MÜHENDİSİLK JEOLOJİSİ BÖLÜM 2

Transkript

1 MÜHENDİSİLK JEOLOJİSİ Doç. Dr. Zeynal Abiddin ERGÜLER Tel: BÖLÜM 2 KAYA MALZEMESİ VE KAYA KÜTLESİ KAVRAMLARININ MÜHENDİSLİK TANIMLAMALARI 1

2 GENEL BİLGİLER Kaya malzemesi ve kaya kütlesi kavramı: Kaya: Mühendislik uygulamalarında tek eksenli sıkışma dayanımı 1 MPa dan yüksek olan doğal malzemelere denilir. Kaya malzemesi (Intact Rock or rock material): Sağlam, kırık veya süreksizlik içermeyen kaya elamanı şeklinde tanımlanır. Süreksizlik (Discontinuity): Kaya kütleleri içerisindeki ihmal edilebilir düzeyde çekilme dayanımına sahip olan mekanik kırıklardır. Kaya kütlesi (Rock mass): Farklı yönlerde gelişmiş süreksizlikler tarafından ayrılmış kaya malzemesinin süreksizliklerle beraber bulunduğu, diğer bir ifadeyle yapısal süreksizlikleriyle birlikte yerindeki kayayı tanımlayan bir sistemdir. Sağlam kaya Kaya kütlesi Çoğu kaya kütleleri, özellikle yüzeyden birkaç yüz metre derinliğe kadar bulunanlar, süreksiz (discontinue) davranış gösterirler. Süreksizlikler büyük ölçüde kaya kütlelerinin mekanik davranışını belirler. Dolayısıyla, kaya türünün litolojik tanımlanmasının yanı sıra, hem kaya kütlesinin yapısı ve hem de süreksizliklerin doğası dikkatli bir şekilde tanımlanmalıdır. Mühendislik jeolojisinde önemlidir 2

3 Çok zayıf kaya kütlesinden çok iyi kaya kütlesine doğru değişim Kaya Malzemesi Tanımlamaları Kullanılan Özellikler ve İndeksler Petrografik adlandırmanın yanı sıra, aşağıda verilen özelikler ve indeksler kaya malzemesinin mühendislik anlamda tanımlanmasını sağlarlar Kaya türü Renk Tane boyu 1. Grup Yapı ve doku Bozunma Alterasyon Dayanım Tanımlayıcı özellikler 2. Grup Sertlik Suda dağılmaya karşı duraylılık Gözeneklilik Yoğunluk Dayanım Sonik hız Az veya hiç örnek hazırlanması gerektiren sınıflama deneylerinden belirlenen özellikler 3. Grup Elastisite modülü Poisson oranı Birincil permeabilite (geçirimlilik) Tasarımda kullanılan özellikler. Genel olarak sadece deneylerden belirlenir veya kapsamlı örnek hazırlama süreci gerektirir veya her iki durum birden söz konusu olabilir. 3

4 Kaya türü: Petrografik tanımlamalarda kullanılan herhangi bir uygun şema (sistem) kaya türü belirlemede kullanılabilir. Renk: Ayrıntılı kaya rengi ölçülmesi güçtür ve herhangi bir standart kullanılmadan bireysel yapılacak değerlendirmeler hatalı sonuçlar doğurabilir ve kişiden kişiye değişebilir. Renk önemli bir parametredir. Renk tanımlamaları için iki yöntem vardır: 1. Kaya renk tanımı için oldukça basit bir yöntem olan ve kişisel değerlendirmeye dayanan aşağıda verilen çizelgeden yararlanır (Anon, 1972) Örnekler: 1.Açık sarımsı kahverengi 2. Koyu kahverengi Açık Koyu Pembemsi Kırmızımsı Sarımsı Kahverengimsi Zeytin yeşilimsi Mavimsi Grimsi Pembe Kırmızı Sarı Kahverengi Zeytin yeşili Mavi Beyaz Gri Siyah 2. Kayacın rengi, kantitatif olarak Kaya renk kartı- Rock color chart kullanılarak da tanımlanabilir. Bu amaçla Geological Society of America (ANON, 1963) tarafından hazırlanan renk kartları yaygın olarak kullanılmaktadır Tane boyu:??? 4

5 Tane boyu: Zeminlerin tanımlanmasında kullanılır. (Holtz and Kovacs, 1981) Doku (texture)ve Yapı (fabric): Doku: Bir kayacı oluşturan bileşenlerin düzeni olarak tanımlanır. El örneği ve veya mikroskop altında ayırt edilebilen özellikler için doku sözcüğü kullanılır Doku Yapı Saha da görülen özellikler için, yani kıvrım, fay, süreksizlikler tabakalanmalar laminasyon vb. gibi özellikler için ise yapı sözcüğü kullanılır Yapı 5

6 Bozunma ve Alterasyon: -Bir çok kaya oldukça derinlerde oluşurlar -Oluşum koşulları, yeryüzünde maruz kaldıkları koşullardan oldukça farklı -Derinlerde yüksek sıcaklık ve basınç hakim iken, yüzeye yakın koşullarda düşük sıcaklık basınç mevcut -Kayalar bu nedenle yüzeyde mekanik ve kimyasal bozunma süreçleri ile parçalanıp değişime uğrarlar Bozunma: Fiziksel parçalanma ve kimyasal ayrışma ile yeryüzündeki kayaç ve toprak malzemesinin parçalanma sürecidir. Alterasyon: Hidrotermal çözeltilerin etkisiyle, bir kayacı oluşturan kimyasal ve mineralojik kompozisyondaki değişikliklerin tümünü kapsar. Alterasyonun tipik şekli: kaolinitleşme ve kloritleşme Bazı kayaçlarda bozunma ve alterasyonun etkilerini ayırt etmek zordur. bozunmanın etkileri derinlikle azalıp, tükenir alterasyon, oldukça fazla derinlerde gerçekleşir 6

7 Bozunma Süreçleri Kayaçların parçalanmasına neden olan süreçler: Fiziksel süreçler Kayaların fiziksel olarak daha ufak parçalara ayrılması, bileşimde değişim olmaz Kimyasal süreçler Kimyasal süreçlerle bir mineralin başka bir minerale dönüşmesi Su çok önemli bir faktördür Fiziksel ve kimyasal bozunma genellikle birlikte meydana gelir ve etkileri bir birleriyle ilişkilidir. Fiziksel bozunma kimyasal bozunmanın etki alanını arttırır Fiziksel (Mekanik) Bozunma: Fiziksel bozunma aşağıdaki şekillerde gelişir: 1. Donma-çözülme etkisi 2. Islanma-kuruma 3. Yük boşalması 4. Sıcaklıkla genişleme 5. Bitki köklerinin etkisi 6. Kristalizasyon; yer altı sularının buharlaşmasıyla oluşan tuz kristalleri Fiziksel bozunmada kayaçlar parçalara ayrılır ama kompozisyonları değişmez. Kimyasal Bozunma: Kayacı veya toprağı oluşturan minerallerin yapısındaki elementlerin ayrılması veya eklenmesiyle, minerallerin içsel yapılarının değişmesini içeren karmaşık bir süreçtir. 7

8 MEKANİK BOZUNMA SÜREÇLERİNE BAZI ÖRNEKLER Donma-Çözülme Çatlaklarda bulunan suyun donması ve çözülmesi Suda meydana gelen faz değişimi %9 luk bir hacimsel değişime neden olur. Bu nedenle, çatlak oluşumu ve ilerlemesi suyun donmasıyla meydana gelir. Gereksinimler: Su ortamda olması, Çatlaklar, Su donmasına sağlayacak sıcaklık değişimi (-18 ve daha düşük sıcaklıklar) Bu süreç gevşek ve köşeli parçaların oluşumuna neden olur Bitki köklerinin etkisi 8

9 Yük boşalması: Örtü yükünün kalkması sonucu meydana gelen gerilim boşalması kayaların parçalanmasına neden olur Tipik olarak masif mağmatik kayalarda (örneğin granit) ve masif kumtaşlarında gözlenir. Başlangıçtaki konumu Şimdiki yüzey Sheet joints (Exfoliation) Exfoliated Domes, Yosemite (USA) When a rock is exposed to the surface by uplift and erosion, the rock expands and sheet joints form parallel to the rock surface. This is also called exfoliation. 9

10 Kimyasal Bozunma türleri Çözünme: Kalsit ve jips gibi su ile çözülebilen mineraller, çözünmüş karbondioksit bulunduran süzülmüş su ile reaksiyonu sonucu bozunurlar H2O 2HCO 2 CO2 CaCO 3 Ca 3 Kalsit Oksitlenme: Bir elementin oksijenle birleşmesini ifade eder 4FeCO O 4H O 2Fe O H CO Siderit Hematit 2 3 pirit limonit Hidroliz: Yeni mineral oluşturan su ve mineral reaksiyonudur 3O6 6H 2O CO2 Al 2Si2O5 4 4 OH H 2SiO4 K2 3 2KAlSi CO Ortoklaz Kaolinit Kil mineralleri, kimyasal bozunma sonucu oluşan en yaygın mineraldir. Hidrasyon: Su ve mineralin bir hidrat minerali oluşturması sürecidir. CaSO 4 2H2O CaSO 4. 2H2O Anhidrit Jips Anhidritin hidrasyonu ile hacimde %63 artış meydana gelir ve tünellerde taban kabarmasına neden olur (Zanbak ve Arthur, 1986) 10

11 BOZUNMA HIZI Kaya bozunmalarının hızını ve türünü kontrol eden faktörler (a)kaya yapısı: Mineral bileşimi ve çözülebilirlik Fiziksel özellikler (çatlaklar, tabakalanma düzlemeleri boşluklar vb.) Yüksek sıcaklıklarda oluşan (kristalleşen) mineraller daha kolay bozunurlar, Çünkü: içinde bulundukları sıcaklık ve basınç koşullarında önemli farklılıklar söz konusudur. Bozunmaya karşı direnç İlk kristalleşir (1000 C) Hızlı bozunur Bowen s Reaction Series Goldrich Stability Series En son kristalleşir (300 C) Yavaş bozunur (Kil mineralleri) 11

12 Olivin/Piroksen Kil + H 2 CO 3 (Karbonik asit) Feldispat Kil + H 2 CO 3 (Karbonik asit) 12

13 Kalsit. H2O 2HCO 2 CO2 CaCO 3 Ca 3 Kalsit Karstik boşluklar Granit Bazalt Kil ve Kuvars Tamamen kile dönüşür En az duraylı mineraller ultrabazik ve bazik mağmatik kayalarda bulunur: Dünit Peridotit Bazalt Gabro 13

14 Yüzey alanı: Yüzey alanı ne kadar geniş olursa bozunmaya uğrayacak kaya yüzeyi o kadar artacağından bozunma daha hızlı gerçekleşecektir. Yüzey alanı= 6 m 2 Yüzey alanı= 12 m 2 Yüzey alanı= 24 m 2 (b) İklim: Sıcaklık ve nem koşulları bozunma üzerinde oldukça önemli bir etkiye sahip. Bu parametreler, Doğrudan bozunma hızı Dolaylı olarak da bitki örtüsünün türünü ve miktarını belirler. Kimyasal bozunma için optimum ortam koşulları: sıcaklık ve bol nem Genellikle kutup bölgelerinde kimyasal bozunma etkin değil. Kurak bölgelerde (yetersiz su) kimyasal bozunma çok yavaştır. Bozunma hızı yağmur miktarı ve sıcaklıkla artar. Kutup bölgelerinde ve çöllerde mekanik bozunma çok önemli Tropikal iklimlerde kimyasal bozunma önemli (c) Topografya: Topografya etkileri: Yüzeylenen kaya miktarını, yağış miktarı, bitki türü ve miktarı şeklinde sıralanılabilir (dolaylı etkiler) 14

15 Bozunmanın Mühendisliğe Etkileri Bozunmanın sonuçları orijinal kayacın; mineralojisine mikro yapısına yapısına bağlıdır Bozunma sonucu kayaçta; renk değişikliği gözeneklilik oranının artması kayacın yoğunluğu azalır mineral tanelerinde zayıflama taneler arası bağların zayıflaması ve yitimi kayaçtaki süreksizlik yüzeyleri zayıflar ve makaslama dayanımı azalır kayaç dayanımını yitirir ve daha fazla deforme olabilir çatlakların/eklemlerin gelişmesiyle kayaçların parçalanması özellikle karbonatlı kayaçlarda erime boşluklarının oluşması Gibi mühendislik jeolojisi açısından önemli fiziksel ve mekanik değişimler meydana gelir. Bozunmadan Kaynaklanan Önemli Mühendislik Problemleri: Mağmatik kayalarda gözlenen farklı bozunma temel tasarımında ve kazı yönteminin seçiminde sorunlar oluşturabilir Nemli iklim Kurak iklim 15

16 Çekirdek taşı (Kapadokya Bölgesi) Karbonatlı kayalar: Zemin-temel kaya dokanağı oldukça keskin (keskin dokanak). Karstik mağaralar ani çökmelere neden olabilir. Eğer çözünme kanalları kum malzemesiyle doluysa, kum kaynaması söz konusu olabilir, Bu erime kanalları barajlarda su kaçaklarına ve sızmalarına neden olabilir, sorunun aşılması için yapılacak enjeksiyon ise ekstra maliyet oluşturur. Kireçtaşı ve mermerden yapılmış anıt ve binalar asitlerden etkilenir 16

17 Şeyl Bozunma Kil Düşük makaslama dayanımı (temeller için tehlikeli, özellikle heyelan açısından riskli bölgelerde) Stabilizasyon (extra maliyet) Şişme Oksidasyon: Çevre düzenlemesi yapılmamış maden ocaklarında oluşan asitlerin nemli iklimlerde çevredeki biyolojik denge üzerindeki öldürücü etkisi (Asit Maden Drenajı Oluşumu) Dayanım: Süreksizlik yüzeylerinin makaslama dayanım parametreleri bozunmaya bağlı olarak düşer. Benzer şekilde kaya malzemesinin dayanımı da bozunma derecesine bağlı olarak düşer KAYA MEKANİĞİ Kaya kütlelerinin gerilme ve malzeme özellikleri ile ilgilenen mühendislik dalı Ampirik yaklaşımlar Kaya kalite göstergesi (RQD): Tarama hattında veya sondaj karotlarında sağlam kaya uzunluğunun tarama uzunluğuna bölümünün 100 ile çarpılması ile elde edilen değer (Deere, 1963) Mükemmel İyi Orta Kötü <25 Çok Kötü 17

18 Örnek Toplam 10 m uzunluğundaki karotlu sondaj uygulamasında sadece 1 m ve 2m uzunluğunda iki sağlam karot alınmış, geri kalan kısımlar kırıntılardan oluşuyor ise RQD? Sonuç; mühendislik çalışmaları açısından kötü kaliteli kaya GERİLME VE BİRİM DEFORMASYON Gerilme (σ), malzemenin belirli bir düzlemine birim alanda etkiyen kuvvettir. σ = F/A Örnek, kesit alanı 4 cm 2 olan silindirik bir çubuğa 2x10 4 N kuvvet uygulanırsa, σ = F/A = 2x10 4 N/ m 2 = 5x10 7 N/m 2 veya (Pa) 18

19 Birim deformasyon (ε), yük altında kalan malzemenin deformasyon ölçüsüdür. Uzunluklar oranı (m/m) olduğundan birimsizdir. Örnek; Boyu 1m olan demir bir çubuk, uzunluğu 0.99 m olacak şekilde şıkıştırılırsa; ε=(l-l 0 )/L 0 = (1-0.99)/1=0.01 Yanal birim deformasyon (ε l ), endeki birim deformasyondur. ε l =(B-B 0 )/B 0 Poisson oranı (v), Yanal birim deformasyonun (ε l ), eksenel birim deformasyona (ε) oranıdır. v = ε l /ε Elastisite modülü (Young modülü), E; E= Gerilme/ Birim deformasyon = σ / ε birimi N/m 2 Nihai gerilme, taşınabilen en büyük yükün kesit alanına bölümü Tek eksenli basınç deneyi 19

20 Örnek Tek eksenli deney ile 1.6 cm yarıçapa sahip bir granit örneğine uygulanan eksenel yüklere karşılık meydana gelen birim deformasyon aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Kaya malzemesinin Elastisite (Young) modulünü belirleyiniz. E= Gerilme/ Birim deformasyon = σ /ε σ = N / π(0.016m) 2 ε = 4x10-3 E= 1.24x10 8 /(4x10-3 )= 3.11x10 10 N/m 2 Bazı kayaların seçilmiş mekanik özellikleri Kaya Yer ρ Yoğunluk (g/cm 3 ) E Elastisite modülü (Gpa) Nihai dayanım σ c Tek eksenli sıkışma dayanımı (MPa) σ t Çekme dayanımı (MPa) Dolomit Illionis Gnays Idaho Kireçtaşı Almanya Mermer Tennessee Granit Colorado Kumtaşı Utah (Rahn, 1996) 20

21 ÇEKME DAYANIMI Çekme dayanımı (σ t ), çekme gerilmesi (tansiyon) altında kaya malzemesinin yenilme gösterdiği en yüksek gerilme olarak tanımlanır. Genel bir kural olarak çekme dayanımı, tek eksenli sıkışma dayanımının %10-%40 ı arasında değişmektedir. Örneğin granit örneklerinin tek eksenli çekme deneyleri, en yüksek çekme dayanımının yaklaşık 12 MPa olduğunu göstermektedir. Kayaçlardaki mikroskopik ölçekli çatlak vb yapılar çevresinde çekme gerilmesi nedeniyle çatlak oluşumu başlar. bu nedenle kayaçlar kiriş gibi yapılarda inşaat malzemesi olarak kullanılmazlar. Makaslama gerilmesi Normal gerilme y x x Makaslama gerilmesi y Normal gerilme 21

22 Üç Eksenli Deneyler ve Mohr Diyagramı Doğal zemin ve kaya basınçlarını temsil etmek için farklı basınçların uygulanabildiği içi sıvıyla dolu silindir düzenek. Üç eksenli deneyde silindirik örnek her tarafından eşit basınca maruz bırakılır, ek olarak bağımsız olarak eksenel basınç uygulanır. Üç eksenli sıkışma deney sonuçları Mohr daireleri şeklinde çizilerek makaslama ve normal gerilme değişimleri değerlendirilir. Normal gerilmeler apsis, makaslama gerilmeleri ordinat ekseninde çizilir. Çevre basıncı altındaki silindirik örnek tüm yönlerde eşit gerilme altındayken, yenilme oluşuncaya kadar eksenel gerilme arttırılır. Farklı çevre basınçları altında deney tekrarlanır. Deneyde uygulanan gerilmeler apsise işaretlenir (OB ve OB iki deneyde uygulanan eksenel yük, en büyük asal gerilmeler). iki yük arası çap olacak şekilde yarım daireler çizilir Makaslama gerilmesi kn/m 2 O A A B B Normal gerilmeler kn/m 2 22

23 Her iki daireye teğet olacak şekilde bir doğru çizilir. Doğrunun ordinatı kestiği değer c, birim kohezyon, sağlam kaya için 1-6 MPa arasında değişir Doğrunun eğimi ᶲ, içsel sürtünme açısıdır. Makaslama gerilmesi kn/m 2 Normal gerilmeler kn/m2 Örnek c=0 ve ᶲ=34º olan bir kum örneğinde yanal basıncının 1.7 x 10 5 N/m 2 olduğu kabul edilirse bu örneğin yenilmesi için gereken düşey gerilmesi nedir? σ = 6.0 x x10 5 = 4.3 kn/m 2 23

24 Örnek Bir granit örneğinde elde edilen üç eksenli deney verilerini kullanarak bir Mohr zarfı çiziniz, c ve ᶲ yi hesaplayınız. Ortalama tek eksenli basınç dayanımı, 6.5 x 10 7 N/m 2 Çevre basıncı 0.69 x 10 7 N/m 2 olduğunda örneği kırmak için gereken eksenel gerilme 12 x 10 7 N/m 2 dir. Çevre basıncı 1.4 x 10 7 N/m 2 olduğunda örneği kırmak için gereken eksenel gerilme 17 x 10 7 N/m 2 dir. ZEMİN MEKANİĞİ Zemin Dokusu Zeminlerin dokusu, tanelerin şekil ve göreceli boyları ile bunların zemin içindeki oranına veya dağılımına bağlıdır. İri taneli zeminler: İnce taneli zeminler: Çakıl Kum Silt Kil mm (Birleştirilmiş Zemin Sınıflama sistemi, USCS) 0.06 mm (BS) (Hong Kong) Elek analizi Hidrometre analizleri (Stokes yasası) 24

25 Tane boyu dağılımı Deney İri taneli zeminler: İnce taneli zeminler: Çakıl Kum Silt Kil mm (USCS) 0.06 mm (BS) (Hong Kong) (Head, 1992) Elek analizi Hidrometre analizi 25

26 Amerikan Elekleri İngiliz Elekleri Çap Elek No. (mm) Çap Elek No. (mm) 2" " ½" ½" /4" /4" /8" /8" %P = 100 x Elekten Geçen Miktar/ Tüm Örnek İyi derecelenmiş: İyi Boylanmış: 26

27 Tane boyu dağılımı A Efektif Çap,D 10 : mm D 30 :0.7 mm D 60 :8.5 mm Logaritmik eksen (Holtz and Kovacs, 1981) Tane boyu dağılımı Bir önceki şekildeki A zeminine ait tane boyu dağılım grafiğinin tanımlanması Boylanma katsayısı, C u (ceofficient of uniformity) 2 D30 D60 C C U C D60 D10 D10 D D D Eğrilik katsayısı, C c (ceofficient of curvature) 0.025mm(efektif tane boyu) 0.7 mm 8.5mm C u D D C c 2 ( D30) ( D )( D (0.7) 2.3 ) (0.025)(8.5) 27

28 Değerlendirme kriteri D Cu D İyiderecelenmiş zemin : 1 C c 3 ve C u 4 (cakil icin) 2 ( D30) Cc ( D )( D (0.7) 2.3 ) (0.025)(8.5) 1 C c 3 ve C u 6 (kum icin ) Örnek: iyi derecelenmiş Zeminlerde Üç Faz S : Katı W: Sıvı Su A: Hava Hava Zemin taneleri Faz diyagramı V t =V v +V s =(V a +V w )+V s Mt=M w +M s 28

29 (1) Boşluk oranı (void ratio), e (ondalıklı verilir, 0.65) Bosluk Hacmi ( Vv ) e Katı tan elerin hacmi ( Vs ) (2) Porozite (porosity), n (yüzde olarak verilir, 100%, 65%) V Bosluk hacmi ( Vv ) se e n n Vs (1 e) 1 e Toplam hacim ( V ) t (3) Doygunluk derecesi (degree of Saturation), S (yüzde olarak verilir 100%, 65%) Su ile doygun bosluk hacmi ( Vw) S 100% Boslukların toplam hacmi ( V ) v 29

30 S Doygunluk derecesi (S) Su ile dolu boslukların toplam hacmi ( V Bosluklarin toplam hacmi ( V ) v w ) 100% Tamamen kuru zeminlerde: S = 0 % Tamamen doygun zeminlerde: S = 100% Doygun olmayan zeminlerde (partially saturated soil) 0% < S < 100% Su içeriği (w) W= M w M s = W w W s X 100% Örnek 1: Nemli bir zemin örneğinin kütlesi kap ile beraber 462 g olarak ölçülmüştür. Daha sonra nemli örnek etüve konularak 24 saat C de kurutulmuştur. Kurutma sonrası örnek kap ile birlikte tekrar tartılmış ve 364 g olduğu ölçülmüştür. Kabın ağırlığı 39 g olduğuna göre, bu örneği su içeriğini belirleyiniz. Çözüm: a. Nemli zemin + kabın kütlesi = 462 g b. Kuru zemin + kabın ağırlığı = 364 g c. Suyun kütlesi (a-b) = 98 g d. Kabın kütlesi (darası) = 39 g e. Kuru zemin kütlesi (b-d) = = 325g f. Su içeriği (c/e) *100 (%) = %

31 Su içeriğimde artış 12/16/2014 Atterberg Limitleri İnce taneli zeminler için suyun varlığı zeminin mühendislik davranışını önemli oranda etkilemektedir. Dolayısıyla, bu etkilerin tanımlanması için referans indeks parametrelere ihtiyaç duyulmaktadır. Belirli bir su içeriğindeki ince taneli toprak zeminin fiziksel durumu kıvamlılık olarak bilinir. Akışkan zeminsu karışımı Kuru zemin Likit durum Plastik durum Yarı-katı Katı Likit limit, LL Plastik limit, PL Büzülme limiti, SL Zeminlerde su içeriği-hacimsel değişim arasındaki ilişki SL (Uzuner, 1998) 31

32 Likit limit, LL (Liquid Limit) Casagrande Yöntemi (ASTM D a) Prof. Casagrande bu deney üzerinde çalışarak,likit limit deney aletini geliştirmiştir. Konik Penetrometre Yöntemi (Cone Penetrometer Method) (BS 1377: Part 2: 1990:4.3) Bu yöntem İngiltere Devlet Karayolları Kurumu (Transport and Road Research Laboratory) tarafından geliştirilmiştir. Atterberg limitleri deneyleri 40 no.lu (0.425 mm) elek altına geçen malzeme kullanılarak gerçekleştirilir Casagrande Yöntemi Casagrande likit limit cihazı ve oluk açma bıçağının şematik görünümü N=25 düşüş (Holtz and Kovacs, 1981) Kapanma aralığı = 12.7mm (0.5 in) 25 düşüş sonrası, açılmış olan olukta 0.5 in (12.7 mm) kapanmanın gerçekleştiği andaki su içeriğine likit limit denilir 32

33 Likit limit değerinin hesaplanması w N Das, 1998 Casagrande yöntemi Tek nokta likit limit deneyi Sabit bir akış eğrisi kabul edilir. Bu akış eğrisi eğimi, 767 likit limit deney sonucunun istatistiksel analizi sonucu elde edilmiştir. N 25 LL wn tan b N: oluğun kapandığı düşüş sayısı w n : tek nokta likit limit deneyi yapılmış örneğin su içeriği tan b: akma eğrisinin eğimi (0.121) Sınırlamaları: tanb ampirik bir değerdir ile arasında değişir. En iyi sonuç; N nin 20 ile 30 arasında olduğu zaman elde edilir. Bu koşulda tanb 0.1 alınabilir 33

34 Örnek Kohezyonlu zemin örneğinde yapılmış likit deneyi sonuçları aşağıdaki tabloda verilmiştir. Zeminin likit limitini a) Grafik yöntemle b) 3 nolu deneyin verisini kullanarak tek nokta limit yöntemine göre belirleyiniz Deney No Vuruş Sayısı Yaş zemin, g Kuru zemin, g Çözüm Deney Vuruş Yaş zemin, Kuru zemin, Su içeriği No Sayısı g g % a) LL = %42 b) N= 27, w= 39.8, tanβ=0.1 N LL wn 25 tan b

35 Penetrasyon miktarı (mm) 12/16/2014 Konik Penetrometre ile Likit limit tayini (Cone Penetrometer Method) Cihaz (Head, 1992) Bu yöntem İngiltere Devlet Karayolları Kurumu (Transport and Road Research Laboratory) tarafından geliştirilmiştir. Belli kütledeki (80 g) konik uç 5 s süreyle kap içine doldurulmuş yaş zemine bırakılır. Batma miktarı mikrometre ile ölçüldükten sonra zemin su içeriği belirlenir. Deney farklı su içeriklerine göre tekrarlanarak, su içeriği penetrasyon ilişkisi çizilir. 20 mm lik batmaya karşılı gelen değer zeminin likit limiti (LL) değerini verir. Bu yöntem birden fazla veriye dayanan yöntemdir 20 mm L L Su içeriği, w% 35

36 Plastik limit,pl Bu deney, zeminin plastik kıvamda olduğu durumdaki en düşük su içeriğini belirlemek için yapılır. Cam veya plastikten yapılmış düz bir yüzey üzerinde el ayasıyla veya parmaklarla muntazam bir şekilde yuvarlanan zemin örneğinin, 3 mm çapında ve yaklaşık 10 mm uzunluğundaki bir silindir şeklini kazandığında, su içeriğinden dolayı kırılıp çatlamaların meydana geldiği andaki su içeriği, zeminin plastik limiti olarak tanımlanır (Holtz and Kovacs, 1981) ASTM D a, BS1377: Part 2:1990:5.3 Büzülme Limiti, SL SL Büzülme limiti: Zeminin hacminde meydana gelen değişmenin durduğu andaki su içeriği büzülme limiti olarak tanımlanır. (Das, 1998) 36

37 Örneğin başlangıçtaki hacmi: V i Nemli örneğin kütlesi: M 1 Kurutulmuş örneğin hacmi: V f Kuru örneğin kütlesi: M 2 (Das, 1998) SL w (%) w(%) i M1 M M2 2 Vi Vf (100) M2 ( w )(100) İndeksler Plastisite indeksi, PI Zeminin plastik davranış gösterdiği su içeriği aralığının tanımlanması için kullanılır PI = LL PL Likit durum C Likit limit, LL PI Plastik durum Yarı-katı durum B A Plastik limit, PL Büzülme limiti, SL Katı durum (Ulusay, 2001) 37

38 Likitlik indeksi, LI Bu indeks ile elimizdeki örneğin plastik, kırılgan katı ve sıvı davranışlarından hangisi olacağı bilmemiz mümkün olmaktadır. w, su içeriği w PL LI PI w PL LL PL LI <0 (A), Makaslamaya karşı kırılgan çatlak oluşturur 0<LI<1 (B), Makaslamaya karşı plastik davranış gösterir LI >1 (C), Makaslamaya karşı viskoz bir sıvı gibi davranır Kıvamlılık indeksi, I C ( LL w) I C PI (Ulusay, 2001) Sıkışma indeksi, C C Normal konsolide olmuş killerde, sıkışma indeksi ile likit limit arasında aşağıdaki ilişki vardır. C C 0.009( LL 0.1) (Terzaghi and Peck, 1948) 38

39 Aktivite, A (Skempton, 1953) A Kil PI yüzdesi Aktif olmayan killer (kaolinit) <0.75 Normal killer (illit): 0.75<A<1.25 Aktif killer (montmorillonit): A> 1.25 Yüksek aktivite: Büyük hacimsel artış su ile karşılaştığında Kurutulduğunda yüksek oranlarda büzülme meydana gelir Mitchell, 1993 Dayanım Zeminlerin dayanımı veya yük taşıma kapasitesi değişken olup, genellikle makaslama gerilmesine karşı koyma yeteneği ile belirlenir. Mohr-Coulomb Kırılma Teorisi τ= c + σ.tanφ (toplam gerilmelere göre) τ = c + (σ u).tanφ = c + σ.tanφ (efektif gerilmelere göre) τ, zeminin makaslama dayanımı (gerilmesi) 39

40 τ = c + (σ u).tanφ τ, zeminin kayma direnci (dayanımı) Φ, içsel sürtünme açısı olup, zemindeki herhangi bir düzlem boyunca kaymaya karşı direnç ve bu düzleme etki eden gerilmenin bileşeni arasındaki oranın tanjant değeridir c, kohezyon olup zemin tanelerinin birbirini çekme özelliğini yansıtır. Kil gibi zeminlerde c 0, Φ =0 Temiz kum, çakıl gibi zeminlerde c=0, Φ 0 Killi, siltli kum ve çakıl gibi karma zeminlerde c 0,Φ 0 slip plane t Shear force a w w.cosa w.sina s n Örnek Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kumdan oluşan bir zeminde 30 m derinde yatay bir düzlem üzerindeki kaymaya karşı makaslama dayanımını hesaplayınız (Φ = 32 ve c=0). 40

41 Çözüm Dayanım Parameteleririni Belirlenmesi 1. Tek eksenli sıkışma deneyi 2. Üç eksenli sıkışma deneyi 3. Makaslama deneyi 4. Kanatlı kesici (Vane) deneyi 5. SPT deneyi 41

42 42