Genel Zeminlerin Mühendislik Özellikleri ( Jeoloji Mühendisliği ) BÖLÜM 5 ZEMGNLERGN MÜHENDGSLGK ÖZELLGKLERG 5.1. GGRGg Zemin (ayrıGmıG kaya) insanlığın en eski ve belki de en karmaGık mühendislik malzemesidir. Doğanın denge durumundaki yapısına müdahale edildiği zaman, diğer deyiGle zeminin ilave yük altına girmesi ya da kazılması durumunda, bu malzemelerin mühendislik davranıGının belirlenmesi gereklidir. Zeminlerin fiziksel ve indeks özellikleri, gerilme- deformasyon iliGkileri, geçirimlilik özelliği, direnç parametreleri, taGıma gücü, stabilitesi ve jeolojik özellikleri mühendislik amaçlı çalıGmalarda büyük önem taGımaktadır. Ankraj Zemin Zeminlerde kazı çalıGmaları ZEMGN KAVRAMI Kayaçların ayrıGması sonucunda oluGan ayrık taneli malzemelere zemin denir. Kohezyonsuz zeminlerin en önemli özellikleri dane boyutları ve granülometrileridir. Bununla birlikte bu tür zeminler kohezyonlu zeminlere göre çok daha fazla geçirgendirler. Eğer iyi derecelenmiG ve relatif sıkılıkları yüksek ise kohezyonsuz zeminler (teorikte kum), kayma dirençlerinin yüksekliği ve sıkıGma özelliklerinin küçüklüğü nedeniyle duraylılık yönünden sağlam bir temel oluGtururlar. Kohezyonlu zeminlerde (teorikte kil) karGılaGılan mühendislik sorunları ise, bu tür zeminlerin geçirgenliklerinin düGük olması nedeniyle, uzun süreli bir karakter gösterirler. Zemin Kohezyonsuz zeminler Kohezyonlu zeminler Karmaşık zeminler 5.2. ZEMGN DENEYLERG Zeminlerin taGıma gücü, sıvılaGma özellikleri, sınıflandırılması, GiGme potansiyeli gibi bir çok özelliği zeminlerden alınmıG örnekler üzerinde yapılan bir dizi laboratuvar deneyi ile tespit edilebilmektedir. Mühendislik jeolojisinde, zemin numunelerini çeşitli şekillerde almak mümkündür. İnce daneli zeminlerde, gerilme durumunun değişmesi yüzünden numune örseleneceğinden ve numune alma işlemi sırasında numune fiziksel etkiye maruz kalacağından, alınan numunelerin tamamen örselenmemiş olmadığı bilinmektedir. Ayrık daneli zeminlerde ise örselenmemiş numune alma oldukça zor ve pahalı bir işlemdir. Bu nedenlerden dolayı, zemin özelliklerinin, yerinde arazi deneyleri ile belirlenmesi tercih edilir. ARAZG DENEYLERG STANDART PENETRASYON DENEYG (SPT) Deney önceden açılmış bir sondaj kuyusundan yapılan bir arazi deneyidir. . Bunun için 76 cm yükseklikten serbestçe düşen 63,5 kg ağırlığında bir tokmak kullanılır. Sonda, önce 15 cm çakılarak kuyu tabanındaki örselenmiş derinlik geçilir, sonra 30 cm çakılır ilk 15 cm'sinden sonra, sondanın 60 cm çakılması için gerekli vuruş sayısına 'standart penetrasyon direnci' denir. Deney.çakıllı ve çok sert zeminler için uygun değildir. Kum,ince çakıl,şilt ve kil için uygundur. İnce taneli zeminlerin fiziksel özelliklerinin belirlenmesi ve taşıma gücünün belirlenmesi AMAÇ DENEYİN UYGULANIŞI PRESGYOMETRE DENEYG (PT) AMAÇ DENEYİN UYGULANIŞI Deney basit anlamda genişleyebilir silindirik bir probun önceden delinmiş bir kuyuya indirilerek şişirilmesi ve bu esnada prob içerisindeki basınç ve hacim değişikliklerinin ölçülmesi şeklinde gerçekleştirilmektedir. Menard Presiyometre deneyi ile her bir deney seviyesinde elde edilen yük/deformasyon grafiklerinden zeminin temel mekanik özellikleri; deformasyon (presiyometre) modülü, E ve limit basınç değeri Pl belirlenmektedir. Presiyometre deneyi zeminin yük/deformasyon parametrelerinin belirlendiği bir arazi (in-situ) deneyidir KONGK PENETRASYON DENEYG (CPT) AMAÇ DENEYİN UYGULANIŞI Tepe açısı 60°, plandaki izdüşüm alanı 10 cm² ve çevre alanı 150 cm² olan bir metal konik uç 20 ton kapasiteli bir hidrolik baskı yoluyla 2 cm/sn sabit hızla zemine penetre edilir. Bu penetrasyon sırasında 2 cm ara ile ölçülen uç ve çevre mukavemeti verileri elektronik alıcı aracılığı ile bilgisayara kaydedilmektedir. Deneyde, zemin parametreleri laboratuar çalışmasına gerek duyulmadan elde edilebilmektedir. Deneyin yapılmasının ve sonuçların yorumlanmasının diğer yöntemlere göre daha az zaman alması iş gücü ve maliyet açısından avantaj sağlamaktadır. Deney verileri ile zemin tabakaları hassas bir şekilde tanımlanmakta zemine ait efektif gerilme, kayma mukavemeti, içsel sürtünme açısı, izafi sıkılık, konsolidasyon katsayısı vs.) belirlenebilmektedir. DGLATOMETRE DENEYG (DMT) AMAÇ DENEYİN UYGULANIŞI Deney, genişliği 95 mm, kalınlığı 14 mm, uzunluğu 220 mm ve tepe açısı 12 ile 16 derece olan bıçağın zemine itilmesi ve bir yüzünde yer alan 60 mm çaplı genişleyebilir çelik bir membranın basınçlı gaz ile şişirilmesi şeklindedir. SIVILAŞMA ANALİZİ Deneyle zemin tipleri, birim hacim ağırlıkları ile kumlarda içsel sürtünme açısı, killerde ise drenajsız kayma mukavemeti, aşırı konsolidasyon oranı, konsolidasyon katsayısı, permeabilite katsayısı, gibi parametreler tayin edilebilmektedir. 5.3. ZEMGNLERGN PLASTGSGTE ÖZELLGKLERG Bir malzemenin, etkisi altında bulunduğu gerilmelerden dolayı kırılmadan ve hacimsel değiGikliğe uğramadan kalıcı deformasyona uğraması plastisite olarak adlandırılmaktadır. Plastisite yalnızca killi zeminlerde görülmektedir. LGKGT LGMGT (LL) Viskozitesi yüksek bir sıvı gibi akıGkanlığa sahip zeminin plastik duruma dönüGtüğü su muhtevasıdır. Yani bir zeminin kendi ağırlığında akabildiği minimum su muhtevasıdır. PLASTGK LGMGT (PL) Islak zeminin yoğrulma sırasında yüzeyinde çatlakların belirdiği andaki su muhtevasıdır. PLASTGSGTE GNDEKSG Likit limit ile plastik limitin farkı olarak tanımlanır. LGKGTLGK GNDGSG Kıvam limitlerinin laboratuvarda ölçülmesinden sonra arazideki durumunu belirlemek için likitlik indisi hesaplanmalıdır. Likitlik indisine benzer olarak zeminin arazide doğal haldeki kıvamın nasıl olduğu hakkında bilgi verir. AKTGVGTE (Ac) Killerin su içeriğindeki değiGmeye bağlı olarak hacimlerindeki değiGmeyi gösteren bir indis. KIVAM GNDGSG Ic = 1 (zemin plastik limitte) Ic = 0 (zemin likit limitte) Ic 1’den küçük (zemini su içeriği likit limitin üstünde) Ic 1’den büyük (zemin yarı katı veya katı) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Likit Limit (%) 0 20 40 60 80 100 120 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CL-ML ML ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Montmorillonit CH Kaolinit CL OL ML OH MH ZEMGNLERGN SINIFLANDIRILMASI CASANGRANDE PLASTGSGTE KARTI M: silt C: kil O: organik H: yüksek plastisiteli L: düşük plastisiteli Killer üzerindeki mühendislik uygulamalarının hemen hemen hepsi kildeki doğal su içeriğini değiştirir. Killer üzerine uygulanan gerilimler, doğal ve yapay yükler, kilin yapısında nem hareketine yol açar. Bu nedenle killerin plastisitesi onların şişme potansiyelleriyle ilişkilidir. Zeminlerin plastisite derecesine ve kıvamlılık indeksi değerlerine göre sınıflandırılması. ZEMGNLERGN gGgME POTANSGYELG 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 1 2 3 4 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 20 40 60 80 100 120 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (Van Der Merve, 1964) (Seed vd., 1962) ZEMGNLERGN gGgME POTANSGYELG UYGULAMA 1 Kohezyonlu bir zeminde yapılan deneyler sonucunda, likit limit % 45, plastik limit % 15 ve kil içeriği % 24.2 olarak bulunmuştur. a) Plastisite grafiğine göre zemini sınıflayarak kilin türünü belirleyiniz. b) Zeminin aktivite değerini hesaplayınız. c) Zemine ait doğal su içeriği % 29 olması halinde likitlik indisini bulunuz. d) Zeminin şişme potansiyeli belirtiniz. a) Düşük plastisiteli kil (montmorillonit) b) 1.16 c) % 16.7 d) Orta şişme potansiyeli CEVAP UYGULAMA 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Likit Limit (%) 0 20 40 60 80 100 120 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? CL-ML ML ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Montmorillonit CH Kaolinit CL OL ML OH MH a) Düşük plastisiteli kil (montmorillonit) b) Ac = 30/24.2 Ac = 1.16 c) IL = (20-15)/30 IL = % 16.7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 1 2 3 4 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? d) Orta şişme potansiyeli ZEMGNLERGN gGgME MGKTARI Plastik killer ıslandıkları ve kurudukları zaman yüksek miktarda şişme ve büzülme gösterirler. Bunun sonucunda ise büyük ölçüde hacimsel değişikliğe uğrarlar. A: 0.0735 (SI birimi) UYGULAMA 2 Yüzeyden itibaren 2.5 m derinlikte yer alan kilin likit limit % 75, plastik limit % 25, su içeriği değeri % 22 ve kuru birim hacim ağırlık 1.58 t/m3 bulunmuştur. Olası şişme miktarını belirleyiniz. 5.4. SIĞ TEMELLERGN TAgIMA GÜCÜ Temel tasarımı ile zemin-temel-yapı etkileGiminin irdelenmesinde kullanılacak zemin özelliklerinin ve zemin parametrelerinin belirlenmesi için yapılan veri toplama ve değerlendirme iGlemlerine zemin etüdü denir. B L DF Tekil (münferit) temel gerit (sürekli) temel Radye (yayılı) temel Temel Kolon Sığ temel tipleri Nispeten sığ derinlikte inGa edilen yapılar olup, her kolonun altında yer alırlar. Genellikle betonarme olan bu temeller kolon yükünü daha geniG bir alana yayarak zemine iletirler. Kare, dikdörtgen veya dairesel olabilirler B L DF Tekil (münferit) temel Kolon gerit (sürekli) temel Temel boyunun (L) temel geniGliğinden (B) 5 kat veya daha fazla olduğu temellerdir. Radye (yayılı) temel Radye temellerde temel geniGiliği tüm yapı alanının geniGliği kadardır. Radye temeller çok yumuGak ya da zayıf zeminlerde uygulanır. Tek baGına koruyucu bir önlem olmamakla beraber sıvılaGmaya duyarlı bölgelerde kullanılırlar. Ayrıca zemin koGullarından dolayı farklı oturmalar bekleniyorsa radye temel tipi tercih edilir. TaGıma gücü, temelin yenilmeden taGıyabileceği maksimum taban basıncı olarak tanımlanır ve zeminin kayma direnci parametrelerinin deneysel olarak belirlenmesinden sonra çeGitli bağıntılarla hesaplanır. Qd = A x qd Zeminin taGıyacağı nihai yük Temel alanı Nihai taGıma gücü Her türlü mühendislik probleminde olduğu gibi, temel mühendisliğinde de etkiyen gerilmeleri zeminin güvenli Gekilde taGıyabilmesi için bu gerilmelerin nihai taGıma gücünden daha küçük olması gerekmektedir. Bu amaçla nihai taGıma gücüne bir güvenlik katsayısı uygulanarak güvenli bir taGıma gücü elde edilir. qa = qd / Gs Gzin verilebilir taGıma gücü Nihai taGıma gücü Güvenlik sayısı Güvenlik katsayısının seçimi, yapının özelliği ve kullanım süresi ile temelde meydana gelebilecek yenilmenin sonuçlarına bağlı olarak geliGir. Homojen zeminler üzerinde inGa edilecek kalıcı yapılar için aGağıdaki tabloda verilen değerler kullanılır. 1. Geçici yapılar için yukarıda verilen değerler % 75 oranında azaltılabilir. Ancak bu değer hiçbir zaman 2’den küçük olmamalıdır. 2. Genellikle zeminde taGıma gücü duraysızlığından endiGe duyulduğunda değerler % 20 – 50 arasında arttırılabilir. 3. Tüm temeller ayrıca, izin verilebilir oturma değerlerine göre de analiz edilmelidir. 5.4.1. Kohezyonlu zeminlerin taGıma gücü Sığ temellerin taGıma gücünün hesaplanması için araGtırmacılar tarafından çeGitli bağıntılar önerilmiGtir. Günümüze kadar halen yaygın Gekilde kullanılan formüller, Terzaghi (1943) tarafından önerilen nihai taGıma gücü formülleridir (yatay temel ve topografya) Suya doygun killerde içsel sürtünme açısı sıfır olacağından c = qu / 2 alınır (c: kohezyon, qu: serbest basınç dayanımı). Bu koGullar için aGağıdaki formüller önerilir. Terzaghi taGıma gücü faktörleri Kohezyonlu zeminlerin taGıma gücü (YST KoGulları) Etüt yapılan alanda yer altı suyu bulunması durumunda birim hacim ağırlık değerleri aGağıdaki gibi alınmalıdır. B YST Yüzey ?1 = ?A B YST Yüzey ?1 = ?n ?2 = ?A ?2 = ?A B d1 Yüzey ?1 = ?n ?2 = ?A (1 + d/B) YST YST d2 ?2 = ?n d1 < B d2 > B 1 2 3 ?A: batık birim hacim ağırlık ?n : doğal birim hacim ağırlık UYGULAMA 3 Özellikleri aşağıda verilen zemine bir demiryolu köprüsüne ait ve gömme derinliği 1 m olan şerit temel atıldığı bilinmektedir. Terzaghi eşitliklerinden yararlanarak izin verilebilir taşıma gücünü hesaplayınız. B = 1 m Yüzey ?1 = 18.6 kN/m3 c = 19 kN/m2 ? = 20 derece Df = 1 m Çözüm B = 1 m Yüzey ?1 = 18.6 kN/m3 c = 19 kN/m2 ? = 20 derece Df = 1 m Terzaghi taşıma gücü faktörleri Nc: 17.89; Nq: 7.44; N?: 3.64 qd: (19 x 17.69) + (18.6 x 1 x 7.44) + (0.5 x 18.6 x 1 x 3.64) = 508.3 kN/m2 qs: 508.3 / 4 = 127.1 kN/m2 = 0.13 MPa UYGULAMA 4 Genişliği 2 m, derinliği 3 m olan şerit bir temel olması durumunda ve deneyler sonucunda doygun birim hacim ağırlığı 2.23 gr/cm3, doğal birim hacim ağırlığı 1.8 gr/cm3, kohezyon 0.7 kg/cm2, içsel sürtünme açısı 15 derece olarak bulunan bir zeminin; a. Yer altı su seviyesi temel tabanından 4 m derinlikteki, b. Temel tabanı seviyesindeki nihai ve izin verilebilir taşıma gücünü belirleyiniz (güvenlik sayısı: 3) B d1 Yüzey ?1 = ?n ?2 = ?A (1 + d/B) YST YST d2 ?2 = ?n d1 < B d2 > B hatırlatma ?A: batık birim hacim ağırlık ?n : doğal birim hacim ağırlık 5.4.2. SPT GLE TAgIMA GÜCÜ SPT deneyinde elde edilen N darbe sayıları ile bulunan taGıma gücü değerleri, kohezyonsuz silt, çakıl ve özellikle kumlu zeminlerde güvenle kabul edilebilir. SPT deneyi ile taGıma gücü hem ampirik yöntemle dolaylı olarak hem de doğrudan hesaplanabilir. N – ? ilişkisine dayanan ampirik yöntem Peck, Hansen ve Thornburn (1953) tarafından SPT deneyi darbe sayısı (N) ile kayma direnci açısı ve taGıma gücü faktörleri arasında geliGtirdiği ampirik iliGki yandaki Gekilde verilmiGtir. Elde edilen verilerle ise son taGıma gücü aGağıdaki formül yardımıyla belirlenir. 5.4.2. SPT GLE TAgIMA GÜCÜ Terzaghi-Peck; Meyerhof; Bowles Eşitlikleri Terzaghi-Peck tarafından önerilen yaklaGımlar yaygın olarak kullanılmasına rağmen son derece tutucu sonuçlar vermektedir. Bununla birlikte Bowles (1983) Meyerhof (1956) tarafından 2.54 cm oturmaya izin verebilecek Gekilde geliGtirilmiG formüllere ilavelerde bulunarak aGağıdaki bağıntıları önermiGtir. Gnceleme alanında yeraltı suyu seviyesinin SPT-N değerlerinin elde edildiği derinliklerde olması halinde aGağıdaki düzeltme (Cw), izin verilebilir taGıma gücü ile çarpılmalıdır. Cw: 0.5 + 0.5 (Statik seviye/(Df + B)) Örtü düzeltme faktörü (CN) = 170 / (70 + ?ı) ?ı : Efektif örtü gerilmesi (kPa) UYGULAMA 5 Birim hacim ağırlığı 17.7 kN/m3 ölçülen kum tabakasında gerçekleştirilen SPT deneylerinde düzeltilmiş N darbe sayısı ortalama 10 bulunmuştur. Temel derinliği 1.2 m ve boyutları 1.5 x 15 m (B x L) olan şerit temel için taşıma gücünü Peck, Hansen ve Thornburn (1953) yöntemini kullanarak hesaplayınız. N: 10 için Nq: 18 ve N?: 15 qn : (17.7 x 1.2 x 18) + (0.5 x 17.7 x 1.5 x 15) = 581 kN/m2 UYGULAMA 6 Kum üzerinde inşa edilecek bir yapının temel derinliği 1.5 m, temel genişliği 3 m’dir. Yapılan sondajlarda yer altı suyu ile karşılaşılmamıştır. Zemin örneklerinin doğal birim hacim ağırlığı 17 kN/m3, doygun birim hacim ağırlığı 20 kN/m3 olarak belirlenmiştir. SPT deney sonuçları aşağıda verilen zeminin izin verilebilir taşıma gücünü belirleyiniz. ÇÖZÜM Ortalama düzeltilmiG N: 14 Cw: 0.5 + 0.5 (3.5/(1.5 + 3)) = 0.88 qa: 12.5 x 14 ((3 + 0.305)/3) 2 x 1.165 = 247.43 kPa qa: 247.43 kPa x 0.88 = 217.73 kPa 5.7. gEV STABGLGTESG SONSUZ YAMAÇTA STABGLGTE Kayan kütlenin derinliği diğer iki boyutuna oranla çok küçükse, bu tür yamaçlar sonsuz yamaç olarak adlandırılır. KOHEZYONSUZ ZEMGNLER Yamaç üniform boGluk suyu basıncı alacağından dolayı güvenlik sayısı: H X B ANA KAYA Y S T