NİĞDE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ INS3003 ZEMİN MEKANİĞİ-I LABORATUVAR DENEYLERİ

Transkript

1 NİĞDE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ INS3003 ZEMİN MEKANİĞİ-I LABORATUVAR DENEYLERİ Öğretim Üyesi: Prof. Dr. Osman SİVRİKAYA RAPOR 2 Hazırlayan: Öğrencinin Numarası ve Adı Soyadı 13 Ağustos 2014 NİĞDE 1

2 ÖZET İÇİNDEKİLER 1 GİRİŞ 2 KOMPAKSİYON (SIKIŞTIRMA) 2.1 KONU 2.2 DENEYİN YAPILIŞI 2.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 2.4 YORUM SONUÇ 3 KONSOLİDASYON 3.1 KONU 3.2 DENEYİN YAPILIŞI 3.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 4 KAYMA MUKAVEMETİ 5 - SONUÇ 4.1- SERBEST BASINÇ KONU DENEYİN YAPILIŞI BULGULAR / HESAPLAMALAR YORUM SONUÇ 4.2 KESME KUTUSU KONU DENEYİN YAPILIŞI BULGULAR / HESAPLAMALAR YORUM SONUÇ 4.3 ÜÇ EKSENLİ BASINÇ KONU DENEYİN YAPILIŞI BULGULAR / HESAPLAMALAR YORUM SONUÇ KAYNAKLAR EKLER (TABLOLAR, ŞEKİLLER, ABAKLAR ve FÖYLER) 2

3 ÖZET Zeminlerin mühendislik özelliklerinin saptanması için yapılan bu çalışma kuru birim hacim ağırlık su muhtevası ilişkisi için kompaksiyon deneyi, oturma zaman ilişkisi için konsolidasyon deneyi, kayma mukavemeti parametreleri için de serberst basınç ve kesme kutusu deneylerinden oluşur. Kompaksiyon deneyinde standart proktor aleti kullanılmış ve numune üç tabaka olarak proktor kabına yerleştirilip sıkıştırılmıştır. Konsolidasyon deneyi kademeli yüklemelerle yapılmış ve konsolidasyon deneyine ait eğriler çizilmiştir. Serbest basınç deneyi killi zemin üzerinde ve kesme kutusu deneyi de üç ayrı normal gerilmeler altında üç kez tekrarlanarak kum numunesi üzerinde yapılmıştır. Her deneyde farklı numuneler kullanıldığı için bu çalışmada deneylerin toplu bir değerlendirilmesi yapılamamış, her deney kendi içinde kullanılan numuneye göre değerlendirilmiştir. 1 - GİRİŞ Zeminlerin davranışlarının anlaşılabilmesi için, onların indeks özellikleri kadar mühendislik özelliklerininde bilinmesi gerekir. Ancak bu sayede karşılaşılan problemler çözüme kavuşturulabilir. Zeminin yapı malzemesi olarak kullanılması durumunda mühendislik yapılardan gelen yüklerden dolayı oluşan oturmalar ve dolgularda kullanılan zeminlerin sıkıştırılması yani kompaksiyon bir problem olarak karşımıza çıkar. Arazide karşılaşılan bu problemlerin çözümü için arazideki şartları labaratuvarda kısmen modelize ederek zeminlerin o yükler altındaki davranışlarını yeter doğrulukta bulmak gerekir. Arazide bir yapı temeli veya toprak dolgu altında kalacak zemin tabakalarının gerilme şekil değiştirme davranışlarını kayma mukavemetlerini belirlemek için; kesme kutusu deneyi, serbest basınç deneyi, üç eksenli basınç deneyi, oturma zaman davranışı için konsolidasyon deneyi ve kuru birim hacim ağırlık su muhtevası ilişkisi içinde kompaksiyon deneyleri yapılır. Bütün deneylerde dikkat edilmesi gereken en temel kural, deney koşulları ile arazi koşullarının benzeşimidir. Kompaksiyon mekanik enerji kullanarak zemin içindeki hava boşluklarının sıkışma ile dışarı atılması işlemi olarak tanımlayabiliriz. Bu çalışmada numunemiz üzerinde standart proktor deneyi yapılmıştır. Numune 956 cm 3 lük kabın içerisine üç 3

4 tabaka halinde serilmiş, her tabaka proktor aleti ile sıkıştırılır. Daha sonra kalıp + yaş numune ağırlığı ölçülerek yoğunluk hesaplanır. Kalıbın üstünden ve altından alınan numunelerin su muhtevaları ölçülerek buradan kuru birim hacim ağırlığına ulaşılır. Bu deneyde 592,7 kj/m 3 kompaksiyon enerjisiuygulanmıştır. Bu işlemler değişik su muhtevalarında 6-7 kez tekrarlanarak kompaksiyon eğrisi elde edilir. Bulunan sonuçlar k -w eksen takımlarında grafik olarak gösterilir. Bu diyagramdan maksimum k ve optimum w opt su muhtevası bulunur. Konsolidasyon ise zamana bağlı olarak sabit yük altında zemindeki suyun dışarı çıkması ile meydana gelen hacimsel şekil değiştirmelerdir. Konsolidasyon oturmaları mühendislerin arazide karşılaştığı problemlerin başında gelir. Toplam ve farklı oturmalar sonunda, eğer bu oturmalar limitlerin üzerinde olması halinde, yapı güvenliğini tehlikeye sokabilecek durumlar ortaya çıkabilir. Bu oturmaları ve zamanla ilişkilerini saptayabilmek için labaratuvarda konsolidasyon (odometre) yapılır. Özellikle ince daneli zeminlerde çok önemli olan konsolidasyon oturmaları, odometre aleti kullanılarak ıncelenir. Deney düzeneğinde numunede yanal genişlemeye izin verilmemekte ve belirli düşey yükler altında boy kısalması ölçülmektedir. Zemin numunesi odometre aletine yerleştirildikten sonra, deneyde ilk adım 0,25 kg/cm 2 yüklemesi yapılır ve sonra numuneye iki dakika sonunda su verilir. 15``, 30``, 1`, 2`, 4`, 8`, 15`, 39`, 1 sa, 2 sa, 4 sa, 8sa ve 24 sa sürelerinde mikrometreden okumalar yapılır. Bu yüklemeden sonra 0,5, 1 lik yüklemeler yapılır ve her kademe için 24 saat beklenir. Deneyin ikinci aşamasında ise yük değerleri, 1 den 0,5, 0,25 kg/cm 2`a boşaltılır ve üçüncü adımda tekrar 0,5, 1, 2, 4, 10 kg/cm 2`a yüklenir. Son adımda ise 10 kg/cm 2 den 0,25 kg/cm 2 değerine kadar azaltılarak okumalar alınır., Bunlar sonucunda numunenin değişik düşey yükler altında davranışı için oturma zaman ilişkisi çıkarılır. Kayma mukavemetini bulmak için yapılan ilk deney Serbest Basınç deneyidir. Bu deneyde, kompaksiyon deneyinden elde edilen silindirik olarak hazırlanan ince daneli zemin numunesi eksenel olarak kırılıncaya kadar yüklenir. Yük artışlarına karşılık gelen boy kısalmaları ölçülerek serbest basınç mukavemeti (q u ) bulunur. Deney hızlı ve drenajsız olarak yapıldığı için zeminin drenajsız kayma mukavemeti bulunur. Kesme Kutusu Deneyi, kayma mukavemetini bulmak için yaptığımız deneylerdendir. Bu deneyde numune dikdörtgen kesitli iki parçadan oluşan rijit bir kutu içine yerleştirilir. Numune üzerine düşey sabit bir gerilme uygulanır. Uygulanan düşey 4

5 gerilme altında dakika bekletilerek numune konsolide edilir. Daha sonra kesme kuvveti altında kutunun üst parçası sabit tutulurken alt parçası kuvvet doğrultusunda yatay olarak hareket eder. Böylece numune ortasından geçen yatay düzlem boyunca kaymaya zorlanır. Numunemiz 1, 2, 3 kg/cm 2 düşey gerilmeler altında kesme kutusu deneyine tabi tutulmuştur. Yatay yer değiştirmelere göre kuvvet saatinden kuvvet düşey deplasman ölçerden de normal gerilme altında kısalmalar veya şişmeler (kabarmalar) okunur. Elde edilen sonuçlar kayma gerilmesi ( ) birim kayma deformasyon ( ) ile kayma gerilmesi ( ) normal gerilme ( ) diyagramlarında gösterilir. Her deney kademesinde aynı miktarda numune kullanılmıştır. Yapılan son deney ise konsolidasyonlu derenajsız (CU) üçeksenli basınç deneyi yapılmıştır. Bu deney arazide konsolide olan zeminin ani olarak yüklenmesiyle meydana gelecek kayma parametrelerini bulmada kullanılır. Deney hakkında geniş bilgi detaylarıyla son bölümde verilmiştir. 2 KOMPAKSİYON (SIKIŞTIRMA) KONU İnşaat mühendisliğinde değişik amaçlar için toprak dolgular inşası çok sık başvurulan bir uygulama olmaktadır. En yaygın örnekleri arasında, inşaat sahasının kotunu yükseltmek için yapılan dolgular, karayolları ve havaalanları kaplama altı dolguları ile toprak barajlar, su bentleri ve akarsu seddeleri gibi su yapıları için yapılan dolgular sayılabilir. Ayrıca, birçok durumlarda elverişsiz zemin koşullarına sahip inşaat alanlarındaki tabii zeminin kazılıp atılması ve yerine daha iyi özelliklere sahip temel altı dolgusu konulması veya mevcut zemin tabakalarının özelliklerinin yerinde iyileştirilmesi gerekmektedir. Toprak dolgularda kullanılacak malzeme, başka sahadan (ariyet sahası) kazılarak elde edilen zemin olacaktır. Kazıdan elde edilen bu zeminin, gelişigüzel dolgu sahasına dökülmesi ve yayılması ile elde edilecek bir dolgu tabakası yüksek porozite, permeabilite (su geçirgenliği) ve sıkışabilirliğe ve düşük mukavemete sahip olması yanında, özellikleri dolgu derinliği boyunca ve noktadan noktaya büyük farklılıklar gösteren heterojen bir görünüm arz edecektir. Bu durumdaki bir zemin tabakasının ise gerek projelendirme yönünden gerekse uygulanacak yükler altındaki muhtemel 5

6 davranışı açısından kabul edilebilir olamayacağı açıktır. Bu nedenlerle, çok eski çağlardan beri insanlar toprak dolguların inşasında dikkatli davranılması ve özellikle bunların sıkıştırılarak yerleştirilmesi gerektiği bilincine sahip olmuşlardır. Modern çağlarda ise gerek zeminlere uygulanan yükler, gerekse inşaat yöntemlerindeki değişiklikler (motorlu taşıtların yaygınlaşması ve kaplamalı yolların inşası gibi) sonucu zemin dolgularının usulüne göre yapılması gereği daha da önem kazanmıştır. Usulüne göre yapılmış kontrollü bir toprak dolgu şu özelliklere sahip olmalıdır: a) Kendi ağırlığını ve uygulanan dış yükleri güvenlikle taşımaya yeterli mukavemete sahip olmalı b) Yük altındaki oturma ve deformasyonları müsaade edilebilir seviyelerin altında olmalı c) Aşırı şişme veya büzülme göstermemeli d) Mukavemet ve sıkışabilirlik özelliklerini kullanım ömrü boyunca koruyabilmeli e) Fonksiyonuna uygun permeabilite ve drenaj özelliklerine sahip olmalı Yukarıda sıralanan özelliklere sahip bir toprak dolgu inşa edebilmek için zemin mühendisinin kontrol edebileceği parametreler içinde en önemli olanları ise kullanılan malzemenin (zemin) cinsi ile su muhtevası ve sıkılık derecesi olmaktadır. Toprak dolguların yeterli mühendislik özelliklerine sahip olarak inşasında ve bazı durumlarda tabii zemin tabakalarının özelliklerinin yerinde iyileştirilmesinde en önemli unsur, zemin yeterince ve usulüne uygun olarak sıkıştırılmasıdır. Bu sıkıştırma işlemi ise zemin mühendisliğinde kompaksiyon olarak tanımlanmaktadır. Diğer bir ifade ile kompaksiyon (sıkıştırma), zemin danelerinin birbirine yaklaştırılması ve aralarındaki hava boşluklarının azaltılması sonucu daha sıkı bir yerleşime sahip olmalarını sağlayan mekanik işlemlere verilen isim olarak tanımlanabilir (Özaydın, 2005). 2.2 DENEYİN YAPILIŞI Standart Proktor Deneyi Deney Ekipmanları Etüv, 60 º C ve 110 ± 5 º C de sabit kalabilen termostat kontrollü Terazi (0.01 g duyarlıklı) 6

7 Metal kap Metal tokmak Metal tepsi Kriko Su muhtevasının ölçümü için gerekli deney aletleri Palet bıçağı Çelik cetvel Elek ve tavası Standart Proktor deneyinde zemin Şekil 2.1 de görüldüğü gibi 3 tabaka halinde ve üzerine 2.5 kg ağırlığında bir kütlenin her tabaka 30,5 cm yükseklikten 25 er kere düşürülmesi ile sıkıştırılmaktadır. Standart Proktor deneyinde kullanılan kompaksiyon enerjisi 590 kj/m3 tür. Kalıp sıkıştırılmış zemin ile tamamen dolduktan sonra kütlesi belirlenip bundan sıkıştırılmış zeminin yoğunluğu veya birim hacim ağırlığı hesaplanabilir. Aynı zeminden alınacak örneklerden su muhtevası saptandıktan sonra kuru yoğunluğu hesaplanır. Deney 5 veya 6 kere tekrarlanarak zeminin su muhtevası ile sıkıştırılmış kuru yoğunluğu arasındaki ilişki deneysel olarak saptanmış olur ve sonuçlar grafik üzerinde gösterilir. Şekil 2.1- Standart Proktor Deneyinde Zeminin Üç Tabaka Halinde Sıkıştırılması Modifiye Proktor Deneyi Modifiye proktor deneyi de prensip olarak standart proktor deneyi gibi yapılır. Ancak her iki deney metodu arasında az da olsa birtakım farklılıklar mevcuttur. Bu farklılıklar aşağıda belirtilmiştir. 7

8 I. a = 45.7 cm yükseklikten serbest düşüş yapan kg ağırlığında bir tokmak kullanılır. II. Modifiye proktor deneyinde zemin, sıkıştırma kalıplarında 5 tabaka halinde, 4.5 kg ağırlığında bir kütlenin her tabakaya 46 cm yükseklikten 25 er kez düşürülmesi ile sıkıştırılmaktadır. (Şekil 2.2) III. Modifiye proktor deneyinde kullanılan enerji 2700 kj/m 3 olmaktadır. Şekil 2.2- Modifiye Proktor Deneyinde Zeminin Beş Tabaka Halinde Sıkıştırılması 2.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR Proktor deneyi için şunları söylemek mümkündür. a) Maksimum kuru birim hacim ağırlık ve optimum su muhtevası, kompaksiyon enerjisinin seviyesine bağlıdır. b) Kompaksiyon enerjisi arttıkça maksimum kuru birim hacim ağırlık artar. c) Kompaksiyon enerjisi arttıkça optimum su muhtevası azalır. d) Kompaksiyon eğrisinin hiçbir kısmı, sıfır hava boşluğu çizgisinin sağ kısmına geçemez. Bu eğri bütün boşlukların suyla dolduğu γ d nin teorik en büyük değeridir.(γ sav ) (2.1) 8

9 γ w G s ω : suyun birim hacim ağrılığı : özgül ağırlık : su muhtevası e) Kompaksiyon sonrası maksimum kuru birim hacim ağırlık ve optimum su muhtevası zeminden zemine değişiklik gösterir. Maksimum Kuru Birim Hacim Ağırlığı nın Hesabı (γ kmax ) Bu yöntemde ilk olarak ilgili zemin için standart proktor deneyi yapılarak ıslak birim hacim ağırlık ve su muhtevası belirlenir. Belirlenen değerlere uygun olarak çizilen eğriden, zeminin one-point metodu için hazırlanan grafikteki zeminlerden hangisi olduğu tespit edilip buna göre verilen tablodan zeminin optimum su muhtevası ve maksimum kuru birim hacim ağırlığı hesaplanır. Eğer eğri tablodaki ana eğrilerden ikisinin arasında kalıyorsa iki değerin ortalaması alınır. Bu yöntem bütün zeminler için uygun değildir. Bu yönteme uygun olan zeminler, likit limiti 30~70 arasında olan ve kuru birim hacim ağırlık-su muhtevası grafiği çan şeklinde çıkan zeminlerdir. Likit limiti 30 dan küçük zeminlerde bu grafik bir buçuk veya iki pik yapar. Likit limiti 70 ten büyük zeminlerdeyse iki pik yapar veya pik bulunmaz. 2.4 YORUM SONUÇ Laboratuvar kompaksiyon deneyinde saptanması amaçlanan esas iki parametre uygulanan kompaksiyon enerjisine bağlı olarak elde edilebilecek maksimum kuru yoğunluk ve optimum su muhtevası olmalıdır. Optimum su muhtevası bize zeminin arazide en iyi sıkışabileceği su muhtevasını, maksimum kuru yoğunluk ise elde edilebilecek sıkışma derecesini göstermektedir. Eğrilerin biçimi ise, belirli su muhtevası aralıklarında sıkıştırılmış zeminin kuru yoğunluğunda gözlenecek değişiklikleri göstermektedir. Laboratuvar kompaksiyon deneyinden elde edilen sıkışma eğrisi (kuru yoğunluk su muhtevası ilişkisi), uygulanan kompaksiyon enerjisine ve kompaksiyon yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Bunun yanında, arazide kullanılan enerjilerin hem kendi aralarında hem de laboratuvar deneyine göre büyük farklılıklar gösterdiği bilinmektedir. 9

10 Yapılan araştırmalar, eğrinin biçimi ve konumu biraz değişse de, farklı kompaksiyon yöntemleri ve enerjileri altında, zeminin genel davranışında büyük benzerlikler bulunduğunu göstermektedir. Arazide uygulanacak kompaksiyon enerjisi mertebesinde enerjinin uygulandığı laboratuvar deney eğrisi bize arazi kompaksiyon davranışı hakkında gerçeğe oldukça yakın bir fikir vermektedir. 3 KONSOLİDASYON 3.1 KONU Zeminler üzerlerine uygulanan yüklerin sonucunda şekil değiştirme gösterirler. Şekil değiştirmeler elastik ve plastik olmak üzere ikiye ayrılır. Elastik şekil değiştirmede, yük kaldırıldığı zaman malzeme eski haline geri döner. Plastik şekil değiştirmede ise deformasyonlar kalıcıdır. Elastik davranış gösteren bazı malzemelerde şekil değiştirmeler ile uygulanan yükler arasında doğrusal bir ilişki gözlenirken (lineer elastik), bazılarında ise bu ilişki doğrusal olmamaktadır (non-lineer elastik). Zeminlerde meydana gelen şekil değiştirmeler genellikle uygulanan yük ile doğrusal olarak artmadığı gibi, yükün kaldırılması sonucu geri gelen şekil değiştirmeler de toplam şekil değiştirmelerin yalnızca küçük bir kısmını oluşturmaktadır. Zeminlerin şekil değiştirme davranışında gözlenen bir başka özellik de bunların zemin üzerine daha önce uygulanmış gerilmelerden etkilenmesidir. Uygulanan yükler zemin içinde gerek kayma gerilmelerinde gerekse düşey ve yatay düzlemlere etkiyen normal gerilmelerde artışlara yol açmaktadır. Ortaya çıkan kayma gerilmelerinin zeminin kayma mukavemetini aşması veya bunların yol açtığı kayma şekil değiştirmelerinin aşırı düzeylere ulaşması durumunda zeminde göçme meydana gelir. Uygulanan yüklerin yol açtığı düşey normal gerilme artışları ise zeminin kayma mukavemetini etkilediği gibi aynı zamanda zeminde düşey şekil değiştirmeler meydana getirmektedir. Yapılar altındaki zeminlerde meydana gelen oturmaların aşırı miktarlara ulaşması sonucunda birçok zararlı etkiler meydana gelebilir ve hatta yapının güvenliği dahi tehlikeye düşebilir. Bu nedenle bu oturma miktarlarının hesaplanması son derece önemlidir. 10

11 Sabit yük altında kohezyonlu zeminlerin sıkışmasına konsolidasyon denir. Zemin yüzeyinde, yüklemeden kaynaklanan toplam düşey deformasyona oturma denir. Artan yükleme durumunda düşey hareketin yönü aşağı, zemin üzerindeki yükün azaltılması durumunda ise hareket yönü yukarı(şişme) olabilir. Yer altı su seviyesinin alçalması da zemin içerisindeki efektif gerilmelerin artmasına ve dolayısıyla oturmalara yol açacaktır. Özellikle ince daneli zeminlerin oturması ile ilgili önemli bir diğer konu, genellikle zamana bağlı oluşlarıdır. Mühendislik yapılarının temel tasarımında bizi en çok ilgilendiren, oturmanın miktarının ne olacağı ve ne kadar hızlı oluşacağıdır. Oturmalar özellikle oturmanın hızlı olduğu durumlarda yapısal ve diğer tür hasarlara yol açabilir. Yüklemeye maruz kalan bir zemindeki toplam oturmanın (S t ) üç bileşeni vardır. S t = S i + S c + S s (3.1) S i : Ani oturma veya distorsiyon oturması S c : Konsolidasyon Oturması (zamana bağlı) S s : İkincil Sıkışma ΔH = S i + S c + S s (3.2) Aynı zamanda toplam oturma (S), ΔH olarak da gösterilir (3.2). Ani oturma veya distorsiyon oturması aslında elastik olmasa da genellikle elastik teoriden hareketle hesaplanmaktadır. Konsolidasyon oturması zamana bağlı bir süreç olup, permeabilite katsayısı düşük, ince daneli doygun zeminlerde meydana gelir. Oturmanın derecesi boşluk suyunun drenaj hızına bağlıdır. Zamana bağlı olan diğer bileşen olan ikincil sıkışma, sabit efektif gerilmede oluşur ve oluşumunda boşluk suyu basıncında değişim söz konusu değildir. Suya doygun haldeki bir zemin ilave bir yüke maruz kaldığı zaman bu basınç önce su tarafından üstlenilir. Çünkü, suyun sıkışma kabiliyeti toprağa kıyasla çok azdır. Yük tesiriyle su zeminin içindeki boşluklardan dışarıya çıktıkça basınç sudan toprağa 11

12 geçmeye başlar, dışarıya çıkan suyun hacmi kadar zemin küçülmesi neticesinde basınç sudan toprağa aktarılır. Bu olaya zemin mekaniğinde konsolidasyon adı verilir. Çok geniş bir alanı kaplayan bir dolgu parçasının sıkışması sadece tek boyutta meydana geliyormuş gibi kabul edilebilir. Bir zemine yükleme yapıldığı zaman aşağıdaki nedenlerden dolayı sıkışma meydana gelecektir. Zemin danelerindeki deformasyon Gözeneklerdeki su ve havanın sıkışması Gözeneklerden su ve havanın tahliyesi Tipik mühendislik yüklerinde zeminin mineral tanelerindeki sıkışma küçük olup, ihmal edilebilir. Sıkışabilir zeminler çoğu zaman yer altı su seviyesi altındadır ve tamamen suya doygun olarak kabul edilir. Bundan dolayı boşluk suyunun sıkışabilirliği de ihmal edilebilir. Böylece yüklemeye maruz kalan zeminlerde hacim değişimine en çok katkı sağlayan faktör, yukarıda sıralananlar arasında sonuncu olanıdır. Su gözenekten dışarı atılırken, zemin daneleri de daha stabil ve daha yoğun bir konuma gelecek şekilde yeniden pozisyon alırlar ve bu süreç sonucunda hacimde bir azalma, yüzeyde de oturma meydana gelir. Bu işlemin ne kadar hızlı gelişeceği zeminin permeabilitesine bağlıdır. Killer oldukça düşük permeabiliteye sahip oldukları için, yüklemeye maruz kaldıklarında sıkışmaları aylar, yıllar, hatta on yıllar sürebilir. Ödometre Deneyi Geniş alanlar kaplayan zemin plakaları, düşey olarak yüklendiklerinde sıkışma tek eksenli olarak kabul edilebilir. Laboratuvarda bir boyutlu sıkışmayı temsil etmek için zemin ödometre veya konsolidometre adı verilen özel bir cihaz içerisinde sıkıştırılır. Ödometre tekniğinin içinde kademeli yükleme deneyi (Lambe, 1951) halen pratikte en çok kullanılanıdır. Geliştirilen diğer yöntemler hidrolik eğim kontrollü (Lowe, 1969), sabit yükleme hızlı (Aboshi, 1970), sabit deformasyon hızlı (CRS) konsolidasyon deneyleri (Sallfors, 1975) şeklinde sıralanabilir. Geliştirilen deney teknikleri ile sürekli sıkışma eğrisi oluşturulmakta ve sıkışabilirlik ve konsolidasyon katsayılarının çok daha doğru olarak bulunmasına imkan sağlamaktadır. Ama asıl önemlisi klasik yük artımlı deneylerin diğerlerine nazaran deney süresini büyük ölçüde azaltmasıdır. Diğer taraftan sürekli okumaların alınması için otomatik veri kayıt sistemine ve çok daha karmaşık 12

13 gelişmiş aletlere gereksinim vardır. Eğim kontrollü deneylerde amaç aşırı boşluk basıncının eğimini kontrol ederek numunenin her yerinde arazideki koşullardakine benzer büyüklüklerde üniform efektif gerilme ve sıkışma oranlarını yaratabilmektir. Kademeli yükleme deneylerinde ilk sıkışma oranları, drenaj sınırlarına yakınında aşırı boşluk basıncı eğiminin yüksek olması dolayısıyla arazidekinden çok daha büyük olmaktadır. Kademeli yükleme deneyleri standart ödometre deneylerinde uygulandığı gibi rutin deneyler için de basit bir metot olarak çokça kullanılmaktadır. Sürekli yükleme deneyleri ile bazı dezavantajlar ortadan kaldırılabilmekte veya azaltılmaktadır. Bunlar:Alet terk edilerek ve iş kazancının artırılarak; deneyin tamamlanması için gereken süre azaltılabilmektedir. Deney oranı operatör tarafından seçilebilir. Böylelikle yüksek geçirgenliği olan zeminler çok daha çabuk test edilebilmektedir. Örneğin; Londra kili için 48 saat gerekirken kaolin için bu süre yaklaşık 2 saate kadar düşmektedir. Yükleme prosedürü otomatiğe bağlanmak sureti ile iş gücü kazancı elde edilmiş olmaktadır. Sürekli gerilme-şekil değiştirme-zaman eğrileri sayesinde daha iyi ve güvenilir veri toplanmış olmaktadır. Bir çok sabit deformasyon hızlı, sabit gerilme artım oranlı, sabit boşluk basıncı oranlı gibi yükleme yöntemi ve kriteri uygulanabilmektedir. Ayrıca otomatik data kayıt sistemi ve kontrol teknikleri kolaylıkla uygulanabilmektedir. Sürekli yükleme deneyleri için temek olarak Rowe hücresi, Oxford Üniversitesi gibi bir hidrolik sıkışma hücresi veya Bristol hücresi gibi ödometre tipi hücrelere uyarlanan mekanik yükleme çatısı gerekmektedir. Bilgisayar yardımlı izleme ve kontrol esasen tüm deney tipleri için gerekmektedir. Bu deneyler, bir çok noktadan oluşan sürekli bir e veya e-log eğrisi ürettiği için yüksek kalitede veri güvenilirliği vermektedir. Bu tür deneylerin ana dezavantajı alete bağlanan cihazların karmaşık ve pahalı olması ve çalıştırılması için iyi eğitilmiş teknisyene ihtiyaç duyulmasıdır. Sürekli yükleme deneylerinin başlıca tipleri aşağıda anlatılmaktadır. Deney Ekipmanları Alet ve malzemeleri 2 kısımda sınıflandırmak gereklidir. 13

14 a) Genel İhtiyaçlar Terazi 2 adet (0,1gr ve 0,01 gr hassasiyette ) Etüv Kronometre Saat camı ve rutubet kapları Hassas çökmeyi veren alet Buharlama kabı b) Özel İhtiyaçlar Konsolidometre (Ödometre) Numune Kutusu (standart boyutlarda ) Kıl testere Bıçak, Spatula Numuneyi ringe yerleştirme aparatı Ödometrenin yükleme sistemi, dönüşüm oranı belirli sistemlere belli ağırlıkların asılması suretiyle temin edilen yükleme sistemidir. Numunenin içine yerleştirildiği ring, sabit ve yüzen olmak üzere 2 tiptir. Sabit ringli kaplarda numunenin kaba göre hareketi daima aşağı doğrudur. Yüzen bilezikli kaplarda ise hareket tabana ve üstten ortaya doğrudur. Bu sebeple numune ve çeper arasındaki sürtünme yüzen ringli kaplarda daha azdır. Numunenin Hazırlanması Konsolidasyon deneyi hem örselenmiş, hem de örselenmemiş numuneler üzerinde yapılabilir. Örselenmemiş Numuneler: Bu numuneler bozulmamış numune alma yöntemlerinden birisi ile alınmış parafinli olarak laboratuara gelmiş olmalıdır. Ayrıca deneyin sağlıklı yapılabilmesi için: Numunenin çapı laboratuardaki ring çapından 4 cm büyük olmalı, Numune yüksekliği laboratuardaki ring yüksekliğinden 4 cm büyük olmalıdır. Örselenmiş Numuneler: Numuneler yoğurularak hazırlanıp ring içine yerleştirilir. Bunun içinde laboratuarda 4,76 mm den küçük boyutta 5 kg numune gereklidir. 14

15 Ekipmanların Kalibrasyonu Deneye başlamadan önce ödometrenin ayarlanması gerekir. Çökmeyi hassas olarak verecek olan göstergelerin tutukluk yapıp yapmadığı kontrol edilmelidir. Deney başında aletin deformasyonu tespit edilir. Bu miktar sonra deney esnasındaki okumalardan çıkarılır. Ringlerin çap, yükseklik ve ağırlık gibi karakteristik değerleri tespit edilir. 3.2 DENEYİN YAPILIŞI İnceleme altındaki sıkışabilir zemin katmanına ait bir elemanı temsil eden örselenmemiş bir zemin örneği dikkatlice tıraşlanarak, deney halkası içerisine yerleştirilir. Halka, yatay deformasyonlara izin vermeyecek ölçüde rijitdir. Numunenin altında ve üzerinde konsolidasyon işlemi sırasında drenaja izin veren poroz taşlar bulunmaktadır(şekil 3.1a). Numunenin yüklenmesi sırasında poroz taşın çapı halkanın çapından genellikle yarım milimetre daha küçük tutulur. Numunenin çapının yüksekliğine oranı genellikle 2 ile 5 arasında muhafaza edilir ve numune çapı çoğu zaman test edilen örselenmemiş örneğin çapına bağlıdır. Kalınlığı az ve çapı küçük örneklerde tıraşlama sırasında daha fazla örselenme meydana gelmektedir. Diğer taraftan, yüksekliği fazla numunelerde daha büyük kenar sürtünmesi söz konusudur. Seramik halkalar veya teflon kaplı halkalar kullanmak suretiyle veya halkanın iç yüzeyi molibden disülfid ile yağlanarak kenar sürtünmesinin bir ölçüde azalması sağlanabilmektedir. Yüzen halka deneyinde sıkışma, numunenin iki yüzeyi boyunca meydana gelir. Bu deneydeki halka sürtünmesi, tüm hareketin halkaya göre göreceli olarak aşağı yukarı doğru olduğu sabit halka deneyinkinden daha düşüktür. Sabit halka deneyinin temel avantajı tabandaki poroz taştan drene olan suyun ölçülebilir veya kontrol edilebilir oluşudur(şekil 3.1b). Bu şekilde ödometre içerisinde permeabilite deneyleri yapmak mümkündür. 15

16 Şekil 3.1 Tek Eksenli Konsolidasyon (Das, 2008) Konsolidasyon deneyi sırasında laboratuar numunesinde yük ile deformasyon arasındaki ilişkiyi ortaya koymak için, uygulanan yük ve numunede meydana gelen deformasyon dikkatlice ölçülür. Gerilme, doğal olarak, uygulanan yükün numune alanına bölümü ile elde edilir. Numunenin yüklenmesi genelde giderek artan şekilde olmalıdır. Yükleme işlemi ya bir mekanik kol, yada hava ya da hava-hidrolik basınç silindiri ile yapılmaktadır. Her bir gerilme artışı uygulanır, numunenin konsolide olmasına izin verilir ve daha fazla deformasyon olmayacak şekilde dengeye gelir; numune içerisindeki aşırı boşluk suyu basıncı yaklaşık olarak sıfıra eşittir. Bu durumda, nihai veya denge gerilmesi bir efektif gerilmedir. İşlem, gerilme-deformasyon eğrisini oluşturacak kadar nokta elde edene kadar tekrarlanır. O halde konsolidasyon deneyinin amacı, zeminin dış yükler altında maruz kalacağı sıkışmayı temsil etmektir. Gerçekte ölçtüğümüz şey, basınç altındaki sıkışmada zeminin davranışıdır. Bir örselenmemiş temsilci numunenin sıkışma karakteristiklerini değerlendirmek suretiyle arazideki zemin katmanında meydana gelecek oturmayı bulabiliriz. 16

17 3.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR a) Oturma Hesapları Oturmalar nasıl hesaplanır? Şekil 3.2 de H yüksekliğinde bir zemin katmanı, Şeklin ortasında görüldüğü gibi, katı ve boşluk kısımlarından oluşmaktadır. Faz diyagramında danelerin hacmini (V s ) bire eşit olduğunu varsayabiliriz; bu nedenle boşlukların hacmi ilksel boşluk oranı e 0 a eşittir. Son olarak konsolidasyonun tamamlanmasının ardından, zemin kolonu Şekil 3.2 nin sağındakine benzeyecektir. Katıların hacmi elbette ki aynı kalacaktır; fakat, boşluk oranında e kadar azalma meydana gelmektedir. Şekil 3.2 Zemin Prizması Bilindiği gibi, doğrusal birim deformasyon boydaki değişimin ilk boya oranı olarak tarif edilmektedir. Benzer şekilde, bir zemin katmanındaki düşey birim deformasyou yükseklikteki değişimin zemin kolonunun ilk yüksekliğine oranı olarak tarif edebiliriz. Şekil 3.2 den birim deformasyon ile boşluk oranı ilişkilendirilebilir, veya: ε v veya (3.3) Bu eşitliklerden oturmayı (s) çekersek: elde edilir. (3.4) Efektif gerilme ile boşluk oranı arasındaki ilişkiyi bilmek suretiyle sıkışabilir bir tabakada, üzerine yapılan yüklerden ileri gelecek oturmayı hesaplamak mümkündür. Bu ilişki, bir boyutlu sıkışma veya konsolidasyon deneyinden elde edilir. Deney sonuçları 17

18 aritmetik olarak grafiğe aktarıldığı zaman, sıkışma eğrisinin eğimine sıkışabilirlik katsayısı (a v ) denir ve (3.5) şeklindedir. Eğri doğrusal olmadığından (Şekil 3.3) a v sadece küçük bir gerilme aralığı için (σ 1 den σ 2 ye) yaklaşık olarak sabittir; ya da: a v (3.6) Deney sonuçlarının Şekil 3.4 te olduğu gibi yüzde konsolidasyon veya birim deformasyon cinsinden grafiği çizildiğinde, sıkışma eğrisinin eğimi hacimsel değişim katsayısı m v olur; ya da: m v (3.7) Burada ε v =Düşey sıkışma veya birim deformasyon ve D= ödometrik(constrained) modüldür. D yerine bazen E ödo kullanılmaktadır. Bir boyutlu sıkışmada ε v = e / (1+e o ) dır. 18

19 Şekil 3.3 Boşluk Oranı-Efektif Gerilme Grafiği (Holtz ve Kovacs, 2006) Sonuçların, boşluk oranı-efektif gerilmelerin logaritması cinsinden grafiğe aktarılması halinde (Şekil 3.4) bakir sıkışma eğrisinin eğimi sıkışma indisi ( C c ) olarak adlandırılır, ya da: C c (3.8) 19

20 Şekil 3.4 Boşluk Oranı-Efektif Gerilme Grafiği (Holtz ve Kovacs, 2006) Deney sonuçlarının grafiği yüzde konsolidasyon veya düşey birim deformasyon ile efektif gerilmenin logaritması şeklinde çizilirse bakir sıkışma eğrisinin eğim sıkışma oranı olarak (C cε ) adlandırılır ve C cε (3.9) bağıntısı ile ifade edilir. 20

21 Konsolidasyon oturmasını (s c ) hesaplamak için; s c [ ] (3.10) elde edilir. Eğer zemin normal konsolide ise σ 1 değeri mevcut düşey efektif gerilmeye eşit olur ve σ 2 de yapı tarafından uygulanan ilave gerilme σ ye eşit olur. Ya da, s c [ ] [ ] (3.11) Oturmayı yüzde konsolidasyon- log efektif gerilme eğrisinden hesaplarken; s c = C cε *H o * log (σ 2 / σ 1) (3.12) Benzeri diğer oturma denklemleri a v ve m v büyüklükleri kullanılarak da elde edilebilir. Bu durumda, sıkışma eğrileri doğrusal olmayan türde olduğundan, verilen bir gerilme artışı için ortalama gerilme kullanılmalıdır. Yüzde konsolidasyon veya düşey birim deformasyon ile logaritmik efektif gerilme eğrilerini kullanarak oturma hesapları yapmanın mühendislik uygulamalarında tercih edilir olmasının başlıca iki nedeni vardır. Birincisi, arazi oturmalarının hesaplanmasının kolay olmasıdır. İn-situ düşey örtü gerilmesi doğru olarak tahmin edilebildiği takdirde, yüzey sıkışmayı grafikten doğrudan okumak mümkündür. İkinci sebep ise, ön konsolidasyon gerilmesinin daha önceden bir değerlendirmesini yapabilmek amacıyla, konsolidasyon deneyi sırasında çoğu zaman sıkışma eğrisinin neye benzeyeceğinin bilinmek istenmesidir. Yukarıda sunulan tüm oturma denklemleri sadece sıkışabilir katman durumu için geçerlidir. Konsolidasyon özellikleri ve boşluk oranının derinlikle beraber önemli ölçüde değişim gösterdiği veya belirli zemin katmanlarında farklı olduğu durumlarda toplam konsolidasyon oturması her bir katmandaki oturmanın toplamına eşittir. 21

22 b) Konsolidasyon Hızı Hesapları Bir önceki bölümde açıklandığı üzere, konsolidasyon hızı diğer birçok faktör arasında zeminin permeabilitesine bağlıdır. Bir yapının uygulanan yükler altında ne kadar hızlı oturacağının bilinmesi, yapının tasarım ömrüyle yakından alakalıdır. Kil zeminler üzerindeki çoğu yapılar, hizmet süreleri boyunca yavaş ve sürekli oturmaya maruz kalmaktadırlar. Bu tür oturmalar yapının performansına zarar verebileceği gibi, kimi zamanda bir etkisi olmamaktadır. Mühendis oturma hızı ile ilgili bilgiye ulaştıktan sonra, eğer bir oturma hesaplanmış ise, hangi tür oturmanın yapısal bütünlüğe ve aynı zamanda yapının planlanan kullanma amacına etki edeceğine karar verebilecektir. c v, konsolidasyon sürecini kontrol eden malzeme özelliklerini içermesinden dolayı konsolidasyon katsayısı olarak adlandırılır. Terzaghi bir boyutlu konsolidasyon denklemine göre; c v * (3.13) Eşitliğin boyutsal analizi yapılacak olursa, c v nin boyutu [ L 2 T -1 ] veya m 2 /s olduğu görülecektir. Terzaghi nin bir boyutlu konsalidasyon denkleminin üç boyutlu olarak yazılması da mümkündür. Fakat, mühendislik uygulamalarında çoğu zaman bir boyutlu konsolidasyon göz önüne alınmaktadır. Terzaghi nin bir boyutlu konsolidasyon denklemi çözümü için ilk başta sınır ve başlangıç şartları belirlenir. Sıkışabilir katmanın tabanında ve tavanında tam bir drenaj söz konusudur. İlksel aşırı hidrostatik basınç u=u i sınırda uygulanan gerilme artışı σ ye eşittir. Bu sınır ve başlangıç değerlerini aşağıdaki gibi yazabiliriz. z =0 olduğu zaman ve z =2H olduğu zaman u =0 t = 0 olduğu zaman u = u i = σ = σ 2 - σ 1 En uzun drenaj yolunun uzunluğunun H veya H dr ye eşit olması için konsolide olan katmanın kalınlığının genellikle 2H olarak alınır. 22

23 Zaman Faktörü (T) ve konsolidasyon katsayısı c v nin ilişkisi, T (3.14) Şeklindedir.Bağıntıda t=zaman ve H dr =en uzun drenaj yolunun uzunluğudur. Konsolide olan katmanda herhangi bir derinlikte belirli bir t zamanı sonunda gelişen konsolidasyon, o spesifik zamandaki boşluk oranındaki nihai değişim ile ilişkilendirilebilir. Bu ilişkiye konsolidasyon oranı adı verilir ve U z (3.15) Bağıntısı ile ifade edilir. Bağıntıdaki e, Şekil 3.5 te görüldüğü gibi boşluk oranının bir ara değeridir. Şekil 3.5 Boşluk Oranı-Efektif Gerilme Grafiği (Holtz ve Kovacs, 2006) c) Konsolidasyon Katsayısı c v nin Hesabı Konsolidasyon katsayısı, konsolidasyon denkleminde konsolidasyon hızını kontrol eden zemin özelliklerini hesaba katan tek bileşendir. Ödometre deneyinde, her yük artışının deney numunesi üzerindeki bekleme süresinin aşırı boşluk suyunun tamamı 23

24 sönümlenene kadar olacak şekilde bekletilir. Bu süreç sırasında deformasyona ait okumalar yapılır. Konsolidasyon katsayısı (c v ), zaman-deformasyon verilerinden elde edilir. c v nin elde edilmesi için; Taylor( Karekök-zaman) Yöntemi Casagrande (Logaritma-zaman) Yöntemi Hiperbola Yöntemi kullanılabilir. i) Taylor Yöntemi (Karekök-Zaman) Karekök-zaman yönteminin (Taylor, 1942) aşamaları aşağıda sıralanmıştır. 1. Her yükleme kademesi için deformasyon okumaları ve karşılık gelen değerlerine ait grafik çizilir.(şekil 3.6) 2. Grafiğin lineer gözüken bölgesine bir teğet çekilir[pq]. 3. [OR]= 1.15*[QO] olacak şekilde bir teğet daha geçirilir[pr]. 4. [PR] teğetinin grafiği kestiği noktanın(s) yatay eksendeki değeri 90 değerini verir. 5. U av = 90% için T v değeri 0,848 dir. 6. Buna göre c v değeri; c v (3.16) Şekil 3.6 Deformasyon Okuması-Karekök-Zaman Grafiği (Das, 2008) 24

25 ii) Casagrande Yöntemi ( Logaritma-Zaman) Logaritma-zaman methodu Casagrande ve Fadum(1940) tarafından geliştirilmiştir. Yöntemin uygulanması aşağıdaki gibi sıralanmıştır. 1. Her yükleme kademesi için deformasyon okumaları ve karşılık gelen log(t) değerlerine ait grafik yarı logaritmik grafik kağıdı üzerinde çizilir.(şekil 3.7) 2. Konsolidasyon eğrisi üzerinde P ve Q gibi iki nokta belirlenir. Bu iki nokta belirlenirken Şekil 8.5 te gösterildiği gibi t 1 ve t 2 değerleri arasında t 2 = 4t 1 ilişkisi olmalıdır. 3. P ve Q noktalarının deformasyon okumaları arasındaki fark (x) kadar P noktasının üzerinde bir R noktası belirlenir. 4. R ve S noktası arasında çizilen yatay bir doğrunun karşıt geldiği deformasyon değeri d 0 = 0% konsolidasyon olarak kabul edilir. 5. Konsolidasyon eğrisi üzerinde belirlenen iki doğrunun kesiştiği nokta (T) nın deformasyon değeri ise d 100 = 100% konsolidasyon değeri olarak kabul edilir. 6. d 0 ve d 100 değerlerinin aritmetik ortalaması (d 0 + d 100 )/ 2 = d 50 değerini verir. d 50 nin grafik üzerinde denk geldiği V noktasının logaritmik zaman eksenindeki değeri t 50 yi verir. 7. U av = 50% için T v değeri 0,197 dir. Buna göre c v değeri; c v (3.17) Şekil 3.7 Deformasyon Okuması-Logaritma-Zaman Grafiği (Das, 2008) 25

26 iii) Hiperbola Yöntemi Hiperbola yöntemi (Sridharan and Prakash, 1985) aşağıda anlatıldığı gibi hesaplanmaktadır. Koordinat eksenlerinden birisi (T / U av ), diğeri ise (T) olan grafik Şekil 2.8 de görüldüğü üzere 60% U av 90% arasında lineer devam etmektedir. (3.18) Aynı şekilde, konsolidasyon test sonuçlarının her yükleme kademesi için oluşturulan, bir ekseni (t/h t ), diğer ekseni (t) olan grafikte, aşağıdaki kademeler izlenmek suretiyle c v hesaplanır.(şekil 3.8) 1. Şekil 3.8b de görülen grafik üzerinde (b) ve (c) noktaları arasında lineer bir doğru ekseni (d) noktasında kesmektedir. 2. Bu doğrunun eğimi (m), ve ekseni kesen doğrunun orjine uzaklığı D belirlenir. 3. c v nin belirlenmesi; (3.19) Şekil 3.8 Deformasyon Okuması-Logaritma-Zaman Grafiği (Das, 2008) 26

27 Standartlar Türk Standartları, ödometre deneyi için TS-1900 de aşağıdaki şartların sağlanmasını öngörmüştür. Genel olarak, ince siltler ve killer için kullanılacak konsolidasyon halkasının iç çapı, örselenmemiş tüp numunesinin çapından en az 6mm daha küçük olmalıdır. Halkanın derinliği, iç çapının üçte biri ile dörtte biri arasında olmalıdır. İç yüzeyi sürtünmeyi azaltmak amacıyla pürüzsüz bir biçimde parlatılmış olmalıdır. Deney sırasında, numunenin sıkışma ve şişme miktarını ölçebilecek biçimde yerleştirilmiş göstergeli bir mikrometre olmalı. Gösterge 0,002mm duyarlılıkla okunabilmeli ve en az 6 mm lik kapasitede olmalıdır. Yükleme cihazı, numune kalınlığının en az %75 ine eşit bir sıkışmayı sağlayabilmelidir. Deney sıüresince yükleme sırası, 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 16,0; 32,0 kgf/cm 2 dizisini takip etmelidir. Uygulanan en yüksek konsolidasyon basıncı altındaki gösterge okumaları tamamlandıktan sonra, numunenin boşaltma eğrisiistenirse, yükler yükleme kademelerine uygun olarak boşaltılır. Ancak istenirse boşaltma, bir önceki basıncın dörtte biri olmak üzere de yapılabilir.(ts 1900, 1987) İngiliz Standartları(British Standarts) na göre ödometre deneyi için BS-1377 de şartlar belirlenmiştir. Bu standartlar TS-1900 de belirlenmiş şartlarla aynı içeriğe sahiptir. Sadece konsolidasyon katsayısı c v nin hesaplanmasında TS-1900; c v (3.20) öngörürken, BS-1377 de konsolidasyon katsayısı c v ; olarak hesaplanmaktadır. c v (3.21) 27

28 ASTM standartlarına göre ödometre deneyi için D de şartlar belirtilmiş ve aşağıdaki gibidir. Minimum numune çapı 50 mm olmalıdır. Minimum numune yüksekliği 12 mm olmalıdır. Minimum numune çapı-numune yüksekliği oranı 2,5 olmalıdır. Numunedeki deformasyon ölçümü için kullanılacak olan mikrometre hassaslığı en az 0,0025 mm olmalıdır. Çevre koşulları için öngörülen, tüm deney süresince sıcaklık değişimi 4C o den fazla olmamalı ve deney aleti güneş ışığına direk maruz bırakılmamalıdır. Yükleme planı sırasıyla; 12, 25, 50, 100, 200, 400, 800 kpa şeklinde düzenlenmelidir. Deformasyon okumaları; 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 8; 15; 30; dakikalarda ve 1, 2, 4, 8 ve 24. saatlerde alınmalıdır. Konsolidasyon hızı katsayısı c v ; c v (3.22) olarak belirtilmiştir. 4 - KAYMA MUKAVEMETİ Zeminin kayma direnci, zeminin kayma gerilmelerine karşı maksimum direnci olarak tanımlanır. Zeminlerin kayma direnci başlıca drenaj özellikleri ile ilgilidir. İri daneli zeminler için drenaj şartları iyidir. İnce daneli zeminlerde ise drenaj çok yavaş meydana gelmektedir. Bu nedenle deney hızı, ince daneli zeminlerde önemli bir rol oynamaktadır (Özüdoğru, vd., 1997). Kesme deneyleri sonucu elde edilen veriler Coulomb Kanunu ifadesinde gösterilebilir. τ = c + tan (4.1) Bu denklemde; 28

29 τ σ c : Kayma direnci : Toplam normal gerilme : Kayma direnci açısı : Kohezyon Kesme kutusu deneyi kısa süren ve yapılması kolay olan bir deneydir. Numune hazırlaması oldukça basittir. Ancak kutunun iki yarısı arasındaki sürtünme kuvvetinin etkisi kaçınılmazdır. Bu nedenle de kesme kutusunda elde edilen değerler üç eksenli basınç deneyinden elde edilen değerlere göre yaklaşık % 5 daha büyüktür. Ayrıca kesme kutusu deneyi Coulomb kanunun ifadesini doğrudan veren kolay bir deney olmasına rağmen numune içindeki gerilme dağılımı belirlenemez. Üç eksenli basınç deneyi ise verdiği sonuçlar bakımından oldukça güvenilirdir. Zeminin doğadaki hali tam olarak modellenebilir. Bu nedenle kayma direncinin belirlenmesinde en çok kullanılan deneyler üç eksenli basınç deneyleridir (Özüdoğru, vd.,1997). Kayma Mukavemeti Deneyleri 1- Drenajsız deneyler 2- Konsolidasyonlu drenajsız deneyler 3- Drenajlı deneyler Olmak üzere üç ayrı grupta toplanabilir. I. Drenajsız Deneyler Bu deneylerde numunenin yüklenmesi ve kesilmesi sırasında drenaja izin verilmez. Ayrıca bu deneyler hızlı yapıldığı için hızlı deneyler olarak da adlandırılabilir (Özüdoğru, vd., 1997). II. Konsolidasyonlu Drenajsız Deneyler Bu deneylerde numune öncelikle belirlenen gerilmeler altında bir süre konsolide edilir. Konsolidasyonun sona erdiği gözlendiğinde numune drenaja izin verilmeksizin kesilir (Özüdoğru, vd., 1997). III. Drenajlı Deneyler Bu deneylerde yükleme ve kesme sırasında drenaja izin verilmektedir. Konsolidasyon sona erdikten sonra numune boşluk suyu basıncı oluşmasına izin verilmeksizin yavaş olarak kesilir (Özüdoğru, vd., 1997). 29

30 Burada anlatılacak olan kayma direnci deneyleri kesme kutusu deneyi ve drenajsız tek ve üç eksenli basınç deneyleridir. 4.1 SERBEST BASINÇ KONU Serbest basınç deneyi üç eksenli basınç deneyinin özel bir halidir. Üç eksenli kesmede numune üç yönden basınç altındadır. Serbest basınçta ise yanal basınç yoktur. Üç eksenli basınç deneyi zeminin tabiattaki halini daha iyi temsil etmektedir ama tek eksenli basınç deneyi daha hızlı, ucuz ve zahmetsiz bir deneydir. Serbest basınç deneyi, örselenmemiş kohezyonlu numuneler üzerinde yapılır ve deney sonucunda serbest basınç mukavemeti elde edilir. Numunenin kırıldığı gerilme değeri, numunenin serbest basınç mukavemeti olarak adlandırılır (Karayolları Genel Müdürlüğü, 1965). Ekipmanlar Tek Eksenli Basınç Aleti (Şekil 3.16) Aleti Etüv Kıl Testere Numune (TS 1900 e göre ve BS 1377 ye göre 38mm çapve 76mm yükseklikte) Numune Hazırlama Aparatı Düşey Deformasyon Saati(TS 1900 e göre 0.01mm duyarlıklı mikrometreli saat) Tartı (TS 1900 e ve BS 1377 ye göre 0.5g duyarlıklı tartı) Şekil 4.1 Tek Eksenli Basınç Aleti ( 30

31 4.1.2 DENEYİN YAPILIŞI Öncelikle numunenin çapı ve boyu ölçülür, H=2R olacak şekilde ayarlanır. Deney başı su muhtevası ve numune ağırlığı belirlenir. Numune serbest basınç aletinin içine biri sabit diğeri hareket eden iki plak arasına yerleştirilir ve üst tabaka tam olarak numunenin üst yüzeyine gelecek şekilde ayarlanır. Aletin yük halkası saati ve düşey deformasyon saati sıfırlanır ve yükleme başlatılır. Numune iki plaka arasında sıkıştılır ve okumalar alınır. Düşey yük elastik, lineer davranan bir yük halkası ile düşey deformasyon ise düşey deformasyon saati ile ölçülür. Okumalar en yüksek değere ulaşıp düşünceye kadar alınır. Bazı numunelerde, özellikle de yumuşak killerde okumalar sürekli devam edebilir. Bu durumda TS 1900 e göre numunenin düşey deformasyonu % 20 olunca deney bitirilir.aynı şekilde TS 1900 e göre deney süresi 10 dakikayı geçmemelidir. Yükleme bittikten sonra numune alınır ve deney sonu su muhtevası belirlenir (Das, 1997) BULGULAR / HESAPLAMALAR Düşey şekil değiştirme hesaplanır. (4.2) Düşey yük hesaplanır. P = Yük halkası okuması x Ring faktörü (4.3) Düzeltilmiş alan hesaplanır. (4.4) Gerilme hesaplanır. (4.5) YORUM SONUÇ Tek eksenli basınç deneyinde yanal basınç yoktur ve aynı numuneye yapılacak bütün deneyler aynı mohr dairesini (Şekil 4.2) verecektir. Bu nedenle de içsel sürtünme açısını bulmak söz konusu değildir. Gerçekten de normal konsolide suya doygun zeminlerde açısının değeri sıfır sayılabilir. Kayma direncinin değeri ise basınç direncinin yarısı olarak hesaplanır. Elde edilen qu değeri ile numunenin konsistansı belirlenebilir. 31

32 (4.6) Şekil 4.2 Tek Eksenli Basınç Deneyi Kayma Gerilmesi Düşey Basınç Grafiği 4.2 KESME KUTUSU DENEYİ KONU Kesme kutusu deneyi daha çok kohezyonsuz zeminlerin kayma direncini belirlemek için yapılan bir deneydir. Deney basit olduğundan kumlar üzerinde çok defa tercih edilir. Kohezyonsuz zeminler, tanecikleri arasında bir bağıntı yani kohezyonu olmayan zeminlerdir. Bunların kesme mukavemeti tanelerin birbirlerine sürtünmesi ve binmesi ile meydana gelir. Bahsedilen sürtünme yuvarlanma veya kayma sürtünmesi olabilir (Karayolları Genel Müdürlüğü, 1965). Deney Ekipmanları Kesme Kutusu Makinası (Şekil 4.3) Kare Kesitli Tokmak (Kesme kutusundaki kumu düzeltmek için) Numune Düşey ve Yatay Deformasyon Saatleri Terazi Kronometre 32

33 Şekil 4.3 Kesme Kutusu Aleti ( Kesme kutusu numuneyi içinde tutan 60mm uzunluğunda 60mm genişliğindeki birbiri üzerine oturan iki kare metal parçadan oluşmaktadır. (Bazı kesme kutuları silindir şeklinde de olabilir.) Deney sırasında numune üzerine, düşey yönde bir yükleme yapılır ve kesme kutusunun üst parçasına yatay yük etki ettirilerek hareketi sağlanır. Bu yatay yük elle veya bir motor yardımıyla etki ettirilebilir (Uzuner, 2007) DENEYİN YAPILIŞI Deney öncesinde kum numunesinin maksimum ve minimum boşluk oranları belirlenir ve numune D r =50 sıkılığında ayarlanarak kesme kutusu içine yüksekliği 2cm olacak şekilde yerleştirilir. Üst yüzey tokmak yardımıyla düzeltilir. Kumun üstü kesme doğrultusuna dik çıkıntıları bulunan metal bir parça ile kapatılır. Düşey ve yatay deformasyon saatleri yerleştirilir. 1 kg/cm 2 düşey gerilmeyi sağlayacak ağırlık numune üzerine etki ettirilir. Kumun oturmasını tamamlaması için bir süre beklenir. Kumlar ani oturma yaptığından bu süre fazla uzun değildir. Düşey deformasyon saati sabitlendiği zaman oturmalar bitmiş demektir ve kutunun üst parçasına yatay yük etki ettirilebilir. Uygulanan kesme kuvveti bir yük halkası ile ölçülür. Aynı zamanda deney sırasında kabarma veya sıkışma olup olmadığı da düşey deformasyon saati ile ölçülür. Okumalar, kuvvet halkası deformasyon saati maksimuma ulaşıp sabit kalıncaya kadar veya düşmeye başlayıncaya kadar sürdürülür. Bu işlem kullanılan numunenin sıkılığı ve 33

34 ağırlığı aynı olmak koşuluyla farklı numuneyle 2 kg/cm 2 ve 3 kg/cm 2 düşey gerilmeleriyle tekrar edilir (Uzuner, 2007) BULGULAR / HESAPLAMALAR Kırılma anındaki normal gerilme ve kayma gerilmesi (4.7) (4.8) şeklinde hesaplanır. Farklı düşey yükler altında tekrar edilen deneyler sonucu (σ,τ) çiftleri elde edilir. Bu çiftler σ-τ grafiğine işlendiği zaman ( içsel sürtünme katsayısı elde edilebilir (Das, 1997) YORUM SONUÇ Boşluk oranı azaldıkça, rölatif sıkılık arttıkça içsel sürtünme katsayısı ( artmaktadır. İçsel sürtünme katsayısı ayrıca zeminin iyi veya kötü derecelenmiş olmasına ve dane şekline bağlıdır. İyi derecelenmiş ve köşeli danelerde daha yüksektir (Uzuner, 2007). 4.3 ÜÇ EKSENLİ BASINÇ DENEYİ KONU Zeminlerin kayma mukavemetinin tayini için yapılan diğer bir deney de üç eksenli basınç deneyidir. Kesme deneyinde aletin özelliği dolayısıyla tabiat şartlarına uymak zorlaşmaktadır. Üç eksenli basınç deneyinde bu dezavantaj mümkün olduğunca ortadan kaldırılmakta ve numunenin doğada bulunduğu şartlar yaratılmaya çalışılmaktadır. Böylece daha incelikli ve gerçeğe yakın değerler elde etmek mümkün olmaktadır. Bu deney, numuneye verilen çevresel bir basınç altında gittikçe artan bir düşey yük ile kırılma anını bulmak ve bu kırılma anına denk gelen asal gerilmelerden mohr dairelerini çizip, Coulomb un kayma formülüne ait c ve değerlerini bulmak esasına dayanmaktadır (Karayolları Genel Müdürlüğü, 1965). 34

35 Üç eksenli basınç deneyi UU CU CD olmak üzere üç şekilde yapılmaktadır. Burada anlatılacak olan UU (drenajsız, konsolide olmayan) üç eksenli basınç deneyidir. Bu deney zeminlerin kayma mukavemetini belirlemekte önemli bir rol oynamaktadır (Das, 1997). Deney Ekipmanları Silindir Hücre (TS 1900 e göre hücre içinde basınç 5kPa hassasiyetle uygulanabilmelidir.) (BS 1377 ye göre 1000kN/m 2 iç basınca kadar dayanabilmeli.) Basınç Makinası (TS 1900 e göre dakikada 0.05mm ile 7.5mm arasında değişebilen BS 1377 ye göre ise dakikada 0.05mm ile 10.0mm arasında değişebilen belirli bir hızla eksenel olarak sıkıştırabilecek bir yükleme cihazı) Vakum Kaynağı Numune (TS 1900 e göre çapı 3.5cm 11cm arası, yüksekliği ise çapının iki katı dolaylarında olan bir silindirik numune) Etüv Lastik Membran (TS 1900 e göre çapı deney numunesi çapına eşit, boyu ise numune boyundan 5cm daha uzun olmamalıdır. 0.25mm kalınlığında bir membran yeterlidir.) Kıl Testere Düşey Deformasyon Saati 35

36 Şekil 4.4 Üç Eksenli Basınç Deney Aleti ( DENEYİN YAPILIŞI Deney başlamadan önce numunenin deney başı su muhtevası alınır. 3 eksenli basınç makinasının içindeki silindir hücreye numune etrafında lastik membran olmak üzere yerleştirilir. Makinanın içindeki piston tam numuneye temas edecek şekilde ayarlanır. Üç eksenli silindir hücrenin etrafı su ile doldurulur ve numune etrafında hidrostatik basınç yaratılmış olunur. Kuvvet halkası saati ve düşey deformasyon saati sıfırlanır. Basınç makinası çalıştırılır ve okumalar alınmaya başlanır. Hücredeki basınç sabit kalırken, sabit bir hızla düşey yük uygulanır. Numunenin eksenel boy kısalması bir deformasyon saati yardımıyla, uygulanan düşey yük ise kuvvet halkası yardımıyla ölçülür. Ölçümler düşey yük halkasındaki okumaların sabitlenmesine veya düşüşe geçmesine kada sürdürülür. Düşüş gözlenmez ise BS 1377 ye göre düşey deformasyonun %20 ye ulaşmasıyla deneye son verilebilir. Daha sonra deneye son verilir. Makinadaki basınç düşürülür ve hücredeki su boşaltılır. Numune çıkartılır ve deney sonu su muhtevası hesaplanır (Das, 1997). 36

37 4.3.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR Su muhtevası (ω) hesaplanır. Numunenin ilk alanı hesaplanır. (4.9) Düşey şekil değiştirme hesaplanır. (4.10) Pistonun uyguladığı yük hesaplanır. Düzeltilmiş alan hesaplanır. P = Yük halkası okuması x Ring faktörü (4.11) Δσ hesaplanır. (4.12) (4.13) YORUM SONUÇ Üç ayrı çevresel basınç değeri ile yapılan UU üç eksenli basınç deneyleri sonucunda şekil 4.5 teki gibi çizilen mohr daireleri aynı c uu değerlerini vermelidir. Eğer c uu değerleri üzerinden çizilen doğrunun eğimi 0 ile 5 derece arasında değişiyorsa bu durum numune içinde hava boşlukları olduğu anlamına gelmektedir ( Mandal ve Divshikar, 1995). 37

38 Şekil 4.5 Üç Eksenli Basınç Deneyi Kayma Gerilmesi-Düşey Basınç 38

39 5 - SONUÇ Bu raporda zeminlerin mühendislik özelliklerini ve bu özellikleri belirlemekte kullanılan deneyler üzerinde durulmuştur. Konular hakkında teorik bilgiler verildikten sonra yapılan laboratuar deneyleri anlatılmıştır. Deneylerin yapılışı ve deney sistemleri açıklanmış deney sonuçlarının hangi hesap adımlarından geçirileceği belirtilmiştir. Kompaksiyon deneyinden zemini maksimum sıkıştırabilmek için gerekli su muhtevası ve bu su muhtevasındaki kuru birim hacim ağırlığı hesaplanmıştır. Ödometre deneyinde zeminin oturma davranışı değerlendirilmiştir. Kesme kutusu, serbest ve üç eksenli basınç deneylerinden kayma mukavemeti parametreleri elde edilmeye çalışılmıştır. Zeminlerin mühendislik özelliklerinin belirlenmesinde kullanılan deneyler ve hesap yöntemleri çeşitli şekillerde olmaktadır. En uygun deney, arazideki gerçek gerilme durumunu labaratuvarda en yakın oluşturmaya imkan veren deneydir. Deneyler zeminin arazideki gerilme durumuna göre yapılmalı, ona göre modellemeler yapılmalıdır. Zemin ile ilgili problemlerde, kullanılacak malzeme özelliklerinin hangi koşullarda saptandığını ve geçerliliğini koruduğunu anlamadan ve bu konularda yeterli tecrübe birikimine sahip olmadan güvenli ve ekonomik mühendislik çözümleri elde etmek mümkün olmamaktadır. 39