Toprak Mekaniği ve Teknolojisi

Ders Notu

ZTO405.1

2019-2020

Karl von Terzaghi Doğum tarihi: 2 Ekim 1883, Prag, Çekya

Ölüm tarihi ve yeri: 25 Ekim 1963, Winchester, Massachusetts, ABD

Toprak Mekaniği toprağa uygulanan kuvvetlerle toprağın buna karşı gösterdiği

reaksiyonları açıklar. Bu tanım toprağa uygulanan kuvvetlerin yanısıra, rüzgar,

su ve diğer kaynaklardan oluşan dinamik reaksiyonları da kapsar (Munsuz,

1985).

Zemin mekaniği, toprağın içinde veya dışında (üstünde) yapılan inşaat

mühendisliği yapılarının tasarımı ile ilgili olarak, zeminlerin mühendislik

davranışının incelenmesi olarak tanımlanabilir. Bu tür yapıların örnekleri

arasında dolgu ve kesimler, barajlar, istinat duvarları, tüneller, bodrumlar,

yeraltı atık havuzları ve binaların ve köprülerin temelleri bulunur. Bir dolgu,

kesme veya istinat duvarı çoğu zaman bir inşaat mühendisliği yapısının bütünü

olmasa da büyük bir bileşeni temsil eder ve genellikle (daha iyi veya daha

kötüsü için) bitmiş formunda açıkça görülebilir (Powrie, 2014)

Toprakların Fiziksel Özellikleri

Toprakların fiziksel özellikleri 3 grup altında incelenir.

Birinci grup toprakların tane büyüklüğü dağılımı ve mineralojik bileşiminden

kaynaklanır. Bu özellikler yardımıyla, sınıflandırma ve tanımı yapılabilir, ampirik

ilişkiler ortaya konulabilir. Bozulmuş örnekler ile bu özellikler belirlenebilir.

İkinci grup fiziksel özellikler yardımıyla hacim ağırlık, kıvamlılık, adhezyon gibi

toprağın durumuna ait sayısal özellikler belirlenebilir. Bu özelliklerin

belirlenmesinde yapısı bozulmamış toprak örneklerinden yararlanılır.

Üçüncü grup ise dinamik toprak özellikleri olarak tanımlanır. Çeşitli dış etkilerle

toprakların davranışı kalitatif veya kantitatif olarak değişebilir. Suyun toprakta

hareketi, kapillarite olayı, sıcaklık değişimi nedeniyle nem içeriğindeki

değişmeler dinamik toprak özellikleri arasındadır.

fiziksel özellikler kullanımı

I tane büyüklüğü, tane büyüklüğü dağılımı, özgül ağırlık, organik madde

tanım ve sınıflandırma, ampirik ilşkilerin kullanımı

II toprakların faz bileşimi, su kapsamı, boşluk oranı, kompaksiyon derecesi, kıvamlılık

toprak şartlarının sayısal değerlendirilmesi

III a direnç özellikleri (sıkışma ve kayma direnci) stabilite problemleri, toprak basıncı, şev stabilitesi

III b deformasyon özellikleri (sıkışma, büzülme, şişme)

deformasyon problemleri, çökme hesaplamaları

III c hidrolik özellikleri (su hareketi, kapillarite, termal hareket, permeabilite)

konsolidasyon, sızmalar, donma

Tane İriliği Primer toprak tanecikleri irilik bakımından çok geniş sınırlar arasında

değişiklikler gösterirler. Bir yanda büyük taş ve çakıl parçalarından, diğer

yandan kolloidal büyüklükteki en ince taneciklere kadar farklı irilikteki materyal

bir arada bulunur. Bu geniş irilik dağılımı aralındaki toprka tanecikleri genel

olarak kum, mil ve kil fraksiyonları olarak sınıflandırılırlar. Kaya taş ve çakıl

parçaları gerçek toprak olmayıp, iskelet materyali meydana getirir.

Toprak tanecikleri genellikle ideal küre şeklinde olmadıkları için çeşitli irilik

gruplarına sınıflandırmada, diğer bir ifade ile toprağın fraksiyonlarına

ayrılmasında ölçü olarak ekivalen (eşdeğer) çap değerleri kullanılmaktadır.

Eşdeğer çap eleme ile ayrılabilen iri taneler için, kendilerinin geçtiği belli

büyüklükteki elek büyüklüğünden geçebilen bir

kürenin çapına eşit olan değeri, ancak

sedimantasyon teknikleri ile ayrılabilen küçük

tanecikler için ise kendileri ile aynı yoğunluğa ve

sıvı bir ortamda aynı çökelme hızına sahip olan

değeri ifade etmektedir.

Atterberg 0,002 mm den küçük taneciklerin

sulu süspansiyonda Brown hareketi

yapmalarına ve üzerinde bakterilerin

tutunamamalarına esas alarak kilin üst limitini

0,002 mm çap değerini tespit etmiştir. Kumun

üst sınırı olarak 2 mm lik çap değerinin alınması Albert Atterberg

1846-1916

ise bu irilikten daha büyük taneciklerin serbest arazi koşullarında suyun

hareketini önemli bir şekilde etkilememeleri esas alınmıştır.

İskelet: 2 mm çaptan büyük primer tanelerdir ve

hemen hemen hiç su tutma yeteneği yoktur. Sadece

tanelerin birbirine temas noktalarında çok az su çok

zayıf kuvvetle tutulabilir. Buna karşın ha va ve suyu çok

kolay iletir.

İnce toprak: Kum , mil ve kil fraksiyonlarından oluşan

ve eşdeğer çapı 2 mm den küçük olan materyalin

tamamı genellikle ince toprak veya gerçek toprak

olarak adlandırılır.

Kaba kum: eşdeğer çapı 2-0,2 mm arasında olan bu grupta tanecikler arasında

yer alan boşluklarının çapı da büyük olduğundan az miktarda su, boşluklardan

çok taneciklerin temas noktalarında zayıf bir adezyon kuvvetiyle

tutulabilmektedir. Bu fraksiyonun hakim olduğu topraklarda su ve hava

iletkenliği çok yüksektir. Toprak kolay ısınır kolay soğur.

İnce kum: tane iriliği 0,2-0,02 mm arasında olan bu grupta tanecikler artık gözle

tam görülmezler. İlk kez ortaya çıkan kapillar kuvvetler yardımı ile su tutma

yeteneğine sahip olamakla beraber su ve hava iletkenlikleri hala çok yüksektir.

Bu fraksiyonun hakim olduğu topraklar kolay işlenebilirler. Tanecikler kısmen

kendi aralarında birleşerk zayıf strüktür üniteleri oluşturabilirler.

Mil: ekivalen çapı 0,02-0,002 mm arasında bulunan bu fraksiyon kumdan kile

bir geçiş oluşturur. Mil fraksiyonunda kapillar suyun hareket edebilmesinin

yanısıra yeteri miktarda su tutulabilir. İyi strüktür kazanması durumunda yeterli

hava ve su iletkenliği ile kök yayılımı sağlar. Kompakt oluşumda ise kök

gelişimini büyük ölçüde engeller. Düşük de olsa su ve katyon tutma kapasitesi

göstermesi bakımından kile, buna karşılık yüksek oranda primer mineraller

içermesi ve sulu süspansiyonda Brown hareketi yapamaması nedeni ile kuma

benzer.

Kil: eşdeğer çapı 0,002 mm den küçük olup toprağın en aktif fraksiyonunu

oluşturur. Kil tanecikleri ancak mikroskopla görülebilecek kadar küçük

olduğundan aralarındaki gözenek boşlukları da o kadar küçüktür ki kapillar su

ancak çok yavaş hareket edebilir fakat çok büyük bir kuvvet ile tutulur. Özellikle

strüktürün iyi gelişmediği durumlarda zayıf su iletimi ve yükske su tutma

kapasitesi genellile toprakta ısklaklığa yol açar. Kil kök yayılımını ve bakterilerin

serbestçe hareketini sınırlandırır hatta zaman zaman engeller. Kil sulu

süspansiyonlarda kolloidal özellikler gösterirler.

Kumlu ve Killi Toprakların Özellikleri

Fiziksel Özellikler Kumlu Killi

Plastiklik Plastik değil Plastik

Hacim değişmesi Çok az, pratik olarak ihmal edilebilir

Fazla hacim değişmesi, şişme ve büzülme

Permeabilite Geçirgen Pratik olarak geçirimsiz

Drenaj Yerçekimi ile hızlı drene olur. Filtre tabakaları için uygundur.

Yer çekimi ile drenaj yok. Hacim değişmesine bağlı olarak nem miktarında değişme.

Kapillarite Kapillar yükselme hızlı, yükselme mesafesi fazla değil

Kapillar yükselme yavaş, yükselme mesafesi fazla

Kompressibilte (sıkışabilme)

Gevşek durumda sıkışma çok çabuk meydana gelir, yoğun durumda sıkışma çok yavaş

Yumuşak durumda çok yüksek, sıkışma hızı yavaş

Kayma direnci Sadece sürtünme Sürtünme ve kohezyon

Titreşime karşı davranış Hızlı sıkışma Etki yok

Toprakların Kütle Özellikleri

Toprakların Doğal Nem İçeriği

Toprakta bulunan su kütlesinin, kuru toprak kütlesine oranıdır.

𝑇𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘 𝑁𝑒𝑚𝑖 =𝑛𝑒𝑚𝑙𝑖 𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘 − 𝑘𝑢𝑟𝑢 𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘

𝑘𝑢𝑟𝑢 𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘× 100

𝑇𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘 𝑁𝑒𝑚𝑖 =𝑀𝑤

𝑀𝑠× 100

Boşluk oranı

Boşluk oranı, boşlukların oransal hacmini ifade etmek için kullanılmaktadır.

Boşluklar hacminin, mineral toprak kısmının hacmine oranıdır.

𝐵𝑜ş𝑙𝑢𝑘 𝑜𝑟𝑎𝑛𝚤 = 𝑒 =𝑉𝑏

𝑉𝑠

Toprak Porozitesi

Toprağın boşluklar hacmi (gözenek boşluğu) katı

toprak tanecikleri tarafından işgal edilmeyen hacmini

gösterir ve genel olarak porozite terimi ile ifade edilir.

db: bulk density - hacim ağırlık

dp: particle density - özgül ağırlık

𝑃𝑜𝑟𝑜𝑧𝑖𝑡𝑒 =Ö𝑧𝑔ü𝑙 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘 − 𝐻𝑎𝑐𝑖𝑚 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘

Ö𝑧𝑔ü𝑙 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘× 100

Hacim Ağırlık = Volüm Ağırlık = Bulk Density

1 cm3 hacminde doğal durumda boşlukları ile

birlikte kuru toprağın gram olarak ağırlığıdır.

Birimi: g/cm3

Özgül Ağırlık = Particle Density

İçerisinde su ve hava boşlukları olmayan

1 cm3 hacmindeki katı toprak fazının g olarak ağırlığıdır.

Birimi: g/cm3

Granülometri

Bir toprağın tane büyüklük dağılımı, çeşitli büyüklük sınırlarındaki tanelerin

toplam kütle içerisindeki % dağılımını (miktarını) gösterir. Tane büyüklüğü

laboratuvarda mekanik analizler yardımıyla tayin edilir. Tane büyüklüğü

tanımlamada eşdeğer çap kullanılır. Kaba taneli topraklarda elek serisi kullanılır

ve her elek üzerinde kalan materyal tartılarak bulunur. İnce taneli topraklar için

elek kullanmak pratik değildir ve kullanılmaz. Bu nedenle ince taneli toprakların

büyüklük dağılımının belirlenmesinde Stokes Yasasına dayanılarak çöktürme

işlemleri yapılır. Mekanik analiz sonucu tane büyüklük dağılımlarına ait eğriler

çizilir. Eğrinin (grafikte) apsisine tane çapı, ordinatına ise miktar yazılır. Tane

büyüklüğü uçta olan kil ve çakıl gibi çok geniş sınırlarda yer alırsa bu değerleri

aritmetik bir ölçekte (skalada) göstermek pek pratik olmaz. Bu nedenle tane

büyüklüğünü gösteren değerler apsisi logaritmik olan bir kağıt üzerine aktarılır.

D10: Tanelerin ağırlıkça % 10 nun sahip olduğu en büyük çap (efektif çap)

D30: Tanelerin ağırlıkça % 30 nun sahip olduğu en büyük çap

D60: Tanelerin ağırlıkça % 60 nun sahip olduğu en büyük çap

Üniformluk Cu katsayısı: Bir toprağı oluşturan tanelerin ağırlıkça % 60 nın

sahip olduğu en büyük çapın, efektiv çapa oranıdır.

Üniformluk katsayısının yüksek olması, topraktaki tanelerin küçükten büyüğe

kadar iyi bir şekilde dağıldığını yani toprağın iyi derecelendiğini gösterir.

Elek Çapı (µm)

Elek

ten

Geç

en Ö

rnek

Mik

tarı

(%

)

Yeknesaklık katsayısı

Eğrilik Cc katsayısı: Topraktaki tanelerin büyüklük bakımından gsterdiği

değişimin belirtilmesinde kullanılmaktadır. Tanelerin ağırlıkça % 30 nun sahip

olduğu en büyük çapın karesinin efektif çap ile ağırlıkça % 60 nın sahip olduğu

en büyük çapın çarpımına blünmesi ile elde edilir.

Tane çapı dağılımı toprakların birçok mühendislik özelliğini etkilemektedir. Bu

özellikler:

1.Toprağın su geçirgenliği: iri taneli topraklar ince taneli topraklara göre çok

daha fazla su geçirgenliğine sahip olmaktadır.

2.Toprağın direnci: iyi derecelenmiş topraklar daha yüksek dirence ve taşıma

gücüne sahip olmaktadır.

3.Toprağın sıkışabilirliği: iyi derecelenmiş zeminler, uygulanan yükler altında

kötü derecelenmiş veya üniform topraklardan daha az sıkışma gösterir.

4.Toprak içindeki kapilar su yükselmesi dane çapı dağılımından etkilenmektedir.

5.Toprakların dondan etkilenme oranı tane çapı dağılımına bağlı olmaktadır.

6.Toprakların su geçirgenliğine bağlı olarak yük altında sıkışma hızı, yükleme

sırasında içindeki suyun dışarı çıkabilme kolaylığı (buna bağlı basınç değişimleri)

tane çapı dağılımından etkilenmektedir.

Derecelenme katsayısı

Toprak Kıvamı

Toprak kıvamı, bir toprakta kohezyon ve adezyon kuvvetlerinin farklı nem

koşulları altında fiziksel etkinliği olarak tanımlanabilir.

Toprak kıvamı deyimi genel anlamda: Toprağın çeşitli nem düzeylerinde sahip

olduğu kohezyon, adezyon ve agregat stabilizasyonu kuvvetleri vasıtasıyla,

toprak kütlesinin birarada tutulması gücü ve yeteneğini ifade etmektedir.

Bir başka açıdan toprak kıvamı, toprağın kendisini deforme etmeye yönelik

güçlere ve etkenlere karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanabilir. Buna göre

toprak kıvamı, toprağı oluşturan taneciklerin birbirlerine yapışabilirlikleri

bakımından toprağın gösterdiği fiziksel nitelikleri ve kuvvetleri ifade etmektedir.

Bu kuvvetler, ilk olarak toprak kütlesinin, yerçekimi, basınç ve friksiyona

(ovuşturma) karşı davranışını, ikinci olarak toprağın yabancı cisim ve

materyallere yapışma eğilimini, üçüncü olarak da gözlemcinin duyu organlarıyla

özellikle parmaklarıyla edindiği izlenimleri ortaya koyar.

Bu belirlemelere göre toprak kıvamı kavramı aşağıdaki toprak özelliklerini

kapsamaktadır.

*Toprağın sıkıştırma ve makaslama kuvvetleri karşısındaki direnci

*Agregatlaşma derecesi

*Plastiklik ve yapışkanlık

Aşırı miktarda su içeren bir toprağın akıcı duruma geldiği ve viskoz bir özellik

taşıdığı bilinmektedir. Toprakta su miktarı azaldıkça akıcılık kaybolarak yerini

yapışkan ve plastik bir durum alır. Nem içeriği daha da azalırsa, bu kez

yapışkanlık ve plastiklik de kaybolur, toprak kümeli ve dağılabilir bir duruma

gelir. Dokunulduğu zaman yumuşak bir duygu verir. Sonunda kuru duruma

gelindiğinde toprak sert ve güç dağılabilen bir kitle halini alır ve parmaklar

arasında ovuşturulduğunda sertlik ve pürüzlülük duygusu uyandırır. Kum

bünyeli toprağın kıvamı yoktur. Toprağın nem içeriğine bağlı olarak ortaya çıkan

bu değişiklikler özellikle tınlı ve killi topraklarda çok belirgindir. Kumlu topraklar

ise böyle bir özelliğe sahip olmadıklarından kıvam söz konusu değildir. Kuru bir

toprakta tanecikler yüksek kohezyon kuvvetlerinin etkisiyle birbirlerine çok

yakın temas halindedir, dolayısıyla kuvvetli olarak bir arada tutulurlar. Bir

miktar su verilmesi halinde, toprak tanecikleri adsorpsiyon yoluyla çok ince bir

su filmi ile sarılarak hidrate olurlar. Bu suretle toprak tanecikleri arasındaki

güçlü kohezyon kuvvetleri derhal inimum bir değere kadar azalır. Fakat

hidrasyon suyu kohezyon kuvvetlerine atfedilen bir güçle, bir dereceye kadar

toprak taneciklerinin birbirini çekmesini hizmet etmektedir. Bu çekim, toprak

tanecikleri arasında bir köprü görevi yapan su menisküslerinin oluşmasıyla

ortaya çıkar ve böylece kohezyon kuvvetleri tekrar yükselir. Su zarları büyük

yüzeyler halinde üst üste gelerek temas ettiklerinden pul veya plaka şeklindeki

tanecikler arasındaki yüksek kohezyon kuvvetleri özellikle etkilidir. Maksimum

sayıda menisküs oluşumuna takiben, nem miktarının daha da artması

menisküslerin maksimum bükeylik durumunun bozulmasına yol açar ve toprak

tanecikleri, azalan menisküs bükeyliğine bağlı olarak ortaya çıkan düşük

kohezyon kuvvetlerinden dolayı, giderek artan ölçüde birbirleri üzerinden

kayabilen bir duruma gelirler. Şu halde, çeşitli kıvam durumunda toprağın

deformasyon etkenlerine karşı gösterdiği direnç, doğrudan toprağın içerdiği

nem miktarıyla ilgilidir.

Toprak Kıvam Sınıfları

Toprakların çeşitli kıvam durumlarına büyük önem veren ilk araştırmacı

Atterberg’tir. Toz haline getirilmiş bir miktar kil fazla su ile karıştırıldığı taktirde

viskoz akıcı bir sıvı elde edilir. Daha az miktarda su ile karıştırıldığında ise güç

akabilen fazla viskoz bir macun meydana gelir. Bu macun kurumaya başladığı

takdirde akamayan fakat yapışkan olan bir kitle halini alır ve temas ettiği diğer

cisimlere yapışır. Biraz daha buharlaştırıldıktan sonra yapışkanlık durumu

kaybolur ve kile parmaklara yapışmaksızın kolayca şekil verilebilir. Bu durumda

kil seramik endüstrisince istenilen kıvamda olup, plastiktir. Daha fazla

buharlaştırma kilin şekillendirilebilme yeteneğinin sona ermesine yol açar. Bu

durumdaki kil henüz nemlidir, fakat kil tanecikleri ancak basınç altında

birbirlerine yapışabilir ve bir küme oluşturabilirler. Nemin daha da azalması

sonucunda, bu türlü şekillendirme yeteneği de kaybolur ve materyal, el ile

yoğrularak bu nem düzeyine getirilmiş ise ufalanmış kırıntılı bir durum,

ellemeden kendi halinde kurumaya bırakılarak bu nem düzeyine getirilmiş ise,

sert ve sıkı bir durum kazanır.

Buna göre Atterberg, toprakların gösterebilecekleri aşağıdaki kıvam çeşitlerini

önermiştir.

1) Sulu akışkan kıvam şekli: toprak su gibi kolay akar.

2) Kalın akışkan kıvam şekli: toprak cıvık hamur gibidir ve yerçekimi kuvvetinin

etkisiyle kendiliğinden akar.

3) Viskoz akışkan kıvam şekli: Toprak macun gibidir ve yerçekimi kuvvetinin

etkisiyle akmaz.

4) Plastik kıvam şekli: toprak yoğrulabilir, şekillendirilebilir.

5) Gevşek kıvam şekli: toprak yumuşak ve kümelidir. Granüller hafif bir basınç

altında birbirlerine yapışırlar.

6) Sert kıvam şekli: Toprak serttir. Artık tanecikleri bir arada tutacak, yeterli

miktarda nem içermez.

Atterberg’in bu belirlemelerine dayanılarak daha sonraları toraklarda dört temel kıvam sınıfı

kabul edilmiştir.

1) Yapışkan Kıvam: Islak toprağın yabancı cisimlere yapışması şeklinde kendisini gösterir.

2) Plastik kıvam: Nemi toprağın sıkı ve endüstriyel çalışmaya uygun olduğu durumdur. Toprak

yoğurulabilir, şekillendirilebilir ve verilen şekli koruyabilir.

3) Yumuşak kıvam: nemli toprağın dağılabilirlik veya işlenmeye en uygunluk durumudur.

4) Sert kıvam: kuru toprağın, sert ve sıkı olduğu durumdur.

-

N E M

+

Kuru Sert kıvam: belirgin büzülme çatlakları, işlenince iri kesek oluşumu, kesekler sert ve sıkı, işlenmeye uygun değil.

Nemli Yumuşak kıvam: elastiki dağılabilir, deforme olabilir, ilemeye uygun.

Islak Plastik kıvam: yoğurulabilir, şekillenebilir, işlenince balçıklaşır, kompaktlaşır, işlenmeye uygun değil.

Islak Yapışkan kıvam: vizkoz akışkan, yapışkan, kaygan, işlenemez.

Sert kıvamda toprağın nem içeriği minimum, buna bağlı olarak toprak

tanecikleri arasındaki kohezyon maksimumdur. Bu kıvam durumunda topraklar

belirgin büzülme çatlakları gösterirler, işlenmeye uygun değillerdir.

İşlendiklerinde arazide iri kesekler oluşur ve bu kesekler uzun zaman ıslanma,

kuruma ve donma çözülmeye maruz kalarak dağılabilirler.

Yumuşak kıvamda, toprağın nem içeriği biraz daha fazladır. Artan neme bağlı

olarak toprak tanecikleri arasındaki kohezyon minimuma iner ve toprak

yumuşak (yarı sert) bir kıvam kazanır. Bu durumda toprak, üzerine uygulanan

elastik deformasyon kuvvetleri karşısında dağılarak granülleştiğinden optimum

toprak işleme koşullarını taşır.

Plastik kıvamda, artan neme bağlı olarak toprak tanecikleri arasında oluşan çok

sayıdaki meniskuslar dolayısıyla, toprağın kohezyonu tekrar yükselir ve toprak

sıkı bir yapı kazanır. Fazla miktardaki su meniskusları dolayısıyla toprak, üzerine

uygulanan basınç karşısında tanecikler birbiri üzerinden kolayca kayarak

deforme olur ve belli bir şekil kazanır. Basınç ortadan ortadan kalktıktan ve

kuruduktan sonra bu formunu korur.

Yapışkan kıvamda içerdiği aşırı su nedeniyle toprakta kohezyon tamamen

kaybolarak adezyon kuvvetleri ön plana çıkar. Toprak viskoz akışkan ve yapışkan

bir durumda bulunduğundan işlenmesi söz konusu değildir.

Atterberg Limitleri

Atterberg limitleri, plastik bölgede (zonda) toprak kıvamındaki değişmelerin

tanımlanmasında kullanılan plastik kıvamın başlangıç ve bitim sınırlarını ifade

eden ampirik değerlerdir. Toprakta nemin artmasıyla, gözeneklerde maksimum

sayıda meniskus oluştuğu anda yumuşak kıvam ile plastik kıvam arasındaki nem

değerine ulaşır. Atterberg bunu “Alt Plastik Limit” diye adlandırmıştır.

Kaynaklarda bu ifade yerine genellikle sadece plastik limit yada yuvarlama sınırı

deyimleri kullanılır. Bu sınır değerinde toprak artık dağılabilir durumda olmadığı

gibi, henüz tam plastiklik de göstermez. Plastik kıvam bölgesinde toprakta

kohezyon ikinci kez maksimum değerindedir. Bu bölgenin bitimine doğru artan

nem ile birlikte kohezyonda ani bir düşüş görülür ki, o anda toprakta plastiklik

özelliği kaybolarak, yapışkanlık ve akışkanlık belirtileri başlar. Toprağın

plastiklikten, akışkanlığa geçtiği bu sınır nem değerine de Atterbeg tarafından

“Üst Plastik Limit” adı verilmiştir. Kaynaklarda bu deyim yerine genellikle likit

imit deyimi kullanılır.

Alt Plastik Limit (Plastik Limit) (APL) (PL)

Bir toprak macununun yaklaşık 3-4 mm kalınlığında bir çubuk veya iplik şekline

getirmek üzere avuç içi ile yuvarlandığında çatlayarak ufalanmaya başladığı

anda içerdiği nem miktarı olarak tanımlanmaktadır. Özellikle halloysit ve

montmorillonit killerine ait (PL) sınırların çok olduğu görülmektedir. Kil

minerallerinin plastik limit bakımından kil tiplerine göre gösterdikleri sıra:

Attapulgit>montmorillonit>halloysit.4H2O>halloysit.2H2O>kaolinit

Üst Plastik Limit (ÜPL) veya Likit Limit (LL)

Bir toprak macununun küçük bir dış kuvvet etkisi altında akışa geçtiği andaki

nem miktarı olarak tanımlanabilir. Likit limit nem miktarına ulaşan toprak yoğun

viskoz bir akışkan gibi davranır. Likit limit tayini için Casagrande cihazı kullanılır.

Likit limit değerleri, plastik limit değerlerinin çok üzerindedir. Çeşitli kil

minerallerini likit limit değerleri azalan sıraya göre:

Li-montmorillonit>Na-Montmorillonit>illit>

halloysit.4H2O>halloysit.2H2O>kaolinit

Plastiklik İndeksi (Plastiklik Sayısı)

Plastiklik indeksi, üst plastik limit ile alt plastik limit nem değerleri arasındaki

fark olarak tanımlanır.

PI=LL-PL

Plastiklik indeksi, nem içeriğindeki değişmeler karşısında toprağın gösterdiği

duyarlılığı ifade etmektedir. Plastiklik indeksi değeri küçüldükçe balçıklaşmaya

yol açmadan toprak işleme mümkün olabilmektedir.

PI değerinin büyüklüğü, toprak PL değerinin üzerindeki nemlilik düzeylerinde

işlendiğinde, önemli derecede balçıklaşma tehlikesinin var olduğunu gösterir.

Plastik limit değeri, toprak strüktürü zarara uğratılmadan toprağın

işlenebileceği maksimum nem düzeyini ifade etmektedir. Bu nedenle tınlı ve

killi topraklarda toprağın işlenebilirliğini daha yüksek nem düzeylerine

kaydırmak için organik gübreleme ve kireçleme suretiyle plastik limit nem

değerinin yükseltilmesi, dolayısı ile plastiklik indeksi değerinin düşürülmesi çok

büyük önem taşımaktadır.

Russel PI’nin toprağın 5 µ’dan küçük tanecik miktarıyla doğru orantılı olarak

değiştiğini ve aralarındaki ilişkinin aşağıdaki bigi olduğunu göstermiştir.

PI = 0,6 %C5µ - 12 veya PI = 0,66 × %C2µ - 10

Bu eşitliklerden 5 ve 1 µ’dan küçük tanecik miktarı % 29 ve % 15’den az olan

toprakların plastik olmadıkları anlaşılmaktadır.

PI 15 den büyük olan topraklar çok plastik ve yapışkan, ağır bünyeli toprakları

oluştururlar. Bunların kil içeriği % 28’den fazladır. Daha az yapışkan olan tınlı

toprakların plastiklik indeksi 15 den küçük olup ki oranları % 18 ile 12 arasında

değişir.

Yapışkanlık Noktası (YN)

Su ile hazırlanmış bir toprak macununun yüzeyinde veya içinde çekilen bir

spatüle yapışmaya başladığı andaki nem miktarı olarak tanımlanmaktadır.

Yapışkanlık noktası genellikle plastik kıvam bölgesi içinde yer alır. Bu değer fazla

plastik topraklarda likit limitin biraz aşağısında, az plastik topraklarda ise likit

limitin biraz üzerindedir.

Atterberg Limitlerinin Önemi

Tarımda plastik limit, en uygun toprak işleme için iyi bir gösterge olarak kabul

edilmekte ve kullanılmaktadır. Teorik olarak toprak işlemenin plastik limitin

yakınında fakat biraz altındaki nem düzeyinde yapılması gerekmektedir.

Atterberg Limitlerini Etkileyen Faktörler

1) Kil Miktarı: Toraktaki kil miktarı arttıkça lastik limit daha küçük oranda, likit

limit ise daha büyük oranda arttığından buna bağı olarak PI artmaktadır.

Tekstür kabalaştıkça PI değeri giderek küçülür. Kil içeriği % 15-20’den daha az

olan topraklarda plastiklik özelliği görülmez.

2) Kil minerallerinin tipi

3) Değişebilir katyonlar: Değişebilir K her 2 plastiklik limitinin ve PI azalmasına

neden olmaktadır. Buna karşılık Na her 2 plastiklik limitini azaltmakla beraber

PI’nin artmasına yol açmaktadır. Değişebilir Ca ve Mg ise her 2 plastiklik limitini

yükseltmekte fakat plastik limit değerini daha fazla yükselttiğinden PI’ni

düşürmektedir.

4) Organik madde miktarı: toprağın OM içerği her 2 plastiklik limitini ve

yapışkanlık noktası değerini çok önemli derecede yükseltmekte fakat PI’ni aynı

öcüde etkilememektedir. Bundan dolayı OM miktarı arttıkça torağın

işlenebilirlik imkânı artmaktadır.

Aktivite Sayısı

Aktivite deyimi, plastik topraklar için kullanılan bir deyim olup değişen nem

durumlarında hacimde meydana gelen değişme eylemini gösterir. Toprağın

aktivitesi arttıkça genellikle hacim değişmesi de oluşur. Bu değişmeyi etkileyen

suyun miktarı, mevcut kolloidal kil tanelerinin tip ve miktarına ve katyonların

cinsine önemli ölçüde bağlıdır.

Skempton’a göre A=PI

% < 0,002 mm

A: aktivite sayısı PI: Plastiklik indeksi ve 2 µ’dan küçük taneciklerin ağırlıkça

yüzdesi

A Kuvars 0 Kalsit 0,18 Muskovit 0,23 Kaolinit 0,46 İllit 0,90 Ca-montmorillonit 1-5 Na-montmorillonit 7-7,5

Killerin Hassaslığı

Hassaslık, yoğrulmaktan dolayı killerin kıvam değiştirerek direncinin düşmesidir.

Killer su kapsamı aynı kalmak üzere yoğurulduğu zaman sertliğinin ve direncinin

bir kısmını kaybeder. Nedeni kesin olarak bilinmemekle beraber bu durumun

yoğurulma sonunda taneler arasındaki bağlayıcı kuvvetlerin kalkması ve

oluşturduğu küme yapının bozulmasından ileri geldiği sanılmaktadır.

Killerin hassaslığı örselenmemiş haldeki serbest basınç direncinin yoğurulmuş

haldeki serbest basınç direncine oranı olarak ölçülür.

Hassaslık

<2 Hassas değil

2-4 Orta derecede hassas

4-8 Hassas

8-16 Çok hassas

16-32 Az akıcı

32-64 Orta derecede akıcı

>64 Akıcı

Kompaksiyon (toprak sıkışması)

Dinamik bir yük altında toprak taneciklerinin diziliş düzeninin bozularak

birbirlerine daha yakınlaşmaları sonucunda toprağın hacim ağırlığının artması

şeklinde tanımlanabilir.

Toprak kompaksiyonu ilk planda toprağın makropor hacminin azalmasına iç

gözenek sürekliğininin bozulmasına yol açmaktadır. Araştırmalar, bitki

köklerinin kendi çaplarından daha küçük gözeneklerden geçemeyeceğini ve

kompakte olmuş tabaka içinde büyürken köklerin, geçebilecekleri gözenekleri

genişletmek zorunda oldukları, bu sırada katı taneciklerin yer değiştirdiği,

bunun için de toprağın mekanik direncini aşan bir basınç kuvveti uygulandığını

göstermektedir. Torak kompaksiyonu hava ve suyun hareketini de

engellemekte, böylece kök gelişimi büyük ölçüde sınırlanmaktadır.

Toprak kompaksiyonunu önlemek için en iyi yaklaşım tav durumu üzerindeki

nemlerde toprak işlemesinden kaçınmak, toprağa basınç yapan işlemleri

azaltmak veya kaldırmaktır. Bunun için toprak işleme sayısını azaltmak, toprak

tavını dikkat etmek ve gerekli işlemleri bir kerede bitirmek yararlı olacaktır. Son

yıllarda sıfır toprak işleme ve azaltılmış torak işleme gibi yeni yöntemler bu

amaçla ortaya çıkmıştır. Sıfır toprak işlemede toprak hiç işlenmeden, tohum

uygun bir mibzerle doğrudan ekilir.

Mühendislik çalışmalarında toprak setlerinin, dolgularının, yol zeminlerinin,

büyük yapı temelleri ve benzerlerinin sıkıştırılmasına gerek duyulmaktadır. Bu

durumda kompaksiyon işlemleri torağın dayanıklılık ve yükleme kapasitesini

arttırmak, geçirgenlik ve sıkışabilirliğini azaltmak amacıyla kullanılmaktadır.

(sıkışabilirlik: kompressibilite: yük altında toprağın sıkışarak hacminin

küçülmesi)

Toprağın sıkıştırılmasında genellikle 3 tip kompaksiyon testi yapılır.

*Darbe *yoğurme *titreşim

Kohezyonsuz topraklar (kumlu) vibrasyonla kompakte edilir. Statik yükleme

gevşek kumda kompaksiyon sağlamaz. Orta ve ince kumlar nemli iken, kapillar

kuvvetler kayma direncini oluşturduğundan kolay kompakte olmazlar. Bu

nedenle kumlar kuru halde veya tamamen su içerisinde vibrasyon ile kompakte

edilirler. Buna karşılık kil vibrasyon ile sıkıştırılamaz. Kilin kompaksiyonunda

mutlaka basınç gereklidir.

Toprak Sıkışmasınının Mekanizması

Havada kuru toz halindeki bir toprağın kolayca sıkıştırılması ve yüksek bir kütle

yoğunluğuna ulaştırılması mümkün değildir bu toprağa az miktarda su ilave

edildiği takdirde genellikle daha kolaylıkla ve daha yüksek kütle yoğunluğuna

sıkıştırılabildiği görülür. Toprak sıkışması ile nem içeriği arasında sıkı bir ilişki

bulunmaktadır. Belli bir sıkıştırma enerjisinin (traktör lastiğinin geçişi gibi) etkisi

altında bir toprağın maksimum düzeyde sıkışabilmesi için toprağın belli bir

miktar ne içermesi gerekir.

Çok düşük toprak nemi durumunda sıkıştırma enerjisinin yol açtığı sıkışmada

düşük olmaktadır. Yani uygulanan sıkıştırma enerjisi toprak kütlesi içerisindeki

tanecikleri yer değiştirmekte fazla etkili olamamaktadır. Bunun nedeni, düşük

nem düzeyinde toprak-su karışımının viskozitesinin veya toprak tanecikleri

arasındaki kohezyonun ve tanecikler arasındaki sürtünme direncinin çok yüksek

olmasıdır.

Toprağın nem içeriği belli bir düzeye ulaşıncaya kadar arttıkça, sıkıştırma

etkeninin neden olduğu sıkışma da artmaktadır. Fakat bu artış gittikçe azalan

oranlarda meydana gelmekte ve bir noktadan sonra sıkışma azalmaya

başlamaktadır. Makroporlarda kalan toprak havası ile birlikte toprak

taneciklerinin çevresinde ve mikroporlarda yer ala toprak nemi daha ileri bir

sıkışmaya izin vermeyecek derecede karşı basınç geliştirdiği noktada maksimum

sıkışma elde edilmektedir. Maksimum sıkışmanın meydana geldiği nem

düzeyine “optimum nem” denilmektedir. Optimum nemin üzerindeki artışlar,

saturasyon noktasına kadar sürekli azalan bir sıkışma sonlanır, saturasyon

noktasında sıkışma miktarı sıfırdır.

Belli bir sıkışma enerjisi altında optimum nem düzeyinde toprağın

kazanabileceği en yüksek yoğunluğa “maksimum kütle yoğunluğu” adı

verilmektedir. Optimum nem miktarı ile maksimum kütle yoğunluğu değerleri

torağın sıkışma parametrelerini oluşturmaktadır. Belli bir sıkıştırma enerjisi

altında farklı topraklar farklı sıkıştırma parametreleri gösterdiği gibi, farklı

sıkıştırma enerjisi etkisi altında aynı toprağın sıkışma parametreleri de farklı

olur.

Aynı sıkıştırma enerjisi altında tekstür inceldikçe elde edilen maksimum kütle

yoğunluğu azalır, optimum nem miktarı ise artar. Bundan dolayı kumlu

topraklar daha az nemli iken maksimum düzeyde sıkışabilirken, killi topraklar

daha fazla neme ihtiyaç duyarlar. Toprak sıkışmasında optimum nem miktarı,

atterberg kıvam limitlerinden APL dolaylarında bir neme karşılık gelmektedir.

Kompaksiyonu etkileyen toprak özellikleri

Toprak nemi dışında sıkışmayı etkilediği saptanmış olan başlıca toprak özellikleri

şunlardır:

*Tekstür

*Organik madde miktarı

*Suya dayanıklı agregatların miktarı

*Toprak pH’sı ve kireç içeriği.

Toprak tekstürü inceldikçe, organik madde, kireç ve suya dayanıklı agregatlar

miktarı arttıkçamaksimum kuru kütle yoğunluğu azalmakta ve buna karşılık

gelen optimum nem miktarı artmaktadır.

Sıkışma derecesi

Kompaksiyon derecesi diye de ifade edilmektedir. Kompaksiyon derecesi: belli

bir sıkıştırma enerjisinin etkisinde kalan bir toprağın, porozitesinde meydana

gelen oransal kayıp şeklinde tanımlanabilir.

Kd=n-nmin

n

Kd: kompaksiyon derecesi (boyutsuz)

n: doğal durumdaki toprağın porozitesi (%)

nmin: sıkışmış toprağın porozitesi (%)

Konsolidasyon (oturma, pekişme katılaşma)

Toprağın basınç altında hacminin küçülmesi olayına konsolidasyon adı verilir.

Toprağın veya zeminin boşlukları içinde bulunan havanın yerine tanelerin

kayması sonucu meydana gelen hacimsel azalmaya kompaksiyon, boşluklarda

bulunan suyun sızmasına bağlı olarak meydana gelen hacim azalmasına da

konsolidasyon adı verilir.

Toprak gözeneklerinde bulunan su, uygulanan basınç ile toprağı terk eder.

Basınç arttırılırsa toprak taneciklerine bağlı su (adsorbe su) da toprağı terk eder.

Toprak üzerine uygulanan basınç sonucunda toprakta bazı gerilmeler ve

değişmeler meydana gelir. Genellikle geriye gelen şekil değiştirmelerine elastik

şekil değiştirmesi, kalıcı olanlara ise plastik şekil değişimleri denir.

Bu değişimler;

1 Elastik Deformasyon: yük uygulaması sonucunda, toprağın porozitesi azalır.

Toprakta yatay bir genişleme meydana gelir. Bu olay genellikle yüksek organik

madde içeren muck-peat gibi organik topraklarda görülür. Üzerindeki yük

kalkınca toprak eski haline döner.

2 Plastik Deformasyon: bir zemin veya toprağa basınç uygulanması ile zeminin

veya toprağın yatay olarak akışı veya yer değiştirmesi söz konusudur.

Uygulanan basıncın ortadan kalkması durumunda zemin veya toprak eski şeklini

almaya çalışacaktır. Bu deformasyon şekli genellikle PL değerine yakın nem

içeren topraklarda ve özellikle killi topraklarda görülür. Uygulanan yükün şeklini

alan toprağın üzerinden bu yük kalkınca, toprak eski haline dönmez. Örneğin

killi-çamurlu bir ortamda yapılan yürüyüşte toprak ayakkabının kenarından

dışarı taşar.

3 Kompresif deformasyon: Uygulanan basınç ve yük sonucu topraktaki mevcut

su dışarı çıkar, hava boşalır ve toprağın boşluk hacminde bir azalma olur. Toprak

uygulanan yükün şeklini alır ve kesin geriye dönüş olmaz. Toprağın bu özelliğine

kompressibilite (sıkışma) özelliği denir.

Uygulanan basınç, toprak direncini aşacak olursa germe ve kayma

deformasyonları meydana gelir. Kohezyonlu ve kohezyonsuz topraklarda

topraklarda sıkışma olayı birbirinden farklıdır. Sıkışma olayında toprak

tanecikleri yer değiştirerek daha sıkışık bir duruma geçerler. İşte bu yer

değiştirmeyi engelleyen faktörler aynı zamanda toprakların sıkışmasını

zorlaştıran faktörlerdir. Örneğin toprak tanecikleri arasındaki suyun varlığı,

sıkışmayı zorlaştırır. Bu nednele suyun topraktan uzaklaştırılması, daha sonra

toprak taneciklerinin bu boşluklara girmesi sağlanmalıdır.

Genel olarak plaka (levha) şeklinde ince taneciklerden oluşan topraklar ve

özellikle de killer yuvarlak ve iri taneli toprak olan kum ve çakıllara göre daha

büyük oranda sıkışmaya uğramaktadırlar. Kumlarda sıkışma, boşluk oranı

arttıkça artmaktadır. Killerde ise sıkışma miktarı genel olarak toprağın doğal su

içeriğine bağlı olarak artmaktadır.

Kumların sıkışma davranışını etkileyen en önemli faktör arazi sıkışıklık derecesi

olmaktadır. Kum tabakalarından bozulmamış toprak örneği almak çok güç

olduğundan kumlar için sıkılık analizini laboratuvarda benzer sıkılık derecesine

sahip örnekler kullanılarak yapılır. Kum bünyeli topraklar veya zeminler su

altında kaldığı zaman içyapısı çökmekte ve yük uygulandığında büyük sıkışmaya

uğramaktadırlar. Başlangıçta boşluk oranı çok yüksek olan lös ve benzeri

materyaller su altında kalınca büyük oturmalar gösterirler. Bu nedenle bu tür

zeminlerin üzerinde yapılacak inşaatlarda çok dikkatli olunmalıdır.

Milli topraklar genel olarak ince kumlara benzer benzer bir davranış şekli

gösterirler. Göçme olayına millerde daha sık rastlanılır. Ancak millerden yapısı

bozulmamış örnek almak daha kolay olduğu için laboratuvar analizlerine dayalı

yorum yapılabilmektedir.

Konsolidasyon olayında oturmanın miktarı ve oluş hızı önemlidir. Oturma

miktarı zeminin veya toprağın kompressibilite yanı sıkışma özelliğine bağlıdır.

Oturma hızı ise kompressibilite yanında toprağın permeabilitesi yani

geçirgenliğine de bağlıdır. Bu iki toprak özelliği topraklara ait konsolidasyon

katsayısı olarak tanımlanır. Konsolidasyon teorisinde (denkleminde), toprak

materyalinin veya zeminin tamamen su ile doygun olduğu, drenaj olayının

sadece düşey doğrultuda meydana geldiği, ince daneli toprak veya zeminler için

Darcy yasasının geçerli olduğu, danelerin sıkışmadığı, konsolidasyon süresince

toprak içinde herhangi bir yatay düzlem üzerindeki toplam gerilmelerin sabit

kaldığı, zeminin veya toprağın yatay olarak genişlemediği varsayılır.

Şev Stabilitesi

Yatayla bir açı teşkil eden, doğal veya yapay şekilde oluşmuş toprakların eğimli

durumuna “şev” denir. Bu eğimli toprak kitlesinin düzgün bir yüzeye sahip

şekilde denge durumunda bulunmasına toprak mekaniğinde şev stabilitesi

denilmektedir.

Doğal veya yapay olarak oluşan kazı ve dolgu şevlerinde toprağın stabilitesi

doğrudan doğruya kayma direncine bağlıdır. Bir toprak içindeki kayma

gerilmeleri belirli bir kritik değerden daha fazla arttırıldığında toprak kitlesinde

çatlama, deformasyon ve kopmalar meydana gelir.

Mühendislik yönünden şev stabiliteleri iki durumda incelenmektedir.

*Doğal yamaçlarda oluşan büyük çaptaki toprak kayması nedenlerinin

araştırılması

*Yapay olarak inşa edilen yarma ve dolgu şevlerinin kayma ihtimaline karşı şev

emniyetinin sağlanmasıdır.

Gerek büyük çaptaki doğal şevler ve gerekse yapay olarak inşa edilen yarma ve

dolgu şevlerdeki kar, yağmur, don ve rüzgar gibi erozyon etkileri ile bazı

durumlarda ırmak göl veya deniz kıyılarında suların alttan oyma tesirinin etkisi

görülebilir. Bir şevin stabilitesinin bozulmasının esas nedenleri, yerçekimi

dolayısıyla toprağın kendi ağırlığı ile bazı durumlarda üzerindeki ilave yük

bulunması ve/veya sızan suyun hidrolik etkisinden dolayı oluşan oturma ve

kaymalardır.

Kayan ve kaymaya hazır şevlerde stabilitenin temininde genel olarak şu

çalışmalar yapılır.

Dış dayanakların temini: şevlerde küçük kaymaların önlenmesi, şev topuğunun

önüne engel konularak sağlanabilir. Bu ise topuk boyunca istinat duvarı inşaat

etmek veya topuğa ağır bir dış yükleme yapmak sureti ile sağlanabilir.

Kaymaya sebep olan toprak kitlesinin ağırlığının bir kısmının kaldırılması: şevin

tepesinde kaymaya müsait toprak miktarı azalırsa hem toprak kitlesinin kendi

ağırlığı, hem de kayma yüzeyi daire merkezine olan moment kolu mesafesindeki

küçülme ile moment değeri azalır.

Kayma dairesi yüzeyinin oluştuğu toprak kitlesi içerisinde toprak direncinin

arttırılması: şevlerde stabilitenin bozulmasının en önemli etkenlerinden biri

özellikle kohezyonlu topraklarda su içeriğinin artması ve dolayı ile toprak

direncinin zayıflamasıdır. Yapılan araştırmalardan toprak su içeriğindeki

azalmanın toprağın kayma direncinde ani ve önemli artış sağladığı

bilinmektedir. Bunu sağlamak içinde

1) Uygulanacak yeraltı drenaj sistemi ile boşluklardaki suların uzaklaştırılması

2) Yüzeysel suların toprak tarafından infiltre edilmeden eş yükselti eğrilerine

paralel uygun çevre drenaj sistemi ile uzaklaştırılması sağlanmalıdır.

Şevlerde bitkisel örtüleme çalışmalarıdır: Bitki ve bitki topluluklarının stabilite

amaçlı kullanıldığı bir yöntemdir.