2. Bölüm ZEMİNLERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 2. Bölüm ZEMİNLERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ Zeminler yapıları itibariyle heterojen malzemelerdir. Yani her noktasında fiziksel ve mekanik özellikleri farklılık göstermektedir. Zeminin Öğeleri Birçok yapı gerecinde olduğu gibi zeminde de üç faz bulunur: Katı, Sıvı ve Gaz. Katılar; tuzlar ve buz hariç tutulursa, türlü boyut ve şekillerde mineral parçalarından (daneler) oluşur. Sıvı; özel durumlar dışında sudan ibarettir. Gaz ise; hava ve onun içerdiği su buharından oluşmuştur. Zemini oluşturan bu öğeler ağırlık ve hacimleriyle temsil edilirler. O halde yapılacak ilk işlem bu hacim (V) ve ağırlıklar (M) arasındaki bağıntıları belirtmektedir. Bir zeminde çevre koşullarına bağlı olarak danelerle birlikte su, hava veya bunlardan her ikisi birlikte bulunabilir. Bu öğelerin oranları zeminlerin tüm özelliklerini etkileyebildiği gibi değerlerine bakarak zeminin türü ve olası davranışlarını tahmin etmek de mümkündür. 8

2 Zeminler Tanımlanırken; a) Tüm Zeminler 1) 2) b) Kaba Daneli Zeminler 1) 2) 3) 4) 5) c) İnce Daneli Zeminler 1) 2) 3) 4) 5) Faz (Blok) Diyagramı Zeminlerin Fiziksel Özellikleri Zemin, en genel durumda, 3 bileşenden meydana gelir. Taneler (katı), taneler arasındaki boşluklarda bulunan su (sıvı) ve taneler arasındaki boşluklarda bulunan hava (gaz) içermektedir. Bu nedenle zemin 3 fazlı bir sisteme sahiptir. 9

3 Şekil 1. Faz Diyagramı Dağılımı Taneler arası boşluklar; en genel durumda kısmen su ve kısmen de hava ile dolu olabildiği (yaş zemin, kısmen doygun zemin vb.) gibi, suya tam doygun zeminlerde tamamen su, kuru zeminlerde tamamen hava ile doludurlar. Şekil 2. Kuru ve Suya Doygun Zeminlerde Faz Diyagramı Dağılımı 10

4 Zeminlerin Hacimleri ve Kütleleri Arasındaki İlişkiler A) Hacimler Arasındaki İlişkiler 1) Boşluk Oranı (e) : Zemin içerisindeki boşluk hacminin danelerin hacmine olan oranına zeminin boşluk oranı (e) denir. e= 2) Porozite (n) : Zemin içindeki boşluk hacminin, zeminin toplam hacmine oranı olarak tanımlanır ve n ile gösterilir. n= 3) Hava İçeriği (A v ) : Zemin içindeki hava hacminin toplam hacme oranı olarak tanımlanır ve A v ile gösterilir. (A v : Air Volume) A v = Hava içeriği birimsiz olup, genellikle yüzdelik bir sayı olarak gösterilir. Doygun zeminde 0 (%0) değerini alır. Av, 1(%100) den küçüktür. 4) Doygunluk Derecesi(Yüzdesi) (S r ) : Doygunluk derecesi, zemindeki boşlukların hangi oranda su ile dolu olduğunu yansıtan bir terim 11

5 olup, su hacminin boşluk hacmine oranı olarak tanımlanır. Ve S r ile gösterilir. Sr Su hacminin, boşluk hacmine bölünmesinin sebebi; boşlukların ne kadarının su ile dolduğudur. Bu terim birimsiz olup, ondalık veya yüzdelik bir sayı ile ifade edilir. Doygun zeminlerde 1 (%100), kuru zeminlerde 0 (%0) sınır değerini alır. (0 S r 1) 5) Rölatif Sıkılık (İzafi veya Göreli Sıkılık) (D r veya I D ) : Kohezyonsuz zeminlerin (kum, çakıl) sıkı veya gevşekliğini gösteren bir kavramdır. Deneyi: Kohezyonsuz zeminlerde rölatif sıkılığı belirlemenin en pratik ve kolay yolu şudur: Uygun bir kaba (yaklaşık ml hacminde) bir miktar su koyulur. Suyun üzerine rölatif sıkılığı belirlenecek zemin ilave edilir. Kaptaki su, zemini doygun hale getirecek miktarda olmalıdır. Daha sonra zemin tanelerinin işgal ettiği hacim kabın toplam hacmine eşit su kütlesi ile su+zemin ile dolu iken ölçülen kütlesinden hesaplanabilir. Deneyde kullanılan zemin danelerinin su emen türden olması halinde doygun-yüzey kuru, su emmeyen türden olması halinde ise etüvde kurutulmuş olması gerekmektedir. Minimum Boşluk Oranı (e min ) : Kütlesi (M 1 ) bilinen bir kompaksiyon kabına su doldurmak suretiyle yapılabilir. Su dolu kap içerisine üç eşit 12

6 tabaka halinde serilen zemin titreşimli bir vibratör kullanılarak sıkıştırılabilir. Daha sonra kompaksiyon kabının yakası sökülerek yüzeyi düzeltilen kap, içindeki doygun zeminle birlikte tartılır (M 2 ). Kompaksiyon kabının hacmi V olmak üzere, zeminin doygun yoğunluğu; M M min nmin 1 emin G e olarak belirlenebilir. G. 2 1 s min s w doy(max) doy doy(max) emin Vtüm 1emin doy(max) w e Maksimum Boşluk Oranı (e max ): Kütlesi (M 1 ) olarak bilinen bir su dolu kompaksiyon kabına zemin, kabın ağız seviyesinden çabucak dökülmek suretiyle yapılabilir. Daha sonra yakası çıkarılan kabın yüzeyi düzeltilerek tartılır. Maksimum boşluk oranı şöyle hesaplanır: e max Gs. w doy(min) e nmin 1e doy(min) w max Rölatif sıkılık şu şekilde ifade edilmektedir: max olur. Dr Burada; e : Zeminin arazideki doğal boşluk oranı, e max : Zeminin en gevşek olduğu durumdaki boşluk oranı, e min : Zeminin en sıkı olduğu durumdaki boşluk oranı, 13

7 Birimsiz olan Dr, ondalık veya yüzdelik bir sayı olarak ifade edilir. En sıkı durumda 1 (%100) ve en gevşek durumda 0 (%0) sınır değerlerini alır. Zeminler; Dr değerlerine göre sınıflandırılabilir; Rölatif Sıkılık (Dr) % Sıkılık Durumunun Adı 0-15 Çok Gevşek Gevşek Gevşek Orta Sıkı Orta Sıkı Sıkı Çok Sıkı B) Kütleler Arasındaki İlişkiler 1) Su Muhtevası (=İçeriği) w (%) : Suyun kütlesinin tanelerin kütlesine olan oranı su muhtevası (içeriği) olarak adlandırılır. w Zeminin su içeriğine bakılarak bu zemine ait kıvam limitleri biliniyorsa zeminin nasıl davranacağı hakkında tahminler yapılabilir. 2) Yoğunluk (ᵨ) : Toplam zemin kütlesinin toplam hacme olan oranına zeminin yoğunluğu denir. Zeminin su içeriğine bağlı olarak değişik yoğunluklar tanımlanabilir: 14

8 2.a.) Dane Yoğunluğu (ᵨs) : Zemindeki sadece katı (tane) kısmının birim hacimdeki kütlesi olarak tanımlanır. Zeminlerde genel olarak dane yoğunluğu 2,60~2,80 Mg/m 3 arasında değişmektedir. s 2.b.) Katı Kısmın Özgül Yoğunluğu (=Bağıl Yoğunluk) (Gs) : Sadece zemin tanelerinin kütlesinin zemin tanelerinin hacmine eşit bir hacimdeki suyun kütlesine oranı olarak tanımlanır ve Gs ile gösterilir. Gs C) Zeminin Su İçeriğine Bağlı Yoğunluklar Bir cismin birim hacimdeki kütlesine o cismin yoğunluğu denir. Zeminler için tanımlanan yoğunluklar şunlardır: 1) Tabii (Doğal) Yoğunluk (=Yaş Birim Hacim Ağırlığı) (ᵨn) : Zeminin doğal kütlesinin, toplam hacmine olan oranı olarak tanımlanır. n 15

9 2) Kuru Yoğunluk (=Kuru Birim Hacim Ağırlığı) (ᵨk) : Zeminin 105±5C: de değişmez ağırlığa gelene kadar kurutulmasından sonraki kuru kütlesinin toplam hacmine oranına kuru yoğunluk denir. k 3) Doygun Yoğunluk (=Doygun Birim Hacim Ağırlığı) (ᵨd) : Zeminin bütün boşluklarının su ile dolu olduğu durumdaki kütlesinin toplam hacmine oranına doygun yoğunluk denir. d 4) Batık Yoğunluk (=Su Altındaki Birim Hacim Ağırlığı) (ᵨ ) : Zeminin su altında bulunması durumunda, zeminin doygun yoğunluğu ile suyun yoğunluğu arasındaki farka eşittir. Zeminlerin Fiziksel Özellikleri Arasındaki İlişkiler Zeminlerin fiziksel özellikleri arasında birtakım bağıntılar kurulabilmektedir. Bunların bazıları, deneysel olarak belirlenebilir. Diğerleri ise, bazı bağıntılarla hesaplanırlar. Temel özellikleri arasındaki bağıntıları türetmek için iki yaklaşım vardır. Bunlar; 16

10 a) Bir kabul olarak, tüm hacmi 1 birim (1 m 3 vb.) olan bir zemin prizması düşünelim. Bu zemin prizmasına ait faz diyagramı; Doğal Yoğunluk; n Kuru Yoğunluk; k Doygun Yoğunluk; doy 17

11 Boşluk Oranı; e Doygunluk Derecesi; Sr Doygun zeminde Sr=1 olur ve n=(1-n).w.gs Hava İçeriği; Av b) Gene bir kabul olarak tane hacmi 1 birim (1 m 3 vb.) olan bir zemin parçası düşünelim ve böyle bir zemin parçasına ait bileşenler şeması; 18

12 Doğal Yoğunluk; n Kuru Yoğunluk; k Doygun Yoğunluk; d Porozite; n Doygunluk Derecesi; Sr 19

13 Hava İçeriği; Av Doygun zeminlerde Sr=1 olur ve e=w.gs Rölatif sıkılık, (1)Kuru Yoğunluklar veya (2)Poroziteler cinsinden de ifade edilebilir. Bunlar; 1) Kuru Yoğunluklar Cinsinden e Buradan şu ilişkiler yazılabilir; Max Boşluk Oranı emax Min Boşluk Oranı emin 20

14 Rölatif sıkılık ve max-min boşluk oranları konulursa; D r e e max max e e min de yerine D r s s 1 1 k,min k Dr s s 1 1 k,min k,max k,max (Maksimum Kuru Yoğunluk) : Zeminin en sıkı (en az boşluklu) durumuna ait kuru yoğunluğu. k,min (Minimum Kuru Yoğunluk) : Zeminin en gevşek (en çok boşluklu) durumuna ait kuru yoğunluk. 2) Poroziteler Cinsinden Rölatif Sıkılık D r nmax n e 1 n max e max 1n emax emin n max n min 1nmax 1nmin sadeleştirmeler yapılırsa; Dr n max : Maksimum Porozite n max : Minimum Porozite 21

15 Birim Hacim Ağırlıklar Suyun yoğunluğu 3 w 1 Mg / m (mega-gram/metreküp) olarak alınmaktadır. Zeminlerin birim hacimdeki ağırlıkları zemine ait birim hacim ağırlık olarak tanımlanır. Yoğunluğun birimi kütle birimi olarak alınırken, birim ağırlığın birimi olarak birim hacmin kuvveti olarak alınmaktadır. Yoğunluklarla birim ağırlıklar ilişkilendirilirken aşağıda verilen dönüşümler yapılmaktadır. Bunlar; (g: Yerçekimi ivmesi 9,81m/sn 2 ) Birim Hacim Ağırlık Dane Birim Ağırlık Doğal Birim Ağırlık Kuru Birim Ağırlık Doygun Birim Ağırlık Suyun Birim Ağırlığı Batık Birim Ağırlık 3. g (kn/m ) s n k d 3. g s (kn/m ) 3. g n (kn/m ) 3. g k (kn/m ) 3. g d (kn/m ) 3 2. g w w = 1 (Mg/m ). 9,81 (m/sn ) 3 = 9,81 10 (kn/m ) 3 d- w (kn/m ) 22

16 Zeminlerden Numune Alınması Numune almak için kullanılan yöntemleri iki ana başlıkta toplanır. Bunlar; A)Zemin Numunelerinin Gözle Görülmesini Sağlayan Yöntemler 1. Buldozerle inceleme çukurlarının açılması, 2. Keson kuyularının açılması, 3. Galeri açılması, 4. Büyük çaplı sondaj çukurlarının açılması ve çukura inerek inceleme yapılması, 5. Küçük çaplı sondaj çukurlarının açılması ve numunelerin dışarı çıkarılması, 6. Zeminden örselenmiş numuneler alınması (el burguları veya sondaj kuyularının yıkanması gibi), 7. Örselenmemiş numunelerin alınması (kohezyonlu zeminlerde ve kayada kullanılabilir), B) Zemin Numunelerini Gözle Görmeden Özelliklerinin Belirlenmesini Sağlayan Yöntemler 1. Standart Penetrasyon Deneyi (SPT), 2. Statik Koni Deneyi (Koni Penetrasyon Deneyi, CPT), 3. Dinamik Koni Deneyi, 4. Arazi Vane Deneyi, 5. Plaka Yükleme Deneyi, 6. Presiyometre Deneyi (PMT), 7. Arazi Kesme Kutusu Deneyi, 8. Jeofizik Yöntemler, 23

17 Zeminden Numune Alınırken Dikkat Edilecek Hususlar; 1 Alınan numune zemin kitlesini temsil edebilecek ve yapılacak deneyler için yeterli olmalıdır. 2 Numunelerin üzerine bilgi etiketi yerleştirilmelidir. Bu etikette; yer, derinlik, zamanı belirten bilgiler olmalıdır. 3 Sondaj yapılıyorsa ulaşılan zemin tabakaları, derinliği ve yeraltı suyunun durumunu sondaj logu denilen şema üzerinde gösterilmelidir. 4 Sondaj işlemi bittikten sonra Sondaj Raporu hazırlanmalıdır. Zemin İncelemelerinin Amacı Şunlardır; 1 Zemin özelliklerinin ve tabakalanma durumunun öğrenilmesi. 2 Örselenmiş ve örselenmemiş numunelerin gözle inelenmesi ve gerekli laboratuvar deneylerinde kullanılması. 3 Yeraltındaki (varsa) kaya tabakasının derinliğinin belirlenmesi. 4 Bazı arazi deneylerinin yapılması. 5 Arazinin ve zeminin drenaj özelliklerinin belirlenmesi. 6 Elde edilen bilgiler ışığında üstyapının projelendirilmesi. Laboratuvar Raporlarının Hazırlanması; 1 Başlık Sayfası (Raporun Kapağı), 2 Deneyin Amacı, 3 İzlenen yol ve yöntem, 4 Sonuçlar Tablosu, 5 Şekiller, grafikler veya eğriler, 6 Örnek Hesaplamalar, 7 Sonuçların Tartışılması, 8 Varılan sonuçlar ve öneriler, 9 Orijinal veri sayfaları bulunur. 24