiftlerine en uygun eğrinin geçirilmesi ile elde edilir.

Sıkıştırma sonucunda boşluk hacmi azalır ve daneler arası kilitlenme ve bunun sonucunda sürtünme artar.

sıkıştırılmamış zemin sıkıştırılmış zemin

𝛾 =𝑊

𝑉𝛾 =

𝛾

1 + 𝑤

Optimum su içeriği geçildikten sonra boşluklardaki su zemin danelerinin yerini almaya başlar. Bu nedenle kuru birim hacim ağırlık düşer.

Standard Proctor Kompaksiyon Deneyi’nde, No. 4 elekten geçirilen ve belirli bir su içeriğinesahip olan zemin örneği, yaklaşık 1 lt hacimli silindirik kalıp içerisine, 3 tabaka halindetokmaklanarak sıkıştırılır. Tokmak ağırlığı 2.5 kg, tokmak düşürülme yüksekliği 30 cm dir.Her tabakaya 25 darbe vurulur. Bu deneyde sağlanan toplam sıkıştırma enerjisi ESPC =2.50.3253 kgm dir. Deney, su içeriği kademeli olarak arttırılmış dört veya beş örneküzerinde yapılır. Sıkıştırma sonrasında su içeriği ve kuru birim hacim ağırlık değerlerisaptanır. Yatay eksende su içeriği, düşey eksende kuru birim hacim ağırlık olmak üzeredeney değerleri noktalanır ve bir eğri uydurulur (Şekil 26).

Şekil 26. Kompaksiyon eğrisi

Şekil 26’da verilen eğriye “kompaksiyon eğrisi” veya “sıkıştırma eğrisi” denir. Kompaksiyoneğrisinin tepe noktasının koordinatları maksimum kuru birim hacim ağırlık (gd,max) veoptimum su içeriği değerleridir (wopt). Bu değerler, arazide dolgu yapımı sırasında, dolguişlerini yönlendirme ve kontrol amaçlı olarak kullanılır.

Şekildeki kompaksiyon eğrisi, zemin sıkıştırma davranışını genel olarak temsil eder. Aynısıkıştırma enerjisi ile farklı su içeriklerinde yapılan sıkıştırmalarda elde edilen kuru birimhacim ağırlıklar, optimum su içeriği değerinde maksimum olmakta; optimumdanuzaklaşıldıkça küçülmektedir.

39

Test Standart Proctor (ASTM D698) Modifiye Proctor (ASTM D1557)

Yöntem A B C A B C

Tokmak ağırlığı 24.4 N24.4 N 24.4 N

44.5 N 44.5 N 44.5 N

Düşüm yüksekliği 305 mm 305 mm305 mm

457 mm 457 mm 457 mm

Kalıp çapı 102 mm 102 mm 152 mm 102 mm 102 mm 152 mm

Kalıp hacmi 944 cm3 944 cm3 2124 cm3 944 cm3 944 cm3 2124 cm3

Deneye giren malzeme -No.4(4.75 mm)

-3/8(9.5 mm)

-3/4(19 mm)

-No.4(4.75 mm)

-3/8(9.5 mm)

-3/4(19 mm)

Tabaka sayısı 3 3 3 5 5 5

Tabaka başına darbe sayısı

25 25 56 25 25 56

Sıkıştırma enerjisi 600 kN-m/m3 600 kN-m/m3 600 kN-m/m3 2700 kN-m/m3 2700 kN-m/m3 2700 kN-m/m3

Kullanım %25 No.4 elek üzerinde

%25 3/8elek üzerinde

%30 3/4elek üzerinde

%25 No.4 elek üzerinde

%25 3/8elek üzerinde

%30 3/4 elek üzerinde

Zemin Dane Dağılımına Göre Proctor Sıkıştırma Yönteminin Seçilmesi

Temel altı ve benzeri sıkışma yapması arzu edilmeyen dolgular Modifiye Proctor sıkılığının en az %95’ine sıkıştırılarak yapılır. Otopark ve benzeri saha dolguları ile bir kısım baraj dolguları Standart Proctor sıkılığının en az %95’inde imal edilebilir.

Modifiye Proctor Kompaksiyon Deneyi’nde tokmak ağırlığı 4.5 kg, tokmak düşürülmeyüksekliği 45 cm ve sıkıştırılan tabaka adedi 5 olup, Standard Proctor deneyindekinin 4.5katı sıkıştırma enerjisi (EMPC = 4.50.45255 kgm) harcanmaktadır.

Sıkıştırma enerjisinin etkisi

Aynı zemin için, sıkıştırma enerjisi değiştiğinde, kompaksiyon eğrisinin konumu ve tepenoktasının koordinatları da değişmektedir. Sıkıştırma enerjisi artınca optimum su içeriğiazalır, maksimum kuru birim hacim ağırlık artar (Şekil 27).

Şekil 27. Standart ve Modifiye Proctor sıkıştırma eğrileri ile hava boşluksuz eğri

Aynı özgül ağırlığa sahip zeminlerin farklı enerjiler ile sıkıştırılması ile elde edilenkompaksiyon eğrileri sağ taraftan sıfır hava boşluğu (A=%0) eğrisi ile sınırlanmakta olup;hava boşluksuz eğri, kompaksiyon eğrilerinin asimtotu konumundadır.

40

Şekil 28. Farklı zeminlerin aynı sıkıştırma enerjisi altında davranışı

Temiz kum ve çakıldan oluşan dolgu malzemeleri şekilde verilen eğrilere benzer bir sıkıştırma eğrisi arz etmez. Bu tür malzemeler pratik olarak sıkışmaz kabul edilir. Standart kalınlıklarda (30 cm) serildiklerinde titreşimli silindirle kolaylıkla sıkışırlar. Temel altı dolgularında kum ve çakılların bir miktar ince ve kohezif malzeme içermesi arzu edilir. Temelin kenarlarındaki gerilme yığılması kohezif malzeme katkısı ile karşılanabilir.

kuru

bir

im h

acim

ağı

rlık

su içeriği

yüksek sıkıştırma enerjisi

düşük sıkıştırma enerjisi

Kil daneleri sıkıştırma sırasında yönlenir. Optimum su içeriğinin kuru tarafında flok dane yerleşimi söz konusu iken optimumun yaş tarafında daneler gittikçe yatay hale gelirler. Sıkıştırma enerjisi artırıldıkça bu davranış daha belirgin hale gelir.

Zemin hava oranı,

A = hava hacmi / toplam hacim = Va / V

olarak tanımlanır. Boşluk oranına göre çizilmiş bir zemin prizmasında hava hacmi Va=e-Seve toplam hacim V=1+e olduğundan, hava oranı parametrik olarak aşağıdaki bağıntıdaverildiği gibi yazılır:

faz ilişkisi dikkate alındığında;

yazılabilir. «e» değeri «gd» bağıntısında yerine

konulduğunda elde edilir.

Yukarıda çıkarılan son ifade, istenilen hava boşluğu değeri için - eğrisinin çizilmesini sağlar.A=0 için çizilen w-gd eğrisi (hava boşluksuz eğri) kompaksiyon deneyleri sonucunda eldeedilen grafiklerin doğruluğunun kontrolunda kullanılabilir.

Farklı grup sembolleri ile temsil edilen zeminler aynı sıkıştırma enerjisi ile sıkıştırıldığındakompaksiyon eğrileri Şekil 28’de karşılaştırılmıştır. Bu şekilde görüldüğü üzere farklızeminler aynı kompaksiyon enerjisi ile (E=sabit) sıkıştırıldığında: zemin plastisitesi azalıncave/veya daneler irileşince optimum su içeriği azalır, maksimum kuru birim hacim ağırlıkartar.

41

Sıkıştırma Kontrolü

• Sıkıştırma kontrolü hedef alınan sıkıştırma

enerjisi için laboratuvar ortamında elde

edilmiş maksimum kuru birim hacim

ağırlık değeri referans alınarak yapılır:

• Temiz kum veya çakıldan oluşan bir dolgu

malzemesinin sıkışması rölatif sıkılık

parametresi (sıkılık indeksi) üzerinden

kontrol edilir. SO=%80 genelde Dr=%0

durumuna karşı gelmektedir.

• Sıkışma kontrolü arazide kum konisi veya

nükleer ekipman kullanılarak yapılabilir.

𝑆𝚤𝑘𝚤ş𝑚𝑎 𝑜𝑟𝑎𝑛𝚤 = 𝑆𝑂(%) =𝛾 _

𝛾 _100

Özgül ağırlığı bilinen yuvarlak daneli ve akıcı ince kuru kumun konulduğu hazne

Vana

Konik ağız

Ortasında daire şeklinde delik olan levha

Kum Konisi Tekniği ile sıkıştırma kontrolü

Uygulama #13

Bir mühendislik dolgusu inşaatı kapsamında kullanılması planlanan zemin malzemesi için;laboratuarda Modifiye Proctor Kompaksiyon deneyi, arazide ise deneme dolgusu üzerindekum konisi ile yerinde birim hacim ağırlık tayini deneyi yapılmıştır.

Öncelikle laboratuar kompaksiyon deney bulguları analiz edilip değerlendirilecek, zeminmalzemesinin sıkıştırma diyagramı çizilerek Proctor değerleri belirlenecektir. Kalıp hacmi,Vkalıp= 2130 cm3 olarak belirlenmiştir.

Kum konisi deneyi verileri değerlendirilerek, yerinde kuru birim hacim ağırlık saptana-caktır. Kum konisi içindeki kumun birim hacim ağırlığı, gkum=1.54 t/m3 alınacaktır.

Sıkıştırma oranı hesaplanarak, yeterli olup olmadığı irdelenecektir.

Sıkıştırmanın yetersiz olması durumunda, “kuru birim hacim ağırlık - silindir geçiş sayısı”grafiğinden %95 sıkıştırma oranı değerini sağlayan minimum geçiş sayısı belirlenip,önerilecektir.

Modifiye Proctor Deney Verileri

42

Deney No. 1 2 3 Kalıp Ağırlığı (gr) 5793.0 5793.0 5793.0 Kalıp + Sıkıştırılmış Zemin Ağırlığı (gr) 10320.7 10639.0 10585.0 Sıkıştırılmış Zemin Ağırlığı (gr) 4527.7 4846.0 4792.0 Islak b.h.a. (t/m3) 2.13 2.28 2.25 Su içeriği (%) 5.2 7.5 10.3 Kuru b.h.a. (t/m3) 2.02 2.12 2.04 Su İçeriği Tayini 1 2 3 Kap No. 14 41 62 Kap+Yaş Numune Ağırlığı (gr) 670.12 589.54 676.04 Kap+Kuru Numune Ağırlığı (gr) 642.18 554.96 622.79 Su Ağırlığı (gr) 27.94 34.58 53.25 Kap Ağırlığı (gr) 108.40 95.14 104.98 Kuru Numune Ağırlığı (gr) 533.78 459.82 517.81 Su İçeriği (%) 5.2 7.5 10.3

Uygulama #13 (devam)

Kum Konisi Deney Verileri Deneme dolgusu “kuru b.h.a – silindir geçiş sayısı” ilişkisi

Laboratuvar sıkıştırma eğrisi

Kompaksiyon diyagramından optimum su içeriği, wopt (%) = 7.5 ve maksimum kuru birimhacim ağırlık, gd,max = 2.12 t/m3 olarak saptanmıştır.

Sıkıştırma oranı, R = gd,arazi / gd,max = 1.91 / 2.12 = 0.90

Sıkıştırma oranı, R = %90 olduğundan, %95 olması gereken sıkıştırma oranı sağlanama-mıştır. Bu nedenle, deneme dolgusunda sıkıştırma yetersizdir.

%95 sıkıştırma oranını sağlayan minimum gd,arazi değeri: R × gd,max = 0.95 × 2.12 = 2.014 t/m3

olarak hesaplanır. Buna göre, %95 sıkıştırma oranını sağlayacak gd,arazi değeri, 2.014t/m3’den büyük olacak şekilde 2.02 t/m3 alınabilir.

Sıkıştırmanın yetersiz olması nedeniyle, “kuru birim hacim ağırlık - silindir geçiş sayısı”grafiğinden, %95 sıkıştırma oranı değerini sağlayan gd,arazi = 2.02 t/m3 için, minimum geçişsayısı 4 olarak belirlenmiştir.

43

Sıkıştırma Ekipmanları

El ile kumanda edilen orta enerji seviyesi ekipman

Hafif enerji ekipmanı

Dizel tahrikli yüksek enerji seviyesi ekipman

Kalınlığı fazla olan iri daneli (kum, çakıl veya iri bloklu kontrolsüz dolgular) vibroflot veya dinamik kompaksiyon ekipmanı vasıtasıyla sıkıştırılırlar.

Vibroflot

Dinamik kompaksiyon

44