ZEMİN TÜRLERİ VE ÖZELLİKLERİ. Zemin cinsi niçin önemlidir?

Transkript

1 ZEMİN TÜRLERİ VE ÖZELLİKLERİ Zemin cinsi niçin önemlidir? Zeminin sertliği, kohezyonu yarma kazısını, dolayısıyla çalışma yöntemi ve araç seçimini etkiler, Zeminin cinsi, şev eğimini belirlemede önemlidir, 1

2 Kazı çalışmaları için zeminler Toprak Kompakt marn veya kil Parçalanmış kaya Katılaşmış kil Kaya Zeminlerin Sınıflandırılması Türdeş olmayan zeminler için enellikle zemin sınıfları içinde bulunan malzemenin yüzdesinin belirlenmesi yoluna idilmektedir. Örneğin; %20 kaya içeren toprak. 2

3 Toprak işleri açısından zemin sınıflandırması : -Gevşek zeminler -Kaya zeminler Gevşek Zeminler Önceden parçalanmadan el aletleri ve mekanik araçların küçük bir basınçla içlerine irebildikleri veya aletlerin vurulmasıyla evşetilerek kazılabilen zeminlerdir. El aletleri veya başka araçlarla bloklar halinde çıkarılabilen çatlak veya ayrışmış kayalar da evşek zemin olarak düşünülebilir. 3

4 Kaya Zeminler Kaya zeminler, patlayıcı maddelerle parçalanması ereken zeminlerdir. Bir toprak işleri şantiyesinde elle yapılacak ardışık işlemler Gevşek zeminlerde: Gerekliyse kazma ile evşettikten sonra, kürekle kazma ve yükleme, taşıma ve boşaltma Kaya zeminlerde: Mekanik parçalama veya patlayıcı maddelerle parçalama, kazmalama, yükleme, taşıma ve boşaltma 4

5 Mekanize bir toprak işi şantiyesinde ardışık aşamalar Gevşek zeminlerde: Mekanik kazı araçlarıyla kazı, yükleme, taşıma ve boşaltma Kaya zeminlerde: Patlayıcı madde ile parçalama, mekanik kazı aracıyla kazı ve yükleme, taşıma ve boşaltma Gevşek ya da kaya zeminler iki büyük zemin sınıfıdır. Bunlar sertlik derecelerine ve kohezyonlarına öre dört sınıfa ayrılırlar. 5

6 Gevşek Zeminler 1. Hafif ya da adi zeminler: Kuru veya nemli bitkisel zemin, kuru kum, toprakla karışık kum, ince veya kalın çakıl 2. Ağır veya killi zeminler: Taşla ve ince veya kalın çakılla karışık killi zeminler, killi toprak, kompakt marnlar, tüfler, yumuşak reler 3. Plastik killer: İçinde az veya çok oranda su bulunan killer. Kazıldıklarında çok yapışkandırlar ve kazıları üçtür. 4. Tabaka halinde çürük kayalar: Ayrışmaya başlamış ve tabakalar halinde çökelmiş kayalar Kaya Zeminler 1. Yumuşak kayalar: Tebeşir, arduvaz, kalker vb. 2. Yarı sert kayalar: Gre, jips, spat vb. 3. Sert kayalar: Mermer, ranit, bazalt vb. 4. Çok sert kayalar: Kuartz, breşler vb. 6

7 Granülometri Bakımından Zeminler İri daneli İnce daneli Çakıllar> 20mm İri daneli zeminler İnce çakıllar: 2 mm ile 20 mm arasında İri kumlar: 0,2 mm ile 2 mm arasında 7

8 İnce daneli zeminler İnce kum: 0,02 mm ile 0,2 mm arasında Silt: 2 mikron ile 0,02 mm arasında Kil< 2 mikron Kolloid killer<0,2 mikron Zeminlerin oluşum şekilleri Çakıl: Su ve atmosfer koşullarıyla az veya çok yuvarlaklaşmış kaya parçalarıdır. Bileşenleri kuvartz, ranit, şist, bazalt ve kalker olabilir. Kumlar: Çakıllar ile aynı minerallerden oluşmuştur. Siltler: İnce kum danelerine benzemekle birlikte, oluşumları mekanik aşınmadan daha fazla, kimyasal ayrışma sonucudur. Su ile temasları halinde kesmeye karşı mukavemeti azalır. Su ile doyun hale eldiğinde, akıcı hal alırlar. Siltler, oldukça eçirimsiz, sıkıştırılması üç, deformasyon sırasında hacim değiştiren ve dondan etkilenen zeminlerdir. 8

9 Killer: Kimyasal ayrışma ile oluşurlar. Su ile beraber bulunduğunda çok dikkat dilmesi ereken zeminlerdir. Kilde dane çapları küçüldükçe plastikleşirler. Karışımda silt oranı arttıkça topak halden ayrık hale dönüşür. Killer, ıslak olduklarında deformasyon mukavemetleri düşük, kuruyunca sertleşirler. Killer, pratik olarak eçirimsiz olduklarından, sıkıştırılmaları zor ve drene edilmeleri çok üç zeminlerdir. Kolloid killer: Su içinde çökelmeyerek askıda kalırlar. Elektrik yüklü danelerinin sürekli birbirlerini itmeleri nedeniyle, sürekli hareket halindedirler. Zeminleri Gözlem Yoluyla Tanıma Bir zeminin tanınmasında, örünüşleri ve dokunmada verdikleri duyu yardımcı olur. Bir zeminin kuru veya ıslak olarak elde şekillendirilmesi ve parmaklar arasında sıkılması arazide zemin yapısını saptamada bir yöntemdir. 9

10 Zeminlerin Arazide Tanınması Kum: Daneleri ayrıktır. Kuru iken elle sıkılıp bırakılırsa hemen bölünür, parçalanır. Islak iken sıkılırsa kalıplı bir biçim alır; bırakılsa bile şeklini korur; ancak dokunulduğu zaman bölünür. Lem: Değişik boyuttaki kum ile silt ve kilin karışımıdır. Kuru iken kolayca bölünür. Kuru iken elde sıkıldığında, kalıplanmış ibi biçimlenir. Özenle dokunulursa bölünmez. Islak zeminin kalıplı ibi sıkılmış olanına kırmadan rahatça dokunulabilir. Siltli lem: İnce radasyondaki kumu orta oranda, kili az ölçüde, silt danelerini de çok oranda içerir. Kuru iken topak halindedir. Ancak, kolayca ufalanıp toz haline etirilebilir. Zemin elde yumuşak ve unumsu bir duyum verir. Yaş veya kuru siltli leme kırılmaksızın dokunulabilir. Killi lem: İnce daneli bir yapıdadır. Kuru iken, topaklar veya parçalar halinde kırılabilir. Islak bir zemin topağı parmaklar arasında sıkılır ise ince bir şerit şeklini alacak ve hemen kırılacaktır. Islak zemin plastiktir ve kalıplanmış ibi biçimlidir ve elleşmeye dayanıklıdır. Kil: İnce daneli yapıdadır. Kuru iken çok parça ve topaklar halinde kırılabilir. Islak iken, plastiktir ve çok yapışkandır. Islak zemin topağı parmaklar arasında sıkılırsa, uzun süre şerit şeklinde kalır. 10

11 Zeminin reni Zeminlerin reni su içeriği ile değişir. Genellikle ıslak iken zemin reni belirlenir. Koyu kahvereniden siyaha kadar olan renkler oranik madde içeriğini österir. Kızıl renk, hidrate olmamış demir oksitleri österir. Sarı ya da sarı-kahvereni zeminler demir içerirler Gri-mavi ve ri-sarı renkler zayıf drenaj koşullarının bulunduğunu österir. Beyaz renk, silikat ve kalker içeriğini österir. ŞEV Bir yarma veya doluda, platform kenarı ile doğal zemin arasındaki eğik yüzeye şev denir. Şevler: Eğik yüzeylerin yatayla yaptığı açı (a) Yatayla yapılan açıların tanjantları (ta)((örn: 4/5, 0,80 veya %80 lik şev) Yatayla yapılan açıların kotanjantları (cota) (Örn: 5/1, 3/2 ibi) (Aksi belirtilmedikçe cota kullanılır) Şevlerin üzerine düşey ve yatay uzunlukları ile tanımlanırlar. 11

12 Dolu şevi 1 3 a Yarma şevi Cota= n ile österilir ta = 1/n ile österilir 12

13 Şev Eğimi(Kohezyonsuz zeminlerde) a b T N.tf c T d N a Buradan ta tf Dolayısıyla a f f= içsel sürtünme açısı a= şev açısı P Şev Eğimi (Kohezyonlu Zeminler) a b c T U P d C a T C + (N-U)tf P.sina C+ (P.Cosa U) tf N Ta tf + ((C U.tf)/P.Cosa) C= kohezyon U= Boşluk suyu basıncı Bu durumda Coulomb yasasına öre dene koşulu; 13

14 Şev açısını etkileyen faktörler İçsel sürtünme açısı, zeminin cinsi, kıvamı ve su muhtevası ile ililidir. Zeminin su muhtevası arttıkça daneler arasındaki sürtünme azalır; dolayısıyla içsel sürtünme açısı azalır ve buna bağlı olarak şev açısı azalır. Boşluk suyu basıncı Değişik Zeminlere Göre Şev Açıları Örselenmiş yarma veya dolu Yarma Zemin Kuru Suya doymuş Kuru Suya doymuş (derece) (derece) İnce kum Çakıl Kil Taşla karışık yağlı toprak Kırmataş Yumuşak kaya Sert kaya

15 Şev Eğimine İlişkin Önemli Noktalar Doğal zeminlerde oluşturulan yarma şevlerinin eğimleri, zeminin dolu şevinden daha dik olabilir.çünkü zemin belirli bir kohezyona sahiptir. Hafif nemli bir zemine, kapiler kuvvetlerden doğan bir kohezyondan yararlanarak, aynı tür kuru zeminden daha dik bir şev verilebilir. (Örneğin; hafif nemli ince kum) Suya doyma durumu enellikle kohezyonu ortadan kaldırma yönünde etki yapar ve içsel sürtünme açısını küçültür. Zeminlerin Kabarma ve Çökmesi Doğal zeminin kazılmasıyla meydana elen hacimdeki büyümeye kabarma denir. Kazıdan hemen sonraki kabarma eçici kabarma dır V V o V o = kazıdan önceki hacim V = kazıdan sonraki hacim q = eçici kabarma katsayısı V = V o (1 + q ) 15

16 Kil ibi bazı zeminler, kazıldıklarında önemli ölçüde kabarma österir. Bununla birlikte, kendi ağırlıkları ve atmosfer etkisiyle, dolu hacmi 2-3 senede küçülür ve sabit bir durum alır. Doğal olarak hacmi küçülür; bu durumdaki hacmine kalıcı kabarmış hacim (V k ) denir. V V o V k V k = V o (1 + q k ) q k = kalıcı kabarma katsayısı Diğer bir kavram, çökme % (T) sidir. V - Vk T = V Geçici ve kalıcı kabarma katsayıları diğer bağıntılar yardımıyla: q V - V0 = q V o k Vk - V0 = V 0 T bağınsıtındaki V ve V k hacimlerinin değeri yerine yazılırsa T q -qk = 1 + q 16

17 Kabarma ve Çökme Olaylarında; Kazılan zemin doğal durumda bulunmaktadır. Taşınan zemin eçici kabarmalı durumdadır. Doluda ise zemin çökmüştür, yani kalıcı kabarmalıdır ya da sıkıştırılmıştır. Kabarma ve Çökme neden önemlidir? Kazı ücretleri doğal durumdaki zeminin hacmi cinsinden ödenir. Taşınan zemin eçici kabarmış durumdadır. Dolayısıyla taşıma ücreti eçici kabarmış zemin hacmine öre ödenir. Dolu ücreti, dolu miktarı kadar ödenir (Kalıcı kabarmış hacme öre) 17

18 Kabarma ve Çökme yüzdelerinin bilinmesi bir toprak işleri şantiyesinde aşağıdaki sorunların çözümüne yarar ; Belirli hacimdeki bir yarmadan çıkarılan kazı toprağının verilmiş kapasitedeki taşıtlarla taşınması, Çökmeden sonraki hacmi bilinen bir dolunun ilk hacminin belirlenmesi, Dolu için erekli yarma zeminin hacminin hesaplanması, V ve V o ; V = Vk V V 1 o = -T 1+q bağıntılarıyla verilirler. Ayrıca toprak dağıtımı konusu ile ilili olarak V o hacmindeki yarmanın dolu cinsinden eşdeğeri olan hacim : V k = ( 1+q k ). V o olur. 18

19 Bazı zeminlerin eçici kabarma, kalıcı kabarma ve çökme yüzdeleri Zemin Kabarma % leri Geçici Kalıcı Çökme(%) Kum , Çakıl , Yağlı toprak Killi toprak Kil Mar n Yumuşak kaya Sert kaya Dolulara Verilecek Yükseklik Fazlası Zeminlerin kabarmasının, dolulara verilecek yükseklikle ilisi vardır.sıkıştırma erekmiyorsa, dolu oluşturmak için zemin kazıldıktan sonra, dolu yerinde eçici kabarma durumu söz konusu olacak, zamanla (2-3 sene) kalıcı kabarmış duruma eçecektir. Geçici kabarmalı durumdaki dolu yüksekliği h, zamanla h k kalıcı dolu yüksekliğine düşecektir. 1X1= 1 m 2 lik dikdörtenler prizmasını düşünelim. Bu prizmanın eçici kabarmış hacmi: V = 1 X 1 X h Kalıcı kabarmalı hacmi : V k = 1 X 1 X h k 19

20 b Dh h h k 1 metre Dh = yükseklik fazlası h = eçici kabarmış yükseklik h k = kalıcı kabarmış yükseklik b b 2L+ l l/2 2L l/2 S?h h h S? k α? α B 20

21 V T = - V V k h = - h h k = h k Dh + Dh h k = h olarak österilirse Dh h. T = 1 - T Uyulamada enellikle yükseklik (h) ve enişliğin (b) %10 artırılması önörülmektedir. Doluların Sıkıştırılması ve Sıkışma Yüzdesi Günümüzde, doluların kendiliğinden sıkışması yerine, mekanik araçlarla kısa sürede sıkıştırılmaktadır. İyi sıkıştırılmış zemin, doğal hacminden daha küçük hacme sahip olabilir. Burada, sıkışma söz konusudur. V s, sıkışma sonundaki hacim, V o, doğal durumdaki hacmi ise; sıkışma % si S: V0 - Vs S = V 0 21

22 Buradan, V 0 hacmindeki bir yarmanın dolu cinsinden eşdeğeri olan hacim V s = (1 S). V 0 Zeminlerin Ağırlıkları Zeminlerin taşınmasında, birim ağırlıkların bilinmesine erek vardır. Zira her kamyonun istiap haddi belli olduğu ibi, karayolu üstyapısına da zarar vermemesi erekir. Zeminin kabarma katsayısı q ve zeminin doğal birim ağırlığı o ise kabarmalı durumdaki zeminin birim ağırlığı 0 = 1 + q 22

23 En doğru yaklaşım arazide veya laboratuvarda birim ağırlıkları belirlemektir; eğer bu mümkün olmuyorsa aşağıdaki tablodan yaklaşık birim ağırlıklar alınabilir. Zemin türü o (k/m 3 ) 1+q (k/m 3 ) Kuru kum-çakıl , Nemli kum-çakıl , Kumlu veya çakıllı zemin , Toprak , Hafif kil , Ağır kil , Yumuşak kaya , Sert kaya , Problem 500 m 3 yarma kazısı yapılıyor. Zeminin eçici kabarma katsayısı %17, kalıcı kabarma katsayısı % 1.6 dır. Buna öre: a) Gevşek kabarmalı haldeki hacmi hesaplayınız. b) Kalıcı kabarmalı haldeki hacmi hesaplayınız c) Çökme yüzdesini hesaplayınız. d) Aynı zemin dolu yüksekliği 3 metre olan kesime taşınacaktır. Buna öre verilmesi ereken yükseklik ve enişlik fazlasını hesaplayınız. 23

24 a) V = Vo.(1+q )= 500(1+0.17)= 585 m 3 b) V k= V 0.(1 + q k )= 500( )= 508 m 3 q -qk c) T = = = q T. h 0,13.3 d) Dh = = = 0, 45m 1-T 1-0,13 Genişlik fazlası: 300X 0,10= 30 cm 24