LABORATUVAR DENEYLERİ

GEOTEKNİK ARAŞTIRMALAR LABORATUVAR DENEYLERİ GEOTEKNİK ARAŞTIRMALAR LABORATUVAR DENEYLERİ Bu standard, inşaat mühendisliği ile ilgili, lâboratuvarda yapılacak zemin deneylerinden, su muhtevasının tayini, likit ve plâstik limitlerin tayini, büzülme limitinin tayini, bağıl yoğunluğun (özgül ağırlık) tayini, dane çapı dağılımının tayini, sıkıştırma deneyleri ile zeminin kuru birim hacim ağırlığının yerinde tayini için uygulanacak metotları kapsar. Bu standard, inşaat mühendisliği ile ilgili olarak, lâboratuvarda yapılacak zemin deneylerinden, taşıma oranının tayini (CBR), tek yönlü konsolidasyon özelliklerinin tayini, serbest (tek eksenli) basınç dayanımının tayini, kayma direncinin üç eksenli hücrede (UU) boşluk suyu basıncı ölçülmeden tayini, kayma direncinin üç eksenli hücrede (CU) boşluk suyu basıncı ölçülerek tayini ve kayma direncinin kesme kutusu ile tayini metotlarını kapsar. Kalite 1. Sınıf (Örselenmemiş) Numunelerin kalite sınıflandırması Laboratuvar deneylerinde belirlenebilecek özellikler Sınıflandırma, su muhtevası, yoğunluk, dayanım, deformasyon ve konsolidasyon özellikleri 2. Sınıf Sınıflandırma, su muhtevası, yoğunluk 3. Sınıf Sınıflandırma, su muhtevası 4. Sınıf Sınıflandırma 5. Sınıf Sadece zemin profilinin belirlenmesi LABORATUVAR DENEYLERİ Elek analizi Kuru Metot Islak Metot Hidrometri analizi Su muhtevası Kıvam limitleri (LL,PL,SL) Yoğunluk tespiti Özgül ağırlık deneyi Serbest basınç deneyi Üç eksenli basınç deneyi (UU, CU ve CD) Kesme kutusu deneyi Vane deneyi Permeabilite deneyi Kompaksiyon deneyi (Standart ve Modifiye Proktor) 1

DANE ÇAPI DAĞILIMININ BELİRLENMESİ Tane Tanımı İngiliz Sınıfı (B.S.) Tane boyutu (mm) AASHTO ASTM USCS Çakıl 60-2 75-2 >4.75 75-4.75 Kum 2-0.06 2-0.075 4.75-0.075 4.75-0.075 Silt 0.06-0.002 0.075-0.005 0.075-0.005 Kil <0.002 <0.005 <0.005 <0.075 (İNCE) DANE ÇAPI DAĞILIMININ BELİRLENMESİ Dane çapı dağılımını belirlemek için alınan numuneler üzerinde elek analizi ve hidrometri (çökeltme) deneyleri uygulanır. Deneyler sonrası zemin numunesi içerisindeki değişik çap aralıklarındaki danelerin ağırlıkça yüzdeleri belirlenir. BS: İngiliz Standardı AASHTO: ABD Kara Yolları ASTM: ABD Standartlar Enstitüsü USCS: Birliştirilmiş Zemin Sınıflama Sistemi DANE ÇAPI DAĞILIMININ BELİRLENMESİ ELEK ANALİZİ HİDROMETRE ANALİZİ DANE ÇAPI DAĞILIMININ BELİRLENMESİ Elek Analizi, bir zeminde ince kum boyutunda ve daha iri tanelerin dane çapı dağılımının hesaplanmasında kullanılır. Farklı çaplardaki elekler büyükten küçüğe sıralanır. Her bir elekten geçen malzeme yüzdesi belirlenerek dane dağılım eğrisi çizilir. Hidrometri Yöntemi, ince danelerin fazla olduğu (siltli ve killi) numuneleri sınıflandırmak için uygulanır. Bir sıvıda daha büyük daneciklerin daha hızlı çökeceği ve bu çökelti içine bırakılacak hidrometrenin de buna bağlı bir hızla çökeceği prensibi (Stoke prensibi) üzerine kurulmuştur. 2

Geçen yüzde (%) 24.12.2015 HİDROMETRE ANALİZİ Hidrometre TANE DAĞILIM EĞRİSİ ŞANLIURFA (YSK 40) 3'' 1 1/2'' 7saat 25 saat 3/4'' 3/8'' #4 #8 #16 #30 #50 #100 #200 1 dak 4 dak 19 dak 60 dak 15dak 45 dak 100,00 90,00 80,00 70,00 ELEK ANALİZİ 1000 ml mezür 60,00 50,00 HİDROMETRİ ANALİZİ YSK_40(1.50-2.00m) 40,00 30,00 20,00 ÇAKIL KUM İNCE 10,00 0,00 4.75 75 19 9.5 2.36 0.6 0.3 0.075 37.5 1.18 0.15 0.037 0.019 0.009 0.005 0.002 100 10 1 0,1 0,01 0,001 Dane çapı (mm) SU MUHTEVASININ BELİRLENMESİ SU MUHTEVASININ BELİRLENMESİ Su muhtevası kuru ağırlığın yüzdesi olarak belirtilen, zeminin 105 C de, ısıtılması sonucu bünyesinden verebildiği su miktarıdır. Bu deney ile zeminin içerisindeki su miktarını belirleyip bunu zeminin kuru ağırlığının yüzdesi olarak hesaplanmaktadır. 1 2 M w M w s *100 M w = suyun kütlesi M s = katı danelerin kütlesi Kapların darasının alınması 3 Kap+ıslak numunenin tartılması 4 Numunelerin etüve konulması Numunelerin etüvden çıkarılması 3

KIVAM (ATTERBERG) LİMİTLERİNİN BELİRLENMESİ KIVAM (ATTERBERG) LİMİTLERİNİN BELİRLENMESİ İnce taneli zeminlerin mühendislik davranışları büyük oranda içerdikleri su muhtevasına bağlı olarak değişir. Zeminlerin kıvamlarında su muhtevasına bağlı olarak meydana gelen değişimler sınır su muhtevası değerleri ile tanımlanır. Bu esasta 3 ayrı sınır su muhtevası tanımlanır: LL = Likit Limit PL =Plastik Limit SL = Büzülme (Rötre) Limiti LL = Likit Limit zeminin viskoz bir sıvıdan plastik bir kıvama dönüştüğü su muhtevasıdır. PL =Plastik Limit zeminin plastik bir malzemeden yarıkatı bir malzemeye dönüştüğü su muhtevasıdır. SL = Büzülme (Rötre) Limiti zeminin yarı plastik bir malzemeden katı bir malzemeye dönüştüğü su muhtevasıdır. KIVAM (ATTERBERG) LİMİTLERİNİN BELİRLENMESİ Bu sınır su muhtevalarında 4 ayrı durum oluşur: LİKİT LİMİT DEĞERİNİN BELİRLENMESİ Casagrande Yöntemi Düşen koni yöntemi 1. LİKİT KIVAM: Akıcı 2. PLASTİK KIVAM: El ile şekil verilebilir. 3. YARI KATI KIVAM: El ile şekil verilirken çatlar 4. KATI KIVAM: El ile şekil verilirken parçalanıp dağılır. Katı kıvam Yarı katı kıvam Plastik kıvam Likit kıvam 0 w Rötre Limiti Plastik Limit Likit Limit 4

Casagrande Yöntemi SU MUHTEVASI (%) 94,0 92,0 90,0 88,0 LL=91.3 LİKİT LİMİT DEĞERİNİN BELİRLENMESİ 1 10 100 VURUŞ SAYISI 252 Vuruş sayısı (N) ve vuruş sayılarına karşılık gelen su muhtevası (w) arasındaki ilişki çizilir. 25 vuruşa karşılık gelen su muhtevası değeri LL dir. LİKİT LİMİT DEĞERİNİN BELİRLENMESİ Düşen koni yöntemi 80 gr. ağırlığında 30 uç açılı h=3.5 cm. yüksekliğindeki özel uç zemine düşürülerek 5 sn. süreyle batmasına izin verilir. Batma miktarı aletin üzerinde bulunan bir deformasyon saatinden okunur. Aynı işlem zeminin değişik su muhtevalarında tekrarlanır. LİKİT LİMİT DEĞERİNİN BELİRLENMESİ Düşen koni yöntemi PLASTİK LİMİT DEĞERİNİN BELİRLENMESİ Batma miktarı (mm) 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 LL=30.5 10,0 20 25 30 35 40 45 50 Su muhtevası (%) Batma miktarına karşılık su muhtevası değerinin grafiği çizilir. Deney konisinin 20 mm batmasına karşılık gelen su içeriği likit limit olarak tanımlanır. 40 elek altına geçen malzemeden 25-50 gr. kadar alınarak el ayası ile 3 mm. kalınlığında ipçikler yapmaya çalışılır. İlk çatlakların oluşmaya başladığı andaki su muhtevası plastik limittir. Plastik özelliğin yitirildiği noktadır. 5

PLASTİK LİMİT DEĞERİNİN BELİRLENMESİ ZEMİNİN KOMPAKSİYON KARAKTERİSTİKLERİ Kompaksiyon: Mekanik enerji uygulamak suretiyle zemin yoğunluğunun arttırılması işlemidir. Diğer bir ifade ile, zemin içindeki hava hacminin azaltılması suretiyle danelerin daha yakın hale getirilmesidir. Amaç: Zeminin mühendislik özelliklerinin iyileştirilmesidir. Zarar verebilecek oturmalar azaltılabilir Yol kaplaması ve taban altlarının taşıma kapasitesi iyileştirilebilir Don etkisi, şişme ve büzülme gibi etkilerden kaynaklanacak hacim değişimleri kontrol edilebilir Permeabilite (Geçirimlilik) düşürülebilir Sıvılaşma potansiyeli düşürülebilir ZEMİNİN KOMPAKSİYON KARAKTERİSTİKLERİ ZEMİNİN KOMPAKSİYON KARAKTERİSTİKLERİ dmaks d (Mg/m 3 ) Belirli bir zemin için belirli bir sıkıştırma enerjisi ile en yüksek sıkışmayı sağlayan su muhtevasın OPTİMUM SU MUHTEVASI denir (w opt ) Optimum su muhtevasına karşılık gelen kuru yoğunluk değerine MAKSİMUM KURU YOĞUNLUK denir ( dmaks ) dmaks d (Mg/m 3 ) Yüksek mukavemet Düşük geçirimlilik w(%) w(%) w opt w opt 6

ZEMİNİN KOMPAKSİYON KARAKTERİSTİKLERİ ARAZİDE KOMPAKSİYON Standart Proctor Deneyi (1) İnce taneli zeminler Modifiye Proctor deneyi (2) İri taneli zeminler Arazide kompaksiyon, aşağıda belirtilen sıkıştırma araçlarıyla yapılır. 1 2 3 tabaka 25 düşüm (her tabaka için) 2.5kg tokmak 300 mm düşüm yüksekliği Mold hacmi=944cm 3 5 tabaka 56 düşüm (her tabaka için) 4.5kg tokmak 450 mm düşüm yüksekliği Mold hacmi=2124cm 3 1-Silindirler (Düz, keçi ayaklı, lastik tekerlekli) 2-Vibratörler (Silindir, plak, kiriş) 3-Tokmaklar Sıkıştırma işlemi sonucunda işin önemine göre laboratuarda elde edilen kuru birim hacim ağırlığının en az %90-95 inin sağlanması istenir. Sıkıştırma en çok 20-40 cm lik tabakalarla yapılır. ARAZİDE KOMPAKSİYON ARAZİDE KOMPAKSİYON DÜZ SİLİNDİR KEÇİ AYAKLI SİLİNDİR Zemin yüzeyi ile %100 temas yaratır. Zemine 4 kg/cm2 ye kadar basınç uygularlar.sıkıştırma etkisi 200-300 mm; yüzeysel tabakalar için uygundur. Temas alanı %8-12 uygulanan basınç 14-70 kg/cm2 dir. Killerin sıkıştırılması için uygundur. 7

ARAZİDE KOMPAKSİYON ARAZİDE KOMPAKSİYON LASTİK AYAKLI SİLİNDİR TİTREŞİMLİ SİLİNDİR Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminler için kullanılırlar. 7 kg/cm 2 ye kadar basınç uygularlar. Temas alanı %80 kadardır. Kohezyonsuz zeminler için idealdir. ARAZİDE KOMPAKSİYON VİBRATÖR Arazi sıkıştırma makinelerinin kullanım yeri Küçük alanları sıkıştırmak için kullanılırlar. Granüler zeminler için uygundur 8

ZEMİNİN PERMEABİLİTESİ (GEÇİRİMLİLİK) ZEMİNİN PERMEABİLİTESİ (GEÇİRİMLİLİK) ZEMİNİN PERMEABİLİTESİ (GEÇİRİMLİLİK) ZEMİNİN PERMEABİLİTESİ (GEÇİRİMLİLİK) Geçirimliliği etkileyen faktörler: Akışkanın viskozitesi Zemin tipi Dane boyu dağılımı Boşluk oranı Mineral danelerinin pürüzlülükleri Doygunluk derecesidir. 9

PERMEABİLİTE KATSAYISININ LABORATUVARDA BELİRLENMESİ PERMEABİLİTE KATSAYISININ LABORATUVARDA BELİRLENMESİ Sabit Seviyeli Permeametre Deneyi İri daneli zeminlerin permeabilite katsayısını belirlemek için kullanılır. Sabit bir yük (h) altında silindirdeki zemin numunesinden su akışına izin verilir. Belli bir zaman (t) içinde geçen su hacmi dereceli silindir kullanılarak ölçülür. PERMEABİLİTE KATSAYISININ LABORATUVARDA BELİRLENMESİ Sabit Seviyeli Permeametre Deneyi PERMEABİLİTE KATSAYISININ LABORATUVARDA BELİRLENMESİ Sabit Seviyeli Permeametre Deneyi İri taneli zeminlerin permeabilite katsayısını belirlemek için kullanılır. k Q. L At.. h k=permeabilite katsayısı Q=toplanan su hacmi L=zemin numunesinin boyu A=zemin numunesinin enkesit alanı t=zaman h=hidrolik yük 10

oturma 24.12.2015 PERMEABİLİTE KATSAYISININ LABORATUVARDA BELİRLENMESİ PERMEABİLİTE KATSAYISININ LABORATUVARDA BELİRLENMESİ Düşen Seviyeli Permeametre Deneyi İnce daneli zeminlerin permeabilite katsayısını belirlemek için kullanılır. Deneyde zemin numunesi üzerindeki hidrolik yükün zamanla değişimi ölçülür. Düşen Seviyeli Permeametre Deneyi İnce taneli zeminlerin permeabilite katsayısını belirlemek için kullanılır. a. L h1 k 2.303. log At. h k=permeabilite katsayısı a=tüpün en kesit alanı L=zemin numunesinin boyu A=zemin numunesinin enkesit alanı t=zaman h1=t1 zamanındaki su yüksekliği h2=t2 zamanındaki su yüksekliği 2 ZEMİNİN KONDOLİDASYON KARAKTERİSTİKLERİ Konsolidasyon: Bütünüyle suya doygun, düşük permeabiliteli (ince daneli) zeminlerin boşluk suyunun drenajına bağlı olarak zamanla oluşan hacim azalması işlemidir. Bu işlem toplam gerilmedeki artışa bağlı olarak aşırı boşluk suyu basıncının tamamıyla sönümlenmesine kadar devam eder. ZEMİNİN KONDOLİDASYON KARAKTERİSTİKLERİ YASS Oturma: Bir zemin çökeli yüklemeye maruz kaldığında deformasyonlar oluşur. Yüzeyde, yüklemeden kaynaklanan toplam düşey deformasyona oturma denir. Temel tasarımında esas olan; oturmanın miktarı ve ne kadar hızlı gelişeceğidir. Yüklemeye maruz kalan bir zemindeki toplam oturmanın üç bileşeni vardır: S t =S i +S c +S s S t = toplam oturma S i = ani oturma S c = konsolidasyon oturması S s = ikincil oturma Doygun kil Kil zeminlerin düşük permeabilite katsayısından dolayı oturmalar uzun süre devam edebilir zaman 11

oturma 24.12.2015 Daneli zeminlerde ZEMİNİN KONDOLİDASYON KARAKTERİSTİKLERİ Konsolidasyon süresince q kpa YASS Daneli zeminlerde ise oturmalar ani olarak meydana gelir. A DOYGUN KİL u zaman u q ZEMİNİN KONDOLİDASYON KARAKTERİSTİKLERİ Konsolidasyon oturması: ÖDOMETRE DENEYİ (TEK EKSENLİ KONSOLİDASYON DENEYİ) Doygun bir kil tabakası üzerine bir yapının inşa edilmesiyle, Yer altı suyu seviyesinin kalıcı olarak düşürülmesiyle oluşur. **Her iki durumda da efektif gerilme artar. Ödometre deney aleti 12

Boşluk oranı, e 24.12.2015 ÖDOMETRE DENEYİ (TEK EKSENLİ KONSOLİDASYON DENEYİ) ÖDOMETRE DENEYİ (TEK EKSENLİ KONSOLİDASYON DENEYİ) GL Örselenmemiş numune çap = 50-75 mm Poroz taş metal hücre (oedometre) Laboratuvarda bir boyutlu sıkışmayı temsil etmek için zemin örneği aşağıdaki cihaz içerisinde farklı yük kademelerinde sıkıştırılır. Deneyde her bir gerilme artışı için 24 saat boyunca konsolide olmasına izin verilirken bu zaman zarfında oluşan deformasyonlar saatten okunur. Her bir artış periyodunda ulaşılan nihai sonuçlar efektif gerime-boşluk oranı eksenleri kullanılarak çizilir. Her bir gerilme artışı sonunda oluşan boşluk oranı deformasyon saati okumaları ile birlikte deney sonu su muhtevasından hesaplanabilir. yükseklik=20-30 mm arazi laboratuvar ÖDOMETRE DENEYİ (TEK EKSENLİ KONSOLİDASYON DENEYİ) KOMPRESİBİLİTE KARAKTERİSTİKLERİ Sıkışma indisi (C c ) e log v eğrisi yükleme v artar e azalır Yeniden sıkışma indisi (C r ) Şişme indisi (C e ) Önkonsolidasyon basıncı ( p ) veya ( c ) boşaltma v azalır e artar (şişme) log v Hacimsel sıkışma katsayısı (m v ) 13

Boşluk oranı, e 24.12.2015 KOMPRESİBİLİTE KARAKTERİSTİKLERİ ÖN KONSOLİDASYON BASINCI C r C r =yeniden sıkışma indisi 1 C c =bakir sıkışma indisi Aşırı konsolidasyon oranı (OCR) : ' OCR c vo' Ön konsolidasyon basıncı Mevcut düşey efektif gerilme C c 1 Normal konsolide Zemin: OCR=1 Aşırı konsolide Zemin: OCR>1 C e 1 C e =şişme indisi log v Bir zeminin kayma mukavemeti; zeminin dayanabileceği, karşı koyabileceği en büyük kayma gerilmesidir. Bir başka deyişle; zeminin kayma gerilmelerine karşı gösterebileceği en büyük dirençtir. Zemin içindeki kayma gerilmeleri bu sınır mukavemet değerini aştığı anda oluşan kayma yüzeyleri boyunca kırılma meydanda gelir. Zeminin kayma mukavemeti iki ana parametreden oluşur. a. İçsel Sürtünme : Zemin danelerinin birbirlerine kilitlenmeleri ve sürtünmeleri sonucu oluşan mukavemet b. Kohezyon : Zemin danelerini bir arada tutmaya çalışan ve elektriksel etkileşimden oluşan mukavemet 14

ŞERİT TEMEL DOLGU Göçme yüzeyi Kayma direnci Zeminler genel olarak kayma yolu ile göçerler. Göçme yüzeyi boyunca oluşan kayma gerilmeleri, göçme anında kayma mukavemeti değerine ulaşır Göçme yüzeyi boyunca oluşan kayma gerilmeleri (), göçme anında kayma mukavemeti değerine ( f ) ulaşır. ZEMİNLERDE KIRILMA HİPOTEZLERİ VE MOHR DAİRESİ f c tan kohezyon f c Sürtünme açısı f f : normal gerilmesi altındaki zeminin göçmeden karşı koyabileceği maksimum kayma gerilmesi (kayma direnci) değeridir. c : kohezyon direnci : kayma mukavemeti açısı veya içsel sürtünme açısı f c f f tan c f c f tan Sürtünme bileşeni 15

Kırılma zarfının altında kalan gerilme durumlarında zemin elemanı göçmez. Y X Farklı bölgelerdeki zemin elemanları X Y Y X göçer dengededir, göçmez. c Y c c c + Başlangıçta, Mohr dairesi bir noktadır. c Yükleme ilerledikçe, Mohr Dairesi de büyüyecektir. Kesme Kutusu Deneyi Serbest Basınç Deneyi Üç Eksenli Basınç Deneyi Y c c Ve sonuçta Mohr dairesinin kırılma zarfına teğet olması ile göçme meydana gelecektir. 16

Kesme Kutusu Deneyi Belirli düşey yükler () altında numunelere kayma gerilmesi () verilerek kırılma durumuna ulaşılır. Her deney sonunda kırılma doğrusunda bir nokta bulunarak kırılma doğrusu çıkarılır. Kırılma doğrusunun yatayla yaptığı açı içsel sürtünme açısını (), düşey eksen üzerindeki değeri kohezyon (c) değerini verir. Kesme Kutusu Deneyi Deney numuneleri ortadan ayrılabilen kare veya daire kesitli kutu içinde kaymayı önleyecek metal ızgara ve poroz taşlar arasına yerleştirilir. Sabit normal gerilme üst başlığa kaldıraçlı askı sistemi ile verilir. Kesme kuvveti motorla veya elle uygulanır, yük halkası ile ölçülür. Düşey ve yatay hareketler deformasyon saatleri ile ölçülür. yenilme X yenilme X genelde %20 17

b. Serbest Basınç Deneyi Üç Eksenli Deneyin özel halidir. Zemin örneği yanal yük uygulanmadan sadece düşey yük artırılarak kırılır. Deney; doygun veya doyguna yakın kil numuneleri üzerinde yapılır. Drenajsız kayma mukavemeti parametreleri dolaylı yoldan elde edilir. c u = q u / 2 u = 0 72 18

Deneyin Yapılışı Genellikle boyu çapının iki katı olan zemin numunesi hazırlanarak deney aletine yerleştirilir. Deney hızı; % 0.5 2.0 dakika/deformasyon arası seçilir. Belirli deformasyonlara karşı gelen kuvvet halkası okumaları alınarak düşey yükler belirlenir. Uygulanan yükte azalma olana kadar veya %20 deformasyona kadar okuma alınır. Maksimum yüke karşı gelen değer q u olarak alınır. 73 SERBEST BASINÇ DENEYİ * Birim deformasyon, * Sabit hacim olacağı için, * Göçme anında alan, * Serbest basınç dayanımı, H H 0 A 0. H0 A f. H f A f q u A0 1 N A f 75 76 19

d. Üç Eksenli Deney Zeminlerin kayma mukavemetini belirlemede kullanılan en gelişmiş yöntemdir. Deney sırasında numuneye çevre basıncı uygulanır ( 2 = 3 ), düşey basınç ( 1 ) arttırılarak numune kırılır. Kırılma düzlemi zemin özelliklerine bağlı olarak oluşur. Farklı çevre basınçlarında elde edilen kırılma değerlerine ile çizilen Mohr Dairelerinin ortak teğeti kırılma zarfını verir. Kırılma zarfına göre kayma mukavemeti parametreleri c ve belirlenir. 78 d. Üç Eksenli Deney Hücre Basıncı Yükleme Pistonu Üst Plaka Üç Eksenli Deney Türleri deviator gerilme () Üst Başlık Lastik Membran Zemin Örneği Şeffaf Hortum Basınç Hücresi Her yönden çevre basıncı c etkisi altında Drenaj kanalı açık mı? kayma (yükleme) Drenaj kanalı açık mı? Alt Dren Alt Başlık Taban kaidesi Üst Dren 79 evet Konsolide edilmiş zemin örneği hayır Konsolide edilmemiş zemin örneği evet Drenajlı yükleme hayır Drenajsız yükleme 80 20

21