KİL ZEMİNLERİN DİSPERSİBİLİTE ÖZELLİĞİNİN İSTATİSTİKSEL YÖNTEMLE İNCELENMESİ İsmail ZORLUER *, Hasan TOSUN ** * Yrd.Doç.Dr. Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. ANS kampüsü AFYON, izorluer@aku.edu.tr ** Prof. Dr. Osmangazi Üni. Müh. Mim. Fak. İnşaat Müh. Böl. Batı Meşelik ESKİŞEHİR, htosun@ogu.edu.tr GİRİŞ Su içinde kendiliğinden dağılma eğilimi gösteren bazı zeminler, erozyon ve borulanma açısından şüpheli zeminler olarak değerlendirilir. Bu zeminler, zemin mekaniği biliminde dispersif kil veya dispersif zemin olarak bilinirler. Yapısal olarak stabil olmayan bu zeminler kolayca dağılabilir ve yüksek derecede erozyona uğrayabilir. Dispersif kil zeminlerin su yapıları, dolgu barajlar ve yol dolguları yapımında kullanımı söz konusu ise, iyi tanımlanmalı ve uygun teknikler ile yapım gerçekleştirilmelidir. Aksi durumda, sonu göçmelere kadar giden ciddi mühendislik problemleri ile karşı karşıya kalınmaktadır. Kilin dispersibilite özelliğinden kaynaklanan erozyon; kilin minerolojisi, kimyasal yapısı ile zemin boşluklarındaki ve erozyona neden olan suyun içindeki çözünmüş tuz muhtevasının niteliğine ve miktarına bağlıdır. Dispersif kil ifadesinin ilk olarak ortaya atılması, bundan yüz yıl kadar öncelerde olmasına rağmen, 5-6 yıl öncesine kadar zemin araştırmacıları ve ziraat mühendisleri tarafından bu killerin temel yapısı yeterince anlaşılmış değildi. Ancak dispersif kil konusunun inşaat mühendisliği pratiğinde tanımlanması, 96 lı yılların başlarında olmuştur. Avustralya da killerin dispersif özelliğinden kaynaklanan toprak barajlardaki borulanma göçmelerinde yapılan araştırmalar sonucunda, konu açık olarak ortaya konulmuştur. Sonraki yıllarda dispersif killer, toprak dolgu barajlar açısından daha detaylı incelenmiş ve konu ile ilgili olarak kilin bu özelliğinin belirlenmesi doğrultusunda nitel ve nicel sonuçlar veren deneysel yöntemler geliştirilmiştir(). Dispersif kil zeminler, bilinen zemin mekaniği deneyleriyle dispersif olmayan zeminlerden ayrılamazlar. Dispersif zeminleri tanımlamak için birçok deney yöntemi geliştirilmiştir ve tanımlamada sadece bir deney sonucuyla yetinilmesi güvenilir değildir. Daha önce yapılan çalışmalarda da dağılma ve iğne deliği deneylerinin, aynı zemin numunelerinde sonuçların birbirleriyle uyuşmadığı gösterilmiştir. Bu nedenle her numunede, yapılan farklı deneylerin sonuçları birlikte değerlendirilerek dispersibilite derecesi belirlenir.
Farklı zeminler arasında çeşitli deneyler için floküle ve defloküle yapı arasındaki sınır çok değişkendir, çünkü dispersif ve dispersif olmayan zeminler arasındaki geçiş bölgesi büyüktür. Dispersif ve dispersif olmayan zeminler arasındaki sınırın açık tarifi yoktur. Bu nedenle, en azından numunelerin belirli bir kısmında, farklı deney yöntemlerini uygulamak mantıklıdır(). Dispersif zeminleri bütünüyle tanımlayabilen güvenilir tek bir deney geliştirilememiştir. Güvenilir bir tanımlama için birden fazla deney sonucuna göre değerlendirme yapılarak, dispersibilite derecesi hakkında sonuca ulaşılır. İlk olarak Craft (986) tarafından önerilen, diskriminant analizi, zemin dispersibilitesinin belirlenmesinde kullanılmıştır. Çalışmada, ayrı numunenin farklı deneylerden elde edilen sonuçlarına göre dispersibilite özellikleri diskriminant analizine göre değerlendirilmiştir. Değerlendirme sonucuna göre numunelerin dispersibilite açısından daha güvenilir sonuçları elde edilmiştir. YÖNTEM Dispersif zeminleri tanımlamak için geliştirilen deneyler; kimyasal deneyler, dağılma deneyi, çifte hidrometri deneyi (SCS deneyi) ve iğne deliği deneyi olmak üzere dört grupta değerlendirilir. Bu deney yöntemleri aşağıda değerlendirilmektedir. Ayrıca son zamanlarda elektron mikroskop (SEM) ile yapılan tarama sonuçları da dispersif killerin tanımlanmasına yardımcı yöntem olarak değerlendirilmektedir. Diskriminant analizinde değişken sayısının etkisi topluca değerlendirilebilir. Diskriminant analizi için veriler en az iki ayrı grupta ve nümerik olmalı ve grupların kendine özgü karakteristikleri bulunmalıdır. Bu nedenle farklı dispersibilite deneylerinden elde edilen veriler diskriminant analizine çok uygundur. Yöntem, veri takımı değişkenlerinden iki fonksiyon üretir ve veriyi gruplara ayırır. Ayrıca, dispersif zeminleri daha doğru tanımlamak için, daha çok deney verisinin değerlendirilmesi gerektiği görüşüne uygundur (). Bu analizin kullanımını esas alan veriler; iğne deliği deney sonuçları, dağılma deney sonuçları, SAR değeri, CEC-ESP değerlendirme sonuçları ile TDS-Na (%) değerlendirme sonuçlarını ihtiva etmektedir. Bu değerlendirme; fiziksel ve kimyasal faktörlerin ikisini ve dispersibilitenin bazı durumlarını dikkate alır. İğne deliği deneyi, su akımıyla zeminin aşınma eğilimini gösterirken, dağılma deneyi su bulunduğu durumda zeminin defloküle eğilimini gösterir.
Gerber - Harmse dispersibilite kartı, mevcut kil mineralinin tipini yansıtan CEC ile ESP nin etkilerini birleştirir. Doygun ekstrakt katyonları, SAR değeri ve Sherard dispersibilite kartından elde edilen değerlendirmeyle gösterilir. TDS; zeminde var olan tuz miktarının göstergesidir ve floküle yada dispers durumda olan zeminlerin belirlenmesinde önemlidir. Bu deney sonuçlarının yöntemde veri olarak değerlendirmeye alınmasının nedeni, dispersibilite ile ilgili bir çok faktörün etkisinin dikkate alınmış olmasındandır. Değerlendirmeye alınan deneylerin puanlanması çizelge de sunulmuştur. Her deneyin dispersibilite derecesine göre verilen puanların toplamı, analizde dispersibilitenin belirlenmesinde kullanılır. Her numune için elde edilen toplam puan, ve daha yüksek ise yüksek dispersif, 8- arasında puan orta derecede dispersif, 5-7 arasında puan az derecede dispersif ve yada ten küçük toplam puan dispersif olmayan zemin sınıflandırmasına girer. Çizelge Dispersif Zeminlerin Tanımlanması İçin landırma Sistemi İğne deliği deneyi CEC ESP Dağılma deneyi SAR TDS - % Na Değerlendirme Toplam Dispersif 5 Yüksek dispers Çok reaksiyon < Dispersif Yüksek dispers Orta Hafif Dispersif Marjinal Orta reaksi. Az reaksiyon.5 Geçiş Orta dispers Az dispers 8-5 7 Reaksi. yok.5 > DENEYSEL ÇALIŞMA Çalışmamızda ilk olarak, Afyon, Bilecik, Eskişehir ve Kütahya il sınırlarında bulunan ayrı baraj yerinde incelenmiş ve bu barajların malzeme ocaklarından numune alınmıştır. Araziden alınan numune üzerinde öncelikle tanımlama deneyleri gerçekleştirilmiş ve sonra dispersibilite deneyleri yapılmıştır. Doygun ekstrakttan alınan numunede kimyasal deneyler yapılırken, fiziksel deneyler olarak dağılma ve çifte hidrometri deneyleri ile iğne deliği deneyi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deney sonuçları dispersibilite açısından değerlendirilmiş ve diskriminant analizi uygulanarak sınıflandırmaya tabi tutulmuştur.
Bu sınıflandırma sisteminde numunelerin deney sonuçlarına göre aldıkları dispersibilite puanları ve bunların toplanması ile elde edilen puan Çizelge de özetlenmiştir. Numunelerin aldıkları toplam puanlar, dispersibilite derecelerini ifade eden gruptan hangisine ait olduğunu belirlemede kullanılmaktadır. Bu gruplandırmayı temel alan dispersibilite sınıflandırmasına göre; numunelerden 5 tanesi dispersif değil sınıfına karşılık gelen. grupta olduğu görülmektedir. numune az derecede dispersif sınıfı olan. grupta, numune orta derecede dispersif sınıfı olan. grupta ve kalan numunenin ise yüksek derecede dispersif sınıfı olan. grupta yer aldıkları görülmektedir. Çizelge landırma sisteminde numunelerin deneylere göre değerlendirmeleri ve gruplandırma sonuçları (*) Numune No Numune Adı İğne Deliği CEC-ESP Deneyi SAR TDS-Na (%) Dağılma Toplam (*) Serban Brj ND ( ) M (),8 () B () K () Akdeğirmen Brj ND () ND (),8 () B () K () Akdeğirmen Brj ND () ND (),9 () B () K () Karacaoren Glt ND () M ().8 () B () K () 5 Karacaoren Glt ND () M ().6 () B () K () 6 Tinaztepe Glt D () M ().5 () B () K () 6 7 Taşoluk Glt ND () M ().9 () B () K () 8 Kırka Glt ND () D (). () C () K () 8 9 A. Kuzfındık Brj ND () ND ().9 () B () K () A. Kuzfındık Brj SP () ND ).9 () B () K () A. Kuzfindık Brj ND () ND ().5 () B () K () A. Kuzfındık Brj - ND ().6 () B () A. Kuzfındık Brj ND () ND ().5 () B () K () A. Kuzfındık Brj NDSP() ND ().7 () B () K () 5 Kızıldamlar Brj NDSP() D (). () B () K () 6 Kızıldamlar Brj ND () M (). () B () K () 7 Kızıldamlar Brj NDSP () H (). () C () K () 9 8 Kızıldamlar Brj ND () ND ().6 () B () K () 9 Kurtkoy Brj ND () ND ().76 () B () K () Hasanlar Brj NDSP () M ().86 () B () K () Hasanlar Brj SP () ND ().56 () B () K () Gürsöğüt Brj SP () ND ().9 () B () K () Gürsöğüt Brj ND () ND (). () B () K () Gürsöğüt Brj ND () ND ().8 () B () K () 5 Gürsöğüt Brj ND () ND (). () B () K () 6 Gürsöğüt Brj ND () ND (). () B () K () 7 Gürsöğüt Brj ND () ND ().5 () B () K () 8 Afyon Atık Brj. D (5) HD () 58. () A () K () 5 9 Afyon Atık Brj. ND () D ().7 () A () K () 8 Afyon Atık Brj. D (5) D ().9 () C () K () Afyon Atık Brj. ND () M ().9 () C () K () : Numunelerin aldıkları toplam puanlardır. ( Parantez içindeki değerler numunelerin ilgili deneyden aldıkları puanlarıdır.)
Diskriminant analizi; bir sınıflandırma yöntemi değil, belirlenen 5 dispersibilite deney yöntemi sonuçlarını birlikte dikkate alarak sınıflandıran bir değerlendirme sistemidir. Yapılan sınıflandırmanın doğruluğunu kontrol etmekte kullanılır. Bu amaçla, 5 ayrı deney grubundan elde edilen veriler, önce fiziksel ve kimyasal olarak iki grupta toplanmış ve bu iki grubun puanları belirlenmiştir. Bu puanlara bilgisayarda istatistik programı (SPSS) ile diskriminant analizi uygulanmıştır. Analizin uygulanmasından elde edilen sonuçlar ile puanlama sonunda elde edilen sonuçlar arasında % 96.77 lik bir benzerlik görülmüştür. Yüksek oranda elde edilen benzerlik, gruplandırmanın doğru olduğunu ifade etmesi bakımından önemlidir. Numunelerin yapılan analiz sonucu gruplara dağılımını şekil de gösterilmektedir. Grafikte, her grup farklı şekille belirtilirken, grup merkezleri grup numarası ile birlikte x işaretiyle gösterilmektedir. Grup merkezlerinin grafikteki yeri, her gruptaki numunelere ait fonksiyon değerlerinin aritmetik ortalamalarının alınmasıyla belirlenmektedir. Grafiğin eksenlerini oluşturan diskriminant fonksiyonları matematiksel ifade olarak F ve F denklemleriyle gösterilmiştir. 8 6 Diskriminant Fonksiyonu - - Grup Merkezleri.Gr (Çok Dispers).Gr (Orta Dispers).Gr (Az Dispers).Gr (Dispers Degil) - - 6 8 Diskriminant Fonksiyonu Şekil Diskriminant Analizine Göre Numunelerin Gruplara Dağılımı Diskriminant Fonksiyonu : F = -.77 X +. X.677 Diskriminant Fonksiyonu F =, X,78 X,76
Bu fonksiyonlarda X ve X değişkenleri, numunelerin sınıflandırmaya göre aldıkları puanlardır. X değişkeni numunenin fiziksel deney sonuçları toplamından elde edilen puanı, X değişkeni numunenin kimyasal deney sonuçları toplamından elde edilen puanı göstermektedir. Bu puanlar fonksiyonlardaki değişkenlerin (X, X ) yerine konulduğunda, her numunenin grafikteki yerini gösteren değerler elde edilir. BULGULAR Diskriminat analizi yardımıyla bir çok dispersibilite deneyinin sonuçları dikkate alınmış olmaktadır. Böylelikle, tanımlaması zor olan dispersibilite özelliğine daha güvenilir bir yaklaşım elde edilecektir. Çünkü sistem, kil zeminlerin fiziksel ve kimyasal bir çok özelliğini dikkate almaktadır. Ayrıca yeni bir numunenin dispersibilite derecesinin belirlenmesinde, bu fonksiyonların kullanımı ile değerlendirme yapılabilir. Numunenin fiziksel ve kimyasal deney sonuçlarından elde edilen puanlar, F ve F fonksiyonlarındaki değişkenlere atanarak, grafikte grubu belirlenir. Numunenin grafikteki yeri, hangi grubun merkezine yakınsa o gruba aittir, ilişkisi ile tanımlanır. Ancak bu şekilde sınıflandırılacak numune sayısı çok ise bilgisayarda yeniden analiz yapmak daha uygun olacaktır. Çünkü çok sayıdaki değişken veri, gruplandırmaları etkileyecektir. KAYNAKLAR. Zorluer İ.,, Toprak Dolgu Barajlar Yönünden Dispersif Killer ve Tanımlama Yöntemlerinin Karşılaştırılması, Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir.. Bell, F.G., de Bruyn, A., 997, "Sensitive, expansive, dispersive and collapsive soils", Bulletin of the International Association of Engineering Geology, Oct., 56, 9-8.. Craft, D., 986, The Application of Multivariate Statistics and Saturation Extract Data to Identify Dispersive Clay Soils, Geotecnical Testing Journal, GTJODJ, V.9, pp -7. Bell, F. G., Walker, D. J. H.,, A further examination of the nature of dispersive soils in Natal, South Africa, Quaterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, V., pp 87-99. 5. Özdamar, K., 999, Paket Programlar ile İstatistiksel Veri Analizi, Kaan Kitabevi, İstanbul. 6. Tatlıdil, H., 996, Uygulamalı Çok Değişkenli İstatistiksel Analiz, AkademiYayınevi, Ankara.