01-GİRİŞ T.C. SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ. İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Güz Yarıyılı İNM-305 ZEMİN MEKANİĞİ

Transkript

1 T.C. SAKARYA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Güz Yarıyılı İNM-305 ZEMİN MEKANİĞİ Doç. Dr. Ertan BOL Yrd. Doç. Dr. Aşkın ÖZOCAK Yrd. Doç. Dr. Sedat SERT ÖNEMLİ: 1. Sınıfa giriş? 2. Cep telefonu? 3. Ödev teslimi? 4. Telefon? 5. ? 6. Aracı? SERT 1

2 DUYURULAR İnş. Müh. İlan Panosu, İnş. Müh. Laboratuvarı (Geoteknik) ilan Panosu, DEĞERLENDİRME SİSTEMİ YARIYIL İÇİ ÇALIŞMALARI SIRA KATKI YÜZDESİ Ara Sınav 1 45 Kısa Sınav 1 15 Ödev 1 10 Perf. (Lab.) 3 30 Toplam 100 Finalin Başarıya Oranı 40 Yıliçinin Başarıya Oranı 60 Toplam 100 SERT 2

3 Başarı Notu: 50 NOTLAR Devam şartı: 70 Ders notları Ödevler kesinlikle istendiği gün ve saatte teslim edilecektir, Gecikmiş ödev alınmayacaktır. Hafta DERS AKIŞI Konular 1 Zeminlerin Jeolojisi - Killer 2 Zeminlerin Fiziksel Özellikleri 3 Zeminlerin Fiziksel Özellikleri + Laboratuvar 01 4 Zeminlerin Sınıflandırılması 5 Zemin Hidroliği 6 Efektif Gerilme Kavramı 7 Zeminde Gerilmeler ve Dağılışı 8 Sıkışma ve Konsolidasyon Teorisi 9 Sıkışma ve Konsolidasyon Teorisi 10 Zeminlerin Kayma Direnci 11 Zeminlerin Kayma Direnci + Laboratuvar Kompaksiyon (Sıkıştırma) + Laboratuvar Yanal Toprak Basınçları 14 Yanal Toprak Basınçları SERT 3

4 Kaynaklar Akın Önalp, Ersin Arel, Geoteknik Bilgisi-I, Zeminler ve Mekaniği, Çözümlü Problemlerle, Güncelleştirilmiş Baskı, Birsen Yayınevi, İstanbul. Akın Önalp, Ersin Arel, Geoteknik Bilgisi-II, Yamaç ve Şevlerin Mühendisliği, Birsen Yayınevi, İstanbul. Akın Önalp, Sedat Sert, Geoteknik Bilgisi-III, Bina Temelleri, Genişletilmiş Baskı, Birsen Yayınevi, İstanbul. Akın Önalp, İnşaat Mühendislerine Geoteknik Bilgisi Cilt I, KTÜ, Trabzon. Akın Önalp, İnşaat Mühendislerine Geoteknik Bilgisi Cilt II, KTÜ, Trabzon. Vahit Kumbasar, Fazıl Kip, Zemin Mekaniği Problemleri, Çağlayan Kitabevi, İstanbul. Braja M. Das, Principles of Geotechnical Engineering, 3 rd ed., PWS Publishing Company, Boston. ZEMİN MEKANİĞİ İLE İLGİLİ BAZI STANDARTLAR *. TS 1500/2000, İnşaat Mühendisliğinde Zeminlerin Sınıflandırılması *. TS 1900/2006, İnşaat Mühendisliğinde Zemin Laboratuvar Deneyleri *. TS 1901/1975, İnşaat Mühendisliğinde Sondaj Yolları ile Örselenmiş ve Örselenmemiş Numune Alma Yöntemleri *. TS 5744/1988, İnşaat Mühendisliğinde Temel Zemini Özelliklerinin Yerinde Ölçümü *. TS 7994/1990, Zemin Dayanma Yapıları; Sınıflandırma, Özellikleri ve Projelendirme Esasları *. TS 8853/1991, Yamaç ve Şevlerin Dengesi ve Hesap Metotları Zeminde SERT 4

5 Zemin İncelemesi Niçin? Doğal yamaç ve yarmada duraylılığın kontrolu Barajlarda ve atık depolarında duraylılık ve baraj temelinin kontrolü, sızdırmazlık Yapıdan gelen yüklerin üzerine oturduğu zemin tarafından karşılanıp karşılanamayacağı Açık veya kapalı olarak yapılan kazılarda duraylılık ve gerilme problemlerinin önceden tahmini Ulaşım veya bir yapının temelini oluşturan dolgunun özellikleri Denizde oluşturulacak petrol kulesinin oturacağı deniz tabanının özellikleri Yanal yüke maruz dayanma duvarı ve palplanşlarda duraylılık ve deformasyon Zemin Bir bağlayıcı madde ile tamamen veya kısmen çimentolanmamış değişik türden mineraller, organik atıklar, su ve hava karışımından oluşan bir gereç. Zemin Mekaniği Zemin kitlelerinin iç ve dış kuvvetler altında statik ve dinamik dengelerini inceleyen bir mühendislik dalı. Geoteknik Zemin/kaya mekaniği ve temel mühendisliğini içeren kapsamlı bir bilim dalı. SERT 5

6 Jeolojik Zaman Çizelgesi Dünyanın Yaşı 4.67 milyar yıl olarak tahmin ediliyor Kuvaterner: Son 3 milyon yıl. Kuvaterner in son yılı Holosen, ondan öncesi de Pleyistosen olarak adlandırılır. Toprakların çoğu Kuvaterner de oluşmuştur. Kuvaternerin en eski bölümü Pliyosen 4.5 milyon yıldan yaşlı toprakları içerir ki bu topraklar Türkiye nin genellikle iyi temel zeminini oluşturmaktadır. YERKÜRENİN YAPISI Kimyasal olarak farklı 3 tabakadan oluşur: 1. Çekirdek 2. Manto 3. Kabuk SERT 6

7 Dünyanın yarıçapı 6378 km Yerküre, içten dışa doğru yoğun katı çekirdek, akışmazlığı yüksek manto ve kabuktan oluşur. Mantonun üst bölümleri eriyik halde, mumsu bir yapıdadır ve astenosfer olarak adlandırılır. Yer kürenin oluşumundan sonra astenosferin üst bölümü katılaşarak yer kabuğunu (litosfer) meydana getirmiştir. Litosfer en ince olduğu okyanusal kabukta yaklaşık 5 km den en kalın yerleri kıtasal kabukta 60 km ye değişen derinlikte sertleşmiştir. YERKÜRE NİN İÇ YAPISI SERT 7

8 AVUSTURALYA DA KUTUP DİNAZORLARI? Buzullarla kaplı Antartikada eski ormanların kalıntısı olan kömür madenleri nasıl oluşmuş? Buzullar tarafından oluşturulan çökeller nasıl olurda cehennem gibi sıcak tropik Afrika kıtasında bulunuyor? AYNI TÜR FOSİLLERİ NASIL OLUYORDA FARKLI KITALARDA GÖREBİLİYORUM? SERT 8

9 Panthalassa okyanusu LEVHA TEKTONİĞİ KITALARIN KAYMASI Kaynak: USGS Alfred Wegener, (1912) Günümüzde 7 büyük, birçok küçük plaka (levha) Plaka Tektoniği yüksek sıcaklıkla konveksiyon hareketi (Wegener) SERT 9

10 KAYA DÖNGÜSÜ Kıtasal Kabuk Ayrışma-Yıpranma Tektonik Yükselme Yerinde Oluşmuş Topraklar Erozyon ve Depolanma Çökeller (Alüvyon) Tektonik Yükselme Magmatik Kayaçlar Sokulum ve Volkanizma Magma Diyajenez Sedimanter Kayaçlar Erime Metamorfik Kayaçlar Metamorfizma (Isı+Basınç) Ertan BOL SERT 10

11 ZEMİNLERİN OLUŞUMU Geoteknik Jeoloji TORTUL; <1000 kbar <600 C diyajenez (taşlaşma) fosil içerir >1000 kbar >1000 C Kıyıda çökelme; deltada acısuda haliçte Denizde; Derinde (k.sah.dışı) Sığda Karada; çölde akarsu kenarı göl bataklık yamaç eteği püskürük amorf iç kor iri kristalli Kor kayaçlarda: soğuma hızı, düzeyi ve kristalleşme koşullarına göre birincil mineralller oluşur. Kumtaşı kuvars şist kuvarsit ; Saf kireçtaşı mermer ; Kiltaşı/şeyl fillit şist hornfels ; Bazalt/diyabaz yeşilşist amfibolit eklojit hornfels (Başkalaşım sürecine örnekler) KAYA TİPLERİNİN DAĞILIMI SERT 11

12 AYRIŞMA YIPRANMA MEKANİZMALARI (alteration ) (disintegration, degradation) Atmosfer Hidrosfer Biyosfer (weathering) Genel tarif: Yerkabuğundaki malzemenin yüzeye yakın bölgelerde atmosfer, hidrosfer ve biyosfer etkileriyle özelliklerini yitirmesi. Kayaç süreç sonunda kile dönüşüyor Yıpranma (disintegration, degradation) fiziksel/mekanik Ayrışma (alteration) kimyasa FİZİKSEL-MEKANİK Yüklenme Boşalma sonucu kırılma Isıl Kökenli Gerilmeler Islanma Kuruma Kristallenme KİMYASAL Oksitlenme Redüklenme Hidratlanma Hidroliz Çözünme Metal iyonu sökülmesi (chelation) Katiyon Değişimi YIPRANMA MEKANİZMALARI (disintegration, degradation) FİZİKSEL-MEKANİK 1 Yüklenme Boşalma sonucu kırılma 2 Isıl Kökenli Gerilmeler 3 Islanma - Kuruma 4 Çatlaklarda buzlanma 5 Canlı Aktiviteleri 6 Rüzgar 7 Dalga 8 Akarsuların Aşındırması 9 Kristallenme SERT 12

13 Fiziksel Yıpranma 1-Basınç Azalması (stress release) Derinlerdeki kayaçların üzerindeki basıncın erozyondan dolayı azalmasına bağlı olarak kayaçları boydan boya kesen ve yaklaşık olarak topografik yüzeye paralel olan bir seri çatlaklanma yüzeyleri gelişir. Bunun sonucunda değişik boyutlarda partiküller oluşur SERT 13

14 Fiziksel Yıpranma 2-Isıl Kökenli Gerilmeler Termal genişleme ve çekme (thermal expansion and contraction) Çöl ortamlarında gece-gündüz sıcaklık farkının çok yüksek olması kayaçların çatlaklanmasına sebep olduğu görüşü benimsenmiştir. Fiziksel Yıpranma 3-Islanma Kayaç içerisindeki bazı minerallerin bünyelerine su almalarıyla şişerler ve kayacın parçalanmasına sebep olurlar. Kil Minerallerin hacimsel olarak şişme % Ca-montmorillonit % Na-montmorillonit (bentonit) % İllit % Kaolinit 5-60% SERT 14

15 Fiziksel Yıpranma 4- Çatlaklarda Buzlanma (Frost shattering) H 2 O sıvı halden katı hale (buz) dönüştürüldüğünde % 9.2 lik bir hacim artması olur. Kayaç içine sızan suların, sıcaklığın düşmesine bağlı olarak buzlaşmasıyla hacim artması olur. Bu hacim genişlemesi en sert kayaları bile parçalar ve kırar. Fiziksel Yıpranma-Buz SERT 15

16 Fiziksel Yıpranma Buz Fiziksel Yıpranma 5-Canlı Aktiviteleri (organic activity) Canlı organizmaların ayrıştırma aktiviteleri genelde kimyasal olmasına karşın fiziksel ayrışmayada sebep olabilir. Bitki köklerinin veya gövdelerinin büyümesi kayacı parçalayabilir. Oyucu canlılar ise kayaçları oymakla hem kayacın dayanıklılığını azaltır hem de kimyasal ayrışmayı hızlandırır. SERT 16

17 Fiziksel Yıpranma 6-Rüzgar Monument Valley, Utah. SERT 17

18 Fiziksel Yıpranma 7-Dalga Güney Kaliforniya sahili, (Marine arch). Fiziksel Yıpranma 7-Dalga Güney Viktorya Sahili, Avusturalya SERT 18

19 Fiziksel Yıpranma 7- Akarsuların Aşındırması Akarsuyun aşındırma faaliyeti, taşımakta olduğu parçaların birbirine yada yatağı oluşturan kayaçlara çarpmasıyla gelişir. Fiziksel Yıpranma 9- Kristallenme Kayacın içerisinde yada bünyesindeki kırık ve çatlaklarda yabancı kristallerin gelişmesi o kayacın fiziksel olarak parçalanmasına sebep olabilir. SERT 19

20 AYRIŞMA YIPRANMA MEKANİZMALARI (alteration ) (disintegration, degradation) A.Fiziksel Mekanik: YIPRANMA 1.Yüklenme-Boşalma: Aşınma, faylanma Çatlama, yüzlerce metre Bitki ve ağaç kökleri 2. Isıl kökenli genleşme ve büzülme: Isınma ve ani soğuma kayaç dayanımı azalır parçalanma Çöllerde gece-gündüz sıcaklık farkı çok 3. Islanma Kuruma: Kil minerali içeren kayaç Islanma şişerek parçalanma Kuruma boşluk ve yüzeye yapışık kolloidlerin yüzeyden parçaları gevşetip koparacak düzeyde çekme gerilmesi uygulaması. 4. Kristallenme Boşluklardaki sıvının içerdiği tuzların zamanla kristalize olması durumunda kristallenme basıncı ile (en fazla donmada) dağılma B. Kimyasal: AYRIŞMA 1. Hidroliz: H+ ın küçük boyutu nedeniyle mineralin kristal kafesi içine kolayca girmesi ve oradaki katiyonların yerini alması. Hidrojenle birleşen yüzey tabakaları dengelerini kaybederek dört ayaklı ve sekiz köşeli tabakalarını kaybederler. Çevredeki suyun hareketliliğine bağlı, ph arttıkça minerallerin eriyebilirliği de artar. 2. İyon sökülmesi: Mineraldeki metal iyonları özellikle zincir yapılı organik bileşiklerce kompleks oluşturularak dışarıya alınır. Hidrolize yardımcı olur. 3. Katiyon değişimi: Hidrojen yüklü kolloidlerin üzerindeki hidrojen iyonlarının ayrışmamış yüzeylere bu H+ ları taşıması önlenir Mineral parçası üzerine yerleşen yabancı iyonlar sistemin geçirimliliğini değiştirir Al ve Si oksitli kolloidlerin tuttuğu katiyonlar oluşan kilin türünü doğrudan etkiler SERT 20

21 B. Kimyasal: AYRIŞMA (devam) 4. Oksitlenme: Katiyonların elektron yitirmesi. Örneğin pirit hidrolize uğradıktan sonra suyun içindeki eriyik oksijen ile oksitlenerek limonite dönüşür.tepkimede beliren sülfirik asit silikatlerin ayrışmasını sağlar ve ortamda kireçtaşı varsa jips ve karbonik asit oluşur. 5. Redüklenme: Katiyonların elektron kazanması. Bakteri ve bitki etkileriyle belirir. 6. Karbonasyon: Karbonat ve bikarbonat iyonlarının kayaç bileşenleriyle etkileşimi. OKSİDASYON Kayaçların oksit oluşturmak için havadaki ya da sudaki serbest oksijenle olan reaksiyonlardır. Serbest oksijen silikat mineralleri içerisindeki metalik elementlerle reaksiyona girerek bu minerallerin bozuşmasını dolayısıyla parçalanmasını sağlar. Piroksen FeSiO 2 Renk Kızıllaşır O 2 Si Fe 2+ H 2 O Fe 2+ Hematit Fe 2 O 3 SERT 21

22 Oksidasyon sonucunda oluşan kırmızı renkli çökeller A B Türü Yerinde Oluşmuş Taşınarak Oluşmuş Taşınmış Toprakların Oluşumu Taşınma ortamı Su Rüzgar Yerçekimi Buzul Adı Kalıntı (rezidüel) Tortu (turba) Alüvyon, deniz/göl çökeli Lös, kumul Yamaç molozu Moren, buzul deposu Aluviyal : genellikle akarsuyun taşıyarak ovada biriktirdiği depolar Eluviyal : yerinde oluşmuş topraklar (mineral kaybı) Diluvial : buzulların etkisiyle birikmiş topraklar Koluviyal: yamaç aşağı akma/sünme hareketiyle gelmiş birikim Yerinde Oluşmuş Zeminler Anakayaçtan çok iklim ve çevre koşulları SERT 22

23 Bitkiler ve bunların kök etki alanlarındaki su hareketleri ve köklerin mekanik etkisi en sağlam kayaçlarda bile hızlı ayrışmaya sebep olabilir. Tersi durumda, sağlam kitlelerde bulunabilecek zayıf bölgelerde daha kolay tutunan bitkiler ayrışma ve yıpranma sürecini hızlandırırlar. Düşük eğimli arazide yüzeyde oluşmuş ve birikmiş topraktan ana kayaca kadar ayrışma ürünleri Yer kabuğunun hareketi sonucu (faylanma-ezilme) yıpranma Yer altı suyunun etkisiyle karstik arazi ve benzerlerinde ayrışma Kayaçta Ayrışma ve Yıpranma SERT 23

24 SERT 24

25 01-GİRİŞ Yerinde Oluşmuş Topraklar Zemin horizonu, bir zemin profili içinde kimyasal ve fiziksel özellikleriyle farklılaşan bir tabakadır. ERTAN BOL - AŞKIN ÖZOCAK - SEDAT SERT 25

26 TOPRAK/ZEMİN KALINLIĞININ İKLİME BAĞLI OLARAK DEĞİŞMESİ Zeminlerin Mineral Yapısı Zemin danelerinin büyüklüğü, şekli, fiziksel ve kimyasal özellikleri mineral yapılarıyla yakından ilişkilidir. Yer kabuğunun %98 i sadece 8 elementten oluşur. Bunlar oksijen (46,6), Silisyum (27,7), Alüminyum (8,1), Demir (5,0), Kalsiyum (3,6), Sodyum (2,8), Potasyum (2,6) ve Magnezyum (2,1) dur. Bu elementlerden iki veya fazlasının bileşiği de mineralleri oluşturur. OKSİTLER: Hematit Fe 2 O 3 ; Korendon AlO 3 SİLİKATLAR: Kil mineralleri; Mikalar H 2 KAl 3 (SiO 4 ) 3 ; Kuvars SiO 2 KARBONATLAR: Kalsit CaCO 3 ; Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 SÜLFATLAR: Anhidrit CaSO 4 ; Jips CaSO 4.2H 2 O Toprağın Bileşimi (Zeminde rastlanan minerallerin yaklaşık oranları) SERT 26

27 Tipik Çökel Ortamlar Kurak ortam Yağış/rüzgar Akarsuların Çökel Biriktirme Biçimleri KİL <0.002 mm Killer belirli oranda su ile karıştırıldıklarında plastik özellik gösteren 2 mikrondan küçük mineral parçacıklarıdır.. 1 nanometre = 10 A = 10-6 milimetre SERT 27

28 KİLLERDE YAPI Kil minerallerinin yapısında iki temel yapı bloğu mevcuttur: 1.Tetrahedral birim: 2. Oktohedral birim: KİL MİNERALLERİ KAOLİNİT [Al 4 Si 4 O 10 (OH) 8 ] MONTMORİLLONİT [Al 4 Si 8 O 20 (OH) 4 nh 2 O] Su geçirmez Kütahya da İLLİT çok şişer şiş.bas kpa Gibsit=Alüminyum hidroksit, Al(OH) 3 SERT 28

29 KLORİT SERT 29

30 pulsu şekil, yüzeylerinde (-) kenarlarında(+) el. yükü, mıknatıs gibi KİL mal 2 O 3, nsio 2, ph 2 O Hidratlı (sulu) aluminyum ve magnezyum silikatlardan oluşan doğal bir ikincil mineral <2 mikron Geçirimsizlik, bulamaç, bağlayıcılık Pişirince katı, ıslatınca hacim artışı, kurutunca hacmi azalır ve çatlar Tarım, ormancılık, seramik, tıp +su çamur (karbon tetraklorur + kil) veya (kuvars + su) çamur Kil mineralleri kayaçları oluşturan birincil minerallerin ayrışmasıyla oluşurlar ve ikincil silikatlar olarak adlandırılırlar. SERT 30

31 Kilin türü geçirimliliği şişme-büzülme davranışını sıkışabilirliği kayma direncini etkiler. Kayacın kile dönüşmesinde ortamın sıcaklığı yağış ve nemlilik yer altı suyu düzeyi drenaj koşulları ph ve tuzluluk bitki ve bakterilerce salınan asit ve bazlar arazinin eğimi ana kayacın türü rol oynar. Kil minerallerinin tanınması X-Işını Kırınımı (XRD_X-Ray diffraction) Diferansiyel Isıl Analiz (DTA) KİL MİNERALLERİNDE BOYUTLAR KİL Montmorillonit İllit Klorit Kaolinit KENAR KESİDİ KALINLIK (nm) 3 ÇAP ÖZGÜL YÜZEY (nm) (km 2 /kg) SERT 31