NİĞDE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ INS3003 ZEMİN MEKANİĞİ-I LABORATUVAR DENEYLERİ Öğretim Üyesi: Prof. Dr. Osman SİVRİKAYA RAPOR 1 Hazırlayan: Öğrencinin Numarası ve Adı Soyadı 13 Ağustos 2014 NİĞDE
ÖZET İÇİNDEKİLER 1 GİRİŞ 2 ELEK ANALİZİ 2.1 KONU 2.2 DENEYİN YAPILIŞI 2.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 2.4 YORUM 2.5 SONUÇ 3 HİDROMETRE ANALİZİ 3.1 KONU 3.2 DENEYİN YAPILIŞI 3.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 3.4 YORUM 3.5 SONUÇ 4 ATTERBERG (KIVAM) LİMİTLERİ 4.1 KONU 4.2 DENEYİN YAPILIŞI 4.2.1 - DOĞAL SU MUHTEVASI 4.2.2 LİKİT LİMİT 4.2.3 PLASTİK LİMİT 4.2.4 RÖTRE LİMİT 4.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 4.4 YORUM 4.5 SONUÇ 5 DANE BİRİM HACİM AĞIRLIĞI 5.1 KONU 5.2 DENEYİN YAPILIŞI 5.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 6 RELATİF SIKILIK 6.1 KONU 6.2 DENEYİN YAPILIŞI 6.3 BULGULAR / HESAPLAMALAR 6.4 YORUM - SONUÇ 7 - SONUÇ KAYNAKLAR EKLER (TABLOLAR, ŞEKİLLER, ABAKLAR ve FÖYLER)
ÖZET Bu çalışmada zeminlerin kabaca mühendislik ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesi ve bir sınıflandırmaya gidilebilmesi için numuneler üzerinde endeks deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler; elek analizi (kaba daneli numunelerde), hidrometre deneyi (ince daneli numunelerde), kıvam limitleri (likit, plastik ve lineer rötre limitleri) deneyleri, su muhtevasının ve kuru birim hacim ağırlığının belirlenmesi için yapılan deneylerdir. Deneylerin tamamında aynı zemin numunesi kullanılmadığı için elde edilen somuçlar bir bütün olarak değerlendirilememiş, her numune kendi içinde değerlendirilmiştir. 1 - GİRİŞ Zemin olarak nitelendirilen malzeme, birleşimi bakımından farklı birçok malzemeyi bünyesinde bulundurur. Bu yüzden zeminlerin arazideki yüklemeler (mühendislik yapıları) altındaki davranışlarını analiz etmek, mühendislik tasarımı için gerekli parametreleri bulmak ve tüm zeminler için geçerli bir davranış modeli kurmak son derece güçtür. Bu nedenle zemini belirli standart sistemlere göre sınıflandırmak gerekir. Zeminleri sınıflandırmanın amacı, zeminleri özelliklerine göre gruplandırmaktır. Belli tür zeminlerin belli özelliklerinin olacağı aşikârdır. Zeminin sınıfı bilindiğinde, özellikleri de genel olarak belli olur. Bilindiği üzere; zemin, hem zemin altında taşıyıcı ortamdır, hemde örneğin toprak barajlarda olduğu gibi malzeme olarak kullanılır. Ayrıca geoteknik alanında yapılan çalışmalar, araştırmalar, zeminin sınıfı (zeminin cinsi) belirtilerek yayınlanmaktadır. Zeminin sınıfı belirtilmezse, bilgilerin birikimi veya geleceğe aktarılması imkânsız hale gelir (Uzuner, 1998). Zeminler genel olarak; dane, su ve hava olmak üzere üç fazlı bir yapıdadır. Bu üç unsurun birbirleriyle olan ilişkileri ve bu ilişkilerin hem hacimsel hemde ağırlıksal olarak belirlenmesi zeminlerin tanımlanması ve sınıflandırılmasında önemli yer tutar. Zeminler oluşumları açısından iki gruba ayrılır. Bunlar mekanik ve kimyasal aşınmadır. Mekanik aşınma; fiziksel kuvvetler sonucu ana kayanın ufalanması, Kimyasal aşınma ise suların, asitlerin, alkali malzemelerin ana kaya ile reaksiyona ana kayayı ufalamasıdır. Zeminin içyapısı, zemin içinde organik madde miktarı, bağlayıcı madde (çimentolaşma) varlığı, zeminin endeks özelliklerini etkiler. Zeminler, en genel olarak doğada ince daneli ve iri daneli zeminler olmak üzere ikiye ayrılabilir. İri daneli zeminlerde yerçekim kuvvetleri etken olurken ince daneli zeminlerde ise, zeminin bir
parçası olarak içini ve çevresini saran su tabakasından dolayı çekim kuvvetleri etkendir. Bundan dolayı; daneleri birbirinden ayrık şekli, boyutları ve miktarları önem teşkil eden iri daneli zeminleri sınıflandırmak için, elek analizi kullanılır. Bunun yanında, ince daneli zeminleri sınıflandırrmak için, ince daneli zeminde önemlilik arzeden su muhtevası miktarları belirlenerek ve sedimantasyon deneyi (Hidrometre veya Pipet analizi) yapılarak sınıflandırılır. İnce daneli zeminlerden olan fakat yapısı ve davranışı farklı olan ayrıca alt bir sınıf olarak tanımlanabilir olan Organik Zeminler söylenebilir. En çok kullanilan endeks özellikleri; daneye bağlı olarak su muhtevası (w), boşluk oranı (e), kuru birim hacim ağırlığı ( k ), dane birim hacim ağırlığı ( s ), doygunluk derecesi (S r ), relatif sıkılık (Dr) ve dane dağılımı, suya bağlı olarak da likit limit (w L ), plastik limit (w p ), rötre limiti (w s ), yapışma limiti, lineer rötre (L s ), şişme kapasitesi gibi özelliklerdir (Şekil 1). Kaba daneli zeminlerin dane dağılımının belirlenebilmesi için etüvde kurutulan zemin farkli çaplardaki eleklerden (3/4, 3/8, 4, 10, 40, 70, 100, 200 No lu) elenerek, her elek üzerinde kalan malzeme tartılıp bulunan degerlerin, yatay ekseni dane çapı (elek çapı), düşey eksende elekten geçen malzeme yüzdesini gösteren eksen takımında isaretlenmesiyle zeminin dane dağılımı (Granülometri Egrisi) elde edilir. Bu eğri 200 No lu eleğe kadar devam eder. 200 No lu elekten geçen malzeme için Hidrometre deneyi yapilir. Bu deneyde dereceli silindir kapta hazırlanan solüsyon içine numune konur ve çalkalanir. 15, 30, 1, 2, 4, 8, 15, 30, 1saat, 2 saat, 4 saat ve 8 saat icin hidrometri aleti daldirilarak ölçüm yapılır. Bu hidrometre analizi sonucunda zemin icindeki kil ve silt oranının belirlenmesi mümkün olmaktadır. İnce daneli zeminlerin kıvam limitlerinin bulunmasi için zemin 40 No lu (0.42 mm çaplı) elekten elenir ve alta geçen malzemede deneyler yapılır. Bu çalışmada likit limit ve plastik limit deneyleri yapılmıştır. Bunun için elekten alta geçen malzemeye farklı oranlarda su katılarak, iyice karıştırılıp Casagrande aletinin pirinç yuvasina 1 cm kalınlık olacak şekilde yerleştirilip aletin kolunu saniyede 2 kere çevirip zemin numunesinde açılan yarığın kapandığı vuruş (düşüş) sayısı belirlenir. Numune, darası belli kaplarda kurutularak su muhtevası saptanır. Bu işlem en az üç kez tekrarlanir. Elde edilen değerler su muhtevası-vuruş sayısı eksen takımında işaretlenerek, bu noktalardan geçen en uygun doğru çizilir. 25 vuruş sayısına denk gelen su muhtevası bizim likit limit değerini verir. Plastik limit değeri için yine 40 No lu elekten geçen malzemeden 40 gr numune alınarak bir miktar su ile karıştırılıp ufak parçalar alınır. Avuç içi ile düz bir yüzey üzerinde zemin çapı 3 mm olana kadar devam edilir ve bu noktada çatlaklar gözlenir. Bu işlem diğer
küçük parçalar içinde tekrarlanır. 3 mm çapında kırılmış numuneler etüvde kurutulup su muhtevaları bulunur. Bulunan su muhtevası, plastik limit değeridir. Kumların önemli özelliklerinden biri de Rölatif Sıkılık (D r ) larıdır. D r yi bulmak için çok farklı metodlar geliştirilmiştir. Bu metodların hemen hemen hepsinde hata payları vardır. ASTM yöntemi standart sapmaların az olması nedeni ile tercih edilebilir. D r kumların derecelenmesi (sıkılığı) hakkında bilgi verir. Dane Birim Hacim Ağırlığı ( s ) da malzemelerin özellikle kumların önemli özelliklerindendir. Zemin davranışının incelenmesinde önemlidir. Zeminlerin tabii ve karmaşık malzeme olmaları nedeni ile fiziksel özelliklerinin doğru değerlendirilmemesi, temel kavramların anlaşılmaması ve yeterli tecrübeye sahip olmadan güvenli ve ekonomik mühendislik çözümleri elde etmek zordur. Bu nedenle zeminlerin endeks özelliklerinin doğru bulunması ve yorumlanması son derece önemlidir. 2 ELEK ANALİZİ 2.1 - KONU Doğal zeminleri oluşturan katı daneler çok değişik ve çeşitli boyutlardadır. Fakat aynı zemin içinde birbirlerinden çok farklı boyutlarda daneler bulunabilmektedir. Dane çapının önemi bakımından, belirli çap sınırları arasında bulunan daneleri kapsayan ve tanımlayan bir isimlendirme sistemine gerek vardır. Ana sınıflandırma sınırlarını belirleyen çaplardaki değişiklikler sebebiyle birbirlerinden farklı sınıflandırma sistemleri geliştirilmiştir. Bunlardan en çok kullanılanlar: Birleşik zemin sınıflandırması, Karayolları zemin sınıflandırması ve Üçgen sınıflandırma sistemlerini sayabiliriz (Uzuner, 1998). Deneyde kullanılan malzeme birleşik zemin sınıflandırmasına göre sınıflandırılmıştır. Zeminlerin, dane çaplarına göre sınıflandırılmasında en çok kabul gören sınır değerleri Tablo 2.1 de gösterilmiştir. Tablo 2.1 de; çakıllar ve kumlar iri daneli, siltler ve killer ince daneli zemin olarak nitelendirilmektedir. İri daneli zeminlerde kendi aralarında kaba, orta ve ince olarak alt gruplara ayrılmaktadır (Özaydın, 1989). Doğal zeminler farklı boyuttaki danelerin karışımından meydana geldiği için dane boyutlarının dağılımını ve zeminin esas olarak hangi gruba girdiğini deneysel olarak yapılan çalışmalar sonucunda saptamak gerekir. Deneylerde dane şekli küresel kabul edilmiştir. Gerçekte daneler küresel olmadığı için tek bir dane çapının, onların üç boyutlu büyüklüklerini tanımlamakta yeterli olmadığı
açıktır. İri daneli zeminlerde dane çapı danenin en büyük boyutuna ince daneli zeminlerde ise eşdeğer kürenin çapına eşit olarak kabul edilmektedir (Özaydın, 1989). Tablo 2.1 Zeminlerin Dane Boyutlarına Göre Sınıflandırılması Zemin Cinsi Dane Boyutları (mm) Çakıl 75 > D >4,76 Kum 4,76 > D > 0,074 Silt 0,074 > D > 0,002 Kil D < 0,002 Sınıflandırma sistemlerinin hepsinde dane büyüklüğü ile bunların kuru ağırlık olarak zemindeki yüzde değerlerinin bilinmesi esastır. Bu bilgiler, mekanik analiz denilen elek analizi ve ıslak analiz veya hidrometre deneyi ile bulunur. Elek analizi numunenin iri daneli kısmına, ıslak analizi de ince daneli kısmına yöneliktir. Bu çalişmada elek analizi ve hidrometre deneyi yapılmıştır. Elek analizinde numune delik çapı farklı eleklerden elenerek elek üstünde kalan ve alta geçen malzeme yüzdesi olarak dane dağılımı bulunur. Dane dağılımı, özellikle kumların özelliklerinin saptanmasında önemlidir. Elek analizi sonucunda zeminin 200 No lu eleğe kadar olan granülometri eğrisi elde edilir. Eğrinin genel eğimi, zeminin bileşimindeki dane çaplarının sıralanışının belirtisidir. Bir mühendis için iyi derecelenmiş zemin, değişik boyutlardaki dane çaplarını kapsar. Böyle bir zemin, dane boyutlarının üniform olduğu kötü derecelenmiş bir zeminden daha kuvvetli ve sağlamdır (Kumbassar ve Kip, 1992). Zeminlerin granülometri özellikleri, granülometri eğrisinden sağlanan kriterlerle belirlenebilir. Bunlar Efektif Dane Çapı (D 10 ), yani zemin numunesinde ağırlıkça % 10 dan küçük danelerin en büyük çapıdır. Üniformluluk Sayısı (C u ), Derecelenme Katsayısı (C c ) ise C u = ( D 60 / D 10 ) (2.1) C c = D 2 30 D 60 * D 10 (2.2) olarak ifade edilir.
Mühendislik pratiği açısından elek analizi sonuçları, zeminleri kabaca sınıflandırmak ve zeminin özelliklerini anlamak açısından önemli verilerdir. 2.2 DENEYİN YAPILIŞI Deneyde kullanılacak numune, öncelikle 500 gr alınarak yıkanıp, etüvde 105 110 C sıcaklık altında kurutulup daha sonra bu numune sırasıyla 4, 10, 20, 40, 70, 100 ve 200 No lu eleklerden elenmiş ve 200 No lu elek üstü olan numune (338,52 g) elek analizine tabi tutulmuştur. Islak analiz için deney yapılamadığından ( 3 lü gruplar halinde yapıldığından) deneye tabi tutalan toplam ağırlık 338,52 g olarak kabul edilmiştir. Yani 200 No lu elekten geçen dane olmadığı kabul edilmiştir. Eleklerin herbirinin üzerinde kalan zemin tartılmıştır ve elekten geçen yüzde belirlenmiştir. Elde edilen granülometri eğrisi Şekil 2.3.1 de gösterilmiştir. 2.3 BULGULAR/ HESAPLAMALAR Deney sırasında elde edilen bulgular Tablo 2.3.1 te verilmiştir. Daha detaylı veriler Ek 3 te verilmiştir. Tablo 2.3.1 Eleme Sonucu Bulunan Değerler US Elek Elek çapı (mm) Elek üstü (g) Elekten geçen (g) Elekten geçen yüzde (%) No d W W p p 4 4,750 0,00 338,52 100,00 10 2,000 5,55 332,97 98,36 20 0,850 4,45 328,52 97,05 40 0,425 4,51 324,01 95,71 70 0,212 14,06 309,95 91,56 100 0,150 151,95 158,00 46,67 200 0,075 158,00 0,00 0,00 tava 0,00 0,00 0,00 Toplam kütle W tot = 338,52 g D 10 = 0,087 mm C u = 1,910 D 30 = 0,117 mm C c = 0,948 D 60 = 0,166 mm 2.4 YORUM Granülometri eğrisinden (Şekil 2.3.1) elde edilen sonuçlara göre: D 10 = 0,087 mm, D 30 = 0,117 mm ve D 60 = 0,166 mm dır. Bu değerlerden; C u = 1,91 ve C c = 0,948 bulunur.
Ek 1 ve 2 de verilen birleştirilmiş zemin sınıflandırmasına göre; Danelerin % 50 den fazlası 200 No lu eleğin üzerinde kaldı: İRİ DANELİ ZEMİN dir. İri daneli zeminin % 50 den fazlası 4 No lu elekten alta geçiyor: KUM dur. Ayrıca, dane çapı 0,01 ve 0,02 arasında olan numunenin, % si 90 dan fazla bulunduğundan, İNCE KUM sınıfına girmektedir. C u < 2 olduğundan ÜNİFORM İNCE KUM olup, 1< Cc <3 ve C u > 6 şartını sağlamadığından KÖTÜ DERECELENMİŞ ÜNİFORM İNCE KUM dur (SP). 100 Geçen Yüzde (%) 80 60 40 20 0 0,01 0,1 1 10 Dane Çapı (mm) Şekil 2.3.1 Granülometri Eğrisi 2.5 SONUÇ Elek analizi sonuçlarının hidrometre deney sonuçları ile birlikte değerlendirilmesi gerekir. Ancak elek analizi, hidrometre deneyinde ve kıvam limitlerini belirlemede farklı numuneler kullanılması nedeni ile her numune için farklı yorum yapılmıştır. Deneye tabi tutulan numune, kötü derecelenmiş üniform ince kum olarak bulunmuştur. Bu tip zeminlerde özellikle sıvılaşma olayına dikkat edilmelidir. 3 - HİDROMETRE ANALİZİ 3.1 - KONU İnce daneli zeminlerin dane çapı dağılımını belirlemek için hidrometre deneyi veya pipet deneyi yapılır. Bu çalışmada hidrometre deneyi yapılmıştır. Hidrometre analizi süspansiyon içindeki küresel katı maddelerin çökelme hızlarını, onların dane çaplarına
bağlı olarak değiştiğini gösteren Stokes Kanununa dayanır (Uzuner, 1998). Ağırlığı belli zemin numunesi mekanik bir karıştırıcı ile karıştırılarak suda bir süspansiyon haline getirilir ve çökelmeye bırakılır. Değişik zaman sürelerinde 15, 30, 1`, 2`, 4`, 8`, 15`, 30`, 1 sa, 2 sa, 4 sa ve 8 saat`lik süreler için hidrometre okuması yapılır. Stokes Yasasına göre: V = D 2 * ( s - w ) 18 * n... (3.1) formülünde D = çöken dane çapı (cm), V = çökme hızı (cm/sn), s = çöken danenin birim hacim ağırlığı, w = suyun birim hacim ağırlığı, n = sıvının vizkozitesi dir. (3.1) formülünden hareketle çöken dane çapı; D = 1800 * n * V ( s - 1)..(3.2) elde edilir. Zemin daneleri su içinde süspansiyon hale getirilirken danelerin birbirine yapışmasını engelleyen veya daneleri birbirinden ayıran ayrıştırıcılar gibi kimyasal maddeler kullanmak gerekir. Stokes Kanununun küresel daneler için geçerli olduğunu, buna karşılık zeminler içindeki ince danelerin plaka şeklinde olmaları nedeniyle hidrometre analizinin ancak yaklaşık sonuçlar verdiği unutulmamalıdır. Daha az zaman alıcı, pratik ve çabuk yöntem geliştirilmiştir (Bardet J.B., 1997). Fakat TS 1500 de mevcut olup en çok yaygın olarak kullanılmaya devam edilen hidrometre analizidir Şekil (3.1.1). Deneyden elde edilen hidrometre okumaları için bir takım düzeltmeler yapmak gerekir. Bu düzeltmeleri; menisküs düzeltmesi (C m ), sıcaklık düzeltmesi (C t ) ve ayrıştırıcı madde düzeltmeleri (C a ) olarak sıralayabiliriz. Menisküs düzeltmesi (C m ), süspansiyonun yoğun olması nedeni ile okumalar menisküsün tepesinden yapılır. Suyun yüzey gerilim kuvvetleri nedeniyle hidrometre üzerinde eğri bir su yüzeyi (menisküs) oluşturur. Yapılacak düzeltme, sıvı seviyesi ile menisküsün tepe okuması arasındaki farktır. Düzeltme doğal olarak okumaya eklenerek yapılır.
Şekil 3.1.1 Hidrometre Deney Aletleri Ayrıştırıcı düzeltmesi (C a ), eklenen kimyasal maddenin sıvının özgül ağırlığını arttırması nedeni ile çıkartılarak yapılır. Sıcaklık düzeltmesi (C t ), deneyin yapıldığı süspansiyon sıcaklığı ile ilgilidir. Hidrometreler genellikle 20 C ye göre ayarlanır. Eğer süspansiyon bu sıcaklıkta değilse, sıvının yoğunluğunda bir değişiklik yapmak gerekir. Bu düzeltme sıcaklık 20 C nin üstünde ise eklenerek, altında ise çıkartılarak yapılır (Uzuner, 1998). Tüm bunlardan sonra nihai hidrometre okuması; R = R h C t + C m - C a (3.3) 3.2 DENEYİN YAPILIŞI Daha önceden belirtildiği gibi kullanılan numune, elek analizinden elde edilen numune olmadığı için, önceden hazırlanan 50 gr numune hidrometre deneyinde kullanıldı. Etüvde kurutularak hazırlanan malzeme, 100 150 ml kadar sodyumhegzametafosfat (NaPO 3 ) 6, içinde 8 12 saat bekletilerek danelerin birbirlerinden ayrılması sağlandı. Ayrıştırıcı içinde bekletilen numune iyice karıştırıldıktan sonra hidrometre kabına koyuldu ve kabın 2/3 ü doluncaya kadar damıtık su eklendi. Bu işlemlerden sonra süspansiyon karıştırıcı ile yaklaşık 2 dakika boyunca karıştırıldı. Karıştırıldıktan sonra zemin-su
süspansiyonunun bulunduğu hidrometre kabına 1000 cl yi tamamlayacak şekilde damıtık su eklendi ve ağzı bir tıkaç ile kapatılarak iyice çalkalandı. Daneciklerin tamamının birbirlerinden ayrılması için numunenin çok iyi çalkalanması gerekir. Bu çalkalamadan sonra hidrometre kabına, hidrometre aletini daldırarak 15, 30, 1`, 2` değerleri okundu ve hidrometre aleti süspansiyon aleti içerisinden çıkartılarak su dolu kaba daldırılır. Bunun nedeni ise zemin danelerinin hidrometre aletine yapışmasını engellemektir. Daha sonra aynı işlemler 4`, 8`, 15`, 30`, 1 sa, 2 sa, 4 sa ve 8 saat`lik sürelerde yapılır ve deney föyüne işlenir. Hidrometre her okumada yaklaşık 30 sn önceden daldırılmştır. Bu işlem okuma anında hidrometre aletinin düz ve durgun olması sağlanmıştır. Süspansiyonun sıcaklığını ölçemediğimiz için 19 ile 22,5 arasında değerler alındı. 3.3 BULGULAR/ HESAPLAMALAR Deneyin tamamlanmasıyla elde edilen datalar üzerinde gerekli düzeltmeler yapılmıştır. Bu düzeltmeler için değerler ve hidrometre ile ilgili bilgiler Tablo 3.3.1 de verilmiştir. Tüm bunlarla birlikte gerçek hidrometre okuma değeri; R h = R h1 C t + C m - C a....(3.3.1) Efektif derinlik, numunenin dane çapının bulunmasında kullanılmıştır. aşağıdaki bağıntıyla bulunur: Bu da H e = 16,3 (0,1625 * R h ) (3.3.2) Tablo 3.3.2 de hidrometre aletinin kalibrasyonu yani H e ile R h arasındaki ilişki verilmiştir. Tablo 3.3.1 Hidrometreye Ait Bilgiler Süspansiyondaki kütle W 0 = 50,00 g Özgül ağırlık Gs = 2,70 Ayrıştırıcı madde düzeltmesi C a = 2,50 g/l Meniskus düzeltmesi C m = 1,00 g/l Silindirin çapı d c = 5,95 cm Hidrometrenin hacmi V b = 60 cm 3
Tablo 3.3.2 Hidrometre Aletinin Kalibrasyonu Hidrometre üzerindeki derecenliş okuma (g/l) R h Hidrometre merkezindenden derinliğe olan mesafe (cm) H e 0 16,5 10 14,8 20 13,1 30 11,5 40 9,9 50 8,4 60 6,9 Çöken danelerin çapı ise; D = K * H e /t...(3.3.3) ifadesi ile belirlenir. K nın değeri zeminin dane birim hacim ağırlığı ve ortamın sıcaklığına göre değişen bir katsayıdır. Bundan sonra bulunan D çapından daha küçük dane çapına sahip zemin yüzdesi ve ana numuneye göre yüzde değerleri bulunmuştur. Tablo 3.3.3 de bu değerler toplu halde verilmiştir. 3.4 YORUM Daha önceden de bahsedidiği gibi hidrometre deney sonuçları yaklaşık sonuçlardır ve bu sonuçların doğruluğu her zaman tartışılabilir. İnce daneli zeminlerin davranışları zeminin jeolojik geçmişine ve içyapısına bağlı olduğu için ince daneli zeminleri sadece dane dağılımlarına göre değerlendirmek doğru olmaz. Elde edilen deney sonuçlarına göre, numune içinde çapı 0,002 mm den küçük daneler olduğu bulunmuştur (Şekil 3.3.1). Yani bu da numunenin içerisinde % 17,7 kil olduğunu gösterir. Numune için çizilen granülometri eğrisi Şekil 3.3.1 de verilmiştir. Bu sonuçlar toplam malzemeye göre yorumlanamadığı için sadece kendi içinde tutarlıdır. 3.5 SONUÇ Elek analizi ve hidrometre deneylerinden elde edilen dane dağılımı mühendislik açısından son derece önemlidir. Zeminlerin bir çok mühendis özelliğini etkilemektedir. Bunlardan başlıcaları:
Tablo 3.3.3 Hidrometre Deney Sonuçları Zaman (dak.) Hidrometre okuması (g/l) Sıcaklık ( o C) Düzeltilmiş oturma derinliği (cm) Dane çapı (mm) Elekten geçen yüzde ( %) t Rt Te R h D p 0,25 51,5 22,5 6,50 0,0667 99,8 1 47,0 22,5 7,26 0,0353 90,9 2 42,0 22,0 8,11 0,0265 80,8 4 36,5 22,0 9,05 0,0198 70,0 8 32,0 22,0 9,81 0,0146 61,1 15 28,0 21,5 10,49 0,0111 53,0 30 23,0 21,5 11,34 0,0081 43,1 60 20,0 21,5 11,85 0,0059 37,1 240 14,0 20,0 12,87 0,0031 24,7 1440 9,0 19,0 13,72 0,0013 14,5 Kil parçası (%) = 17,7 100 Geçen Yüzde (%) 80 60 40 20 0 0,001 0,01 0,1 Dane Çapı (mm) Şekil 3.3.1 İnce Daneli Zemin İçin Granülometri Eğrisi Zeminin geçirgenliği. İri daneli zeminler ince daneli zeminlerden çok daha fazla geçirgendir. İyi derecelenmiş zeminler daha yüksek mukavemete sahiptir. İyi derecelenmiş zeminler daha az sıkışma gösterir. Kapiler su yükselmesi dane çapına doğrudan bağlıdır ve ince kumlarda ve siltlerde don olayında etkendir.
Zeminlerin standart sistemlere göre sınıflandırılması ancak granülometri eğrilerinin saptanması ile mümkündür. Elek analizi sonucunda ince dane oranı % 12 büyük olduğu bulunmuştur. Bu numuneden numune azlığından dolayı kıvam limitleri belirlenemediğinden, elek analizi sonucunda kullanılan numunenin, Siltli Kil (SM), Killi Kum (SC) veya Siltli Killi Kum (SC-SM) olabileceği bulunmuştur. Böyle bir tür zeminde efektif davranış gösteren ince daneli zeminlerdir. Hidrometre deneyi ile elek analizi farklı malzemeler üzerinde yapıldığı için sadece kil (% 17,7)ve silt (% 82,3) oranları belirlenmiş ve buna ait granülometri eğrisi Şekil 3.1 de verildiği gibi bulunmuştur. 4 - ATTERBERG (KIVAM) LİMİTLERİ 4.1 KONU Dane dağılım eğrileri birbirine çok benzeyen fakat tamamen farklı mühendislik özellikleri gösteren ince daneli zeminlere rastlamak mümkündür. Bu farklılık zemin içindeki kil minerallerinin özelliklerinin farklı olması ve su muhtevasının değişmesi ile ortaya çıkar. Bu bakımdan ince daneli zeminler için ikinci bir alt sınıflandırma yapılması gerekmektedir (Kip ve Kumbasar, 1984 ). Kıvam ile ince daneli zeminlerde, zeminin sertlik yumuşaklık durumu belirtilir. Zeminin su muhtevasına bağlı olan bu durumlar; kabaca, yumuşak, orta sert, sert gibi adlar alırlar. İnce daneli (kohezyonlu) zeminler, su katılıp yoğrulduklarında, plastik özelliği gösterirler. Plastik veya plastisite, ince daneli zeminlerin bir özelliği olup; kırılmadan şekil verilebilmeyi ifade eder (Uzuner, 1998). Killi bir zeminin kıvamı, sadece su miktarı artırılarak çok katı bir kıvamdan oldukça vizkoz hale kadar geniş bir yelpaze arasında değiştirilebilmektedir. Bu değişimde zeminin mukavemetini, sıkışma özelliklerini, yük altında şekil değiştirme gibi mühendislik özelliklerini etkiler (Özaydın, 1989). İnce daneli zeminlerin kıvam durumunu tanımlamak için doğal su muhtevasını bilmek yeterli değildir. İnce daneli zeminler, su muhtevalarına göre, çeşitli durumlarda olabilirler. Böyle kuru bir zemine, gittikçe artan su katıldığında, zemin, sırasıyla şu durumlara sahip olur ve hacmi bir miktar artar: Katı durum, yarı katı durum, plastik durum, likit (süspansiyon, sıvı) durum. Likit durumda zemin bir sıvı gibi yavaşca akabilir. Plastik durumda; kırılma, çatlama olmaksızın zemine istenilen şekil kolayca verilebilir. Yarı katı
durumda, zemine istenilen şekil zorlukla verilir ve zemin çatlar. Katı durumda, zemine şekil verilemez, şekil verilmek istenildiğinde kırılır. Tersine, likit durumdaki zemin, tedrici olarak kurutulursa, zemin sırasıyla; plastik, yarı katı ve katı durumlara sahip olur ve gittikçe hacmi bir miktar azalır. İsveçli arştırmacı Atterberg (1911) bu durumları birbirinden ayıran sınır değerlerini belirleyip Kıvam (Atterberg) Limitleri adı verilen Likit Limit, Plastik Limit, Rötre (Büzülme) Limiti, Yapışma Limiti leri tanımlamıştır (Tablo 4.1.1). Atterberg limitlerin tesbiti için basit labaratuvar deneyleri de geliştirilmiştir (Ansal A., 1998). Atterberg Limitleri, bize ince daneli zeminlerin sınıflandırılmasında kullanılırken ve ayrıca da zeminin dayanımı ve davranışı hakkında bilgi verir. En çok kullanılan kıvam limitleri; Likit Limit (w L ): Zeminin vizkoz bir sıvıdan, plastik bir kıvama dönüştüğü su muhtevası, Plastik Limit (w p ): Zeminin plastik bir malzemeden yarı plastik malzemeye dönüştüğü su muhtevası, Tablo 4.1.1 Atterberg ve Zeminin Fazları (Head K. H., 1992) Kıvam Katı Yarı Katı Plastik Akıcı Süspansiyon Su Su Muhtevası Azalıyor Limitler Kuru Durum Rötre Limiti Plastik Limit Likit Limiti Rötre (Büzülme) Durum Kayma Mukavemeti Su Muhtevası 0 Sabit Hacim Katıdan Serte W s Plastik İndisi Hacim Küçülmesi Yoğrulabilir Yapışkan Çamur Kayma Mukavemetinde Artış W p W L Su- Süspansiyon İhmal Edilebilir Rötre Limiti (w s ): Zeminin yarı plastik bir malzemeden katı bir malzemeye dönüştüğü su muhtevasıdır. Şekil 4.1.1 de zeminin hacminde meydana gelen değişimlerin kıvam limitleri ile ilişkisi görülmektedir (Uzuner, 1998).
Hacim Değişimi Katı Yarı Plastik Plastik Vizkoz w s w p w L Su Muhtevası Şekil 4.1.1 Zeminlerde Hacim-Su Muhtevası Değişimi Atterberg, zeminin plastik davranış gösterdiği su muhtevalar aralığını Plastisite İndisi (I p ) olarak tanımlamıştır. Buna göre plastisite indisi; I p = w L w p (4.1.1) Yine Atterberg, Likitide İndisi ve Kıvam İndislerini de tanımlamıştır (Uzuner, 1998). Bunlar zemin mukavemeti hakkında fikir verir. Likitide İndisi (I L ) I L = (w n w p )/I p... (4.1.2) I L < 0 I L > 1 katı veya yarı katı çok yumuşak Kıvam İndisi (I c ) I c = (w L w n )/I p... (4.1.3) I c < 0 I c > 1 çok yumuşak katı veya yarı katı Tüm bu bağıntılardan yararlanarak Skempton (1953), killerde aktiviteyi (A) tarif etmiştir. Aktivite kaysayısı zemin içindeki kil minerallerinin cinsi hakkında fikir vermektedir (Lambe ve Whitman, 1979). Aktivite katsayısı; A = I p / kil % (4.1.4)
olarak tarif edilmiştir (Skempton A.W.,1953). Daha sonra yapılan araştırmalar plastisite indisi kil içeriği arasındaki bağıntının doğrusal olmakla birlikte bu doğrusallığın % 40 kil içeriği üstünde geçerli olduğunu, ayrıca aktivite doğrularının orjinden geçmediğini göstermiştir. Aktivite de bu bulgularla yeniden tariflenerek A c = I p /(kil % - n) (4.1.5) biçiminde gösterilmiştir (Seed ve diğ., 1964). Burada n doğal zeminlerde 5, yapay karışımlarda 10 olarak ölçülmüştür. Tablo 4.1.2 de değişik killer için aktivite katsayı değerleri verilmiştir. Deneysel olarak bulunan bu kıvam limitlerinin kullanılması, ince daneli zeminlerin sınıflandırılmasında çok yardımcı olurlar. Özellikle kohezyonlu zeminlerin likit ve plastik limitleri ile plastisite indisleri zeminin genel karakteristiklerinin belirlenmesinde çok önemlidir. Bu çalışmada kıvam limitleri için likit limit ve plastik limit değerleri bulunmuş, bunlardan plastisite indisine geçilmiştir. Tablo 4.1.2. Killerin Aktiviteleri (Özaydın, K.) Kil Cinsi Aktivite Katsayısı (A) Kaolin İllit Montmorillonit Aktif olmayan kil Normal killer Aktif killer 0,38 0,90 7,20 A < 0,75 0,75 < A < 1,25 A > 1,25 4.2 - DENEYİN YAPILIŞI 4.2.1 Doğal Su Muhtevası Doğal olarak meydana gelen ince daneli zeminler, nerdeyse daima kendisinin bir parçası olarak su içeririler. Bundan dolayı özellikle ince daneli zeminlerde su muhtevasını belirlemek önemlidir. Böylece biz zeminin hangi kıvamda ve durumda olduğunu anlayabiliriz.
Zeminin su muhtevası, zeminin daneleri arasındaki boşlukların içerisindeki su miktarının kuru zemin ağırlığına oranı (yüzde) olarak kabul edilir [4.2.1.1]. Deney etüve konulmadan önceki kap ve yaş ağırlığı tartılıp etüvden 24 saat sonra çıkartıldıktan sonra tekrar tartılarak kap ve kuru ağırlık belirlenir. Zeminler 105-110 C de etüvde kurutularak kuru ağırlığı bulunurken, organik zeminler için 60 C de etüvde kurutularak kuru ağırlığı bulunurken organik malzemelerde yanarak kaybolmazken böylece belirlenebilir. Su Muhtevası (w) = Su ağırlığı = W d - W w % [4.2.1.1] Kuru zem. W d - W c ağır. 4.2.2 Likit Limit Likit Limit (w L veya LL), plastik ve likit durumları birbirinden ayıran sınır su muhtevasıdır. Başka bir deyişle, zeminin kendi ağırlığı altında akabildiği en düşük su muhtevasıdır. Likit Limit, Casagrande (Şekil 4.2.2.1) veya Düşen Koni (Şekil 4.2.2.2) aletleri kullanılarak belirlenir. Likit Limit deneyi, daha önceden su muhtevası belirlenen ince daneli zemin etüvde kurutulup, öğütüldükten sonra 40 No lu elekten geçen kısmından alınarak, damıtık suyun çeşitli miktarda ilave edilip homojen şekilde karıştırılmasıyla elde edilen numuneler üzerinde Casagrande ve Düşen Koni aleti kullanarak yapılmıştır. Casagrande Aletini Kullanarak Likit Limit Belirleme: Bir miktar numune Casagrande aletinin tasına kalınlığı 1 cm olacak şekilde sıvandı. Casagrande kaşığı ile pirinç tasın merkezi boyunca bir oyuk açıldı ve aletin kolu saniyede pirinç tasın 2 defa düşmesiyle, tasın içindeki numunedeki yarığın (oyuğun) kapandığı (1,3 cm) düşüş sayısı belirlendi. Bu numuneye ait su muhtevası belirlendi. Bu işlem değişik su miktarları eklenerek üç kere daha tekrarlandı. Sonuçta dört adet numune ve her bir su muhtevasına karşılık gelen düşüş sayıları belirlendi. Vuruş (düşme) sayıları logaritmik yatay eksende ve bu sayılara karşılık gelen su muhtevaları düşey eksende olacak şekilde deney sonuçları işaretlendi. Bulunan dört noktadan geçirilecek en uygun doğru çizilerek bu doğru üzerinde 25 düşme sayısına karşılık gelen su muhtevası değeri likit limit değeri olarak bulundu. Düşen Koni Kullanarak Likit Limit Belirleme: Konik uç 5 saniye süreyle bir kap içine doldurulmuş zemine batmaya bırakılır. Her bir batmaya karşılık gelen numuneye ait su muhtevası belirlenir. Bu 4 tez tekrarlandı. Koni ucun 20 mm lik batmaya karşılık gelen su muhtevası Likit Limit olarak kabul edilir. Batma miktarı yatay eksende ve bu miktarlara karşılık gelen su muhtevaları düşey eksende olacak şekilde deney sonuçları
işaretlendi. Bulunan dört noktadan geçirilecek en uygun doğru çizilerek bu doğru üzerinde 20 mm batma miktarına karşılık gelen su muhtevası değeri likit limit değeri olarak bulundu. (Ansal A., 1998) Şekil 4.2.2.1 Casagrande Deney Aleti Ayrıca da arştırmacılar yeni tip düşen koni aletleri geliştirerek ve yeni metodlar kullanarak likit limit değerlerini belirlemişlerdir (Leroueil, S., ve Le Bihan, J.P., 1995). Şekil 4.2.2.2 Düşen Koni Penatrasyon Aleti 4.2.3 Plastik Limit Plastik limit (w P veya PL), plastik ve yarı katı durumları birbirinden ayıran sınır su muhtevası olup zeminin plastik özelliğini koruduğu en küçük su muhtevası o
zeminin plastik limitini verir. İnce daneli bir zemine, kırılmalara yol açmadan yoğrularak istenilen şekil verilebiliyorsa o zeminin plastik kıvamda olduğu kabul edilir. Plastik limit deneyi için 40 No lu elekten geçirilmiş malzemeye su verilip karıştırılır. Bu nemli karışımdan bir miktar numune alınıp numunenin, el altında pürüzsüz ve düz bir yüzey üzerinde, yuvarlanarak çapları yaklaşık 3 mm olan zemin çubukları haline getirildi. Bu noktada kırılmalar gözlenir. Eğer zeminin su muhtevası tam plastik limit değerinde ise zemin çubuğu 3 mm kalınlığa ulaştığı zaman kırılmalar oluşacaktır. Bu değere deneme yanılma yoluyla ulaşılmalıdır. 3 mm kalınlıktaki çubukta kırılmalar saptandıktan sonra zemin çubuğu parçaları darası bilinen cam kaplar içinde etüve konarak su muhtevaları belirlenir. Bu işlem bir kez daha tekrarlanıp bulunan su muhtevalarının aritmetik ortalaması alınıp plastik limit değeri bulunur 4.2.4 Lineer Rötre Rötre (büzülme) limiti (w S veya SL) daha fazla su kaybının, zeminin hacminde artık bir azalma meydana getirmediği en büyük su muhtevasıdır. Diğer bir tanımla, zeminin suya tam doygun olabildiği en düşük su muhtevasıdır. Lineer Rötre deneyi yapılarak lineer rötre limiti belirlenmiştir. Likit limit deneyi yapılırken vuruş sayısının yaklaşık 25 olduğu durumdaki numuneden alınıp lineer rötre kabına konularak lineer rötre deneyi yapılmıştır. Likit limit kıvamındaki numune yarım silindir biçimli bir boş metal kaba doldurulur (Şekil 4.2.4). Yarım silindir içindeki numune etüve konulduğunda bel vermemesi (kabarmaması) için öncelikle 24 saat labaratuvar şartlarında bırakıldı. Daha sonra etüve konarak kurutuldu ve kuru uzunluğu bulundu. Lineer rötre (w S ), lineer rötre kabındaki zeminin yaş uzunluğu (L 1 ) ile zeminin kuru uzunluğu (L K ) arasındaki farkın zeminin kuru uzunluğa oranı olarak tarif edilir (Uzuner, 1998). L s = (L 1 -L K )/L 1..(4.2.4.1) L 1 zeminin yaş uzunluğu, L K zeminin kuru uzunluğu Lineer rötre bazende L s = (L 1 -L K )/L K..(4.2.4.1) şeklinde tanımlanır.
Şekil 4.2.4 Lineer Rötre Kabı 4.3 BULGULAR/ HESAPLAMALAR Tablo 4.3.1 de doğal su muhtevası deney sonuçları verilmiştir. Tablo 4.3.1 Su Muhtevasının Bulunması Deney Dara Dara + yaş num. Dara+kuru num. Su muhtevası No W c (g) W w (g) W d (g) w (%) 1 23.20 58.03 50.00 29.96 2 21.80 54.09 46.40 31.26 Su Muhtevası (%) 35 30 25 20 0 2 4 6 Deney Sayısı Şekil 4.3.1 Ortalama Su Muhtevası Tablo 4.3.2a ve Tablo 4.3.2b de sırasıyla ve Koni penetrasyon Casagrende yöntemiyle belirlenen likit limit deney sonuçları verilmiştir. Tablo 4.3.2a. Likit Limit Deneyi Sonuçları (Koni Penatrasyon Yöntemi) Deney No Kap (g) Kap + yaş Num.ağır. (g) Kap + kuru Num.ağır. (g) Batma Miktarıı Su Muhtevası (%) Fit su muhtevası (%) W c W w W d mm w w 1 23,20 53,00 41,50 17 62,84 62,28 2 25,10 55,20 43,20 20 66,30 67,07 3 24,00 58,80 44,50 22 69,76 70,21 4 24,50 59,30 44,50 24 74,00 73,34 Likit limit (%) = 67,88
Deney No Tablo 4.3.2b. Likit Limit Deneyi Sonuçları (Casagrande Yöntemi) Dara (g) Dara + yaş Num.ağır. (g) Dara + kuru Num.ağır. (g) Vuruş Sayısı Su Muhtevası (%) Fit su muhtevası (%) W c W w W d N w w 1 23.20 52.00 40.50 31 66.47 67.17 2 25.10 52.20 41.20 26 68.32 68.00 3 24.00 57.90 43.50 10 73.85 72.53 4 24.50 59.30 44.50 6 74.00 74.94 Likit Limit (w L ) = 68.19 Doğrunun Eğimi ( ) = 0.067 Şekil 4.3.2a ve Şekil 4.3.2b de de sırasıyla ve Koni penetrasyon ve Casagrende yöntemiyle belirlenen likit limit deneye ait grafikler verilmiştir. 75 Su Muhtevası (%) 70 65 60 16 18 20 22 24 Batma miktarı (mm) Şekil 4.3.2a Su Muhtevası Batma Miktarı İlişkisi (Düşen Koni Yöntemi) 80 Su Muhtevası (%) 75 70 65 60 LL 1 10 100 Vuruş Sayısı (N) Şekil 4.3.2b Su Muhtevası Vuruş Sayısı İlişkisi (Casagrande Yöntemi) Tablo 4.3.3 de plastik limit deney sonuçları verilmiştir.
Deney No Tablo 4.3.3. Plastik limit Deneyi Sonuçları Dara (g) Dara + yaş num.ağır. (g) Dara + kuru num.ağır. (g) W c W w W d w 1 29.30 40.40 38.20 24.72 2 34.6 45.30 43.20 24.42 Plastik Limit (%) = 24.57 Su Muhtevası (%) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Su Muhtevası (%) C D E 30 25 20 15 0 1 2 3 4 5 Deney sayısı Tablo 4.3.3 Plastik limit Deneyi Tablo 4.3.4 de lineer rötre ye ait bilgiler verilmiştir. Kap ağır. (g) Kap + Yaş num.ağır. (g) Tablo 4.3.4 Lineer Rötre Limitin Tayini Kap + Kuru num. ağır. (g) Yaş num. ağır. (g) Kuru num. ağır. (g) Zeminin yaş uzun. (L 1 ), mm Zeminin kuru uzun. (L K ), mm Lineer Rötre Limit (SL), % 229,9 285,37 265,6 55,47 35,7 139 112 19,42 verilmiştir. Tablo 4.3.5 de deneyler sonucunda elde edilen kıvam limit değerleri toplu olarak Tablo 4.3.5 Plastisite Değerleri Doğal Su Muh. Likit Limit Plastik Limit Plastik İndisi Zemin Cinsi (w n ) % (w L ) % (w p ) % (I P ) % 31 68 25 43 CH
4.4 YORUM Deney için seçilen numuneler, 15.00 15.45 m derinlikten 15.01.1998 yılında SPT için alınan numunelerdi. Hem çıplak gözle gözlemlendiği ve hemde ellede incelendiğinde sıkı sertlikte, çok ince kumlu kil görünümündeydi. Su muhtevasını belirlemek için iki ayrı deney yapılmıştır (Tablo 4.3.1 ve Şekil 4.3.1). Su muhtevası iki deneyin aritmetik ortalaması olup w n 30.61 % bulundu. Daha sonra yapılan kıvam limit deneylerinden w L :68 % ve w P :25 % bulunmuştur (Tablo 4.3.2a-b ve Tablo 4.3.3). Ayrıca da I P :43 % olarak bulunmuştur (Tablo 4.3.5). Zeminin arazideki durumu, plastik ile likit durumu arasında (I P :43 %) davranış gösteren zemin olduğu söylenir. I L : 0,14 ve I c : 1 bulundu. 0 < I L : 0,14 < 1 ve 0 < I c : 1 olduğu için plastik kıvamında bir zemindir (Tablo 4.1.1 ve Şekil 4.1.1). Yani plastisite kartından (Ek 2) likit limit (w L ) % : 68>50 olduğundan dolayı bu zemin numunesi için YÜKSEK PLASTİSİTELİ olduğunu söyleyebiliriz. Ayrica da plastisite indisi (I p ) : 43 olduğu için numunemiz KİL dir. O halde deneye tabi tutulan numunemiz YÜKSEK PLASTİSİTELİ (YAĞLI) KİL dir. Yani CH dir. Sıkışma ve şişme potansiyeli önemli derecede etkilidir. Ancak kesin şekilde aktivite (A) yi bulabilirsek sıkışma ve şişme potansiyeli hakkında kesin hüküm verebiliriz. Kesin hüküm bu numuneye ait hidrometre deneyinin yapılamayişindan kaynaklanmaktadır. Dikkat çekici bir nokta da, Casagrande ve Düşen Koni deneylerinde bulunan likit limitlerin oldukça birbirine yakın çıkması idi. Bir çok araştırmacı, bu yaklaşıklık belli bir değerden sonra farklılıkların başgösterdiğini gösterdiler (Wasti, 1988 ve Arsalan-Usta, 1994). 4.5 SONUÇ Kıvam limitleri esas olarak ince daneli zeminlerin, değişik su muhtevalarındaki mukavemetlerinin bir göstergesidir (Tablo 4.1.1). Ayrıca kıvam limitleri zeminin plastisitesine göre sınıflandırılmasını sağlamakta, ince daneli zeminlerin yüklenme tarihçesi, geçirgenlik özellikleri, şişme potansiyeli gibi yararlı bilgiler verir. Genel olarak zeminin plastisitesi arttıkça sıkışma ve şişme potansiyeli artmakta ve geçirgenliği azalmaktadır.
5 - DANE BİRİM HACİM AĞIRLIĞI 5.1 KONU Zeminler esas itibarı ile dane, su ve havadan oluşmaktadır. Bir zemin numunesinin fiziksel durumunu anlamak için dane, su ve havanın herbirinin ağırlığı, hacmi ve birim hacim ağırlığı belirlenmelidir. Suyun birim hacim ağırlığı w : 1 kg / cm 2 alınabilir. O halde kullanılan ölçü birimlerinden bağımsız olan dane özgül ağırlığı, Burada s dane birim hacim ağırlığıdır. G s = s / w (5.1.1) 5.2 DENEYİN YAPILIŞI Zemin danelerinin birim hacim ağırlığı, bir piknometre (Şekil 5.2) veya hacim ölçekli kab yardımı ile belirlenir. Deney için etüvde kurutulmuş çok ince kumdan küçük bir miktar numune (W 1 ) (50 gr) alınıp tartıldı. 50 cm 3 lük bir ölçekli piknometre içine damıtık su konularak tartıldı (W 2 ). Daha sonra zemin piknometrenin içine kayıpsız bir şekilde konulup, numune içindeki havanın dışarı çıkarılması için vakum uygulanır. Sonra kabın geri kalan kısmıda tamamen damıtık su ile doldurularak tekrar tartılır (W 3 ). Ortamın nem durumundaki değişime dane birim hacim ağırlığını direkt etkileyeceği için, buna dikkat etmek gerekir. Bundan meydana gelebilecek hataların ortadan kalkması için kap ısınısının devamlı 20 C de olduğu ortamda bulundurulması gerekir. Dane birim hacim ağırlığı ( s ) aşağıdaki gibi hesaplanır. s = W 1 / (W 1 W 3 + W 2 )...(5.2.1) bulunur. Bu işlemler iki kez tekrarlanıp ortalama alınarak dane birim hacim ağırlığı, s, Şekil 5.2.1 Deneyde Kullanılan Piknometre Tipi
5.3 BULGULAR/ HESAPLAMALAR Birim hacim ağırlığı deneyinden elde edilen sonuçlar Tablo 5.3.1 de verilmiştir. Tablo 5.3.1 Dane Birim Hacım Ağırlığı Deney Sonuçları Numune No 1 Piknometre No 1 2 Kuru Zemin Ağırlığı (W 1 ), gr 50 50 Su+Piknometre Ağırlığı (W 2 ), gr 392,6 392,1 Su+Piknometre+Zem. Ağır. (W 3 ), gr 423,6 423,4 s = W 1 / (W 1 W 3 + W 2 ), gr/cm 3 2,63 2,67 Ortalama s, (gr/cm 3 ) 2,65 Bulunan ortalama dane birim hacim ağırlığı ( s ) kumlar için oldukça yakın bir değer çıkmıştır. 6 RELATİF SIKILIK 6.1 KONU Relatif Sıkılık özellikle kumların derecelenmesi açısından son derece önemli olup zemin sıkılık durumunu yansıtır. Relatif Sıkılık (D r ), D r = (e maks e n ) / ( e maks e min ) (6.1.1) olarak tanımlanır (Holtz, W.G.,1973 The relative density approach-uses, testing requirements, reliability and shortcomings, ASTM STP 523, 5-17). Maksimum boşluk oranı e maks, minimum boşluk oranı e min, doğal boşluk oranı e n dır. e maks ve e min in bulunması için çeşitli metodlar geliştirilmiştir. Bunların başlıcaları; Kalbuzowski Yöntemi, e maks bulunur: Burada 1000 gr lık numune 2 lt lik şişe içerisinde sallanarak serbest hale getirilir. Ters yüz edilerek kendi ağırlığı altında yerleşmesi sağlanır. Son hacmi ölçülür ve altı kere tekrarlanır. Islak Yöntem, e maks bulunur. 1000 gr lık numune huniden şişeye akıtılır ve hacim ölçülür. Bazan şişede su da olabilir. Bu durumda dışarıya taşan suyun hacmi ölçülür. Kabai Yöntemi: Huniden akıtılarak e maks bulunur. Darbeli sıkıştırma ile e min bulunur. Relatif sıkılık deneylerin hassaslığı tartışılabilir bir konudur. Bunun nedeni e min bulunması metodları yetersizdir. Deney tekniği ve numune özellikleri önemlidir. Darbeli
sıkıştırma ile danelerde ezilme ve kırılma olabilmektedir. Ölçüm yapılan terazi hassalığı da sonucu etkileyebilir. Numune miktarı, numunenin bölünmesi teknikleri de etkileyen faktörler arasındadır (Ansal A.,1998). kmin ve kmaks için bulunan varyasyon sayıları küçüktür ama bu değerler D r hesabında 10 kat büyümektedir (Yoshimi Y., ve Tohno I., 1973 Statistical significance of the relative density). Deneyler arasında standart sapmaları az olan ASTM deneyleri tercih edilmelidir. Relatif sıkılık aynı zamanda zeminin maksimum, minimum kuru birim hacim ağırlıkları cinsinden de ifade edilebilir (6.2). D r = kmaks *( kn k min ) / ( k *( k maks k min )) (6.1.2) Zeminler, D r değerlerine göre sınıflandırılabilirler (Tablo 6.1.1) (Önalp, A.1997). Tablo 6.1.1 Relatif Sıkılığa Göre Zeminlerin Sınıflandırılması Rölatif Sıkılık (D r ), % Sıkılık Durumu 0 15 Çok gevşek 15 35 Gevşek 35 65 Orta sıkı 65 85 Sıkı 85-100 Çok sıkı 6.2 DENEYİN YAPILIŞI Ağırlığı 1272,7 (W) gr ve hacmi (V) 196,35 cm 3 (D:5 cm, H:10 cm) olan silindirik kaba (Şekil 6.2) numune üç safhada huniden akıtılarak konur ve tartılır. Bu işlem üç kere tekrarlanır. Bunun sonucunda e maks a ulaşılacak değerler elde edilir. Bulunan üç değerin ortalaması alınarak kap+maksimum boşluklu numune ağırlığı elde edilir (W 1 ). Aynı işlemler bu sefer numune, kaba yandan vurularak sıkıştırılır ve kap+minimum boşluklu numune ağırlığı elde edilir (W 2 ). Yaka Metal Silindir Şekil 6.2.1 Relatif Sıkılığın Belirlenmesinde Kullanılan Alet
Kap ağırlığı çıkarılarak dane ağırlığı belirlenir ve bu değer hacme bölünerek e maks için kmin, e min için kmaks bulunur. kmin,maks = (W 1,2 W) / V....(6.2.1) s değeri dane birim hacim ağırlığı deneyinden bulunmuştu (Tablo 5.3.1). Kuru birim hacim ağırlığı ile boşluk oranı arasındaki (6.2.2) bağıntısından e maks ve e min değerleri bulunur. e min, maks = ( s / kmaks,min ) - 1 (6.2.2) 6.3 BULGULAR/ HESAPLAMALAR Deney sonuçları Tablo 6.3.1 de verilmiştir. Tablo 6.3.1 Relatif Sıkılık Deney Sonuçları En gevşek durum En sıkı durum Ortalama Ortalama Kap + numune Kap + numune W, gr W, gr (W 1 ), gr (W 1 ), gr kmin kmaks gr/cm 3 gr/cm 3 e maks e min 1550,4 1591,1 1551,8 1551,9 1596,7 1595,3 1,42 1,64 0,86 0,61 1553,6 1598,2 e maks ve e min değerleri belirlendiğine göre relatif sıkılığı belirlemek için doğal boşluk oranının bilinmesi gerekir. Tablo 6.3.2 de e n değerlerine karşın relatif sıkılık değerleri ve bunların sıkılık dereceleri bulunmaktadır. Tablo 6.3.2 e n Değerine Karşılık Gelen D r Değerleri e n D r, % Sıkılık Derecesi 0,65 84 sıkı 0,70 64 orta sıkı 0,75 44 orta sıkı 0,80 24 gevşek 0,85 4 çok gevşek
6.4 YORUM - SONUÇ kmaks ve kmin, yeterli doğrulukla belirlenemeyen e maks ve e min e bağlı olduğu için D r hesabında sapmalar sözkonusu olup, deneylerin tekrarlılığında da sapmalarla karşılaşılır (Tavenas ve diğ., 1973). Yuvarlaklığa ve üniformluluğa göre tahmin yapmak büyük olasılıkla daha doğru olacaktır (Youd T.L., 1973). 7 - SONUÇLAR Labaratuvarda tespit edilen zeminin endeks özellikleri mühendise o zemin ile ilgili basit ama önemli bilgiler verir. Basitçe yapılan sınıflandırma bile zeminin bileşimi hakkında kabaca fikir sahibi olmamızı sağlar. Zeminlerin dane çapı dağılımının, kuru birim hacim ağırlıklarının, kıvam limitlerinin bilinmesi zeminlerin mukavemeti, geçirgenliği, sıkışabilirliği, dondan etkilenme durumu hakkında bilgi verir ve zeminlerin standart sistemlere göre sınıflandırılmasını sağlar. Yapılan deneylerde farklı numuneler kullanıldığı için ortak bir sonuca ulaşılamamıştır. Bu nedenle her deney kendi kendi içinde değerlendirilmiştir. Elek analizi sonucunda kötü derecelenmiş kum, kıvam limitleri deneyleri sonucunda da numune yüksek plastisiteli (yağlı) kil (CH) olarak değerlendirilmiştir. Bu da, oturmaların uzun zamanda ve ikincil oturmanında önemli olacağını, numunenin plastik kıvam konumunda olduğunu gösterir. Oturma ve diğer mukavemet özellikleri için Mühendislik Özellikleri Deneyleri yapılmalıdır. Bunlardan örnek olarak, proktor deneyi, konsolidasyon deneyi, kesme kutusu deneyi ve üç eksenli basınç deneyleri sayılabilir
KAYNAKLAR ANSAL, A., (1998), Zeminlerin Mühendislik Özellikleri, Lisans Üstü Eğitimi Ders Notları, İTÜ İnşaat Müh. Fak., Geoteknik Müh.,İstanbul BARDET J.B., (1997) Experimental Soil Mechanics, Prentice Hall, New Jearsy, USA HEAD, K.H., (1992), Manual of Soil Laboratory Testing, Pentech Press, London ÖNALP, A., (1997), Geoteknik Bilgisi I: Zeminler ve Mekaniği, Sakarya Üniversitesi Yayınları, Sakarya KİP, F., ve KUMBASAR, V., (1984), İnşaat Mühendisliğinde Zemin Mekaniği, Çağlayan Kitabevi, İstanbul LAMBE, T.W., ve WHITMAN, R.V., (1979), Soil Mechanics, John Wiley&Sons, Singapore LEROUEİL, S., ve LE BİHAN, J.P., (1996), Liquid Limits and Fall Cones, Can. Geotech. Eng. J. 33, 793-798 ÖZAYDIN, K., (1989), Zemin Mekaniği, Meya Yayıncılık, İstanbul SEED, WOODWARD, LUNDGREN., (1964), Fundemental aspects of Atterberg limits, Journal ASCE GT 90, SM, 75 SKEMPTON, A.W., (1953), The Colloidal Activity of Clay, Proc. 3 ICOSMFE,1,57 TAVENAS, F.A., LADD, R.S., and LA ROCHELLE, P., (1973), Accuracy of relative Density Measurements: Results of a Comparative Test Program, ASTM STP 523, pp. 18-60. TSE 1500, (1987), İnşaat Mühendisliğinde Zeminlerin Sınıflandırılması, Ankara
USTA, İ., ve ARSLAN A., (1994), Düşen Koni ve Klasik Yöntemle Bulunan Kıvam Limitlerinin Karşılaştırılması UZUNER, B.A., (1998), Temel Zemin Mekaniği, Teknik Yayın Evi, Ankara WASTI, Y., (1988), Likit ve Plastik Limitlerin Koni Penetrasyon Deneyi ile Tayini, ZMTM II Ulusal Kongresi, Ankara YOUD, T.L., (1973), Factors controlling Maximum and Minimum Densities of sands, ASTM STP 523, pp. 98-112
EKLER
Ek 1
Ek 2