1. zemin mekaniĞİ ve temel iNŞaati biLGİleri
Yüklə 296,48 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 1.1 GENEL BİLGİLER
ÖNSÖZYapıların en önemli bölümünü oluşturan Temellerin statik hesabı inşaat mühendisliğinin en karmaşık konularından biridir. Son yıllarda zemin mekaniği alanında görülen hızlı gelişmeler, temel problemlerinin modern hesap metotları ile çözülmesini zorunlu kılmıştır. Temel problemlerinde modern zemin mekaniği bilgilerinin, yapı sisteminin statik çözümü ile birleştirilerek yürütülmesi işi oldukça yeni sayılır. Bununla birlikte modern zemin mekaniği ışığı altında geliştirilen yeni metotlar artık tamamen uygulama alanına girmiştir. Böylece temellerin projelenmesinde eski basit metotlar yerine zemin karakteristikleri ve yapı rijitliğini hesaba katan yeni metotlar kullanılır olmuştur. GİRİŞ Bilindiği gibi temellerin görevi, üst yapıdan gelen yükleri temel zeminine aktarmaktır. Temel zemini öteki yapı bölümlerine benzer biçimde, üst yapının etkisi altındaki bölgelerde gerilme ve şekil değiştirmeye uğrar. Yapı ile temel zemini arasında kuvvetlerin aktarılma biçimi, büyüklüğü, doğrultusu ve dağılımına veya yapı ile zemin arasındaki sınır yüzeye bağlı olmayıp, aynı zamanda zemin ve yapının çok farklılık gösteren fiziksel özelliklerine de bağlıdır.bir yapı projesinin planlanması sırasında, amaca en uygun düşen temel biçiminin seçimi üzerinde ne kadar durulsa azdır. Pek çok durumda beklenen oturmaların, yapının taşıyıcı sistemine etkisi önemlidir. Temel zeminin özelliklerinin yeteri kadar bilinmediği yerlerde sağlıklı bir zemin araştırması yapılarak tüm temel zemini sorunları gerçeğe uygun olarak aydınlanabilir. Araştırmaların tümü için yapılan harcamalar, sonunda bizi ucuz çözümlere götüreceğinden, gider fazlası olarak düşünülemez ve sonunda daima ekonomik sonuçlar elde edilir. 1.ZEMİN MEKANİĞİ VE TEMEL İNŞAATI BİLGİLERİ 1.1 GENEL BİLGİLERÜzerindeki yapıdan gelen yükleri, kendi ağırlığı ile birlikte güvenlikle taşıyan ve bu yükleri yapıya zarar vermeyecek ölçüde oturmalarla temel zeminine aktaran yapı bölümlerinin tümü TEMELLER adı altında toplanır. Öncelikle temel sistemleri, her bölümündeki oturmalar üniform olacak biçimde düzenlenmelidir. Çünkü ancak bu durumda yapıdaki ek zorlamalara ve bunun sonucu olarak ortaya çıkan çatlaklara engel olunabilir. Temel zeminindeki oturma farklarına kolayca uyabilen yapılara fleksibl yapılar, oturma farklarına uyamayarak ek zorlamalar doğuran yapılara da rijit yapılar denir. Bu nedenle belli bir yapı sistemine karar vermeden önce, oturma yönünden fleksibl bir yapının, rijit davranışlı bir yapıya oranla daha az duyarlı olduğuna dikkat etmek gerekir. Bu nedenle şüpheli zeminler; üzerine yapılacak yapıları fleksibl olarak tasarlanmaya veya çatlak ve mafsallar aracılığı ile bölümlere ayrılmaya, demek ki izostatik olarak yataklanmaya zorlarlar. Böylece fazla duyarlı yapıların temellerine özel bir özen gösterilmesi gerektiği kendiliğinden anlaşılır. Bunun sonucu olarak şüpheli zeminler üzerine yapılacak yapı ve temellerinde ekonomik çözümler elde edilemez. Çeşitli zemin tabakalarına oturtulmuş geniş yapı kesimlerinde veya üzerindeki hareketli yükün çok değiştiği yapılarda, yapı oturmaları üniform olmayıp birbirinden farklı olabilir. Böyle durumlarda çatlakların ve ek zorlamaların oluşmasına engel olmak için oturma derzleri düzenlenmesi yoluna bile gidilir. Bu derzlerin düzenlenmesi; normal koşullar altında kolay olmasına karşın, yer altı su düzeyi altında bulunan temellerde, sızdırmazlık yönünden özel bir özen gösterilmesini gerektirir. Temeller, uygulamada karşılaşılan çeşitli durumlara göre çeşitli biçimlerde yapılırlar. Temel zemininin yapısı ve özellikleri ile üst yapının karakteristikleri temel biçiminin seçiminde ana öğelerdir. Taşıma yetenekli (sağlam) zemin yüzeye yakınsa, bu durumda yükleri zemine yüzeye yakın yerlerde aktaran yüzeysel temeller (tekil sömeller ve sürekli alan temelleri) uygulanır. Eğer taşıma yetenekli zemin derinde ise, yapı yüklerini zemine derinde aktaran derin temeller (kuyu temeller, kazık temeller ve basınçlı hava temelleri vb.) ‘in uygulanmasına geçilir. Ayrıca temeller yükü zemine aktarma biçimlerine göre de; yükü zemine taban alanları ile aktaran alan temelleri (tekil ve sürekli alan temellerinde olduğu gibi hem yüzeysel, kuyu ve keson temellerde olduğu gibi hem de derin olarak yapılabilen), yükü zemine bir kazık veya kazık grubu ile aktaran kazık temeller olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir. Yer altı suyunun yüksekliği temel derinliğinin seçimine, temel derinliği de temel çukuru tabanının derinliği ile temel çukuru yanlarının dik veya eğimli olmasına önemli ölçüde etki eder. Bu nedenle yer altı suyunun yüksek olmasından ötürü, oldukça yüzeysel temellerin bile bazen ekonomik olduğu görülmüştür.
1.2 ZEMİN MEKANİĞİ BİLGİLERİ Bir yapının inşa edilmesi, en geniş anlamda zemindeki dengenin bozulması yönünde hareketsiz bir duruma müdahale anlamına gelir. Bu müdahale sonucunda temel zemininde varolan denge bozulur. Yeni durum karşısında yeniden denge kurulması için zeminde bazı değişiklikler ortaya çıkar. Temel zemini davranışının yeterince anlaşılabilmesi için, onun fiziksel özelliklerinin iyi bilinmesi gerekir. Ayrıca yapı sisteminden gelen yeni yükler zeminde stabilite güvenliğinin kontrolünü gerektirir. Böylece yapı sisteminin güvenlik altına alınması ve zararlardan kaçınılması sağlanabilir. Tüm bu sorunlarla Zemin mekaniği bilimi uğraşır. Zemin mekaniği iki ana bölüme ayrılabilir. Zemin mekaniğinin arazide ve laboratuarda teori, deney tekniği, yapı pratiği ve bunlardaki en son gelişmeleri içine alan bölümünün fizik ve jeoloji dalları ile yakın ilişkisi vardır. Zemin mekaniğinin özellikle zemin malzemesine ilişkin dayanım ve stabilite konularını inceleyen bölümü toprak statiği olarak ta adlandırılabilir. Zemin mekaniğinin bu bölümü, klasik statik ve cisimlerin dayanımı bilim dalları ile ilişkilidir. 1.2.1 TEMEL ZEMİNİNİN TANIMI VE JEOLOJİK OLUŞUMU Temel zemini; masif kaya ve kayaların parçalanarak gelişmesinden doğan ufak daneciklerin yığınından oluşmuştur. Yapı mühendisleri yer kabuğunu oluşturan malzemeleri bazen zemin ve kaya olarak iki grupta da toplarlar. Fakat bu ayırım, kayalar ile zeminler içindeki mineral daneciklerini birbirine bağlayan kohezyon kuvvetlerinin derecesinin kesin bir sınırı olmaması nedeni ile keyfidir. Bunun için genel bir ayırım vermek güçtür. Örnek olarak jeologlar, kaya terimi ile yer kabuğunu oluşturan tüm malzemeyi anlar ve onlarca mineral daneciklerinin birbirine az veya çok bağlı olmasının önemi yoktur. Buna karşılık, zemin terimi ile ancak yer kabuğunun bitki yetişmesine elverişli bir bölümü amaçlanır. Buna göre yapı mühendisleri; diğer konularda çalışan kimseler tarafından toplanmış bilgileri kullanırken, zemin ve kaya terimlerinin hangi anlamda kullanıldığını bilmek zorundadırlar. Zeminlerin, kayaların ayrışarak parçalanmasından oluştuğunu söylemiştik. Bu ayrışma işlemi fiziksel ve kimyasal yollarla olmaktadır. Yer yüzünün yüzeysel bütün kayaları; don, yağmur ve ısı değişiminin yıkıcı etkileri ile rüzgar, buz, yerçekimi ve akarsuların sürükleme etkilerine uğrar. Zeminin çeşitli oluşum araçlarından en önemlisinin akarsular olduğu bilinir. Akarsular bir göl veya denize ulaştıklarında, taşınan zemin daneleri suyun hızı yeter ölçüde azaldığında; önce büyük, sonra küçük daneler olmak üzere derecelenerek çökelir. Böylece, jeolojik bakımdan daha genç akarsular ile akarsu yataklarının üst kesimlerinde çoğunlukla kaba kum ve çakıllar bulunur. Buna karşılık, eski akarsularda ve alt kesimlerde silt ve killer çoğunluktadır. 1.2.2 ZEMİN TÜRLERİNİN TANINMASI VE SINIFLANDIRILMASI Genel olarak zeminlerin sınıflandırılması, değişik görüş noktalarına göre çeşitli şekillerde yapılabilir. 1.2.2.1 Zeminlerin, içindeki maddelerin orijinlerine göre sınıflandırılması:
1.2.2.2. Zeminlerin, oluşumlarındaki danelerin büyüklüklerine göre sınıflandırılması: Genellikle kullanılan bütün sınıflandırma sistemleri zeminlerin dane büyüklüğüne göre sıralanması ilkesine dayanır. Buna göre zeminler üç gruba ayrılır;
Doğal olarak zeminler, çeşitli çaptaki danelerin karışımından oluşmuştur. Bir zeminin özelliği, içindeki baskın gelen (hakim) dane çapına önemli ölçüde bağlıdır. Dane çapı dağılımı; normal olarak mekanik analizle, çok küçük daneler de ıslak analizle bulunabilir. Dane çapları dağılımının bulunmasındaki ana amaç, belirli çap sınırları arasında bulunan daneleri kapsayan çeşitli bölümler için, bir adlandırma sisteminin bulunmasıdır. Dane çapı sınıflandırılmasında, ana bölümlerin sınır çapları az çok birbirinden değişik sistemler ileri sürülmüştür. Bunlar içinde M.İ.T. sistemi olarak bilinen ve ana bölüm sınırlarının aşağı yukarı zemin özelliklerindeki önemli değişikliklere karşılık olan sınıflandırma sistemi, mühendislik konularına en uygun düşeni olarak bilinir. Tablo1.Dane çapı sınıflandırması Kum, silt ve kil karışımından oluşan zeminlerin adlandırılmasında kullanılan bir sistem olması bakımından Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı tarafından ortaya atılan üçgen diyagram sistemini belirtmeden geçemeyeceğiz. Burada eşkenar bir üçgenin kenarlarında kum, silt ve kil yüzde olarak işaretlenmiştir. Bu diyagram basitleştirilmiş şekliyle Şekil 1.1 de gösterilmiştir. Şekildeki S noktası içinde % 50 kil, % 30 silt ve % 20 kum olan bir zemini gösterir. Şekil .1.1 Zemin adlandırma sistemi Bununla birlikte, yalnızca dane boyutuna bağlı olarak verilen sınıflandırma sistemleri her zaman doğru sonuçlar vermez. Çünkü zeminlerin çok ince daneciklerinin fiziksel özellikleri, dane çapından başka birçok faktöre de bağlıdır. Bu nedenle, temel tekniği bakımından zeminlerin sınıflandırılmasında birkaç sınıflandırma sistemi birlikte düşünülmelidir. 1.2.2.3 Zeminlerin Temel Tekniği Görüş Noktasına Göre Sınıflandırılması (DIN 1054 – 1976 ‘ ya göre) Temel zemini, yapı yükleri altındaki değişik davranışları nedeniyle genel olarak; gelişmiş zeminler, dolma zeminler ve kayalar olmak üzere üç grupta incelenebilir: 1.2.2.3.1 Gelişmiş (Doğal Gelişimli) Zeminler Bir zemin, eğer sona ermiş jeolojik olaylar sonucunda oluşmuşsa, “Gelişmiş (doğal gelişimli) zemin” olarak adlandırılır. Gelişmiş zeminler dane büyüklüklerine göre, kil, silt, kum ve çakıl olarak sıralanır. Gelişmiş zeminleri, fiziksel özellikleri ve yapı yükleri altında farklı davranışları nedeni ile, danecikleri arasında bağlantı olmayan “Bağlantısız (kohezyonsuz = daneli) zeminler”, danecikler arasında bağlantı bulunan “Bağlantılı (kohezyonlu) zeminler” ve organik zeminler olmak üzere üç gruba ayırmak gerekir.
Bağlantısız zeminler; 0,06 mm den küçük boyuttaki danelerin ağırlıkça tutarı % 15 den fazla olmayan kum, çakıl, taş ve bunların karışımları gibi zeminlerdir. Bu zeminlerin taşıma yeteneği kural olarak çok iyidir. Bağlantısız zeminlerin taşıma yeteneği özellikle tekil danelerin biçimi, büyüklüğü ve yerleşim sıklığına bağlı olarak belirlenir.
Bağlantılı (kohezyonlu)zeminler; 0,06 mm den küçük boyuttaki danelerden oluşan bağlantılı zemin bölümü ağırlıkça %15 den fazla olan kil, silt, killi silt ve bunların bağlantısız zeminlerle karışımları (ince kısmı fazla olan daneli zeminler; örneğin, kumlu kil, kumlu silt , lem ve marn) gibi zeminlerdir. Bağlantılı zeminlerin taşıma yeteneği onun jeolojik oluşumuna bağlı olup. Zeminin bir araya gelişine ve konsistansına göre daha geniş sınırlar içinde bulunur.
Organik zeminler; turba veya çürük çamur gibi organik zeminler ile bağlantısız ve bağlantılı zeminler hayvansal ve bitkisel orijinli organik karışımlarla oluşturdukları zeminlerdir. (örneğin, humuslu kum, çürük kum veya turbalı kum organik silt veya organik kil, balçık) bu zeminler, organik bölümlerinin sıkışabilirliği fazla olması nedeniyle kullanılmaya hiç elverişli değillerdir. 1.2.2.3.2. Kayalar Genellikle kaya denilince masif kayalardan oluşan zeminler anlaşılır.kayanın temel tekniği özellikleri, kaya türleri arasında fark gözetilmeksizin, genellikle öteki temel zemini türlerinden daha elverişlidir. Bizzat dağılmış kaya, eğer serbest yarık ve delikte üniform özellik ve yeteli kalınlıkta bulunursa, çok iyi bir temel zemini oluşturur. Tabakalı veya faylı kayalarda, önemli ölçüde yatay yükler taşınıyorsa veya şev düzeltilmesinde heyelan tehlikesi varsa, kural olarak özel araştırmalar yapmak gereklidir. 1.2.2.3.3. Dolma Zeminler Dolma zeminler sözüyle, sonradan dökülerek doldurulan zeminler ile akarsular tarafından oluşturulan dolma zeminler amaçlanmaktadır. İki sınıfa ayrılır: a) Sıkıştırılmamış dolgular: herhangi bir biçimde bir araya getirilmiş olup, sıkıştırılmamış dolgu zeminlerdir. Sıkıştırılmamış dolmalar bağlantısız zemin türlerinden oluşuyorsa derin sarsma yöntemi ile sıkıştırılabilir. b)Sıkıştırılmış dolgular: bağlantılı, bağlantısız veya organik dökülerden oluşan, yeterli ölçüde sıkıştırılmış dolma zeminlerdir.(örneğin, yapı döküntüsü, curuf, maden artıkları) Sıkışma yeteneği olan dolgu zeminler, modern ve yüksek sarsma kapasiteli sıkıştırma tekniği yardımı ile olağan üstü derecede yüksek bir yerleşim sıkılığına getirilebilir. Böylece bu zeminlerin temel tekniği açısından özellikleri, en az doğal olarak yerleşmiş zeminlerinkine eşit duruma getirilebilir. Hatta kural olarak onların üzerine çıkabileceği söylenir.
Bu zemin özelliklerinin bulunması işlemi ister istemez temel zeminin yerindeki hacmine göre ihmal edilebilecek oranda küçük ölçülerdeki zemin örneklerinin alınması, taşınması ve laboratuarda deneyin hazırlanması sırasında örnekte bir miktar bozulma (örselenme) olabileceğinden, laboratuarda bulunan zemin özellikleri gerçektekinden az çok farklı olmaktadır. Bu nedenle malzeme denemeleri deney sonuçlarındaki rapor değerlerinden zeminin fiziksel tanım değerleri elde edilemez. Bununla birlikte elde edilen tanım sayılarının büyüklük sıralamasının, doğru belirleme yapmaya elverişli olduğunu deneyimle göstermiştir. Zemin mekaniği hesapları için tanım sayılarından yararlanmada yalnız bir gerçek göz önüne alınmakla kalınmaz, aynı zamanda elde edilen değerlerin gerilme durumlarına bağlı olup olmadığının veya hangi ölçüde bağlı olduğunun kontrol edilmesi gerekir. Zeminlerin deneyler aracılığı ile elde edilen en önemli fiziksel özellikleri Tablo 1.1 de topluca verilmiştir. Bir zeminin temel tekniği yönünden değerlendirilmesinde, zeminin tek başına bir fiziksel özelliğinin deneysel olarak bulunması hiçbir zaman yeterli değildir. Burada genellikle zemin türüne göre en az aşağıdaki özelliklerin bilinmesi gereklidir:
Zemin, büyük bir çoğunluğunu kayaların kimyasal veya fiziksel bozuşması ile oluşmuş katı daneler ile daneler arasını dolduran sıvı (su) ve/veya gazın (hava) oluşturduğu bir malzeme olarak tanımlanabilir. Katı-sıvı-gaz fazının bir arada bulunması, katı daneciklerin çok farklı boyut, şekil, fiziksel ve kimyasal yapıda olabilmesi zemini diğer malzemelerden farklı ve zor kılar. Zeminlerin basit laboratuar deneyleri ile bulunan bazı fiziksel özellikleri, mühendislik özelliklerine ışık tutar ve zeminlerin tanımlanması ve sınıflandırılmalarında kullanılır. Bunlara “indeks özellikleri” denir. 1.2.3.3. Zeminlerin Dane Boyutları ve Dane Boyut Dağılımı Zeminlerin en basit indeks özelliği dane boyutudur. Zeminlerde dane boyutu aralığı çok geniş olup zemin danesi olarak kabul edilebilecek en büyük dane çapı farklı mühendislik uygulamalarında farklı alınabilmektedir. Elle kazılan küçük kazılarda ve tabakalar halinde inşa edilen dolgularda en büyük zemin dane çapı 0.3 m, kepçe gücü ile yapılan kazılarda ise limit dane büyüklüğü 0.5-1.0 m3 mertebesinde tanımlanabilmektedir (Sowers, 1979). En küçük daneler ise ancak elektron mikroskopla görülebilmektedir. Dane boyutu esas alınarak çeşitli sınıflandırmalar önerilmiştir. Ancak yaygın kullanımı(Amerikan ve İngiliz Standartları) ve hatırlanabilme kolaylığı açısından M.I.T. (Massachusetts Institute of Technology) sınıflandırması Şekil 1’de verilmiştir. Çakıl, kum, silt ve kil belli dane boyut aralıklarını belirtmekle beraber aynı zamanda belli tür zeminleri de ifade ederler. Örneğin, kohezyon ve plastisite özelliği olan ama hem silt boyutunda hem de genellikle 2µ m (0,002 mm)’den küçük daneli olan kil minerallerini içeren zeminler de “kil” olarak adlandırılır. Boyutları 0,002 mm’den küçük olan bütün daneler de kil minerali olmayabilir. Bu nedenle “kil yüzdesi” ile “kil boyutu yüzdesi” terimleri bilinçli kullanılmalı ve sadece dane boyutu dikkate alınarak yapılan analizler için “kil boyutu yüzdesi” deyimi tercih edilmelidir. Tabii zeminler genellikle iki veya daha fazla boyut aralığına düşen dane dağılımı gösterirler. Ağırlıkça çakıl ve kum boyutundaki daneler çoğunlukta ise zemin, “kaba daneli (kohezyonsuz)” olarak tanımlanır. Silt ve kil boyutunda danelerin hakim olması halinde ise “ince daneli (kohezyonlu)” olarak isimlendirilir. Dane çapı (boyutu) dağılımı (granülometri) kabaca silt boyutundan büyük daneler için kuru veya ıslak elek analizi, daha küçük daneler için çökeltme (sedimentasyon) prensibine bağlı olarak hidrometre veya pipet metodu ile tayin edilir. Zemin mühendisliğinde pratik olarak kullanılan en küçük açıklıklı elekler ASTM (Amerikan) Standardına göre 200 no.lı elek olup açıklığı 0,075 mm, İngiliz Standardında ise 0,063 mm olup görüldüğü gibi yaklaşık olarak silt boyutu üst limitine tekabül etmektedir. Dane çapı dağılımını gösteren “granülometri eğrileri yarı logaritmik bir çizimle elde edilir ve şekil 1’de gösterildiği gibi eksenler tane çapı (boyut) D, (veya elek açıklığı ) (logaritmik ölçek) ve D’den küçük tanelerin ağırlıkça yüzdesi (elekten geçen yüzde)’dir. Farklı gradasyon özellikleri olan dört zemin aynı şekil üzerinde gösterilmektedir. Bunlardan zemin A’nın yatık olan granülometri eğrisi, zeminin değişik boyutları havi taneleri yaklaşık aynı oranlarda içerdiğini göstermektedir. Böyle bir zemine “iyi derecelenmiş (iyi gradasyonlu)” denir. b eğrisi ise “uniform veya kötü derecelenmiş “ olarak tabir edilen ve tanelerin çoğunluğunun çok dar bir dane boyut aralığında kaldığı bir zemini göstermektedir.
İnce daneli zeminlerin mühendislik özellikleri gradasyona bağlı olmamakta ve içerdiği killi minerallerine bağlı olarak ortaya çıkan plastisite özellikleri önem kazanmaktadır. İnce daneli zeminler su muhtevalarına bağlı olarak katı, yarı katı, plastik ve sıvı kıvamda olabilir. İnce daneli zeminlerin çoğu tabii halde plastik kıvamda bulunur ve bu kıvam aralığını belirleyen en yüksek ve en düşük muhtevalarına ”likit limit (LL veya WL)” ve plastik limit (PL veya Wp)” denir. plastisite indisi (PI veya IP) ise şu şekilde tarif edilir: Ip = WL – Wp Zeminin tabii su muhtevası (Wn) ile likit ve plastik limit değerlerini kıyaslayan likidite indisi (LI veya IL) Wn - Wp Wn - Wp IL = ---------------- = ------------------ WL - Wp Ip İfadesi ile tanımlanır. IL‘nin değeri 1’den büyük ise zeminin likit kıvamda , 0 ile 1 arasında ise plastik kıvamda, 0 ‘dan küçükse katı veya yarı katı kıvamda olduğu anlaşılır. Relatif Konsistans(Ic), WL - Wn Ic = ---------------- Ip Bağıntısı ile ifade edilir. Ic‘nin değeri 1’den büyükse zemin yarı katı veya katı , 0 ile 1 arasında plastik (1’e yaklaşınca daha sert olarak) , ve sıfırdan küçük ise likit durumdadır. Zemini rötre veya büzülme limiti yarı-katı ve plastik kıvamı ayırır ve plastik kıvamda bir zeminin kururken eriştiği en küçük hacimde suya doygun halindeki su muhtevasıdır. Kıvam limitleri tek başlarına büyük bir anlam taşımamakla birlikte ince tanelerin sınıflandırılmasında kullanılırlar ve mühendislik özelliklerine ışık tutarlar. Zeminlerdeki kil boyutundaki tanelerin plastiklik derecesi “aktivite” (A)olarak tanımlanır ve aşağıda şekilde ifade edilir: Ip A = ------------- C - n
Burada Ip plastisite indisi ,C kil boyutundan (0.002mm)küçük danelerin yüzdesi ve n tabii zeminlerde 5 laboratuarda yoğrularak hazırlanan kil minerali numuneleri içi 10 olarak alınan sabit bir sayıdır. (Seed ve arkadaşları 1964). Ancak aktivitenin kabaca hesabında n sabiti ihmal edilmektedir. Killer, A>1.25 ise aktif kil.0,75 1.2.3.4. Zeminlerin Sınıflandırılması
Tablo 2. birleşik zemin sınıflandırılmasında kullanılan semboller
İnce taneli zeminlerin sınıflandırılmasında şekil 2verilen “plastisite diyagramı” kullanılır. Denklemi Ip = 0,73 (WL- 20) ile verilen “A” hattı organik inorganik killeri ayırır. “U” hattı çeşitli zeminler için bulunan Ip ve WL değerlerinin bir zarfını vermekte olup U hattı üzerinde bir değer bulunda tayin edilmiş kıvam limitlerinin doğruluğunun kontrolü tavsiye edilmektedir.(Bowles,1984) 1.2.3.5. Zeminlerde Ağırlık – Kütle – Hacim İlişkileri Zemini üç fazını teşkil eden unsurların arasındaki ilişkiler blok diyagramı kullanılarak verilebilir. Şekil 1.3 Zeminlerde daneler, su ve havanın hacim kütle ve ağırlık ilişkilerini gösteren blok diyagramı 1.2.3.5.1. Hacimle İlgili İlişkiler
Vv Vv e = -------- . n = -------- x 100 (%) Vs V n e e = ---------- n = ----------- 1 - n 1 + e
Doygunluk derecesi S boşlukların ne kadarının suyla dolu olduğunu belirler ve Vw S = -------- x 100 (%) Vv olarak tarif edilir. S = %100, suya doygun zemini, S = %0 kuru bir zemini gösterir. Kısmen suya doygun zemin için %0 < S < %100’dür. Hava muhtevası A, aşağıdaki ifadeden bulunur.: Va A = -------- x 100 (%) V 1.2.3.5.2. Kütle ve Ağırlıkla Olan İlişkiler Zeminlerin kütle yoğunluğu(veya kısaca yoğunluk) ρ, birim hacim ağırlığı γ sembolleri ile gösterilirler ,ve aşağıdaki gibi tarif edilirler: Kütle M
ρ = ----------- = ------ Hacim V
γ = ---------------------- = ------- = ------- (g = yer çekimi ivmesi) Hacim V V su muhtevası w ise, Mw Ww w = -------- x 100 = --------- x 100 (%) Ms Ws ifadesinden bulunur. Zeminlerin dane özgül ağırlığı Gs ,katı dane katı dane yoğunluğu (veya birim ağırlık γs = Ws / Vs )ile suyun yoğunluk (veya birim ağırlığı)arasındaki oran olarak ifade edilir: ρs γs Ms Ws Gs = ------ = ------ = ----------- = ------------- ρw γw Vs ρw Vs γw
Suya doygunluk derecesi, S = ------- = ----------- Vv e
e = w . Gs ‘ dir. 1.2.3.5.3. Yoğunluk İfadeleri M Mw + Ms Gs (1 + w) Gs + Se ρ = ----- = ------------- = --------------- . ρw = ------------ . ρw V V 1 + e 1 + e
ρd = ---------- . ρw 1 + e
ρk = ------ = --------- = -------- . ρw V 1 + w 1 + e 1.2.3.5.4. Birim Hacim Ağırlık İfadeleri Gs + Se Gs + e γ = ----------- . γw γd = ---------- .γw 1 + e 1 + e Gs γk = ---------- . γw 1 + e
Zeminin su altındaki efektif birim hacim ağırlığı suyun kaldırma kuvveti göz önüne alındığından, Gs - 1 γ' = γd – γw = --------- . γw 1 + e
olarak bulunur. Ancak bu su akımı olmadığı durumda değerli olup zemin içinde akım söz konusu ise akım yönü de göz önüne alınarak hesaplanması gerekir. Kohezyonsuz zeminlerde davranımı belirleyen en önemli parametre “relatif sıkılık Dr” derecesidir aşağıdaki ifade ile verilir: emaks – e γk maks γk – γk min Dr = ---------------- x 100 = ---------- . ------------------- x 100 (%) emaks – emin γk γk maks – γk min burada emaks ve γk min zeminin en gevşek durumuna; emin ve γk maks en sıkı durumuna tekabül eden boşluk oranı kuru birim ağırlık değerleridir. e ve γk ise zeminin tabii haldeki boşluk oranı ve kuru ağırlığı göstermektedir. Sıkılık sınırları 0 ≤ Dr < %33 gevşek %33 ≤ Dr < %66 ortasıkı %66 ≤ Dr ≤ %100 sıkı olarak tarif edilir (Kumbasar ve Kip, 1972)
Çok sayıda deney sonuçları Atterberg limitleri ile kompaksiyon parametreleri , wopt ve γ, γk ve kompaksiyon enerjisi arasında istatiksel ilişkilerin varlığını ortaya koymuştur (Ülker, 1985). Plastik limit ve optimum su muhtevası arasında wopt = wp – 4 % gibi bir bağıntının kabul edilebileceği önerilmiştir. Arazide sıkıştırmanın yeterli olup olmadığı arazi kuru birim ağırlığın laboratuarda elde edilen maksimum kuru birim ağırlığın belli bir yüzdesi (genellikle %95) olması şartının istenmesi şeklindedir (Şekil 4). Şekil 1.4 Labotatuvar sıkıştırma deneyi sonuçları Şekil 1.5 Sıkıştırma deney klavuzu 1.2.3.7. Zeminlerin İndeks Özelliklerinin Mühendislik Özelliklerine Işık Tutması Herhangi bir göçme, oturma veya şev kayması analizi yapmak için çok detaylı arazi, laboratuar ve bilgisayar çalışması gerekebilir. Ancak, bir zemin veya temel probleminde ne tip bir sorun çıkabileceğini hissedebilmek, görebilmek; bir mühendislik sezi ve duyarlılığına ulaşabilmek mühimdir. Bazen zeminin indeks özellikleri bile mühendise bazı uyarmalar yapabilir. Aşağıdaki kısımlarda indeks özelliklerine göre sınıflandırılan zeminlerin genel davranımlarına değinilecek, indeks özellikleri ve mühendislik özellikleri arasında bulunan korelasyonlardan bazı örnekler verilecektir. Ancak bunların sadece bir fikir vermek amacını taşıdığını sağlıklı çözümler için her zemin ve her problem için hakiki parametrelerin bulunması gerektiği açıktır. Zeminlerin gradasyon ve plastisite özelliklerini içeren indeks özelliklerinin , benzer mühendislik özelliklerini taşıyan zemin türlerini gruplandırmak amacıyla sınıflandırmada kullanıldığına değinilmişti. Ana grup olarak belirlenen kaba ve ince daneli zeminlere örnek olarak kum ve kilin davranımını kabaca aşağıdaki gibi karşılaştırabiliriz (Capper ve Cassie, 1969): KUM KİL Boşluk oranı düşük Boşluk oranı yüksek Kuru olunca kohezyonsuz Su muhtevasına bağlı olarak yüksek kohezyonlu İçsel sürtünme yüksek İçsel sürtünme düşük Plastik değil Plastik Sıkışabilirliği az Sıkışabilirliği fazla Sıkışma yük tatbik edilir edilmez Sıkışma (konsolidasyon) uzun sürede meydana gelir meydana gelir Geçirimli Pratik olarak geçirimsiz Kaba daneli zeminlerde gradasyon ve sıkılığın mühendislik özelliklerini belirleyen en mühim faktörler olduğu ve iyi derecelenmiş, sıkı zeminlerin yüksek dayanım, yüksek taşıma gücü, düşük sıkışabilirlik, düşük geçirgenlik gibi aranılan davranımları gösterdiği anlatılmıştı. Rutin zemin tanımlama deneyleri arasında dane şeklini (küresellik ve yüzey pürüzlülüğü) belirleyen yöntemler yer almamakla birlikte, kaba daneli zeminlerde dane şekli de önemlidir. Örneğin, danelerin köşeli veya yuvarlak olması kohezyonsuz zeminlerde içsel sürtünmeyi dolayısı ile kayma dayanımını etkileyen faktörlerden biridir. Zemin içerisindeki plastik ince daneler zemin davranımını büyük ölçüde etkiler ve bazen kaba daneli bir zeminin % 10-20 kadar yüksek plastisiteli kil minerali içermesi zeminin ince daneli zemin gibi davranmasına sebep olabilir (Sowers, 1979). Zeminin jeolojik geçmişi, yapısındaki fisür ve çatlaklar gibi süreksizlikler de davranımını etkiler. Jeolojik geçmişi açısından zeminler iki gruba ayrılırlar. Zemin oluşumu ile günümüze kadar geçen zaman içinde bugünkünden daha fazla (efektif) gerilmeler altında kalmamışsa “normal yüklenmiş veya normal konsolide” zeminler denir. önceden bugünkünden fazla bir yüklenmeye maruz kalma erozyon, kuruma ve yer altı su tablasının yükselmesi gibi nedenlerle ortaya çıkar ve bu tip zeminler “aşırı konsolide zeminler” olarak adlandırılabilir. Normal konsolide killer genelde yumuşak normal konsolide kumlar ise gevşek veya orta sıkıdır. Önceden yüklenmiş killer daha serttir. Bu bakımdan normal konsolide zeminler yükler altında çok daha fazla oturma gösterir ve kayma dayanımı ve taşıma gücü daha düşüktür. Türkiye’deki zeminlerin büyük bir kısmı önceden yüklenmiş durumdadır. Aşırı konsolide killerde tabii su muhtevası plastik limit civarında normal konsolide killerde likit limite yakındır. Görüldüğü gibi tabii su muhtevasının Atterberg Limitleri ile kıyaslanması zeminin jeolojik geçmişi ve buna bağlı olarak beklenilen davranımı hakkında fikir vermektedir. Zeminin sıkışabilirliğini ifade eden parametrelerden sıkışma indisi Cc ile likit limit, tabii su muhtevası, tabii boşluk oranı, plastik limit ve kil yüzdesi arasında çok sayıda korelasyonlar önerilmiştir (Ansal ve Güneş, 1987, Yılmaz, 1987). Tablo 3’te bunlardan başlıcaları verilmektedir. Tablo 3. Sıkıştırma İndisi Bağıntıları (Ansal ve Güneş, 1987)
Cc = 1,15 (eo – 0,35) Bütün killer Nishida (1956) Cc = 0,30 (eo – 0,27) Siltli killer Hough (1957) Cc = 0,75 (eo – 0,50) Düşük plastisiteli zeminler Sowers (1970) Cc = 0,40 (eo – 0,25) Bütün doğal Azzous, Krizek zeminler ve Corotis (1974) Cc = 0,01 wn Chicago killeri Osterberg (1972) Cc = 0,01 (wn – 5) Bütün doğal Azzous, Krizek zeminler ve Corotis (1974) Cc = 0,07 (wL – 7) Yoğrulmuş killer Skempton (1944) Cc = 0,009 (wL – 10) Normal konsolide Terzaghi ve killer Peck (1967) Cc = 0,006 (wL – 9) Bütün doğal Azzous, Krizek zeminler ve Corotis (1974) Sowers (1979) Cc = 0-0,19 için düşük sıkışabilirlik, Cc = 0,20-0,39 için orta sıkışabilirlik, ve Cc ≥ 0,40 için yüksek sıkışabilirlik tanımlarını kullanmıştır. Killi suya doygun olmayan zeminlerin su emerek hacminin ***** veya hacminin artmasının engellenmesi durumunda aşırı basınç tatbik etmesi “şişme” özelliğidir. Bu tip zeminler kuruduklarında da büzülmeye maruz kalırlar. Şişme sorunu yol, havaalanı kanal kaplamalarına büyük çapta zarar verebilir. Bu zeminin şişme özelliği olup plastisitesi indisi, büzülme (rötre) limiti, aktivite boyutu yüzdesi gibi indeks özelliklerinden tahmin edilebilir (Wasti ve Ergun, 1985). Önerilen basit korelasyonlarda biri Tablo 3’te verilmektedir. Şişme potansiyeli olan bir zemin, başlangıçta kuru ve sıkı ise küçük yükler su alınca veya tabii buharlaşmanın önlenmesi neticesinde su muhtevası artarsa şişme gösterir. Tablo 3. Şişme Potansiyeli ve Plastisite İndisi Şişme Potansiyeli Plastisite İndisi Düşük 0 – 15 Orta 10 – 35 Yüksek 20 – 55 Çok yüksek ≥ 55 Gevşek tabii zeminlerde, toprak ve kaya dolgularda zeminin ıslanması veya suya doygun hale gelmesi sıkışmaya yani “çökme” tabir edilen oturmalara sebep olabilir. Karakaya demiryolu köprüsü yapılırken, baraj gölünün dolması ile sular altında kalacak kuru alüvyon tabakalarına rastlayan köprü ayakları için böyle bir tahkik yapılması gereği ortaya çıkmıştır (Ordemir, 1985). Tabii zeminlerde, (suya doygun durumdaki su muhtevasının likit limite eşit veya büyük olması kriterinden hareket edilerek) Gs . γw γk ≤ ----------------- (wL ondalık olarak) 1 + wL Gs olduğu takdirde çökmenin beklenebileceği önerilmiştir (Holtz ve Hilf 1961, Das, 1984’ten). Çökmeye mütemayil ve gevşek yapıda bir zemin başlangıçta kuru ise, suya maruz kalınca özellikle büyük yükler altında çökme gösterebilir. Zeminlerin kuru iken dayanımları ile plastisite arasında da ilişki vardır. Bunu tespit için 40 no.lı elekten (0,4 mm) geçen daneler gerekirse su ilave edilerek yoğrulur ve bir küp yapılır. Havada veya güneşte kurutulduktan sonra parmaklarla kırılır. Tablo 4 bu basit denemenin değerlendirilmesi için kullanılabilir. Tablo 4. Zeminlerde Plastisite ve Kuru Dayanım (Sowers, 1979)
1.3 Zeminlerin kompressibilite-konsolidasyon ve kayma dayanımı özellikleri 1.3.1 Efektif gerilme kavramı Efektif gerilme (σ’)zemin kütlesi içinde daneden daneye aktarılan kuvvetlerin yarattığı , doğrudan doğruya ölçülemeyen gerilmeyi temsil eder. Zeminde hacim değişikleri ve kayma dayanımının doğması efektif gerilmelere bağlıdır. Suya doygun zeminlerde efektif gerilme Terzaghi tarafından σ’ = σ – u veya σ = σ’ + u olarak verilmiştir. Burada, σ düzlemin birim alanına dik olarak etkiyen zeminin toplam ağırlığının doğurduğu kuvvettir, ve toplam normal gerilme olarak tanımlanır. u ise boşluk suyu basıncıdır ve toplam gerilmenin boşluk suyu tarafından taşınan kısmını gösterir.zemin yüzeyinin ve yer altı statik su seviyesinin yüzeyden hw derinliğinde olduğu bir durumda , z > hw derinliğinde düşey efektif gerilme aşağıda gibi hesaplanır. σ = hw . γ + (z – hw) γd u = (z – hw) γw σ’ = σ – u = hw . γ + (z – hw) . γ’ Burada γ, yer altı su seviyesinin üstündeki zemin için ortalama birim hacim ağırlıktır ve kuru , ıslak veya kapileriteden dolayı doygun duruma tekabül edebilir. γw suyun birim hacim ağırlığı, γ’ = (γd – γw) efektif birim ağırlık olup su seviyesi altında suyun hidrostatik kaldırma kuvvetinin etkisini gösterir. Boşluk suyu basıncı, u, yer altı su seviyesinde atmosferik basınca (sıfır) eşit olup su seviyesinin altında hidrostatik dağılım gösterir. Suyun yüzeysel gerilim etkisi ile yer altı su seviyesinin üstüne çıktığı kapiler bölgede boşluk suyu basıncı negatiftir (u < 0) ve değeri kabaca γw x hc ile bulunabilir. “hc”, negatif boşluk suyu basıncının bulunması istenen noktanın yer altı su seviyesinden yüksekliğidir. Su akımı mevcutsa boşluk suyu basıncı akım ağından elde olunur. Artezyen su basıncı durumunda , basınçlı su ihtiva eden akiferde ve üstündeki geçirimsiz tabakada statik yer altı suyu basıncının üstünde bir boşluk suyu basıncı mevcuttur. Zemine etkiyen yüklerde artma zemin kütlesinde bir hacim değişikliği doğurmaya çalışır.suya doygun ve geçirgenliği düşük killi zeminlerde , su sıkışabilir bir malzeme olmadığından ve boşluklardaki su hızla dışarı çıkmayacağı için hacim değişikliği hemen meydana gelmez. Bu boşluk suyu basıncının geçici olarak , Δu kadar artmasına sebep olur ve efektif gerilmede hemen bir artış almaz. (örneğin toplam düşey gerilmede meydana gelen artış Δσ, tek yönlü sıkışma – konsolide şartlarında Δu = Δσ kadar bir ilave (aşırı) boşluk suyu basıncı doğmasına neden olur.) zamanla boşluk suyunun bir kısmının geçici akımla drene olması ile basınçları söner, efektif gerilmede ve hacimde tedrici değişiklik(düşey gerilmelerin artması durumunda konsolidasyon ve oturmalar ) meydana gelir. Zemin üzerine etkiyen yükün azalmasına örnek olarak kazılar yarmalar ve toprak baraj rezervuar seviyesinde ani su seviyesi düşüşü gösterilebilir. Bu durumda ilave boşluk suyu basıncı negatiftir (Δu <0) ve uzun vadede hacim artması meydana gelebilir. Killi zeminlerde zemine etkiyen kuvvetlerin değiştirilmesinden hemen sonraki durum “drenajsız safha” ilave boşluk suyunun sönümünün uzun sürede tamamlanmasından sonra ulaşılan durum ise “drenajlı safha” olarak anılır. Şev stabilitesi analizi ve taşıma gücünün tayini gibi problemlerde drenajsız safha için kısa süreli “inşaat sonu hali) ve drenajlı safha için “uzun süreli stabilite” tabir edilen ve farklı kayma dayanımı parametrelerinin kullanıldığı iki ayrı tahkik söz konusu olabilir. Kum gibi geçirgenliği yüksek olan zeminlerde ilave boşluk suyu basınçları çok kısa sürede kaybolduğundan sadece drenajlı safha durumu geçerlidir.
Yüklə 296,48 Kb. Dostları ilə paylaş:
|