INM 308 Zemin Mekaniği

Transkript

1 Hafta_11 INM 308 Zemin Mekaniği Zeminlerin Taşıma Gücü; Sığ Temeller Yrd.Doç.Dr. İnan KESKİN

2 ZEMİN MEKANİĞİ Haftalık Konular Hafta 1: Zemin Etütleri Amacı ve Genel Bilgiler Hafta 2: Hafta 3: Hafta 4: Hafta 5: Hafta 6: Hafta 7: Hafta 8: Hafta 9: Kil Minarelleri ve Zemin Yapısı Zeminlerde Kayma Direnci Kavramı, Yenilme Teorileri Zeminlerde Kayma Direncinin Ölçümü; Serbest Basınç Deneyi, Kesme Kutusu Deneyi, Üç Eksenli Basınç Deneyi, Vane Kanatlı sonda Deneyi Zeminlerde Kayma Direncinin Belirlenmesine Yönelik Deneyler; Laboratuvar Uygulaması Zeminlerde Kayma Direncinin Belirlenmesine Yönelik Problem Çözümleri Yanal Zemin Basınçları Yanal Zemin Basınçları; Uygulamalar Yamaç ve Şevlerin Stabilitesi; Temel Kavramlar Hafta 10: Yamaç ve Şevlerin Stabilitesi Örnek Problemler Hafta 11: Zeminlerin Taşıma Gücü; Sığ Temeller Hafta 12: Zeminlerin Taşıma Gücü; Kazıklı Temeller Hafta 13: Zemin Özelliklerinin İyileştirilmesi Hafta 14: Genel Zemin Mekaniği Problem Çözümleri Hafta 15: Final Sınavı

3 TEMELLER Olağan koşullarda bina temel tasarımı, aşağıdaki yollardan birinin tercihi yada seçimi ile başlar. Tekil/Bileşik /Sürekli Yayılı-Bodrumlu Zemin iyileştirmeli sağlam zemin Kazıklı tekil temelli Kazıklı yayılı temelli

4 TEMELLER Zemin veya kaya üzerine inşaa edilen mühendislik yapılarını taşıyan yapı elemanlarına temel denir. Sığ ve derin temeller olmak üzere iki başlıkta toplanır. TEKİL TEMEL Kolon yükü taşırlar L<5B ŞERİT TEMEL Duvar yükü taşırlar L>=5B RADYE D f <B D f >B

5 TEMELLER Temel; Zemin veya kaya üzerine inşaa edilen mühendislik yapılarını taşıyan yapı elemanlarına temel denir. Sığ ve derin temeller olmak üzere iki başlıkta toplanır. Temel Zemini; yapı yükünü doğrudan veya temeller yardımıyla taşıyan zemin ortamıdır. Temel

6 TAŞIMA GÜCÜ Taşıma gücünden fazla yüklenen zeminlerde temel yapısı, zemin içerisine artan bir hızla batarak göçer. Bu göçmenin meydana geldiği yüke zemin taşıma gücü denir. Rijit yapıların temelleri genellikle taşıma gücü esasına göre boyutlandırılır. Temel zemini taşıma gücü analizlerinde; zeminin kayma direnci ile konsolidasyon karakteri dikkate alınır. Bu özellikleri temsil edecek parametreler bozulmamış numuneler üzerinde yapılan laboratuvar deneyleri ile arazide yapılan yerinde deneyler ile tespit edilir. Temel zemini taşıma gücü analizi ise teorik ve deneysel olmak üzere iki şekilde yapılır. Bir temeli gittikçe artan bir biçimde yüklenirse.

7 TAŞIMA GÜCÜ Göçme anında, temelin veya temel zemininin birim alanının taşıyabileceği gerilme (basınç) değerine sınır taşıma gücü denilir. qq ssssssssss = QQ ssssssssss AA Q; yük, q=q/a; zemine uygulanan basınç, Q sınır ; temelin göçmesine veya temel zemininin kırılmasına neden olan toplam yük

8 TAŞIMA GÜCÜ GÖÇMESİ Temelden aktarılan yüklerin zeminde oluşturduğu kayma gerilmeleri, zeminin kayma mukavemetini aşarsa taşma gücü göçmesi oluşur. Bu tür göçmeler yıkıcıdır ve mutlaka kaçınılmalıdır. Taşıma gücü göçmeleri üç grupta tanımlanabilir (Vesic, 1975; Day, 2002) 1. Genel kayma göçmesi 2. Yerel kayma göçmesi 3. Zımbalama göçmesi

9 TAŞIMA GÜCÜ GÖÇMESİ Genel Kayma Göçmesi Belirgin bir pik taşıma gücüne ulaşılmaktadır. Kırılma yüzeyleri belirgin olup, zemin yüzeyine kadar uzanır yanda kabarma görülür, oturma yük eğrisinde kırılma belirgindir. Genel kayma kırılması, sıkı veya sert zeminlerde meydana gelir. ɸ>35 yada Dr>0.70

10 TAŞIMA GÜCÜ GÖÇMESİ Yerel Kayma Göçmesi Zemin başlangıç yüzeyi Kırılma yüzeyleri belirgin değildir. Oturma yük eğrisinde kırılma belirgin olmayıp, yanlarda kabarma görülür. Nadiren karşılaşılır. Binalardaki hasar çoğunlukla taşıma gücü göçmesinden değil oturmaların etkisinden kaynaklanır. Yerel kayma kırılması yumuşak veya gevşek zeminlerde meydana gelir. ɸ<20 0 yada Dr<0.20

11 TAŞIMA GÜCÜ GÖÇMESİ Zımbalama Göçmesi Bu göçme tipinde kayma yüzeyi zemin yüzeyine ulaşamaz. Temel yanlarda kabarma ve kırılma yüzeyleri oluşturmadan göreceli olarak büyük oturmaya uğrar. Oturma yük eğrisinde yerel kayma kırılmasına benzer kırılma noktası belirgin değildir. Zayıf zeminlerde drenajlı koşullarda ve sıkı kumlar üzerinde yüksek yükler altında görülebilmektedir.

12 YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Emin taşıma gücünün belirlenmesi Taşıma gücü teorileri (Terzaghi, Meyerhorf, Hansen vb. Arazi deneyleri SPT, CPT, PMT, PLT Tablolar yardımı ile

13 YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Terzaghi Denklemi (1943) Yüzeysel temeller altında göçme mekanizmasının Şekil de görüldüğü gibi gelişeceği düşünülür ve kaydıran kuvvetlerle karşı koyan kuvvetler dengelenerek limit durum için çözüm yapılır. KABULLER, Zemin, homojen, izotrop ve yarım sonsuzdur. AB tabanı tam sürtünmelidir taban).. (Pürüzlü Şerit temel için (iki boyutlu durum için) Terzaghi Taşıma Gücü Formülü,

14 Terzaghi Denklemi Bazı şekil katsayıları ile Terzaghi taşıma gücü formülü üç boyutlu durumlar için aşağıdaki gibi genelleştirilmiştir. q u net : k 1.c.N c + γ.d f N q + k 2. B. γ. N γ Dolgu D f B Taşıma gücü formülünde yer alan üç terimin anlamı şu şekildedir: c.nc: Temel zeminindeki kohezyonun taşıma gücüne katkısı. Eğer c = 0 olursa, bu terim yok olur γ.df.nq: Temel tabanı üzerinde yer alan ve temeli çevreleyen sürşarj yükünün taşıma gücüne katkısı. Bu terimde yer alan γ değeri zemin taban seviyesi üzerinde yer alan zeminin birim hacim ağırlığıdır. γ.b.nγ: Temel zemininin içsel sürtünmesinin taşıma gücüne katkısı. Bu terimde yer alan Nγ içsel sürtünme açısının fonksiyonudur. γ değeri temel tabanı altındaki zeminin birim hacim ağırlığıdır.

15 Terzaghi Taşıma Gücü Faktörleri

16 YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Meyerhof Yöntemi Terzaghi yöntemine göre batık temellerde daha iyi sonuç verir Temelin üzerinde kalan zemin, sadece yük oluşturmaz aynı zamanda dayanım da oluşturur. Daha gerçekçi ancak daha karmaşıktır Düşey yük qu = cn c s c d c + qn q s q d q + 0.5γ'BN ɣ s ɣ d ɣ Eğimli yük qu = cn c s c d c i c + qn q s q d q i q + 0.5γ'BN ɣ s ɣ d ɣ i ɣ s, d ve i ; şekil, derinlik ve yük faktörleri NN qq = ee πππππππππ tttttt 2 ( ) NN cc = (NN qq 1)cccccc ) NN γγ = (NN qq 1)tan(1.4 )

17 YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Hansen Vesic Yöntemi J. Brinch Hansen (1961) (1970) Meyerhorf un önerdiği taşıma gücü eşitliğini temel taban eğimi faktörleri (b) ve zemin yüzü eğim faktörlerini (g) ekleyerek geliştirmiştir. qu = cn c s c d c i c g c b c + qn q s q d q i q g q b q + 0.5g'BNγsγdγiγgγbγ N c, N q Taşıma gücü faktörleri Meyerhof taşıma kapasitesi ile aynı Nɣ ise 1.5 (Nq-1)tanɸ ile bulunur s c,s q,s γ : şekil faktörleri d c,d q,d γ : derinlik faktörleri i c,i q,i γ : yük eğiklik faktörleri g c,g q,g γ : zemin eğiklik faktörleri b c,b q,b γ : temel eğiklik faktörleri

18 YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Hansen Vesic Yöntemi qu = cn c s c d c i c g c b c + qn q s q d q i q g q b q + 0.5g'BNγsγdγiγgγbγ

19 ARAZİ DENEYLERİ İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI SPT Deneylerine Bağlı Olarak Taşıma Gücü Hesabı SPT-N ve temel genişliği paremetreleri ile oturma kavramını esas alan ampirik ilişkilerle ve efektif normal gerilmeden yola çıkılarak düzeltilmiş N değerine göre Tezaghi ve peck 1967 nin önermiş olduğu abaklar vasıtası ile qe hesaplanabilir.

20 ARAZİ DENEYLERİ İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI SPT Deneylerine Bağlı Olarak Taşıma Gücü Hesabı

21 ARAZİ DENEYLERİ İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI CPT Deneylerine Bağlı Olarak Taşıma Gücü Hesabı Koni penetrasyon deneyi ile emin taşıma gücünün belirlenmesi için L Hherminier (1953) aşağıdaki basit bağıntıyı vermiştir; qq eeeeeeee = qq cccccccc 10 qq cccccccc ; Temel taban düzeyinden itibaren 2B derinliği için ortalama koni uç direnci q or t, q emin : kn/m 2

22 ARAZİ DENEYLERİ İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI CPT Deneylerine Bağlı Olarak Taşıma Gücü Hesabı Meyerhof (1956) zeminin emniyetli taşıma gücü q emin ile koni k penetrasyon uç direnci qc; arasında aşağıdaki korelasyonu önermiştir. Denklemin Abak Formu

23 ARAZİ DENEYLERİ İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Presiyometre Deneylerine Bağlı Olarak Taşıma Gücü Hesabı Presiyometre deneyi ile zeminin emin taşıma gücünün belirlenmesinde aşağıdaki basit bağıntı verilebilir (Baguelin vd. 1978) qq eeeeeeee = PPPP oooooo 3

24 ARAZİ DENEYLERİ İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Plaka Yükleme Deneylerine Bağlı Olarak Taşıma Gücü Hesabı Deney temel taban düzeyinde, kare veya daire biçimli çelik bir plakanın, adım adım yüklenmesi ve yükler altında plakanın oturmasının ölçülmesi olarak özetlenebilir. Plakanın kenar uzunluğu veya çapı m arasındadır. Kalınlığı en az 25 mm (Rijit) dir. Deney için açılan çukurun genişliği, plaka genişliğinin en az 5 katı olması gerekir. Böylece çukur derinliğinin deney sonuçları üzerine olan etkisi önlenmiş olur. Plaka yüklemesi

25 TABLOLAR YARDIMI İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Temel altındaki taşıyıcı malzeme Kıvamlılık Müsaade edilebilitr taşıma basınçı qa (kn/m 2 ) qa aralığı Taşıma için tafsiye edilen değer Masif kristalize mağmatik ve metmorfik kayaç Sert, sağlam kayaç Yapraklanmalı metamorfik kayaç (sağlam) Tortul kayaç: sıkı çimentolu Şeyl, Kumtaşı, Silt taşı boşluksuz kireç taşı Ayrışmış ve parçalanmış herhangi bir kayaç( şeyl gibi killi kayaçlar hariç)rqd<25 Sıkı Şeyl veya sağlam şartlarda diğer killi kayaç İyi derecelenmiş ince ve iri taneli zemin karışımı (GW-GC, GC,SC) Orta, sert sağlam kayaç Orta, sert sağlam kayaç Yumuşak kayaç Yumuşak kayaç Çok sıkı Çakıl, çakıl kum karışımı iri çakıl ve çakıl karışımı (GW,GP,SW,SP) İri orta taneli kum az çakıllı kum (SW,SP) İnce orta kum, siltli veya killi orta iri kum (SW,SM,SC) Homojen inorganik olmayan kil, kumlu veya siltli kil (CL,CH) Organik olmayan silt, kumlu veya killi silt Çok sıkı Orta sıkı-sıkı Gevşek Çok sıkı Orta sıkı-sıkı Gevşek Çok sıkı Orta sıkı-sıkı Gevşek Çok katı-sert Orta katı-katı Yumuşak Çok katı-sert

26 TAŞIMA GÜCÜNDE GÜVENLİK KAVRAMI Her mühendislik probleminde olduğu gibi temel mühendisliğinde de etkiyen gerilmelerin güvenli olarak tanımlanan bir taşıma gücünden daha küçük olduğunun gösterilmesi gerekmektedir. Bu nedenle taşıma gücüne bir güvenlik sayısı uygulanarak güvenli taşıma gücü değeri elde edilir. Güvenlik sayısının uygulanmasında genelde iki yol izlenmektedir. 1. Son gücü veya net taşıma gücünü bir güvenlik sayısı ile bölme 2. Özellikle kohezyonsuz zeminlerde zemin parametrelerinin yeterince incelikli belirlenmesindeki güçlükler nedeniyle kayma mukavemeti parametrelerinin pik değerine başlangıçta bir güvenlik sayısı uygulamak ve bu parametreleri taşıma gücü eşitliklerinde kullanarak güvenli değerler bulmak dd = tttttt GGGG 1 cc dd = cc GGGG 2 cc dd, dd =g üvenli kayma dayanım parametreleri, c, = pik değerler, GS 1, GS 2 = güvenlik sayıları

27 TEMELLERDE GÜVENLİK KAVRAMI Bir yüzeysel veya derin temelin maruz kaldığı yada kalacağı yükler altında yenilmeden hizmet verebilmesi için hiçbir durumda son taşıma gücünün aşılmaması gerekmektedir. Kimi zaman bu taşıma kapasitesine ulaşılmadan bu sınırın aşıldığı gözlenmiştir. Geoteknik mühendislileri çözüm için hesaplamalarda aşağıdaki yöntemleri kullanmaktadırlar. 1. Klasik yaklaşım 2. Yük ve direnç faktörü yaklaşımı 3. Kısmi güvenlik sayıları kullanımı 4. Olasılık yaklaşımı Klasik yaklaşım: zemin parametreleri yeterince büyük bir sayı ile azaltılır. σσ eeee = qq dd GGGG Yük ve Direnç Faktörü Yaklaşımı: Hansen tarafından 1961 de önerilmiştir. Limit duruma göre boyutlandırma yapılır, bu nedenlede üst yapı hesaplamaları ile uyum sağlanmaktadır. φφqq dd = aa ii PPPP φφ; Direnç azaltma faktörü, qq dd ;Son yük kapasitesi, PP ii ; UUUUUUUUUUUUUUUUUU yyyyyyyyyyyyy bbbbbbbbbbbbbbb (ölü, kar, rüzgar), aa ii, PPPP; bbbbbbbbbbbbbbbbbbb uuuuuuuuuuuuuuuuuu yyyyy ffffffffffff

28 TEMELLERDE GÜVENLİK KAVRAMI Kısmi güvenlik sayıları yaklaşım: denge/duraylılık için kullanılan kriter RR = aa ii PPPP RRR; Tasarım direnci, PP ii ; UUUUUUUUUUUUUUUUUU yyyyyyyyyyyyy bbbbbbbbbbbbbbb (ölü, kar, rüzgar), aa ii, PPPP; bbbbbbbbbbbbbbbbbbb uuuuuuuuuuuuuuuuuu yyyyy ffffffffffff Olasılık Yaklaşımı: Giderek kullanımı yaygınlaşmaktadır. Taşıma gücünün aşılması ve/veya oturma kriterinin sağlanmaması olasılığının kabul edilebilir olasılıktan düşük olma koşulu göz önünde bulundurulur PP yyyyyyyyyyyyyy PP kkkkkkkkkk eeeeeeeeeeeeeeeeeeee

29

30

31

32

33

34

35 SAYISAL UYGULAMALAR İnşaat alanı zeminlerinin özellikleri aşağıdaki gibidir. Temel zemini taşıma güçleri hesaplamalarında ortalama değerler kullanarak, temel derinliği 1.5 m, temel genişliği ise 3 m olan bir şerit temel için net taşıma gücünü güvenlik kat sayısını 3 alarak hesaplayız. Araştırma Çukuru Zemin Sınıfı γ n (g/cm 3 ) LL (%) PL (%) IP (%) ψ n (%) C (kg/cm 2 ) Ф ( 0 ) AÇ-1 CH 1, ,52 AÇ-2 CH 1, ,49 AÇ-3 CH 1, ,51 Ortalama 1, ,

36 Çözüm qu = k1cnc +γ1dfnq + k2 γ1bnγ Burada qu: Nihai taşıma gücü c: Kohezyon γ 1 : Temel tabanı üzerindeki zeminin birim hacim ağırlığı γ 2 : Temel tabanı altındaki zeminin birim hacim ağırlığı D f : Temel derinliği B: Temel genişliği Nc,Nq, Nγ : Zeminin içsel sürtünme açısına bağlı ataşıma gücü faktörleridir. İçsel sürtünme açısı 6 olarak alındığında Nc: 7.73, Nq: 1.81 ve Nγ: 0.62 olur. q u = k 1 cn c +γ 1 D f N q + k 2 γ 1 BN γ q u : 4.53 kg/cm 2. q e : qu/3 q e : 1.51 kg/cm2 olarak hesaplanır