Upload
others
View
14
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Toprak Mekaniği ve Teknolojisi
Ders Notu
ZTO405.1
2019-2020
Karl von Terzaghi Doğum tarihi: 2 Ekim 1883, Prag, Çekya
Ölüm tarihi ve yeri: 25 Ekim 1963, Winchester, Massachusetts, ABD
Toprak Mekaniği toprağa uygulanan kuvvetlerle toprağın buna karşı gösterdiği
reaksiyonları açıklar. Bu tanım toprağa uygulanan kuvvetlerin yanısıra, rüzgar,
su ve diğer kaynaklardan oluşan dinamik reaksiyonları da kapsar (Munsuz,
1985).
Zemin mekaniği, toprağın içinde veya dışında (üstünde) yapılan inşaat
mühendisliği yapılarının tasarımı ile ilgili olarak, zeminlerin mühendislik
davranışının incelenmesi olarak tanımlanabilir. Bu tür yapıların örnekleri
arasında dolgu ve kesimler, barajlar, istinat duvarları, tüneller, bodrumlar,
yeraltı atık havuzları ve binaların ve köprülerin temelleri bulunur. Bir dolgu,
kesme veya istinat duvarı çoğu zaman bir inşaat mühendisliği yapısının bütünü
olmasa da büyük bir bileşeni temsil eder ve genellikle (daha iyi veya daha
kötüsü için) bitmiş formunda açıkça görülebilir (Powrie, 2014)
Toprakların Fiziksel Özellikleri
Toprakların fiziksel özellikleri 3 grup altında incelenir.
Birinci grup toprakların tane büyüklüğü dağılımı ve mineralojik bileşiminden
kaynaklanır. Bu özellikler yardımıyla, sınıflandırma ve tanımı yapılabilir, ampirik
ilişkiler ortaya konulabilir. Bozulmuş örnekler ile bu özellikler belirlenebilir.
İkinci grup fiziksel özellikler yardımıyla hacim ağırlık, kıvamlılık, adhezyon gibi
toprağın durumuna ait sayısal özellikler belirlenebilir. Bu özelliklerin
belirlenmesinde yapısı bozulmamış toprak örneklerinden yararlanılır.
Üçüncü grup ise dinamik toprak özellikleri olarak tanımlanır. Çeşitli dış etkilerle
toprakların davranışı kalitatif veya kantitatif olarak değişebilir. Suyun toprakta
hareketi, kapillarite olayı, sıcaklık değişimi nedeniyle nem içeriğindeki
değişmeler dinamik toprak özellikleri arasındadır.
fiziksel özellikler kullanımı
I tane büyüklüğü, tane büyüklüğü dağılımı, özgül ağırlık, organik madde
tanım ve sınıflandırma, ampirik ilşkilerin kullanımı
II toprakların faz bileşimi, su kapsamı, boşluk oranı, kompaksiyon derecesi, kıvamlılık
toprak şartlarının sayısal değerlendirilmesi
III a direnç özellikleri (sıkışma ve kayma direnci) stabilite problemleri, toprak basıncı, şev stabilitesi
III b deformasyon özellikleri (sıkışma, büzülme, şişme)
deformasyon problemleri, çökme hesaplamaları
III c hidrolik özellikleri (su hareketi, kapillarite, termal hareket, permeabilite)
konsolidasyon, sızmalar, donma
Tane İriliği Primer toprak tanecikleri irilik bakımından çok geniş sınırlar arasında
değişiklikler gösterirler. Bir yanda büyük taş ve çakıl parçalarından, diğer
yandan kolloidal büyüklükteki en ince taneciklere kadar farklı irilikteki materyal
bir arada bulunur. Bu geniş irilik dağılımı aralındaki toprka tanecikleri genel
olarak kum, mil ve kil fraksiyonları olarak sınıflandırılırlar. Kaya taş ve çakıl
parçaları gerçek toprak olmayıp, iskelet materyali meydana getirir.
Toprak tanecikleri genellikle ideal küre şeklinde olmadıkları için çeşitli irilik
gruplarına sınıflandırmada, diğer bir ifade ile toprağın fraksiyonlarına
ayrılmasında ölçü olarak ekivalen (eşdeğer) çap değerleri kullanılmaktadır.
Eşdeğer çap eleme ile ayrılabilen iri taneler için, kendilerinin geçtiği belli
büyüklükteki elek büyüklüğünden geçebilen bir
kürenin çapına eşit olan değeri, ancak
sedimantasyon teknikleri ile ayrılabilen küçük
tanecikler için ise kendileri ile aynı yoğunluğa ve
sıvı bir ortamda aynı çökelme hızına sahip olan
değeri ifade etmektedir.
Atterberg 0,002 mm den küçük taneciklerin
sulu süspansiyonda Brown hareketi
yapmalarına ve üzerinde bakterilerin
tutunamamalarına esas alarak kilin üst limitini
0,002 mm çap değerini tespit etmiştir. Kumun
üst sınırı olarak 2 mm lik çap değerinin alınması Albert Atterberg
1846-1916
ise bu irilikten daha büyük taneciklerin serbest arazi koşullarında suyun
hareketini önemli bir şekilde etkilememeleri esas alınmıştır.
İskelet: 2 mm çaptan büyük primer tanelerdir ve
hemen hemen hiç su tutma yeteneği yoktur. Sadece
tanelerin birbirine temas noktalarında çok az su çok
zayıf kuvvetle tutulabilir. Buna karşın ha va ve suyu çok
kolay iletir.
İnce toprak: Kum , mil ve kil fraksiyonlarından oluşan
ve eşdeğer çapı 2 mm den küçük olan materyalin
tamamı genellikle ince toprak veya gerçek toprak
olarak adlandırılır.
Kaba kum: eşdeğer çapı 2-0,2 mm arasında olan bu grupta tanecikler arasında
yer alan boşluklarının çapı da büyük olduğundan az miktarda su, boşluklardan
çok taneciklerin temas noktalarında zayıf bir adezyon kuvvetiyle
tutulabilmektedir. Bu fraksiyonun hakim olduğu topraklarda su ve hava
iletkenliği çok yüksektir. Toprak kolay ısınır kolay soğur.
İnce kum: tane iriliği 0,2-0,02 mm arasında olan bu grupta tanecikler artık gözle
tam görülmezler. İlk kez ortaya çıkan kapillar kuvvetler yardımı ile su tutma
yeteneğine sahip olamakla beraber su ve hava iletkenlikleri hala çok yüksektir.
Bu fraksiyonun hakim olduğu topraklar kolay işlenebilirler. Tanecikler kısmen
kendi aralarında birleşerk zayıf strüktür üniteleri oluşturabilirler.
Mil: ekivalen çapı 0,02-0,002 mm arasında bulunan bu fraksiyon kumdan kile
bir geçiş oluşturur. Mil fraksiyonunda kapillar suyun hareket edebilmesinin
yanısıra yeteri miktarda su tutulabilir. İyi strüktür kazanması durumunda yeterli
hava ve su iletkenliği ile kök yayılımı sağlar. Kompakt oluşumda ise kök
gelişimini büyük ölçüde engeller. Düşük de olsa su ve katyon tutma kapasitesi
göstermesi bakımından kile, buna karşılık yüksek oranda primer mineraller
içermesi ve sulu süspansiyonda Brown hareketi yapamaması nedeni ile kuma
benzer.
Kil: eşdeğer çapı 0,002 mm den küçük olup toprağın en aktif fraksiyonunu
oluşturur. Kil tanecikleri ancak mikroskopla görülebilecek kadar küçük
olduğundan aralarındaki gözenek boşlukları da o kadar küçüktür ki kapillar su
ancak çok yavaş hareket edebilir fakat çok büyük bir kuvvet ile tutulur. Özellikle
strüktürün iyi gelişmediği durumlarda zayıf su iletimi ve yükske su tutma
kapasitesi genellile toprakta ısklaklığa yol açar. Kil kök yayılımını ve bakterilerin
serbestçe hareketini sınırlandırır hatta zaman zaman engeller. Kil sulu
süspansiyonlarda kolloidal özellikler gösterirler.
Kumlu ve Killi Toprakların Özellikleri
Fiziksel Özellikler Kumlu Killi
Plastiklik Plastik değil Plastik
Hacim değişmesi Çok az, pratik olarak ihmal edilebilir
Fazla hacim değişmesi, şişme ve büzülme
Permeabilite Geçirgen Pratik olarak geçirimsiz
Drenaj Yerçekimi ile hızlı drene olur. Filtre tabakaları için uygundur.
Yer çekimi ile drenaj yok. Hacim değişmesine bağlı olarak nem miktarında değişme.
Kapillarite Kapillar yükselme hızlı, yükselme mesafesi fazla değil
Kapillar yükselme yavaş, yükselme mesafesi fazla
Kompressibilte (sıkışabilme)
Gevşek durumda sıkışma çok çabuk meydana gelir, yoğun durumda sıkışma çok yavaş
Yumuşak durumda çok yüksek, sıkışma hızı yavaş
Kayma direnci Sadece sürtünme Sürtünme ve kohezyon
Titreşime karşı davranış Hızlı sıkışma Etki yok
Toprakların Kütle Özellikleri
Toprakların Doğal Nem İçeriği
Toprakta bulunan su kütlesinin, kuru toprak kütlesine oranıdır.
𝑇𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘 𝑁𝑒𝑚𝑖 =𝑛𝑒𝑚𝑙𝑖 𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘 − 𝑘𝑢𝑟𝑢 𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘
𝑘𝑢𝑟𝑢 𝑡𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘× 100
𝑇𝑜𝑝𝑟𝑎𝑘 𝑁𝑒𝑚𝑖 =𝑀𝑤
𝑀𝑠× 100
Boşluk oranı
Boşluk oranı, boşlukların oransal hacmini ifade etmek için kullanılmaktadır.
Boşluklar hacminin, mineral toprak kısmının hacmine oranıdır.
𝐵𝑜ş𝑙𝑢𝑘 𝑜𝑟𝑎𝑛𝚤 = 𝑒 =𝑉𝑏
𝑉𝑠
Toprak Porozitesi
Toprağın boşluklar hacmi (gözenek boşluğu) katı
toprak tanecikleri tarafından işgal edilmeyen hacmini
gösterir ve genel olarak porozite terimi ile ifade edilir.
db: bulk density - hacim ağırlık
dp: particle density - özgül ağırlık
𝑃𝑜𝑟𝑜𝑧𝑖𝑡𝑒 =Ö𝑧𝑔ü𝑙 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘 − 𝐻𝑎𝑐𝑖𝑚 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘
Ö𝑧𝑔ü𝑙 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤𝑘× 100
Hacim Ağırlık = Volüm Ağırlık = Bulk Density
1 cm3 hacminde doğal durumda boşlukları ile
birlikte kuru toprağın gram olarak ağırlığıdır.
Birimi: g/cm3
Özgül Ağırlık = Particle Density
İçerisinde su ve hava boşlukları olmayan
1 cm3 hacmindeki katı toprak fazının g olarak ağırlığıdır.
Birimi: g/cm3
Granülometri
Bir toprağın tane büyüklük dağılımı, çeşitli büyüklük sınırlarındaki tanelerin
toplam kütle içerisindeki % dağılımını (miktarını) gösterir. Tane büyüklüğü
laboratuvarda mekanik analizler yardımıyla tayin edilir. Tane büyüklüğü
tanımlamada eşdeğer çap kullanılır. Kaba taneli topraklarda elek serisi kullanılır
ve her elek üzerinde kalan materyal tartılarak bulunur. İnce taneli topraklar için
elek kullanmak pratik değildir ve kullanılmaz. Bu nedenle ince taneli toprakların
büyüklük dağılımının belirlenmesinde Stokes Yasasına dayanılarak çöktürme
işlemleri yapılır. Mekanik analiz sonucu tane büyüklük dağılımlarına ait eğriler
çizilir. Eğrinin (grafikte) apsisine tane çapı, ordinatına ise miktar yazılır. Tane
büyüklüğü uçta olan kil ve çakıl gibi çok geniş sınırlarda yer alırsa bu değerleri
aritmetik bir ölçekte (skalada) göstermek pek pratik olmaz. Bu nedenle tane
büyüklüğünü gösteren değerler apsisi logaritmik olan bir kağıt üzerine aktarılır.
D10: Tanelerin ağırlıkça % 10 nun sahip olduğu en büyük çap (efektif çap)
D30: Tanelerin ağırlıkça % 30 nun sahip olduğu en büyük çap
D60: Tanelerin ağırlıkça % 60 nun sahip olduğu en büyük çap
Üniformluk Cu katsayısı: Bir toprağı oluşturan tanelerin ağırlıkça % 60 nın
sahip olduğu en büyük çapın, efektiv çapa oranıdır.
Üniformluk katsayısının yüksek olması, topraktaki tanelerin küçükten büyüğe
kadar iyi bir şekilde dağıldığını yani toprağın iyi derecelendiğini gösterir.
Elek Çapı (µm)
Elek
ten
Geç
en Ö
rnek
Mik
tarı
(%
)
Yeknesaklık katsayısı
Eğrilik Cc katsayısı: Topraktaki tanelerin büyüklük bakımından gsterdiği
değişimin belirtilmesinde kullanılmaktadır. Tanelerin ağırlıkça % 30 nun sahip
olduğu en büyük çapın karesinin efektif çap ile ağırlıkça % 60 nın sahip olduğu
en büyük çapın çarpımına blünmesi ile elde edilir.
Tane çapı dağılımı toprakların birçok mühendislik özelliğini etkilemektedir. Bu
özellikler:
1.Toprağın su geçirgenliği: iri taneli topraklar ince taneli topraklara göre çok
daha fazla su geçirgenliğine sahip olmaktadır.
2.Toprağın direnci: iyi derecelenmiş topraklar daha yüksek dirence ve taşıma
gücüne sahip olmaktadır.
3.Toprağın sıkışabilirliği: iyi derecelenmiş zeminler, uygulanan yükler altında
kötü derecelenmiş veya üniform topraklardan daha az sıkışma gösterir.
4.Toprak içindeki kapilar su yükselmesi dane çapı dağılımından etkilenmektedir.
5.Toprakların dondan etkilenme oranı tane çapı dağılımına bağlı olmaktadır.
6.Toprakların su geçirgenliğine bağlı olarak yük altında sıkışma hızı, yükleme
sırasında içindeki suyun dışarı çıkabilme kolaylığı (buna bağlı basınç değişimleri)
tane çapı dağılımından etkilenmektedir.
Derecelenme katsayısı
Toprak Kıvamı
Toprak kıvamı, bir toprakta kohezyon ve adezyon kuvvetlerinin farklı nem
koşulları altında fiziksel etkinliği olarak tanımlanabilir.
Toprak kıvamı deyimi genel anlamda: Toprağın çeşitli nem düzeylerinde sahip
olduğu kohezyon, adezyon ve agregat stabilizasyonu kuvvetleri vasıtasıyla,
toprak kütlesinin birarada tutulması gücü ve yeteneğini ifade etmektedir.
Bir başka açıdan toprak kıvamı, toprağın kendisini deforme etmeye yönelik
güçlere ve etkenlere karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanabilir. Buna göre
toprak kıvamı, toprağı oluşturan taneciklerin birbirlerine yapışabilirlikleri
bakımından toprağın gösterdiği fiziksel nitelikleri ve kuvvetleri ifade etmektedir.
Bu kuvvetler, ilk olarak toprak kütlesinin, yerçekimi, basınç ve friksiyona
(ovuşturma) karşı davranışını, ikinci olarak toprağın yabancı cisim ve
materyallere yapışma eğilimini, üçüncü olarak da gözlemcinin duyu organlarıyla
özellikle parmaklarıyla edindiği izlenimleri ortaya koyar.
Bu belirlemelere göre toprak kıvamı kavramı aşağıdaki toprak özelliklerini
kapsamaktadır.
*Toprağın sıkıştırma ve makaslama kuvvetleri karşısındaki direnci
*Agregatlaşma derecesi
*Plastiklik ve yapışkanlık
Aşırı miktarda su içeren bir toprağın akıcı duruma geldiği ve viskoz bir özellik
taşıdığı bilinmektedir. Toprakta su miktarı azaldıkça akıcılık kaybolarak yerini
yapışkan ve plastik bir durum alır. Nem içeriği daha da azalırsa, bu kez
yapışkanlık ve plastiklik de kaybolur, toprak kümeli ve dağılabilir bir duruma
gelir. Dokunulduğu zaman yumuşak bir duygu verir. Sonunda kuru duruma
gelindiğinde toprak sert ve güç dağılabilen bir kitle halini alır ve parmaklar
arasında ovuşturulduğunda sertlik ve pürüzlülük duygusu uyandırır. Kum
bünyeli toprağın kıvamı yoktur. Toprağın nem içeriğine bağlı olarak ortaya çıkan
bu değişiklikler özellikle tınlı ve killi topraklarda çok belirgindir. Kumlu topraklar
ise böyle bir özelliğe sahip olmadıklarından kıvam söz konusu değildir. Kuru bir
toprakta tanecikler yüksek kohezyon kuvvetlerinin etkisiyle birbirlerine çok
yakın temas halindedir, dolayısıyla kuvvetli olarak bir arada tutulurlar. Bir
miktar su verilmesi halinde, toprak tanecikleri adsorpsiyon yoluyla çok ince bir
su filmi ile sarılarak hidrate olurlar. Bu suretle toprak tanecikleri arasındaki
güçlü kohezyon kuvvetleri derhal inimum bir değere kadar azalır. Fakat
hidrasyon suyu kohezyon kuvvetlerine atfedilen bir güçle, bir dereceye kadar
toprak taneciklerinin birbirini çekmesini hizmet etmektedir. Bu çekim, toprak
tanecikleri arasında bir köprü görevi yapan su menisküslerinin oluşmasıyla
ortaya çıkar ve böylece kohezyon kuvvetleri tekrar yükselir. Su zarları büyük
yüzeyler halinde üst üste gelerek temas ettiklerinden pul veya plaka şeklindeki
tanecikler arasındaki yüksek kohezyon kuvvetleri özellikle etkilidir. Maksimum
sayıda menisküs oluşumuna takiben, nem miktarının daha da artması
menisküslerin maksimum bükeylik durumunun bozulmasına yol açar ve toprak
tanecikleri, azalan menisküs bükeyliğine bağlı olarak ortaya çıkan düşük
kohezyon kuvvetlerinden dolayı, giderek artan ölçüde birbirleri üzerinden
kayabilen bir duruma gelirler. Şu halde, çeşitli kıvam durumunda toprağın
deformasyon etkenlerine karşı gösterdiği direnç, doğrudan toprağın içerdiği
nem miktarıyla ilgilidir.
Toprak Kıvam Sınıfları
Toprakların çeşitli kıvam durumlarına büyük önem veren ilk araştırmacı
Atterberg’tir. Toz haline getirilmiş bir miktar kil fazla su ile karıştırıldığı taktirde
viskoz akıcı bir sıvı elde edilir. Daha az miktarda su ile karıştırıldığında ise güç
akabilen fazla viskoz bir macun meydana gelir. Bu macun kurumaya başladığı
takdirde akamayan fakat yapışkan olan bir kitle halini alır ve temas ettiği diğer
cisimlere yapışır. Biraz daha buharlaştırıldıktan sonra yapışkanlık durumu
kaybolur ve kile parmaklara yapışmaksızın kolayca şekil verilebilir. Bu durumda
kil seramik endüstrisince istenilen kıvamda olup, plastiktir. Daha fazla
buharlaştırma kilin şekillendirilebilme yeteneğinin sona ermesine yol açar. Bu
durumdaki kil henüz nemlidir, fakat kil tanecikleri ancak basınç altında
birbirlerine yapışabilir ve bir küme oluşturabilirler. Nemin daha da azalması
sonucunda, bu türlü şekillendirme yeteneği de kaybolur ve materyal, el ile
yoğrularak bu nem düzeyine getirilmiş ise ufalanmış kırıntılı bir durum,
ellemeden kendi halinde kurumaya bırakılarak bu nem düzeyine getirilmiş ise,
sert ve sıkı bir durum kazanır.
Buna göre Atterberg, toprakların gösterebilecekleri aşağıdaki kıvam çeşitlerini
önermiştir.
1) Sulu akışkan kıvam şekli: toprak su gibi kolay akar.
2) Kalın akışkan kıvam şekli: toprak cıvık hamur gibidir ve yerçekimi kuvvetinin
etkisiyle kendiliğinden akar.
3) Viskoz akışkan kıvam şekli: Toprak macun gibidir ve yerçekimi kuvvetinin
etkisiyle akmaz.
4) Plastik kıvam şekli: toprak yoğrulabilir, şekillendirilebilir.
5) Gevşek kıvam şekli: toprak yumuşak ve kümelidir. Granüller hafif bir basınç
altında birbirlerine yapışırlar.
6) Sert kıvam şekli: Toprak serttir. Artık tanecikleri bir arada tutacak, yeterli
miktarda nem içermez.
Atterberg’in bu belirlemelerine dayanılarak daha sonraları toraklarda dört temel kıvam sınıfı
kabul edilmiştir.
1) Yapışkan Kıvam: Islak toprağın yabancı cisimlere yapışması şeklinde kendisini gösterir.
2) Plastik kıvam: Nemi toprağın sıkı ve endüstriyel çalışmaya uygun olduğu durumdur. Toprak
yoğurulabilir, şekillendirilebilir ve verilen şekli koruyabilir.
3) Yumuşak kıvam: nemli toprağın dağılabilirlik veya işlenmeye en uygunluk durumudur.
4) Sert kıvam: kuru toprağın, sert ve sıkı olduğu durumdur.
-
N E M
+
Kuru Sert kıvam: belirgin büzülme çatlakları, işlenince iri kesek oluşumu, kesekler sert ve sıkı, işlenmeye uygun değil.
Nemli Yumuşak kıvam: elastiki dağılabilir, deforme olabilir, ilemeye uygun.
Islak Plastik kıvam: yoğurulabilir, şekillenebilir, işlenince balçıklaşır, kompaktlaşır, işlenmeye uygun değil.
Islak Yapışkan kıvam: vizkoz akışkan, yapışkan, kaygan, işlenemez.
Sert kıvamda toprağın nem içeriği minimum, buna bağlı olarak toprak
tanecikleri arasındaki kohezyon maksimumdur. Bu kıvam durumunda topraklar
belirgin büzülme çatlakları gösterirler, işlenmeye uygun değillerdir.
İşlendiklerinde arazide iri kesekler oluşur ve bu kesekler uzun zaman ıslanma,
kuruma ve donma çözülmeye maruz kalarak dağılabilirler.
Yumuşak kıvamda, toprağın nem içeriği biraz daha fazladır. Artan neme bağlı
olarak toprak tanecikleri arasındaki kohezyon minimuma iner ve toprak
yumuşak (yarı sert) bir kıvam kazanır. Bu durumda toprak, üzerine uygulanan
elastik deformasyon kuvvetleri karşısında dağılarak granülleştiğinden optimum
toprak işleme koşullarını taşır.
Plastik kıvamda, artan neme bağlı olarak toprak tanecikleri arasında oluşan çok
sayıdaki meniskuslar dolayısıyla, toprağın kohezyonu tekrar yükselir ve toprak
sıkı bir yapı kazanır. Fazla miktardaki su meniskusları dolayısıyla toprak, üzerine
uygulanan basınç karşısında tanecikler birbiri üzerinden kolayca kayarak
deforme olur ve belli bir şekil kazanır. Basınç ortadan ortadan kalktıktan ve
kuruduktan sonra bu formunu korur.
Yapışkan kıvamda içerdiği aşırı su nedeniyle toprakta kohezyon tamamen
kaybolarak adezyon kuvvetleri ön plana çıkar. Toprak viskoz akışkan ve yapışkan
bir durumda bulunduğundan işlenmesi söz konusu değildir.
Atterberg Limitleri
Atterberg limitleri, plastik bölgede (zonda) toprak kıvamındaki değişmelerin
tanımlanmasında kullanılan plastik kıvamın başlangıç ve bitim sınırlarını ifade
eden ampirik değerlerdir. Toprakta nemin artmasıyla, gözeneklerde maksimum
sayıda meniskus oluştuğu anda yumuşak kıvam ile plastik kıvam arasındaki nem
değerine ulaşır. Atterberg bunu “Alt Plastik Limit” diye adlandırmıştır.
Kaynaklarda bu ifade yerine genellikle sadece plastik limit yada yuvarlama sınırı
deyimleri kullanılır. Bu sınır değerinde toprak artık dağılabilir durumda olmadığı
gibi, henüz tam plastiklik de göstermez. Plastik kıvam bölgesinde toprakta
kohezyon ikinci kez maksimum değerindedir. Bu bölgenin bitimine doğru artan
nem ile birlikte kohezyonda ani bir düşüş görülür ki, o anda toprakta plastiklik
özelliği kaybolarak, yapışkanlık ve akışkanlık belirtileri başlar. Toprağın
plastiklikten, akışkanlığa geçtiği bu sınır nem değerine de Atterbeg tarafından
“Üst Plastik Limit” adı verilmiştir. Kaynaklarda bu deyim yerine genellikle likit
imit deyimi kullanılır.
Alt Plastik Limit (Plastik Limit) (APL) (PL)
Bir toprak macununun yaklaşık 3-4 mm kalınlığında bir çubuk veya iplik şekline
getirmek üzere avuç içi ile yuvarlandığında çatlayarak ufalanmaya başladığı
anda içerdiği nem miktarı olarak tanımlanmaktadır. Özellikle halloysit ve
montmorillonit killerine ait (PL) sınırların çok olduğu görülmektedir. Kil
minerallerinin plastik limit bakımından kil tiplerine göre gösterdikleri sıra:
Attapulgit>montmorillonit>halloysit.4H2O>halloysit.2H2O>kaolinit
Üst Plastik Limit (ÜPL) veya Likit Limit (LL)
Bir toprak macununun küçük bir dış kuvvet etkisi altında akışa geçtiği andaki
nem miktarı olarak tanımlanabilir. Likit limit nem miktarına ulaşan toprak yoğun
viskoz bir akışkan gibi davranır. Likit limit tayini için Casagrande cihazı kullanılır.
Likit limit değerleri, plastik limit değerlerinin çok üzerindedir. Çeşitli kil
minerallerini likit limit değerleri azalan sıraya göre:
Li-montmorillonit>Na-Montmorillonit>illit>
halloysit.4H2O>halloysit.2H2O>kaolinit
Plastiklik İndeksi (Plastiklik Sayısı)
Plastiklik indeksi, üst plastik limit ile alt plastik limit nem değerleri arasındaki
fark olarak tanımlanır.
PI=LL-PL
Plastiklik indeksi, nem içeriğindeki değişmeler karşısında toprağın gösterdiği
duyarlılığı ifade etmektedir. Plastiklik indeksi değeri küçüldükçe balçıklaşmaya
yol açmadan toprak işleme mümkün olabilmektedir.
PI değerinin büyüklüğü, toprak PL değerinin üzerindeki nemlilik düzeylerinde
işlendiğinde, önemli derecede balçıklaşma tehlikesinin var olduğunu gösterir.
Plastik limit değeri, toprak strüktürü zarara uğratılmadan toprağın
işlenebileceği maksimum nem düzeyini ifade etmektedir. Bu nedenle tınlı ve
killi topraklarda toprağın işlenebilirliğini daha yüksek nem düzeylerine
kaydırmak için organik gübreleme ve kireçleme suretiyle plastik limit nem
değerinin yükseltilmesi, dolayısı ile plastiklik indeksi değerinin düşürülmesi çok
büyük önem taşımaktadır.
Russel PI’nin toprağın 5 µ’dan küçük tanecik miktarıyla doğru orantılı olarak
değiştiğini ve aralarındaki ilişkinin aşağıdaki bigi olduğunu göstermiştir.
PI = 0,6 %C5µ - 12 veya PI = 0,66 × %C2µ - 10
Bu eşitliklerden 5 ve 1 µ’dan küçük tanecik miktarı % 29 ve % 15’den az olan
toprakların plastik olmadıkları anlaşılmaktadır.
PI 15 den büyük olan topraklar çok plastik ve yapışkan, ağır bünyeli toprakları
oluştururlar. Bunların kil içeriği % 28’den fazladır. Daha az yapışkan olan tınlı
toprakların plastiklik indeksi 15 den küçük olup ki oranları % 18 ile 12 arasında
değişir.
Yapışkanlık Noktası (YN)
Su ile hazırlanmış bir toprak macununun yüzeyinde veya içinde çekilen bir
spatüle yapışmaya başladığı andaki nem miktarı olarak tanımlanmaktadır.
Yapışkanlık noktası genellikle plastik kıvam bölgesi içinde yer alır. Bu değer fazla
plastik topraklarda likit limitin biraz aşağısında, az plastik topraklarda ise likit
limitin biraz üzerindedir.
Atterberg Limitlerinin Önemi
Tarımda plastik limit, en uygun toprak işleme için iyi bir gösterge olarak kabul
edilmekte ve kullanılmaktadır. Teorik olarak toprak işlemenin plastik limitin
yakınında fakat biraz altındaki nem düzeyinde yapılması gerekmektedir.
Atterberg Limitlerini Etkileyen Faktörler
1) Kil Miktarı: Toraktaki kil miktarı arttıkça lastik limit daha küçük oranda, likit
limit ise daha büyük oranda arttığından buna bağı olarak PI artmaktadır.
Tekstür kabalaştıkça PI değeri giderek küçülür. Kil içeriği % 15-20’den daha az
olan topraklarda plastiklik özelliği görülmez.
2) Kil minerallerinin tipi
3) Değişebilir katyonlar: Değişebilir K her 2 plastiklik limitinin ve PI azalmasına
neden olmaktadır. Buna karşılık Na her 2 plastiklik limitini azaltmakla beraber
PI’nin artmasına yol açmaktadır. Değişebilir Ca ve Mg ise her 2 plastiklik limitini
yükseltmekte fakat plastik limit değerini daha fazla yükselttiğinden PI’ni
düşürmektedir.
4) Organik madde miktarı: toprağın OM içerği her 2 plastiklik limitini ve
yapışkanlık noktası değerini çok önemli derecede yükseltmekte fakat PI’ni aynı
öcüde etkilememektedir. Bundan dolayı OM miktarı arttıkça torağın
işlenebilirlik imkânı artmaktadır.
Aktivite Sayısı
Aktivite deyimi, plastik topraklar için kullanılan bir deyim olup değişen nem
durumlarında hacimde meydana gelen değişme eylemini gösterir. Toprağın
aktivitesi arttıkça genellikle hacim değişmesi de oluşur. Bu değişmeyi etkileyen
suyun miktarı, mevcut kolloidal kil tanelerinin tip ve miktarına ve katyonların
cinsine önemli ölçüde bağlıdır.
Skempton’a göre A=PI
% < 0,002 mm
A: aktivite sayısı PI: Plastiklik indeksi ve 2 µ’dan küçük taneciklerin ağırlıkça
yüzdesi
A Kuvars 0 Kalsit 0,18 Muskovit 0,23 Kaolinit 0,46 İllit 0,90 Ca-montmorillonit 1-5 Na-montmorillonit 7-7,5
Killerin Hassaslığı
Hassaslık, yoğrulmaktan dolayı killerin kıvam değiştirerek direncinin düşmesidir.
Killer su kapsamı aynı kalmak üzere yoğurulduğu zaman sertliğinin ve direncinin
bir kısmını kaybeder. Nedeni kesin olarak bilinmemekle beraber bu durumun
yoğurulma sonunda taneler arasındaki bağlayıcı kuvvetlerin kalkması ve
oluşturduğu küme yapının bozulmasından ileri geldiği sanılmaktadır.
Killerin hassaslığı örselenmemiş haldeki serbest basınç direncinin yoğurulmuş
haldeki serbest basınç direncine oranı olarak ölçülür.
Hassaslık
<2 Hassas değil
2-4 Orta derecede hassas
4-8 Hassas
8-16 Çok hassas
16-32 Az akıcı
32-64 Orta derecede akıcı
>64 Akıcı
Kompaksiyon (toprak sıkışması)
Dinamik bir yük altında toprak taneciklerinin diziliş düzeninin bozularak
birbirlerine daha yakınlaşmaları sonucunda toprağın hacim ağırlığının artması
şeklinde tanımlanabilir.
Toprak kompaksiyonu ilk planda toprağın makropor hacminin azalmasına iç
gözenek sürekliğininin bozulmasına yol açmaktadır. Araştırmalar, bitki
köklerinin kendi çaplarından daha küçük gözeneklerden geçemeyeceğini ve
kompakte olmuş tabaka içinde büyürken köklerin, geçebilecekleri gözenekleri
genişletmek zorunda oldukları, bu sırada katı taneciklerin yer değiştirdiği,
bunun için de toprağın mekanik direncini aşan bir basınç kuvveti uygulandığını
göstermektedir. Torak kompaksiyonu hava ve suyun hareketini de
engellemekte, böylece kök gelişimi büyük ölçüde sınırlanmaktadır.
Toprak kompaksiyonunu önlemek için en iyi yaklaşım tav durumu üzerindeki
nemlerde toprak işlemesinden kaçınmak, toprağa basınç yapan işlemleri
azaltmak veya kaldırmaktır. Bunun için toprak işleme sayısını azaltmak, toprak
tavını dikkat etmek ve gerekli işlemleri bir kerede bitirmek yararlı olacaktır. Son
yıllarda sıfır toprak işleme ve azaltılmış torak işleme gibi yeni yöntemler bu
amaçla ortaya çıkmıştır. Sıfır toprak işlemede toprak hiç işlenmeden, tohum
uygun bir mibzerle doğrudan ekilir.
Mühendislik çalışmalarında toprak setlerinin, dolgularının, yol zeminlerinin,
büyük yapı temelleri ve benzerlerinin sıkıştırılmasına gerek duyulmaktadır. Bu
durumda kompaksiyon işlemleri torağın dayanıklılık ve yükleme kapasitesini
arttırmak, geçirgenlik ve sıkışabilirliğini azaltmak amacıyla kullanılmaktadır.
(sıkışabilirlik: kompressibilite: yük altında toprağın sıkışarak hacminin
küçülmesi)
Toprağın sıkıştırılmasında genellikle 3 tip kompaksiyon testi yapılır.
*Darbe *yoğurme *titreşim
Kohezyonsuz topraklar (kumlu) vibrasyonla kompakte edilir. Statik yükleme
gevşek kumda kompaksiyon sağlamaz. Orta ve ince kumlar nemli iken, kapillar
kuvvetler kayma direncini oluşturduğundan kolay kompakte olmazlar. Bu
nedenle kumlar kuru halde veya tamamen su içerisinde vibrasyon ile kompakte
edilirler. Buna karşılık kil vibrasyon ile sıkıştırılamaz. Kilin kompaksiyonunda
mutlaka basınç gereklidir.
Toprak Sıkışmasınının Mekanizması
Havada kuru toz halindeki bir toprağın kolayca sıkıştırılması ve yüksek bir kütle
yoğunluğuna ulaştırılması mümkün değildir bu toprağa az miktarda su ilave
edildiği takdirde genellikle daha kolaylıkla ve daha yüksek kütle yoğunluğuna
sıkıştırılabildiği görülür. Toprak sıkışması ile nem içeriği arasında sıkı bir ilişki
bulunmaktadır. Belli bir sıkıştırma enerjisinin (traktör lastiğinin geçişi gibi) etkisi
altında bir toprağın maksimum düzeyde sıkışabilmesi için toprağın belli bir
miktar ne içermesi gerekir.
Çok düşük toprak nemi durumunda sıkıştırma enerjisinin yol açtığı sıkışmada
düşük olmaktadır. Yani uygulanan sıkıştırma enerjisi toprak kütlesi içerisindeki
tanecikleri yer değiştirmekte fazla etkili olamamaktadır. Bunun nedeni, düşük
nem düzeyinde toprak-su karışımının viskozitesinin veya toprak tanecikleri
arasındaki kohezyonun ve tanecikler arasındaki sürtünme direncinin çok yüksek
olmasıdır.
Toprağın nem içeriği belli bir düzeye ulaşıncaya kadar arttıkça, sıkıştırma
etkeninin neden olduğu sıkışma da artmaktadır. Fakat bu artış gittikçe azalan
oranlarda meydana gelmekte ve bir noktadan sonra sıkışma azalmaya
başlamaktadır. Makroporlarda kalan toprak havası ile birlikte toprak
taneciklerinin çevresinde ve mikroporlarda yer ala toprak nemi daha ileri bir
sıkışmaya izin vermeyecek derecede karşı basınç geliştirdiği noktada maksimum
sıkışma elde edilmektedir. Maksimum sıkışmanın meydana geldiği nem
düzeyine “optimum nem” denilmektedir. Optimum nemin üzerindeki artışlar,
saturasyon noktasına kadar sürekli azalan bir sıkışma sonlanır, saturasyon
noktasında sıkışma miktarı sıfırdır.
Belli bir sıkışma enerjisi altında optimum nem düzeyinde toprağın
kazanabileceği en yüksek yoğunluğa “maksimum kütle yoğunluğu” adı
verilmektedir. Optimum nem miktarı ile maksimum kütle yoğunluğu değerleri
torağın sıkışma parametrelerini oluşturmaktadır. Belli bir sıkıştırma enerjisi
altında farklı topraklar farklı sıkıştırma parametreleri gösterdiği gibi, farklı
sıkıştırma enerjisi etkisi altında aynı toprağın sıkışma parametreleri de farklı
olur.
Aynı sıkıştırma enerjisi altında tekstür inceldikçe elde edilen maksimum kütle
yoğunluğu azalır, optimum nem miktarı ise artar. Bundan dolayı kumlu
topraklar daha az nemli iken maksimum düzeyde sıkışabilirken, killi topraklar
daha fazla neme ihtiyaç duyarlar. Toprak sıkışmasında optimum nem miktarı,
atterberg kıvam limitlerinden APL dolaylarında bir neme karşılık gelmektedir.
Kompaksiyonu etkileyen toprak özellikleri
Toprak nemi dışında sıkışmayı etkilediği saptanmış olan başlıca toprak özellikleri
şunlardır:
*Tekstür
*Organik madde miktarı
*Suya dayanıklı agregatların miktarı
*Toprak pH’sı ve kireç içeriği.
Toprak tekstürü inceldikçe, organik madde, kireç ve suya dayanıklı agregatlar
miktarı arttıkçamaksimum kuru kütle yoğunluğu azalmakta ve buna karşılık
gelen optimum nem miktarı artmaktadır.
Sıkışma derecesi
Kompaksiyon derecesi diye de ifade edilmektedir. Kompaksiyon derecesi: belli
bir sıkıştırma enerjisinin etkisinde kalan bir toprağın, porozitesinde meydana
gelen oransal kayıp şeklinde tanımlanabilir.
Kd=n-nmin
n
Kd: kompaksiyon derecesi (boyutsuz)
n: doğal durumdaki toprağın porozitesi (%)
nmin: sıkışmış toprağın porozitesi (%)
Konsolidasyon (oturma, pekişme katılaşma)
Toprağın basınç altında hacminin küçülmesi olayına konsolidasyon adı verilir.
Toprağın veya zeminin boşlukları içinde bulunan havanın yerine tanelerin
kayması sonucu meydana gelen hacimsel azalmaya kompaksiyon, boşluklarda
bulunan suyun sızmasına bağlı olarak meydana gelen hacim azalmasına da
konsolidasyon adı verilir.
Toprak gözeneklerinde bulunan su, uygulanan basınç ile toprağı terk eder.
Basınç arttırılırsa toprak taneciklerine bağlı su (adsorbe su) da toprağı terk eder.
Toprak üzerine uygulanan basınç sonucunda toprakta bazı gerilmeler ve
değişmeler meydana gelir. Genellikle geriye gelen şekil değiştirmelerine elastik
şekil değiştirmesi, kalıcı olanlara ise plastik şekil değişimleri denir.
Bu değişimler;
1 Elastik Deformasyon: yük uygulaması sonucunda, toprağın porozitesi azalır.
Toprakta yatay bir genişleme meydana gelir. Bu olay genellikle yüksek organik
madde içeren muck-peat gibi organik topraklarda görülür. Üzerindeki yük
kalkınca toprak eski haline döner.
2 Plastik Deformasyon: bir zemin veya toprağa basınç uygulanması ile zeminin
veya toprağın yatay olarak akışı veya yer değiştirmesi söz konusudur.
Uygulanan basıncın ortadan kalkması durumunda zemin veya toprak eski şeklini
almaya çalışacaktır. Bu deformasyon şekli genellikle PL değerine yakın nem
içeren topraklarda ve özellikle killi topraklarda görülür. Uygulanan yükün şeklini
alan toprağın üzerinden bu yük kalkınca, toprak eski haline dönmez. Örneğin
killi-çamurlu bir ortamda yapılan yürüyüşte toprak ayakkabının kenarından
dışarı taşar.
3 Kompresif deformasyon: Uygulanan basınç ve yük sonucu topraktaki mevcut
su dışarı çıkar, hava boşalır ve toprağın boşluk hacminde bir azalma olur. Toprak
uygulanan yükün şeklini alır ve kesin geriye dönüş olmaz. Toprağın bu özelliğine
kompressibilite (sıkışma) özelliği denir.
Uygulanan basınç, toprak direncini aşacak olursa germe ve kayma
deformasyonları meydana gelir. Kohezyonlu ve kohezyonsuz topraklarda
topraklarda sıkışma olayı birbirinden farklıdır. Sıkışma olayında toprak
tanecikleri yer değiştirerek daha sıkışık bir duruma geçerler. İşte bu yer
değiştirmeyi engelleyen faktörler aynı zamanda toprakların sıkışmasını
zorlaştıran faktörlerdir. Örneğin toprak tanecikleri arasındaki suyun varlığı,
sıkışmayı zorlaştırır. Bu nednele suyun topraktan uzaklaştırılması, daha sonra
toprak taneciklerinin bu boşluklara girmesi sağlanmalıdır.
Genel olarak plaka (levha) şeklinde ince taneciklerden oluşan topraklar ve
özellikle de killer yuvarlak ve iri taneli toprak olan kum ve çakıllara göre daha
büyük oranda sıkışmaya uğramaktadırlar. Kumlarda sıkışma, boşluk oranı
arttıkça artmaktadır. Killerde ise sıkışma miktarı genel olarak toprağın doğal su
içeriğine bağlı olarak artmaktadır.
Kumların sıkışma davranışını etkileyen en önemli faktör arazi sıkışıklık derecesi
olmaktadır. Kum tabakalarından bozulmamış toprak örneği almak çok güç
olduğundan kumlar için sıkılık analizini laboratuvarda benzer sıkılık derecesine
sahip örnekler kullanılarak yapılır. Kum bünyeli topraklar veya zeminler su
altında kaldığı zaman içyapısı çökmekte ve yük uygulandığında büyük sıkışmaya
uğramaktadırlar. Başlangıçta boşluk oranı çok yüksek olan lös ve benzeri
materyaller su altında kalınca büyük oturmalar gösterirler. Bu nedenle bu tür
zeminlerin üzerinde yapılacak inşaatlarda çok dikkatli olunmalıdır.
Milli topraklar genel olarak ince kumlara benzer benzer bir davranış şekli
gösterirler. Göçme olayına millerde daha sık rastlanılır. Ancak millerden yapısı
bozulmamış örnek almak daha kolay olduğu için laboratuvar analizlerine dayalı
yorum yapılabilmektedir.
Konsolidasyon olayında oturmanın miktarı ve oluş hızı önemlidir. Oturma
miktarı zeminin veya toprağın kompressibilite yanı sıkışma özelliğine bağlıdır.
Oturma hızı ise kompressibilite yanında toprağın permeabilitesi yani
geçirgenliğine de bağlıdır. Bu iki toprak özelliği topraklara ait konsolidasyon
katsayısı olarak tanımlanır. Konsolidasyon teorisinde (denkleminde), toprak
materyalinin veya zeminin tamamen su ile doygun olduğu, drenaj olayının
sadece düşey doğrultuda meydana geldiği, ince daneli toprak veya zeminler için
Darcy yasasının geçerli olduğu, danelerin sıkışmadığı, konsolidasyon süresince
toprak içinde herhangi bir yatay düzlem üzerindeki toplam gerilmelerin sabit
kaldığı, zeminin veya toprağın yatay olarak genişlemediği varsayılır.
Şev Stabilitesi
Yatayla bir açı teşkil eden, doğal veya yapay şekilde oluşmuş toprakların eğimli
durumuna “şev” denir. Bu eğimli toprak kitlesinin düzgün bir yüzeye sahip
şekilde denge durumunda bulunmasına toprak mekaniğinde şev stabilitesi
denilmektedir.
Doğal veya yapay olarak oluşan kazı ve dolgu şevlerinde toprağın stabilitesi
doğrudan doğruya kayma direncine bağlıdır. Bir toprak içindeki kayma
gerilmeleri belirli bir kritik değerden daha fazla arttırıldığında toprak kitlesinde
çatlama, deformasyon ve kopmalar meydana gelir.
Mühendislik yönünden şev stabiliteleri iki durumda incelenmektedir.
*Doğal yamaçlarda oluşan büyük çaptaki toprak kayması nedenlerinin
araştırılması
*Yapay olarak inşa edilen yarma ve dolgu şevlerinin kayma ihtimaline karşı şev
emniyetinin sağlanmasıdır.
Gerek büyük çaptaki doğal şevler ve gerekse yapay olarak inşa edilen yarma ve
dolgu şevlerdeki kar, yağmur, don ve rüzgar gibi erozyon etkileri ile bazı
durumlarda ırmak göl veya deniz kıyılarında suların alttan oyma tesirinin etkisi
görülebilir. Bir şevin stabilitesinin bozulmasının esas nedenleri, yerçekimi
dolayısıyla toprağın kendi ağırlığı ile bazı durumlarda üzerindeki ilave yük
bulunması ve/veya sızan suyun hidrolik etkisinden dolayı oluşan oturma ve
kaymalardır.
Kayan ve kaymaya hazır şevlerde stabilitenin temininde genel olarak şu
çalışmalar yapılır.
Dış dayanakların temini: şevlerde küçük kaymaların önlenmesi, şev topuğunun
önüne engel konularak sağlanabilir. Bu ise topuk boyunca istinat duvarı inşaat
etmek veya topuğa ağır bir dış yükleme yapmak sureti ile sağlanabilir.
Kaymaya sebep olan toprak kitlesinin ağırlığının bir kısmının kaldırılması: şevin
tepesinde kaymaya müsait toprak miktarı azalırsa hem toprak kitlesinin kendi
ağırlığı, hem de kayma yüzeyi daire merkezine olan moment kolu mesafesindeki
küçülme ile moment değeri azalır.
Kayma dairesi yüzeyinin oluştuğu toprak kitlesi içerisinde toprak direncinin
arttırılması: şevlerde stabilitenin bozulmasının en önemli etkenlerinden biri
özellikle kohezyonlu topraklarda su içeriğinin artması ve dolayı ile toprak
direncinin zayıflamasıdır. Yapılan araştırmalardan toprak su içeriğindeki
azalmanın toprağın kayma direncinde ani ve önemli artış sağladığı
bilinmektedir. Bunu sağlamak içinde
1) Uygulanacak yeraltı drenaj sistemi ile boşluklardaki suların uzaklaştırılması
2) Yüzeysel suların toprak tarafından infiltre edilmeden eş yükselti eğrilerine
paralel uygun çevre drenaj sistemi ile uzaklaştırılması sağlanmalıdır.
Şevlerde bitkisel örtüleme çalışmalarıdır: Bitki ve bitki topluluklarının stabilite
amaçlı kullanıldığı bir yöntemdir.