GEOTEKNİK MÜHENDİSLİĞİ INS - 317 Bölüm 2 – Chapter 2 Zeminlerin Fiziksel Özellikleri

Zemin ve kaya malzemeler, çelik, beton ve ahşap gibi diğer inşaat mühendisliğinde kullanılan malzemelerden farklıdır. Zeminler (toprak veya kaya) genellikle imal bir malzeme değil doğal bir üründür. Böylelikle her özelliği kontrol edilebilir değil tahmin/tespit edilmelidir ve çok farklılıklar gösterebilir. Zemin bireysel partiküllerden (individual particles) oluşan bir malzemedir. Beton-çelik gibi sürekli aynı özellikleri göstermeyebilir. Kaya zemin gibi malzemelerde bulunan kırıklar-çatlaklar bulunabilmekte ve malzemeyi süreksiz yapabilmektedir. Niye genellikle de her zaman değil… 5p Yollarda veya bina temellerinde kullanılan Dolgular kontrol edilebilir.

Zemin ve kaya malzemeler, çelik, beton ve ahşap gibi diğer inşaat mühendisliğinde kullanılan malzemelerden farklıdır. Çelik gibi malzemelerde kesme-kopma dayanımı (yield/tensile strength) moleküler bağların dayanımına bağlıdır. Yenilme (failure) olması için bu bağların kırılması gerekir. Zemin partiküllerden oluştuğu için genellikle yenilme kayma şeklinde malzemelerin birbiri üzerindeki hareketinden kaynaklanır. Burada partiküller arasındaki sürtünme devreye girer, bu özellikle kum ve çakıl malzemeler için geçerlidir. Killi malzemede su etkisi ile kimyasal bağlar oluşur.

Zemin ve kaya malzemeler, çelik, beton ve ahşap gibi diğer inşaat mühendisliğinde kullanılan malzemelerden farklıdır. Zemin kütlesi katı taneler ve bunların arasındaki boşluklardan oluştuğundan dolayı bileşim olarak maddenin 3 fazını (phase) (katı-solid/ sıvı-liquid / gaz-gas) içeren bir malzemedir. Bu her bir faz bulunduğu zeminin özelliklerini değiştirebilir.

Zemin Modeli Solid Particles (Katı tanecikler) Zemin kütlesi katı taneler ve bunların arasındaki boşluklardan oluştuğundan dolayı bileşim olarak maddenin 3 fazını (phase) (katı-solid/ sıvı-liquid / gaz-gas) içeren bir malzemedir. Normal şartlar altında zemin içindeki sıvı sudur, gaz ise havadır. Bu nedenle zemin mekaniğinde sıvı yerine su gaz yerine hava terimleri kullanılır. Solid Particles (Katı tanecikler) Volume (Hacim) Voids (air or water) (Boşluklar have veya su)

İdealleştirilmiş – Basitleştirilmiş Diyagram Three Phase Diagram (Üç Fazlı Diyagram) Zemin içerisinde bulunan fazlar zemin davranışını etkilediği için su ve havanın oranlarını bulmak gerekmektedir. Air Water Solid Mineral Skeleton (Mineral İskeleti) İdealleştirilmiş – Basitleştirilmiş Diyagram

Bütün boşluklar suyla doluysa zemin doygundur. Zemin içerisindeki su, boşluk suyu (pore water) olarak adlandırılır. Bu suyu durumuna göre 3 farklı durum oluşur. Bütün boşluklar suyla doluysa zemin doygundur. Bazı boşluklar suyla doluysa zemin kısmen doygundur ve hepsi havayla doluysa kurudur. Fully Saturated Soils (Two phase) Suya Doygun Zemin Water Solid Fully Saturated (Suya doygun) Mineral Skeleton (Mineral İskeleti) Dry Soils (Two phase) [Oven Dried] Air Solid Dry Soil (Kuru zemin) Kuru zemin (Etüvde kurutulmuş) Mineral Skeleton (Mineral İskeleti)

Zemin içerisinde bulunan fazlar zemin davranışını etkilediği için su ve havanın oranlarını bulmak gerekmektedir. Az stabil durum Taneciklerin hareketi ile zeminde deformasyonlar gözlemleniyor ve hacim değişikliği meydana geliyor Stabil durum

Air Water Solid Mass / Weight Volume Suyun ve Havanın zemin davranışını etkilemektedir, bu nedenle bu oranların belirlenmesi zemini tanımak adına gerekmektedir. Bu oranlar Ağırlık-Hacim (Weight-Volume) ilişkileri veya Faz İlişkileri (Phase relationship) incelenerek tespit edilir. Solid Air Water WT Ms / Ws Mw / Ww Ma / Wa~0 Vs Va Vw Vv V T Mass / Weight Volume NOTASYON W = weight = ağırlık M = mass = kütle a = air = hava w = water = su s = solid = katı T = total = toplam V = volume = hacim v = void = boşluk

Air Water Solid WT Ws Ww Wa~0 Vs Va Vw Vv V M V  = Vt = Vs + Vv = Vs + Vw + Va; Katıların Hacmi Vs = 1 ve gazın ağırlığı Ma = 0 olarak kabul edilir. Böylelikle: Mt = Ms + Mw; ve Birim hacimdeki zeminin ağırlığı Wt = Ws + Ww, W=Mg olduğundan dolayı M V  = Yoğunluk () Birimler: t/m3, g/ml, kg/m3 Birim Hacim Ağırlık (g),  =  g, M g V  = W , g = Birimler: N/cm3, kN/m3

Ww w  100% Ws Su muhtevası (Moisture/Water Content) (w) Air Water Su muhtevası suyun ağırlığının tanelerin (katıların ağırlığına) oranıdır. Solid Air Water WT Ws Ww Wa~0 Vs Va Vw Vv V T Weight Volume Su muhtevası tayini: •Islak Zemin nümunesi tartılır (Ws+Ww) (Ms+Mw) •Tüm su buharlaşacak kadar Etüvde kurutulur •Kuru ağırlık bulunur (Ms / Ws) w  100% Ww Ws Su muhtevası

n = Vv Vv Vv Vv /Vt = n 1− n 1−Vv /Vt Vv /Vs = e 1+ e Bir zemindeki boşlukların etkisini değerlendirebilmek için Boşluk Oranı (void ratio) (e) ve Porozite (boşluk hacmi / gözenek hacmi) (n) değerleri hesaplanır. Void ratio: e = Vv/Vs; Porosity n = Vv/Vt 0.5 (50%), the void ratio is 1.0 already. Vv Vv /Vt = n 1− n 1−Vv /Vt Vv /Vs = e 1+ e Vt Vs + Vv 1+ Vv /Vs e = Vv Vs Vt −Vv n = Vv Vv = = = Apparently, for the same material we always have e > n. For example, when the porosity is

S  Vw  Vw Vs  Vw Air Water Solid S =Vw/Vv x 100% Vse Vv Vv Vs WT Ws Ww Wa~0 Vs Va Vw Vv V T Suya Doygunluk Yüzdesi / Doygunluk derecesi (Degree of saturation) – (Boşlukların ne kadarı su ile dolu) Zeminin boşluklarındaki suyun hacminin toplam boşluk hacmine oranıdır. S =Vw/Vv x 100% 5p Doygunluk derecesi, zemindeki boşlukların hangi oranda su ile dolu olduğunu anlamamıza yarar S  Vw  Vw Vs  Vw Vv Vv Vs Vse

Özgül Yoğunluk(Gs) Ws   s G  Vs w  w Suyun bir. hac. ağ., Herhangi bir malzemenin özgül yoğunluğu o malzemenin katı taneciklerinin birim ağırlığının suyun birim ağırlığına oranı olarak tarif edilir. Ws   s s Vs w  w G  Suyun bir. hac. ağ., 9.81kN/m3≈10kN/m3 Zeminlerde Gs değişimi genellikle 2.6 ile 2.8 arasındadır. Bir referans özellik olarak kullanılır, zeminler bu limitlerin oldukça dışında ise bir olağan dışılığa işarettir.

W  G   w  S  Vw  wGs Türetilen Eşitlikler  d  V  1 e  1 w Ağırlık-hacim parametrelerinin bir veya daha fazlasının bilindiği ve bilinmeyenlerin deneyler ile belirlenmesinin zor olduğu durumlarda bazı eşitlikler türetilir. Bunları türetirken Faz Diyagramları kullanılır ve katı taneciklerin hacmi 1 birim olarak kabul edilir. Kuru birim ağırlık hesaplanırken yaş zemin hacminin kuru duruma geçerken değişmediği kabul edilir. Solid Air Water WT Ws Ww Wa~0 Vs Va Vw Vt Ww=w.Ws Ww=w.Gs.w Ws = 1.Gs.w Vt = Vv+Vs e= Vv/Vs = 1+e Wt = Gs.w.(1+w) S neydi, saturation ratio doygunluk derecesi boşlukların ne kadarı su ile dolu = 1 S  Vw Vv e  wGs   Gs w (1 w) 1 e V  1 e  1 w s   s  w  W  G    d 

Weight-Volume Relationships (Table 3.1) The 3rd column is a special case of the 1st column when S = 1.

Göreceli (Relative) Sıklık – Relative Density (Dr) Kumlu ve çakıllı zeminlerin mevcut durumunun olası en sıkı (en az boşluklu) ve en gevşek (en çok boşluklu) durumlarına göre hangi seviyede olduğunu gösteren deneysel bulunabilen bir göstergedir. emax  maksimum boşluk oranı (en gevşek durum) emin  minimum boşluk oranı (en sıkı durum) e  mevcut boşluk oranı emax  e emax  emin r D  Normal bir zeminin sıkıştırılması ile boşluk oranı değişebilir ancak her taneli zeminin kendine has bir emax ve emin değerleri vardır. Arazi deneyleri sonucu Dr elde edilebilir. Gevşek taneli zeminler uygun temel zemini değildir. Taşıma güçleri düşük, fazla oturma yapma potansiyeline sahip, suya doygun olanları da deprem sırasında sıvılaşma riski taşımaktadır. Böyle zeminler iyileştirme-stabilizasyon işlemlerine tabi tutularak kullanılabilir. emax ve emin değerleri ;tane boyutu, tane şekli, tane boyutu dağılımı ve ince taneli malzemelerin miktarı gibi unsurlara göre değişiklik gösterir.

SU MUHTEVASININ BELİRLENMESİ DENEY 1 SU MUHTEVASININ BELİRLENMESİ

Faydalanilan Kaynaklar Zemin Mekaniği I - Prof. Dr. S. Feyza Çinicioğlu - Notlar Das Principles Geotechnical Engineering (Ch. 3)