BAHAR 2017 İnşaat Mühendisliği Bölümü Toprak işleri -Earthworks- Toprak işleri, bir mühendislik projesinin gerçekleştirileceği doğal arazi kesimine, inşaat için ihtiyaç duyulan biçimin verilmesi işleridir. -Earthworks and Design of Railways- Yrd. Doç. Dr. N. Özgür Bezgin o z g u r. b e z g i n @ i s t a n b u l. e d u. t r 10 Mayıs 2017 Bu işler esnasında toprağın: 1. Kazılması, 2. Yüklenmesi, 3. Taşınması, 4. Serilmesi veya yığılması, 5. Sıkıştırılması gerekir Onuncu Ders Toprak taşıması İnsan gücü- -Earth hauling Man power- İnsan gücü ile toprak taşıma: 1. Kürekle taşıma: Yatayda 4 m mesafeye, düşeyde 2 m yüksekliğe toprak atılabilir. Küreğin taşıdığı ortalama hacim 3 dm 3, dakikada ortalama 10 atım. 2. El arabası ile taşıma: Herhangi bir taşıma makinasının bulunmadığı durumlarda, yatayda 100 L 10 metre mesafe aralığında el arabası ile 50 75 dm 3 malzeme (17 25 kürek). Kalas döşeli bir yolda en fazla %8 eğim mertebesinde taşınabilir. En yüksek gidiş hızı ortalama v = 1,6 m/s dir. Toprak taşıması Makine gücü- -Earth hauling Machine power- Traktörler: İngilizcede tractor kelimesinden gelen bu makina, tutunarak çekiş (traction) kelimesinden türetilmiştir. Burada tutunulan yer zemin, tutunan tekerlek veya palet, çekişi sağlayan da tutunulan ve tutunan (tekerlek, palet) arasındaki statik sürtünme ve mekanik kenetlenmedir. Traktörler, birşeyleri çekmede veya itmede kullanılabilirler. Üzerlerine birtakım eklentiler yapılarak, buldozer, kepçe, ekskavatör gibi değişik iş makinaları olarak kullanırlırlar. Paletli veya lastik tekerlekli traktörler (2 veya 4 tekerlekli) bulunmaktadır.
Toprak taşıması Makine gücü- -Earth hauling Machine power- Buldozer -Bulldozer- Paletli traktörler, en fazla 10-15 km/saat hızda ve her türlü zemine çok iyi tutunabilmeleri nedeniyle 100 m den kısa mesafelerde toprak işlerinde tercih edilirler. Ağırlıklarının %90 ı kadar yükü çekebilirlirler/itebilirler. Lastik tekerlekli traktörler, 50-60 km/saat hızları ile 300 m ye kadar mesafelerde kullanılabilirler. Ağırlıklarının en fazla %50 sini çekebilirler/itebilirler. Bir traktöre, itici ve kazıyıcı bıçak ve kazıyıcı tırnaklar içeren parçaların takılması ile traktör, buldozer e dönüşmüş olur. 100 metre mesafe içerisinde toprak işlerinde kazıma ve taşıma amacı ile geliştirilmiş bir makinadır. Çoğunlukla paletlidirler. Ağırlıkları 10-50 Ton mertebesindedir. 110-430 HP. Buldozer -Bulldozer- Lastik tekerleki dozerlerin hız ve hareketlilikleri daha fazladır ancak paletli buldozerlere göre itki kuvvetleri daha azdır. Paletli dozerler daha zayıf zeminler üzerinde hareket edebilirler. Buldozer -Bulldozer- Palet ile toprak arasındaki statik sürtünme ve mekanik kenetlenme kaynaklı aderans, lastik tekerlek ile toprak arasındaki aderansdan çok daha yüksektir. Dozerin çalışma verimini artırmak için arazinin iniş eğiminde çalışmak tercih edilmelidir.
Buldozer -Bulldozer- Toprak taşıması Makine gücü- -Earth hauling Machine power- Buldozerler: 1. Zemin örtülerinin temizlenmesinde 2. Kaba tesviye işlerinde 3. Kazı işlerinde ve dolgu toprağının yayılmasında 4. Açılan hendeklerin doldurulmasında 5. Dağlık arazilerde diğer kazı makineleri için hizmet yolunun açılmasında 6. Her türlü çekim vb işlerde kullanılırlar. Buldozer ile gerçekleştirilen bir altyapı toprak işi -A subgrade earthwork accomplished by a bulldozer- Loder Kepçe -Loader- Loderler, kazıma ve taşıma görevinin yanında yükleyici olarak da kullanılabilen bir traktördür. Çoğunlukla lastik tekerlekli olarak üretilmişlerdir. 300 m ye kadar mesafelerde toprak işlerinde verimli kullanılabilirler. Ortalama 5-10 m 3 toprak taşıyabilirler. Daha da büyük kepçeler vardır. İngilizcede yüklemek anlamına gelen to load fiilinden türetilmiştir.
Skreyper- Kazıyıcı -Scraper- Skreyper- Kazıyıcı -Scraper- Skreyperler, buldozerlerin verimli çalışma mesafesininin ötesinde 150 1.500 m mesafeler arasında kazıma ve taşıma işlemlerinde kullanılmaktadır. Lastik tekerlekli (motorlu) ve paletli (çekilen, traktörlü) türleri vardır. Yüksek kohezyonlu killi ve kayalık zeminlerde çalışamamaktadır. Eğim aşağı çalışması tercih edilmelidir. Toprağı kazıyan bir bıçağa sahip bir besleme deposuna sahiptir. Toprak yüzeyine bastırılan bıçak tarafından kazınan toprak, araç hareketi ile depoya aktarılır ve bir başka noktada da boşaltılır. Kova hacimleri 20 m 3 olabilmektedir. Toprak İşleri ve İş Makineleri Mazlum Birecikli Greyder Tesviyeci, düzleyici- -Grader- Greyderler, buldozerler veya skreyperler tarafından kabaca oluşturulan altyapının üst yüzeyini daha ince bir şekilde düzeltmek amacıyla kullanılırlar. İngilizcede to grade fiilinin anlamlarından bir tanesi, bir yüzeyin tesviyesini yaparak eş düzeyli bir düzlem oluşturmak anlamına gelir. Genelde, bir alt yapı işinin son yüzeyi, silindirler tarafından sıkıştırmadan ve önce greyderler tarafından düzeltilir. Ekskavatör Kazıcı -Excavator- İngilizcede to excavate fiilinde türetilerek, kazı yapan anlamına gelen makinadır. Kazıyabilecekleri mesafe ve derinlik, loderler ile erilebilecek derinlik ve mesafenin çok üzerindedir. Çeşitli çene türlerine sahiptirler Yapılan bir kazıyı kamyonlara yükleyerek kazının 1.500 m ve ötesine taşınabilmesi için kullanılırlar.
Ekskavatör Kazıcı -Excavator- Kamyonlar -Trucks- Kamyonlar, skreyperler tarafından kazınamayan zeminlerin veya skreyperlerin ekonomik taşıma mesafeleri üzerinde (+1.500 m) taşımalarda veya toprağın depoya taşımasında kullanılır. Kepçeler (loder) veya kazıcılar (excavator) tarafından doldurulurlar (yüklenirler). 10 m 3 den 150 m 3 e kadar hacimlere sahiptirler. Ortalama taşıma mesafeler -Average haul distances- Tek denge çizgili bir kütle diyagramı -Mass diagram with a single balance line- Dr. Mehmet Kunt Earthworks http://www.globalsecurity.org/military/library/policy/army/fm/
Çift denge çizgili bir kütle diyagramı -Mass diagram with a two balance lines- Çift denge çizgili bir kütle diyagramı -Mass diagram with a two balance lines- Borrow: Ödünç Waste: Atık, depo http://www.globalsecurity.org/military/library/policy/army/fm/ Dr. Mehmet Kunt Earthworks Kütleler diyagramı -Mass diagram- h (m) Yarma Geçki boyunca toprak işi miktarları Yarma Kütleler diyagramı -Mass diagram- Kütleler diyagramında, herhangi bir noktadaki ordinat, o noktaya kadar olan hacimlerin toplamını verir. Apsisi oluşturan karşılaştırma çizgisi, geçki boyunca mesafelerimizin belirtildiği çizgidir. SV (m 3 ) Dolgu x (m) Kütleler diyagramı Geçki boyunca herhangi bir noktadaki hacimler toplamı, karşılaştırma çizgisinin üstünde ise, dengelenmemiş yarma hacmini, altında ise dengelenmemiş dolgu hacmini gösterir. Kütleler diyagramının son noktası, karşılaştırma çizgisinin üstünde ise, yol kesiminin tümü üzerinde yarma ve dolgu hacimleri birbirini dengeliyor demektir. x (m) Kütleler diyagramının son noktası, karşılaştırma çizgisinin üzerinde ise yarma fazlası; altında ise dolgu fazlası var demektir. Kaynak: Necdet Tosun Toprak İşlerinde Brückner Uygulamaları
Kütleler diyagramı -Mass diagram- Kütleler diyagramı -Mass diagram- Kütleler diyagramında, herhangi iki noktanın ordinatları arasındaki fark, iki nokta arasındaki dengelenmemiş hacme eşittir. Kütleler diyagramında artan eğimler yarmayı, azalan eğimler dolguyu gösterir. Kütleler diyagramında, en yüksek noktalar yarmadan dolguya geçiş olduğunu; en düşük noktalar ise dolgudan yarmaya geçiş olduğunu gösterir. Kütleler diyagramında, karşılaştırma çizgisine paralel çizilerek oluşturulan kapalı alanlar içerisinde yarma ve dolgular dengelenmiştir. Kütleler diyagramı -Mass diagram- Taşımalar ve taşıma yönlerinin gösterimi -Haul and haul direction notation on the mass diagram- Tünel, köprü bulunan kesimlerde toprak dengelemesi köprü veya tünele kadar kesim arasında düşünülür. Kütleler diyagramında dengeleme amacıyla oluşturulan kapalı alanlarda; tepe kesimlerinde taşımalar soldan sağa; vadi kesimlerinde taşımalar sağdan sola doğrudur. Kaynak: Necdet Tosun Toprak İşlerinde Brückner Uygulamaları
Kazılara dair -About excavations- Dolgulara dair -About fills- Bir altyapıyı oluşturan yarma kazısı, asgaride bir zemin üzerindeki nebatı toprağın ve organik malzemenin (ağaç kökleri vb) kaldırılmasını içerir. Böylesi bir zemin üzerine asla üstyapı inşa edilmez zira organik malzeme zaman içerisinde çürüyerek boşluk oluşumuna ve ardından çökmelere neden olabilir. Eğim, araçların tırmanabileceği değerden büyükse, öncelikle zemin araçların tırmanabileceği eğim düzeyine getirilir. Toprak İşleri Prof. Dr. Mustafa Karaşahin Sıkıştırma -Compaction- Sıkıştırma neden gereklidir? -Why is compaction needed?- Kazılan bir zeminin yoğunluğu, kazı öncesinden daha düşük bir değere iner. Yoğunluğun azalması, zeminin kazıya direncinin azaltılması ve birim hacim içerisindeki zemin tanelerinin ara mesafelerinin artması sonucu oluşur. Direnç Yoğunluk Sıkıştırma ile zeminin: 1. Taşıma kuvveti artar. 2. Çökmeleri azalır. 3. Kararlılığı artar. 4. Su geçirgenliği azalır. 5. Donma ve çözülme zararları azalır. Yarılan zeminin dolgu malzemesi olarak kullanılabilmesi için zemine yoğunluk kazandırmak gerektirmektedir.. Toprak zeminleri genel olarak 3 küme içerisinde düşünebiliriz: Kohezyonlu (cohesive), tanesel (granular) ve organik. Organik zemin, dolgu için kesinlikle uygun değildir.
Sıkıştırma -Compaction- Sıkıştırma -Compaction- Sıkıştırılmak istenen zeminin bir miktar su içermesi, birbirine yakınlaştırılmaya çalışılan parçacıkların birbirleri üzerinden kayarak daha rahat hareket etmelerini sağlamaktadır. Eğer zemin kuru olursa, parçacıklar arasındaki sürtünme artmakta ve belirli bir sıkılık için harcanması gereken enerji artmaktadır. Eğer zemin çok ıslak olursa, bu seferde parçacıklar arasında varolan su, parçacıkların birbirlerine yakınlaşmasına engel olmakta ve sıkıştırma için harcanan enerji, parçacıklar arasındaki hapsolmuş suyu uzaklaştırmak için harcanmaktadır. Bu nedenle su muhtevası, parçacıklar arası sürtünmeyi azaltacak kadar çok ancak yakınlaşmayı engelleyecek kadar da çok olmamalıdır. Su muhtevası (water content), birim hacimdeki su ağırlığının birim hacimdeki katı ağırlığına oranıdır. En uygun su muhtevasında ulaşılan sıkışma ile elde edilen kuru ağırlık ile su muhtevası ve ıslak ağırlık arasında bir ilişki bulunmaktadır. γ ıslak γ kuru = %su muhtevası 1 + 100 Su ağırlığı %su muhtevası = Katı ağırlığı Sıkıştırma için kullanılan yöntemler -Methods used for compaction- Sıkıştırılmak istenen zeminin türüne göre, sıkıştırıcı (compactor) veya silindir adı verilen makinalar kullanılmaktadır. Sıkıştırma konusu içerisinde irdelenmesi gereken 4 temel konu: Zeminin türü, zeminin tane dağılımı (granulometry), zeminin su içeriği ve belirli bir derece sıkıştırma için harcanacak enerji Sıkıştırma etkisi 4 şekilde uygulanır: 1. Titreşim 2. Darbe 3. Yoğurma 4. Basınç Dinamik Statik Sıkıştırma için kullanılan makinalar -Machines used for compaction- Statik sıkıştırıcılar, belirli ağırlığa sahip çelik bandajlı silindirler veya yanyana dizili lastik tekerlekli silindirlerin, bir yüzeyin üzerinde hareket ederek aracın ağırlığı ve tekerleklerin basıncı ve sıkılığı ile sıkıştırma yapar. Dinamik sıkıştırıcılar ise merkezden uzak bir ağırlık içeren makinaların, bu ağırlığın döndürülmesi ile makinanın ağırlığına ek olarak yere belirli bir frekansta kuvvet uygulanması yöntemi ile sıkıştırma yapar. Dinamik sıkıştırıcılarda sağlanan titreşimler ile özellikle tanesel (granüler) zemini oluşturan parçaların birbiri üzerinden kayarak hareket etmesi ve daha iyi sıkışması sağlanır.
Sıkıştırma için kullanılan makinalar -Machines used for compaction- Keçi ayaklı silindirler -Sheepsfoot rollers- Düzgün yüzeyli çelik bandajlı silindirler, homojen yapıda killi kum zeminler için uygundur. 20 Ton a kadar ağırlıkları vardır. Basınç ve titreşim (varsa) ile sıkıştırma yaparlar. Kumda ve kilde titreşimli uygulama gerekebilir. Bitişik nizam lastik tekerlekli silindirler, her türlü kohezyonsuz ve az kohezyonlu taneli zeminler için uygundur. Basınç ve yoğurma etkisi ile sıkıştırırlar. 15 Ton a kadar ağırlıklarda olurlar. Keçi ayaklı silindirler, plastitesi ve kohezyonu çok yüksek zeminler için kullanılır. Titreşimli/titreşimsiz, basınç ve yoğurma etkisi ile sıkıştırırlar. Çelik bandajlı ve lastik tekerlekli silindirler -Smooth wheel roller, pneumatic tired roller- Toprak dağıtımı -Earth distribution- Toprak dağıtımı, maliyetin en küçüğe indirgenmesi (yapılması gereken işin en küçüğe indirgenmesi) amacını taşır. Brükner yöntemine göre toprak dağıtımı, güzergah boyunca tüm toprağın, toprak işine uygun olduğu varsayımına göre yarma-dolgu işlemlerinde kullanılmasını içerir.
Toprak dağıtımı -Earth distribution- Toprak dağıtımı -Earth distribution- Ancak, geçki boyunca kazılan her toprak dolgu için uygun olamayacağı gibi, kazı ve dolgu arası mesafeler de taşıma maliyeti bakımından, ödünç ve depo maliyetine göre fazla olabilir. Yol boyunca zemin türlerinin ve bu türlerin dolguya elverişli olup olmadıklarının belirlenmesine gerek vardır. Geçki boyunca ayrıca, uygun depo alan olanakları ile ödünç (ariyet) olanakları da araştırılmalı ve yerleşimleri tespit edilmelidir. Kayalık ve killi araziler, ödünç bakımından uygun değildir. Zira gerek teminleri ve uygun hale getirilmeleri zordur veya dolguda serimleri ve sıkıştırılmaları zordur veya mukavemet nitelikleri zayıftır. Toprak dağıtımında taşıma mesafesi (L) ve taşıma maliyeti (M L ), ödünç maliyeti (M ö ) ve depo maliyeti (M d ) toplamı ile kıyaslanır. M L < = > M D + M Ö Toprak işi yöntem tercihleri -Earthwork method choices- Yöntem tercihleri, yöntemin mesafe ile tanımlanan maliyet fonksiyonlarına göre yapılır. Bu fonksiyonlar, mesafe ile doğrusal ilişkide olabileceği gibi doğrusal olmayan bir ilişki içinde de olabilir. Taşımada kullanılan araçların T 1, T 2,... T n araçlarının ekonomik çalıştıkları mesafeye göre sıralı olduklarını düşünelim. F 1 (l)= F 2 (l) ; F 2 (l)= F 3 (l);...; Toprak işi yöntem tercihleri -Earthwork method choices- L e1 ve l e2 T 1 ve T 2 araçlarının ekonomik taşıma mesafe sınırlarıdır. 0<l<l e1 aralığında T 1 aracı seçilir l e1 <l<l e2 aralığından T 2 aracı seçilir l> l e2 ise T 3 aracı seçilir A-B arasında T 1 aracı; AB ve C-D arasındaki T 2 aracı CD ötesinde T 3 aracı seçilir Mass diagram F n-1 (l)= F n (l)
Depo maliyeti -Storage cost- Ödünç maliyeti -Borrow cost- Depo maliyeti iki kısımdan oluşur 1. Depo yeri için ödenecek kira veya istimlak bedeli: M Di (TL/m3) 2. Taşıma maliyeti: M D (l) (TL/m3) Böylece 1 m 3 zeminin depo maliyeti: M D = M Di + M D (l) Ödünç maliyeti üç kısımdan oluşur: 1. Ödünç yeri için ödenecek istimlak veya kira maliyeti: M Öi (TL/m 3 ) 2. Kazı maliyeti: M Ök (TL/m 3 ) 3. Taşıma maliyeti: M Ö (l) (TL/m 3 ) Böylece 1 m 3 zeminin ödünç maliyeti: M Ö = M Öi + M Ök + M Ö (l) Toprak işi kararları -Earthwork decisions- Toprak işleri -Earthworks Ülkemizde, 150 m ye kadar taşıma kazı işleri içerisinde hesap edildiği için bu mesafe içerisinde taşıma ücreti ödenmez. Bu mesafeye bedava taşıma (free haul) mesafesi denir.
Taşıma momenti ve ortalama taşıma uzaklığı -Hauling moment and average hauling distance- Brükner Yöntemi -Bruckner s Method- Bir kütleler diyagramında tespit edilen dağıtım çizgileri boyunca taşınan malzeme miktarları V n ve taşıma yapılan mesafe değerlerinin (L n, l n ) çarpımlarının toplamının, taşınan toplam hacme bölünmesi, ortalama taşıma mesafesini verir. Varsayımlar: Taşıma maliyeti, taşıma uzaklığı ile orantılıdır. Yarmadan çıkan malzeme, dolgu için uygundur. Kazı fiyatı sabittir. Toprak dağıtımı, ödünç malzeme gerekliliği ortaya çıkarmayan karşılaştırma çizgisi boyunca yapılır. Dağıtımda, yarma fazlası malzemenin depoya gönderilmesine izin verilir. 1 m 3 zemini 1 m uzaklığa taşınmasıyla yapılan işe taşıma momenti denir. Brükner Yöntemi ile dağıtım -Distribution according to Bruckner s Method- Bir L mesafesi içerisinde dağıtım -Distribution within a distance of L- Önceki örnekte yer alan kütleler diyagramından yararlanarak, elimizdeki toprak işi makinalarına göre L < 1150 metre içerisinde dağıtım yapacak olsak, ödünç ve dolgu ortaya çıkmaktadır.
Bir L mesafesi içerisinde dağıtım -Distribution within a distance of L- Örnek -Example- Önceki örnekte yer alan kütleler diyagramından yararlanarak, elimizdeki toprak işi makinalarına göre L < 600 metre içerisinde dağıtım yapacak olsak, daha çok ödünç ve dolgu ortaya çıkmaktadır. Verilen kütleler diyagramında toprak dağıtımını L = 600 m ve Brükner Yöntemine göre gerçekleştiriniz. Örnek -Example- Onuncu dersin sonu L = 600 m T e ş e k k ü r e d e r i m Yrd. Doç. Dr. N. Özgür Bezgin o z g u r. b e z g i n @ i s t a n b u l. e d u. t r