Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onbirinci Ulusal Kongresi 7-8 Eylül 2006, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon DÜŞÜK PLASTĐSĐTELĐ KĐLLERĐN ÖNKONSOLĐDASYON BASINCININ ÇEŞĐTLĐ YÖNTEMLERLE BELĐRLENMESĐ THE EVALUATION OF PRECONSOLIDATION PRESSURES OF VARIOUS LOW PLASTICITY SUBGRADES USING DIFFERENT METHODS A. ŞENOL 1, M. HATĐPOĞLU 2, T. Y. ÖZÜDOĞRU 3, Z. N. TAYLAN 4 ABSTRACT In the field a soil at a depth has been subjected to a certain maximum effective overburden pressure in its geologic history and the maximum effective overburden pressure may be equal to or less than its existing overburden pressure. In the Geotechnical Engineering applications it is important to determine the preconsolidation pressure in order to observe the stress history and the consolidation behavior of the clayey soils. As it is all known, the stress and strain behavior of the soils under the stress conditions for lower and upper values of the preconsolidation pressure is different. Therefore it is significant to determine the preconsolidation pressure of the soil accurately and sensitively. The goal of this paper is to compare five of the preconsolidation determination methods which are Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol and Tavenas methods. It is aimed to evaluate a significant relation between these five methods by using several low plasticity clay samples. Then, the conventional oedometer tests were performed on 10 low plasticity clay (CL) samples coming from 10 different regions of Turkey. At last step the data obtained from these tests were applied to the present five preconsolidation pressure determination methods. It is targeted to evaluate the results of the analysis by using statistical methods. ÖZET Killi zeminlerin konsolidasyon davranışı ve gerilme geçmişinin belirlenmesi açısından, önkonsolidasyon basıncının saptanması önem taşımaktadır. Bilindiği gibi kohezyonlu zeminlerde önkonsolidasyon basıncından daha düşük veya daha yüksek değerlerde mukavemet ve sıkışma davranışları farklılık göstermektedir. Bu nedenle, önkonsolidasyon basıncının hassas ve gerçekçi olarak belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Türkiye nin çeşitli bölgelerinden gelmiş olan 10 adet düşük plastisiteli kil (CL) numunesi kullanılmıştır. Bu numuneler üzerinde yapılan ödometre deneyinden elde edilen veriler kullanılarak, önkonsolidasyon basınçları belirlenmiştir. Önkonsolidasyon basınçları; geoteknik mühendisliği literatüründe verilmiş olan 11 yöntemden, kademeli yüklemeli 1 Y.Doç.Dr., ĐTÜ, Đnşaat Fakültesi, Geoteknik AD 34469, Đstanbul, senol@itu.edu.tr 2 Araş.Gör., ĐTÜ, Đnşaat Fakültesi, Geoteknik AD 34469, Đstanbul, mhatipoglu@ins.itu.edu.tr 3 Araş.Gör., ĐTÜ, Đnşaat Fakültesi, Geoteknik AD 34469, Đstanbul, ozudogru@itu.edu.tr 4 Araş.Gör., ĐTÜ, Đnşaat Fakültesi, Geoteknik AD 34469, Đstanbul, taylanz@itu.edu.tr 476
ödometre deneyine uygun olan, Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas yöntemleri olmak üzere beş değişik yöntem kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu yöntemlerden elde edilen sonuçlar, matematiksel ve istatistiksel metotlar kullanılarak değerlendirilmiş ve yöntemlerin hassasiyeti incelenmiştir. Anahtar Sözcükler: Önkonsolidasyon basıncı, konsolidasyon, düşük plastisite. 1. GĐRĐŞ Zemin konsolidasyon davranışını algılamak ve çeşitli hesaplama yöntemleri geliştirmek amacıyla birçok bilim adamı senelerce süren araştırmalar yapmışlardır. Bu çalışmalar, artık günümüzde zeminin konsolidasyonu hakkında birçok bilinmeyeni, geoteknik mühendislerinin hizmetine sunmuştur. Anizotrop, heterojen ve üç fazlı ortama sahip olan ve diğer mühendislik malzemelerinden çok daha farklı bir özellik gösteren zemin, üzerine bir yük uygulandığında elastik, plastik veya bunların karışımından meydana gelen deformasyonları gösterebilmektedir. Dolayısıyla zemin, böyle bir özelliğe sahip olduğu için, her cins zeminde farklı davranış özelliklerine rastlanmaktadır. Üstyapı için büyük bir önem teşkil eden zeminin oturma miktarı ve oturma zamanı, konsolidasyon olayından elde edilen veriler ile belirlenebilmektedir. Zemin mekaniğinde önemli bir parametre olarak nitelendirilen önkonsolidasyon basıncı (σ c ), bir zemin tabakasının günümüze kadar olan süre içerisinde etkisinde kaldığı en büyük gerilme olarak tanımlanmaktadır. Zemin geçmişte mevcut durumdan daha büyük bir gerilme altında kalmış ise ve zamanla erozyon, heyelan, buzul erimesi, vb. doğa olaylar sonrasında bu gerilme miktarında bir azalma meydana gelmiş ise bu tür zeminler Aşırı Konsolide Zeminler' olarak nitelendirilir. Böyle zeminlerde, önkonsolidasyon basıncının değeri, zemine uygulanan güncel düşey gerilmeden daha büyüktür. Bir zeminin normal konsolide veya aşırı konsolide olduğunu saptamak için önkonsolidasyon basıncının belirlenmesi gerekmektedir. Konsolidasyon oturması hesaplarında önemli olan önkonsolidasyon basıncı değeri, geoteknik mühendisliği literatüründe mevcut 11 yöntem ile tahmin etmek mümkündür. Burmister, Butterfield, Casagrande, Da Silva, Eski Yöntem, Janbu, Schmertmann, Sridharan, Şenol, Tavenas ve Van Zelst yöntemleri bilinen önkonsolidasyon basıncını belirleme metotlarıdır. 2. ÖNKONSOLĐDASYON BASINCINI BELĐRLEME YÖNTEMLERĐ Geoteknik mühendisliği literatüründe 10 araştırmacı tarafından geliştirilmiş mevcut 11 adet önkonsolidasyon basıncı yöntemi vardır. Bunlar Burmister, Butterfield, Casagrande, Da Silva, Eski, Janbu (2 adet), Schmertmann, Sridharan, Şenol ve Tavenas ve Van Zelst yöntemleridir. Arazide belirli derinlikteki bir zemin, jeolojik tarihi boyunca muhakkak bir maksimum efektif jeolojik yüke maruz kalmıştır ve bu maksimum efektif jeolojik yük, şu anda üzerinde bulunan jeolojik yüke eşit veya bu yükten daha az olabilir. Arazideki basıncın azalması doğal jeolojik işlemlerden meydana gelebileceği gibi, kazı gibi insan faktörü sonucunda da meydana gelebilir. Böylece bu, zamanla aşırı konsolidasyona neden olur. Bu bildiride klasik zemin mekaniği bakış açısı ile zeminin konsolidasyon davranışını en iyi yorumlayan metotlardan Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas yöntemleri kullanılmıştır. Söz konusu yöntemlerin eksen takımları aşağıda sıralanmıştır. Casagrande yöntemi [e log σ'] Da Silva yöntemi [e log σ'] 477
Sridharan yöntemi [log (1+e) log σ'] Şenol yöntemi [σ'. H/H log σ'] Tavenas yöntemi [σ'. H/H σ'] Casagrande yöntemi (1944), günümüzde en çok tercih edilen yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Casagrande, çoğunlukla bilinen ve boşluk oranı ile gerilme arasında yarılogaritmik bir ilişkiye dayanan bir yöntemdir. Gerek eksen takımının [e log σ'] şeklinde olması, gerekse yöntemin uygulanışı kolay olduğu için kabul görmüştür. Önkonsolidasyon basıncı değerinin grafik üzerinde rahatlıkla tanımlanması, değerlendirmenin hassasiyetini doğrudan etkilemektedir. Tavenas yöntemi (1979) bilinen ve kullanılan önkonsolidasyon basıncını belirleme yöntemleri içinde, hassas ve oldukça güvenilir sonuçlar veren, en kolay ve en pratik yöntemlerden biri olarak nitelendirilebilir. Deformasyon enerjisi ile gerilme eksen takımları [σ'. H/H σ'] arasında çizilen grafik üzerinden doğrudan okuma ile önkonsolidasyon basıncı değeri elde edilir. Deformasyon enerjisi kavramı, artan gerilmeler halinde zeminin deformasyon davranışını çok net ifade ederken, eğri üzerinde bu doğrudan gözlenebilmektedir. Şenol yöntemi ise, Tavenas yönteminin geliştirilmiş hali olup, şekil değiştirme enerjilerinin toplanarak yarı logaritmik eksende çizilmesi sonucu elde edilir. Şenol yöntemi deformasyon enerjisi-yükleme eğrisinin yarı logaritmik eksen takımında Tavenas yöntemine göre zemin davranışını daha iyi ifade ettiğini ve dolayısıyla önkonsolidasyon basıncı değerinin bulunduğu değer bölgesini daha belirgin gösterdiğini söylemektedir. Sridharan yöntemi, diğer yöntemlerden daha farklı olarak zeminin konsolidasyon davranışının tam logaritmik eksen takımı kullanarak [log (1+e) log σ'] ilişkisi ile önkonsolidasyon basıncı değerinin tahmin edilmesini önermiştir. Sridharan yöntemi eksen parametreleri, Casagrande yöntemindeki gibi olsa da tam logaritmik eksen takımından elde edilen sonucun hassasiyetinin, bu eksen seçimine bağlı olduğunu vurgulamaktadır. Da Silva yöntemi ise Casagrande yöntemi ile aynı eksen takımı ve dolayısıyla aynı eğriyi kullanmaktadır. Ancak yorumlanması bakımından Casagrande yöntemine oranla daha pratik ve hata payının çok daha küçük olması nedeni ile önkonsolidasyon basıncını belirlemede geoteknik mühendislerine oldukça rahatlık getiren alternatif bir yöntem olarak literatürde yerini almıştır (Şekil 1). (Şenol ve Sağlamer, 2000, Şenol vd., 2005, 2006a, 2006b). 3. DENEY NUMUNELERĐNĐN MÜHENDĐSLĐK ÖZELLĐKLERĐ Önkonsolidasyon basıncı, kohezyonlu zeminlerin konsolidasyon davranışlarının anlaşılmasında önemli bir parametredir. Bu bildiri, Türkiye nin farklı bölgelerinden çeşitli derinliklerinden alınmış, 50 mm ring çapına sahip, birleştirilmiş zemin sınıflandırmasına göre düşük plastisiteli kil (CL) olan numunelerin ödometre deneyi sonucunda elde edilen verileri doğrultusunda, beş farklı önkonsolidasyon basıncı hesaplama yönteminin kıyaslanması ve aralarındaki ilişkinin belirlenmesini içermektedir. Tüm deneyler kademeli yüklemeli ödometre deney aletiyle yapılmıştır. Đlk adımda, zeminlerin mühendislik özelliklerini belirlemek amacı ile Atterberg limitleri, elek analizi ve hidrometre deneyleri yapılarak zemin sınıfı belirlenmiştir. Tüm deney numunelerinin Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırması na (USCS) göre düşük plastisiteli kil (CL) olduğu saptanmıştır. Daha sonra bu numuneler üzerinde kademeli yüklemeli ödometre deneyi yapılmıştır. Numunelerin su muhtevaları ve birim hacim ağırlıkları Tablo 1 de verilmiştir. 478
Şekil 1. Önkonsolidasyon basıncını belirleme yöntemleri; Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas, (Casagrande vd., 1944, Pacheco Silva 1970, Sridharan vd., 1991, Şenol, 1997, Tavenas vd., 1979). Tablo 1. Deney numunelerinin mühendislik özellikleri Numune Adı w (%) γ n Zemin Tipi (kn/m 3 ) CL-01 24 16,8 CL CL-02 45 19,6 CL CL-03 27 19,8 CL CL-04 24 19,5 CL CL-05 29 18,2 CL CL-06 23 19,6 CL CL-07 27 19,5 CL CL-10 39 17,3 CL CL-15 31 19,0 CL CL-16 25 18,4 CL 4. ÖNKONSOLĐDASYON BASINCININ BELĐRLENMESĐ Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas yöntemleri ile çalışmada kullanılan tüm düşük plastisiteli kil numunelerinin önkonsolidasyon basıncı belirlenmiştir ve Tablo 2 de sonuçlar gösterilmiştir. 479
Tablo 2. Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas yöntemlerine göre deney numunelerinin önkonsolidasyon basıncı değerleri. Numune Önkonsolidasyon Basınçları (kpa) Adı Casagrande Şenol Tavenas Sridharan Da Silva CL-01 102 141 153 92 115 CL-02 81 130 135 80 85 CL-03 106 137 154 100 140 CL-04 104 250 290 100 100 CL-05 110 250 272 100 115 CL-06 197 314 316 170 240 CL-07 265 328 341 255 230 CL-10 152 291 300 145 180 CL-15 143 286 305 130 170 CL-16 122 294 311 120 180 Bu çalışmada, 10 adet düşük plastisiteli kil numunesinin önkonsolidasyon basınçları, beş farklı önkonsolidasyon basıncı belirleme yöntemi esas alınarak belirlenmiş ve sonuçlar bu doğrultuda yorumlanmıştır. Aynı numune verileri üzerinde literatürde verilen ve kabul edilmiş farklı yöntemlerden elde edilen sonuçların ortalamasının en gerçekçi değer olduğu kabulü ile her bir metotla elde edilen sonuçlar bu ortalama değerle kıyaslanmıştır. Her bir yöntemle elde edilen önkonsolidasyon basınçlarının ortalama değerlerle arasındaki fark miktarları yüzde cinsinden Tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3. Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas yöntemlerinden elde edilmiş önkonsolidasyon basıncı değerlerinin matematiksel analizi. Farklar (%) Numune Adı Casagrande Şenol Tavenas Sridharan Da Silva CL-01-15 17 27-24 -5 CL-02-21 27 32-22 -17 CL-03-17 8 21-22 10 CL-04-38 48 72-41 -41 CL-05-35 48 61-41 -32 CL-06-20 27 28-31 -3 CL-07-7 16 20-10 -19 CL-10-29 36 40-32 -16 CL-15-31 38 47-37 -18 CL-16-41 43 51-42 -12 Ortalama -25 30 40-30 -15 480
5. SONUÇLAR Bu bildiride, geoteknik mühendisliği literatüründeki mevcut 11 adet önkonsolidasyon basıncı belirleme metotları içinden klasik zemin mekaniği teorisine göre geliştirilmiş 5 yöntem (Casagrande, Da Silva, Sridharan, Şenol ve Tavenas) seçilerek değerlendirmeye alınmıştır. Bu 5 yönteme göre yapılan hesaplamalardan elde edilen değerlerin ortalama değerlerine göre; ortalama değere en yakın sonucu veren yöntem % 15 farkla Da Silva tarafından verilen yöntemdir. Buna karşın % 40 farkla ortalama değere göre en uzak sonucu veren yöntem Tavenas tarafından verilen metottur. Da Silva yönteminden sonra en yakın sonucu veren yöntem % 25 farkla Casagrande yöntemidir. Sridharan ile Şenol yöntemlerinden elde edilen değerler ortalama değere göre % 30 farkla bulunmuştur. Sonuçlardan dikkati çeken diğer bir konu Casagrande, Sridharan ve Da Silva tarafından verilen yöntemle elde edilen değerlerin ortalama değerden her zaman daha küçük olduğu; buna karşın Şenol ve Tavenas yöntemlerinden elde edilen değerlerden her zaman daha büyük olduğudur. Bütün yöntemlerde yatay eksen farklı ölçeklerde de olsa efektif düşey gerilme değeri olarak tanımlanmıştır. Ancak düşey eksenlerde, iki farklı değer kullanılmaktadır. Casagrande, Sridharan ve Da Silva yöntemlerinde düşey eksen farklı ölçeklerde olmak üzere boşluk oranı olarak tanımlanmıştır. Tavenas ve Şenol yöntemlerinde ise düşey eksen deformasyon enerjisi olarak tanımlanmaktadır. Sonuç olarak, ortalama değerin gerçek önkonsolidasyon basıncını temsil ettiği düşüncesinden yola çıkarak, bildiride bahsi geçen beş önkonsolidasyon basıncı belirleme yönteminin pratikteki kullanımında bildiride verilen sonuçlar göz önünde bulundurulabilir. KAYNAKLAR Casagrande, A., Farum, R.E., 1944. Application of Soil Mechanics in Designing Building Foundation, Transaction ASCE. Vol. 109, Paper 2213, pp. 383-396. Pacheco Silva, F., 1970. A New Graphical Construction for Determination of the Preconsolidation Stress of a Soil Sample, Proceedings of the 4th Brazilian Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Vol. 2, No.1, pp. 225-232, Rio de Janerio, Brezilya. Şenol, A., 1997. Zeminlerde Önkonsolidasyon Basıncının Belirlenmesi, ĐTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Đstanbul. Şenol, A., Hatipoğlu, M., Özüdoğru, T.Y., 2005. The Evaluation of Preconsolidation Pressure Results of CL Subgrades GeoProb 2005, International Conference on Problematic Soils. Gazimagosa, KKTC. Şenol, A., Özüdoğru, T.Y., Hatipoğlu, M., 2006. The Evaluation of Preconsolidation Pressure in terms of Various Determination Methods for Different Clay Subgrades, GeoShanghai Conference 2006. ASCE, Şankay, Çin. Şenol, A., Sağlamer, A., 2000. Determination of Preconsolidation Pressure with New Method (Strain Energy-Log Stress), Electronic Journal of Geotechnical Engineering.Vol. 5, USA, (http://www.ejge.com/2000/ppr0015/ppr0015.htm). Şenol, A., Taylan, Z.N., Özüdoğru, T.Y., Hatipoğlu, M., 2006. The Sample Size Effect to the Values of Preconsolidation Pressure, ICPMG 2006. Hong Kong (Basımda). Sridharan, A. vd., 1991. Improved Technique for Estimation of Preconsolidation Pressure, Geotechnique. Vol. 41, No 2, pp. 263-268. Tavenas, F. vd., 1979. The Use of Strain Energy as a Yield and Creep Criterion for Lightly Overconsolidated Clays, Geotechnique. Vol. 29, No 3, pp. 285-303. 481