Zemin Suyu. Yrd.Doç.Dr. Saadet BERİLGEN

Transkript

1 Zemin Suyu Yrd.Doç.Dr. Saadet BERİLGEN

2 Giriş Zemin içinde bulunan su miktarı (su muhtevası), zemin suyundaki basınç (boşluk suyu basıncı) ve suyun zemin içindeki hareketi zeminlerin mühendislik özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Zeminlerin taşıma gücü, yük altında sıkışması, şevler ve toprak barajlar gibi zemin yapılarının stabilitesi, su tutma yapılarının su tutma özellikleri ve zeminlerin inşaat malzemesi olarak kullanılma karakteristikleri üzerinde zemin-su ilişkisi önemli rol oynar.

3 Zemin suyu Danelerin yüzeyine emilmiş su (adsorbe su) Danelerin arasındaki kılcal kanallarda yükselen kapiler su Daneler arası boşlukları dolduran ve yerçekimi etkisi altında yeraltı suyu

4 Yeraltı suyu Artezyen kuyu Artezyen kuyu Geçirimsiz tabaka Basınçlı akifer YASS

5 Yeraltı suyu

6 Yeraltı suyu Yeraltı suyu YASS olarak nitelendirilen kota kadar zemin boşluklarını tamamen doldurur. Bu seviyede atmosferik basınç altındadır. Genellikle zemin yüzeyine paralel ve yerçekimi kuvvetleri etkisi altında yüksek kottan düşük kotlara doğru ha reket halindedir. Zeminlerin fiziksel özellikleri bünyelerindeki su miktarına bağlı olarak değiştiği ve zemin kütlelerine etkiyen hidrolik basınçlar YASS ne ve sızma kuvvetleri de YASS hareketine bağlı olarak değiştiği için inşaat sahalarında yeraltı suyu akımının özelliklerinin saptanması gerekir.

7 Kapiler Su Farklı maddelerin ara yüzeylerinde ortaya çıkan yüzeysel çekme gerilmelerinden dolayı meydana gelir. Zeminlerde kapilarite su,mineral daneler ve hava yüzeyleri arasında meydana gelir. Zeminlerde gözlenen bu durum sıvılara batırılan küçük çaplı borularda sıvının yüzeysel çekme gerilmesi altında yükselmesi ile aynı fiziksel nedenlere bağlıdır. Yüzeysel çekme gerilmesi, ara yüzeydeki maddelerin molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden ileri gelmektedir.

8 h c = 0.3 d h c kapiler yükseklik h c ve d cm cinsinden Bir cam tüpte kapiler yükselme ve menisküs Tüp içindeki su kolonunun ağırlığı ile yüzeydeki çekme gerilmeleri dengeye geldiğinde suyun tüp yüzeyindeki yükselmesi duracaktır. T : Su yüzeyindeki çekme kuvveti bileşkesi T : su/cam yüzeyinin ıslanma açısı Denge durumunda d 2 h g d T c w 4 h c ( cos ) 4( T cos ) d g Temiz cam boruda: w h c Yüzeydeki basınç farkı: u c = 2Tcosα r u c =h c ρ w g

9 Cam tüplerde kapiler yükselme miktarının tüp çapı ile ters orantılıdır. Zeminlerde de boşlukların çapı ile ters orantılı olacağı tahmin edilebilir. Yalnız zemin içindeki boşlukların çapının sabit olmayıp geniş bir aralık içinde değiştiği bilinmektedir. Şekil 4.2'deki gözlemlerden kapiler yüksekliğin esas olarak küçük boşluklar tarafından kontrol edileceğini söyleyebiliriz. Zeminlerde boşluk büyüklüklerini doğrudan ölçmek pratik olarak mümkün değildir. Fakat boşluk çaplarının dane çaplarına ve zeminin sıkılık derecesine bağlı olarak değişeceği söylenebilir. Efektif çap D 10 esas alınırsa, zeminlerde kapiler yükseklik ampirik olarak bağlantısı kullanılarak tahmin edilebilmektedir. Burada C efektif boşluk çapını efektif dane çapına bağlayan bir katsayı (tabii zeminler için civarında) e ise boşluk oranı olmaktadır. C hc ( cm) ed ( cm ) 10

10 Şekilde alt yüzeyinde su ile temas halinde bir ince kum kolonu ve bu kolon boyunca kapilerite etkisinde suyun yükselmesi görülmektedir. A eğrisi kuru kum kolonunun alttan su ile temas etmesi durumunu, B eğrisi ise kum kolonunun önce tamamen suyun doygun hale getirilip sonra drene olmasına izin verilmesi durumunu göstermektedir. Görüldüğü gibi iki durumdaki kapiler yükseklik ve kum kolonu boyunca suya doygunluk derecesinin değişimi birbirinden farklı olmaktadır. Tabii zemin tabakalarında da aynı farklılıklar kapiler suyun yeraltı su tablasından veya zemin yüzünden süzülen sulardan beslenmesine bağlı olarak gözlenmektedir

11 Farklı zeminlerde kapiler yükselme Zemin Gevşek Sıkı İri kum m m Orta kum m m İnce kum m m Silt m m Kil >10 (Hansbo,1975)

12 Kapilaritenin zeminlerin davranışı üzerindeki etkileri Doygunluk dercesini artırır dolayıs ile b.h.a. artar ve alt tabaklara uyguladıkları basınçlar artar. Kapiler çekme zemin danelerini birbirine çekerek büzülmeye yolaçar. Kılcal çekme ne kadar büyükse daneler arası temas gerilmesi (efektif gerilme) de o ölçüde büyük olur. Daneleri çevreleyen su zarı görünen kohezyona yol açar Zeminlerin dondan etkilenmesine büyük katkıda bulunur.

13 Kapiler çekme gerilmeleri zeminde hacim değişmelerine (büzülme) yol açmaktadır. Zemin kurudukça, daneler arasında oluşan menisküsün çapı azalmakta ve çekme gerilmeleri artmaktadır. Büzülme sonucu boşluklar küçülmekte ve kapiler çekmeler daha da artmaktadır. Fakat boşluk oranı azaldıkça hacim değişimlerine karşı direnci de arttığı için, belli bir noktadan sonra büzülme sona ermektedir. Daha fazla kurumanın zemin hacminde küçülmelere yol açmadığı su muhtevasının "büzülme limiti«olarak nitelendirilmektedir. Kapiler çekme gerilmeleri ve zeminin basınç altında sıkışmaya (büzülmeye) karşı direncinin boşluk oranı ile değişimi gösterilmiştir. Görüldüğü gibi boşluk oranı e s 'ye (veya su muhtevası w s 'ye) eriştikten sonra zeminin sıkışmaya karşı direnci kapiler çekme gerilmelerinin üstüne çıkmakta ve dolayısıyla büzülme sona ermektedir.

14 Kapilariteye bağlı olarak efektif gerilmede meydana gelen artış

15 Don etkisi Donan bazı zemin tabakalarında ise, içindeki donan suyun hacim artışları ile açıklanamayacak oranda hacim artışları (kabarmalar) meydana geldiği gözlenmektedir. Aynı zamanda, dondan etkilenen bölgelerde yapılan incelemeler, donan zeminde buz kristallerinin oluştuğunu, havaların ısınması sonucu ise zeminin su muhtevasında önemli artışlar meydana geldiğini ve buna bağlı olarak mukavemetinde önemli azalmalar ortaya çıktığını göstermiştir. Böyle durumlarda, bu zemin tabakalarının üzerinde yer alan hafif yapılar ve özellikle karayolu kaplamaları büyük zarar görmektedir.

16 Don etkisine bağlı sorunlara neden olan koşullar Uzun süreli soğuk hava koşulları Don çizgisine yeterli yakınlıkta YASS Zeminin yeterli kapilarite ve permeabilite özelliklerine sahip olması