İNM 305 ZEMİN MEKANİĞİ

Transkript

1 İNM 305 ZEMİN MEKANİĞİ GÜZ YARIYILI Prof. Dr. Zeki GÜNDÜZ 1

2 KOMPAKSİYON (SIKIŞTIRMA) 2

3 GİRİŞ Kompaksiyon; zeminin, tabaka tabaka serilerek, silindirleme, vibrasyon (titreşim) uygulama, tokmaklama gibi işlemlerle sıkıştırılmasına denilir. Bu işlemlerle, zemin daneleri daha az boşluklu yerleşerek, zeminin boşluk oranı azaltılır. Zemin daneleri ve daneler arasındaki su pratik olarak sıkışmazdır. Sıkışma boşluklardaki havanın sıkışması veya dışarı çıkması sonucu olur. Sıkışma, kısa sürede (ani) olur. Yol, havaalanı, toprak baraj, toprak dolgu inşaatlarında, zemin belli bir kalınlıkta ( m vb.) serilerek, belli bir su içeriğinde, uygun bir sıkıştırma aracı ve bir kaç geçiş ile 3 sıkıştırılır.

4 GİRİŞ Kompaksiyonla genel olarak şu yararlar sağlanır; 1) Zeminin taşıma gücü artırılır. 2) Zeminin geçirimliliği azaltılır, zemine daha kararlı bir yapı kazandırılır. Böylece zeminin su alarak, hacim değişikliklerine uğraması azaltılır. 3) Zeminin sabit, hareketli, dinamik yükler altında yapacağı oturmalar, çökmeler azaltılır. 4

5 GİRİŞ Mekanik enerji uygulamak sureti ile zemin yoğunluğunun artırıldığı basit bir zemin iyileştirme tekniğidir. Sıkıştırma kuvveti + su = 5

6 Kuru Birim Hacim Ağırlık GİRİŞ - Daneler arası en iyi sıkışma - Daha mukavim ve daha rijit zemin d, max - Daha düşük permeabilite optimum su muhtevası Su Muhtevası 6

7 GİRİŞ Bir zemin, sabit (belli) bir kompaksiyon enerjisi ile değişik su içeriklerinde sıkıştırıldığında; şekilde görüleceği üzere artan su içeriği ile, kuru yoğunluğu önce artmakta, maksimum bir değere ulaşmakta, sonra da azalmaktadır. k 7

8 GİRİŞ 1. bölgede, zeminde yeterli su bulunmadığı için, danelerin daha az boşluklu yerleşmek üzere hareket etmeleri, daneler arası sürtünme kuvvetlerinden dolayı zordur. Zira, su daneler arası bir tür yağlama etkisi yapmaktadır. 3. bölgede, zeminde fazla su bulunduğundan ve suyun da pratik olarak sıkışmaz olmasından dolayı, gene zeminin boşluk hacmi fazla azaltılamamaktadır. 8

9 GİRİŞ 2. bölgede, sıkışma en yüksek olmakta, kuru yoğunluk maksimum değere ulaşmaktadır. Kuru yoğunluğun (diğer bir deyişle sıkıştırmanın) en yüksek olduğu (maksimum kuru yoğunluk, k(max) durumdaki su içeriğine, optimum su içeriği (w opt ) denilir. En iyi sıkıştırma, optimum su içeriğinde elde edildiği için, arazideki sıkıştırma; sıkıştırılacak zeminin optimum su içeriğine sahip olması sağlanarak yapılır. Bir zeminin optimum su içeriği, laboratuvarda yapılan Proktor (Kompaksiyon) Deneyi ile belirlenir. 9

10 STANDART PROKTOR DENEYİ Standart Proctor deneyinde; iç çapı 102 mm, yüksekliği 117 mm olan metal bir silindir kullanılır 10

11 STANDART PROKTOR DENEYİ Bu kabın üzerine, geçici olarak bir yaka (ek) eklenir. Deney için, kurutulmuş, tanelenmiş birkaç kg'lık zemin kullanılır. Zemine bir miktar su katılarak iyice karıştırılır. Böylece hazırlanan zemin, 3 tabaka halinde ve her bir tabaka, 30.5 cm'den serbestçe düşen 2.5 kg kütlesindeki bir tokmakla, 25 vuruş ile sıkıştırılır. Sonra yaka çıkarılır; fazla zemin kesilerek uzaklaştırılır. Kabın üzeri düzlenir. Kabın içindeki zeminin yaş kütlesi belirlenir. Buradan yaş yoğunluk ( n1 ) hesaplanır. Kap içindeki zemin çıkarılır. Bundan bir miktar alınarak, su içeriği belirlenir (w 1 ). 11

12 STANDART PROKTOR DENEYİ k n 1 w Eşitlikten kuru yoğunluk ( k1 ) hesaplanır. Deney, aynı zemin üzerinde, değişik (artan) su içeriklerinde 4-5 kez tekrarlanır. Deney sonuçları, k - w eksen takımında işaretlenerek, ilgili eğri çizilir. Bu eğrinin tepe noktasından, w opt ve kmax elde edilir. 12

13 STANDART PROKTOR DENEYİ k (max) 13

14 STANDART PROKTOR DENEYİ k - w eksen takımında sabit bir doygunluk derecesi (S r = sabit) için teorik olarak çizilen eğri çizgiye, doygunluk çizgisi denilir. Zeminin dane özgül ağırlığı (G s ) bilinirse, eşitlikten sabit S r (% 100, 90, 80 vb.) değerleri için k - w eksen takımında çeşitli doygunluk çizgileri elde edilebilir. 14

15 Kuru birim hacim ağırlık, k k (max) STANDART PROKTOR DENEYİ Deneylerde pratik olarak tam doygun durum elde edilemez, zeminde bir miktar hava kalır. Doygunluk çizgileri ile deneysel eğrinin herhangi bir noktasında, özellikle tepe noktasındaki doygunluk durumu öğrenilmiş olur. Tepe noktasında doygunluk derecesi ne kadar yüksek ise, sıkıştırmanın o kadar iyi olduğu düşünülür. 15

16 STANDART PROKTOR DENEYİ Benzer şekilde hava içeriği çizgileri çizilebilir. Kuru birim hacim ağırlık, k k (max) A v (n a ) hava içeriği n a (%) = 100 S r (%) 16

17 STANDART PROKTOR DENEYİ Kuru Birim Hacim Ağırlık, k, kn/m Kap+Sıkıştırılmış numune, g Kap ağırlığı, g Sıkıştırılmış numune, g Kap hacmi, cm Yaş birim hacim ağırlık, kn/m Su muhtevası, % Kuru birim hacim ağırlık, kn/m

18 STANDART PROKTOR DENEYİ Bulunan değerler sonunda, su muhtevası - kuru birim hacim ağırlık grafiği oluşturulur ve bu noktaları en iyi temsil eden sıkıştırma eğrisi çizilir. Elde edilen sıkıştırma eğrisi üzerinde sıfır hava boşluk eğrisi muhakkak gösterilmelidir. Buna ek olarak %90 ve %95 doygunlu derecesindeki eğrilerde gösterilebilir. Sıfır hava boşluk eğrisi, doygun (Sr = %100) durumdaki kuru birim hacim ağırlığın farklı su muhtevası değerleri için tespit edilmesiyle oluşturulur. Buradaki su muhtevası seçiminde, optimum su muhtevası değerinin %1-2 öncesi ve sonrasındaki değerler alınabilir. Kuru birim hacim ağırlık hesabı blok diyagram üzerinden çıkarılan formül ile hesaplanır. 18

19 STANDART PROKTOR DENEYİ G s =

20 STANDART PROKTOR DENEYİ 20

21 MODİFİYE PROKTOR DENEYİ İri daneli zeminler için uygundur. Standart Proctor deneyi ile aynı esaslarda yapılır. Tokmak ağırlığı, 4.54 kg, 5 tabakada sıkıştırma cm yükseklikten düşüş Standart proctorda uygulanan enerji, 600 kj/m 3 Modifiye proctorda uygulanan enerji, 2700 kj/m 3 21

22 KOMPAKSİYON ENERJİSİNİN ETKİSİ Aynı zemin için daha büyük kompaksiyon enerjisi; daha yüksek maksimum kuru yoğunluk, daha düşük optimum su içeriği verir 22

23 KOMPAKSİYON ENERJİSİNİN ETKİSİ 23

24 ZEMİN CİNSİ ve GRANÜLOMETRİ ETKİSİ Çeşitli zeminler için ortalama kompaksiyon eğrileri, şekilde görülmektedir. İyi derecelenmiş zemin, kötü derecelenmiş zemine göre daha yüksek kmax ' a sahip olur. 24

25 ARAZİDE KOMPAKSİYON Sıkıştırma için belirlenen veya hazırlanan zemin, kullanılacak sıkıştırma aracına vb.'e bağlı olarak belli bir kalınlıkta ( m vb.) serilir. Zeminin su içeriği laboratuvarda belirlenen optimum su içeriğine getirilir. Bunun için zemine bir miktar su katılır veya zemin karıştırılarak, havada bir miktar kurutulur. Sonra, zemin cinsine uygun bir sıkıştırma aracı ile uygun sayıda geçişlerle sıkıştırma yapılır. Sıkıştırma araçları başlıca 3 tip olabilir. 1) Silindirler (düz, keçi ayaklı, lastik tekerlekli vb.), 2) Vibratörler (silindir, plaka, kiriş vb.), 3) Tokmaklar (sıçrayan kurbağa tokmaklar vb.). 25

26 ARAZİDE KOMPAKSİYON Genel olarak taneli zeminler için düz silindirler, vibratörler; kohezyonlu zeminler için, keçi ayaklı silindirler, lastik tekerlekli (pnömatik) sıkıştırıcılar; her iki cins zeminler için ise tokmaklar, sınırlı alanlarda uygundur. 26

27 ARAZİDE KOMPAKSİYON Düz tekerlekli silindir Vibratörlü Silindir Lastik tekerlekli pnömatik silindir Keçi ayaklı silindir 27

28 DÜZ TEKERLEKLİ SİLİNDİR Sadece cm derinliğe kadar etkilidir, bu yüzden; zemini ince tabakalar halinde sermek gerekir. 28

29 VİBRATÖRLÜ PLAKALAR Çok küçük alanlardaki kompaksiyon için uygundur, granüler zeminlerde etkilidir. 29

30 KEÇİ AYAKLI SİLİNDİR Yoğurma etkisi yapar; killi zeminlerde iyi verim alınır. 30

31 DARBELİ SİLİNDİR Hava alanı dolgularında kullanılabilir. Derin kompaksiyon 31 (2-3m) sağlar.

32 AĞIR LASTİK TEKERLEKLİ SİLİNDİR 32

33 KOMPAKSİYON KONTROL DENEYLERİ k w Kompaksiyon Şartnamesi k,arazi =? w arazi =? Karşılaştır! Sıkıştırılan zemin 33

34 ARAZİDE KOMPAKSİYON Arazide yapılan kompaksiyon, rölatif (göreli, izafi) kompaksiyonla kontrol edilir. Rölatif kompaksiyon, R c aşağıdaki gibi tanımlanır. Rölatif Kompaksiyon, R c ( arazi) k k max ( lab) x100 R c, İşin özelliğine göre seçilir (% 90, 95 vb.) k (lab) k ( arazi)? 34

35 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ Arazi sıkışmasını değerlendirmek için, - Arazideki kuru birim hacim ağırlığın - Arazideki su muhtevası değerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bazı yöntemler: - Kum konisi yöntemi - Lastik balon yöntemi - Nükleer yöntem 35

36 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ 36

37 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ KUM KONİSİ YÖNTEMİ : 1. Dolgu içinde düz bir yüzey hazırlanır. Yaklaşık 125 mm çap, 125 mm derinlikte bir silindir çukur açılır. Çukurdan çıkarılan zeminin tümü alınır ve ağırlığı belirlenir (W) 2. (W 1 ) ağırlığındaki üniform standart kum ile dolu kum konisi kuyunun üstüne yerleştirilir ve kumun çukuru doldurması sağlanır. 37

38 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ KUM KONİSİ YÖNTEMİ : 3. Vana kapatılır, koni kaldırılır ve kum konisinin yeni ağırlığı (W 2 ) belirlenir. V koni 4. Birim hacim ağırlığı bilinen kumla doldurulan çukurun hacmi şu şekilde belirlenebilir. V W1 W2 kum V koni 38

39 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ KUM KONİSİ YÖNTEMİ : 5. Dolgunun birim hacim ağırlığı, n W V 6. Alınan numunenin su muhtevası belirlenir ( ) 7. Arazi kuru birim hacim ağırlığı; k ( arazi) n 1 w 39

40 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ LASTİK BALON YÖNTEMİ : 1. Kazılan çukur içerisinden çıkarılan zeminin ağırlığı ve su muhtevası belirlenir. 2. Kum konisi yöntemine benzer mantıkla, lastik balon içerisine yoğunluğu bilinen ağır yağ gönderilerek hacim ve kuru birim hacim ağırlık belirlenir. 40

41 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ NÜKLEER YÖNTEM : Gama ışınları yayan ve zemin içinde gittiklerini ortaya çıkaran bir aletten oluşur. Alet içine geri alınan gama ışınları miktarı, zeminin birim hacim ağırlığı ile karşılıklı olarak ilişkilendirilir. 41

42 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLÜ NÜKLEER YÖNTEM : Alfa partiküllerini kullanarak da zeminin su muhtevasını ölçer. Birim hacim ağırlık ve su muhtevasını ölçen alet, içindeki programla parametreleri elektronik çıktı olarak verir. 42

43 CBR (TAŞIMA GÜCÜ ORANI) 43

44 CBR Kaliforniya taşıma oranı (CBR) olarak da bilinen, taşıma oranı deneyi, belirli bir su muhtevasındaki ve yoğunluğundaki zeminin kayma direncini ölçmek için kullanılır. Taşıma oranı, zemin numunesinin, kesit alanı 1935 mm 2 olan pistonun 1.20 mm/dk hızla numune içerisine batırılmasına karşı gösterdiği direncin ölçülmesi prensibine dayalı olarak hesaplanır. Bir başka deyişle, bu zeminin belli bir penetrasyon için gösterdiği direncin, aynı penetrasyon derinliği için standart bir kırma taş numunesinin gösterdiği dirence oranı olarak tanımlanır. Taşıma oranı, standart gerilmenin bir yüzdesi olarak ifade edilmektedir. Deney genellikle demiryolu ve havaalanı taban ve alt temellerinde kullanılacak sıkıştırılmış numuneler üzerinde uygulanır. 44

45 CBR Optimum su muhtevasında numune hazırlanır. Kalıbın taban plakası ile ağırlığı alınır. Kalıp içine numune üç tabaka halinde yerleştirilip 2.5 kg lık tokmakla her bir tabakaya 61 vuruş yapılarak sıkıştırma işlemi yapılır. Taban plakası takılı ve üst yüzeyi açık olan numune basınç cihazının altına yerleştirilir. Piston zemin yüzeyine gelene kadar indirilir ve komparatör saati ve kuvvet halkası sıfırlanır. Pres çalıştırılır ve belirlenen penetrasyon değerlerine gelindiğinde kuvvet halkasındaki değer okunur. 45

46 CBR Okumalar tamamlandıktan sonra kalıp tabanı çıkarılarak numune alt üst edilir ve numunenin alt yüzeyinde de penetrasyon işlemi aynı şekilde tekrarlanır. Penetrasyon işlemi sonunda, numune kalıp içerisinden çıkarılır ve su muhtevası kontrolü için numune alınır. 46

47 Uygulanan Yük (kn) CBR ÜST ALT Penetrasyon (mm) 47

48 CBR Standart kırmataş için bazı penetrasyon derinlikleri için belirlenmiş olan standart yükler; KIRMA TAŞ İÇİN STANDART YÜKLER Penetrasyon (mm) Standart Yük (kn)

49 CBR Taşıma Oranı = (Deneyde Uygulanan Yük) (Kırma taş için Standart Yük) 2.5 mm ve 5.0 mm için taşıma gücü oranları belirlenerek, bunlardan büyük olanı CBR değeri olarak alınır. Yukarıdaki örnekte, düzeltilmiş yük değerleri içinde altta okunan değerler daha yüksek olduğu için taşıma oranı hesabı için alttaki yük değerleri kullanılacaktır. 49

50 Uygulanan Yük (kn) CBR ÜST ALT Kırmataş Penetrasyon (mm) Taşıma Oranı, % 10 50