ZEMİN MEKANİĞİ VE TEMEL İNŞAATI Yrd. Doç. Dr. SAADET A. BERİLGEN 1
Temel zemini; masif kaya ve kayaların parçalanarak gelişmesinden doğan ufak daneciklerin yığınından oluşmuştur. Zeminler, kayaların ayrışarak parçalanmasından oluşmaktadır. Bu ayrışma işlemi fiziksel ve kimyasal yollarla olmaktadır. Yer yüzünün yüzeysel bütün kayaları; don, yağmur ve ısı değişiminin yıkıcı etkileri ile rüzgar, buz, yerçekimi ve akarsuların sürükleme etkilerine uğrar. 2
Zeminin çeşitli oluşum araçlarından en önemlisinin akarsular olduğu bilinir. Akarsular bir göl veya denize ulaştıklarında, taşınan zemin daneleri suyun hızı yeter ölçüde azaldığında; önce büyük, sonra küçük daneler olmak üzere derecelenerek çökelir. Böylece, jeolojik bakımdan daha genç akarsular ile akarsu yataklarının üst kesimlerinde çoğunlukla kaba kum ve çakıllar bulunur. Buna karşılık, eski akarsularda ve alt kesimlerde silt ve killer çoğunluktadır. 3
ZEMİN MÜHENDİSLİĞİ PROBLEMLERİ Temeller ile ilgili problemler Zeminlerin inşaat malzemesi olarak kullanılması Kazılar ve Şevler İstinat Yapıları Yeraltı Yapıları JEOLOJİ, ETÜD DENEYİM EKONOMİ + MÜHENDİSLİK SAĞDUYUSU ÇÖZÜM 4
Neden zemin özelliklerini belirlemek bu kadar önemlidir? Çünkü tüm yapılar ya zeminden ya zemin üzerine yada her ikisinin de doğru olduğu durumlarda inşa edilirler. Kimler zeminle ilgilenirler? İnşaat,Çevre,Jeoloji ve Jeofizik Mühendisleri (yapı, ve geoteknik) yapım esnasında zemin özelliklerini doğru yorumlayabilmelidirler. 5
Transcosna Grain Elevator, Kanada Oct. 18, 1913 Batı yönündeki yapı temelinde 73 cm lik oturmalar belirlenmiştir. 6
Oturmalar Palacio de las Bellas, Artes, Mexico City Pisa Kulesi 7
Kayma Göçmesi Şev Stabilitesi 8
Zemin Nedir? Zemin kayaların ayrışması sonucu oluşan katı daneler ile bunlar arasındaki su ve/veya hava dolu boşluklardan meydana gelen, içinde organik maddeler içerebilen doğal malzemelerdir. Eğer daneler çok iri ve çimentolanma etkisiyle birbirine yapışık haldeyse kaya veya taş adını alır. Su Hava 9
Zemin malzemesi Zeminler mekanik davranışları çok geniş bir aralıkta değişebilen çok heterojen ve karmaşık malzemelerdir. Zeminler lineer veya tek bir gerilme-şekil değiştirme ilişkisine sahip değillerdir. Zemin davranışı basınç, zaman ve çevreye bağlıdır. Zemin her yerleşimde farklıdır. 10
Oluşma Biçimlerine Göre Zeminler Rezidüel (Yerinde oluşmuş) Taşınmış Zemin Taşınma Türü: Rüzgar Deniz (Deniz tuzu) Göl (fresh water) Irmak Buz Özel adı: Aeolian Marine Lacustrine Alluvial Glacial 11
Laboratuar Deneylerinin Organizasyonu Zemin Özellikleri Fiziksel (Zemin Karakteristikleri) Mekanik Su Muhtevası Birim Ağırlık Özgül Yoğunluk Dane Dağılımı Atterberg Limitleri Permeabilite Sıkışabilirlik Mukavemet (Kayma) Geoteknik Mühendisliği Yapı Mühendisliği Temel Mühendisliği Çevre Mühendisliği (Zemin Sınıflandırması) Geoteknik Mühendisliği Yapı Mühendisliği Temel Mühendisliği 12
Zemin daneleri birbirlerine yaklaşarak kaynaştıklarında, zemin yapı veya iskelet ini oluştururlar. Zemin iskeleti Bağımsız zemin daneleri Yükler zemin iskeletine yüklendiğinde deformasyonlar oluşur. 13
Dane Biçimi İri Daneli Zeminler Köşeli Yarı köşeli Yarı Yuvarlak Yuvarlak 14
Dane Biçimi İnce Daneli Zeminler Kil Plaka şeklinde Spesifik Yüzey= Yüzey alanı/hacim Dane Kalınlığı Dane Çapı Spesifik Yüzey Kil minerali (x.10-6 mm) (x.10-6 mm) (m 2 /gr) Kaolin 50-2000 300-4000 15000 Klorit 30 10000 800000 İllit 30 10000 800000 Montmorillonit 3 100-1000 8000000 15
Zeminlerin Endeks Özellikleri Dane Özellikleri Dane boyutları, biçimleri, yoğunlukları ve mineralojik özellikleri. Kütle Özellikleri Zemini oluşturan katı, sıvı ve gaz kısımların birbirine göre hacim veya ağırlık oranları, zeminin dokusu, kıvamı ve iç yapısı gibi bünyesel özellikleri. 16
Bir çok farklı zemin çeşidi vardır. Bu farklılık zeminlerin dane boyutlarından ve onları birbirine bağlayan doğal malzemelerden ortaya çıkmaktadır. 17
Dane Tipleri ve Daneler Arası Bağlar Kaba Daneli Zeminler { Zemin Tipi Dane Tipleri Daneler arası bağlar Çakıllar Kuartz ve Feldispat (Yuvarlak veya köşeli) Sürtünme Kumlar " Sürtünme ve kimyasal { İnce Daneli Zeminler Siltler Çoğunlukla kuartz Sürtünme, kimyasal ve elektriksel Killer Mika, kaolinit, bentonit (Çok küçük düzlemsel daneler) Kimyasal ve elektriksel 18
Başlıca Zemin Grupları Kohezyonlu Zeminler Granüler zeminler veya Kohezyonsuz zeminler Kil Silt Kum Çakıl Taş Kaya 0.002 0.075 2.00 63 200 Dane Boyutu (mm) İnce Daneli zeminler Kaba Daneli zeminler 19
Dane Çapı Dağılımı Tabii zeminler değişik boyutlarda danelerin bir karışımında oluşmaktadır. Zeminlerde dane çapı dağılımının belirlenmesi: Kaba daneli zeminlerde... Elek Analizi ile İnce daneli zeminlerde... Hidrometre analizi ile Elekler hidrometre Elek Analzi Elek Sarsma aleti Hidrometre Analizi zemin/su süspansiyonu 20
Elekten Geçen (%) Dane Çapı Dağılımı Eğrisi 100 4 10 20 40 100 200 Elek No. 80 60 Elek Analizi Çökeltme Analizi 40 20 0 10 1 0.1 0.01 0.001 Dane Çapý (mm) 21
Dane Çapı Dağılımının Önemi Zeminin Su geçirgenliği Zeminin Mukavemeti Zeminin Sıkışabilirliği Zemin içinde kapiler su yükselmesi Zeminlerin dondan etkilenmesi Zeminin su geçirgenliğine bağlı olarak yük altında sıkışma hızı Yukarıdaki özelliklere göre malzeme seçimi Zeminlerin sınıflandırılması 22
Elek Analizi İri daneli zeminlerdeki dane çapı (boyutu) dağılımını bulmak için, zemin çeşitlik büyüklükte açıklıkları olan bir seri standart elekten geçirilmekte ve değişik boyutlar arasında kalan danelerin ağırlık yüzdesi (toplam kuru ağırlığa oranı) saptanmaktadır. 23
24
Başlıca Standart Elek Çapları Elek No Elek Açıklığı (mm) 4 4.75 10 2.00 20 0.85 40 0.425 60 0.25 100 0.15 200 0.075 25
Grain Size Distribution Curves D 60 D 30 D 10 0.15 mm 0.4 mm 0.8 mm Dane çapı dağılımı (Granülometre) eğrisi 0.8 mm 5.3 0.15 mm 0.4 0.15 0.8 26 1.33
Uniformluk ve Derecelenme Katsayıları Granülometri eğrisinden çakıl,kum ve ince daneli zeminlerin ağırlıkça yüzdeleri(%) bulunabilir D 10, D 30, D 50 D 60 değerleri zemin içindeki danelerin %10,%30,%50 ve %60 nın daha küçük olduğu çap değerleridir. D 10, efektif dane çapı, D 50 ortalama dane boyutu olarak adlandırılmıştır Dane çapı eğrilerinin biçimini tanımlayabilmek için bazı katsayılar C u (Üniformluk katsayısı) ve C c (Derecelenme katsayısı) tariflenmiştir. Üniformluk katsayısı zeminin iyi mi kötü mü derecelendiğini, derecelenme katsayısı ise eğrinin biçimini göstermektedir. C u D D 60 10 C c 2 D30 ( D )( D ) 10 60 27
İyi ve Kötü Derecelenmiş Zeminler İyi Derecelenmiş Zeminler Geniş bir aralıkta dane çapı içerenler Çakıllar: C c = 1-3 & C u >4 Kumlar: C c = 1-3 & C u >6 Kötü Derecelenmiş Zeminler İki farklı şekilde olabilir: (a) Üniform zeminler Danelerin büyük bir çoğunluğu küçük bir çap aralığında olan zeminler (b) Belirli bir boyut aralığında dane çapı içermeyen zeminler 28
Elekten Geçen (%) Tabii Zeminlerin Dane Çapı Dağılımı 100 4 10 20 40 100 200 Elek No. 80 60 40 İyi Derecelenmiş Ýyi De re ce le nmiþ Kötü Kötü DeDerecelenmiş nmiþ 20 Uniform Üniform 0 10 1 0.1 0.01 0.001 Dane Çapý (mm) 29
Hidrometre (Islak)Analizi Hidrometre Yöntemi 151H veya 152H Pipet Yöntemi L =30 30
İnce daneli zeminlerin (siltler ve killer) dane çapı dağılımını deneysel olarak belirlemek üzere amacıyla kullanılan yöntemlerdir. Belirli miktarlarda zemin ve su ile hazırlanmış süspansiyon içindeki küresel katı maddelerin yoğunluğu farklı zamanlarda bir pipetle numune alınarak veya süspansiyona hidrometre batırılarak ölçülür. Süspansiyonda kalan danelerin çapı Stoke kanunu kullanılarak, 3000 vl D ( G 1)10 T hesaplanabilmektedir. w 31
Bu eşitlikte L T v w G Yoğunluğun ölçüldüğü derinlik, Ölçüm zamanı Suyun vizkozitesi Suyun tabii birim hacim ağırlığı Danelerin özgül yoğunluğu Danelerin birbirine yapışmasını önlemek amacıyla süspansiyona sodyum hexametafosfat bir katkı katılmaktadır. 32
Hidrometre Deneyi (Devamı) Hidrometre deneyinde 50 g zemin ile 1000 ml lik bir zemin-su süspansiyonunda 20 0 C lik oda sıcaklığında danelerin oturması izlenmektedir. Okumalar 15, 30, 60 saniyelerde ve sonra 2, 5, 15, 30 and 60 dakika zaman aralıklarında alınmaktadır. 33
34