ZEMİNLERİN SIKIŞMASI, KONSOLİDASYONU VE OTURMASI. Yrd. Doç. Dr. Taylan SANÇAR

Transkript

1 ZEMİNLERİN SIKIŞMASI, KONSOLİDASYONU VE OTURMASI Yrd. Doç. Dr. Taylan SANÇAR

2 Zeminlerin herhangi bir yük altında sıkışması ve konsolidasyonu sonucu yapıda meydana gelen oturmalar, yapının mimari ve/veya statik olarak hasar görmesine bazen de yapının fonksiyonunu yitirmesine neden olur. Bu açıdan oturmaların inşaattan önce ön görülmesi önem taşır. Zemin tabakası üzerine uygulanan yük (yapı) zemin içerisindeki bir seviyede, bu seviye üzerindeki zemin yükünden farklı olarak başka bir yük oluşmasına neden olur. Bu yükleme sonucunda hava ve varsa su dışarı çıkararak zemin tanelerinin birbirlerine yakınlaşır. Yakınlaşan zemin tanelerinin birbirlerine basınç uygulaması sonucu tane boyutlarında önemsiz de olsa küçülme meydana gelir. Neticede zemin kalınlığında bir azalma olur. Bu olaya sıkışma denir. Sıkışma sonucunda zemin yüzeyinin veya zemin üzerindeki yapının seviye kaybına oturma denir. Sıkışma ve dolayısı ile oturma zeminin kohezyonlu, kohezyonsuz, doygun, kuru vb. özelliklerine bağlı olarak değişik hız ve miktarlarda oluşur. Bu nedenle oturmalar iki grupta ele alınır. Konsolidasyon Oturması Ani Oturma

3 Toplam Zemin Oturması= Elastik Oturma+ Konsolidasyon Oturması S total = S e + S k Elastik Oturma veya Ani Oturma Yükleme Tipime(Rijit; Fleksibıl) Yükleme Yerine (Merkez yada Köşe) Elastik Oturma Elastisite Teorisine Zamana Bağlı Elastik Oturma (Schmertman & Hartman Metodu (1978) Elastik oturma kumlu, siltli ve killi zeminlerde olur.

4 By: Kamal Tawfiq, Ph.D., P.E. Konsolidasyon Oturması (Zamana bağlı oturma) * Konsolidasyon oturması koheziv zeminlerde suyun boşluklardan dışarı atılması sonucu oluşur. * Permeabilites zemin türüne göre değiştiği için oturma oranı her zeminde farklıdır. * Konsolidasyon oturmasındaki oranın değişimi bazı sınır şartlarında bağlıdır. S Konsolidasyon = S Birincil + S İkincil Birincil Konsolidasyon Boşluk suyu basıncındaki azalmadan kaynaklı hacim değişimi ile ilişkilidir. Secondary Consolidation Tanelerin yeniden düzenlenmesinden kaynaklı hacim değişimi ile ilişkilidir. (Birincil konsolidasyondan sonra boşluk suyu basıncı değişmez. Δu = 0) Water Table (W.T.) Expulsion of the water Solids Water Voids Kil zeminde oluşan konsolidasyondan sonra boşluklar arasındaki su dışarı kaçar. Sonuç olarak fazla su basıncı ( u) azalır ve bununla birlikte zemindeki boşluk oranıda (e) da azalır.

5 KONSOLİDASYON OTURMASI: Ince taneli doygun zeminlerde, boşluları işgal eden suyun yük etkisi ile zeminin boşluklarından dışarı çıkması sonucu meydana gelen, yavaş fakat uzun süre devam eden hacim değişimi sonucu oluşan oturmadır. ANİ OTURMA: Kuru zeminin elastik deformasyonu ve doygun veya kısmen doygun zeminlerin su muhtevasında değişim olmadan, zeminin elastik deformasyonu sonucu oluşan, sadece inşaat süresince devam eden oturmalardır. Buna elastik oturma da denir. Hava hacminde azalma Suyun hacminde azalma Boşluk hacminin azalması, yoğunluğun artması, hava çıkışı. Zaman (t) faktörünü de içinde barındıran ve boşluklardaki suyun bir yük altında dışarı atılması.

6

7

8

9 KONSOLİDASYON TEORİSİ İki geçirimli tabaka arasında konsolide olan kil tabakasına üst yapı tarafından P basıncı uygulansın. Geçirimli tabakalarda aşırı boşluk suyu basıncı oluşmaz ve oturmalı çabuktur (ani oturma) izokron Aşırı boşluk basıncı geçirimliliği çok düşük olan kil tabakasında oluşur. Boşluk basıncının tabaka kalınlığı boyunca zaman bağlı değişimi izokron olarak bilinen eğriler ile gösterilir. Tabaka uzunluğu kalınlığına göre çok büyük olduğu için yatay gerinim olmaz yani akım sadece dikey yöndedir.

10 KONSOLİDASYON TEORİSİ KONSOLİDASYONUN MATEMATİKSEL İFADESİNİ KOLAYLAŞTIRMAK İÇİN AŞAĞIDAKİ ÖZELLKLERİN VAR OLDUĞU KABUL EDİLİR. 1. Zemin homojen ve tamamen doygundur, doygun kalır(s=%100, doygun olmayan zeminlerden konsolidasyon oturması hesapları oldukça güvensizidir). 2. Zemin elemanları ve su sıkıştırılamaz. 3. Uygulanan basınç ile hacim değişimi arasında doğrusal bir ilişki vardır ve bu ilişki zamandan bağımsızdır. 4. Permeabilite katsayısı (k) sabittir. 5. Hidrolik eğim (i) değeri ne olursa olsun Darcy yasası geçerlidir (v=k*i)

11 Bu Teoriye Göre; 1. Zemin homojendir. 2. Tüm boşluklar sıkışmaz sıvı ile doludur. (S r =%100) 3. Tanelerin sıkışabilirliği suya oranla ihmal edilebilir.suyun sıkışabilirliği ise zemin iskeletine göre ihmal edilebilir. 4. Darcy yasası geçerlidir.( zemin içinde ki su hareketi). 5. Sıkışmalar ve suyun zeminde hareketi tek yönde oluşur.

12 6.Sıkışabilirlik ve geçirimlilik zeminin aldığı gerilme kademesinden bağımsızdır. 7.Boşluk oranı efektif gerilmenin fonksiyonu olup zamanla değişmez. 8.Oluşan sıkışmalar kilin ilk kalınlığına oranla küçük olduğundan ortalama özellikler ve ortalama boyutlar kullanılabilir. 9.Gerilmeler zemine ani olarak uygulanır. 10.Zemin iskeleti sünme göstermez.

13 KONSOLİDASYON DENEYİ

14 KONSOLİDASYON DENEYİ DENEY SETİ

15 KONSOLİDASYON DENEYİ Aletin haznesi su ile doldurulur ve 24 saat şişmeye bırakılır. Dolayısı ile numunenin doygun hale gelmesi sağlanır. Bu süre sonunda yüklemeye geçilir. Kademe yükleri (basınçları): 0.25;0.50;1.00;2.00;4.00;8.00; veya kg/cm2 (25,50,100,200,400,800,1000 kpa Yük seçilirken ΔP/P=1 olmasına dikkat edilir. Yani sonraki yük önceki yükün iki katıdır. Her kademe yükü 24 saat süre ile uygulanır ve bu 24 saatlik süre zardında, sonraki okuma zamanı önceki okuma zamanının iki katı oalcak şekilde olur. Örneğin 15 sn, 30 sn, 1 dk, 2 dk dk (24 saat) dakikalarda göstergeden kalınlık azalması okunur.

16 KONSOLİDASYON DERECESİ Belirli bir gerilme artımı altında bulunan bir tabakada, zamana ağlı olarak boşluk su basıncının değişimi, yani yüzde konsolidasyonu ifade eder. Bir kil tabakası içerisinde, z derinliğindeki bir zemin elemanının belirli bir toplam gerilme altında, konsolidasyon sürecinin seyri, boşluk oranı cinsinden aşağıdaki gibi yazılır. Uz= Uz= z derinliğinde, belli bir zamandaki konsolidasyon derecesi(0 Uz 1) e0=konsolidasyon başlamadan önceki boşluk oranı e1=konsolidasyon sonundaki boşluk oranı e=konsolidasyon süresince söz konusu zemindeki boşluk oranı E σ doğrusal kabul edildiğinde Uz= σ σ σ σ

17

18 BOŞLUK ORANI BASINÇ İLİŞKİSİ a Deney Sonu Su Muhtevası ve Özgül Ağırlıktan Boşluk Oranı Hesabı Deney Başlangıcında Hacmi: V Kalınlığı: H Boşluk Oranı: e0 Deney Sonunda Hacmi: Vs Hacim Değişimi:ΔV Kalınlığı: Hs(Htane+Hsu) Kalınlık Değişimi: ΔH Boşluk Oranı: es Boşluk Oranı Değişimi: Δe Su Muhtevası: Ws Birim Hacim Değişimi ΔV V Δe Numune ring içerisinde olduğundan, çapının değişimi olmayacaktır. Hacim Değişimi numune kalınlığı değişimi ile orantılı olacaktır. ΔH H0 ΔV Δe V Kalınlık azalması yani deneyde numunenin oturması olur. ΔH H0* Δe

19 BOŞLUK ORANI BASINÇ İLİŞKİSİ a Deney Sonu Su Muhtevası ve Özgül Ağırlıktan Boşluk Oranı Hesabı

20 e P ilişkisinden mv hesabı Verilenler: Ws=%17.8 ϒs=2.69/gcm3 H0=20,0 mm Ws*ϒs=es*ϒw es=ws*ϒs/ϒw ϒw=1 için es=0,178*2,69/1=0,479 Hs H0 ΔH 20 0, Δe 0,0771 ΔH Δe ΔH Δe, ΔH,

21 mv Δe=0.012 ΔP=50kN/m2 Δe ΔP mv ,016, 50

22

23 BOŞLUK ORANI BASINÇ İLİŞKİSİ b Hacimsel Sıkışma Katsayısı, Sıkışma Katsayısı

24

25 ϵ P ilişkisinden mv hesabı Verilenler: Ws=%17.8 ϒs=2.69/gcm3 H0=20,0 mm

26 H0=20,0 mm (19,87+19,71)/2=19,79 0,0081/50=1,16*10 4 m2/kn =0,162m2/MN =0,016cm2/kg 0,16/19,79=0,0081

27 81kN/m2 113kN/m2 basınç aralığına ait mv hesabı Verilenler: Ws=%17.8 ϒs=2.69/gcm3 H0=20,0 mm

28 81kN/m2 113kN/m2 Dolayısı ile hacimsel sıkışma katsayısı değeri 0.130>mv>0.110 m2/mn veya 0.013>mv>0.011 cm2/kg

29 mv Δe ΔP 1,43*10 4 m2/kn veya 0,143 m2/mn veya cm2/kg

30 Konsolidasyon katsayısının (cv) ö Verilenler: Ws=%17.8 ϒs=2.69/gcm3 H0=20,0 mm

31

32 0,848 0,848, 83,7/100*60/ ,3 cm2/gün 1205/10000* m2/yıl 83,70 1. Doğrusal kısım (noktalı olan çizgi) dial okuma ekseninin kesecek şekilde uzatılır (Kesikli çizilen). 2. A noktası düzeltilmiş başlangıç noktası olarak kabul edilir. 3. F B arası uzaklık okunur (x) FC=1,5x kabul edilir. 4. A ve C noktası doğrusal çizgi ile birleştirilir. Dial eğrisini kesen D noktasının dial okuması eksenindeki değeri %90 KONSOLİDASYON değerini (Δ 90=0,103 mm) eksenindeki değeri de 90 değerini (yani 1 dakika) verir. 5. %90 konsolidasyon içim dial okuması değeri ,024=0,079 olur. 6. %100 konsolidasyon değeri Δ 100=0,024 +(0,079/9)*10=0,112 olarak hesaplanır. 7. d drenaj yolu uzunluğu olup test cihazındaki numune hem altından hem üzerinden drene olabildiğinden çift drenajlı olup, drenaj yolu uzunluğu d=h/2 olur. 8. Bu kademedeki numune kalınlığı H=20 0,131=19,869 ve d=19,869/2=9,935 mm olur.

33 Konsolidasyon katsayısının (cv) ö Verilenler: Ws=%17.8 ϒs=2.69/gcm3 H0=20,0 mm

34 1. Eğrinin üst ve alt kısımlarındaki doğrusal olan kesimleri uzatıp, kesiştirilir ve A noktasını bulunur. 2. A noktası Δ 100=0,102 ve t100=0,77 dakika değerini verir. 3. Yeni t1 değeri seçili (t1=0,25 dakika), ve t1 değerinden ilk eğriyi kesen dik çizilir ve eğriyi kestiği nokta B ile gösterilir. B noktasından yatay bir çizgi çizilir 4. Kural gereği t2 noktası t2=4*t1 olarak alınır yani t2=4*0,25=1 dakika olur. 5. Bu noktadan (t2) çizilen dik ilk eğriyi C noktasında keser ve C noktasından yeni bir yatay çizgi çizilir. 6. B C arasındaki dik mesafe (d2) t1 t2 arasındaki sıkışmayı gösterir. 7. B noktasından alınan d1 (=d2) dikinin geldiği noktadan alınan yatay çizginin değri U=%0 konsolidasyonuna karşılık gelen ΔHs=0,027 değerini verir. 8. ΔH eksenindeki değerden yatay çizilir ve ilk eğri ile kesiştirilip buradan dik çizilirek t50 0,24 dakika elde edilir. 9. d50 değeri için H50=H0 h50=20 0,065=19,935mm 10. d50=h50/2=19,935/2=9,968mm 0,197 ΔH 81, ,5 cm2/gün 42,9 m2/yıl ΔH ΔH ,027 0,102 /2 0,065mm

35 Permeabilite katsayısı Verilenler: Ws=%17.8 ϒs=2.69/gcm3 H0=20,0 mm

36 Nihai Dial okuması =0,131 mm Birincil konsolidasyon sonu=0,102 mm İkincil Konsolidasyon=0,131 0,102=0,029 mm Birincil Konsolidasyon=0,102 0,027=0,075 mm (0,029/0,075)*100= %38,7 Nedeni?