Prof. Dr. Osman SİVRİKAYA Zemin Mekaniği I Ders Notu

Transkript

1 HAFTALIK DERS PLANI Hafta Konular Kaynaklar 1 Zeminle İlgili Problemler ve Zeminlerin Oluşumu [1], s Zeminlerin Fiziksel Özellikleri [1], s ; [23]; [24]; [25] 3 Zeminlerin Sınıflandırılması [2], s ; [22] 4 Zeminlerin Kompaksiyonu [1], s ; [23] 5 Zemin Hidroliği [1], s ; [23] 6 Toplam ve Efektif Gerilme Kavramları [2], s Zeminde Gerilmeler ve Deformasyonlar [1], s Gerilme Altında Zemin Davranışı - Ara sınav [2], s Zeminlerde oturma ve Sıkışma [1], s , [2], s Konsolidasyon Teorisi [1], s ; [23] 11 Konsolidasyon Sürecinde Zaman [2], s Zeminlerde Kayma Mukavemeti ve önemi [1], s Kayma Mukavemeti Parametreleri [1], s ; [23] 14 Kumların ve Killerin Kayma Mukavemeti [2], s ; [25] q Geoteknik mühendisliği (zemin mekaniği, zemin dinamiği ve temel inşaatı), yerkabuğu üzerinde ana kaya ile bitkisel toprak arasında bulunan ve inşaat mühendisliği teknolojisinin uygulandığı zeminlerin endeks ve mühendislik özelliklerini inceleyen en uygun temel tasarımını yapan bir uzmanlık alanıdır. 1

2 Zeminlerin Oluşumu q Zeminlerin Oluşum Evresi q q Zeminin Bileşenleri Zeminlerin Yapısı-Görünümü A- Zeminlerin Oluşumu q Zemin, kayaçların ayrışıp parçalanmasıyla Yuvarlak, köşeli veya yassı şekilde olabilen, dane boyutları cm den milimetrenin milyonda birine kadar, kalınlığı bir kaç on cm den yüzlerce metre ye kadar değişebilen ve bir yerde depolanmasıyla oluşan çimentosuz veya az çimentolu birimlerdir. q Zeminler, birer taşıyıcı olmasının yanında yerine göre dolgu veya daha farklı amaçlar için kullanılabilen doğal malzemelerdir. 2

3 Zeminin doğası Danelerin birikmesi Daneler doğal gelişmeler sonucu şekillenir Daneler anakayanın bulunduğu yerden taşınarak yada yerinde oluşabilir Daneler arasında en az bir bağlayıcılık Zemin Yüzeyi Bitkisel toprak Zemin Ayrışmış Kayaç Masif Kayaç 3

4 q q q q Karaların ve deniz tabanlarının büyük kısmı, kayaların ufalanması ve ayrışması ile oluşan malzemeler ile kaplıdır. Bu malzemelerin çimentosuz veya çok az çimentolu olanlarına Zemin diyoruz. Zeminler, daneli bir yapıya sahip olup, bu yapıları ile kayalardan ayrılırlar. Zeminlerin çoğu, kayaların mekanik ve kimyasal ayrışması ile meydana gelmektedir. Mekanik ayrışma; ana kayanın ısınma ve donması ile ortaya çıkan ısı gerilmeleri, ana kayada çatlakların oluşmasına neden olur. Bu çatlaklara su dolması ve suyun donması ile çatlaklar daha da büyür ve sonra da ana kaya ufalanır. Benzeri işlemlerle tekrar ufalanan parçalar zemini oluşturur. Kurak iklimlerde, rüzgarla taşınan kum daneciklerinin kayalara çarpması ile kayalar ayrışır ve bu olaya rüzgar erozyonu denir. Mekanik ayrışmada malzemenin kristal yapısı aynı kalır. Kimyasal ayrışma; su, oksijen veya su içerisinde erimiş asit veya alkali malzemelerin ana kayaya etkimesi ile meydana gelir. Karışık bir kristal yapıya sahip kil mineralleri, çoğunlukla kayaların ayrışması ile meydana gelmiştir. Kil mineralleri esas olarak, Aliminyum Hidro Silikat bileşimindedir. Kristal yapıları, çoğunlukla ana kayanın kristal yapısından farklıdır. 4

5 Zeminler, kayaçların fiziksel süreçlerin etkisiyle parçalanması ve kimyasal süreçlerin etkisiyle ayrışması sonucunda oluşur. Yerkürenin oluşumundan itibaren kayaçların zeminlere ve zeminlerin sıcaklık ve basınç etkisiyle kayaçlara dönüşümü devam edip giden bir süreçtir. KAYAÇ Fiziksel parçalanma Kimyasal ayrışma Taşınma Depolanma Yüksek sıcaklık ve Yüksek Basınç altında Çimentolanma ZEMİN Kayaç-zemin döngüsü 5

6 Zeminlerin Oluş Şekli q Ayrışmış (aliterasyon) tortullar şayet oluştuğu yerden bir başka alana taşınmamış ise yani, yerinde kalmış zeminlerden oluşmuş ise bu tür zeminlere kalıntı veya rezidüel zemin denir. q Şayet aliterasyon ürünleri oluştuğu yerden başka bir yere taşınarak zeminini oluşturmuş ise bu tür zeminlere taşınmış zemin denir. q Makine veya insan güçüyle bir yerden alınarak başka bir yerde yapılan zeminlere dolgu zemin denir. Yol dolgusu, baraj temellleri, bina temelllerinin başka bir yere dolgu malzemesi olarak depolanması gibi. <<<<<>>>>>>><<<<<<<>>>>>>>>>>><<<<<<<<<<<<<< >>>><<<<<<<< /////////////////////\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\///////////////////////\\\\ \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\/////////////////////////\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\///// oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO OOOOOOOOOOOOOOOOOO Bitkisel toprak Çakıllı, kumlu,silt ve killi zemin Blok parçaları Ana kaya Yerinde oluşmuş tipik bir zemin profili q Mekanik ve kimyasal ayrışma, çoğunlukla aynı zamanda olur. Aşınma ve ayrışma ile meydana geldikten sonra taşınmadan yerinde oluşan zeminlere rezidüel (yerli zemin), çeşitli etmenlerle taşınarak oluşan zeminlere taşınarak oluşmuş zeminler denir. q Ayrışan malzeme erozyon ile nehirlere, göllere veya denizlere sürüklenir ve nehir kenarlarında göl veya deniz tabanlarında çökelir. Bu tür zeminlere Alüvyon, deniz yada göl çökelleri denir. Zeminler bu taşıma işlemi sırasında daha küçük parçalara ayrılır, yüzeyleri aşınır, daha yuvarlak ve cilalı yüzeyler oluşur. q Buzullarda zeminlerin taşınmasına sebep olur. Kuzey Avrupa da ana kayadan koparılan büyük taş parçaları buzullarla çok büyük uzaklıklara taşınmıştır. Buzulun eridiği zemin kesiminde çökelen zemin danecikleri moren dediğimiz zemini oluşturur. Buzullarla taşınan zeminlerde dane yüzeyleri pürüzlü ve dane şekilleri köşelidir. 6

7 Weathering Land Transport Erosion Air Deposition Sea Earth Movements Igneous Rocks Magma Melting Lithification Sedimentary Rocks Metamorphism Metamorphic Rocks Türü Taşınma ortamı Adı Yerinde oluşmuş Taşınarak oluşmuş ---- Su Rüzgar Buzul Yerçekimi Rezidüel (kalıntı) Tortu Alüvyon Deniz/göl çökelleri Lös; Kumul Moren; Buzul depoları Moloz 7

8 B- Zeminin Bileşenleri Her zemin numunesinde aşağıda sıralanan hallerin tamamı veya bir kısmı mevcuttur. KATI FAZ * Kaya mineralleri * Kil mineralleri * Bağlayıcı çimento * Organik madde SIVI FAZ * Su * Erimiş tuzlar GAZ FAZ * Hava * Su buharı Hava (A) Su (W) Dane (S) Zemini oluşturan bileşenlerinin zemin içindeki % leri, zeminin mühendislik özelliklerini büyük ölçüde etkilemektedir. Birincil kaya mineralleri: Çoğunlukla ana kayadan kopmuş daneciklerdir. Dane çapları genellikle mm den büyüktür (Kum ve çakıl zeminlerde olduğu gibi). Danelerin büyük kısmı bu şekilde oluşmuş ise, dane çapı dağılımı ve zemin sıkılığı zeminin mühendislik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Danelerin şekilleri; köşeli, yarı köşeli, yarı yuvarlak ve yuvarlak şeklinde olup gözle görülebilmektedir. Kil mineralleri: Çoğunlukla ana kayanın kimyasal ayrışması ile meydana gelmiştir. Dane çapları mm den küçüktür. Dane şekilleri; yassı, palaka şeklindedir ve yüzey alanları büyük olup ancak mikroskopla görülebilmektedir. 8

9 Bağlayıcı çimento: Bazı zeminlerde, zemin daneleri arasında önemli miktarda Kalsit, Demir oksit veya silikat gibi bağlayıcı malzemeler vardır. Organik madde: Zemin içerisinde bitkisel veya hayvansal orjin artıklar bulunabilir. Organik maddeler çoğunlukla yüzeydeki m lik tabaka içerisinde yer alır. Bununla beraber turba cinsi organik zeminlere, çeşitli derinliklerde rastlanabilir. Bu zeminler çoğunlukla siyah renklidir ve kötü kokuludur. Arzu edilmeyen zeminlerin başında gelir. Su: Su muhtevası, zeminin mühendislik özelliklerini belkide en çok etkileyen parametredir. Erimiş tuzlar: Zemin suyu içerisinde erimiş halde çeşitli tuzlar mevcuttur. Betonun ayrışmasına neden olması sebebiyle, bunların en önemlisi sülfat tuzlarıdır. Ca, Mg ve Na sülfat tuzlarının zemin suyu içerisinde bulunmasıyla beton içinde çok zararlı bir ortam oluşturur. Hava: Bütün zeminler suya doygun değildir. Diğer bir ifadeyle, her zaman zemin boşlukları tamamen su ile dolu değildir. Boşluklardaki hava miktarı boşluk hacminin % 15 inden az ise, boşluklarda hava kabarcıkları mevcuttur ve yüzey gerilimi nedeniyle havayı dışarı atmak ve zemini sıkıştırmak zordur. Boşluklardaki havanın daha fazla olması halinde, kompaksiyonla hava dışarı atılabilir. Su buharı: suya doygun olmayan zeminlerde boşluklardaki hava içerisinde relatif nem yüksektir. Doygunluk derecesinin düşük olması halinde zemin boşlukları içerisinde su buharı formunda önemli su hareketi görülür. 9

10 C- Zeminlerin Yapısı, Görünüşü Mineralojisi- dayanım ve durabilite Dane boyutu Dane şekli ve pürüzlülük Minerallerin yoğunluğu Yüzey alanları Zemin Danelerinin Boyutları Dane ismi Çapı (mm) Kaya parçaları > 60 ( ) Çakıl : kaba - orta - ince Kum : kaba - orta - ince Çıplak gözle görme sınırı Silt : kaba - orta - ince optik mikroskop sınırı Kil < X-ray diffraction tekniği 10

11 Kaba daneli zeminlerin danelerinin Şekli ve Pürüzlülüğü Equidimensional Yuvarlak Yarı yuvarlak Yarı köşeli Interlocking Köşeli Gevşek birikme Sıkı birikme Bal peteği yapısı 11

12 q Kum danelerinin ana minerali, kuvartz dır. Kil Mineralleri ve Yapısı Killer, oldukça küçük daneler olup levha, plaka şeklindedir. Plaka şeklinde daneler, büyük boşluklarla kümelenir. 12

13 Kohezyon ve plastisite özelliği olan 2µm (0,002 mm) den küçük daneli parçacıkları içeren zeminler 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. Silt ve kil boyutunda danelerin hakim olması halinde ise ince daneli (kohezyonlu) olarak isimlendirilir. 13

14 Doğal zeminlerde Mikroyapı özellikleri Temel danecikler (elementary particles) Danelerin bir araya gelmesi (particle assemblages) 14

15 Boşluk alan tipleri Doğal Kil Zeminlerin Yapısı Elektron mikroskoplarıyla ince daneli zeminler incelendiğinde bireysel kil partikülleri (parçacıkları) önce zincir şeklinde danelerin arka arkaya dizilmesi ile flokül bir yapı oluşturur. Bu mikroskopik yapıya, dizi (domain) adı verilir. Domainler daha sonra birleşerek kümeleri (petekleri) oluşturur. Kümeler arasından ise mikro boşluklar mevcut olup küme ve diziler birleşerek ped leri oluşturur. Pedler arasında ise makro boşluklar mevcuttur. Pedler ve makro boşluklar gözle görülebilir büyüklükte olup pedlerde birleşip bir dizi yaparak fisürleri hatta çatlakları oluşturabilmektedir. 1. Dizi 2. Küme (petek) 3. Ped 4. Silt danesi 5. Mikro boşluk 6. Makro boşluk 15

16 Dispersed and deflocculated Aggregated but deflocculated Edge-to-face flocculated but dispersed Edge-to-edge flocculated but dispersed Edge-to-face flocculated and aggregated Edge-to-edge flocculated and aggregated Edge-to-face and edge to edge flocculated and aggregated q Macrostructure, including the stratigraphy of fine-grained soil deposits, has an important influence on soil behavior in engineering practice. Joints, fissures, silt and sand seams, root holes, varves, and other defects often control the engineering behavior of the entire soils mass. q The microstructure reflects the depositional history and environment of the deposit, its weathering history (both chemical and physical), and stress history. Kil dane Su 32 16

17 Kilin Yapısı Scanning Electron Microscope (SEM) Kil daneleri, plaka şeklindeki tabakaların birikinden oluşmaktadır. Kaolinite ince kesit x Tüm killer, silika ve sekiz yüzlü tabakaların kombinasyonlarından oluşmaktadır. Negatif yük nasıl dengede kalır? Kil danelerini saran katyonlar ve su ile - + H 20 dipole Killerin Genel Özellikleri Katyonlar Katyon Konsantrasyonu - + Kil yüzeyinden uzaklık Kil mineral davranışının ölçülmesi * Net negatif yük indisi, Katyon Değişim Kapasitesi (CEC) dir. negatif yük, CEC * Spesifik Yüzey (SS) = Yüzey alanı/ağırlık * İzomorf yer değiştirme miktarı 17

18 Killer; plaka gibi yapıya sahip olduklarından dolayı, onların davranışlarını yöneten, geniş bir iç yüzey alanına sahiptirler. Bundan dolayı killer kolloidal olarak isimlendirilirler. Spesifik Yüzey S s = mineral yüzey alanı / mineral hacmi (m -1 ) YADA mineral yüzey alanı / mineral kütlesi (m 2 /g) Kum Kaolen İllit Aktivite artar Montmorillonit 1e Kil Mineralleri İnce daneli zeminlerdeki kil mineralin tipi, mühendislik davranışını etkiler. Kil mineralleri, 4 yüzlü ve 8 yüzlü geometrik şekillerin oluşturduğu tabakalı kristal yapılardır. 4 yüzlü yada 8 yüzlü geometrik şekiller bir araya gelerek tabakaları meydana getirir. Tabakalar birbiri üzerine dizilerek kil minerallerini oluşturur. Bir çok çeşit kil minerali olmakla birlikte, geoteknik mühendisliğinde genel olarak üç tip mineral grubu tanımlanır. Kaolen İllit Montmorillonit 18

19 1. Silika Dörtyüzlüsü (Silicon Tetrahedron) Silisyum (Si) atomu Oksijen atomu 4 yüzlüler bir araya gelerek silika tabakalarını oluştururlar. Baz oksijen atomları, 6 gen bir ağ oluştururlar. Yapı kendini tekrarlayarak (Si 4 O 10 ) -4 oluşturur. Yük dengesi : Oksijen atomlarının 6 gen ağ içinde paylaşımı Diğer tabakalara katılımı O 2- yerine OH - geçmesiyle, sağlanmaktadır. Si 4+ yerine bazen Al 3+ bulunabilmektedir. 2. Sekizyüzlü tabakalar (Octahedral Sheets) Al, Mg, vb. Oksijen Bir Al 3+ veya Mg 2+ vealtıo 2- Al 3+ veya Mg 2+ aşağıda verilen diğer katyonlarla yer değiştirebilir : Fe 3+, Fe 2+, Mn 2+, Ti 4+, Cr 3+, Li + Öncelikle Al 3+ ise Gibbsite Öncelikle Mg 2+ ise Brucite G B 19

20 Kaolen 17 mm A 1:1 Mineral İri (Bulky) CEC = 3-15 meq/100g (düşük) SS = m2/g (düşük) Si ve sekizyüzlü tabakalar arasında güçlü bağ, başlıca valans tipi bağlar: iyonik, kovalent, metalik bağlar Tabaka arası bağlar van der Waal s (H bonds) Şişmez (iç tabaka şişmesini engellemek için yeteri kadar güçlü) G Düşük izomorf yer değiştirme G G 7.2 A (1 A = m) 20

21 A 2:1 Mineral ince yapraksı tabakalar (flakier), düşük irilikte (less bulky) CEC = meq/100g SS = m2/g Tabaka arası bağlar Potasyum valans bağ Şişmez Orta izomorf yer değiştirme Örneğin, Al Si Orta seviyede Plastik Orta Aktivite, I P, CEC, SS İllit K G K K 7.5 mm Güçlü iyonik bağlar G A 2:1 Mineral çok ince yapraksı tabakalar (very flaky) CEC = meq/100g SS = m 2 /g Tabakalar arasında zayıf van der Wall bağlar Önemli izomorf yer değiştirme Yüksek derecede Plastik Yüksek CEC Yüksek SS Montmorillonit Yüksek aktivite, I P Şişmeler G G 5 mm Zayıf van der Waal bağlar 21

22 Kil Minerallerinin Mühendislik Özellikleri Dayanım K > I > M Sıkışabilirlik M > I > K Geçirimlilik, k K > I > M Alan, akışı kontrol eder yüksek k hızlı akış, düşük k düşük akış CEC ve SS M > I > K 22

23 Killer için Özet Kil, hidratlı alüminyum ve magnezyum silikatlarda oluşan doğal bir ikincil mineraldir. Kil mineralleri kayaçları oluşturan birincil minerallerin ayrışmasıyla oluşurlar ve ikincil silikatlar olarak adlandırılır. Dane boyutu 2 mikron (0.002 mm) veya daha küçüktür. Kil türünün zemin mekaniğinde; zeminin geçirimliliğini, zeminin şişmebüzülme davranışını, zeminin sıkışabilirliğini ve kayma mukavemetini etkilediğinden önemlidir. Kayacın kile dönüşmesinde ve kilin karakterini kazanmasında; ortamın sıcaklığı, yağış ve nemlilik, YASS, drenaj şartları, PH ve tuzluluk, bitki ve bakterilerce salınan asit ve bazlar, arazinin eğimi ve ana kayacın türü rol oynar. Kil su ile karıştırıldığında çamur oluşturur, pişirildiğinde büyük dayanım artışları gösteren bir katıya dönüşür. Islatıldığında genellikle hacim artışı, kurutulduğunda ise hacmi azalır ve çatlar. Killer, dolgu barajlarda ve atık depolarında geçirimsizliğin sağlanmasında, kazıldığında kendini tutamayan zeminlerde bulamaç halinde etkin destek amacıyla kullanılır. İri malzemeye küçük oranda katıldığında bağlayıcı görevi yapar. 23