Zemin Mekaniğine Giriş Zeminlerin; Tanımı Oluşumu Zemin Mekaniği ve inşaat Mühendisliğindeki Yeri Genel Özellikleri
Zemin; Kayaların farklı (mekanik ve kimyasal) etkenlerle ayrışması ve parçalanması sonucu oluşan katı parçacıkların (danelerin) ayrıştığı yerde veya değişik (su, rüzgar, buzullar) etkiler altında taşındıktan sonra, çok farklı ortamlarda çökelmesi sonucu oluşan doğal malzemedir.
Kayalar Fiziksel parçalanma veya kimyasal ayrıştırma Taşınma Birikme Yüksek sıcaklık, basınç, çimentolanma vb. Zeminler 4
1. Mağmatik Kayaçlar Bu kayaçlar magmanın soğuyarak katılaşması sonucu meydana gelirler. Yer kabuğunun yaklaşık olarak % 65'ini oluştururlar. Kökenlerini magma teşkil ettiğinden bunlara magmatik kayaç veya katılaşım kayaçları adı verilir.
Tortul kayaçlar yeryüzünde çok görülen kayaçlardır. Yer yüzeyinin yaklaşık olarak % 75'i tortul kayaçlardan müteşekkildir. Yerkabuğunun ise % 8 kadarını oluştururlar. Bunlar genellikle tabakalı olarak bulunurlar ve içerlerinde organizma kalıntıları (fosil) ihtiva ederler.tortul kayaçların büyük bir kısmı dış etmen ve süreçler tarafından yeryüzünün aşındırılması ve meydana gelen çeşitli büyüklükteki unsurların taşınarak çukur sahalarda (göl, deniz ve okyanus tabanları gibi) biriktirilmesi sonucu oluşmuşlardır. Bu olaya genel anlamda tortullaşma (sedimentasyon) denir. Biriken unsurlar önceleri boşluklu gevşek bir yapıya sahiptirler. Fakat zamanla sıkışıp sertleşirler. Diajenez adı verilen bu olayda basınç ve çimentolaşma esas rolü oynarlar. Gerçekten, bir birikme sahasında, sonradan biriken unsurlar öncekiler üzerinde ağırlıkları vasıtasıyla basınç yaparlar. Bu basınç sonucu unsurlar, aralarındaki boşlukların küçülmesi ve büyük ölçüde ortadan kalkmasıyla sıkışır ve sertleşirler. Çimentolaşmada ise, unsurlar arasındaki boşlukları dolduran suların içinde bulunan erimiş veya asılı haldeki maddeler kristalleşerek veya çökelerek unsurları birbirine bağlarlar.tortul depoların veya kayaçların oluştukları ortamlar yerden yere farklılıklar gösterirler. Bir tortul kayacın oluştuğu ortam şartlarının bütününe fasiyes denir. Tortul kayaçlar bu ortam şartlarını gerek fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ve gerekse içerdikleri hayvan ve bitki fosilleriyle aksettirirler
Organik Tortul Taşlar Bitki ya da hayvan kalıntılarının belli ortamlarda birikmesi ve zamanla taşlaşması sonucu oluşur. Organik tortul taşların en tanınmış örnekleri mercan kalkeri, tebeşir ve kömürdür. a-mercan Kalkeri : Mercan iskeletlerinden oluşan organik bir taştır. Temiz, sıcak ve derinliğin az olduğu denizlerde bulunur. Ada kenarlarında topluluk oluşturanlara atol denir. Kıyı yakınlarında olanlar ise, mercan resifleridir. b-tebeşir : Derin deniz canlıları olan tek hücreli Globugerina (Globijerina) ların birikimi sonucu oluşur. Saf, yumuşak, kolay dağılabilen bir kalkerdir. Gözenekli olduğu için suyu kolay geçirir. c-kömür : Bitkiler öldükten sonra bakteriler etkisiyle değişime uğrar. Eğer su altında kalarak değişime uğrarsa, C (karbon) miktarı artarak kömürleşme başlar. C miktarı % 60 ise turba, C miktarı % 70 ise linyit, C miktarı % 80 90 ise taş kömürü, C miktarı % 94 ise antrasit adını alır.
Akarsuların, rüzgarların ve buzulların, taşlardan kopardıkları parçacıkların çökelip, birikmesi ile oluşur. Fiziksel (mekanik) tortul taşların en tanınmış örnekleri kiltaşı (şist), kumtaşı (gre) ve çakıltaşı (konglomera) dır. a-kiltaşı (Şist) : Çapı 2 mikrondan daha küçük olan ve kil adı verilen tanelerin yapışması sonucu oluşan fiziksel tortul bir taştır. b-kumtaşı (Gre) : Kum tanelerinin doğal bir çimento maddesi yardımıyla yapışması sonucu oluşan fiziksel tortul bir taştır. c-çakıltaşı (Konglomera) : Genelde yuvarlak akarsu çakıllarının doğal bir çimento maddesi yardımıyla yapışması sonucu oluşur.
Tortul ve püskürük taşların, yüksek sıcaklık ve basınç altında başkalaşıma uğraması sonucu oluşan taşlardır. Başkalaşmış taşların en tanınmış örnekleri mermer, gnays ve filattır. a-mermer : Kalkerin yüksek sıcaklık ve basınç altında değişime uğraması, yani metamorfize olması sonucu oluşur. b-gnays : Granitin yüksek sıcaklık ve basınç altında değişime uğraması yani metamorfize olması sonucu oluşur. c-fillat : Kiltaşının (şist) yüksek sıcaklık ve basınç altında değişime uğraması yani metamorfize olması sonucu oluşur.
Milyonlarca yıldan beri kayalar zeminlere, zeminler de kayalara dönüşmektedir. Bu olaylar halen devam edip gitmektedir. Kayaçların ayrışmasına yol açan etkenler mekanik ve kimyasal etkenler olarak iki ayrı gurup içinde düşünülebilir.
Kayaların fiziksel olarak parçalanması (ayrışması) ile kayalar, boyut olarak daha küçük parçalara ayrılır. Fakat, kayanın kimyasal bileşimi değişmez. Kayaların kimyasal ayrışması ile kayaların kimyasal bileşimi değişir, yeni maddeler meydana gelir. Isı farklılıkları, don, rüzgar, su ve bitki köklerinin etkisi gibi etkiler mekanik etkilerdir Havadaki oksijeni ve karbondioksiti eriterek alan yağmur suyu, yüzey toprağındaki asitleri de alarak, kayalarda kimyasal reaksiyonlara yol açar. Bitki ve hayvanların yaşamları sonucu yüzey toprağında oluşan bakteriler, çeşitli asitler(karbonik asit, nitrik asit vb.) salgılayarak, kayaların kimyasal ayrışmasına yol açar.
Zeminler, yerinde oluşmuş(residual) ve taşınmış(transported) zeminler olmak üzere iki ana guruba ayrılırlar. Yerinde oluşmuş zeminler, ana kayanın parçalanması ve ayrışması ile ana kayanın üzerinde oluşur. Taşınmış zeminler; parçalanma ve ayrışma sonucu oluşan parçaların akarsu, buzul, dalga, kıyı akıntısı, yer çekimi vb. ile taşınarak biriktirilmesi ile oluşan zeminlerdir.
Akarsuların taşıyıp yığdığı zeminlere genel olarak alüvyon zemin denilir. Buzulların, taşıdıkları parçaları, taneleri geçtikleri veya sona erdikleri yerlerde biriktirdikleri zeminlere buzul zeminleri denilir. Rüzgarlarla taşınarak, silt boyutundaki tanelerden oluşan zeminlere lös(loess) denilir. Kum boyutundaki tanelerden oluşan zeminlere kumul(sand dune) denilir. Tepelerdeki kayaların parçalanması, ayrışması ile oluşan parça ve tanelerin yerçekimi etkisiyle aşağıya yuvarlanması, kayması ile yamaçlarda ve yamaç eteklerinde oluşan zeminlere yamaç zeminleri denir.
Bir zemin kütlesinin yüzeyinde, kalınlığı 0,1 metreden 1-2 metreye kadar olan bitkisel toprak bulunur. Bitkisel toprak; bitki ve hayvan yaşamı sonucu, yüksek oranda organik madde(humus) içerir. Rengi koyudur, kokusu vardır. Bitkileri besleyen bu toprak tabakası, dünyadaki canlı yaşamı için son derece önemli olup, binlerce yılda oluşabilmektedir. Yüzeydeki bu bitkisel toprak, daha çok ziraatçıların ilgi alanına girer. Zemin ve toprak sözcükleri eş veya yakın anlamlı olup, karışık kullanılmakla birlikte; zemin mekaniğinde daha çok zemin sözcüğü tercih edilmektedir ve zemin de genellikle inorganik veya az organiktir
İnşaat mühendisliğinde yapılar temeller ile zemine oturtulurken, bu bitkisel toprak tabakasının altına inilir. Çünkü bitkisel toprak taşıma kapasitesi açısından uygun temel zemini değildir..
Zeminin doğal ve yapay kuvvetler altında davranışlarını mekanik ve hidroliğin kanunları çerçevesinde incelenmesine zemin mekaniği denir. İnşaat mühendisliğinin ilgi alanlarının tamamı zeminle birebir bağlantılıdır.
Zeminin taşıma gücü tüm mühendislik yapılarının temel problemidir. Bu problem zemin mekaniğiyle uygun bir şekilde çözümlendirilebilir. Stabilite problemi mühendislik yapılarında genel bir problem olmakla beraber zemin mekaniğiyle ; Şevlerin tasarımı, İstinat yapıları Temellerin tasarımı Kazıların projelendirilmesi Yetersiz zeminlerin iyileştirilmesi gibi konulara çözümler üretilir.
Hidrolik alanında da zemin mekaniğine ihtiyaç duyulur. Toprak dolgu barajın tasarımında, su alma yapılarının duraylığında, yer altı su seviyesinin belirlenmesinde ve değiştirilmesinde, yer altı sularının hızları ve basınçlarının hesaplanmasında zemin mekaniği yöntemleri kullanılır.
Zemin daneli bir yapıya sahiptir. Danelerin boyutları zemin karakterinin belirlenmesinde etkilidir. Zemin daneleri arasında boşluklar vardır. Bu boşluklar su ve havayla dolu olabilir. Zeminler sadece kayalardan oluşmazlar. Bünyelerinde su ve hava barındırabildikleri gibi organik maddelerde barındırabilirler. Doğada oluşum şekillerindeki ve birikme koşullarındaki farklılıklar zeminin birbirinden çok farklı özellikler göstermesine nedendir. Zeminlerin yük altında şekil değiştirmesi, daneler arası etkileşim özellikle daneler arası kayma tarafından kontrol edilmektedir.
Zemin daneleri arasında suyun varlığı boşluk suyu basıncını oluşturur. Beklenildiği gibi daneler basınç kuvvetinden etkilenir. Bu da zemin içindeki su varlığıyla zeminin, farklı davranışlar göstermesinde etkendir. Zemin içindeki su hareket edebilir, fakat su hareketinin hızı değişik zeminlerde birbirinden çok farklıdır. Zemine yük uygulandığı anda, uygulanan yük zemin daneleri ve boşluk suyu tarafından ortaklaşa taşınır. Boşluk suyu basıncındaki artış suyun zeminin içinden dışarı çıkmasına, danelerin birbirine yaklaşmasına ve hacimsel şekil değiştirmelerin meydana gelmesine yol açar, buna bağlı olarak zemin özellikleri değişir. Zeminlerde göçme (kırılma) kritik bir yüzey boyunca (kayma yüzeyi) kayma direncinin aşılması şeklinde meydana gelir. Daneler birbirlerine yapışabilir. Buna kohezyon adı verilir. Kohezyon killi zeminlerde görülür.
Zemin İndeks Özellikleri Zeminlerin; Dane Özellikleri Kütle Özellikleri
Özellikleri çok geniş bir aralık içinde değişen zeminlerin önce bazı basit özelliklerine göre sınıflandırılması ve daha sonra mühendislik özelliklerinin araştırılması yoluna başvurulmaktadır. Zeminlerin indeks özelliklerini iki ayrı grup içinde düşünülebilir: a. ) Dane Özellikleri: Danelerin boyutu, biçimleri, yoğunlukları ve minerolojik özellikleridir. b. ) Kütle Özellikleri: Katı, sıvı ve gaz kısımların birbirine göre hacim veya ağırlık oranları, zeminin dokusu gibi bünyesel özellikleridir.
DANE ÖZELLİKLERİ Dane boyutlarına ( çaplarına ) göre zeminler dört ana grupta incelenebilirler. Fakat inşaat mühendisliği hesap ve projelerinde bu yeterli değildir. Zeminin hangi çaplarda ne miktarda malzemeyi bünyesinde barındırdığı önemlidir. Bunun için elek analizi deneyi yapılır. Zemin Cinsi Dane Boyutu (mm) Çakıl 2.00 (veya 4.75)-75.0 Kum 0.075-2.00 (veya 4.75) Silt 0.002(veya 0.005)-0.0075 Kil 0.002 (veya 0.005)
Zemin danelerinin biçimleri önemlidir. Zemin daneleri yuvarlak, yumru, yassı, köşeli ve hatta sivri olabilirler. Bu zemin özelliklerini etkileyen bir faktördür. Zemin içinde ince danelerin varlığı ve miktarı önemlidir. Öyle ki 0,002 mm çapından daha küçük çaplı danelerin oranı % 10-15 i geçtiği durumlarda zemin kil gibi davranmaya başlar. Zeminin oluşumu sırasında bahsettiğimiz kayaçların özellikleri de zeminin karekteristiğini etkileyebilir. Örneğin karstik bir kayaçtan ayrışan bir zemin suyla birleştiğinde büyük oranda çözünür. Bu istenmeyen durumlar yaratabilir. Kısacası mineralojik yapı zemin mekaniğinde önemli bir faktördür.
ELEK ANALİZİ DENEYİ Elek analizi deneyi zemin numunesinin farklı boyuttaki danelerini birbirinden ayırarak ağırlık olarak yüzdelerinin belirlenmesi temeline dayanır. Belirli bir miktar yaş zemin numunesi alınır. Etüvde kurutularak ağırlığı ölçülür. Elek analizi deneyinde elekler kullanılır. Üstte büyük çaplı elekler aşağıya doğru daha küçük çaplı elekler sıralanır. Standart bir elek analizinde aşağıdaki elek boyutları ve numaraları kullanılır.
Elek no Elek çapı mm 2 50,8 1 25,4 3/8 9,53 4 nolu 4,76 10 nolu 2 20 nolu 0,84 40 nolu 0,42 70 nolu 0,21 200 nolu 0,075 Kurutulmuş ve ağırlığı ölçülmüş zemin numunesi en üst eleğe bırakılır. Sarsma makinesiyle veya elle sarsılarak elenir. Her elekte kalan daneler ölçülür bir üst eleğin numarasıyla isimlendirilerek kaydedilir. Kaydedilirken şu bağıntı kullanılır.
Dane boyutları oranları yatay ekseni logaritmik bir grafikle anlamlandırılır. Buna dane büyüklüğü dağılım eğrisi denir. 200 nolu eleğin altında ve 2 üzerindeki dane boyutlarında deneyi yapmak mümkündür. Fakat inşaat mühendisliğinde yaygın olarak yapılmaz. 200 nolu eleğin altında elek analizi deneyi, ıslak analiz diye de adlandırılır.
KÜTLE ÖZELLİKLERİ
w: Su Muhtevası: n: Porozite: e: Boşluk Oranı: s: Doygunluk Derecesi:
γn: Doğal Birim Hacim Ağırlığı: γd: Doygun Birim Hacim Ağırlığı: γk: Kuru Birim Hacim Ağırlığı: γa: Su Altındaki Birim Hacim Ağırlığı: γs: Dane Birim Hacim Ağırlığı:
BOŞLUK ORANI PRİZMASI
POROZİTE PRİZMASI