Zeminlerin Geçirimliliği

Giriş Geoteknik mühendisliğinde geçirimlilik (permeabilite)büyük önem taşımaktadır: Permeabilite, suya doygun zeminlerde yük altındaki oturma miktarını etkiler. Toprak dolgu baraj tasarımında kullanılan zeminin permeabilitesi, çok büyük önem taşır. Zeminlerin permeabilitesi, şevlerin ve dayanma yapılarının stabilitesini de etkiler. Zeminlerden yapılan filtreler, permeabilitelerine göre tasarlanır.

Zeminlerin permeabilite değerlerinin belirlenmesi (permeabilitenin kullanımı): Yeraltından (palplanj perdesi) ve toprak dolgu barajdan sızan su miktarını belirlemek. Kazı esnasında yer altı suyunun uzaklaştırılmasında kaynaklanan problemlerin çözümü için. Dayanma yapıları ve zemin yapılarının stabilite analizlerinde sızıntı kuvvetlerin hesaplanmasında.

Darcy Kanunu (Darcy, 1856) Zeminde serbest suyun akımı, genel hidrolik yasalarına uygun olarak sürer. Suyun bir boru içerisinde hareket ettiği düşünülürse, benzer boyutta bir zeminde su tüm kesit yerine sadece zemin boşluklarında hareket eder. A kesit alanındaki bir zeminden q debisinin geçirildiği durumda çıkışta suyun filitre hızı (Vf) Vf= q/A olacaktır. Kesitin önemli bir kısmının danelerle kaplı olduğu düşünülürse, suyun daneler arasından ortalama değerden daha hızlı geçmesi gerekecektir. Bu halde suyun sızıntı hızı (Vs) Vs= Vf/n dır. Burada n, porozitedir.

Darcy(1856),temiz kum numuneleri ve şekildekine benzer bir deney düzeni kullanarak akım hızı ile hidrolik eğim arasında lineer bir bağıntı bulunduğunu göstermiştir. Eğer, L uzunluklu, A enkesit alanlı birzemin örneği , h1-h2 su düzey farkına maruz bırakılırsa, Darcy kanunu,aşağıdaki gibi yazılabilir.

Suyun zemin ortamında hareketi ilk kez Darcy tarafından incelenmiştir Suyun zemin ortamında hareketi ilk kez Darcy tarafından incelenmiştir. Darcy Kanunu olarak bilinen çalışmada filtre hızı (Vf) ve hidrolik eğim (i) arasındaki lineer bir bağıntı belirlenmiştir.

Geçirgenlik, boşluklu bir ortam (örneğin zemin) bir sıvıyı (örneğin su) geçirebilme özelliğinin ölçüsüdür.

Geçirimliliği etkileyen etkenler Geçirimlilik, zeminin içerisinden suyun akışını ifade eden bir zemin özelliği olup hız boyutundadır. Geçirimlilik, akım koşulları yanında zeminin mekanik özelliklerini de etkiler. Zeminlerin geçirimliliğini etkileyen başlıca faktörler şunlardır: * Dane boyutları * Dane yapısı * Dane dağılımı (D10) * Boşluk oranı (e) * Zeminin suya doygunluk derecesi (Sr) * Yeraltı suyunun özellikleri (yoğunluk, vizkozite)

Geçirimlilik (k), 20oC deki değeri ile verilir Geçirimlilik (k), 20oC deki değeri ile verilir. Başka sıcaklıkta hesap için suyun değişen vizkozitesi için düzeltme yapılır. kT=k20η20/ ηT Sıcaklık arttıkça suyun vizkozitesi azalmakta ve geçirimlilik katsayısı (k) ve akış hızı artmaktadır. Bu nedenle k, 20oC deki değerine ve suyun vizkozitesine bağlı olarak tanımlanmıştır.

Zeminler için tipik k değerleri

Geçirimlilik katsayısının (k) Belirlenmesi Ampirik Yaklaşımlar ile: Zeminin diğer özelliklerinden yaralanarak, hesapla dolaylı yoldan bulunur. Laboratuvar deneyleri ile: Sabit ve düşen seviyeli permametre, yatay kılcallık ile 3 eksenli deneyden direk bulunur. Laboratuvar konsolidasyon deneyi sonuçları ile dolaylı yoldan bulunur. Arazi deneyleri ile: Arazi pompalama ve sondaj kuyusu deneylerinden direk bulunur. *** Kullanılacak yöntemin seçimi; geçirimlilik (k) katsayısına, zemin yapısının özelliğine, deneyi yapanın tecrübesine bağlıdır.

Ampirik yaklaşımla

Laboratuvar Deneyleri ile

Sabit Seviyeli Permeabilite

Düşen Seviyeli Permeabilite

Konsolidasyon deney sonuçları ile Konsolidasyon deneyi ile permeabilite katsayısı (k) dolaylı yolla bulunabilir. Killi zeminlerde çoğunlukla bu yola başvurulur. k=cv.mv.ϒsu cv : Konsolidasyon katsayısı (cm2/sn) mv: Hacimsel sıkışma katsayısı (cm2/gr) ϒsu: Suyun b.h.ağırlığı (gr/cm3) k : Permeabilite katsayısı (cm/sn)

Serbet ve Basınçlı Akiferler Su içeren geçirimli tabakaya akifer denir. Akiferler iki türlü olabilir: Serbest (sınırlanmamış) akiferde, YASS doygun bölgenin üst sınırı olup atmosfer basıncındadır. Basınçlı (sınırlanmış) akiferde yer altı suyu, üstten geçirimsiz bir tabaka ile sınırlanmış olup atmosfer basıncından daha büyüktür.

Serbest Akifer Basınçlı Akifer

Serbest Akifer

Doygun Bölge Gözlem kuyusu Kuyuda su yok Sınırlanmamış Tabaka

Doygun Bölge Gözlem kuyusu Kuyudaki su seviyesi Statik su seviyesi Sınırlanmamış Tabaka Sınırlanmış Tabaka

YAS aynı seviyede (h1 = h2) ise, yer Geçirimli Kum-Çakıl tabaka YAS aynı seviyede (h1 = h2) ise, yer altı suyu akışı. Başka bir ifadeyle, hidrolik yükseklik her yerde aynı ise (h de eğim yoksa), akış olmaz. Su Su Geçirimsiz tabaka Sınırlanmamış akifer Geçirimli Kum-Çakıl tabaka Su Su Akış şartları altında sınırlanmamış akifer Sınırlanmamış akifer Geçirimsiz tabaka Sınırlanmamış akifer Geçirimli Kum-Çakıl tabaka Su Su Su seviyesinde fark varsa (h1 > h2) ise, yer altı suyu yüksek kottan (h1) alçak kota (h2) doğru akar Geçirimsiz tabaka Geçirimsiz tabaka Sınırlanmamış akifer

Basınçlı Akifer

Sınırlanmış tabaka Sınırlanmış tabaka Gözlem kuyusu Kuyudaki su seviyesi, YASS dedir. Sınırlanmış tabaka Sınırlanmış tabaka

Sınırlanmış tabaka Sınırlanmış tabaka Gözlem kuyusu Kuyuda statik su seviyesinin, Üzerine yükselir Sınırlanmış tabaka Sınırlanmış tabaka

YAS aynı seviyede (h1 = h2) ise, yer altı suyu akışı. Başka bir ifadeyle, hidrolik yükseklik her yerde aynı ise (h de eğim yoksa), akış olmaz. Hidrolik yükseklikteki fark, akışa sebep olur; h’daki eğim (h1 - h2) akışa geçmesini sağlar.

Serbest ve Basınçlı Akiferler için Karşılaştırılma

Arazi Deneyleri ile Büyük projelerde zeminin permeabilite katsayısının arazide yerinde belirlenmesi gerekir. Arazi deneyleri olan Arazi pompalama (zeminden su çekerek) ve sondaj kuyusu deneylerinden (zemine su vererek) direkt olarak geçirimlilik bulunabilir. Zeminden su çekerek yapılan deneyler için, kum zeminlerde geçirimsiz bir zemine kadar inen bir kuyu açılır. Ayrıca deney kuyusu merkezinden geçen iki doğrultuda gözlem kuyuları açılır.

Zeminden su çekerek (pompaj) deney

Sondaj kuyusundan zemine su vererek yapılan deneylerde, açılan bir sondaj kuyusunun dibinden veya sızdırmazlık elemanları kullanılarak, sondaj deliğinin kaplanmamış belli bir uzunluğunun yan yüzünden, sabit seviyeli veya düşen seviyeli düzenlerle zemine su gönderilerek yapılır. Deney sonuçlarından ampirik bağıntılarla k belirlenir. Zemine su vererek, açık uç deneyleri ve Packer (tıkaç) deneyleri ile k belirlenebilir. Açık uç deneylerinde, zemine indirilen bir borunun ucundan,sabit seviyeli bir düzenle zemine su gönderilerek deneyyapılır. Zemin gönderilen sabit debi ölçülür. Packer (tıkaç) deneylerinde, bir sondaj kuyusunun kaplanmamış veya delikli kaplama borusunun belli bir uzunluğunun yanlarından, zemine sabit seviyeli bir düzenle su gönderilerek gerçekleştirilir. Belli bir uzunluk, tek veya çift tıkaç (sızdırmazlık elemanı) ilesağlanır. Verilen suyun debisi ölçülür.

Zemine su vererek (sondaj kuyusu) deney Burada, h:su seviyeleri farkı, q:sabit debi, r:borunun iç yarıçapıdır. Basınçlı akifer durumunda h=h1+h2. Burada, L:uzunluk olup h=h1+h2. Birim olarak; r, h ve L (m), q (m3/s), k (m/s) dır.