Uygulamalı Yerbilimleri Sayı:2 (Ekim-Kaım 2009) 28-35 KOCAELİ DE YER ALAN KİLLİ ZEMİNLERİN ZEMİN-SU ve KAYMA DAYANIMI ÖZELLİKLERİ Soil-Water and Shear Strength Propertie of Kocaeli Clay Cengiz KURTULUŞ 1, Maral ÜÇKARDEŞ 1 ve Ahmet YOĞURTÇUOĞLU 2 ÖZET Bu çalışmanın amacı Kocaeli bölgeinde yer alan killerin doygun olmadığı durumdaki hallerini incelemek ve onların laboratuar ortamında ılak-kuru devirel tetlerini ortaya çıkarmaktır. Tet onuçları ön yüklemeye tabi tutulmuş örneklerin zemin-u karakteritik eğriinin zemin özellik fonkiyonunu çok iyi göterdiğini belirtmiştir. Çalışmada uya doygun olmayan killerin u emme dayanımının hiperbolik modeli oluşturulmuş ve bu modelin parametreleri üç ekenli tetlerle elde edilmiştir. Bu model uya doygun olmayan bir kilin u emme dayanımını elde etmek için rahatlıkla uygulanabilir. ABSTRACT The objective of thi tudy i to examine the Kocaeli expanive oil in it unaturated tate and to perform the wetting-drying cycle tet of oil-water feature of it in the laboratory condition. The tet reult indicated that the oil-water characteritic curve of the pre-load ample may repreent the oil property function very well. The trength feature of the variou uction condition of the unaturated expanive oil were alo examined. The hyperbolic model of the uction trength wa provided and the parameter of thi model were determined by tri-axial tet of unaturated oil. Thi model could be eaily applied to predict uction trength of an unaturated oil. GİRİŞ Killerin karakteritik özellikleri büyük ölçüde u emme özellikleri ile değişmektedir. Suya doygun olmayan killerin aktivitei büyük ölçüde boşluk oranı ve geometri dağılımına bağlıdır. Zemin-u karakteritik eğrii aturayonun dereceini tanımlar. Bununla beraber, zemin-u karakteritik eğriini veren denklem parametrelerinin heaplanmaı oldukça zordur (Miao et al., 2002). Deneyel bet fit zemin-u karakteritik eğrii ile ilgili birçok bağıntı değişik yazarlar tarafından verilmiştir Fredlund ve Xing (1994) aşağıda verilen deneyel en iyi uyan zemin-u karakteritik eğriini vermiştir. θ(u a Q U,a,n,m ) = C(U U ) (1) w Burada θ =hacimel u içeriği Q = aturayon durumunda hacimel u içeriği a w n m { ln[ e((u U ) / a ) ]} a w 1 Kocaeli Üniveritei, Mühendilik Fakültei, Jeofizik Müh. Bl. Umuttepe Yerleşkei İZMİT-KOCAELİ. e-mail: cengizk@kocaeli.edu.tr, maral.uckarde1@kocaeli.edu.tr 2 Kocaeli Üniveritei, Ö. İmet Uzunyol M.Y.O.- HEREKE-KOCAELİ e-mail: acemy@kocaeli.edu.tr 28
Kocaeli de Yer Alan Killi Zeminlerin Zemin-Su ve Kayma Dayanımı Özelliklerinin Belirlenmei e =2.718 U a =boşluk hava baıncı U w = boşluk u baıncı U a -U w = metrik emme a = zemine hava girişi olmaı durumunda zemin parametrei olup, eğri üzerinde bükülme noktaı değerine eşittir. n = aturayon olmadığı durumdaki zemin parametrei m = rezidüel u içeriğine bağlı zemin parametrei C (U a -U w )= fonkiyonun ıfır u içeriği durumunda 1.000.000 kpa la gitmeini teyit eden düzeltme faktörüdür. Fredlund ve diğ. (1978) ature olmamış bir zemin için kayma direncini aşağıdaki gibi vermiştir τ f = c ' + (σ U ' (U U b a )tanφ + a w )tanφ (2) Burada τ f = ature olmamış bir zeminin makalama dayanımı c = efektif kohezyon ϕ = efektif kayma dayanımı açıı (σ-u a ) = net normal tre (U a -U w ) = u emme değeri ϕ b = emişteki artışa karşın oluşan kayma dayanım açıı Fredlund ve diğ. (1994) ve Vanapalli ve diğ. (1996) zemin-u karakteritik eğrilerini ve ature olmuş kayma dayanım parametrelerini kullanarak ature olmamış zeminin kayma dayanımını bulmak için birçok model önermişlerdir. Aşağıdaki bağıntı ature olmamış zeminin kayma dayanımını tepit etmek için kullanılabilir. θ θ τ = ' + ' + ' r f c (σ U a )tanφ (U a U )tan φ x (3) w θ θ r Burada θ = ature olmuş hacimel u içeriği θ r = rezidüel durumda hacimel u içeriği (3) bağıntıının ikinci terimi emmeye bağlı olarak elde edilen kayma dayanımını götermektedir. ' θ θr τu = (Ua Uw ) tan φ ( ) (4) θ θr Burada τ u = emme dayanımı olup, (4) nolu bağıntı ature olmamış zeminlerin zemin özellik fonkiyonlarını heaplamak için kullanılabilen zemin-u karakteritik eğriini götermektedir. Bununla beraber zemin-u karakteritik eğrii laboratuarda rahatlıkla elde edilebilmektedir. Bu nedenle (3) bağıntıının kullanılmaında bazı taarlanmamış hatalar oluşmaktadır. Kocaeli Killerinin Mekanik Mühendilik Parametreleri Kocaeli Türkiye nin kuzeybatıında yer almakta olup, birçok kil türüne ahiptir. Kil örnekleri Körfez ilçeinin kuzeyinden toplanmış ve laboratuarda ölçümlere tabii tutulmuştur. Killerin mühendilik özellikleri Tablo 1 de ve mineral bileşenleri Tablo 2 de verilmektedir. 29
C. Kurtuluş ve diğ. Tablo 1. Kocaeli killerinin mühendilik özellikleri Table 1. The engineering parameter of Kocaeli expanive oil Kuru Speifik yoğunluk gravite (g/cm 3 ) W O W P W L (%) (%) (%) I P Dane (%) Serbet c φ Şişme > 0.05- < < (kpa) ( 0 ) (%) 0.05 0.005 0.005 0.002 mm mm mm mm 2.45 1.6 25 27.5 62.4 43.4 76 23.4 18.4 6.1 45.6 41.9 18.4 Tablo 2. Kocaeli killerinin mineral özellikleri Table 2. The mineral component of Kocaeli expanive oil Montmorillonit İllit Kaolin Feldpar Hidromik Klorit Diğerleri 26.2 29.8 4.6 13.2 5.9 8.5 11.8 Toprak-u karakteritik eğrileri Toprak u karakteritik eğrileri u emmei ile hacimel ve gravimetrik u içeriği araındaki ilişkiyi tanımlar. Genleşme ve büzülme deformayonu büyük ölçüde u içerik değişimine bağlıdır. Genleşme u içeriği ile doğrudan ve büzülme ie u içeriği il ter orantılıdır. Verilen bir toprak örneğinin karakteritik toprak-u eğrii bir baınç plaka ile ölçülür. Bu deneyde toprak örneğinin hacimel değişimi ıfır kabul edilir. Toplanan kil örnekleri üzerine 15 barlık bir baınç plakaı uygulanarak toprak-u karakteritik eğrilerinin üzerinde iki grup tet gerçeklenmiştir. Bir grup örnek ature edilerek hacimel değişmeye bırakılmış (üzerlerine ön-yük uygulanmamış) ve diğer grup örnekler abit hacım korunarak ature edilmiştir (örnekler üzerine ön-yük uygulanmıştır). Bu örnekler platik olup, kuru yoğunlukları 1.6 gr/cm 3 tür. Her bir grup örnek için üç ulama-kuruma (wetting-drying) periyotları ölçülmüştür. Ön-yük yüklenmemiş bir örneğin toprak-u karakteritik eğrii Şekil 1 de göterilmektedir. Ölçüm onuçları ön yükleme yapılmamış toprak örneklerinin ulama-kuruma periyotlarının toprak-u karakteritik eğrii üzerindeki etkiini iyi bir şekilde götermektedir. Sulama-kuruma periyotları arttıkça ulama kuruma eğrileri araındaki hiteriz potaniyeli azalmaktadır. Şekil 2 de ön-yük yüklenmiş kil örneklerinin ulama-kuruma karakteritik eğriini götermektedir. Şekilden ulama-kuruma periyotları araındaki hiteriz, ulama-kuruma periyotları arttıkça daha kararlı olmaktadır. Ön-yük yüklenmiş ulama-kuruma devirlerinin etkii ön-yük yüklenmemiş olanlarınkinden daha küçüktür. Buna değişik başlangıç durum koşulları neden olmaktadır. Şekil 3. te ön yükleme yapılmamış toplam u emme durumundaki kil örneklerinin toprak-u karakteritik eğrileri göterilmektedir. Şekle göre killerin hava giriş ve rezidüel değerleri yaklaşık olarak 40 ve 1900 olup, θ = 31.5 %, θ r =8.41% tir. Makalama Dayanımı Suya Doygun Killerin Makalama Dayanım Teti Suya doygun killerin makalama dayanımı bilinen 3-ekenli deney ile ölçülmüştür. Kil örneklerinin yoğunluğu 1.6 gr/cm 3 olup, onuçlar Şekil 4 te verilmiştir. Kil örneğinin ölçülmüş parametrelerinden C = %23.4 ve Φ =18.6 dir. 30
Kocaeli de Yer Alan Killi Zeminlerin Zemin-Su ve Kayma Dayanımı Özelliklerinin Belirlenmei Şekil 1. Üzerine ön-yük yüklenmemiş bir zemin örneğin toprak-u karakteritik eğrii Table 1. Soil-water characteritic curve of no pre-load exerted pecimen Şekil 2. Üzerine ön-yük yüklenmiş olan bir örneğin toprak-u karakteritik eğrii Figure 2. Soil-water characteritic curve of pre-load exerted on the ample 31
C. Kurtuluş ve diğ. Şekil 3. Üzerine ön-yük yüklenmiş olan bir kil örneğinin toprak-u karakteritik eğrileri Figure 3. Soil-water characteritic curve of pre-load exerted ample Şekil 4. Doygun kil örneğinin üç-ekenli tet onuçları Figure 4. Tri-axial tet reult of the aturated expanive oil Doygun Olmayan Killerin Makalama Dayanım Deneyi Kil örneklerinin u içerikleri ve yoğunluğu tatik kompakiyon ile belirlenmiştir. Kuru yoğunluk 1.6 gr/cm 3 ve başlangıç u içeriği %16 dır. Doygun olmayan killer üç ekenli baınç deneyine tabi tutulmuştur. Deneyde U = U a -U w =50, 100, 150 kpa olarak alınmıştır. Deney u deşarjı ve makalama oranı 0.009 mm/dak şartlarında yapılmıştır. Şekil 5-8. de U = 50, 100 ve 150 kpa değerleri için doymamış bir kil örneğinin tre-train eğrileri göterilmektedir. Üç ekenli deney verileri Tablo 3 te göterilmektedir. 32
Kocaeli de Yer Alan Killi Zeminlerin Zemin-Su ve Kayma Dayanımı Özelliklerinin Belirlenmei Şekil 5. Doymamış kil örneğinin üç-ekenli tet onuçları (U = 50 kpa) Figure 5. Tri-axial tet reult of unaturated expanive oil (U = 50 kpa) Şekil 6. Doymamış kil örneğinin üç-ekenli tet onuçları (U = 100 kpa) Figure 6. Tri-axial tet reult of unaturated expanive oil (U = 100 kpa) Tartışma ve Sonuç Killerin emme dayanımında ortaya çıkan problemler ya killerin emmei doğrudan arazide ölçülerek ya da toprak-u karakteritik eğrilerinden belirlenir. Bizim onuçlar önceden yüklenmiş örneklerin toprak-u karakteritik eğrilerinin ön yüklemeye tabi tutulmamış killerden daha iyi olduğunu götermektedir. 33
C. Kurtuluş ve diğ. Şekil 7. Doymamış kil örneğinin üç-ekenli tet onuçları (U = 150 kpa) Figure 7. Tri-axial tet reult of unaturated expanive oil (U = 150 kpa) Tablo 3. Kocaeli killerinin makalama dayanım verileri Table 3. Shear trength data of Kocaeli expanive oil U (kpa) 50 100 150 C total (kpa) 46.4 64.3 79.0 τ u (kpa) 17.5 25.2 37.8 c (kpa) 23.4 23.1 23.9 φ ( 0 ) 18.6 18.8 18.5 φ b ( 0 ) 18.1 17.9 16.4 Tablo 3. te C total = C +τ u, C efektif kohezyon, τ u emme dayanımı, Φ b = tan (τ u /u ) makalama dayanım açııdır. Φ b emme arttıkça azalmaktadır. Toprak-u karakteritik eğrii ve hiteriz potaniyelin büyüklüğü kil örneğinin başlangıç trei tarafından etkilenmektedir. Ilanma-kuruma devir ayılarının artmaına paralel olarak hiteriz potaniyeli azalır ve durağan olma eğilimine girer. Ön yüklü örneğin ılanma-kuruma devir ayıının küçük olmaı durumunda ön yüklü örneklerin ılanma-kuruma eğrileri araındaki hiteriz ön yüküz olanlarınkinden daha durağandır. Ön yüklü örneğin toprak-u karakteritik eğrii kilin özellik fonkiyonunu iyi bir şekilde yanıtır. Ön yüklü kil örneğinin toprak-u karakteritik eğrii kullanılarak elde edilen θ ve θ r parametreleri durağan olup, doymamış killerinkine benzerdir. 34
Kocaeli de Yer Alan Killi Zeminlerin Zemin-Su ve Kayma Dayanımı Özelliklerinin Belirlenmei KAYNAKLAR FREDLUND, D.G., XING, A., 1994. Equation for the oil-water characteritic curve. Can. Geotech. J. 31, 521-532. FREDLUND, D.G., MORGENSTERN, N.R., WIDGER, R.A., 1978. The hear trength of unaturated oil. Can. Geotech. J. 15, 313-321. FREDLUND, D.G., XING, A., HUANG, S., 1994. Predicting the permeability function for unaturated oil uing the oil-water characteritic curve. Can. Geotech. J. 31, 533-546. MIAO L., LIU S., LAI Y., 2002. Reearch of oil-water characteritic and hear trength feature of Nanyag expanive oil. Engineering Geology, 65, 261-267. VANAPALLI, S.K., FREDLUND, D.G., PUFAHL, D.E., CLIFTON, A.W., 1996. Model for the prediction of hear trength with repect to oil uction. Can. Geotech. J. 33, 379-392. 35