Ders: 2 Zeminlerin Endeks Özellikleri-Kıvam Limitleri. Doç. Dr. Havvanur KILIÇ İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı

Transkript

1 Ders: 2 Zeminlerin Endeks Özellikleri-Kıvam Limitleri Doç. Dr. Havvanur KILIÇ İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı

2 Zeminlerin Endeks Özellikleri Zeminleri daha iyi tanımlayabilmek için kullanılan bazı basit fiziksel ve kimyasal özelliklerdir. Dane Özellikleri Dane biçimi Dane çapı Dane çapı dağılımı Mineralojik özellikleri Kütle Özellikleri Zemini oluşturan katı, sıvı ve gaz kısımların birbirine göre hacim veya ağırlık oranları, zeminin dokusu, Zemin kıvamı Zemin iç yapısı gibi özellikler. 2

3 İnce Daneli Zeminlerin Kıvamı ve Kıvam Limitleri Killi bir zeminin kıvamı, yalnızca içindeki su miktarı artırılarak, çok katı bir kıvamdan viskoz bir sıvı kıvama kadar çok geniş bir aralık içinde değişebilmektedir. Buna bağlı olarak da, mukavemet, yük altında şekil değiştirme ve sıkışma gibi mühendislik özelliklerinde su muhtevasına bağlı olarak meydana gelen değişiklikler, esas olarak daneleri oluşturan minerallerin kristal yapısına, zeminin arazideki çökelme koşullarına ve boşluklardaki zemin suyunun kimyasal özelliklerine bağlı olmaktadır. Bu açıdan, tabii zeminlerin kıvamında ve mühendislik özelliklerinde su muhtevasına bağlı olarak gözlenen değişimler büyük farklılıklar gösterebilmektedir.

4 İnce Daneli Zeminlerin Kıvamı ve Kıvam Limitleri Killerin kıvamının su muhtevasına bağlı olarak katı-plastik-viskoz sıvı kıvamları arasında değişmesinin nedenlerini anlayabilmek için, daneleri oluşturan minerallerin kristal yapısını ve daneler ile boşluklardaki suyun ve içindeki kimyasal maddelerin çökelme sırasında ve daha sonraki arazi koşullarında karşılıklı etikleşimini incelemek gerekmektedir. Bu üçlü etkileşim oldukça karmaşık bir problem oluşturmakla beraber, yapılan birçok araştırmalar sonucu konunun oldukça açıklığa kavuştuğu söylenebilir.

5 Kıvam Limitleri Killi zeminlerin danelerini oluşturan minerallerin ince plakalardan oluşan bir kristal yapısına sahip oldukları anlaşılmıştır. Bu nedenle kil daneleri plakalar şeklindedir. Bu plakaların genişlik, uzunluk ve kalınlık oranları mineral yapılarına bağlı olarak farklılıklar göstermektedir. Plaka şeklindeki kil danelerinin yüzeylerinde negatif elektrik şarjları, kenarlarında ise negatif veya pozitif elektrik şarjları bulunmaktadır. Su molekülleri ise, bir ucu negatif bir ucu pozitif elektrik yüklü çift polariteli bir karaktere sahiptir. Pozitif yüklü yüzü Negatif yüklü yüzü Plaka şeklinde bir kil partikülü

6 İnce Daneli Zeminlerin Kıvamı ve Kıvam Limitleri Kil danelerinin yüzeyinde ve su molekülleri ile kimyasal maddelerde birbirinden farklı elektrik yüklerinin mevcut olması sonucu aralarında elektriksel çekim ve itki kuvvetleri ortaya çıkmaktadır. Bu kuvvetlerin şiddeti büyük oranda danelerin mineral yapısına bağlı olmaktadır.

7 Kil danelerinin yüzeyinde ve su molekülleri ile kimyasal maddelerde birbirinden farklı elektrik yüklerinin mevcut olması sonucu aralarında elektriksel çekim ve itki kuvvetleri ortaya çıkmaktadır. Bu kuvvetlerin şiddeti büyük oranda danelerin mineral yapısına bağlı olmaktadır. Zemindeki su oranı azaldıkça danelerin birbirine göre hareketi zorlaşır, bunun sonucunda da zemin katılaşır. Su oranı arttıkça danelerin hareketi kolaylaşır, zemin yumuşar.

8 Adsorbe su Elektriksel çekim kuvvetleri sonucu su molekülleri kil danelerinin yüzeyine yapışmakta ve daneler yüzeylerinin adsorbe su olarak nitelendirilen bir su tabakası ile kaplanmasına yol açmaktadır. Adsorbe su, yüksek viskositeye ve yoğunluğa sahip olmakla beraber dane yüzeyinden uzaklaştıkça elektriksel kuvvetlerin şiddeti uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azaldığı için, özellikleri değişmekte ve belli bir uzaklıktan sonra boşluklardaki serbest suya dönüşmektedir. Serbest su İkinci tabaka su İnce bir su tabakası partikülleri sıkıca tutar kılıf gibi Adsorbe su 1nm 50 nm kalınlığı 1-4 molekül (1 nm) serbest sudan daha vizkozdur

9 Atterberg (Kıvam)Limitleri Killerin kıvamında su muhtevasına bağlı olarak meydana gelen değişimleri deneysel olarak saptayabilmek için bazı sınır su muhtevası değerleri tanımlamıştır. Kıvam limitleri olarak bilinen bu su muhtevası değerlerini belirlemek için kullanılan deney yöntemleri Atterberg (1911) tarafından geliştirilmiştir. Başlıca üç kıvam limiti (veya Atterberg limiti) tanımı kullanılmaktadır. Likit Limit (LL) Zemin malzemesinin akıcı (viskoz sıvı) kıvamdan plastik kıvama geçtiği sınır su muhtevası Plastik Limit (PL) Zemin malzemesinin plastik kıvamdan yarı plastik kıvama geçtiği sınır su muhtevası Rötre Limiti (SL) Zemin malzemesinin yarı plastik kıvamdan katı kıvama geçtiği sınır su muhtevasıdır.

10 Zeminlerde Su Muhtevası Hacim Değişimi Davranışı ve Kıvam Limitlerinin Tanımlanması Likit limit ile plastik limit arasında kalan su muhtevalarında zemin plastik davranış gösterdiği için, bu iki limitin farkı plastisite indeksi (I p ) olarak I p = (w L w p )

11 LİKİT LİMİT VE PLASTİK LİMİTİN DENEYSEL OLARAK SAPTANMASI Likit Limit deneyinde 40 No lu elekten geçen 150 gr. zemin kullanılmaktadır. ASTM D 4318 Deney, değişik su muhtevalarında hazırlanan zemin numunelerinin şekilde gösterilen kaba doldurulması, bu numune içinde standart boyutlarda bir yarık açılması ve aletin kolu çevrilerek kabın 1.0 cm yükseklikten birçok defa düşürülmesi yolu ile yapılmaktadır. Açılan yarığın 1.25 cm uzunluğunda kısmının kapanmasına yol açan düşüş sayısı ile zeminin su muhtevası arasındaki ilişki deneysel olarak saptanmakta ve 25 düşüşte yarığın bu kadar kapanmasına karşılık gelen su muhtevası değeri zeminin likit limiti olarak kabul edilmektedir.

12 Source:

13 Casagrande Likit Limit Aleti

14 Likit Limitin Belirlenmesi (LL) Log Scale

15

16 PLASTİK LİMİTİN DENEYSEL OLARAK SAPTANMASI 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 muhtevasından dolayı kırılıp çatlamaların meydana geldiği andaki su muhtevası, zeminin plastik limiti olarak tanımlanır (Holtz and Kovacs, 1981) ASTM D a, BS1377: Part 2:1990:5.3

17 Plastik Limit (devam )

18 Atterberg (Kıvam)Limitleri Zemin içinde mevcut su miktarı zeminin kıvamını ve davranışını belirlemektedir, Zeminlerin kıvamı dört şekilde tanımlanmıştır; Katı, yarı - katı, plastik ve likit.

19 Cassagrande Plastisite Kartı Plastisite indeksi, zeminin plastik davranış gösterdiği su muhtevaları aralığının genişliğini göstermektedir. Likit limit ve plastisite indeksinin birlikte değerlendirilmesi zeminin plastisitesinin bir ölçüsü olarak kullanılmaktadır. A-hattı genellikle killi zeminleri siltli zeminlerden ve organik zeminleri inorganik zeminlerden ayırır. U-Hattı genel olarak zeminler için üst sınırı oluşturur. Not: Eğer zemin için elde edilen değerler U hattının sol tarafında kalıyorsa veriler kontrol edilmeli.

20 Rötre Limiti Zeminin katı gevrek kıvamdan yarı plastik kıvam geçtiği su muhtevası değeridir. Deneysel olarak likit limit kıvamında hazırlanan (40 No lu elek altı) zemin numunesi rötre kabına yerleştirilerek 6-8 saat oda sıcaklığında bekletildikten sonra tartılır etüve konur. Kurutulan numune tartılır ve civa dolu bir kaba batırılarak hacmi belirlenir.

21 Zemin Hacmi: V i Zemin Kütlesi: M 1 Zemin Hacmi: V f Zemin Kütlesi: M 2

22 Kıvam Limitlerinin Mühendislikte Kullanımı Zeminin tabii su muhtevasının kıvam limitleri ile karşılaştırılması bize kayma mukavemeti hakkında fikir vermektedir. Plastisite İndeksi Likitlik İndeksi I IP = wl -wp L = w - I p w p Relatif Konsistans I c w - w I = L n p

23 Tipik Atterberg Limit Değerleri (Mitchell, 1993)

24 İnce Daneli Zeminlerin Kıvamı Zeminin Kıvamı Likitlik İndeksi Rölatif Konsistans (I L ) (I C ) Viskoz Sıvı I L >1 I C < 0 Plastik 0<I L <1 0<I C < 1 Katı I L <1 I C >1

25 Aktivite katsayısı A = I P Kil yüzdesi( mm) Yüksek Aktivite: - Islandığında yüksek hacimsal değişimleri - Kuruduğunda büyük büzülme değerleri - Çok aktif (Kimyasal açıdan)

26 Killerin katılık derecesi ile serbest basınç mukavemeti (silindirik bir zemin numunesinin yalnızca eksenel doğrultuda yüklenmesi sonucu kırıldığı gerilme değeri) arasındaki ilişki gösterilmiştir. Serbest Basınç Mukavemeti q u (kn/m 2 ) Tabii Killerin Kıvamı Tabii killerin arazi koşullarındaki kıvamı yumuşak, orta katı, çok katı ve sert gibi terimlerle ifade edilmektedir. Katılık derecesinin ölçüsü olarak ise genellikle serbest basınç mukavemeti kullanılmaktadır. Katılık Derecesi <25 Çok yumuşak Yumuşak Orta katı Katı Çok katı >400 Sert

27 Sensitivite - Duyarlılık İnce daneli zeminler tabii su muhtevası değiştirilmeden yoğruldukları zaman katılık derecesinde büyük değişiklikler meydana gelebildiği gözlenmektedir. Yoğrulma sonucu meydana gelen yumuşamanın başlıca nedenleri arasında, danelerin yüzeyindeki adsorbe su tabakasında yer alan moleküllerin sıralanmasının ve çökelme sırasında oluşan kilin iç yapısının (danelerin konumları ve dane temas yüzeylerindeki çimentolanmanın) bozulması sayılabilir. Zeminin tabii durumdaki serbest basınç mukavemetinin yoğrulmuş durumdaki serbest basınç mukavemetine oranı sensitivite (yoğrulmaya karşı duyarlılık) olarak tanımlanmaktadır. 2 < St < 4 Normal Killer 4 < St < 8 Duyarlı killer St > 8 Aşırı duyarlı killer S t = q ( ) ( ) u q u tabii yoğrulmuş

28 İnce Daneli Zeminlerin Sınıflandırılması Sınıflandırma sistemi İnce daneli zeminleri # 200 nolu elek altına geçen tüm malzeme olarak adlandırmaktadır. (<0.075mm) Silt ve killeri tanımlarken aralarındaki farkı sadece dane boyutları ile ilişkilendirmemek gerekir çünkü aralarındaki en büyük fark dane boyutları değil yapılarındaki fiziksel ve kimyasal farklılıklardır. Silt ve killeri ayırmanın en pratik ve ucuz yolu kıvam değerlerinin belirlenmesidir. Plastisite özelliği önemlidir çünkü, zeminin değişen su muhtevası değerlerindeki davranışını tanımlamaktadır

29

30

31 Örnek Kohezyonlu zemin örneğinde yapılmış likit deneyi sonuçları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

32

33