ZEMİNLERDE SU ZEMİN SUYU Bir zemin kütlesini oluşturan taneler arasındaki boşluklar kısmen ya da tamamen su ile dolu olabilir. Zeminlerin taşıma gücü, yük altında sıkışması, şevler ve toprak barajlar gibi zemin yapılarının stabilitesi, su tutma yapılarının su tutma özellikleri ve zeminlerin inşaat malzemesi olarak kullanılma karakteristikleri üzerinde zemin-su ilişkisi önemli rol oynar. Zemin mühendisliğinin uygulamada karşılaşılan bütün problemlerini anlayabilmek ve mühendislik çözümleri geliştirebilmek için zemin davranışı üzerinde suyun etkisinin incelenmesi gerekmektedir. 1
Zemin suyu 7.12.2018 Zemin kütlesi içerisinde bulanan su zemin suyu olarak adlandırılır. Kabaca serbest su ve tutuk su olmak üzere ikiye ayrılır. Durgun su Serbest su Hareketli su Serbest YAS (Yeraltı suyu) Basınçlı YAS Tutuk su Adsorbe su Kılcal su Yeraltısuyu yerçekimi kuvveti, absorbe su tane yüzeylerindeki elektriksel kuvvetler, kapiler su ise civarda gözlenen yüzeysel kuvvetler kontrol altında tutulmaktadır. Serbest su Yerçekimi etkisi altında serbestçe akan suya denir. İçinde serbest su bulunan zemin, suya doygun olarak düşünülür. Suya doygun çakıl ve kum tabakalarındaki su serbest sudur. Serbest su, durgun (hareketsiz, statik) veya hareketli (akış durumunda) olabilir. 2
Tutuk su Daneler arası boşluklarda bazı kuvvetlerce tutulan su. Tutulan su ikiye ayrılır. Adsorbe su, zemin daneleri tarafından havadan çekilen ve danelerin dış yüzünü, ince bir film tabakası gibi saran sudur. Bu su, zemin danelerinin adeta bir parçası gibidir. Etüvde kurutulan zeminde, bu su buharlaşarak, zeminden ayrılır. Ancak, kuru zemin nemli havada bırakılırsa, higroskopik kapasitesine göre, havadan bu tür suyu alır. Kılcal (kapilar) su; zemin boşluklarında, yüzey gerilim kuvvetleri tarafından tutulan su olup, zemin içinde serbestçe akamaz. ZEMİNLERDE KILCALLIK (KAPİLARİTE) Yüzey gerilim olayı basit bir modelle gösterilebilir: Suyun içinde bir c noktasında moleküller dengede, kuvvetler bileşkesi sıfırdır. Yüzeyde bir b noktasında havadaki su molekülleri bağı tam olarak sağlayamadığı için kuvvetler bileşkesi yüzey molekülleri için aşağı doğrudur. Yani su yüzeyi sürekli büzülme isteğindedir. İşte bu özellik suyun havaya karşı yüzey gerilimini sağlamaktadır. 3
a noktasında ise, su kabın kenarına tırmanma eğilimindedir. Kabın çapı büyük olduğunda bu durum fark edilemez. İçi su dolu bir kaba daldırılan ince bir boru (tüp) içinde, suyun; yüzey gerilim kuvvetlerinin etkisinde yükselmesine benzer olarak, serbest yeraltı suyu, zemin daneleri arasındaki boşlukların oluşturduğu bir tür kılcal boru içinde yükselir. 4
Bir ince boru içinde suyun kılcal (kapilar) yükselme miktarı (hc, kılcal yükseklik), borudaki suyun ve yüzey gerilim kuvvetlerinin düşey dengesi düşünülerek aşağıdaki eşitlikle kabaca belirlenebilir. av: Yüzey gerilim kuvveti (yüzey gerilim katsayısı) olup, su için ortalama olarak 75x10-6 kn/m alınabilir. ıslatma açısı olup, temiz bir cam tüp için sıfır (0), D, kılcal ortalama çap suyun birim ağırlığı 10 kn/m3 alınarak, bu değerler eşitlik 1' de yerine konulursa, aşağıdaki kısa bağıntı elde edilir. Serbest su düzeyinin altında boşluksuyu basıncı + (basınç) işaretli olurken, kılcal doygun bölgede boşluksuyu basıncı - (çekme, emme) işaretlidir. Kılcal doygun bölgede, herhangi bir noktadaki değeri ise, noktanın serbest su düzeyinden yüksekliği (h) ile suyun birim ağırlığının çarpılmasına eşittir. 5
Tabloda bazı zemin cinsleri için ortalama kılcal yükseklikler görülmektedir. Tablodan da anlaşılacağı üzere; kılcal yükseklik, ince daneli zeminlerde büyük, iri daneli zeminlerde küçük olmaktadır. Kılcal yükseklik, ince daneli zeminlerde teorik olarak çok büyük görünse de, pratikte bu değer bir kaç m'yi aşmıyor. Bu da, bu tür zeminlerde adsorbe suyun küçük boşlukları daha da azaltarak, kılcal suyun yukarı doğru hareketini engellemesi şeklinde açıklanabilir. Şekilde, zeminde, en genel durumda, tipik su bölgeleri görülüyor. Zemin yüzünden zemine giren sular (yağmur suları vb.), yeraltı su düzeyine ulaşırken, bir kısım su, daneler arası temas noktaları civarında, yüzey gerilim kuvvetlerince tutulur. Böylece kısmen doygun bölge oluşur. Bu bölgede, daneler arası boşluklar; kısmen su, kısmen de hava ile (kısmen doygun zemin, yaş zemin) kaplıdır. Serbest yeraltı su düzeyi üzerinde, kılcallıktan dolayı, kılcal doygun bölge oluşur. Ancak, kılcal bölgede, kılcal yükselmenin zemin kitlesinde değişkenlik göstermesinden dolayı; kılcal tam doygun bölge ve kılcal kısmen doygun bölge oluşur. 6
DON OLAYI : Soğuk mevsimlerde, suya doygun zeminlerde don olayı meydana gelir. Donma derinliği, Ülkemiz için, soğuk bölgelerde 0.1-1 m olabilir. Donan su, yaklaşık % 9 kadar bir hacim artmasına uğrar. Boşluklardaki suyun donması sonucu, zemin hacminde bir kabarma (yukarı doğru) meydana gelir. Bu kabarma olayı, genellikle üniform olmaz ve varsa, zemin yüzündeki kaplamalar (yol, havaalanı vb.), hafif yapı vb. hasar görebilir. Böyle durumlarda yeraltı su düzeyinin indirilmesi (drenaj vb.) gerekir. İnce daneli (silt, İnce kum vb.) kılcal doygun zeminlerde, donma olayı ile daha da kötü olaylar meydana gelir. Böyle zeminlerde, zemin altında önce buz mercekleri oluşur. Bu buz mercekleri, kılcal etki altında, serbest su düzeyinden su çekerek büyürler. Bunun sonucu, zemin yüzünde aşırı kabarma meydana gelip, varsa zemin üzerindeki yol, havaalanı, hafif yapı vb. büyük hasar görebilir. ÇÖZÜLME: Sıcak mevsimlerde, donma olayının tersine, erime (çözülme) meydana gelir ve zeminin su içeriği çok yükselir. Su içeriği yüksek ince daneli zeminlerin taşıma gücü düşük olacağından, özellikle, hareketli yükler altındaki kaplamalar hasar görür. Bu sakıncalar, zemini drenaja tabi tutarak (yeraltı su düzeyini indirerek) ve kaplama altında, iri daneli bir tabaka oluşturarak önlenebilir. 7
ZEMİNLERDE GERİLMELER Zemin tabakalarının kendi ağırlıkları ve uygulanan dış yükler zemin içindeki herhangi bir elemanda gerilmeler oluşturur. Mekanikte gerilme birim alana uygulanan yükün şiddeti olarak tanımlanmaktadır. A kesit alanına dik yönde uygulanan yük F ise normal gerilme(σ), 8
Zemindeki gerilmeler Zemin ortamındaki herhangi bir nokta veya seviye dikkate alındığında o seviyenin üzerinde bulunan zemin ağırlığı ve/veya yüzeysel yüklerden dolayı düşey ve yatay doğrultu da gerilmeler oluşacaktır. Ayrıca zemin içerisindeki suyun varlığı da oluşacak gerilmeleri etkileyen diğer bir unsurdur. Zemin ortamındaki gerilmeleri üç grupta toplamak mümkündür. Zeminin kendi ağırlığı ve su basıncı etkisi ile gelişen doğal gerilmeler (Jeostatik) Zemin dış yük ara yüzeyinde beliren taban basınçları Dış yüklemeden dolayı zemin kitlesi içerisinde oluşan kitle gerilmeleri Jeostatik gerilme 3 tane jeostatik gerilme vardır: a. Toplam gerilme, σtoplam b. Efektif gerilme, σ c. Boşluk suyu basıncı, u Toplam Gerilme = Efektif Gerilme + Boşluk Suyu Basıncı σtoplam = σ ' + u 9
Efektif gerilme Zeminlerin taneli bir yapıya sahip olduğu ve aralarındaki boşluklarda su ve/veya hava bulunduğu göz önüne alınırsa, uygulanan toplam yükün bir kısmının taneler arası temas düzlemlerinde oluşan gerilmeler, geriye kalan kısmının ise boşluksuyu basıncı tarafından karşılanacağı düşünülebilir. Efektif gerilme(σ ) zemin kütlesi içinde taneden taneye aktarılan kuvvetlerin yarattığı, doğrudan doğruya ölçülemeyen gerilmeyi temsil eder. σ =σ μ Boşluk suyu basıncı Suya doygun ortamda gözeneklerdeki su basıncı. Zemine ucu açık bir boru yerleştirilmesi durumunda göz önüne alınan eleman içindeki su basıncı, boru içinde yükselen su kolonu ağırlığına eşittir. Bu hidrostatik basınç zemin mekaniğinde boşluk suyu basıncı olarak tanımlanmaktadır. Herhangi bir noktadaki piyezometrik (serbest su yüksekliği) yükseklik ile suyun birim hacim ağırlığının çarpımına eşittir. u=γw hw 10
DÜŞEY GERİLMELERİN VE BOŞLUK SUYUNUN DERİNLİKLE DEĞİŞİMİ Tabii zeminler genellikle tabakalı bir ortam oluştur. Bu durumlarda değişik tabaka kalınlıkları boyunca düşey basınç artışlarını bulmak için hesaplarda her tabakaya ait (zemin kuru, ıslak veya su altında olmasına bağlı olarak) zeminin kuru, ıslak (tabii) veya suya doygun birim hacim ağırlıklarının kullanılması gerekir. Her durumda boşluk suyu basıncı, YASS den itibaren lineer olarak artacaktır. Suyun yüzeysel gerilim etkisi ile yeraltı su seviyesinin üstüne çıktığı kapiler bölgede boşluksuyu basıncı negatiftir. Su çekme gerilmelerinin etkisinde bulunduğu için (u<0) ve değeri kabaca γwxhc ile bulunabilir. Zemin mekaniğinde çekme gerilmesinin işaretli olduğunu unutmayınız. 11
12