ZEMİNLERİN OLUŞUMU ve ZEMİN MEKANİĞİ KAVRAMI

Dünyamızın yüzeyi zemin veya kaya olarak nitelendirilen doğal malzemeler ile kaplanmıştır. Kayaların ve zeminlerin oluşumlarını, özelliklerini ve değişik çevre ve yüklenme koşulları altında davranışlarını inceleyen bilimlere genel olarak yer bilimleri adı verilmektedir. Yeryüzünün 4,5 milyon yıllık tarihi boyunca dağların meydana gelişi, ayrışma ve erozyona uğraması, bunun sonucu ortaya çıkan malzemelerin taşınması, değişik çevre koşulları altında çökelmesi, sıkışması ve çimentolaşması ile farklı formasyonların meydana gelmesi ve bunların çeşitli devirlerde uğradığı değişimler jeoloji biliminin konuları arasında yer almaktadır.

Zemin olarak nitelendirilen malzemeler ise esas olarak kayaların çevre koşulları etkisi altında ayrışması ve parçalanması sonucu meydana gelmektedir. Bazı durumlarda organik maddeler de zeminlerin bileşenlerinden birini oluşturmaktadır. Kayaların ayrışmasına yol açan etkenler mekanik ve kimyasal olarak iki ayrı grup içinde düşünülebilir. Isı farklılıkları, don, rüzgar, su ve bitki köklerinin etkisi gibi fiziksel nedenlerin yol açtığı mekanik ayrışma sonucu kayalar parçalanmaktadır. Kayaların içinde yer alan bazı yarı duraylı mineraller ise kimyasal ayrışmaya uğrayarak birtakım ikincil minerallere dönüşmektedir.

Ayrışma: Kimyasal bozulmayı temsil eder. AYRIŞMA-YIPRANMA MEKANiZMALARI Ayrışma: Kimyasal bozulmayı temsil eder. Yıpranma: Fiziksel ve mekanik bozulmayı temsil eder.

Hidrasyon-Dehidrasyon KİMYASAL AYRIŞMA Hidrasyon-Dehidrasyon Hidroliz Oksidasyon Karbonatlaşma

Hidrasyon-Dehidrasyon Su içermeyen bir mineralin sulu hale dönüşmesi hidrasyon, su içeren bir mineralin suyunu kaybetmesi ise dehidrasyon reaksiyonlarıdır.

Hidroliz Bir mineraldeki katyonların hidrojen iyonu ile yer değiştirerek su içerisindeki ayrışmasını sağlayan kimyasal reaksiyon hidroliz olarak tanımlanır. Bu reaksiyonla mineralin atomik yapısı değişir ve yeni bir mineral oluşur

Oksidasyon Kayaç bileşiminde yer alan minerallerin oksijenle birleşmesi sonucu meydana gelen kimyasal değişimdir. 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3 Demir Hematit (Fe2+)SiO3 + O2 + 2H2O → Fe3+ (OH-)3 + H4SiO4 Piroksen Limonit

Oksidasyon

Karbonatlaşma Karbonatlı kayaçların havadaki ya da suda çözünmüş CO2 ile olan reaksiyondur. Bu reaksiyon özellikle kireçtaşlarındaki karsttik yapıların gelişmesinde oldukça etkilidir. CaCO3 + CO2 + H2O = Ca 2(HCO3)

Karbonatlaşma

Kayaların ayrışması sonucu oluşan daneler, ana kayanın bulunduğu yerde kalarak zemin tabakaları oluşturabildiği gibi, birçok durumlarda rüzgar, su ve hareket eden buzullar gibi kuvvetlerin etkisi altında çok uzaklara kadar taşınabilmekte ve belirli bölgelerde çökelerek zemin tabakalarının oluşmasına yol açabilmektedir. Birinci tür zemin tabakalarına yerinde oluşmuş zeminler, ikinci türden olanlara ise taşınmış zeminler adı verilmektedir.

ZEMİN MEKANİĞİNİN KONUSU İnşaat faaliyetleri sırasında karşımıza çıkan zemin tabakalarının mühendislik özelliklerini incelememiz gerekmektedir. Diğer mühendislik malzemelerinde olduğu gibi, zeminlerin davranışını incelerken de mekanik bilimin kavramlarından ve yöntemlerinden yararlanmamız mümkün olmaktadır. Yalnız zeminlerin sürekli bir katı ortam değil fakat danelerden oluştuğu ve bu danelerin arasında hava ve/veya su bulunduğu hususunu göz önüne almamız

Zemin-su etkileşimi ve zemin içinde suyun hareket edebilme özelliği, zeminlerin mühendislik davranışı üzerinde büyük oranda etkili olmaktadır. Dolayısıyla, zemin davranışını incelerken hidrolik biliminin kavram ve yöntemlerinden de yararlanmamız gerekli olmaktadır. Yukarıdaki gözlemlerin ışığı altında zemin mekaniği, zemin olarak nitelendirilen doğal malzemelerin davranışlarını mekanik ve hidrolik prensiplerinden yararlanarak inceleyen bilim dalı olarak tanımlanabilir.

Zeminler, doğal bir malzeme olmaları ve katı, sıvı, gaz gibi üç değişik fazda bileşenlerden meydana gelmeleri nedeni ile, diğer malzemelerine göre davranışlarının anlaşılması daha zor bir malzeme oluşturmaktadırlar. Zeminler, genel olarak, homojen ve izotrop olmayan ayrıca özellikleri çevre koşullarına, jeolojik tarihçesine ve zamana bağlı olarak büyük değişiklikler gösteren malzemeleridir.

Zemin özelliklerinin her proje sahası için deneysel olarak belirlenmesi ve bu yapılırken arazide geçerli olacak koşulların dikkatle göz önüne alınması gerekmektedir. Dolayısıyla, deneysel yöntemler zemin mekaniğinin ayrılmaz ve vazgeçilemez bir parçasını oluşturmaktadır. Deneysel olarak belirlenebilen birçok zemin özelliği ise, ancak belirli koşullarda geçerliliğini korumaktadır.

Mühendislik Projelerinde Zemin Problemleri Uygulamada karşımıza çıkan problemler için yeterli çözümler geliştirilmesi ancak zeminlerin davranışının iyi kavranması ile mümkün olmaktadır. Mühendislik projelerinde zeminler ile ilgili ortaya çıkan başlıca problemler aşağıda özetlenmiştir.

1- Temeller ile ilgili problemler: Bütün mühendislik yapıları (binalar, köprüler, karayolları, barajlar, vb.) zemin veya kaya tabakaları üzerine oturtulmaktadır. Yapıların kendi ağırlıklarından ve hareketli yüklerden kaynaklanan yüklerin doğal zemin veya kaya tabakalarına aktarılmasını sağlayan sistemlere genel olarak temel adı verilmektedir.

Yapı temellerinin zemin tabakaları üstüne veya içine oturtulması durumunda, yapıdan aktarılacak yükler altında arazideki zeminlerin davranışının tasarım aşamasında göz önüne alınması gerekmektedir. Uygulanan yükler altında zeminin mukavemetinin aşılması durumda göçme meydana gelmesi ve üst yapının güvenliğinin toptan tehlikeye girmesi söz konusu olmaktadır.

Zeminler aynı zamanda yük altında büyük şekil değiştirmeler (sıkışmalar) gösterebilen malzemelerdir. Temel altındaki zemin tabakalarının mukavemeti aşılmasa bile, sıkışmalardan dolayı ortaya çıkan oturmalar yapı üzerinde çok zararlı etkiler yapabilmektedir. (Örneğin Haliç kıyılarında zemine batan veya yana yatan binaları, birçok binalarda meydana gelen çatlamaları düşünelim). Doğal zeminler çok heterojen bir yapıya sahip olduğu için, özellikle yapının değişik noktaları altında farklı oturmalar meydana gelmesi üst yapı üzerinde istenmeyen zorlamalar yaratmaktadır.

Problemin tasarım aşamasında göz önüne alınmasını zorlaştıran bir başka husus zemindeki oturmaların çok uzun süre devam edebilmesi (bazen onlarca yıl boyunca) olmaktadır. Dolayısıyla, iyi tasarlanmış bir temel sisteminin üst yapıdan gelen yükleri temel altı zemin tabakalarında göçme veya aşırı oturmalara yol açmayacak şekilde zemine aktarması gerekmektedir. Zemin yüzeyine yakın tabakaların yeterli mukavemet ve sıkışma özelliklerine sahip olması durumunda yüzeysel temel sistemleri kullanılmaktadır. İnşaat sahasındaki zemin yüzeyine yakın tabakaların yapıdan gelecek yükleri güvenlikle taşıyacak özelliklere sahip olmaması durumunda ise, yapı yüklerinin daha derinlerdeki sağlam zemin veya kaya tabakalarına aktarılması, yani derin temel sistemlerinin (kazıklı temeller gibi) uygulanması yoluna başvurulması gerekmektedir.

Özet olarak, yapıların güvenliği ve maliyeti, en uygun ve ekonomik temel sisteminin seçilmesi ve tasarımı ile doğrudan ilgili olmaktadır. Birçok inşaat projesinde uygulanacak temel sistemi ve temel altı zemin tabakalarının beklenebilecek davranış biçimi projenin yapılabilirliği etkileyecek boyutlara ulaşabilmektedir. Bu nedenlerden dolayı, proje sahası ile ilgili zemin araştırmaları önemli yapıların yer seçiminde ve tasarımında ilk önemli adımı oluşturmaktadır.

2- Zeminlerin İnşaat Malzemesi Olarak Kullanılması: İlk çağlardan beri insanlar binaların, ulaşım sistemlerinin, su toplama ve depolama yapılarının inşasında zeminleri inşaat malzemesi olarak kullanmışlardır. Bugün için de karayolları ve havaalanları kaplamaları altında, su seddeleri ve toprak barajlar inşasında, vb. birçok mühendislik projesinde, zeminler doğrudan inşaat malzemesi olarak yaygın kullanım alanı bulmaktadır. Zeminlerin inşaat malzemesi olarak kullanılmasında, yapının amacına uygun malzemenin seçilmesi, zeminin usulüne uygun olarak yerleştirilmesi ve sıkıştırılması gibi hususlara dikkat etmek gerekmektedir.

Örneğin, su tutan yapılarda (barajlar gibi) esas amaç suyun yapı arkasında depolanması olduğuna göre zeminin su geçirgenliğinin düşük olması gerekmektedir. Gerek zemin yapılarında, gerekse kaplama ve temel altı dolgularında zeminin mukavemeti ve sıkışabilirliği zeminin yerleşim sıkılığı ile doğrudan ilişkili olmaktadır. Dolayısıyla, toprak dolguların usulüne göre sıkıştırılarak yerleştirilmesi ve inşaatta kullanılacak zeminlerin sıkıştırılabilme (kompaksiyon) özelliklerinin incelenmesi gerekmektedir.

3- Kazılar ve Şevler: Zemin yüzeyinin eğik olması durumunda, şev açısı ve yüksekliğine bağlı olarak, zemin kütlelerinin yer çekimi kuvvetleri etkisi altında kayma tehlikesi mevcuttur. Doğal şevlerde (yamaç), kazı kenarlarında ve dolgu şevlerinde kaymalar meydana gelmesinin önlenmesi en karmaşık ve zor zemin problemlerinden birini oluşturmaktadır. Kazı ve dolgularda güvenli şev açısının ve yüksekliğinin seçilebilmesi ve yamaçların kaymaya karşı güvenlik katsayılarının belirlenebilmesi için zeminlerin kısa ve uzun süreli kayma mukavemetlerinin ve muhtemel kayma yüzeyinin belirlenmesi gerekli olmaktadır.

4- İstinat Yapıları: Kazı ve dolgu şevlerinin uzun süre düşey olarak tutulabilmesi için zemin kütlesinin önüne bir istinat yapısı yerleştirilmesi gerekli olmaktadır. Ayrıca bazı durumlarda yamaçların önünde ve liman yapılarında da istinat yapıları kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan istinat yapıları arasında istinat duvarları (kagir veya betonarme), palplanşlar, yerinde dökme kazıklar gibi yapılar sayılabilir. Bu yapıların tasarımı için yapı arkasındaki zemin kütlesinden gelecek basınçların ve kazı tabanı seviyesi altındaki zeminlerin mukavemet ve sıkışabilirlik özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. İstinat yapısının güvenliği (ve dolayısıyla arkasındaki zemin kütlesi ile üzerinde yer alan yapıların güvenliği) zemin özelliklerinin sağlıklı olarak belirlenmesi durumunda sağlanabilmektedir.

Palplanş örnekleri

5- Yeraltı Yapıları: Zemin tabakaları içine gömülü yapıların tasarım ve inşaası için arazideki zeminlerin özelliklerinin ve davranış biçimlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Zeminler içinde açılan tünellerin duraylılığı ve tünel kaplamasına gelecek toprak basınçlarının hesabı, zemin içine gömülü su boruları ve depoları gibi yapılara ve bodrum duvarlarına gelecek basınçların hesabı, zeminlerle ilgili problemlerden bir kısmını oluşturmaktadır. Yeraltı yapılarının tasarım hesapları yanında inşaat yönteminin seçilmesi ve inşaatın yürütülmesi sırasında da zeminle ilgili özelliklerin dikkate alınması gerekmektedir.