Zemin Mekaniği I.

İNŞAAT TEKNOLOJİSİ PROGRAMI ÖĞRENCİLERİ İÇİN
ZEMİN
MEKANİĞİ
I
(Ders Notu)
Yrd. Doç. Dr. Ayhan ÜSTÜNTAŞ
Ekim-2012
SİVAS
1. GİRİŞ
Mühendislik jeolojisi, zemin mekaniği ve kaya mekaniği bilim dalları, Yerbilimleri ile İnşaat
Mühendisliği arasında bilim dallarıdır. Mühendislik Jeolojisi ile uğraşan Jeoloji Mühendisleri
Yerbilimlerine ait bilgi ve deneyimleri İnşaat Mühendisleri için kullanılabilecek bir seviyeye
getirmek veya bir başka deyişle onların anlayacağı dilde anlatmalıdır.
İnşaat mühendisliği ile yerbilimleri arasındaki bu bilim dalı jeoteknik olarak ifade
edilmektedir. Jeoteknik; Mühendislik jeolojisi, zemin ve kaya mekaniği konularını kapsar.
Zemin, Farsça taban, dayanak, temel veya temelin üzerine oturduğu alan anlamına
gelmektedir. Mekanik ise Yunanca bir kelime olup cisimlerin devinimiyle ilgili olayları
inceleyen bilimdir.
Zemin mekaniği genel olarak zeminin yapı tabanındaki davranışlarını öğreten bir bilim
dalıdır. Zemin mekaniği, zeminlerin özelliklerini, dinamik veya statik iç ve dış yükler ve
benzeri etkiler altında davranışını (yapı zemin ilişkisini) inceler. Bir başka deyişle, Zemin
Mekaniği, fizik, mekanik, hidrolik gibi bilgilerin zemine uygulanması olarak tanımlanabilir.
Zemin, hem yük taşıyan hem de toprak yapıların (toprak barajlar, setler, yol temeli v.b.)
oluşturulmasında kullanılan doğal bir malzemedir.
Genel olarak, bütün yapılar zemin üzerine, zemin içerisine, zeminden veya bunların karması
(Kombinasyonu) biçiminde yapılmaktadır. Örneğin binalar ve benzeri yapılar, içlerinde ve
üzerlerinde bulunan yükleri temelleri aracılığı ile zeminlere aktarmaktadırlar. Diğer taraftan
tünel ve galeri gibi yapılar ise zemin veya kaya ortamına açılmaktadır.
Öte yandan, zeminler, çoğu alanlarda, örneğin baraj ve karayolu dolgularında, tuğla ve kerpiç
üretiminde malzeme olarak kullanılmaktadır. Zeminlere ait dayanım, geçirgenlik
(permeabilite) sıkışabilirlik (Compaktion) ve benzeri özelliklerin bilinmesi, bu yapıların
ekonomik ömrü boyunca kullanılabilmesi açısından önemlidir.
Toprak dolgu barajların inşaatında, zemine ait geçirimlilik, sıkışabilirlilik, plastisite, dayanım
ve oturma gibi özelliklerinin bilinmesi zorunludur.
Karayolları ve hava alanlarının (limanlarının) tasarımında bu yapıların altında bulunan
zeminin dayanımı, sıkışabilirliği ve bunların kaplama dayanımına katkısı büyük önem
taşımaktadır.
Zeminlerin yeterli derecede iyi olmaması durumunda bunların iyileştirilmesi (stabilizasyonu)
gündeme gelmektedir. Ayrıca; karayollarında, demiryollarında, hava alanlarında, boru
hatlarında, elektrik direklerinde (hatlarında), kanallarda, su yapılarında, kanalizasyonlarda ya
da bu tür yapıların geçirileceği güzergahların (geçkilerin) seçiminde zemine ait özelliklerin
bilinmesi çok büyük önem taşımaktadır.
2
Bir inşaat uygulamasında zeminler, bir inşaat malzemesi olarak, beton ve çelik malzemelerde
olduğu gibi dikkate alınmalıdır. Dolayısıyla bir teknik eleman inşaatlarda kullandığı veya
üzerine yapı inşa ettiği zemini iyi bir şekilde değerlendirmek için bu malzeme hakkında temel
bilgilere sahip olmalıdır. Bu önemli ilgiler laboratuvar ve saha (arazi) deneylerinden elde
edilir. Beton, çelik, ahşap, zemin ve benzeri malzemelerin özellikleri, kimyasal bileşimleri ve
fiziksel durumları ile belirlenir. Zemin mineralleri çok karmaşık ve bu mineralleri bir arada
tutan kuvvetler atomik ve moleküler ölçekte tam olarak anlaşılabilmiş değildir. Fakat
zeminlerin dayanımı, rijitliği, duraylılığı (stabilitesi, dengesi), aşınmaya (erozyona) sulamaya
karşı direnci, söz konusu zemin üzerinde yapılacak olan deneyler ile belirlenebilir. Malzeme
deneylerinde, bu malzemelerin tanımlanmasında ve sınıflandırılmasında onların fiziksel
özellikleri kullanılır. Bir zeminin taşıyabileceği trafik yükünü veya bir temelin alt yapısı olup
olamayacağını belirleyen fiziksel durumu; zemin tanelerinin büyüklüğü, şekli, tane boyu
(granülometrik) dağılımı, özgül ağırlığı ve sıkışabilirlik (kompaksiyon) özellikleri ile
yakından ilgilidir. Çoğu zeminlerin performansı su içeriğine ve plastisitesine bağlıdır. Serbest
basınç deneyi gibi deneylerle zeminin yük taşıma kapasitesi doğrudan ölçülebilir. Bu tür
deneylerle tanınan ve sınıflandırılan zeminin bir altyapıda kullanılıp kullanılamayacağına
veya iyi bir temel zemini olup olamayacağına karar verilebilir. Yol kaplamalarının altında
kullanılan zeminler, dolgular ve diğer toprak dolgu yapılarda zeminler inşaat süresince
kompaksiyon ve karışım oranları açısından deneylerle sürekli olarak kontrol edilmelidirler.
Zemin Mekaniğinin Gelişimi
Yirminci yüzyıl başlarına kadar çeşitli büyük yapılar zeminle ilgili eski deneyimlere veya
duygusal bazı verilere dayanılarak yapılmaktaydı. Birinci Dünya Savaşı’ndan sonra özellikle
Avrupa ve Amerika’da endüstrileşmenin hızla ilerlemesi nedeniyle büyük boyutlarda alt yapı
tesislerinin yapımına önem verilmiştir.
Uygarlığın gereği olan konut, yol, baraj, kanal, tünel gibi altyapıların, ekonomik ve çevre
koşullarına uyan bir şekilde düzenlenmesinde, yapılmasında ve bu yapılar için önemli
gereçlerin sağlanmasında zeminin jeolojik yapısının ve fiziksel özelliklerinin de bilinmesine
gerek duyulmaktadır. Zemine ait özellikler bilinmeden, doğru olarak saptanmadan veya
dikkate alınmadan yapılan yapıtlar zamanla oturma, kayma veya başka jeolojik nedenle tamiri
güç yapı hasarları oluşturmaktadır. Bunlar para kaybının yanında zaman ve bazen de büyük
can kayıplarına neden olmaktadır. Bu nedenlerle inşaat mühendisliğinde zeminle ilgili
jeolojik ve fiziksel verilerden yararlanmak gereği duyulmuştur. Fakat zeminin genellikle
heterojen bir yapıya sahip oluşu, bu bilim dalını kum, silt ve kil gibi gereçlere ait prensipler
şeklinde gelişmiştir, daha sonra zeminlerin bir yük taşıyıcı olarak davranışlarıyla ilgili
verilerin çoğalması ile ve altyapıya olan istek fazlalaştıkça zemin mekaniği önemli bir aşama
yapma olanağını bulmuştur.
17. ve 18. yüzyıllarda Fransız ordusu istihkam subayları zemin mekaniğinde bilimsel
denebilecek ilk çalışmaları gerçekleştirmişlerdir. Rankine’nin 1857’de bir adım daha
geliştirdiği Yatay Toprak Basıncı Teorisi, C. A. Coulomb tarafından 1773’te siper yapımında
zemin problemlerinin incelenmesi sırasında geliştirilmiştir. Zemin mekaniğinin babası olarak
adlandırılan Karl Terzaghi, yaptığı çalışmalarla, bu bilim dalına gereken saygınlığı
kazandırmıştır. Terzaghi’nin profesyonel hayatı zeminden kaynaklanan mühendislik
problemlerine gerçekçi bir yaklaşımla, çözümler bulabilmek için araştırma yaparak geçmiştir.
Terzaghi’nin 1925 yılında basılan zemin mekaniği kitabı, bugün Zemin mekaniğinin doğumu
olarak adlandırılmaktadır.
3
1925 yılında Karl Terzaghi “Erdbaumechanik” adlı eseriyle zemin mekaniğinin kurucusu
olmuştur. 1963 yılında ölen Karl Terzaghi 1914-1924 yıllarında ülkemizde de bulunmuştur.
Zemin mekaniği ve mühendislik jeolojisinde verdiği birçok eserle bu bilim dalının babası
sayılmaktadır, Uluslararası Mühendislik Jeolojisi Kurumu onu 4 defa şeref madalyasıyla
ödüllendirmiştir.
Daha sonraları zemin mekaniği, inşaat, maden ve jeoloji bölümlerinde ders olarak okutulmaya
başlanmıştır. Günümüze dek birçok bilim adamı, zeminin fiziksel yönlerden özelliklerini
araştırmışlardır. Bugün zemin mekaniği mühendislik hizmetlerinde zeminle ilgili birçok
sorulara yanıt vermekle beraber yeni araştırmalar ve deneyimler yoluyla da mühendislere
kesin bir güvence vereceği sınıra doğru yaklaşmaktadır.
4
2. JEOLOJİ
Jeoloji, insanlığın dünyayı tanıma ve yorumlama ihtiyacına yanıt veren ve 5 temel bilim
(biyoloji, fizik, kimya, matematik ve jeoloji ) arasında yerini almış bir bilim dalıdır. Yerbilimi
olarak Türkçeye çevrilen jeoloji, “Yunanca” Geo: yer, arz” ve “logos: bilim, bilgi” sözlerini
bir araya gelmesiyle oluşmuş bir bilim dalı olup Fransızcadaki “Géologie” kelimesinin
okunuşu ile dilimize yerleşmiştir.
Jeoloji geniş anlamı ile yerkürenin güneş sistemi içindeki durumundan, onun fiziksel özelliği
ve kimyasal bileşiminden, iç ve dış kuvvetlerin etkisiyle uğradığı değişikliklerden, yaklaşık
beş milyar yıllık süre içerisindeki oluşum ve gelişiminden, canlıların ilk ortaya çıkışlarından
günümüze kadar geçirmiş oldukları evrimlerden söz eden tarihsel bir doğal bilimdir. Diğer
doğal bilimlerden Fizik, Kimya ve Biyoloji ile sıkı bir bağlantısı vardır.
Jeoloji, dar anlamda, bütün Yeryuvarının değil, özellikle ortalama kalınlığı 35 km olan katı
yer kabuğunun bilimidir. Bu kabuğun bileşimi, yapısı, organik ve inorganik gelişimi iç ve dış
etkenlerle uğradığı değişiklikler, kapsadığı her çeşit yeraltı zenginlikleri onun başlıca
konularıdır.
Jeoloji, bilim olarak yerkabuğunu incelerken, bu kabuk içerisine gizlenmiş olan maden, su,
petrol, kömür ve doğalgaz gibi çeşitli yeraltı zenginliklerine de özel bir ilgi gösterir. Bunların
oluşumunu ve dağılımlarını inceler. Bundan başka yeraltı sularının aranmasında, baraj, tünel,
yol yapımında jeolojinin ana ilkelerinden yararlanılır.
Yer yuvarının bilimsel olarak incelenmesi ve araştırılması dar anlamda jeoloji, geniş anlamda
jeoloji Bilimleri veya Yerbilimleri ile sağlanmaktadır. Jeolojinin kapsadığı geniş ve çeşitli
konular ayrı ayrı bilim dallarına ayrılır. Bunların adları ve konuları şöyledir;
Jeoloji
Genel Jeoloji
Mineraloji-Petrografi
Maden Ytk-Jeokimya
Uygulamalı Jeoloji
Yapısal Jeoloji
Mineraloji
Maden Yatakları
Mühendislik Jeolojisi
Stratigrafi
Petrografi
Jeokimya
Petrol Jeolojisi
Sedimantoloji
Kristalografi
Paleontoloji
Kömür Jeolojisi
Hidrojeoloji
A-) Genel Jeoloji: İç ve dış kuvvetlerin etkisi ile yerkabuğunda meydana gelen
değişikliklerden bahseder.
B-) Mineraloji-Petrografi: Yerkabuğunu oluşturan kristaller, mineraller ve kayaçlardan
sözeder.
C-) Maden Yatakları-Jeokimya: Yerkabuğunda bulunan madenlerden ve bunların oluşum
mekanizmalarından ve kökenlerinden söz eder.
D-) Uygulamalı Jeoloji: Jeolojinin son yıllarda ekonomik problemlerle olan daha sıkı ve
daha ayrıntılı ilişkisinin sonucu olarak, Mühendislik Jeolojisi, Kömür Jeolojisi, Tuz ve
Petrol Jeolojisi, Hidrojeoloji, Maden Jeolojisi, Hammadde Jeolojisi ve Askerlik Jeolojisi
gibi özel uzmanlık kolları da gelişmiştir.
5
Jeolojik olaylar, yer kabuğunun yapısını ve görünümünü sürekli olarak değiştirir. Yıllarca
görmediğimiz dağlık araziler de çevremize dikkat ederek geçecek olursak, bitkilerin,
hayvanların ve insanların değişmiş olduğunu fark ettiğimiz halde, doğanın cansız olan
kısmında değişiklik olduğunu fark edemeyiz. Taş ve kayaların hep aynı yerinde ve değişmez
sanırız. Bu aldatıcı bir görünümdür. Aslında cansız yeryüzü de devamlı olarak değişmektedir.
Eğer biz bu değişimin farkında olamıyorsak, bu her şeyden önce gözlemlerimizin yeterli
olmayışından ve değişimin çok yavaş gelişmesinden kaynaklanmaktadır. Diğer bir deyimle,
jeolojik olayların hızının çok küçük (yılda birkaç mm veya cm’den daha az) olmasından ileri
gelmektedir.
Aslında yerkabuğu iki grup faktörün etkisi altında bulunmakta, şekil ve yapısını 4,6 milyar
yıldan beri sürekli olarak değiştirmektedir. Bu faktörlerden bir kısmı doğrudan yer kürenin
içinden doğar. Isı, çekim ve radyoaktivite gibi yerin kendi enerji kaynaklarından beslenir.
Diğer grup ise, iklim rüzgarlar yağışlar, akarsular ve buzullar gibi yerküresinin dışında
bulunurlar ve kökenleri güneş enerjisidir. Birinci gurup faktörler yerkabuğunun gelişmesini,
şekil ve madde değişikliğini, volkanları, depremleri ve sıradağları meydana getirirler. İkinci
gurup ise yerin dış görünüşünü (çehresini) ortaya çıkarır ve yükseklikleri yontarak
aşındırmak, bu malzeme ile çukurları doldurmak yolu ile yeryüzünü düzleştirmeye çalışır.
Her iki grup faktörler yerkabuğu içerisinde ve üzerindeki faaliyetleri ile bunların etkisi altında
meydana gelen değişiklikler, genel jeolojinin başlıca konularını oluştururlar.
YERYUVARININ GENEL ÖZELLİKLERİ
Yeryuvarının Hareketleri
Güneş sistemi içinde bir gezegen durumunda olan yeryuvarı, diğer gezegenler gibi Güneş
çevresinde, elips şeklinde bir yörünge üzerinde dolanmakta ve 365 ¼ gün içinde bir
dolanımını tamamlamaktadır (Şekil-1). Güneşe en yakın olduğu 3 Ocak günü Yeryuvarı ile
güneş arasındaki uzaklık 146,4 milyon km, en uzak olduğu gün 4 Temmuz’da ise 151,2
milyon km’dir. Yeryuvarı Güneş’e ortalama 149,6 milyon km uzaklıktadır.
Şekil-1. Yeryuvarının güneş etrafında dolanımı ve mevsimlerin oluşumu. Bu sırada Yer
ekseninin uzayda yönü ve doğrultusu değişmez, aynı kalır.
6
Yerin Güneş etrafında dolanırken hızı (yörünge üzerindeki) sürekli olarak değişmektedir.
Güneş en yakın olduğu zaman yerin hızı en fazla, Güneş en uzak olduğu zaman yerin hızı en
az olmaktadır. Ortalama hızı 107.000 km/saat ( veya 30 km/sn)’dir.
Yerin yörünge düzlemi (ekliptik), onun ekvator düzlemine paralel değildir. Her iki düzlem
arasında 23,5 ’lik bir açı vardır (Şekil-1).
Yeryuvarının güneşe göre bu eğik durumunun sonucu yeryüzü sürekli olarak Güneş
enerjisinden farklı derecelerden etkilenmekte ve bu nedenlerden dolayı yeryüzünde değişik
mevsimler meydana gelmektedir (Şekil-1). Yeryuvarının kendi ekseni etrafında dönme süresi
24 saatte bir gerçekleşmekte ve bilindiği gibi 24 saatlik bu süreçte bir kez gece, bir kez
gündüz olmaktadır. Ayrıca, yine Yerin dönme ekseninin yörünge düzlemine dik olmayışı
nedeniyle gece ve gündüzün süresi her iki yarı kürede mevsimlere göre ve ekvatordan
kutuplara doğru gidildikçe değişmektedir.
Yer Yuvarın Şekli ve Boyutları
Yeryuvarın (Dünyanın) yuvarlak oluşu 16.yüzyıl başında MACELLAN tarafından yapılan ilk
“Dünyayı dolaşma gezisi” ile ortaya konulmuştur. Uzay çağının başladığı dönemde uzaya
gönderilen uyduların gönderdiği fotoğraflar ve Ay yolculuğu sırasında uzaydan çekilen
fotoğraflar, yer yuvarının yuvarlak olduğunu kesinlikle saptamıştır.
Dünyanın yuvarlak oluşu (küre şeklinde) NEWTON’ un ortaya koyduğu çekim kanununun
doğal bir sonucudur. Bu kanuna göre; yerin bütün tanecikleri çekim (gravitasyon) merkezine
doğru çekilmekte, taneler gittikçe birbirine yaklaşmakta ve bu yolla en yoğun şekil olan küre
oluşmaktadır.
Yerin şekli geometrik yönden tam bir küre olmayıp, ekvator bölgesi biraz şişkin, kutuplar
bölgesi biraz basıktır. Yer küresinin kutuplarının basık, ekvatorunun şişkin olmasının nedeni,
yerin kendi ekseni etrafındaki günlük dönmesinin bir sonucunda ortaya çıkan merkezkaç ve
yerçekimi kuvvetidir.
Yeryuvarın (Yerküresinin)
Ekvator yarıçapı (a)
Kutuplar yarıçapı (b)
Ortalama yarıçap
Ekvator çevresi
Kutuplar çevresi
Basıklık oranı (a-b)/a
6.378,4 km
6.356,9 km
6.371 km
40.077 km
40.009 km
1/297
Yerin Atmosferi
Dünyamız, bazı kısımları su ile kaplı ve dışarıda, hava tabakası ile çevrilmiş bir taşküre
durumundadır. Hava tabakasına Atmosfer, su örtüsüne Hidrosfer ve katı kabuk kısmına
Litosfer denir. Bu üç cansız maddeler ortamına canlıları da eklersek bunların oluşturacakları
teorik küreye de Biyosfer denir.
7
Atmosfer, birçok gazların karışımından oluşmuş, binlerce km kalınlıkta bir gaz kütlesidir. Bu
gaz kütlesinin yoğunluğu deniz seviyesinde en fazla olup, yükseklere çıkıldıkça azalır.
Atmosfer kütlesinin  97’si yeryüzünden 29-30 km’lik bir yükseklik içinde bulunur.
Yeryüzünden başlayarak 95-100 km’lik bölümünde atmosferin kimyasal bileşimi ve çeşitli
gazların birbirine göre katılma oranları, az-çok aynı şekilde devam eder. Bu bölüme de
Homosfer denir. Gazların katılma oranlarının homojen olmadığı 100 km’den daha yüksek
kesimlere ise Heterosfer denir (Şekil-2).
Şekil-2. Atmosferde Homosfer (0-90 km) ve Heterosfer’in (90-10.000 km) çeşitli tabakaları.
Atmosfer temel olarak üç çeşit maddeden oluşmuştur. Bunlar gazlar, su buharları ve toz
tanecikleridir. Atmosferin yeryüzünden başlayan 80 km’lik kesiminde en çok yer alan 4 çeşit
gazın % katılma oranları şu şekildedir:
Azot (N2): % 78, Oksijen (O2): % 21, Argon (Ar): % 0,934, Karbondioksit (CO2): % 0,033.
Geriye kalan % 0,033 miktarı ise Neon, Helyum, Kripton, Ksenon, Hidrojen ve Metan gibi
gazlar, toz tanecikleri ve su buharı oluşturur.
Havada % 0,033 (yüz binde 33) oranında bulunan karbondioksit (CO2) iklim ve canlılar için
önemli bir maddedir. Bu gaz Güneşten gelen kızılötesi ışınları absorbe eder (emer). Bu
şekilde yeryüzüne yakın hava tabakasında sıcaklığı ayarlar. Biyolojik olarak da bitkilerin
büyümesini sağlar.
Oranı değişmeyen gazlar arasında az miktarda Hidrojen, Metan, Azotdioksidi (N2O) ve
Ozon (O3) bulunur. Ayrıca, büyük şehirlerin üzerindeki havanın bileşimine önemli miktarda
SO2 ve NO2 ve amonyak karışır.
8
Yeryüzünden itibaren 90 km’nin üstündeki Atmosfer bölgesine Heterosfer denir. Bu bölge
bileşimleri birbirinden oldukça farklı 4 gaz tabakasından meydana gelmiştir (Şekil-2).
a-) 200 km Moleküler Azot Tabakası
b-) 1100 km Atomik Oksijen Tabakası
c-) 3500 km Helyum Tabakası
d-) 10.000 km Hidrojen Tabakası
Atmosferde diğer önemli bir bölge ozon tabakasıdır. Normal olarak yeryüzünden 25-30 km
yüksekliklerde bulunur. Burada oksijen molekülleri yoğunlaşarak ozon (O3) şeklini alır. Bu
bölge yeryüzüne Güneşten gelen morötesi (ultraviyole) ışınlara karşı korur. Eğer morötesi
ışınlar yeryüzüne tümüyle ulaşmış olsalardı, yeryüzünde bütün bitkiler yanmış, bütün
bakteriler ölmüş olurdu.
Yerkabuğu ve Yer İçi
Yerkabuğu değişikli bileşimli kayaçlardan oluşmuş katı bir kabuk ile çevrilmiştir. Ortalama
kalınlığı karalarda 35 km ve okyanus diplerinde 8-10 km olan Yerkabuğu kimyasal ve
mineralojik bileşimleri birbirinden açıkça farklı iki gurup kayaçtan meydana gelmiştir.
I. Grup: Granit, kumtaşı, kireçtaşı gibi ortalama yoğunlukları 2,7 gr/cm3 olan hafif kayaçlar
bulunur. Bunlar silisyum oksit (SiO2) 65-75, Alüminyum oksitçe (Al2O3) zengin kayaçlardır
ve geniş kapsamlı bir terim olan SİAL kelimesi ile tanımlanır.
II. Grup: Bazalt cinsinden koyu renkli ve yoğun kayaçlar yer alır. Bunlar yoğunlukları 2,83,0 gr/cm3 arasında bulunan kayaçlardır. Bu tür kayaçlarda SiO2 oranı % 50 kadardır. Bunlara
ayrıca yoğunluğu 3,4 gr/cm3 olan daha yoğun kayaçlar da katılır. Bunların bileşimlerinde FeO
ve MgO önemli bir yer tutar. Bu nedenle, bu grup kayaçlar için “Magnezyum oksit” çe zengin
anlamına gelen SİMA deyimi kullanılır.
Yerküre genel olarak Kabuk, Manto ve Çekirdek’ten oluşan fiziksel ve kimyasal özellikleri
bakımından birbirinden farklı üç bölgeye ayrılmıştır. Kabuğun Manto ile arasındaki sınır bir
süreksizlik yüzeyi olup, bu sınırı jeofizik yöntemlerle ilk saptayan kişinin adına Atfen
Mohoroviç süreksizliği veya MOHO denilmektedir. MOHO’nun derinliği kıtalardaki yüksek
dağların altında 35-40 km, okyanus tabanlarında ise 5-10 km’ye kadar inmektedir. KabukManto geçişi yoğunluk, kimyasal bileşim gibi özelliklere dayanılarak belirlenmiştir (Şekil-3).
Şekil-3. Yerkabuğu ve Mantonun üst kısmının basitleştirilmiş kesiti. Burada yeryüzü şekli ile kabuk
yapısı arasındaki ilişki açıkça görülmektedir (A. Holmes,1965; Ketin, 1977’den).
9
Yerkürenin genel olarak kabuk, manto ve çekirdekten oluşan birbirinden farklı özellikteki bu
üç bölgesi, kendi aralarında da bir takım kısımlara ayrılmıştır. Bu ayrım, bölgelerin içyapısına
kalınlıklarına ve fiziksel özelliklerine dayanılarak yapılmaktadır. Ayrımda önemli rol oynayan
başlıca fiziksel özellikler yoğunluk, basınç, sıcaklık ve P-S (Primer ve Sekonder) dalgalarının
yayılma hızlarıdır (Şekil-4).
Şekil-4. Yerküresinin KABUK, MANTO ve ÇEKİRDEK’ten oluşan iç yapısını ve bunların
kalınlıkları ile fiziksel özelliklerini (yoğunluk, basınç, sıcaklık ve P-S dalgalarının hızı)
gösteren diyagram (Ketin, 1977).
Katı kayaçlardan oluşmuş ve kabuk altında 70-100 m derinliklere kadar uzanan kısma litosfer
denir. Bu kısım taş küreyi meydana getirir.
100-2890 km. arasında kalan kesim, Üst Manto ve Alt Manto olmak üzere ikiye ayrılan bu
bölge kimyasal bileşim bakımından birbirinden ayrılmaktadır. Üst mantonun üst kesimlerinde
akıcı plastik özellikteki Astenosfer katı bulunur. Üst manto bölgesinin yoğunluğu 3,4-4,3
gr/cm3 arasında değişir (Şekil-4).
Yer için 700-2890 km derinlikler arasında kalan kısmına alt manto denir. Buranın kimyasal
bileşimi üst mantodan oldukça farklı olup, yüksek basınç mineralleri egemen durumdadır.
Genel olarak üst ile alt manto bölgesi tüm yer küresi hacminin % 83’ ünü ve yer kütlesinin ise
% 68’ini oluşturur. Burası, Yerkabuğunda meydana gelen büyük jeolojik olayların, deniz
tabanı yayılmaları, kıtaların kayması, kıvrımlı sıradağların oluşumu, büyük depremlerin ve
volkanik faaliyetlerin meydana gelmesine neden olan kuvvetlerin ve enerjinin kaynağı
durumundadır.
10
Yeryüzünden 2890 km derinlikte manto bölgesinden çekirdeğe geçilmektedir. Burası yer
içinde önemli bir geçiş bölgesidir. Buradaki cisimlerin fiziksel özelliklerinde büyük
değişiklikler olmaktadır. Bu nedenle bu geçiş sınırı Wiechert Gutenberg Süreksizliği olarak
adlandırılmıştır. Bu sınır geçişinde yoğunluk 5,5 gr/cm3’ten 10 gr/cm3’e yükselmekte ve P
dalga hızı 13,6 km/sn’den 8,1 km/sn’ye düşmektedir.
Çekirdek bölgesi de kendi içerisinde iki alt kısma ayrılmıştır. Bu bölgenin 5150 km derinliğe
kadar olan kısmına da dış çekirdek denir. Sıcaklık, basınç ve yoğunluğun iç kesime doğru
arttığı çekirdek bölgesinde dış çekirdek kısmının ergimiş halde demir/nikel karışımı, iç
çekirdeğin ise kristal halde Fe/Ni karışımı olduğu sanılmaktadır. Çekirdek mantoya oranla iki
kat daha yoğundur. Çekirdek, hacim olarak yer küresi hacminin % 16’sı olduğu halde, kütle
olarak tüm Yer kütlesinin % 32’sini oluşturur.
YER KABUĞUNU OLUŞTURAN MADDELER
Mineraller (ve Kristaller)
Mineraller, doğada bulunan belirli kimyasal bileşimi ve düzenli bir içyapısı olan homojen ve
çoğunlukla katı cisimlerdir. Canlı organizmalardaki hücre gibi, mineral de cansız doğada en
küçük birimi oluşturur. Mineraller yan yana gelerek kayaçları, kayaçlar yan yana gelerek
dağları, kıtaları meydana getirirler. Doğada özellikleri ayrıntıları ile tanımlanmış 3000'i aşkın
mineralin varlığı bilinmektedir. Ancak bunlardan sadece 10-15 tanesi kayaçların bileşiminde
yaygın olarak yer alır. Ayrıca, 20-25 tanesi de maden yatakları içerisinde cevher minerali
olarak bulunmakta, geriye kalanı ise Yerkabuğu ve Manto içerisinde, az miktarda dağılmış
durumda bulunurlar.
Minerallerden cıva ve su gibi bir kaçı sıvı halde, silis camı ve opal gibi bazıları da amorftur.
Mineraller çoğunlukla kristal durumdadır. Kristallerin asıl özelliği, çok düzenli bir içyapıya
sahip olmalarıdır. Kristallerin düzgün yüzeylerle çevrilmiş geometrik şekilleri ve periyodik
olarak sıralanmış düzenli atomik içyapıları vardır. Kuvars (SiO2), Kalsit (CaCO3), Tuz (NaCl)
ve Jips (CaSO4.2H2O) en çok rastlanan kristal haldeki minerallerdir.
Kayaçlar
Kayaç, bir mineral veya birden çok mineral ve taş parçalarının bir araya gelerek
oluşturdukları kütlelere denir. Bu tanımlamadan da anlaşılacağı gibi kayaçlar mineral
toplulukları olup, ya çeşitli minerallerin veya mineral ve taş parçacıklarının bir araya
gelmesinden ya da bir mineralin çok sayıda birikmesinden meydana gelir. Buna örnek olarak,
granit ve bazalt kayaçları çeşitli minerallerin bir araya gelmesinden, kumtaşı kayacı, değişik
kum tanelerinin bir araya gelmesinden, mermer ve kuvarsit ise tek mineralin çok sayıda
birikmesinden oluşmuş kayaçlardır.
11
Kayaçlar oluşum sırasındaki doğal ortamı yansıtan bir çeşit belgelerdir. Yerkabuğunun
jeolojik gelişmesinin izleri bu çeşit kayaçlar üzerinde işlenmiştir. Bu nedenle kayaçlar, “yer
tarihinin doğal belgeleri” sayılır. Kayaçların jeolojideki önemi de buradan gelir.
Petrografinin konusunu oluşturan kayaçlar, oluşumları ve kökenleri bir birinden farklı olan üç
büyük kayaç sınıfına ayrılırlar.
1-Magmatik (Kor) kayaçlar
2- Tortul (Çökel, Sedimanter) kayaçlar
3- Metamorfik (Başkalaşım) kayaçlar
1. MAGMATİK KAYAÇLAR
Magma adı verilen tamamen ergimiş silikat sıvısının soğuması, yükselmesi ve yerkabuğunun
farklı kesimlerine yerleşerek katılaşmasıyla oluşurlar (Şekil-5). Magmatik kayaçlar,
yerkabuğuna yerleşme derinliklerine göre 3'e ayrılırlar.
a-) Volkanik (yüzey) kayaçlar: Örn; Bazalt, Andezit, Tüf
b-) Hipabisal (Yarı derinlik, Damar) kayaçlar: Örn; Dolerit, Mikrogabro, Pegmatit.
c-) Plütonik (Derinlik, Sokulum) Kayaçlar: Örn; Granit, Gabro, Peridotit ve Siyenit.
Yerleşme derinliği, soğuma hızı, iyon dağılımı, hidrostatik basınç, sıcaklık gibi birçok etken,
eşkimyasal ve eşmineral bileşimli kayaçların (Granit, Mikro Granit, Riyolit, Obsidiyen) farklı
dokularda kristalleşmesine yol açar.
Şekil-5. Magmatik kayaçların yerkabuğunun farklı derinliklerine yerleşerek oluşturdukları
mağmatik kayaç türleri..
12
2. TORTUL KAYAÇLAR
Denizel, gölsel ve karasal ortamda tortulların birikmesi ile oluşurlar. Genellikle tabakalıdırlar
ve çoğu kez fosil içerirler. Tortul kayaçlar kökenlerine ve oluşum ortamlarına göre;
a-) Klastik (Kırıntılı) Tortul Kayaçlar
b-) Kimyasal Tortul Kayaçlar
c-) Organik Tortul Kayaçlar
olmak üzere 3 sınıfa ayrılırlar. Sırasıyla Kumtaşı, Dolomit, Taşkömürü bunlara örnek
verilebilir.
3. METAMORFİK KAYAÇLAR
Tortul, magmatik ve daha önceden oluşmuş metamorfik kayaçların katı halde uğradıkları
dönüşümler sonucu meydana gelirler. Derinliğin etkisiyle artan basınç ve sıcaklık kayaçlarda
mineralojik, dokusal, yapısal ve bileşimsel değişimlere neden olur. Metamorfik Kayaçlar,
genellikle kristallerden oluşmuş paralel yapılı (foliasyonlu veya şistoziteli) kayaçlardır.
Örneğin; Gnays, Mikaşist, Amfibolit, Mermer.
KAYAÇLARIN TEKTONİK DEFORMASYONLARI
Kıvrımlar
Kayaçların dalga şeklindeki deformasyonları ile çeşitli kıvrımlar oluşur. Tabakaların tekne
şeklinde bükülmeleri ile senklinaller, semer şeklinde bükülmeleriyle de antiklinaller oluşur.
Bir senklinal ve onu izleyen bir antiklinal kıvrımı oluşturur (Şekil-6).
Şekil-6. Antiklinal ve senklinalden oluşan bir kıvrım ve bunun elemanları
Kıvrımlar genellikle yan basınçların (kompresyon kuvvetlerin) etkisi ile oluşurlar ve
Yerkabuğunda bir daralmayı, bir sıkışmayı temsil ederler.
13
Faylar
Tabakalı kayaçların tektonik deformasyonları sonunda meydana gelen yapıların ikinci türü
çatlak, yarık, fay gibi kırıklardır. Kırılma yüzeyi arasındaki açıklık bir veya birkaç mm ise,
kırılmaya Çatlak adı verilir. Açıklık veya aralık bir cm veya daha büyük olursa kırılma Yarık
adını alır. Çatlak ve yarık oluşumunda, kırılma yüzeyleri birbirinden bir parça uzaklaşırlar.
Fakat aralarında gözle görülebilecek boyutta bir kayma fark edilmez. Kırılma yüzeyleri
boyunca gözle fark edebilecek ölçüde bir kayma, bir yer değiştirme gözlenen yerkabuğundaki
kırıklara Fay denir ( Şekil-7).
Şekil-7. Eğim atımlı normal bir fayın yapısını gösterir blok
diyagram. ab: eğim atım, ac: düşey atım, cb: yatay atım
Fay düzleminin alt kısmında, değişik kalınlıkta, fay bresi veya milonit zonu oluşur. Bu zon,
birbirine oranla yer değiştiren iki blok arasındaki kayaçların mekanik parçalanmaları,
ufalanmaları ve ezilmeleri ile meydana gelir.
Çok sayıda eğim atılımlı fayların geliştiği, bir arada bulunduğu bölgelerde Graben ve Horst
adı verilen özel yapı şekilleri meydana gelir. Graben, iki normal fay arasında aşağı doğru
çöken, hendek biçiminde dar ve uzun çukurdur. İki graben arasında kalan yüksek kısma da
Horst denir (Şekil-8).
Şekil-8. Bir sıra normal faylar ve bunların meydana getirdikleri Graben (G) ve
Horst (H) yapılar (K. METZ, 1967’den).
14
Doğrulta atılımlı faylar veya yırtılma fayları düşey düzlemler boyunca meydana gelen yatay
kayma hareketleridir. Sağ ve sol yönlü olmak üzere iki çeşidi vardır. Bu tür fayların
yeryüzündeki izleri (görünümleri) düz bir çizgidir ve eğimleri düşey veya düşeye yakındır.
Fay çizgisi boyunca meydana gelen yer değiştirme (yatay atım) çok belirgindir Fay zonu
boyunca dere yataklarının ötelendiği, vadilerin karşısına tepeciklerin geldiği, yer yer küçük
göllerin oluştuğu morfolojide belirgin bir değişikliğin meydana geldiği kolayca gözlenebilir.
Türkiye’nin önemli kırık hatlarından biri olan Kuzey Anadolu Fay Zonu, sağ doğrultu atımlı
olup, batıda Yenice yakınında başlamakta, Mudurnu suyu vadisi, Abant Gölü-Bolu – Gerede İsmet Paşa İstasyonu - Ilgaz - Kargı - Ladik - Erbaa - Niksar - Reşadiye - Suşehri - Erzincan Karlıova - Varto ve Bulanık’tan geçerek Van Gölü’ne ve İran sınırına uzanmaktadır (Şekil-9).
Şekil-9. Kuzey Anadolu Fayının Sakarya Irmağı ile Van Gölü arasındaki güzergahı. 1100 km. boyunda doğrultu
atımlı ve sağ yönlü fay zonu.
EPİROJENİK VE OROJENİK HAREKETLER
Epirojenik Hareketler
Yerkabuğunun belirli bölgelerinde meydana gelen kubbe şeklinde yükselme ve tekne, kepçe
biçiminde çökmelere epirojenik hareketler denir. Kıta oluşumu anlamına gelen bu tür olaylar
aslında Litosferde çok yavaş oluşan düşey hareketlerdir.
Bir zamanlar deniz diplerinde binlerce metre kalınlıkta ve sığ deniz ortamında tortuların
birikmiş olması ve daha sonra bunların deniz seviyesi üzerine çıkmış olmaları, yerkabuğunun
bu bölgesinde önce yavaş yavaş bir çökmenin ve daha sonra yavaş yavaş bir yükselmenin
meydana gelmiş olduğunu kanıtlar. Benzer şekilde, derin maden ocaklarında kömürlü
tabakalar arasında bulunan fosilleşmiş ağaç parçaları ve yapraklar, bunların bir zamanlar
yeryüzünde, güneş ışınları altında yaşamakta olduklarının belirtileridir.
Orojenik Hareketler
Alpler, Toroslar ve Himalayalar gibi kıvrımlı sıradağların oluşumu orojenik hareketlerin
sonucudur. Dağ oluşumu anlamına gelen bu çeşit hareketlerde yan basınçlar, yatay kuvvetler
egemendir. Bu sırada tabakalı tortul kayaçlar şiddetli deformasyona uğrarlar, kıvrılır, kırılır
ve yükselirler. Orojenik hareketlerle yerkabuğunda bir daralma, bazen üst üste binme
meydana gelir. Bu şekilde kıvrımlı-kırıklı ve bindirmeli dağ şeritleri, Alpler ve Toroslar gibi
sıradağlar oluşur.
15
DEPREMLER
Günlük yaşantımızda değişmez ve sarsılmaz olarak tanıdığımız sağlam kayaçlardan oluşmuş
Litosfer (dar anlamda yerkabuğu), aslında dış şeklini ve içyapısını sürekli olarak değiştiren,
hızlı ve yavaş hareketleri içerisinde barındıran canlı bir varlık gibidir. Bizler, Litosferde
meydana gelen bu değişikliğin ve hareketliliğin farkında olamayız. Çünkü bu olaylar bizim
ölçülerimize göre çok yavaş geçmekte (yaklaşık olarak yılda en çok 1 cm. veya 1 mm.) ve çok
uzun zamanlar (yüz binlerce veya milyonlarca yıl) sürmektedir. İnsanlar tarafından
duyulamayan, fark edilemeyen bu sürekli ve yavaş hareketlere epirojenik (kıta oluşturan) ve
orojenik (dağ oluşturan) hareketler denir. Fakat Litosferin saniye ile belirtilebilen hızlı
hareketleri de vardır, biz bunları deprem olarak yaşarız ve bazen yapmış oldukları büyük
hasarlar karşısında dehşete düşeriz.
Yeryüzünde duyulan ve kökeni doğal olan yersarsıntılarına deprem veya zelzele denir.
Bunlar, katı (rijit) litosfer bloklarının kırılmaları ve kaymaları sonucu açığa çıkan elastik
deformasyon enerjisinin deprem dalgaları şeklindeki titreşim hareketleridir.
Depremler, çoğunlukla yerkabuğunda (Litosferde) ve daha az sayıda Üst Mantoda oluşurlar
ve büyük faylara bağlı olarak, onlarla birlikte meydana gelirler. Birçok büyük depremlerin
diri (aktif) faylara bağlı oldukları saptanmış veya gözlenmiştir. Örneğin, 27 Aralık 1939'da
Erzincan çevresinde ve Kelkit vadisinde başlayan ve günümüze kadar zaman zaman
tekrarlayan Kuzey ve Doğu Anadolu’daki şiddetli, yakıcı depremler, Sakarya ile Van Gölü
arasındaki uzunluğu 1100 km’yi bulan Kuzey Anadolu fay zonu boyunca meydana
gelmişlerdir (Şekil-10).
Kuzey Anadolu fayı doğrultu atımlı ve sağ yönlü olup büyük depremler sırasında üzerinde
4,3 ile 1,5 m arasında değişen atımlar ölçülmüştür (Şekil-11).
Aşağıdaki çizelgede, fay oluşumu ile birlikte meydana gelmiş diğer ülkelerdeki büyük
depremlerden birkaçı örnek olarak verilmiştir.
Depremin Oluştuğu yer
Wellington, Yeni Zelanda
Sonora, Meksika
Mino - Owarî, Japonya
Assam, Hindistan
Formoza, Filipinler
San Fransisko, Kalifornia
Imp. Valley, Kalifornia
Depremin
Tarihi
Fayın Uzunluğu
(km.)
1885
1887
1891
1897
1906
1906
1940
144
56
64
19
48
430
64
Fayın Atımı (m)
Yatay Düşey
6.0
4,0
2,5
6,4
-
2,7
8,0
6,0
10,5
4,5
Fayların ve bunlarla ilişkili büyük depremlerin oluşumu elastik kırılma teorisi ile
açıklanmaktadır. Bu teoriye göre: faylanmadan önce, fay doğrultusunun her iki yanında
meydana gelmekte olan elastik deformasyon nedeni ile kayaç kütlesi içinde deformasyon
enerjisi birikmektedir. Bu enerji kayaç kütlesinin elastik kırılma direncini aşınca kırılma veya
eskiden var olan bir kırık boyunca kayma meydana gelmekte, bu sırada boşalan elastik
deformasyon enerjisi sismik dalgalar (deprem dalgaları) şeklinde yayılarak depremi
oluşturmaktadır. Fay oluşumuna ve dolayısıyla depreme neden olan enerji, fayın her iki
tarafında zamanla toplanan deformasyon enerjisidir. Büyük bir depremde bu enerjinin değeri
1024 erg büyüklüğündedir.
16
Şekil-10. Kuzey Anadolu Fay zonu ve 1903 ile 1976 yılları arasında Türkiye’de meydana gelen magnitüdü
6'dan (şiddeti 9'dan) büyük depremler.
Şekil-11. 24 Kasım 1976 Çaldıran depremini oluşturan doğrultu atımlı diri fay. Çaldıran’ın 2 km. kadar
batısında suarkı sağ yönlü olarak 206 cm. kaymıştır.
17
Faylanmanın başladığı ilk kırılma veya kayma noktası depremin odağını (hiposantırını)
meydana getirir; kırılma ve kayma yaklaşık 3,5 km./sn'lik bir hızla yüzlerce kilometrelik
boyutlar alabilir (1939 Erzincan depreminde 350 km., 1906 San Fransisko depreminde 430
km.). Odak noktasından (veya alanından) başlayan deprem dalgaları her doğrultuda Yer
içinde ve Yeryüzünde yayılırlar (Şekil-12). Yeryüzünde, odak noktasının veya yöresinin
düşey olarak tam üzerine rastlayan yere de merkez üssü (episantır) denir. Depremin etkisi en
çok burada ve yakın çevresinde görülür, buradan uzaklaşıldıkça etki azalır (Şekil-12).
Şekil-12. Deprem dalgalarının ve deprem etkisinin Yer içinde ve Yeryüzündeki yayılımı
(VII, VIII, IX: eşdeprem eğrileri=izoseistler).
Bir deprem bölgesinde en çok hasar gören yer depremin merkez üssü (episantır) alanıdır.
Episantır yöresinden uzaklaşıldıkça depremin etkisi de yavaş yavaş azalır. Depremin aynı
derecede etkilediği, az çok eşit ölçüde hasar yaptığı yerleri birleştiren eğrilere izoseist'ler (eş
deprem eğrileri) denir ve bunların yardımı ile deprem bölgesinin izoseist haritası hazırlanır
(Şekil-13).
Şekil-13.1 Şubat 1941 Bolu - Çerkeş, depremine alt izoseist haritası. 1: En çok hasar gören bölgeler (depremin
şiddeti 10’dan fazla); 2: İkinci derece hasar gören bölge (şiddet derecesi 9); 3: Az hasar gören bölge
(şiddet derecesi 8-6); 4: Depremin şiddetle duyulduğu bölgeler (şiddet derecesi 5); 5: depremin
duyulduğu bölge (şiddet derecesi 5'ten az). (İ.Ketin. 1948).
18
Depremler, az sayıda da olsa, Litosferden daha alt seviyelerde, 700 km derinliklere kadar inen
Üst Manto içerisinde de meydana gelmektedir. Bazı Japon sismologları, depremlerin
derinlerdeki magma faaliyeti nedeniyle de oluşabildiğini ileri sürerler. Bu görüşe göre,
yeryüzüne yakın magma haznelerinde zaman zaman gaz basıncı artan magmanın komşu
kayaçlar içerisine girmeleri, tabakalar arasına zorla sokulmalarının etkisi ile depremler
meydana gelebilmektedir. Aslında birçok büyük volkanların faaliyete geçmelerinden önce
depremler kaydedilmiştir. Fakat bunlar şiddetli olmayan, küçük bir alanı etkileyen yerel
(yöresel) sarsıntılardır. Japonya ve Hawaii'deki yanardağların püskürmelerinden önce ve
sonra bu tür depremler duyulmuştur.
Yeraltındaki karstik mağaraların, petrol ve doğal gaz kuyularının çökmesi ile veya büyük
heyelanlarda ve meteorit düşmesinden sonra depremlerin meydana geldiği hakkında eskiden
beri birçok örnekler verilmekte ise de, bunlardaki doğruluk payı çok azdır. Bu gibi olaylar
çoğunlukla depremin nedeni değil, aksine sonucudur. Benzer şekilde hava basıncının birden
değişmesi ile depremler arasında bir ilişkinin bulunabileceği düşünülmüş ve hava basıncının
depremin meydana gelmesinde bir ateşleme veya tetikleme etkisi yaptığı ileri sürülmüştür.
Depremlerin etkileri ve şiddetleri (büyüklükleri)
Depremler, önce hafif bir sarsıntı ve yer içerisinden gelen top seslerini andıran gürültülerle
başlar, sarsıntı birden şiddetlenir, en yüksek seviyeye çıkar ve en çok hasar yaptıktan sonra
yeniden yavaşlar, bir süre hafif sarsıntılar şeklinde devam eder ve sonunda duyulmaz olur.
Büyük depremlerde Yeryüzünde yüzlerce km. uzunlukta faylar ve bunlara bağlı olarak oluşan
çatlak ve yarıklar görülür (Şekil-14).
Şekil-14. 24 Kasım 1976 Çaldıran depremi sırasında meydana gelen fay ve ona bağlı açık tansiyon
çatlakları; Çaldıran'ın 3 km. batısı (Fotoğraf, E. ARPAT, 1976).
19
Kıyılarda meydana gelen depremlerin birçoğunda deniz seviyesinde yükselip alçalmalar olur.
Tokyo yakınındaki kıyılar 33, 818, 1803 ve 1923 depremleri sırasında toplam olarak 15 m.
yükselmiştir. Bazı büyük depremlerde 30-40 km. yarı çapında geniş alanların üzerindeki köy
ve ormanları ile birlikte kaymış ve göçmüş oldukları saptanmıştır. 16 Aralık 1920'de Çin'in
Kansu eyaletinde meydana gelen depremde, Lös tortuları büyük kütleler halinde
kilometrelerce kaymış ve 100.000’lerce insanın ölümüne neden olmuştur. Birçok depremde
yeni kaynaklar meydana gelmekte, eskiler yerlerini değiştirmekte, suları azalıp, çoğalmakta,
sıcak sular fışkırmakta, kumlar kaynamaktadır.
Depremler şiddet derecelerine göre kasaba ve şehirleri, yol, köprü ve barajları, tarihsel anıtları
tahrip ederler. Büyük şehirlerdeki hasarların çoğunluğu yangınlardan ileri gelir. 1906 San
Fransisko ve 1923 Tokyo depremlerinde hasarın % 95’i yangınlardan ileri gelmişti.
Nüfusu fazla kalabalık şehirlerin yakınında veya çevresinde meydana gelen büyük depremler
on binlerce ve hatta yüz binlerce insanın ölmesine neden olmaktadırlar. Şehir zemininin
jeolojik durumunun ve binaların yapı özelliğinin ölü sayısı üzerindeki etkisi büyüktür.
Aşağıdaki çizelge bazı büyük depremlerde meydana gelen insan kaybını göstermektedir.
Yıl
Yer
856
1268
1290
1456
1556
1693
1731
1737
1755
1755
1783
1908
1920
1923
1932
1935
1939
Korint, Yunanistan
Hatay, Anadolu
Çihli, Çin
Napoli, İtalya
Shen - Shu, Çin
Napoli, İtalya
Peking, Çin
Kalkuta, Hindistan
Kuzey İran
Lizbon, Portekiz
Kalabria, İtalya
Mesina, İtalya
Kansu, Çin
Tokyo, Japonya
Kansu, Çin
Quctta, Pakistan
Erzincan, Türkiye
Ölü Sayısı
45.000
60.000
100.000
60.000
830.000
93.000
100.000
300.000
40.000
30-60.000
50.000
160.000
180.000
99.000
70.000
60.000
40.000
20
Depremlerin yeryüzünde yaptıkları değişiklikler, şehirlerde meydana getirdikleri hasarlar göz
önünde tutularak, 12 dereceli şiddet cetvelleri düzenlenmiştir. Zamanımızda artık
kullanılmayan, ancak tarihsel bir değer taşıyan bu şiddet dereceleri aşağıda kısaca
özetlenmiştir:
I. Derece
II. Derece
III. Derece
IV. Derece
V. Derece
VI. Derece
VII. Derece
VIII. Derece
IX. Derece
X. Derece
XI. Derece
XII. Derece
Yalnız sismograflarca kaydedilen mikrosismik sarsıntılardır. Çok elverişli şartlar altında
bulunan birkaç kişiden başka hiç bir kimse tarafından his edilmezler (en fazla ivme:
10mm/sn2’den daha küçük).
Çok hafif depremler. Ancak dinlenmekte olan ve bir binanın üst katında bulunan kimseler
tarafından hissedilir. Bazı asılı eşya sallanır (ivme: 10 mm/sn2 'den daha büyüktür)
Hafif depremler. Ev içinde ve özellikle üst katlarda herkes duyar; fakat birçok kimseler bu
sarsıntıları deprem sanmazlar. Duran otomobiller hafifçe sallanabilir. Kamyon geçmesiyle
oluşmuş bir sarsıntı sanılır, (ivme: 25 mm/ sn2’den daha büyüktür)
Orta şiddetli depremler. Bina içinde bulunan kimselerden birçokları ve dışarıda olanlardan
bazıları tarafından duyulan sarsıntılardır. Bazı kimseleri gece uykudan uyandırır, mutfak
eşyası, pencereler ve kapılar sarsılır, duvarlardan çatlama sesleri çıkar, duran otomobiller iyice
sallanırlar (ivme: 50 mm/sn2 'den daha büyük).
Oldukça şiddetli depremler. Hemen herkes tarafından duyulur, birçok kimseler uykudan
uyanır, bazı tabaklar ve pencere camları kırılır, sıvalar çatlar, ağaçların ve direklerin
sallandıkları görülür, sarkaçlı saatler durabilir (ivme: 100 mm/sn2 'den daha büyük).
Şiddetli depremler. Herkes tarafından duyulur ve birçok kimseler korkarak dışarı kaçarlar.
Ağır ev eşyaları yerlerinden oynar, birçok hallerde sıvalar düşer, bacalar hasara uğrar,
genellikle hasar miktarı azdır (ivme: 250 mm/sn2.'den büyük).
Çok şiddetli depremler. Herkes dışarı fırlar, otomobil kullananlar tarafından fark edilir, bazı
bacalar kırılır. İyi yapılmış binalarda hasar önemsiz, orta derecede iyi ve normal yapılarda
hasar az ve planı kötü olan binalardaki hasar ise oldukça fazladır (ivme: 500 mm/sn 2.'den daha
büyük).
Yıkıcı depremler. Bacalar, sütunlar, anıtlar ve duvarlar yıkılır. Ağır ev eşyası ters döner,
otomobil kullananlar rahatsız olurlar; özel olarak iyi yapılmış binalarda hasar az, orta derecede
binalarda hasar oldukça fazla, kötü yapılmış inşaatta ise hasar büyüktür. Ahşap veya yığma
duvarlar (kerpiç duvar) bina iskeletinden dışarı fırlar. Kuyu sularında değişmeler görülür, az
miktarda kum ve çamur akıntıları meydana gelir (ivme: 100 cm/sn2'den daha büyük).
Tahrip edici depremler. Binalar temellerinden oynar, özel olarak yapılmış binalarda hasar
oldukça fazladır, normal binalarda büyük hasar ve yıkıntılar görülür. Yeryüzünde çatlaklar
oluşur, yeraltındaki borular kopar (ivme: 250 cm./'sn2.'den daha büyük).
Felaket depremler. Çoğu binalar yıkılır, iyi yapılmış ahşap binaların bazıları harap olur.
Birçok ahşap ve taş binalar temelleri ile birlikte yıkılır, zeminde çatlaklar olur, demiryolu
rayları bükülür, ırmak kenarlarında ve dik yamaçlarda heyelanlar, çamur ve kum akıntıları
görülür (ivme: 500 cm/sn2.'den daha büyük).
Afet depremler. Ancak birkaç bina ayakta kalır, köprüler yıkılır, yerde geniş çatlaklar
meydana gelir. Raylar pek fazla bükülür, kaymalar ve faylar, büyük heyelanlar oluşur (ivme:
750 cm/sn2.'den daha büyük)
Büyük afet deprem, insan eliyle yapılmış hiçbir eser ayakta kalmaz, her şey harap olur.
Eşyalar havaya fırlar, deprem dalgalarının yeryüzünde görüldüğü söylenir, zeminde büyük
değişiklikler olur (ivme: 980 cm/sn2' den, yerin gravitasyon ivmesinden daha büyük).
Depremin yeryüzünde yaptığı hasarın durumuna (niteliğine) göre saptanan şiddet
derecelerinde zeminin jeolojik yapısının, kesin olmayan yapı faktörlerinin ve özellikle
insanların subjektif görüşlerinin büyük rolü olmaktadır. Bu nedenle, C.F.RICHTER, zemine
ve binaların yapısına bağlı olmayan, daha çok deprem odağında boşalan (açığa çıkan)
enerjinin büyüklüğünü temel alan yeni bir «Şiddet değerlendirmesi» ortaya koymuş ve buna
depremin Magnitüdii (büyüklüğü) demiştir. Ona göre mağnitüd: episantırdan 100 km. uzakta
bulunan bir standart «Wood-Anderson» sismografının (kısa peryotlu torsion sismometresinin)
kaydettiği yatay bileşene ait en büyük amplitüdün logaritmasıdır.
21
Deprem dalgalarının amplitüdleri odakta ve episantırda en büyük ise de, episantırdan
uzaklaştıkça küçülür. Bu olaydan yararlanılarak, iyi kaydedilmiş bir depremin episantırı
nerede olursa olsun enerjisi ve dolayısıyla magnitüdü hesaplanabilmektedir. Buna göre
hazırlanan magnitüd cetvelinde (Richter ölçeğinde) en küçük depremin mağnitüdü 1,5, en
şiddetlisinin magnitüdü 8,5’dur. (1906 kalifornia depreminin mağnitüdü 8,3, 1939 Erzincan
depreminin 8, 1953 Yenice depreminin 7,8 ve 1976 Çaldıran depreminin 7,5 idi).
Deprem dalgaları (Sismik dalgalar)
Deprem, daha öncede belirtildiği gibi, bir dalga olayı, bir titreşim hareketidir. Değişik
özellikte çeşitli deprem dalgaları bilinmektedir. Bunlar, önce cisim dalgaları ve yüzey
dalgaları olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Cisim dalgalarının ayrıca P ve S türleri; yüzey
dalgalarının ise Rayleigh ve Love türleri vardır. Şimdi bunların özelliklerini kısaca
açıklayalım;
P dalgaları, hızları en fazla olan ve bu nedenle kayıt merkezlerine ilk gelen (Primer)
dalgalardır. Bunlarda titreşim hareketi yayılma doğrultusundadır, bu bakımdan boyuna
dalgalar olarak ta adlandırılırlar. Bunlar, içerisinden geçtikleri cisimlerin tanelerini birbirine
yaklaştırır veya uzaklaştırırlar; bu nedenle de onlara kompresyon dalgaları veya dilatasyon
dalgaları denir.
P dalgalarının hızı, dalganın yayıldığı ortamın elastik özelliğine, rijidite ve yoğunluğuna
bağlıdır. Bu dalgaların yerkabuğu içerisindeki hızı 6-7 km/sn’dir; derinlere inildikçe hız artar,
Manto/Çekirdek sınırında en yüksek değerine, 13 km/sn’ye ulaşır (Şekil-4). Cismlerin şekil
değişikliğine karşı direncinin sona erdiği durumlarda bile, P dalgasının hızı belirli bir değer
taşır. Bunun anlamı, P dalgaları sıvı ve gaz gibi hiç bir rijiditesi olmayan maddeler içerisinden
de geçebilirler.
S dalgaları: hızları P dalgalarına oranla daha az olan ve bu nedenle kayıt merkezlerine ikincil
olarak gelen (Sekonder) dalgalardır. Titreşim hareketleri yayılma doğrultusuna dik düzlem
üzerinde «aşağıya-yukarıya» doğrudur; bu bakımdan bunlara enine dalgalar denir. S dalgaları
cismin elastik şekil değişikliğine karşı gösterdiği dirençten (mukavemetten) ileri gelirler ve
dolayısıyla cismin rijiditesine bağlıdırlar. Hacım değişikliği olmaksızın meydana gelen
kayma hareketleri sırasında ortaya çıktıklarından, kayma dalgaları veya rotasyon dalgaları
olarak da adlandırılırlar.
S dalgalarının hızı, içerisinden geçtikleri cismin rijidite ve yoğunluğuna bağlıdır; bu
bakımdan rijitesi bulunmayan sıvı maddelerde S dalgaları oluşmaz. Bu çok önemli bir
olaydır; Yerin çekirdek kısmının sıvı karakterde olduğu bu şekilde anlaşılmıştır. S
dalgalarının hızı yerkabuğunda 3,45-4,1 km/sn’dir. İç kısımlara inildikçe hız artar ve Manto
Çekirdek sınırında en büyük değerine (7 km/sn.) ulaşır. Ancak çekirdeği geçemezler.
Yüzey dalgaları veya uzun dalgalar (L dalgaları): Cisim dalgalarına oranla hızları daha az,
peryodları daha büyük ve boyları daha uzundur (30-40 km.). Kayıt merkezlerine en son
gelirler fakat sismogramlar üzerinde en şiddetli hareketleri yansıtırlar (Şekil-16). Büyük bir
depremde Yerküresini birkaç kez dolaştıktan sonra belli bir gecikme ile kayıt istasyonuna
ulaşırlar. Bunlar, yeryüzünün üst kısımlarında ya serbest yeryüzü süreksizliği nedeniyle, ya da
yeryüzüne yakın derinliklerdeki tabakalanmadan ötürü meydana gelirler ve yeryüzünde
yayılırlar.
22
Yüzey dalgalarının bir türü olan Rayleigh dalgaları Yerin serbest yüzeyinin oluşturduğu
dalgalardır; hızları S dalga hızının 0,92'si kadardır. Düşey, kuzey-güney ve doğu-batı bileşen
sismogramlarının her üçünde de bu dalgalar görülebilir. Bunlar normal olarak dispersiyon
(dağılma, yayılma) göstermezler ise de, Yerin elastik özellikleri derinlikle değiştiğinden,
depremlerde görülen gerçek Rayleigh dalgaları dispersiyon gösterirler.
Yüzey dalgalarının diğer türü olan Love dalgaları, elastik dalga hızları birbirinden farklı
tabakaların bulunduğu bir ortamda, hızı az olan tabakanın üst ve alt sınırından tekrar tekrar
yansıyan ve frekansları birbirine yakın olan dalgaların yapıcı girişimi sonucu oluşurlar.
Titreşim hareketi yayılma doğrultusuna dikey ve yataydır; düşey bileşeni yoktur; düşey
bileşen sismogramlarında görülmezler. Bütün Love dalgaları dispersiyona uğrarlar; genlikleri
derinlikle azalır, bu nedenle derin odaklı depremlerde kaydedilmezler.
P ve S dalgaları elastik özelliği olan Yer içinde her doğrultuda yayılırlar ve yoğunlukları
(fiziksel özellikleri) farklı iki ortam sınırında kırılır veya yansırlar (ses ve ışık dalgalarında
olduğu gibi), yeni dalgalar üretirler. Deprem odağından yeryüzüne gelen P ve S dalgaları
kayaç/hava sınırında yansırlar ve tekrar yer içine dalarlar (Şekil-15).
Bir depremde P-dalgalarının amplitüdlerinin çok zayıf (belli belirsiz) kaydedildiği veya hiç
kaydedilmediği ve episantırdan 103° ile 143° arasındaki uzaklıkta bulunan sahaya gölge zonu
denir (Şekil-15).
Şekil-15. Deprem dalgalarının Yer içindeki yayılma durumları. P-dalgaları süreksizlik yüzeylerinde
kırılarak veya yansıyarak: yeni dalgalar oluştururlar. Episantırdan 103° ile 143°
arasındaki bölgeye gölge zonu denir.
Sismograf ve Sismogramlar :
Depremleri kaydeden aletlere Sismograf veya Sismometre denir. Bunların hemen hepsi, Yer
ile doğrudan doğruya dokunağı olmayan ağır bir sarkacın, deprem dalgaları etkisi altındaki
davranışını saptar. Sarkacın ağırlığı 20 tondan fazla olabilir. Ağır bir cisim olan sarkaç en az
(çok küçük) bir sürtünme yüzeyi ile serbest hareket edecek biçimde yerleştirilir. Deprem
23
dalgalarının titreşimleri sarkacı harekete getirir ve bu hareketler mekanik, optik veya
elektromanyetik olarak kaydedilir.
Çoğu rasathanelerde (gözlemevlerinde) iki yatay (Kuzey-Güney ve Doğu-Batı) ve bir düşey
bileşen sismografları kullanılır. Üç bileşeni aynı zamanda kaydedebilen sismograflar da
yapılmıştır. Bugün kısa ve uzun periyotlu, çok çeşitli sismograflar geliştirilmiştir. Bunların
hepsi elektromanyetiktir. Kayıtlar genel olarak fotoğraf kağıdına günlük sismogramlar
şeklinde yapılır. Özel amaçlar için sayısal olarak kayıt yöntemleri de kullanılmaktadır.
Sismografın silindir biçimindeki tamburuna sarılı kağıt veya fotoğraf kağıdı üzerine çeşitli
deprem dalgalarının titreşimleri kaydedildiğinde sismogram denilen şekiller (grafikler)
meydana gelir (Şekil-16). Bunlar üzerinde P, S, L ve diğer her çeşit dalganın kayıt merkezine
geliş zamanları, titreşim süreleri amplitüdleri tespit edilmiş olur. Sismogramların bu
özelliğinden yararlanılarak, deprem merkezinin (episantırın) kayıt istasyonundan olan
uzaklığı, depremin magnitüdü ve elverişli durumlarda odağın derinliği hesaplanabilir.
Şekil-16. A: 27 Aralık 1939 Erzincan depreminin sismogramı.
B: 24 Kasım 1976 Çaldıran depreminin sismogramı.
Çeşitli dalgaların sismografa geliş zamanları arasındaki fark, Rasathane ile episantır
arasındaki uzaklığa bağlı olarak değişir (Şekil-17) Bu olguya dayanılarak, episantırın uzaklığı
hesaplanır. Bunun için özel olarak hazırlanmış zaman-uzaklık diyagramları (veya tabloları)
kullanılır. Bu diyagramlar (eğriler), çeşitli dalgaların geliş zamanlarının episantıra olan
uzaklığın fonksiyonu olarak çizilmesi ile elde edilir.
24
Şekil-17. P ve S dalgalarının zaman aralığı (S-P) Episantırdan uzaklaştıkça büyür. Belirli bir deprem
istasyonunda, kaydedilen P ve S dalgaları arasındaki zaman farkı (S-P) tespit edildiğinde,
episantırın bu istasyona olan uzaklığı kolayca bulunabilir. Ayrıca, A, B, C gözlem
istasyonlarının episantırdan uzaklıkları (a, b, c) bilindiğinde, episantırın yeri de
saptanabilmektedir.
Episantırın rasathaneye yakın olduğu hallerde, uzaklık hesap edilirken ilk gelen S dalgası
ile ilk gelen P dalgasının geliş zamanları arasındaki farktan (S-P'den) yararlanılır (Şekil17). Uzak ve çok uzak depremlerde ancak zaman-uzaklık eğrileri kullanılır (Şekil-18).
Episantırın yeri ise, üç farklı kayıt istasyonunda hesaplanan uzaklıklar yardımıyla
saptanır. Farklı uzaklıklar yarıçap olmak üzere çizilecek üç dairenin kesiştiği nokta veya
saha episantırın coğrafik yerini verir (Şekil-19).
Sismogramlardaki yatay çizgiler zaman eksenleridir; bunlar üzerinde dakika ve saat
başları belirtilmiştir.
Şekil-18. P, S ve yüzey dalgaları için zaman-uzaklık eğrileri
25
Şekil-19. 24 Kasım 1976 Çaldıran depremi Episantırının Tiflis, Tahran ve Ankara'da bulunan
kayıt merkezleri aracılığı ile bulunması. Episantır, yarıçapları a, b, c olan üç dairenin
kesiştiği alandır (küçük yıldız).
Deprem Çeşitleri
Depremler yalnız kıtalarda değil, okyanus diplerinde de meydana gelirler ve deniz
depremleri'ni oluştururlar; bu sırada deniz yüzeyi kabarır, gemide bulunanlar geminin bir
kayaya çarptığını, kıyıya oturduğunu sanırlar. Çoğu kez balıklar sersemler veya ölürler.
Deniz depremlerinin su içerisindeki dalgalarına sismik deniz dalgaları veya Japonca deyimi
ile tsunami denir. Bunlar gel-git (med-cezir) dalgalarından farklıdırlar ve derin körfezlerde
büyük hasar yaparlar. 15 Haziran 1896'da Japonya'nın Sanriku bölgesi bu dalgaların etkisi ile
su altında kalmış ve 27.000 kişinin ölümü ile 10.000 den fazla evin yıkılmasına neden
olmuştur. Dalgalar kıyıdan 200 km. uzakta deniz altındaki bir depremden gelmişlerdi. 30 m.
yüksekliği olan bu dalgalar Miyako şehrini silip süpürmüşlerdi. Sanriku tsunamisi 4790 mil
uzakta bulunan San Fransisko’da kaydedilmişti. Dalgalar Pasifik Okyanusu saatte 720 km'lik
ortalama bir hızla 10 saat 34 dakikada geçmişlerdi.
Bazı büyük depremlerden önce bir sıra küçük sarsıntılar kaydedilir ki, bunlara haberci
depremler veya öncül depremler denir. Hemen bütün büyük depremler en şiddetli
safhalarından sonra daha bir süre küçük depremler olarak etkilerini sürdürürler; bunlara da
artçı depremler adı verilir.
Artçı depremlerin sayısı genellikle çok, şiddetleri (magnitüdleri) ise değişiktir; asıl
depremden sonra aylarca ve bazen yıllarca sürebilirler. Bazı istisnaları olmakla beraber,
büyük bir depremden sonra aynı şiddette diğer bir deprem meydana gelmemekte, fakat daha
az şiddetli ve daha küçük frekanslı bir sıra depremler uzun süre devam etmektedir.1906
Kalifornia depreminde sabahtan öğleye kadar 90 artçı deprem kaydedilmişti. Mino-Owari
depreminde ise, ilk günde 118 ve ilk ayda 1746 sarsıntı tespit edilmişti. 28 Mart 1970 Gediz
depreminden sonra kaydedilen magnitüdü 3'ten büyük artçı depremlerin sayısı da; ilk on
günde 175'i, bir ay sonunda 286'yı, üç ayda 380'i ve 6 ay sonra 500'ü bulmuştu.
26
Depremlerin çoğunluğunun odakları 10 ile 30 km. arasındaki derinliklerdedir. Odak derinliği
60 km'ye kadar olan depremlere Sığ depremler, 60 ile 300 km. arasında olanlara Orta
derinlikte depremler, odak derinliği 300 ile 700 km. arasında olanlara da derin depremler
denir.
Odak derinliği az olan sığ depremler uzaklardan duyulmazlar; fakat episantır çevresinde
şiddetle his edilirler; bunların yüzey dalgaları (L dalgaları) büyüktür. Odak derinliği arttıkça
yüzey dalgalarının boyutları küçülür, çok derin depremlerde ise bu dalgalar hemen hiç
kaydedilmezler. Bu nedenle, yüzey dalgalarının sismogramlar üzerindeki kayıt şekillerinden
odağın derinliği hakkında tahminler yapmak olanağı ortaya çıkar.
Deprem odağı matematik anlamda bir nokta değil, belirli büyüklüğü olan bir alandır (sahadır).
Eğer depremin nedeni bir fay ise, odak fayın kırılmaya ve yırtılmaya başladığı yerdir.
Genellikle fay bir noktadan kırılmaya başlar ve kendi boyunca yırtılır. Yırtılmanın hızı P
dalgasının hızından azdır, fakat S dalgasının hızından daha fazla olabilir.
Derin odaklı depremlerin hemen hepsi Pasifik Okyanusu çevreleyen takımadalarda (ada
yaylarında) ve Güney ve Orta Amerika'nın batı kıyıları boyunca sıralanmışlardır (Şekil-20).
Levha tektoniği açısından bu yerler Litosfer levhalarının Manto içerisine daldığı zonlardır
(Benioff zonları). Sığ depremler ise, kıtalarda ve okyanuslardaki büyük kırık zonlarda, faylı
bölgelerde (özellikle transform faylar boyunca) meydana gelmektedirler (Şekil-20).
Şekil-20. Levha tektoniği açısından derin ve sığ odaklı depremlerin oluştuğu yerleri gösterir blokdiyagram.
Deprem Coğrafyası ve depremsellik (sismisite)
Depremler Yerküresinin belirli bölgelerinde çok sık ve şiddetli olarak meydana gelmekte,
diğer bazı bölgelerde ise çok az oluşmakta ve duyulamayacak kadar hafif geçmektedir.
1961 ile 1967 yılları arasında bütün dünyada meydana gelen 30.000 depremin episantırları bir
harita üzerine yerleştirildiğinde (Şekil-21), bunların genellikle levha sınırlarını izledikleri ve
özellikle iki kuşak üzerinde toplandıkları dikkati çeker. Bu kuşaklardan birisi ve en belirgin
olanı Pasifik Okyanusunu çevreleyen Pasifik: - kuşağı; diğeri Cebeli Tarık'tan Endonezya
adalarına kadar uzanan ve Türkiye ile yakın komşularını içerisine alan Akdeniz - Himalaya
kuşağıdır (Şekil-21). Dünyadaki tüm depremlerin % 68'i Pasifik kuşağında, % 21'i AkdenizHimalaya kuşağında ve geri kalan % 11'i ise diğer kıtalarda yer almaktadır.
27
Akdeniz deprem kuşağı içerisinde bulunan ülkemizde bütün tarih boyunca şiddetli ve yıkıcı
depremler olmuş ve özellikle son 100 yıl bu açıdan aktif bir dönem olarak geçmiştir. Bu
dönemde şiddeti 9'un üzerinde, magnitüdü 6'dan daha büyük 28 deprem olmuş, 60-70 bin
kadar can kaybı ve yüz milyonlarca lira değerinde maddi zarar meydana gelmiştir (Şekil-10).
Genellikle Kuzey Anadolu, Ege bölgesi, Marmara havzası, Doğu Anadolu ve Hatay,
memleketimizin en çok sarsılan bölgeleridir.
Şekil-21. 1961 ile 1967 yılları arasında bütün dünyada meydana gelmiş olan 30.000 depremin episantırlarının
yeryüzündeki dağılımı, iri noktalar derin odaklı depremleri gösterirler.
Bir bölgede meydana gelen depremlerin şiddeti ve tekrarlama sayısı, o bölgenin
sismisitesini (depremselliğini) belirler. Genellikle, depremlerin sık sık meydana geldiği
bölgelerde sarsıntıların şiddetleri de fazla olur.
Sismologlar, dünyada bir yıl içinde duyulabilecek şiddette (Magnitüdü 2 olan) bir
milyondan fazla deprem olduğunu kabul ederler. Aşağıdaki çizelgede, sığ odaklı
depremlerin yıllık ortalama sayıları ile magnitüdleri gösterilmiştir.
Magnitüd
8,6-7,7
7,7-7,0
7-6
6-5
5-4
4-3
3-2,5
Yıllık Ortalama Sayı
(En büyük depremler)
(Büyük depremler)
(Yıkıcı depremler)
Yaklaşık Toplam
:
2
12
108
800
6200
49.000
100.000
150.000 !
Gerçek değerler
Bölgesel
İstatistiklere göre
yaklaşık değerler
28
Depremselliği en yüksek olan ülkeler; Japonya, Batı Meksika, Malezya ve Filipinlerdir.
Akdeniz kuşağı ve Kaliforniya ikinci sırada yer alırlar.
Kıtalarda olduğu gibi, ayrı ayrı ülkelerde de depremsellik bölgelere göre değişik değerler taşır.
Bir ülkede bazı bölgeler sık sık şiddetlice sarsıldıkları halde, diğer bölgeler daha az sayıda ve
daha hafif depremlerden etkilenirler. Böylece, kıtalar ve ülkeler depremsellikleri birbirinden
farklı bölgelere veya zonlara bölünebilmekte, deprem bölgeleri veya deprem zonları haritaları
yapılmaktadır. Türkiye örneğinde, ülkemiz 5 zona ayrılmış ve birinci, ikinci, üçüncü, dördüncü
derece deprem zonları ve tehlikesiz zon olarak adlandırılmışlardır (Şekil-22). Bu zonlar aynı
zamanda depremin meydana getirdiği tehlikenin (can ve mal kaybının) derecesini yansıtır.
Birinci derece deprem zonu deprem tehlikesinin en büyük olduğu sahaları; dördüncü derece
deprem zonu ise, deprem tehlikesinin en az olduğa sahaları içerirler. Tuz gölü ile AnamurSilifke arasındaki bölge ve Güneydoğu Anadoluda Suriye Irak sınır bölgesi depremsellik
bakımından şimdilik tehlikesiz sayılmaktadır (Şekil-22).
Şekil-22. Türkiye'nin depremselliğini veya deprem tehlikesi derecelerini yansıtan deprem bölgeleri haritası.
29
ARAZİ İNCELEMELERİ VE YERİNDE ÖRNEK ALMA YÖNTEMLERİ
Zemin incelemelerinin yapılabilmesi ve numune alma işleminden önce zeminle ilgili bir
yöntem belirlenmelidir. Bu inceleme için en uygun yöntemler:
1-) Deneme çukurları açmak,
2-) Sondaj yapmak
3-) Jeofizik yöntemler uygulamak
Bu yöntemlerden hangisinin uygun olabileceği, incelenecek zeminin yapısına bağlıdır.
Bilindiği gibi zeminler, Normal Zeminler ve Kaya Zeminler şeklinde ayrılırlar.
Normal Zeminler: Yumuşak, gevşek, sert, katı gibi çimentolaşmamış malzemelerdir.
Bunlarda kendi içinde, kohezyonsuz ve kohezyonlu zeminler olarak ikiye ayrılır.
Kohezyon: Zemin tanelerinin yapışma, bitişme, kaynaşma özelliğidir.
Kohezyonsuz Zeminler: Kum ve çakıllar.
Kohezyonlu Zeminler Kil, silt, organik zeminler (Turba) bu tür zeminler tek başına kil, silt,
kum, çakıl olabileceği gibi, bunların değişik oranlarda karışımından da oluşabilir
Kaya Zeminler: Genellikle sert, rijit ve çimentolanmış malzemelerdir.
Normal zeminlerde, özellikle killerde derin incelemeler için sondajlar daha iyi sonuç verir.
Yüzeysel incelemeler ise deneme çukurları ile yapılmalıdır. Kumlu zeminlerde ise sondajlar
yapılması uygundur. Kayalarda ise genellikle sondajlar yapılır.
Kayalarda karotlu sondajlar kaya özelliklerini tanıma açısından tam ve doğru bilgi verirler.
Fakat bloklu, çatlaklı ve çok kırıklı kayalar için inceleme olanağı oldukça sınırlıdır. Bu
durumlarda uygulanabildiğince geniş çaplı sondajlar yapılması ve zor olmakla beraber
deneme çukurları açılmalıdır. Sondajlar deneme çukurlarına oranla daha pahalı yöntemlerdir.
Deneme Çukurları Açmak
Yüzeysel zemin incelemelerinde elle örselenmemiş numune alınmasında ve yine yüzeyden az
bir derinliğe kadar zemin profili çıkartılmasında uygulanacak en doğru güvenilir bir yöntem
deneme çukurlarıdır. Deneme çukurları en az 100x200 cm boyutunda, 3-4 m derinlikte
kazılmalıdır. Kazma işlemi kazma, kürek veya mekanik kazıcılarla yapılır Çukur sayısını
zeminin jeolojik verileri ve yapının özelliği belirler 3 m’den daha derin çukurlar kazılırken
yan kenarların yıkılmaması için basamak yapılır. Akıcı zeminlerde ise eğim uygulanır.
Sondaj Yapmak
Sondaj, bir delici uç aracılığıyla yeryüzünden başlayarak içeri doğru belirli bir çap ve
derinlikte, dönen borularla veya darbeli tel halat ve matkap ile kuyular açılmasına sondaj
denir. Genellikle incelenecek zeminin ortasında bir, kenarlarında da üç veya dört sondaj
30
yapılır. Duruma göre sayı artırılabilir. Bir sondaj işleminde en az 2 m’de bir olmak üzere
zeminin karakteri değiştikçe örnekler alınır. Bu örnekler;
Örselenmiş Örnekler, önceden alınan önlemlerle bozulmuş veya değişmiş zeminlerden alınan
örneklerdir.
Örselenmemiş Örnekler: Zemin özellikleri veya yapısının değiştirilmeden özel yöntemlerle
alınan örneklerdir. Bu örnekler, kayalarda kolaylıkla alınabildiği halde normal zeminlerde
belirli bir örnek alma yöntemlerinin kullanılmasıyla elde edilebilir.
Karot: Sondaj yaparken özel sondaj donanımları ile kayalardan alınan silindir şeklindeki bir
tip örselenmemiş örnektir.
Sondaj Çeşitleri
a-) Dönel (Rotary) sondajlar
b-) Darbeli sondaj
c-) Burgulu sondaj
d-) Basınçlı su ile sondaj
a-) Dönel Sondajlar:
Özellikle kayalarda uygulanan bu yöntemde kesici ve öğütücü bir matkaba, dönme hareketi
veren bir makinaya, kesilen zemin üzerinde matkabın basıncını koruyan bir düzeneğe ve
matkap kesintilerini (karot veya sediman ) dışarı atabilecek bir sisteme ihtiyaç vardır.
Kesintiler pompalanan su veya sondaj çamuru aracılığıyla delik dibinden sondaj boruları
boyunca yukarıya çıkarılıp incelemesi ile yapılan sondajdır
Bu yöntemle çapları 2 cm'den 100 cm'ye kadar olan çok derin delikler açılabilir. Her türlü
zeminden silindirik karot örnekler alınabilir. Bu yöntem çok gelişmiş ve çok kullanılan bir
yöntemdir
b-) Darbeli Sondajlar:
Normal zeminlerde iri taş, moloz veya kaya parçalarına oluşan zeminlerde, sert killerde bu
yöntemle 100 mm’den büyük çapta sondaj deliği açılabilir. Eskiden beri kullanılan bir
yöntemdir.
c-) Burgulu Sondajlar:
Bazı sondaj kuyuları elle kullanılan veya motorla işleyen burgularla açılır. Burgu kullanılarak
yapılan sondajlar sert olmayan zeminlerde yapılabilir.
El Burguları, kol kuvveti ile çevrilirler, bu burgularla yapılan sondajlarda delik çapları 50-200
mm, ortalama sondaj derinliği ise 6-7 m’dir. Burgu boruları birbirlerine eklenerek boyları
uzatılabilir.
Motorlu Burgular, en fazla 200 mm çapındaki deliklerin açılmasında ve ortalama 25 m
derinliğe kadar inilmesine elverişlidir.
31
d-) Basınçlı Su ile Sondaj:
Ortası delik bir matkaptan fışkırtılan basınçlı suyun etkisi ve matkabın sondaj deliğinde
döndürülmesi ile zeminden parçalar kopartılır. Kopartılan parçalar basınçlı suyun etkisi ile
suya karışarak yüzeye çıkartılır. Bu yöntem yumuşak ve birörnek (üniform) killi, kumlu
zeminlerde sığ sondalar için elverişlidir.
Jeofizik Yöntemler
a-) Sismik Yöntem
Yapay olarak oluşturulan sarsıntı dalgalarının zeminin çeşitli katmanları içindeki hızlarının
ölçülmesi ve buradan zemin katmanlarının cins ve kalınlıklarını belirleme prensibine dayanır.
Ses dalgalarının hızları yani sismik hızlar zeminlerin yoğunluğu ile ilgilidir.
Yoğunluğu fazla olan zeminlerde sismik hız daha fazladır. Küçük alanlarda ses dalgaları, bir
çelik levha üzerine balyoz ile vurularak, daha geniş alan incelemelerinde ise dinamit
patlatılarak sismik dalgalar oluşturulur. Oluşan sismik dalgalar çeşitli aralıklarla yerleştirilen
alıcılara (jeofon), geliş zamanlarını izleyip değerlendirmek için sismik reaksiyon aracı
(osilograf) kullanılır. Bu yöntem diğerlerine göre daha az derinlikteki katmanların
belirlenmesinde kullanılır.
Şekil-23. Sismik Yöntem (Sismik Refraksiyon)
b-) Elektrik Rezistivite Yöntemi
Bu yöntemle yere elektrot denilen metal çubuklarla akım verilir. Elektrotlar arasında bulunan
diğer bir çift elektrot yardımıyla verilen akımın oluşturduğu potansiyel ölçülür.
Kayaçlar genellikle verilen akıma karşı birbirinden farklı dirençler gösterirler. Bu direnç
farklılıklarına dayanılarak kayaç kütlelerinin yayılımı ve tabakalanma sınırları belirlenir.
32
ZEMİNLERİN OLUŞUMU
Zemin; yerkürenin kabuğunun dış kısmını oluşturan, taneli, boşluklu doğal madde
(malzeme)’dir. Kalınlığı, birkaç desimetreden, birkaç yüz metreye kadar değişir. Tanelerin
boyutları, birkaç desimetreden, gözle seçilemeyen boyuta (mm.’nin 10.000, 100.000,
1.000.000 da biri vb. büyüklükte) kadar olabilir. Tanelerin şekli (biçimi); yuvarlak, köşeli,
yassı, iğne gibi olabilir.
Zemin, kaya(ç)ların fiziksel parçalanması (Mekanik ayrışma) ve kimyasal ayrışması ile
oluşur. Milyonlarca yıldan beri (bazı kaynaklara göre yaklaşık 4,6 milyon yıldan beri),
kayalar zeminlere, zeminler de kayalara dönüşmektedir (Şekil-32). Bu olaylar, günümüzde de
devam edip gitmektedir.
MAGMA
MAGMATİK
KAYAÇLAR
Granit-Bazalt
UFAK TAŞ
ve
TOPRAK
MİGMATİT
Kıvrımlı-Kırıklı
TABAKALAR ve
KAYAÇLAR
ORGANİZMA
METAMORFİK
KAYAÇLAR
Gnays-Şist-Mermer
SEDİMANLAR
(Gevşek Tortullar)
Çakıl, Kum, Silt,
Kil, Kireç, Tuz,
Turba, Sapropel.
TORTUL KAYAÇLAR
Konglomera, Kumtaşı,
Silttaşı, Kiltaşı, Kireçtaşı,
Tuz, Kömür, Petrol, Gaz.
Şekil-32:Maddenin yeryüzünde ve yerkabuğu içindeki dolaşımını gösteren şematik çizim. Başlangıç
noktası olarak MAGMA alınmıştır. Sol tarafta dış olaylar, sağ tarafta iç olaylar birbirini
izlemektedir (Ketin,1975).
33
Kayaların fiziksel parçalanması (ayrışması) ile kayalar, boyut olarak daha küçük kısımlara
ayrılır. Fakat kayanın kimyasal bileşimi değişmez. Kayaların parçalanmasına neden olan
etmenler çok değişiktir.
Kayalarda, gece-gündüz veya mevsimler arasındaki sıcaklık farkları nedeniyle, çatlaklar
oluşabilir. Bu çatlaklara giren suyun donması ile kayalar parçalanmaya uğrayabilir. Su
donduğu zaman, hacminde 1/10 kadar bir genişleme meydana gelir. Bu genişleme
sınırlanırsa, büyük basınçlar (kuvvetler) oluşur. Ayrıca, yüksekliğin (kalınlığın) azalması
(Erozyon) ile kaya içinde oluşan farklı iç gerilmeler de, kayaların çatlamasına yol açabilir.
Bitki ve ağaç kökleri, kayaların çatlaklarına girerek, onları daha da genişleterek, fiziksel
parçalanmaya katkıda bulunurlar.
Akarsularla taşınan parçalar; birbirine çarparak (aşınma), akarsu yatağındaki kaya veya
parçalara çarparak (aşındırma), daha da küçük parçalara ayrılır, köşeli taneler yuvarlaklaşır.
Şiddetli yağışlar sonrası oluşan geçici seller de, benzer olaylara yol açar.
Deniz veya göl kıyısındaki dalgalar, kıyılara çarparak, taneleri ileri-geri hareket ettirerek
fiziksel parçalanmalarına neden olur.
Rüzgar, silt-kum boyutlarındaki
parçalanmaya yardımcı olur.
taneleri
sürükleyerek,
kayalara
çarparak,
fiziksel
Buzullar, taşıdıkları parça veya taneleri birbirine veya üzerinde hareket ettikleri yerel kaya
veya parçalara sürterek, fiziksel parçalanmaya katkıda bulunur. Geçmişte, kuzey ve güney
yarımkürenin, kuzey ve güney kısımları ile dağlık bölgelerinde (Kanada, Orta-Kuzey Avrupa
vb.) oluşan soğuk iklim-sıcak iklim dönemleri, buzulların oluşmasına ve hareketlerine yol
açmıştır.
Tepelerde parçalanan kayalar veya taneler; yerçekimi etkisiyle aşağıya yuvarlanarak, kayarak,
fiziksel parçalanmaya uğrarlar.
Kayaların kimyasal ayrışması ile kayaların kimyasal bileşimi değişir, yeni maddeler meydana
gelir. Kayaların kimyasal ayrışmasında birçok etmen rol oynar. Havadaki oksijeni ve
karbondioksiti eriterek içine alan yağmur suyu, yüzey toprağındaki asitleri de alarak,
kayalarda kimyasal reaksiyonlara yol açar. Bu kimyasal reaksiyonlar sonucunda, özellikle
killer oluşur. Bitki ve hayvanların yaşamları sonucu yüzey toprağında oluşan bakteriler, çeşitli
asitler (karbonik asit, nitrik asit vb.) salgılayarak, kayaların kimyasal ayrışmasına yol açarlar.
Zeminler, yerinde oluşmuş (kalıntı, rezidual) ve taşınmış (transported) zeminler olmak üzere,
iki ana gruba ayrılırlar. Yerinde oluşmuş zeminler, ana kayanın parçalanması ve ayrışması ile
ana kayanın üzerinde oluşur. Bunların tipik kesiti Şekil-33’de görülmektedir.
Tropikal (bol yağışlı, sıcak) bölgelerde, ana kayanın üzerinde, özellikle kimyasal ayrışma
sonucu, metrelerce kalınlıkta yerinde oluşmuş zemin bulunabilir.
34
Şekil-33. Yerinde oluşmuş bir zeminin tipik kesiti.
Taşınmış zeminler; parçalanma ve ayrışma sonucu oluşan tanelerin, akarsu, buzul, rüzgar,
dalga, kıyı akıntısı, yer çekimi vb. ile taşınarak, biriktirilmesi ile oluşan zeminlerdir. Taşıyıcı
etmenler, aynı zamanda parçalanmaya da katkı da bulunabilirler. Akarsuların taşıyıp yığdığı
zeminlere genel olarak alüvyon (zeminler) denilir. Bunlar; blok, çakıl, kum, silt, kil karışımı
zeminlerdir. İri taneler, akarsuyun eğiminin büyük olduğu yukarı kısımlarda birikirken, ince
taneler daha aşağı kısımlarda, deltalarda, deniz ve göllerde birikirler. Bu nedenle,
tabakalanma gösterebilirler. Deniz ve göllerde yatay tabakalar halinde üst üste yığılan bu
zeminler, basınç, ısı vb. etkilerle tortul, metamorfık (başkalaşmış) kayalara dönüşür. Daha
sonra da tektonik etkilerle kıvrılarak yükselebilirler. Parçalanma ve ayrışma ile tekrar zemine
dönüşebilirler.
Buzullar, taşıdıkları taneleri, geçtikleri veya sona erdikleri yerlerde biriktirirler. Böyle
zeminlere buzul zeminleri denilir. Bunlar, yukarı kısımlarda taşlı, aşağı kısımlarda siltli, killi
olabilirler. Kuzey ve güney yarım kürenin, kuzey ve güney kısımlarında bolca bulunurlar.
Rüzgarlar, silt, kum boyutundaki taneleri havalandırarak, kilometrelerce uzaklara taşıyarak,
yığabilirler. Rüzgarlarla taşınarak, silt boyutundaki tanelerden oluşan zeminlere lös (loess),
kum boyutundaki tanelerden oluşan zeminlere kumul (sand dune) denilir.
Tepelerdeki kayaların parçalanması, ayrışması ile oluşan parça ve tanelerin yerçekimi
etkisiyle aşağıya yuvarlanması, kayması ile yamaçlarda ve yamaç eteklerinde oluşan
zeminlere yamaç zeminleri denilir. Bunlar bloklu, killi vb. olabilirler.
Bir zemin kitlesinin yüzeyinde, kalınlığı birkaç desimetreden 1-2 m. ye kadar olabilen bitkisel
toprak bulunur. Bitkisel toprak; bitki ve hayvan yaşamı sonucu, yüksek oranda organik
madde (humus) içerir, rengi koyudur, kokusu vardır. Bitkileri besleyen bu toprak tabakası,
dünyadaki canlı yaşamı için son derece önemli olup, binlerce yılda oluşabilmektedir.
Yüzeydeki bu bitkisel toprak, daha çok ziraatçıların ilgi alanına girer. İnşaat Mühendisliğinde
yapılar temeller ile zemine oturtulurken, bu bitkisel toprak tabakasının altına inilir
Dilimizde sık sık kullandığımız zemin ve toprak sözcükleri eş veya yakın anlamlı olup,
karışık kullanılmakla birlikte; Zemin Mekaniğinde daha çok zemin sözcüğü yeğlenmektedir
ve zemin de genellikle inorganik veya az organiktir. Zemin ve toprak terimleri jeoteknik,
jeoloji ve tarım dallarındaki kullanış anlamlarını karıştırmamak amacıyla şöyle tanımlanabilir.
35
Zemin: İnşaat mühendisliğinde, kayaçların ayrışarak, taşınarak ve çeşitli ortamlarda
çökelmesiyle oluşmuş, taşlaşmamış blok, taş, çakıl, kum, silt, kil, gibi malzemeye verilen
addır.
Toprak: kayaçların en üst kısmında organik ve inorganik gereçlerin, ayrışmasıyla oluşmuş
yaklaşık bir kaç metre kalınlıkta, altındaki kayaçtan renk ve yapısal görünümüyle farklı,
tarımsal yönden üretken bir kısımdır.
Zemin Mekaniğinin Uygulama Alanları
Zemin Mekaniği bilgileri ile aşağıdaki vb. sorunlar çözülür:
Bir bina (Şekil-34) için: Temel zemini ne kadar yükü (basıncı) güvenle taşır (Zeminin emin
taşıma gücü veya zemin emniyet gerilmesi ne kadardır?)? Hangi temel sistemi uygundur
(tekil, şerit, radye, kazıklı temel sistemi vb.)? Temeller nasıl projelendirilir (boyutlandınlır,
donatılandırılır)? Temellerin oturmaları ne kadar olacaktır? vb.
Şekil-34. Bina için Zemin Mekaniğinin ilgi alanları.
Bir dayanma (istinat) duvarı (Şekil-35) için: Zeminin dayanma duvarına uyguladığı yanal
basınçlar veya itki nasıl hesaplanır? Dayanma duvarı nasıl projelendirilir? vb.
Şekil-35. Bir dayanma duvarı için Zemin Mekaniğinin ilgi alanları.
Bir toprak baraj (Şekil-36) için: Toprak baraj nasıl inşa edilir? Hangi zemin(ler) kullanılır?
Barajın boyutları, şevlerinin açılan ne kadar olmalıdır? Baraj içinden ne kadar su sızar? Sızan
su hangi sorunlara yol açabilir? vb.
Şekil-36. Bir toprak baraj için Zemin Mekaniğinin ilgi alanları.
36
Bir doğal veya yapay şev (Şekil-37) için: Mevcut şev güvenlimidir? Güvenli şev açısı ne
kadar olmalıdır? vb.
Şekil-37. Bir şev için Zemin Mekaniğinin ilgi alanları.
Bir su yapısı (beton baraj, su alma yapısı vb.) için (Şekil-38): Yapı altından ne kadar su sızar?
Sızan su hangi sorunlara yol açar? Su akımı durumunda, yapı altındaki su basıncı dağılışı
nasıl hesaplanır?
Şekil-38. Bir su yapısı için Zemin Mekaniğinin ilgi alanları.
Bir yol, havaalanı vb. de bir yapıdır (Şekil-39). Temel tabakaları hangi tür (cins, sınıf)
zeminlerden ve nasıl oluşturulur? Uygulama nasıl kontrol edilir?
Şekil-39. Bir yol, havaalanı vb. için Zemin Mekaniğinin ilgi alanları.
37
Zeminler hakkında bazı bilgiler
Zeminler, kabaca iki ana gruba ayrılabilirler (Şekil-40)
Şekil-40. Başlıca zemin türleri.
İri taneli zeminlerde, taneler çıplak gözle seçilebilir olup, birbirine yapışık değildirler. Islak
iken kum taneleri arasında zayıf (geçici veya yalancı) yapışma kuvvetleri, yüzey gerilim
kuvvetlerinden ileri gelip; kum kurutulursa veya suya daldırılırsa, yok olurlar. İri taneli
zeminler de iki alt gruba ayrılırlar: Çakıllar ve kumlar. Çakıllar ve kumlar da kendi aralarında
iri, orta ve ince diye alt gruplara ayrılırlar.
Taneli zeminler (kumlar ve çakıllar), tanelerin dizilişine bağlı olarak sıkı (az boşluklu) ve
gevşek (çok boşluklu) durumda bulunabilirler (Şekil-41).
Şekil-41. İri taneli zeminlerde başlıca sıkılık durumları
İnce taneli (kohezyonlu) zeminlerde taneler, çıplak gözle güçlükle görülebilmekten, ancak
mikroskopla (optik veya elektron) görülebilmeye kadar küçük boyutludur. Bunlardan siltler,
kayaçların fiziksel parçalanması sonucu oluşmuş olup, kaya unu adını da alırlar. Killer ise
kayaçların kimyasal ayrışması ile oluşmuş çok ince taneli zeminlerdir.
Killer, alüminyum (ve/veya demir, magnezyum vb.) silikatlardır. Kil taneleri yassı (plaka,
yaprak) biçimli olup, çok küçüktürler (0,002 mm. den küçük). Kil, kil + silt karışımı
zeminlerde taneler, taneler arası çekim kuvvetleri nedeniyle birbirine yapışıktırlar. Bu çekim
kuvvetleri; çeşitli elektrik yüklerinden (iyonsal bağlar, Van Der Waals bağlar, hidrojen
bağları vb.) kaynaklanmaktadır. Kohezyonlu zeminler ıslak iken yumuşak, kuru iken serttir.
Islandıkları zaman bir miktar şişerler (Hacimleri biraz artar.). Kurudukları zaman büzülürler
(Hacimleri biraz azalır.). Islak iken plastiklik (veya plastisite) özelliği (Zorlukla veya kolayca
şekil verilebilme özelliği) gösterirler. Çakıllar, kumlar ve saf siltler ıslandıklarında plastiklik
özelliği göstermezler (Plastik olmayan zeminler).
38
Killer, kimyasal yapılarına göre, başlıca 3 gruba ayrılırlar. Kaolin, illit ve montmorillonit.
Bunlardan kaolin ıslanınca az, illit orta derecede, montmorillonit çok şişer.
İnce kum, silt zeminler oluşma sırasında petek (boşluklu) bir yapı dizilişi gösterebilirler
(Şekil-42). Böyle bir yapı çok boşlukludur. Böyle zeminler, ıslandıkları zaman büyük
oturmalara uğrarlar (Çökebilen veya göçebilen zeminler).
Şekil-42. İnce kum, silt zeminlerde petek yapı
Kil taneleri oluşma sırasında başlıca iki diziliş (yapı) meydana getirirler: Kenar yüz değmesi
ve yüz yüze (paralel) dizilişleri (Şekil-43).
Şekil-43. Killerde tane dizilişleri.
Kil ve siltler (veya killi siltler) birbirine benzemekle birlikte, arazide basit yöntemlerle
birbirinden ayırt edilebilirler. Siltler suda hızlı dağılır, killer yavaş dağılır. Islak silt hızlı
kurur, kil yavaş kurur. Kuru silt parmaklar arasında kolayca ufalanır (dağılır), kuru kil
kolayca ufalanmaz. Islak kil parmaklara daha çok yapışır.
Zeminler doğada saf gruplar veya saf alt gruplar halinde bulunabildikleri gibi, bunların
karması (genel zemin) olarak da bulunabilir.
Zeminler yapıların altında yük taşıyan bir ortam olabildikleri gibi; toprak yapıların (Toprak
baraj, toprak set vb.), dolguların (Yol, havaalanı, kaplamalar veya yeni temel zemini)
oluşturulmasında malzeme olarak kullanılır. Temiz kum ve çakıllar; beton üretiminde, filtre
oluşturulmasında (Filtre suyu geçirir, tanelerin sürüklenip gitmesine izin vermez.) vb. işlerde
kullanılır. Killer; geçirimsizlik oluşturmada (Toprak barajlarda kil çekirdek, katı atık (çöp)
depolarında sızdırmaz taban ve yanların oluşturulmasında vb.) kullanılır. Killer; tuğla,
kiremit, her çeşit seramik, mutfak eşyaları, kağıt, ilaç vb. üretimi, sondajlarda sondaj çamuru
vb. pek çok işte kullanılır.
39
ZEMİNLERİN TEMEL (FİZİKSEL) ÖZELLİKLERİ
Temel fiziksel özelliklerin tanımları
Zemin, en genel durumda, 3 bileşenden meydana gelir (Şekil-44): Taneler (katı), taneler
arasındaki boşluklarda bulunan su (sıvı) ve taneler arasındaki boşluklarda bulunan hava (gaz).
Zemin 3 fazlı (durumlu) (katı, sıvı, gaz) bir sisteme sahiptir.
Şekil-44. Zemini oluşturan 3 bileşen (faz veya blok diyagramı).
Taneler arası boşluklar; kısmen su ve kısmen de hava ile dolu olabildiği (Yaş veya ıslak
zemin, kısmen doygun zemin v.b) gibi, suya tam doygun zeminlerde tamamen su, kuru
zeminlerde tamamen hava ile doludurlar. Zeminleri tanımak, sınıflandırmak, zemini
hesaplanabilir yapmak vb. için bazı tanımlar yapılmıştır. Bir parça zemin alalım. Bu zemin
parçasında bileşenler (tane, su, hava), parçanın her tarafına dağılmış olarak yer alırlar.
Tanımları yapmada kolaylık ve basitlik sağlamak üzere, bileşenleri bir araya gelmiş gruplar
olarak düşünelim. Şekil-44’deki şemada, tanelerin boşluksuz olarak tane kısmında toplandığı
düşünülmelidir.
a-) Birim hacim ağırlıklar veya birim ağırlıklar
Bilindiği üzere, bir cismin birim hacminin (1 cm3, 1 m3 vb.) ağırlığına, o cismin birim hacim
ağırlığı (veya birim ağırlık) denilir.
Birim hacim ağırlığının (γ) birimi, gr/cm3, t/m3 vb. olabilir. Bu genel tanımı, zemin için özel
tanımlar olarak aşağıdaki gibi yapabiliriz.
Yaş (ıslak) birim hacim ağırlık, zeminin yaş ağırlığının, tüm hacmine oranı olarak tanımlanır.
Bu terim, doğal zeminler için doğal birim hacim ağırlık adını alır.
40
Kuru birim hacim ağırlık (γk), yaş veya kuru zemindeki, kuru ağırlığın (tane ağırlığının), tüm
hacme oranı olarak tanımlanır. Su altındaki zeminler vb. doygun birim ağırlığa sahiptir.
Doygun birim hacim ağırlık (γd), suya tam doygun zeminlerde; tüm ağırlığın, tüm hacme
oranı olarak tanımlanır.
Su altındaki (batık) birim hacim ağırlık (γ'), serbest yeraltı suyu altındaki zeminler için söz
konusu olup; doygun birim hacim ağırlık ile suyun birim hacim ağırlığı arasındaki fark olarak
tanımlanır.
Tane birim hacim ağırlığı (γs), tane kısmının (boşluksuz) birim hacim ağırlığı olarak
tanımlanır ve tane ağırlığının, tanelerin toplam (boşluksuz) hacmine oranı olarak yazılır.
Tane birim hacim ağırlığı, tanelerin meydana geldiği kayaca (minerale) bağlı olarak değişik
değerler alır. Çoğu zeminler için 2,60-2,80 gr/cm3 arasında değere sahiptir.
Özgül ağırlık (tane), tane birim ağırlığının suyun birim hacim ağırlığına oranı olarak
tanımlanır.
Özgül ağırlık (bağıl yoğunluk) birimsizdir.
Birim (Hacim) ağırlık ile yoğunluk birbirine benzemekle, birbirine karıştırılmakla, hatta
birbirine eşit alınmakla birlikte; birim ağırlığın birimi kuvvet/hacim, yoğunluğun birimi ise
kütle/hacim olup, uluslararası sistemde (SI) birim ağırlık için kN/m3, yoğunluk için g/cm3,
kg/cm3 gibi birimler kullanılıyor. Bu ders kapsamında kullanılan gr., t. vb. birimler daha çok
kuvvet anlamında kullanılmaktadır.
b-) Boşluk oram
Boşluk oranı (e); boşluklu bir yapıya sahip olan zeminde, boşluk durumunu yansıtan bir
terimdir ve boşluk hacminin, tane hacmine oranı olarak tanımlanır.
41
Birimsiz olan bu terim, ondalık veya yüzde bir sayı olarak yazılır. Aynı zeminde, tanelerin
dizilişine (yerleşmesine) bağlı olarak, sıkı durumda (az boşluklu) küçük, gevşek durumda
(çok boşluklu) büyük değerler alır. Bazen 1 (% 100)’den büyük değere sahip olabilir.
c-) Porozite (Gözeneklilik)
Porozite (n) de, zeminin boşluk durumunu yansıtır ve boşluk hacminin, tüm hacme oranı
olarak tanımlanır.
Birimsiz olan n, ondalık veya yüzde bir sayı olarak ifade edilir. Porozite, daima 1 (% 100)
den küçüktür. Porozite ile boşluk oranı birbirinden bağımsız terimler olmayıp, birbirine
ilişkilerle bağlıdır.
d-) Su içeriği (muhtevası)
Su içeriği (w), zeminin taneler arası boşluklarında içerdiği su durumunu yansıtan bir terim
olup, su ağırlığının, kuru ağırlığa oranı olarak tanımlanır.
Su içeriği birimsiz olup, ondalık veya yüzde bir sayı olarak ifade edilir. Yine, bazen 1 (%
100) den büyük değerler alabilir.
e-) Doygunluk derecesi (oranı, yüzdesi)
Doygunluk derecesi (Sr), zemindeki boşlukların hangi oranda su ile dolu olduğunu yansıtan
bir terim olup, su hacminin, boşluk hacmine oranı olarak tanımlanır.
Bu terim birimsiz olup, ondalık veya yüzde bir sayı ile ifade edilir. Doygun zeminlerde 1 (%
100), kuru zeminlerde 0 (% 0) sınır değerlerini alır.
Ayrıca az kullanılmakta birlikte, hava boşluk yüzdesi (na), hava hacminin tüm hacme oranı
olarak tanımlanır.
Hava boşluk yüzdesi, birimsiz olup, ondalık veya yüzde bir sayı ile ifade edilir. Şekil-44’den
şu ilişki yazılabilir:
42
f-) Bağıl (rölatif, izafi, göreceli) sıkılık (Dr veya ID)
Kum, çakıl gibi ayrık taneli (kohezyonsuz) zeminlerde, zeminin sıkılık durumunu yansıtan bu
terim, aşağıdaki gibi tanımlanır.
emax (Maksimum boşluk oranı): Zeminin en gevşek (en çok boşluklu) durumundaki boşluk
oranı (Her taneli zeminin kendine özgü bir emax değeri vardır.), emin (Minimum boşluk
oranı): Zeminin en sıkı (en az boşluklu) durumundaki boşluk oranı, e: Zeminin, bağıl
sıkılığının belirlenmek istendiği durumuna ait boşluk oranı. Birimsiz olan Dr, ondalık veya
yüzde bir sayı olarak ifade edilir. En sıkı durumda 1 (% 100) ve en gevşek durumda 0 (% 0)
sınır değerlerini alır. Zeminler, Dr değerlerine göre sınıflandırılabilir (Tablo-4).
Tablo-4. Bağıl sıkılığa göre, zeminlerin sınıflandırılması.
Sıkılık Durumunun Adı
Bağıl sıkılık (Dr), %
0-15
Çok Gevşek
15-35
Gevşek
35-65
Orta Sıkı
65-85
Sıkı
85-100
Çok Sıkı
Gevşek
Orta
Sıkı
Zeminlerin Rölatif sıkılığa göre sınıflandırılması, bir doğru üzerinde de gösterilebilir (Şekil45).
Şekil-45. İri taneli zeminlerin rölatif sıkılığa göre sınıflandırılması
Zeminlerin Temel fiziksel özellikleri arasındaki bağıntılar (ilişkiler)
Yukarıda tanımlanan γn, γk, γd, γs, w, e, n, Sr, Dr vb. özellikler, birbirinden bağımsız olmayıp,
birbirlerine bazı bağıntılarla bağlıdırlar. Bunların ancak bazıları, deneysel olarak
belirlenebilir. Diğerleri ise, bazı bağıntılarla hesaplanırlar. Temel özellikler arasındaki
bağıntıları türetmek için iki yaklaşım vardır.
43
a-) Bir kabul olarak, tüm hacmi 1 birim (1 cm3 1 m3 vb.) olan bir zemin parçası düşünelim.
Bu zemin parçasına ait bileşenler şemasını çizelim (Şekil-46).
Şekil-46. Tüm hacmi 1 olan bir zemin için bileşenler şeması.
Şekil 46'dan görüleceği üzere, birim hacimli bir zeminde, porozitenin tanımı gereği, boşluk
hacmi poroziteye (n) eşit olur. Tane hacmi 1-n olur. Tane ağırlığı (1-n) γs olur ve su içeriğinin
tanımı gereği, su ağırlığı (1-n) γs, w olur. Zemin Mekaniğinde havanın ağırlığı pratik olarak
ihmal edilir. Temel tanımlar, Şekil-46’ya göre, γsu=γw=1 gr/cm3 olduğu için su hacmi=su
ağırlığı veya tersi alınarak, aşağıdaki gibi yazılırlar.
b-) Yine, bir kabul olarak tane hacmi 1 birim (1 cm3. 1 m3 vb.) olan bir zemin parçası
düşünelim ve böyle bir zemin parçasına ait bileşenler şemasını çizelim (Şekil-47).
Şekil-47. Tane hacmi 1 olan zemin için bileşenler şeması.
44
Şekil-47’den görüleceği üzere, tane hacmi 1 olan zeminde, boşluk oranının tanımı gereği,
boşluk hacmi, boşluk oranına (e) eşit olur. Tane ağırlığı γs, su ağırlığı γsw olur. Şekil-47’ye
göre, temel tanımlar sırayla aşağıdaki gibi yazılabilir.
Rölatif sıkılık, kuru birim hacim ağırlıklar veya poroziteler cinsinden de ifade edilebilir.
γk=γs+e/(1+e) Bağıntısından aşağıdaki bağıntı yazılabilir.
Buradan şu ilişkiler yazılabilir
Yukarıdaki bağıntılar,Rölatif sıkılık bağıntısında (Dr) yerine konulup, sadeleştirilirse,
elde edilir. γk (Maksimum kuru birim hacim ağırlık): Zeminin en sıkı (en az boşluklu)
durumuna ait kuru birim hacim ağırlığı, γk (Minimum kuru birim hacim ağırlık): Zeminin en
gevşek (en çok boşluklu) durumuna ait kuru birim hacim ağırlığı. Benzer biçimde, Dr,
poroziteler cinsinden de yazılabilir.
45
Zeminin Temel Özelliklerin Belirlenmesi
Temel özelliklerin hepsi, deneysel olarak belirlenemezler. Bazıları belirlenir, diğerleri bunlar
cinsinden hesaplanırlar.
a-) Doğal (yaş, ıslak) birim hacim ağırlığının belirlenmesi
Doğal zeminin veya sıkıştırılarak inşa edilen bir dolgunun birim hacim ağırlığı, çeşitli
yöntemlerle belirlenebilir.
a1-Silindirik örnek yöntemi
Bu yöntemde, zeminden "örselenmemiş örnek" alınır. Örselenmemiş örnekte zemin, doğal
durumunu (Tane dizilişi, boşluk yapısı, su içeriği vb.), biçimini korur. Örselenmemiş örnek
almak için, ucu keskin bir çelik tüp (örnek alıcı) (Şekil-48), örnek alınacak zemin ortamın
düzlenmiş yüzü üzerine oturtulur. Çelik tüp, zemine en iyisi itilerek veya çakılarak sokulur.
Tüpün üst kenarlarını korumak için, bir ahşap başlık kullanılır. İçi zeminle dolan tüpün
çevresi dikkatle kazılarak boşaltılır ve tüp zeminden çıkarılır. Laboratuarda, örnek çıkarma
aleti (basit bir piston) ile tüp içindeki zemin örneği itilerek dışarı çıkarılır. Alt ve üst yüzleri
düzgün kesilerek, belli boyda silindirik zemin örneği elde edilir. Bu örneğin ağırlığı tartılarak
belirlenir. Hacmi ise, silindirin hacmi olarak hesaplanır. İlgili bağıntıdan Doğal Birim Hacim
Ağırlığı (γn) bulunur.
Şekil-48. Örselenmemiş örnek (numune) alıcı.
Gerçekte, örselenmemiş örnekte bir miktar örselenme (bozulma) vardır. Bunlar, zeminin
gerilme durumunun bozulması ile örnek alırken, laboratuvara taşırken, örneği çıkarırken vb.
işlemlerdeki örselenmeler (bozulmalar) dır. Zemin örneği ile tüp arasındaki, gerek örneği
alırken, gerekse örneği çıkarırken, sürtünmeleri azaltmak için, tüpün özellikle iç yüzeyinin
pürüzsüz, temiz olması ve yağlanmış olması gereklidir.
46
Bu yöntem, taşsız ince taneli (kohezyonlu) zeminler (silt ve kil) için uygundur. Bu gibi
zeminlerin taneleri birbirine yapışık olup, dağılmadan bir bütün olarak durabilirler.
Zeminden alınan diğer bir örnek türü, örselenmiş (dağılmış, parçalanmış) örnektir. Kumlu,
çakıllı zeminlerden alınan bir miktar (bir kaç yüz gr. dan, bir kaç kg. a kadar) zemin ile, kil ve
siltlerden alınan parçalanmış topak veya parçalar, örselenmiş örnektir. Kumlu, çakıllı
zeminlerden örselenmemiş örnek alınamaz. Çünkü böyle zeminler, belli bir geometrik
(silindirik) şekli koruyamaz, dağılırlar.
Örselenmiş zemin örnekleri, kutu (teneke), kavanoz, torba vb. içine konularak, ağzı kapatılır.
Doğal su içeriğinin korunması isteniyorsa, kap veya torba geçirimsiz (hava) olmalıdır. Kap
veya torbanın üzerine gerekli bilgiler (alındığı yer, tarih vb.) yazılır. Böyle zemin örnekleri ile
laboratuvarda ilgili deneyler yapılır.
a2-Lastik balon yöntemi
Bu yöntemde, zemin yüzü düzlendikten sonra bir çukur açılır. Çukurdan çıkan zemin miktarı
doğal su içeriği korunarak, kayıpsız olarak tartılır. Çukurun hacmi lastik balon aleti ile ölçülür
(Şekil-49). Bu alet, içi su dolu, hacim bölümlü bir cam silindir olup, tabanında, bir el pompası
ile şişirilebilen esnek bir lastik balon bulunur. Çukur açılmadan önce, düzlenen zemin üzerine
veya düz bir yüzey üzerine yerleştirilen alet ile lastik balonun yatay (düz) konumunda,
silindirdeki ilk su düzeyi okunur. Sonra, alet, açılan çukurun üzerine oturtulur ve el pompası
ile basınç uygulanarak, balonun çukur yüzeyini sarması sağlanır. Bu durumda, düşen su
düzeyinin iki konumu arasındaki fark, çukurun hacmini verir. İlgili bağıntıdan doğal birim
hacim ağırlığı hesaplanır. Bu yöntem, hem kohezyonlu zeminler için, hem de örselenmemiş
örnek alınamayan, taşlı, çakıllı, kumlu veya sert zeminler için uygundur.
Şekil-49. Lastik balon aleti.
47
a3-Kum ile hacim ölçme yöntemi
Bu yöntem, lastik balon yöntemine benzerdir. Burada, açılan çukurun hacmi, kum ile ölçülür.
Kullanılan alet; alt kısmında konik bir boşluk bulunan, içi boş metal bir silindirdir (Şekil-50).
Şekil-50. Kum ile hacim ölçme yöntemi.
Haznesinde kuru kum olan alet, açılan çukurun üzerine yerleştirilir. Kapak açılarak,
haznedeki kumun, çukuru ve alttaki konik kısmı doldurması sağlanır. Sonra kapak kapatılarak
alet kaldırılır. Aletin kullanılmadan önceki ve sonraki ağırlıkları arasındaki fark, konik kısmı
ve çukuru dolduran kumun toplam ağırlığını verir. Alet kullanılmadan önce kalibre edilir. Düz
bir yüzeye oturtulan alet ile, sadece konik kısmı dolduran kumun ağırlığı belirlenir. Aletin
taban iç çapında ve düzgün silindirik biçimli bir metal kalibrasyon kabı kullanılarak, serbest
akma ile hacim dolduran kumun kuru birim hacim ağırlığı belirlenir. Çukuru dolduran kumun
ağırlığı, kumun kuru birim hacim ağırlığına bölünerek, çukurun hacmi bulunur. İlgili
bağıntıdan zeminin doğal birim hacim ağırlığı hesaplanır. Alette kullanılacak kum, tercihen
üniform kum (tane çapları birbirine yakın olan kum) olmalıdır. Bu yöntem, kohezyonlu
zeminler için olduğu gibi, daha ziyade taşlı, çakıllı, kumlu zeminler için uygundur.
Çok iri taneler, hatta küçük kaya parçalan içeren zeminlerde, arazide daha büyük çaplı
çukurlar açmak gerekir. Bunların iç yüzeyine yerleştirilen ince geçirimsiz örtü vb. nin içi yağ
vb. bir sıvı ile doldurularak, hacimleri ölçülür (Şekil-51).
Şekil-51. Büyük çaplı çukurların hacminin ölçülmesi.
48
a4-Su taşırma yöntemi
Bu yöntem, kohezyonlu zeminler için uygundur. Zeminden bir parça (topak) alınır, gevşek
kısımlar kesilerek atılır.
Şekil-52. Su taşırma yöntemi.
Topağın doğal ağırlığı, tartılarak belirlenir (Wn). İçine su girmemesi için, erimiş parafin
mumuna batırılarak çıkarılır. Bu işlemle topak üzerinde, ince, geçirimsiz bir parafin tabakası
oluşturulur. Parafinle kaplanmış topağın ağırlığı W2 olsun. Topak, içi su dolu, hacim bölümlü
bir cam silindir içine bırakılır (Şekil-52). Su düzeyleri arasındaki fark parafinli topağın
hacmini verir (V). Zeminin doğal birim hacim ağırlığı, aşağıdaki bağıntıdan bulunur.
Zeminin birim hacim ağırlığını ve su içeriğini hızlı bir şekilde ölçmek üzere nükleer aletler
kullanılabilir. Zemin yüzüne yerleştirilen bu aletlerden gönderilen ve tekrar alınan etkilerden,
belirtilen özellikler belirlenir.
b-) Su içeriğinin belirlenmesi
Su içeriği belirlenecek yaş zeminden bir miktar (birkaç gramdan birkaç 10 grama kadar)
alınarak, ısıya dayanıklı cam bir kaba konulur ve cam kap + yaş zemin ağırlığı belirlenir.
İçinde zemin bulunan cam kap, etüv (sıcaklık kontrollü elektriksel fırın)'e konulur ve 105°C110°C de 24 saat bekletilerek, kurutulur. Etüvden çıkarılarak soğutulan kap+kuru zemin
ağırlığı, tartılarak belirlenir. Buradan, zemin içindeki su miktarı hesaplanır ve ilgili bağıntıdan
su içeriği bulunur. Su içeriğini belirlemek için kullanılan bazı hızlı yöntemler burada
anlatılmamaktadır.
49
Zeminin su içeriğini hızlı bir şekilde ölçen, böyle bir alette, nemli zemin, kalsiyum karpit
içeren alete konulur. Tepkime sonucu çıkan asetilen gazının basıncı ölçülerek, buradan su
içeriği belirlenir.
c-) Tane birim hacim ağırlığının belirlenmesi
Tane birim hacim ağırlığını belirlemede, iri taneli zeminler için yaklaşık 1 litrelik kavanoz
biçimli ve ince taneli zeminler için daha küçük hacimli (50-100 cm3), piknometre denilen cam
şişeler kullanılır (Şekil-53).
Şekil-53. Tane birim hacim ağırlık için kullanılan piknometreler.
Piknometre, damıtık su ile doldurulup, dışı iyice kurulanarak tartılır (Wı). Kurutulmuş, elle
ufalanarak veya sert lastik bir tokmakla bir kap içinde dövülerek tanelenmiş zeminden belli
bir miktar alınır (Wk). Miktarı belli olan bu zemin, piknometrenin içine kayıpsız olarak
aktarılır, üzeri damıtık su ile doldurularak tartılır (W2). Aşağıdaki bağıntıdan zeminin tane
birim hacim ağırlığı hesaplanır:
Bu bağıntı’nın paydası, kuru zeminin tane hacmini verir. Çünkü;
Deney için hassas teraziler (0,001 gr hassaslıkta) kullanılır. Kullanılan damıtık su veya
karışımın içinde hava kalmamasına özen gösterilir. Bunun için, vakum (emme), karıştırma,
sallama gibi işlemler uygulanır. Ayrıca suyun birim hacim ağırlığı, sıcaklıkla değiştiğinden
deney sabit sıcaklıklı bir ortamda yapılır ve suyun birim hacim ağırlığı, kullanılan sıcaklığa
göre düzeltilir.
50
d-) Maksimum ve minimum boşluk oranlanılın belirlenmesi
Taneli bir zeminin bağıl (rölatif, göreceli) sıkılığını belirlemek için, o zemine ait bir tür
sabitler olan, minimum ve maksimum boşluk oranlarının bilinmesi gerekir.
d1-Maksimum boşluk oranının (emax) belirlenmesi
Bilindiği üzere emax, taneli zeminin en gevşek (en çok boşluklu) durumundaki boşluk oranıdır.
En gevşek durumda, zemin minimum kuru birim hacim ağırlığa (γk min) sahiptir. emax'i
belirlemek için kullanılan yöntemlerden biri şudur. Ağırlığı belli (0,5-1 kg) bir miktar kuru
kum, 1 litrelik hacim bölümlü cam silindire konulur. Elin içi ile üstü iyice kapatılarak, silindir
iki el arasında yavaşça birkaç kez alt-üst edilir. En sonunda, silindir, yavaşça ve sarsmadan
normal konumuna getirilerek, kumun hacmi okunur. Bu işlem ile kumun en gevşek duruma
geldiği deneysel çalışmalarla bulunmuştur (Kolbuszewski, 1948). Zeminin minimum kuru
birini hacim ağırlığı (γkmin) hesaplanır. Zeminin tane birim hacim ağırlığı bilinirse, ilgili
bağıntılardan emax hesaplanabilir. Zemini en gevşek duruma getirmek için uygulanan diğer
bazı yöntemlerde; taneli zemin, içinde su bulunan silindirik bir kaba büyükçe bir huniden
akıtılarak doldurulur veya silindirik boş bir kaba, yine büyükçe bir huniden zemin, serbestçe
akıtılarak doldurulur.
d2-Minimum boşluk oranının belirlenmesi
Kuru kum, yakalı bir metal silindire, (örneğin kompaksiyon deney kabına), tabaka tabaka
konulup, tokmakla sıkıştırılarak veya titreşim, sarsma (özel laboratuvar vibratörü, titreşim
masası vb.) uygulanarak yerleştirilir (Şekil-54).
Şekil-54. Minimum boşluk oranının belirlenmesi.
Bu ve benzeri işlemlerle, kuru taneli zeminin en sıkı (en az boşluklu) duruma gelmesi
sağlanılır. Yaka çıkarılarak, kabın üzeri düzlenir. Bilinen ağırlık ve hacim değerlerinden
maksimum kuru birim hacim ağırlık (γkmin) hesaplanır. Zeminin tane birim hacim ağırlığı
bilinirse, ilgili bağıntılardan emin hesaplanabilir.
51
Çözümlü örnek problemler
Problem-1) 3,8 cm çapında, 7,6 cm yüksekliğindeki bir örselenmemiş kohezyonlu zemin
örneğinin doğal (yaş) ağırlığı 155 gr’dır. Aynı zemin örneğinin etüvde kurutulduktan sonraki
ağırlığı 143 gr.’dır. Zeminin tane birim hacim ağırlığı 2,64 gr/cm3 olduğuna göre, zemin
örneğine ait, a) doğal birim hacim ağırlığını, b) su içeriğini, c) porozitesini. d) boşluk oranını,
e) doygunluk yüzdesini, f) kuru birim hacim ağırlığını, g) doygun birim hacim ağırlığını, h) su
altındaki birim hacim ağırlığını bulunuz. Not: Zemin örneğinin doygun duruma
getirilmesiyle, hacminin artmadığı kabul edilecektir.
Çözüm
Zemin örneğinin hacmi,
a) Doğal birim hacim ağırlık,
b) Su içeriği
c) Porozite
d) Boşluk oranı,
e) Doygunluk yüzdesi,
52
f) Kuru birim hacim ağırlığı,
g) Doygun birim hacim ağırlığı,
h) Su altındaki (batık) birim hacim ağırlığı
γ = γd-γsu = 2,03 - 1 = 1,03 gr/cm3 veya t/m3 olarak bulunur.
Bu probleme ait bileşenler şeması, Şekil-55’de görülmektedir.
Şekil-55. Problem-l’e ait bileşenler şeması.
Problem-2) Su içeriği 0,07 olan 2,5 ton ağırlığındaki bir miktar yaş zeminin su içeriğini
0,18'e çıkarmak için zemine ne kadar ek su katılmalıdır?
Çözüm
Yaş zeminin kuru ağırlığını bulalım.
53
Problem-3) Bir zeminin porozitesi 0,40, tane birim hacim ağırlığı 2,70 gr/cm3 olduğuna göre,
bu zemine ait, a-) boşluk oranını, b-) kuru birim hacim ağırlığını, c-) doygunluk yüzdesi 50
olsa, doğal birim hacim ağırlığını, d-) suya tam doygun olsa, doygun birim hacim ağırlığını
hesaplayınız.
Çözüm
Verilenler arasında porozite bulunduğu için, bileşenler şemasını n cinsinden çizersek (Bkz.
Şekil-46),
bulunur.
Problem-4) Yaş bir zeminin boşluk oranı 0,79, doygunluk yüzdesi, 0,93, tane birim hacim
ağırlığı 2,65 gr/cm3 olduğuna göre zeminin, a) kuru birim ağırlığını, b) su içeriğini, c) doğal
birim hacim ağırlığını bulunuz.
Çözüm
Verilenler arasında boşluk oranı bulunduğundan, bileşenler şemasını e cinsinden çizelim
(Bkz. Şekil-47).
54
Problem-5) Bir zeminin doğal birim hacim ağırlığını belirlemek için kum kutusu
kullanılmıştır. Bu amaçla açılan çukurdan çıkan zeminin doğal (yaş) ağırlığı 1656 gr. dır.
Kullanılan standart kuma ait özellikler şöyledir: γkmin : l,55gr/cm3, nmin :0,38, γs, : 2,70
gr/cm3. Çukuru dolduran kumun kuru ağırlığı 1448 gr. dır. Çukuru dolduran kumun rölatif
sıkılığı 0,35 dir. Çukurun açıldığı zeminin doğal birim hacim ağırlığını bulunuz.
Çözüm
Kullanılan kuma ait maksimum boşluk oranı,
olarak hesaplanır.
Minimum boşluk oranı ise
çukuru dolduran kumun boşluk oranı,
55
ZEMİNLERİN SINIFLANDIRILMASI
Giriş
Zemin, hem temel vb. altında taşıyıcı bir ortamdır (Temel zemini), hem de toprak yapıların
(Toprak, baraj, dolgu, set vb.) oluşturulmasında kullanılan bir malzemedir. Ayrıca filtre
olarak kullanılmakta, enjeksiyona tabi tutulmakta, beton için agrega olarak vb. işlerde
kullanılmaktadır. Zeminin kullanıldığı tüm bu işler için uygunluğunun belirlenmesi söz
konusudur. Sınıflandırmada zeminler bazı özellikler (tane çapı vb.) açısından gruplandırılarak
adlandırılır. Zemin sınıfı (cinsi, türü) tek başına zeminin özelliklerini belirlemede yeterli
değildir. Örneğin aynı cins zemin, gevşek ve sıkı durumlarda farklı özellikler (Taşıma gücü,
oturma, geçirimlilik vb.) sergiler. Ayrıca, jeoteknik alanda yapılan çalışmalar, araştırmalar,
zeminin sınıfı (zeminin cinsi) belirtilerek yayınlanmaktadır. Zeminin sınıfı belirtilmezse,
bilgilerin birikimi veya geleceğe aktarılması olanaksız olur.
Tane büyüklüğü (çapı) dağılım eğrisi (granülmetri eğrisi)
Sınıflandırma sistemlerinin hepsinde, zemindeki tanelerin büyüklüğü ile bunların kuru ağırlık
olarak, zemindeki yüzdelerinin bilinmesi gerekir. Bu bilgilerin elde edilmesi için, tane
büyüklüğü analizi veya mekanik analiz yapılır. Mekanik analiz; elek analizi ve ıslak
(çökeltme, sedimantasyon) analiz olmak üzere iki evrede (aşamada) yapılır. Genel olarak bir
zemin, hem iri, hem de ince taneler içerir. Elek analizi zeminin iri taneli kısmına yönelik iken,
ıslak analiz, ince taneli kısma yöneliktir. Bu bakımdan, bir zemin için, her iki analiz de
gerekli olabilir ve bunlar birbirini tamamlar.
a-) Elek Analizi
Elek analizi için elekler kullanılır. Elekler, genellikle kare gözlüdürler ve her eleğin bir adı
vardır. İri gözlü elekler inch (1 inch=2,54 cm =25,4 mm) olarak adlandırılırken, ince gözlü
elekler bir sayı (rakam) ile adlandırılır. Elekte bir kare gözün kenar uzunluğuna, elek göz çapı
(veya kısaca elek çapı) denilir ve bu, tane çapına karşılık gelir. Tablo-5.’de, Amerikan
(ASTM) ve İngiliz (BS) standartlarına göre elekler ve ilgili bilgiler görülmektedir.
Elek analizi için bir miktar yaş zemin alınır,
etüvde kurutulur, tanelenir. Böylece hazırlanmış
zeminden belli bir miktar (Bir kaç yüz gramdan,
bir kaç kilograma kadar değişiyor.) zemin, bir
dizi elekten elenir. Elek dizisinde; elekler üstten
aşağıya, iri gözlüden, ince gözlüye doğru
sıralanır (Şekil-56).
Şekil-56. Eleme için elek dizisi.
56
Ağırlığı belli zemin, dizinin en üstündeki eleğe boşaltılır. Eleme elle veya genellikle bir
sarsma makinası ile yapılır. Eleme sonunda, her elek üstünde kalan zemin miktarı tartılarak
belirlenir. Her bir elek için, geçen yüzde (% P), aşağıdaki bağıntıyla belirlenir.
Tablo-5. Amerikan ve İngiliz standartlarına göre elekler.
Amerikan Elekleri
Elek No.
Çap (mm)
2"
50,80
1" 1/2
38,10
3/4"
19,00
3/8"
9,51
4
4,76
7
2,83
8
2,38
10
2,00
14
1,41
16
1,19
18
1,00
25
0,707
30
0,590
35
0,500
40
0,420
45
0,354
50
0,297
60
0,250
70
0,210
80
0,177
100
0,149
120
0,125
170
0,088
200
0,074
230
0,063
325
0,044
İngiliz Elekleri
Elek No.
Çap (mm)
2"
50,80
1"1/2
38,10
3/4"
19,05
3/8"
9,52
4
4,76
6
2,80
7
2,40
8
2,00
12
1,40
14
1,20
16
1,00
22
0,710
25
0,600
30
0,500
36
0,420
44
0,355
82
0,300
60
0,250
72
0,210
85
0,180
100
0,150
120
0,125
170
0,090
200
0,075
240
0,063
350
0,045
Tane büyüklüğü (çapı) dağılım eğrisi; yatay eksende tane çapı (mm) ve düşey eksende geçen
yüzdeleri olmak üzere çizilen bir eğridir. Yatay eksen logaritmik olup; tane çapı, genellikle
soldan sağa doğru büyür (Şekil-57). Elek göz çapı ( tane çapı, D ) ve geçen yüzde (% P)
değerleri kullanılarak noktalar işaretlenir ve bu noktalar birleştirilerek tane büyüklüğü (çapı)
dağılım eğrisi elde edilir.
57
Şekil-57. Tane büyüklüğü (çapı) dağılım eğrisi (Granülometri eğrisi) için eksen takımı.
58
Bazen silt ve kil tanelerinin iri tanelere yapışmış olması olasılığına karşı kuru elemeye ek
olarak, ıslak elek analizi (Yıkamalı analiz) uygulanır. Bu işlemde elekler üzerinde kalan
malzeme, 200 No.lu elek üzerine konularak su altında yıkanır. Yıkama suyuna bir miktar
topaklanmayı önleyici sıvı (sodyum hexametaphosphate vb.) katılır. Yıkamaya bulanıklık
sona erinceye kadar devam edilir. 200 No. üzerinde kalan malzeme ayrı ayrı kurutularak
tartılır. 200 No.dan geçen kısım buharlaştırılarak, kurutularak tartılır. Su ile yıkama işlemi
genellikle 10 No.- 200 No. arasındaki eleklere ek olarak uygulanır.
b-) Islak analiz
Zeminin 74 mikron (0,074 mm veya 200 No.lu elek)’dan küçük taneli kısmı için ıslak analiz
uygulanır. Çünkü bu göz büyüklüğünden daha küçük eleklerin yapımında ve kullanılmasında
çeşitli zorluklar vardır. Islak analizde, 200 No.lu elekten geçen zeminden belli bir miktar
alınarak, cam silindir içinde damıtık su ile karıştırılarak bir süspansiyon (zemin+su karışımı)
hazırlanır ve taneler, su içinde çökmeye bırakılırlar. Islak analiz hesaplarında Stokes
Yasasından yararlanılır. Stokes Yasası, küresel tanelerin, bir sıvı içinde çökmelerinin hızını
verir.
D: Çöken tanenin çapı (cm), v: çökme hızı (cm/sn), γs: Çöken tanenin birim hacim ağırlığı, η:
Sıvının viskozitesi (gr.sn/cm2 ). Suyun birim hacim ağırlığı 1 gr/cm3 olarak alınırsa çöken
tanenin çapı, mm olarak aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir.
Eğer, D çaplı tane, süspansiyon yüzeyinden itibaren He derinliğine t dakikada çökerse, He
derinliğinde çökme hızı, cm/sn cinsinden aşağıdaki gibi olur:
Bu bağıntıyı, D bağıntısında yerine koyarsak şunu elde ederiz.
Burada M, suyun vizkozitesine ve tanelerin birim hacim ağırlığına bağlıdır. Suyun
vizkozitesi, sıcaklıkla değişir ve birçok kaynakta ilgili değerler bulunabilir.
59
20°C sıcaklıkta, suyun vizkozitesi, yaklaşık olarak 10-5 gr.sn/cm2 ve ortalama tane birim
hacim ağırlığı 2,65 gr/cm3 alınırsa, bağıntılar aşağıdaki yaklaşık basit biçimleri alırlar:
v: cm/sn, D: mm, t: saniye (sn), He: cm.
Islak analiz iki türlü yapılabilir.
b1-Pipet Yöntemi
Bu yöntemde, 200 No.lu elekten (0,074 mm) geçen zeminden bir miktar (25-100 gr) alınır.
Bununla cam bir tüp içinde, toplam 500 cm3 lük bir süspansiyon hazırlanır. Tanelerin
kümeleşmesini (topaklaşmasını) önlemek için, süspansiyona dağıtıcı (katkı maddesi) katılır.
En çok kullanılan dağıtıcılar, sodyum oxalate, sodyum silicate, sodyum hexametaphosphate
vb. dir. Bir karıştırıcıda (mikserde) iyice karıştırılan süspansiyon, cam tüp içine aktarılır ve
deney boyunca sabit sıcaklık sağlayan bir su banyosuna yerleştirilir (Şekil-58).
Şekil-58. Pipet yöntemi.
Deneye başladıktan sonra, başlangıçtan itibaren belli süreler sonunda (1, 2, 4, 8, 15, 30
dakika, 1, 2, 4, 5, 16, 24 saat gibi), pipet denilen bir aletle, süspansiyon yüzeyinden itibaren
10 cm derinlikten, 10 cm3 ’lük süspansiyon örnekleri alınır. Bu örnekler, etüve konularak
kurutulur, Wk kuru ağırlıklar hassas terazilerde tartılarak belirlenir.
60
Başlangıçtan itibaren t1 zaman sonra, süspansiyonda, yüzeyden itibaren ilk 10 cm. lik
derinlikte, Bağıntı 3.5 veya 3.7 ile hesaplanan D1 çaplı veya daha büyük çaplı tane bulunmaz.
Çünkü, D1 çaplı veya daha büyük çaplı taneler, Stokes Yasasına göre, en az 10 cm
çökmüşlerdir. Bu olaya, zemini D1 göz çaplı elekten eleme gibi bakılabilir. D1 çaplı taneye ait
geçen yüzde, aşağıdaki gibi yazılabilir.
200 No.lu elekten geçen zemine göre tanımlanan % P'’nun, mekanik analize tabi tutulan tüm
zemine göre ifade edilmesi gerekir.
Geçen yüzdelerine ait tane çapları, ilgili bağıntılardan hesaplanabilir.
b2-Hidrometre Yöntemi
200 No.lu elekten geçen zeminden bir miktar alınarak, pipet yöntemindekine benzer olarak,
silindirik cam bir kap içinde 1000 cm3’lük bir süspansiyon hazırlanır. Deney başlangıcından
itibaren, belli süreler sonunda, süspansiyonun birim hacim ağırlığı, hidrometre denilen bir alet
yardımıyla ölçülür. Hidrometre, Şekil-59’ da görüldüğü gibi, bir gövde ve bir ince uzun
boyun kısmından oluşan cam bir alet olup, sıvı veya süspansiyonların birim hacim
ağırlıklarını ölçmede kullanılır.
Şekil-59. Hidrometre yöntemi
61
Hidrometrenin boynu üzerindeki sayılar. Şekil-59’dan da görüldüğü gibi 0-30 vb. arasında
değişen tam sayılardır. Süspansiyonun üst yüzünde, bir hidrometre okuması Rh ise,
süspansiyonun birim hacim ağırlığı, aşağıdaki gibi hesaplanır.
Örneğin, Rh=8 olsa, γsusp=1+8/1000=1,008 gr/cm3 olur. Hidrometre, süspansiyon yüzeyinden
itibaren He efektif derinliğinde, süspansiyonun birim hacim ağırlığını ölçer. H e ise, deney
süresince değişir. Hidrometre, kullanılmadan önce, He için kalibre edilir. Hidrometre,
süspansiyona daldırıldıktan sonra, süspansiyon yüzeyi b-b düzeyinden b1-b1 düzeyine
yükselsin (Şekil-59). Yükselme miktarı, Vh/A kadardır. Vh, hidrometrenin hacmi olup, içi
damıtık su dolu, hacim bölümlü bir silindire daldırılarak, taşırdığı suyun hacmine eşit
alınabilir veya tartılarak (Hidrometrenin kendisinin ortalama birim hacim ağırlığı 1 gr/cm 3
tür.) bulunabilir. A cam silindirin en kesit alanı olup, πD2/4 olarak hesaplanabilir.
Hidrometrenin, efektif derinliğe (He) karşılık gelen gövde ortasının da, yaklaşık olarak Vh/2A
kadar yükseldiği kabul edilir (Şekil-59). Buradan efektif derinlik, He, aşağıdaki gibi
hesaplanabilir.
H: Rh hidrometre okuması ile, gövde üst sınırı arasındaki uzaklık (Şekil-59) h: Gövde
uzunluğu. Burada h, Vh, A, bir hidrometre için sabit değerlerdir. Çeşitli Rh okumaları için. H
değerleri hidrometre üzerinde ölçülerek, H için, Şekil-60’daki gibi bir kalibrasyon doğrusu
çizilebilir ve bu grafikten, deney sırasında, herhangi bir t anındaki Rh hidrometre okumasına
karşılık gelen He efektif derinlik belirlenebilir.
Deney sırasında kaydedilen hidrometre okumaları için bazı düzeltmeler yapmak söz
konusudur. Hidrometreler, belli bir sıcaklıkta (örneğin 20°C gibi) kalibre edilirler
(işaretlenirler). Eğer deney sıcaklığı, hidrometre kalibrasyon sıcaklığından fazla ise,
hidrometre okumaları, olması gerekenden daha küçük olacaklardır. Çünkü suyun birim hacim
ağırlığı, sıcaklıkla azalır. Cam silindir, sıcaklıkla genleşir ise de, bu ihmal edilebilir. Böylece,
Ct, eğer sıcaklık düzeltmesi ise, bu düzeltmenin, gözlenen hidrometre okumasına eklenmesi
gerekir. Benzer olarak, deney sıcaklığı, kalibrasyon sıcaklığından küçük ise, Ct düzeltmesi,
gözlenen okumadan çıkarılır. Gözlenen hidrometre okuması için, meniskus ve dağıtıcı madde
düzeltmesi yapmak gereklidir. Bilindiği üzere, suyun yüzey gerilim kuvvetinden dolayı, su ile
hidrometrenin boyun dış yüzeyi arasında bir meniskus (eğri su yüzeyi) oluşur. Süspansiyon
bulanık olduğu için, okumalar, meniskusun üst kenarında yapılır. Süspansiyon düzeyi, bu
düzeyden bir miktar daha aşağıda olduğu için Cm meniskus düzeltmesi, gözlenen hidrometre
okumasına eklenir. Dağıtıcı madde, süspansiyonun birim hacim ağırlığını artırır. Bu nedenle
gözlenen okumalar, olması gerekenden bir miktar fazladır ve gözlenen okumaların Cd dağıtıcı
madde düzeltmesi kadar azaltılması gerekir. Sonuç olarak, düzeltilen hidrometre okumaları,
aşağıdaki biçimde yazılabilir.
R = Rh±Ct+Cm-Cd
62
Şekil-60. Hidrometre için kalibrasyon doğrusu.
Ct sıcaklık düzeltmesi için, aşağıdaki bağıntıdan yararlanılarak bir düzeltme eşeli hazırlanır.
Ct = (γ1- γ2) . 1000
γ1: Suyun, hidrometrenin kalibrasyon sıcaklığındaki birim hacim ağırlığı, γ2: Suyun deney
sıcaklığındaki birim hacim ağırlığı.
Cm: Meniskus düzeltmesi, içi damıtık su dolu, temiz bir cam silindire, hidrometre daldırılarak,
meniskusun alt ve üst düzeyleri arasındaki okuma farkına eşit alınabilir.
Cd dağıtıcı madde düzeltmesi için, deney koşullarında iki silindir alınarak; biri 1000 cm3
damıtık su, diğeri deneyde kullanılacak kadar dağıtma maddesi katılarak toplam 1000 cm3 ’
lük karışım elde edilir. İkisi arasında hidrometre okumaları farkı, dağıtıcı madde düzeltmesini
verir. Dağıtıcı madde düzeltmesi bazen, deneyde kullanılacak kadar sıvı dağıtıcı madde
miktarı etüve konarak, kurutularak bulunan katı madde ağırlığı kadar alınır.
Cd = Wd (kuru)
Hidrometre analizinde, genellikle deney sıcaklığı sabit tutulur. Bunun için, ya sabit sıcaklıklı
odada deney yapılır veya hazırlanan süspansiyon sabit sıcaklıklı su banyosuna daldırılır.
Deney sırasında, sıcaklık, süspansiyona daldırılan termometre ile gözlenir. Eğer deney
sırasında sıcaklık değişiyorsa, gerek sıcaklık düzeltmesi Ct ve gerek dağıtıcı madde
düzeltmesi Cd, değişen sıcaklığa koşut olarak belirlenir.
63
Herhangi bir hidrometre okumasına karşılık gelen D çapı ilgili bağıntılardan hesaplanır.
Geçen yüzde ise, aşağıdaki gibi hesaplanır. Deney sırasında, başlangıçtan itibaren t süre
sonra, Rh hidrometre okumasına karşılık gelen He efektif derinlikte, 1 cm3’lük bir süspansiyon
miktarını düşünelim. Bu 1 cm3 ’lük süspansiyondaki kuru zemin ağırlığı Wkt olsun. Kuru
zeminin hacmi,
olur. Örnekteki su hacmi ise,
olur. Su ağırlığı ise
olur. 1 cm3 'lük süspansiyonun birim hacim ağırlığı,
olur. Bağıntı düzenlenirse,
elde edilir. Deney başlangıcından itibaren, He derinliğinde, D çapından büyük tane kalmaz.
Wko: Deney başlangıcında, 1 cm3 süspansiyondaki kuru zemin ağırlığı.
Düzeltilmiş geçen yüzde,
64
Zeminin granülometri eğrisinden, zemine ait bazı terimler tanımlanır. Bunlar, zeminlerin
sınıflandırılmasında kullanılır. Tane büyüklüğü dağılım eğrisinde, % 10 geçen yüzdeye
karşılık gelen çapa (mm), efektif çap denilir ve D10 ile gösterilir. Üniformluluk sayısı,
aşağıdaki gibi tanımlanır.
D60: % 60 geçen yüzdesine karşılık gelen çap (mm). Eğrilik katsayısı (Derecelenme sayısı) Cc
veya Cr ise aşağıdaki gibi tanımlanır.
Ö30: % 30 geçen yüzdeye karşılık gelen çap (mm). D10, D30, D60, Şekil-61’de A zemini için
gösterilmektedir. İyi derecelenmiş zemin, tüm tane boyutlarından (iri, orta, ince) dengeli
olarak içerir (Şekil-61). İyi derecelenmiş zemin, eğer yüksek sıkılığa da sahip ise iyi zemin
(Taşıma gücü, kayma direnci vb. yüksek) olarak değerlendirilir.
Şekil-61. Granülometri eğrilerine göre çeşitli zeminler.
İyi derecelenmemiş zemine, kötü derecelenmiş zemin denilir. Hemen hemen eşit çaplı
tanelerden oluşan kötü derecelenmiş zemine üniform zemin, büyük ve küçük tanelerden
içeren, ancak orta büyüklükteki taneleri eksik (veya benzer durumda) olan kötü derecelenmiş
zemine aralıklı derecelenmiş zemin adları verilir (Şekil-61). Üniform zeminde CU, 1’e
yakındır. İyi derecelenmiş bir zeminde, CC. 1 ile 3 arasında olmak kaydıyla, CU çakıllarda
4’ten, kumlarda ise 6’dan büyüktür.
65
Kıvam (Atterberg) limitleri
Kıvam ile kohezyonlu zeminlerde, zeminin sertlik-yumuşaklık durumu belirtilir. Bu durumlar,
böyle zeminlerin taşıma gücü vb. özelliklerini etkiler. Zeminin su içeriğine bağlı olan bu
durumlar; kabaca, yumuşak, orta sert, sert gibi adlar alırlar. İnce taneli (kohezyonlu) zeminler,
su katılıp yoğrulduklarında, plastiklik özelliği gösterirler. Plastiklik veya plastisite, ince taneli
zeminlerin bir özelliği olup, kırılmadan şekil verilebilmeyi ifade eder.
İnce taneli zeminler, su içeriklerine göre, çeşitli durumlarda olabilirler. Böyle kuru bir
zemine, gittikçe artan miktarda su katıldığında, zemin, sırayla şu durumlara sahip olur ve
hacmi bir miktar artar. Katı durum, yarı katı durum, plastik durum, likit (süspansiyon, sıvı)
durum (Şekil-62). Likit durumda, zemin bir sıvı gibi yavaşça akabilir. Plastik durumda;
kırılma, çatlama olmaksızın zemine istenilen şekil kolayca verilebilir. Yarı katı durumda,
zemine istenilen şekil zorlukla verilir, zemin çatlar. Katı durumda, zemine şekil verilemez,
şekil verilmek istendiğinde, kırılır.
Tersine, likit durumdaki zemin, aşamalı olarak kurutulursa, zemin sırayla; plastik, yarı katı ve
katı durumlara sahip olur ve gittikçe hacmi bir miktar azalır. İsveçli Atterberg (1911), bu
durumları ve bunları ayıran sınır su içeriklerini tanımladı. İşte bu sınır su içeriklerine,
Atterberg limitleri veya kıvam (konsistans) limitleri denilir. Kıvam limitleri şunlardır: Likit
limit, plastik limit, rötre (büzülme) limiti.
Su içeriği
w
Şekil-62. Kohezyonlu zeminlerde V-w ilişkisi ve kıvam limitleri.
Likit limit (wL veya LL), plastik ve likit durumları birbirinden ayıran sınır su içeriğidir. Başka
bir deyişle, zeminin kendi ağırlığı altında akabildiği en düşük su içeriğidir.
Plastik limit (wp veya PL), plastik ve yarı katı durumları birbirinden ayıran sınır su içeriğidir.
Diğer bir deyişle, zeminin, el altında, cam bir yüzey üzerinde, çubuk haline getirilirken,
çubukların çapları yaklaşık 3 mm. olduğunda, kopmaların meydana geldiği durumdaki su
içeriğidir.
Rötre (büzülme) limiti (ws veya SL), daha fazla su kaybının, zeminin hacminde artık bir
azalma meydana getirmediği en büyük (maksimum) su içeriğidir. Diğer bir tanımla, zeminin
suya tam doygun olabildiği en düşük su içeriğidir.
66
Kıvam limitleri deneysel olarak belirlenebilirler.
a-) Likit Limitin belirlenmesi
Likit limit, bir kaç yöntemle belirlenebilir. Bunlardan biri, Casagrande Yöntemidir. Bu
yöntemde Casagrande tarafından önerilen standart likit limit aleti kullanılır (Şekil-63).
Şekil-63. Likit limit deneyi.
Alet, kolu döndürüldüğünde, sert bir lastik blok üzerine, 1 cm yükseklikten düşen yarım küre
biçiminde metal (pirinç, sarı) tas kaptan oluşur. Likit limiti belirlenecek zeminden bir miktar
alınarak, kurutulur, tanelenir. Tanelenmiş kuru zemin, içindeki iri taneleri uzaklaştırmak için
40 No.lu elek (0,425 mm) ’ten elenir. Elekten geçen zeminden bir miktar alınarak, porselen
vb. bir kaba konulur, üzerine bir miktar damıtık su serpilir. Bir spatula (ucu yuvarlak bir
bıçak) ile iyice karıştırılarak, yoğrulur. Yoğrulan zeminden bir miktar alınarak, aletin tasına
yerleştirilir, üzeri düzlenir. Standart bir oyuk (yarık) açma bıçağı ile tastaki zemin ikiye
bölünür. Oyuk ters bir yamuk biçimli enkesite sahip olup, tabanı 2 mm.’dir. Aletin kolu,
saniyede 1 dönüş olmak üzere, düzgün bir şekilde çevrilir ve bir yandan da, döndürme (vuruş)
sayıları sayılır. Döndürme işlemi ile içinde bir oyukla iki kısma ayrılmış zemin bulunan kap, 1
cm yükseklikten, standart sertlikteki bir blok üzerine düşer. Bu düşme etkisi altında, zeminin
iki parçası kayarak, birbirine, kavuşmak ister. Bunların birbiriyle birleşmesinin yaklaşık 1 cm
kadar olduğu durum gözlenerek, bu anda döndürmeye son verilir ve başlangıçtan itibaren
yapılan vuruş sayısı kaydedilir (N). Zeminden bir miktar alınarak su içeriği (w) belirlenir.
Aynı işlem, zemine artan miktarlarda su katarak, değişik su içeriklerinde tekrarlanır. Deney
sonuçları, yatayda vuruş (döndürme) sayıları N (logaritmik), düşeyde su içerikleri (w) olan bir
eksen takımında işaretlenerek, noktalardan yaklaşık bir doğru geçirilir (Şekil-64).
67
Şekil-64. Likit limitin belirlenmesi.
Bu grafikte, 25 vuruşa karşılık gelen su içeriği, o zeminin likit limitidir.
Likit limit, tek nokta yönteminde, bir tek deney yapılarak da yaklaşık olarak belirlenebilir.
Yapılan araştırmalarda (Mohan, 1959), şu bağıntı verilmiştir.
w: Tek deneye ait su içeriği, n: Tek deneydeki vuruş sayısı, t: 0,068 ile 0,121 arasında değişen
bir sayı olup, vuruş sayısı 20 ile 30 arasında ise, 0,1 olarak alınabilir.
Likit limit, statik koni penetrasyon yöntemi ile de belirlenir (Şekil-65).
Şekil-65. Koni penetrasyon yöntemi.
68
Bu yöntemde, belli ağırlıktaki (80 gr.) bir konik uç, 5 saniye süreyle, bir kap içine
doldurulmuş zemine batmaya bırakılır. Batma miktarı, mikrometre ile ölçülür. Zeminin su
içeriği belirlenir. Deney, değişik su içeriklerinde tekrarlanarak, su içeriği-batma (penetrasyon)
miktarı ilişkisi çizilir. Bu ilişkide. 20 mm'lik batmaya karşılık gelen su içeriği, zeminin likit
limitini verir.
b-) Plastik limitin belirlenmesi
Kurutulmuş, tanelenmiş, 40 No.lu elekten elenmiş zeminden bir miktar alınır. Bir miktar su
katarak, karıştırarak yoğrulur. Böylece hazırlanan zeminden bir miktar alınarak, bir cam plaka
üzerinde, el altında yuvarlanır (Şekil-66).
Şekil-66. Plastik limit deneyi.
Zeminin öyle özel bir su içeriği vardır ki, bu su içeriğinde, zemin çubuğunun çapı yaklaşık 3
mm. olduğunda, çubukta kopmalar olur. Zeminin bu durumu elde edilerek, bu durumdaki su
içeriği belirlenir. Bu değer doğrudan, zeminin plastik limitini verir.
c-) Rötre (büzülme) limitinin belirlenmesi
Şekil-67 gözönüne alınarak, rötre limiti için bir bağıntı çıkarılabilir. Suya doygun ıslak bir
zemin, gittikçe kurutulursa, Şekil-67’deki gibi sırayla, a, b, c durumlarına sahip olur. (a)
durumunda, zemindeki su miktarı, aşağıdaki gibidir.
W1-Wk
Zemin, (a) durumundan (b) durumuna geçtiğinde su kaybı,
(V1-V2) γsu olur.
(b) durumunda su miktarı ise,
(W1-Wk)-(V1-V2) γsu olur.
69
Şekil-67. Rötre limitinin belirlenmesi.
Rötre limitinin tanımından,
elde edilir. Bağıntı düzenlenirse,
elde edilir. Bağıntıdan, bir zeminin ıslak hacmi (V1), kuru hacmi (Vk), kuru ağırlığı (Wk) ve
ıslak su içeriği (w1) belirlenebilirse, o zemine ait rötre limitinin hesaplanabileceği anlaşılır.
Islak zemin, çelik kaba doldurulur, üzeri düzlenir (Şekil-68). Kap içindeki yaş zeminin
ağırlığı (W1), tartılarak belirlenir. Daha önce, kabın hacmi (V1), cıva ile ölçülür. Bunun için,
kap cıva ile doldurulur, üzeri cam bir plaka ile düzlenerek, örtülür. Kabı doldurulan cıva
ağırlığı, cıvanın birim hacim ağırlığına (13,6 gr/cm3) bölünerek, hassas bir şekilde belirlenir.
İçi yaş zeminle dolu kap, etüve konularak, kurutulur, kuru ağırlığı tartılarak bulunur (Wk).
Zeminin kuru hacmini (Vkuru veya V2) ölçmek için, boş kabın içine kuru zemin konulur. Geri
kalan boşluk cıva ile doldurulur, civanın üzeri yine. cam bir plaka ile düzlenir, kapatılır.
Kabın içindeki civanın hacmi, zeminin yaş ve kuru ağırlıkları arasındaki farkı verir. Zeminin
yaş hacmi bilindiğinden, buradan zeminin kuru hacmi belirlenir. Bu değerler, ilgili
bağıntılarda yerine konularak, zeminin rötre limiti hesaplanır. Bu deneyde dikkat edilecek
hususlar, ıslak zeminin boşluk kalmayacak şekilde kaba yerleştirilmesinde ve cıva ile hacim
ölçmelerinde özen gösterilmesidir.
70
Şekil-68. Rötre limitinin belirlenmesi.
Rötre oranı SR, aşağıdaki gibi tanımlanır.
V1: Zeminin w1 su içeriğindeki hacmi. V2: Zeminin w2: su içeriğindeki hacmi. Vk: Zeminin
kuru hacmi, Rötre limitinde V2=Vk, ve w2=ws olduğundan, rötre oranı aşağıdaki özel durumu
alır.
Bağıntıda, w1-w2 yerine
konulursa,
elde edilir. Bağıntıdan anlaşılacağı üzere, rötre oranı, zeminin kuru birim hacim kütlesine
eşittir. Rötre limiti, deney sonuçlarından yararlanılarak ilgili bağıntıyla hesaplanabilir.
71
Hacimsel rötre, VS, aşağıdaki gibi tanımlanır.
V1: w1 su içeriğinde zeminin hacmi. SR bağıntısından
olduğundan,
VS = (w1-ws) SR olur. Hacimsel Rötre, bazen, aşağıdaki gibi de tanımlanır.
Lineer (Doğrusal) rötre, LS, aşağıdaki gibi tanımlanır.
L1: Zeminin yaş uzunluğu, Lk: Zeminin kuru uzunluğu. Lineer rötre, deney ile belirlenebilir.
Islak zemin, yarım silindir biçimli bir boş metal kaba doldurulur (Şekil-69). Etüve konularak,
kurutulur. Kuru uzunluğu ölçülür.
Lineer rötre bazen de, aşağıdaki gibi tanımlanır.
Şekil-69. Lineer rötrenin belirlenmesi
72
Lineer rötre (Ls) ile hacimsel rötre (VS) arasında; lineer rötrenin her doğrultuda aynı olduğu
düşüncesi ile bir ilişki yazılabilir. İlgili bağıntılara göre.
bağıntılarına göre,
bağıntılarına göre,
bağıntılarına göre,
Şeklinde de yazılabilir
Plastisite (Plastiklik) indisi (Ip veya PI), aşağıdaki gibi tanımlanır.
IP=wL-wP
Plastisite indisi ile lineer rötre arasında, Lineer Rötre tanıma göre, aşağıdaki yaklaşık ilişki
vardır.
IP = 2,13 LS
Kıvam indisi; IC, aşağıdaki gibi tanımlanır.
w: Kıvam indisi tanımlanacak zeminin su içeriği. Yukarıdaki bağıntıdan zeminin durumu,
kıvam indisine göre belirlenebilir.
IC=l zemin plastik limitte (w=wp),
IC=0 zemin likit limitte (w=wL),
IC>1 zemin yarı katı veya katı durumunda (w<wP),
0<IC<1 zemin plastik durumda (wp<w<wL),
IC<0 zemin likit durumunda (W>WL).
Kıvam indisi-zemin durumu ilişkisi Şekil-70’de görülmektedir.
Şekil-70. Kıvam indisi-zemin durumu ilişkisi
73
Likitlik indisi, IL, aşağıdaki gibi tanımlanır.
w: Likitlik indisi tanımlanacak zeminin su içeriği. Kıvam indisine benzer olarak, likitlik
indisinin değerinden zeminin hangi durumda olduğu söylenebilir (Şekil-71).
Şekil-71. Likitlik indisi (IL) ile kıvam limitleri ve kıvam durumları ilişkisi.
Aktivite, A; plastisite indisinin zeminin 0,002 mm çapına karşılık gelen geçen yüzdesine oranı
olarak tanımlanır.
J: 0,002 mm. den küçük tanelerin ağırlıkça oranı (yüzdesi) (kil yüzdesi). Killer aktivitenin
değerine göre sınıflandırılabilir (Tablo-6).
Tablo-6. Killerin aktiviteye göre sınıflandırılması
A
<0,75
0,75-1,25
>1,25
Açıklama
Aktif değil
Normal
Aktif
Aktivite genellikle ıslanan killerin şişmesini (Hacim artışını) yansıtır. Killer hacim artışı
açısından Tablo-7’deki gibi sınıflandırılabilir.
Tablo-7. Hacim artışına göre killerin sınıflandırılması.
Hacim artışı (%)
<2
2-5
5-10
>10
Şişme Durumu
Düşük
Orta
Yüksek
Çok yüksek
74
Kaolinit az, illit orta, montmorillonit çok şişer. Şişen killer, kaplamalara (havaalanı, kaldırım
vb.), hafif yapılara, dayanma duvarlarına vb.’ne olumsuz etkiler uygular. Bu açıdan
tanınmaları (Konsolidasyon deney aletinde ilgili deneyler vb.) ve gerekli önlemlerin alınması
gereklidir. Diğer yandan, sondaj kuyularını, kazık veya ayak boşluklarını, kazı çukurlarını
dolduran ve bunların yan yüzleri için adeta kaplama görevi gören çamur için montmorillonit
(Bentonit) tipi killer kullanılır.
Zemin sınıflandırma sistemleri
Zeminlerin sınıflandırılması için var olan sistemler aşağıdaki gibi açıklanabilirler.
1-) Tane çapına göre sınıflandırma
Bu sınıflandırmada, belli çap aralıkları arasında kalan zemin gruplarına belli adlar verilir.
Tane çapını temel alan sınıflandırma sistemleri içinde, en çok benimsenen MIT
(Massachusetts Institute of Technology) sistemidir. Bu sistem Tablo-8’de verilmektedir.
Tablo-8. MIT sınıflandırması.
Zemin Cinsi
Taş (Blok)
Çakıl
İri çakıl
Orta çakıl
İnce çakıl
Kum
İri kum
Orta kum
İnce kum
Silt
İri silt
Orta silt
İnce silt
Kil
D çapı (mm)
200-61)
60-2
60-20
20-6
6-2
2-0,06
2-0,6
0.6-0,2
0,2-0,06
0,06-0,002
0,06-0,02
0,02-0,006
0,006-0,002
<0,002
Tane çapına göre zeminleri gruplandıran başka sistemler de vardır. Tane çapına göre
sınıflandırmada, zeminin tane çapı dağılım eğrisi çizilerek, her bir grubun zemin içindeki
ağırlıkça yüzdesi bulunur. Bunlar içinde, hangi grup veya gruplar büyükse, zemin bunlara
göre adlandırılır. Tane çapına göre sınıflandırma yapan sistemler, zeminin kıvam limitlerini
kullanmıyorlar. İleride açıklanan Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sisteminde (Unifled Soil
Classifıcation System, USCS), zeminin kıvam limitleri dikkate alınmaktadır. Birleştirilmiş
Zemin Sınıflandırma Sisteminde, zemin içindeki grupların çap sınırları farklı
tanımlanmaktadır. USCS'ye göre gruplar, aşağıdaki tabloda (Tablo-9)verilmiştir.
75
Tablo-9. USCS'ye göre gruplar
Adı
Taş (blok)
Çakıl
Kum
İnce (silt ve kil)
D (mm)
> 76,2
76,2-4,76
4,76-0,074
<0,074
Elek No
>3"
3"-4 No.
4 No-200 No.
< 200 No.
2-) Üçgen sınıflandırma (U.S. Public Roads Administration)
Bu sistemde; zeminin, kum, silt ve kil yüzdeleri kullanılır. Zeminin granülometri eğrisi
çizilerek, bu üç bileşenin ağırlıkça yüzdeleri belirlenir. Çakıl yüzdesi çıkarılarak, anılan 3
grubun yüzdelerinin toplamı 100 olacak şekilde, her bir grubun düzeltilmiş yüzdeleri
hesaplanır. Hesaplanan yüzdeler, hazır üçgen bir diyagramda, Şekil-72’deki gibi, ilgili
kenarlarda işaretlenerek, belirtilen yönlerde doğrular çizilerek, üçgen içinde bir nokta elde
edilir. Bu nokta hangi bölgeye düşerse, zemin, o bölgenin adını alır. Bu sistem daha çok zirai
amaçlar için kullanılır.
Lem: Kum, silt, kil karışımı bir tür zemin.
Şekil-72. Üçgen sınıflandırma.
76
3-) AASHO (Amerikan Karayolları) sınıflandırması
Bu sistem, yol temeline yönelik olup, sınıflandırmada zemine ait bazı bilgiler yanında, Grup
İndisi de kullanılır.
Grup indisi = 0,2a + 0,005ac + 0,01 bd
Tablo-10. AASHO Sınıflandırılması.
77
a: 200 No.lu eleğe ait yüzdenin 35-75 arasında (35'ten büyük, 75'ten küçük) kalan kısmı (tam
sayı), b: 200 No.lu eleğe ait yüzdenin 15-55 arasında (15’ten büyük, 55’ten küçük) kalan
kısmı (tam sayı), c: Likit limit değerinin 40-60 arasındaki (40’tan büyük, 60’tan küçük) kısmı
(tam sayı), d: Plastisite indisinin 10-30 arasında (10’dan büyük, 30’dan küçük) kalan kısmı
(tam sayı).
Zeminin granülometri eğrisinden elde edilen 10, 40 ve 200 No.lu eleklere ait yüzdeler, likit
limit, plastisite indisi, grup indisi kullanılarak. Tablo-10’da. soldan sağa doğru eliminasyon
ile gidilerek, sınıf belirlenir. İlk sağlayan sınıf, zeminin sınıfıdır. Bu sistem de, daha çok yol,
havaalanı, kaplama vb.’nin temel işlerinde kullanılır.
4-) Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemi (USCS)
Bu sistem, Jeoteknikte en yaygın kullanılan bir sistemdir. Bu sistemde, bazı sembol (simge,
harf)’1er kullanılmaktadır. Bunlar aşağıda verilmektedir.
G: çakıl, S: kum, M: silt. C: kil. P,: turba, bataklık (çok organik). O: organik, L: düşük
plastisiteli. H: yüksek plastisiteli, W: iyi derecelenmiş, P: kötü derecelenmiş.
Zeminin granülometri eğrisi çizildikten sonra; 200 No. ve 4 No.lu eleklere ait geçen
yüzdeleri, CU, CC, WL, IP bilgileri kullanılarak, zemin Sınıflandırılır. Sınıflandırmada Tablo11 kullanılır. Tablonun kullanılmasın kolaylaştırmak üzere, bir akış diyagramı (Şekil-74)
kullanılabilir.
Zeminin ince taneli kısmı veya ince taneli zeminler, plastisite grafiği kullanılarak
sınıflandırılır, Plastisite grafiğinde (Şekil-73), yatayda likit limit, düşeyde plastisite indisi yer
alır. A doğrusu, grafik alanını ikiye böler. Üst kısım kil, alt kısım silt bölgesidir. wL=% 50 =
sabit düşey doğrusu da, grafik alanını ikiye böler. Sol kısım düşük plastisiteli. sağ kısım
yüksek plastisiteli bölgedir. Plastisite grafiğinde, A doğrusunun altında kalan iki bölgenin her
birinde iki olasılık vardır (ML veya OL ile MH veya OH). Deneysel veya kaba gözlemle,
zeminin organik olup olmadığına karar verilebilir. Zemin organik bulunursa, O ile başlayan
semboller (OL, OH), değilse diğer semboller (ML, MH) zeminin sınıfını gösterir. Organik
zeminin rengi koyudur, bazen kokusu vardır, lifler içerebilir. İnce taneli zeminlerin organik
olup olmadığını belirlemede; etüvde kurutulmuş zemin üzerinde yapılarak bulunan likit
limitin (wL), doğal (kurutulmamış) zemin üzerinde belirlenen likit limite oranı hesaplanır. Bu
oran 0,75’ten küçük ise, zemin organik olarak adlandırılır. Organik zeminler inşaat
mühendisliği işlerinde olumsuz olarak değerlendirilirler (Taşıma güçleri düşük, oturma
eğilimleri fazla vb.). Herhangi bir inşaat işi için en azından yüzeydeki organik zeminler ve
temel altındaki diğer organik zeminler, kazılarak uzaklaştırılır.
78
Tablo-11. Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemi (USCS).
79
Şekil-73. Plastisite grafiği.
Bu sistemde, 200 No.lu elek (D=0,074 mm), iri taneli (çakıl, kum) ince (silt, kil) sınırını
oluşturur. Bu eleğe ait % P değerine göre, zemin, iri veya ince taneli diye iki ana gruba ayrılır.
İri taneli zeminlerde, 4 No.lu elek (D=4,76 mm), çakıl-kum sınırını oluşturur. 4 No.lu eleğe
ait % P değerine göre, zemin, çakıl veya kum sınıfına ayrılır. Kum ve çakıllar, ince yüzdesine
(200 No.lu eleğe ait % P) göre, az inceli (temiz veya temize yakın), orta inceli veya fazla
inceli diye dallara ayrılır. Az inceli çakıl veya kumlar belirtilen ölçütlerde, iyi derecelenmiş
(çakıllarda CU>4, CC=l-3, kumlarda CU>6, CC=l-3) veya kötü derecelenmiş olarak
sınıflandırılır. Orta veya çok inceli olanlar ise, ince kısmın plastisite grafiğindeki yerine göre,
bir çift (karma) sembolle adlandırılır.
İnce taneli zeminler (silt ve killer) ise, plastisite grafiğinde; yatayda likit limit, düşeyde
plastisite indisi işaretlenerek, bulunan noktanın düştüğü bölgeye göre adlandırılır.
80
Şekil-74. USCS akış diyagramı.
81
Örnek Problemler
Problem-1) Bir zeminden alınan 1562,5 gr. ağırlığındaki kuru bir miktar zemin; önce eleme
işlemine, daha sonra da 200 No.lu elekten geçen kısmından 40 gr. alınarak, ıslak analize
(pipet yöntemi) tabi tutulmuştur. 40 gr. zeminle, toplam hacmi 500 cm3 olan bir süspansiyon
hazırlanmış, belli süreler sonunda, 10 cm derinlikten, 10 cm3 lük örnekler alınmış ve
kurutulmuştur. Eleme ve ıslak analizle ilgili sonuçlar, Tablo-12’de verilmektedir. Bu zeminin
granülometri eğrisini çiziniz. Efektif çapını, üniformluluk ve eğrilik katsayılarını belirleyiniz.
Tablo-12. Problem-1
Problem-2) Problem-1'deki zemini, MIT ve üçgen sınıflandırma sistemine göre
sınıflandırınız.
Problem-3) Bir kil zemin üzerinde likit limit deneyi yapılmış ve Tablo-13’deki sonuçlar elde
edilmiştir. Zeminin likit limitini belirleyiniz.
Tablo-13. Problem-3
82
Problem-4) Tablo-14’deki zeminleri, Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemine göre
sınıflandırınız.
Not: Hiç bir zemin organik değildir.
Tablo-14 Problem-4.
Problem-5) Diğer bilgilerin Tablo-15’de verildiği zemini, tane çapına (MIT) ve Birleştirilmiş
Zemin Sınıflandırma Sistemine göre sınıflandırınız. Elek analizinde toplanı 1453 gr. kuru
zemin kullanılmıştır.
Tablo-15. Problem-5.
Problem-6) Bir zeminin efektif çapı 0,03 mm, üniformluluk sayısı 6,67, eğrilik katsayısı 0,6
ise; bu zeminde toplam 1743 gr. lık kuru zeminle yapılan elemede 10 No.lu (2mm) elek ve
daha iri gözlü elekler üstünde kalan toplam zemin miktarı 87,1 gr., bu zeminin ince kısmına
ait likit limit % 42, plastik limit % 11 ve aktivitesi 6,2 olduğuna göre, bu zeminin
granülometri eğrisini kabaca çiziniz. Zemini tane çapına (MIT) göre sınıflandırınız. Zeminde
taş (blok) yoktur.
83
ZEMİN SUYU
Zemindeki su türleri
Zemin ortamın boşluklarında bulunan suya, zemin suyu denilir. Şekil-75’de, zemindeki
suların basit bir sınıflandırılması görülüyor. Taneleri oluşturan minerallerin kimyasal
yapısındaki su farklı olup, burada kastedilmemekte kapsanmamaktadır.
Şekil-75. Zemindeki suların sınıflandırılması.
Zemin suyu, kabacı ikiye ayrılabilir: Serbest su ve tutulan (tutuk) su. Yerçekimi etkisi altında
serbestçe akabilen suya, serbest su denilir. İçinde serbest su bulunan zemin, suya doygun
olarak düşünülür. Serbest su, durgun (hareketsiz, statik) veya hareketli (akış durumunda)
olabilir.
Taneler arası boşluklarda bazı kuvvetlerce tutulan suya, tutulan su denilir. Tutulan su da,
adsorbe su ve kılcal (kapilar) su diye ikiye ayrılır.
Adsorbe su (higroskopik su), zemin taneleri tarafından havadan çekilen ve tanelerin dış
yüzünü, ince bir film tabakası gibi saran sudur. Bu su, zemin tanelerinin adeta bir parçası
gibidir. Etüvde kurutulan zeminde, bu su buharlaşarak, zeminden ayrılır. Ancak, kuru zemin,
nemli havada bırakılırsa, higroskopik kapasitesine göre, havadan bu tür suyu alır. Kılcal
(kapilar) su; zemin boşluklarında, yüzey gerilim kuvvetleri tarafından tutulan su olup, zemin
içinde serbestçe akamaz.
Zeminde kılcallık (kapilarite) olayı
İçi su dolu bir kaba daldırılan ince bir boru (tüp) içinde, suyun; yüzey gerilim kuvvetlerinin
etkisinde yükselmesine benzer olarak, serbest yeraltı suyu, zemin taneleri arasındaki
boşlukların oluşturduğu bir tür kılcal boru içinde yükselir (Şekil-76).
84
Şekil-76. Zeminde kılcallık olayı.
Bir ince boru içinde suyun kılcal (kapilar) yükselme miktarı (hc, kılcal yükseklik) aşağıdaki
bağıntıyla belirlenir.
Ts: Yüzey gerilim kuvveti (yüzey gerilim katsayısı) olup, su için ortalama olarak 0,076 gr/cm
alınabilir, α, değme açısı olup, temiz bir cam tüp için sıfır (0) alınabilir. Bu değerler
yukarıdaki bağıntıda yerine konulursa, aşağıdaki kısa bağıntı elde edilir.
Kılcal yükseklik boyunca; serbest su düzeyinin altında meydana gelen hidrostatik basıncın
aksine, çekme (emme) oluşur.
Tablo-16’da bazı zemin türleri için ortalama kılcal yükseklikler görülmektedir. Tablodan da
anlaşılacağı üzere; kılcal yükseklik, ince taneli zeminlerde büyük, iri taneli zeminlerde küçük
olmaktadır. Kılcal yükseklik, ince taneli zeminlerde teorik olarak çok büyük görünse de,
pratikte bu değer bir kaç m. yi aşmıyor. Bu da, bu tür zeminlerde adsorbe suyun küçük
boşlukları daha da azaltarak, kılcal suyun yukarı doğru hareketini engellemesi şeklinde
açıklanabilir.
Tablo-16. Zeminler için kılcal yükseklikler
85
Şekil-77’de, zeminde, en genel durumda, tipik su bölgeleri görülüyor. Zemin yüzünden
zemine giren sular (yağmur suları vb.), yeraltı su düzeyine ulaşırken, bir kısım su, taneler
arası temas noktalan civarında, yüzey gerilim kuvvetlerince tutulur. Böylece kısmen doygun
bölge oluşur. Bu bölgede, taneler arası boşluklar, kısmen su, kısmen de hava ile kaplıdır.
Serbest yeraltı su düzeyi üzerinde, kılcallıktan dolayı, kılcal doygun bölge oluşur. Ancak,
kılcal bölgede, kılcal yükselmenin zemin kitlesinde değişkenlik göstermesinden dolayı; kılcal
tam doygun bölge ve kılcal kısmen doygun bölge oluşur.
Şekil-77. En genel durumda, zeminde tipik su bölgeleri.
Soğuk mevsimlerde, suya doygun zeminlerde don olayı meydana gelir. Donma derinliği.
Ülkemiz için, soğuk bölgelerde 0,1-1 m olabilir. Donan su yaklaşık % 9 kadar bir hacim
artmasına uğrar. Boşluklardaki suyun donması sonucu, zemin hacminde bir kabarma meydana
gelir. Bu kabarma olayı, genellikle üniform olmaz ve varsa, zemin yüzündeki kaplamalar (yol,
havaalanı vb.), hafif yapı vb. hasar görebilir.
İnce taneli (silt, ince kum vb.) kılcal doygun zeminlerde, donma olayı ile daha da kötü olaylar
meydana gelir. Böyle zeminlerde, zemin altında önce buz mercekleri oluşur. Bu buz
mercekleri, kılcal etki altında, serbest su düzeyinden su çekerek büyürler. Bunun sonucu,
varsa zemin üzerindeki yol, havaalanı, hafif yapı vb. büyük hasar görebilirler. Sıcak
mevsimlerde, donma olayının tersine, erime (çözülme) meydana gelir. Su içeriği yüksek ince
taneli zeminlerin taşıma gücü düşük olacağından, özellikle, hareketli yükler altındaki
kaplamalar yine hasar görürler. Bu sakıncalar, zemini drenaja tabi tutarak (Yeraltı su düzeyini
indirerek) ve kaplama altında, iri taneli bir tabaka oluşturarak (Kılcal yükselmeyi önleyerek)
önlenebilir.
Boşluksuyu basıncı ve efektif gerilme
Bir zemin ortamında (Şekil-78), herhangi bir derinlikte, zeminin kendi ağırlığından dolayı
oluşan düşey doğrultudaki gerilmeye, toplam gerilme denilir. Toplam gerilme, düşünülen
düzeyde, birim (1 m x 1 m, 1 cm x 1 cm vb.) alan üzerinde kalan tüm ağırlık ve yüklerin
toplamı olarak da tanımlanabilir. Bu açıklamaların ışığı altında, Şekil-78’de A noktasındaki
düşey toplam gerilme, aşağıdaki gibi yazılabilir.
86
Şekil-78. Zeminde düşey toplam gerilme.
σA-A = q + h1 . γn + h2 . γd
Toplam gerilme, σ, en genel durumda iki bileşenden oluşur: Boşluksuyu basıncı (boşluk
basıncı, nötr gerilme, hidrostatik basınç) ve efektif gerilme. Herhangi bir derinlikteki
boşluksuyu basıncı, u; o nokta üzerindeki piyezometrik yükseklik (serbest su yüksekliği) ile
suyun birim hacim ağırlığının çarpımına eşittir.
uA = hsu . γsu = h2 . γsu
hsu: Piyezometrik yükseklik olup, o noktaya daldırılan (daldırıldığı düşünülen) bir boru veya
hortumdaki serbest su yüksekliğidir. Boşluksuyu basıncı bir noktada her yüne doğru etkir ve
taneler arasındaki boşluksuyu aracılığıyla uygulanan bir basınçtır. Kılcal doygun bölgede
(Şekil-76) boşluksuyu, basınç değil, çekme (emme, vakum) uygular. Kılcal doygun bölgede,
herhangi bir noktadaki boşluksuyu gerilme (çekme) değeri, o noktanın serbest yeraltı su
düzeyine olan yüksekliği (kılcal yükseklik) ile suyun birim hacim ağırlığının çarpımına eşittir.
Efektif gerilme (etkin gerilme), σ´ veya (σ), toplam gerilme ile boşluksuyu basıncının farkına
eşittir.
σ´= σ-u,
σ´A-A = σA-A-uA-A= q + h1 γn+h2 γd-h2 γsu
Efektif gerilme, taneler arasındaki temas nokta veya alanlarıyla taşınan ortalama gerilme
olarak düşünülür. Bu gerilme, taneler arasındaki gerçek temas (değme) gerilmelerinden daha
küçüktür. Birçok durumda; zeminin davranışında (Oturma, kayma direnci vb.) toplam değil,
efektif gerilme rol oynar.
Zemin yüzünde, sonsuz büyüklükteki bir alana yayılı üniform bir yük, gerilme hesaplarında,
bir tabaka gibi dikkate alınır, etkisi derinlikle değişmez (Sabit kalır.). Zemin yüzünde etkiyen
tekil (nokta) yük veya sınırlı alan yüklerinden, zemin ortamda oluşan ek düşey yüzey
yüklerinin neden olduğu gerilmelerin etkisi, derinlikle azalır.
87
Örnek Problemler
Problem-1) Diğer bilgilerin şekil-79’da verildiği zeminde; toplam, boşluksuyu ve efektif
düşey gerilmelerinin, derinlikle değişimini hesaplayınız, çiziniz, değerleri üzerlerine yazınız.
Şekil-79. Problem-1.
Problem-2) Şekil-80’de, A ve B noktalarındaki düşey efektif gerilmeleri hesaplayınız.
Şekil-80. Problem-2.
Problem-3) Diğer bilgilerin Şekil-81’de verildiği zeminde, yeraltı su düzeyinin 2 m
yükselmesi durumunda, kil tabakasının ortasındaki efektif gerilme artar mı, azalır mı?
Değişme ne kadar olur?
Şekil-81. Problem-3.
88
Problem-4) Diğer bilgilerin Şekil-82’de verildiği durumda; toplam gerilme, boşluksuyu
basıncı ve efektif gerilmenin derinlikle değişimini hesaplayınız, çiziniz.
Şekil-82. Problem-4.
Problem-5) Diğer bilgilerin Şekil-83’de verildiği durumda, yeraltı su düzeyi 2 m. indirilirse,
kil tabakasının ortasındaki efektif gerilmedeki değişim ne kadar olur? Su düzeyinin indirildiği
bölgede, zeminin, üstteki bölgenin yaş birim hacim ağırlığına geldiği kabul edilecektir.
Şekil-83. Problem-5.
89
Problem-6) Diğer bilgilerin Şekil-84’de verildiği durumda, düşey efektif gerilmenin
derinlikle değişimini hesaplayınız, çiziniz, değerleri üzerine yazınız.
Şekil-84. Problem-6.
Problem-7) Diğer bilgilerin Şekil-85’de verildiği durumda, serbest su düzeyi 3 m. yükselirse,
kil ortasındaki efektif gerilme ne kadar değişir?
Şekil-85. Problem-7.
90
ZEMİNLERİN GEÇİRİMLİLİĞİ
Darcy Yasası
Zemin, boşluklu bir ortam olup, boşlukları birbirine bağlıdır. Su, zemin ortamın boşluklarında
hareketsiz (durgun) durumda bulunabildiği gibi, birbirine bağlı boşluklardan geçerek, akabilir
(hareketli yeraltı su durumu, akış durumu). Darcy (1856), laminar akım koşullarında suya
doygun bir zemin ortamda; hızın, hidroloik eğim ile orantılı olduğunu göstermiştir. Eğer, L
uzunlukla, A enkesit alanlı bir zemin örneği, h1-h2 su düzey farkı etkisinde bırakılırsa (Şekil86), Darcy Yasası, aşağıdaki gibi yazılabilir.
v = k.i
veya
q = v.A ,
v = q/A
olduğu için
q = A.k.i
Bağıntılardaki v hızı, filtre hızı (debi hızı) olup, su akışının zeminin tüm A enkesitinin her
noktasından akıyormuş gibi düşünülerek adlandırıldığı ortalama hayali bir hızdır. Gerçekte su,
zemin enkesitinin her noktasından akmayıp, ancak taneler arası boşlukların oluşturduğu bir
bölümünden sızıntı hızı (gerçek hızı) ile akar. Sızıntı hızı ile filtre hızı arasında aşağıdaki
bağıntı vardır.
Şekil-86. Darcy Yasası.
Vfiltre=n.Vsızıntı
n, zeminin porozitesi olup, n<l olduğu için, vf<vs’dir. k, zeminin geçirimlilik (permeabilite,
geçirgenlik) katsayısı (Hidrolik iletkenlik veya geçirimlilik) olup, zeminin su geçirme
özelliğini yansıtır v hız boyutundadır (cm/sn vb.). Hidrolik eğim i, boyutsuz olup, aşağıdaki
gibi tanımlanır.
91
q (debi), birim zamanda bir kesitten (burada A enkesiti) geçen suyun miktarını belirtir (m3/sn,
cm3/sn vb.). Su akımının meydana gelmesine bağlı olarak L’nin (Şekil-86) konumu yatay,
düşey, eğik vb. olabilir. Yeraltı su akışlarının genellikle laminar (Düşük hıza sahip) olduğu
saptanmıştır.
Tablo-17’de, çeşitli zeminler için, ortalama k değerleri verilmiştir.
Tablo-17. Çeşitli zeminler için ortalama k değerleri.
Zemin Cinsi
Çakıl
Kum
Silt
Kil
k (cm/sn)
> 10
10-10-4
10-4-10-6
< 10-6
Geçirimlilik Durumu
Çok geçirimli
geçirimli
Az geçirimli
Çok az geçirimli veya geçirimsiz
Tablodan anlaşılacağı üzere, iri taneli zeminlerde k büyük; ince taneli zeminlerde, k küçük
değerler almaktadır.
Geçirimlilik katsayısının bağlı olduğu etmenler
Geçirimlilik katsayısı, k, başlıca şu etmenlere bağlıdır:
a-) Zeminin ortalama tane çapına bağlı olup, kabaca tane çapının karesi ile orantılıdır. Allen
Hazen (1892), aşağıdaki bağıntıyı vermiştir.
k = C.D210
D10: Zeminin efektif çapı. k (cm/sn), D10 (cm) boyutundadır. C, bir katsayı olup, yaklaşık
100’dür.
b-) k, zeminin boşluk oranına bağlı olup, boşluk oranının aşağıdaki ifadeleri ile orantılıdır.
c-) k, boşluk sıvısının (suyun) birim hacim ağırlığı ile doğru orantılı, sıvının vizkozitesi ile
ters orantılıdır. Muskat (1937). fiziksel permeabilite (kp) diye, boşluk sıvısının
özelliklerinden bağımsız olan ve sadece boşluklu ortamın fiziksel durumuna bağlı bir
terim tanımlamıştır:
92
k: boşluk sıvısıyla boşluklu ortamın (zeminin) geçirimlilik katsayısı (Darcy geçirimlilik
katsayısı), η: boşluk sıvısının viskozitesi. Suyun birim hacim ağırlığının sıcaklıkla değişmesi
ihmal edilebilirken, viskozitesinin sıcaklıkla değişmesi önemlidir.
d-) Zeminde tanelerin dizilişine bağlıdır. k, aynı boşluk oranında; zemin tanelerinin dizilişine,
zeminin oluşumuna veya sıkıştırılmasına bağlı olarak farklı olabilir. Sonuçta, aynı zemin,
yatay ve düşey yönlerde farklı geçirimlilik katsayılarına (anizotrop zemin) sahip olabilir.
Örneğin; yatay doğal bir tabakada, genellikle yatay doğrultudaki geçirimlilik katsayısı
düşey doğrultudakinden daha büyüktür.
Geçirimlilik katsayısının belirlenmesi
Geçirimlilik katsayısı, laboratuvar veya arazide çeşitli deneylerle belirlenebilir.
Geçirimlilik katsayısının laboratuvar deneyleri ile belirlenmesi
a-) Sabit düzeyli geçirimlilik deneyi
Bu deney, geçirimliliği iyi olan taneli zeminler (çakıl, kum) için uygundur. Geçirimliliği
belirlenecek zemin, istenilen sıkılıkta veya arazideki sıkılığına benzer olarak saydam bir
silindire yerleştirilir (Şekil-87). Zemin tanelerinin yıkanıp gitmesini önlemek üzere, zemin
örneğinin alt ve üst kısmında birer filtre oluşturulur. Bu filtreler genellikle, deneye tabi
tutulan zeminden biraz daha iri taneli olan bir taneli zemindir. Sabit su düzeyli bir hazneden
gelen su, zeminden geçerek, hacim bölümlü bir kapta toplanır. Kararlı akış elde edildikten
sonra, belli bir sürede (Δt), kapta toplanan su miktarı (ΔQ) belirlenir. Zemin örneğinin alt, üst
ve orta kısımlarına bağlanan saydam borularda (piyezometre boruları), su düzeyleri gözlenir,
okunur, kaydedilir. Darcy Yasasından k hesaplanır.
Bağıntıdaki A, zeminin enkesit alanı (akışa dik)’dır.
93
Şekil-87. Sabit düzeyli geçirimlilik deneyinin şeması.
Geçirimlilik katsayısı; A-B, B-C veya A-C arasındaki ayrı ayrı hesaplanır. Deney, değişik
sabit düzeyler için tekrarlanarak, ortalama alınır.
b-) Düşen (değişen) düzeyli geçirimlilik deneyi
Bu deney, geçirimliliği düşük olan ince taneli (kil, silt) zeminler için uygundur. Bu deney için
kullanılan zemin örneği, geçirimliliği belirlenecek zeminden alınan, örselenmemiş örnek
olabileceği gibi, silindirik metal kap içinde, laboratuvarda yerleştirilmiş de olabilir. Zeminin
cinsine göre, uygun enkesitteki saydam bir boru, zemin örneği üzerine takılır. Yine, zemin
tanelerinin akan suyla sürüklenip gitmesini önlemek üzere, zemin örneğinin alt ve üst
yüzlerine filtre yerleştirilir (Şekil-88). Üstteki boruya doldurulan su, zeminden geçerek dışarı
akar. Kararlı akış elde edildikten sonra; deney başında ve sonundaki su yükseklikleri ile arada
geçen zaman ve enkesit alanlarından, zeminin geçirimlilik katsayısı hesaplanır. Borudaki su
yüksekliği h iken; Δt süresinde, borudaki su düzeyi Δh kadar aşağı düşsün. Darcy Yasasına
göre,
94
Şekil-88. Düşen düzeyli geçirimlilik deneyinin şeması.
olur. Bağıntının her iki tarafı değişkenlere göre düzenlenip, belli sınırlar içinde integre
edilirse;
elde edilir. a: üstteki tüp (cam boru, hortum) enkesit alanı, L: örnek uzunluğu, t1: deney süresi,
h1: başlangıçtaki su yüksekliği, h2: t1 süresi sonundaki su yüksekliği.
Deney, değişik çaplı borularla, değişik başlangıç yükseklikleri ve değişik deney süreleri
kullanılarak tekrarlanır, k için ortalama değer hesaplanır.
c-) Konsolidasyon deney sonuçlarından (Bkz. Zemin Mekaniği II. Ders notları).
95
Arazi Deneyleri ile geçirimlilik katsayısının belirlenmesi
Su içeren geçirimli tabakaya akifer denilir. Akiferler iki türlü olabilir (Şekil-89). Serbest
(sınırlanmamış) akiferde, yeraltı su düzeyi, doygun bölgenin üst sınırıdır. Basınçlı
(artezyen, sınırlanmış) akiferde, yeraltı suyu, üstten geçirimsiz bir tabaka ile sınırlanmıştır.
Şekil-89. Serbest ve basınçlı (artezyen) akiferler.
a-) Zeminden su çekerek
Serbest akiferde, geçirimlilik katsayısının belirlenmesinde pompa ile su çekmek için, zeminde
bir kuyu açılır. Sabit bir debi ile sürekli su çekilir. Başlangıçta yatay olan yeraltı su düzeyi,
kuyu içinde alçalarak, Şekil-90’daki sabit alçalmış durumu alır. Kararlı durumda, sabit q
debisi çekimi sırasında, kuyudaki su düzeyi ve alçalmış su yüzeyi sabit kalır. Kararlı durum
elde edildikten sonra, deney kuyusu merkezinden itibaren, aynı doğrultu üzerinde açılmış en
az iki gözlem kuyusu ile alçalan su düzeyi, gözlenerek ölçülür.
Kuyu merkezinden itibaren, r yarıçaplı düşey bir kesit düşünelim (Şekil-90). r yarıçaplı, h
yükseklikli silindir dış yüzünden birim zamanda geçen su, kuyudan çekilen q debisine,
süreklilik ilkesi gereğince eşit olmalıdır. r yarıçaplı kesitte, hidrolik eğim, yaklaşık olarak
aşağıdaki gibi yazılabilir.
Darcy Yasası yazılırsa,
96
Şekil-90. Serbest akiferde k'nın belirlenmesi.
elde edilir. Bağıntı değişkenlere göre düzenlenip, belli sınırlar içinde integre edilirse;
elde edilir.
Basınçlı akiferde, benzer biçimde açılan kuyudan sabit bir q debisi çekilerek, kararlı durum
elde edildikten sonra, gözlem kuyularındaki su düzeyleri gözlenerek, ölçülür (Şekil-91). Kuyu
merkezinden itibaren r yarıçaptı bir kesit düşünelim. Bu kesit için Darey Yasası yazılır,
integre edilirse;
elde edilir.
97
Şekil-91. Basınçlı akiferde k'nın belirlenmesi.
b-) Zemine su vererek
Açılan bir sondaj kuyusunun dibinden veya sızdırmazlık elemanları kullanılarak, sondaj
deliğinin kaplanmamış belli bir uzunluğunun yan yüzünden, sabit düzeyli veya düşen düzeyli
düzenlerle zemine su gönderilir. Deney sonuçlarından, ampirik bağıntılarla (Cedergren,
1969), zeminin geçirimlilik katsayısı hesaplanır.
Zemine su vererek yapılan geçirimlilik deneyleri ikiye ayrılır: Açık uç deneyleri ve Packer
deneyleri.
Açık uç deneylerinde, zemine indirilen bir borunun ucundan, sabit düzeyli bir düzenle
zemine su gönderilir (Şekil-92). Zemine gönderilen sabit debi ölçülür.
Şekil-92. Açık uç deneyleri.
98
Zeminin geçirimlilik katsayısı, aşağıdaki ampirik bağıntı ile hesaplanır.
h: su düzeyleri farkı, q: sabit debi, r: borunun iç yarıçapı. Basınçlı su durumunda h=h1+h2
olarak hesaplanır.
Packer (tıkaç) deneylerinde, bir sondaj kuyusunun kaplanmamış veya delikli kaplama
borusunun belli bir uzunluğunun yanlarından, zemine sabit düzeyli bir düzenle su gönderilir
(Şekil-93). Belli bir uzunluk, tek veya çift tıkaç (sızdırmazlık elemanı) ile sağlanılır. Verilen
suyun sabit debisi ölçülür.
Şekil-93. Packer deneyleri şeması.
Zeminin geçirimlilik katsayısı, aşağıdaki ampirik bağıntılarla belirlenir.
L: uzunluk, h=h1+h2
c-) Hareketli yeraltı su durumu
Yeraltı suyu hareketli ise, akış
doğrultusunda iki kuyu açılır
(Şekil-94).
Şekil-94. Hareketli yeraltı suyu.
99
1. kuyudan tuz, boyalı madde, radyoaktif izotop vb. verilerek, bunların 2. kuyuya varış
zamanları (Δt) 2.kuyuda ölçümler yaparak vb. belirlenir. Zeminin porozitesi n ise, k şöyle
hesaplanır.
Tabakalı zeminlerin ortalama geçirimlilik katsayıları
İçinden su akımının olduğu zemin ortam, farklı geçirimlilik katsayılarına sahip, değişik
tabakalardan oluşabilir. Bu tabakalar, yatay, düşey veya eğik olabilir. Su akışı yine yatay,
düşey veya eğik olabilir. Burada sıkça rastlanılan yatay tabakalanma ile yatay ve düşey su
akışları incelenecektir.
a-) Yatay tabakalanma, yatay su akışı
Şekil-95’de, her birinin yatay yönde geçirimlilik katsayıları ve kalınlıkları farklı bir çok yatay
tabakadan oluşmuş zemin kesidi görülmektedir. Su akısı ise yatay yöndedir. Buradaki
problem iki boyutludur. İki boyutlu problemlerde, (Bkz. Şekil-109) problemin şekil
düzlemine dik doğrultudaki uzunluğu sonsuz olup; problemin özellikleri, şekil düzlemine dik
doğrultuda (uzun doğrultuda) sabittir. Bu nedenle, iki boyutlu problemlerde, sonsuz uzunluğa
dik bir kesiti incelemek yeterli olur. Böyle bir kesitte şekil düzlemine dik uzunluk, genellikle
1 birim (1 m., 1 cm. vb.) alınır. Zemin Mekaniğinde pek çok problem yaklaşık iki boyutlu
(sonsuz uzun) olarak kabul edilip, incelenir.
Şekil-95. Yatay tabakalarıma, yatay su akışı.
100
İki boyutlu problemler için çözüm geliştirmek daha kolaydır. Şekil-95’de, sonsuz uzunluğa
dik olan bir kesit görülüyor. Bu kesitin şekil düzlemine dik uzunluğu 1 birim (1 m) olsun.
Zeminden geçen su miktarı, aşağıdaki gibi olur.
q =Σqi = q1 + q2 + q3 + ... + qn
Darcy Yasasını yazarsak,
Σzi1kort iort=z1k1i1+z21k2i2+.....+zn1knin
elde edilir. Her bir tabaka için hidrolik eğim aynıdır. Çünkü hepsinin ortak bir piyezometrik
yüzeyi vardır. Piyezometrik yüzey veya çizgi, akış halindeki yeraltı suyuna, akış
doğrultusundaki çeşitli noktalara batırılan veya batırıldığı düşünülen borulardaki su
düzeylerinin birleştirilmesiyle elde edilen yüzey veya çizgidir. Örneğin L uzunluğu için
hidrolik eğim, aşağıdaki gibi yazılabilir.
Yukarıdaki bağıntılardan yararlanılarak, ortalama geçirimlilik katsayısı aşağıdaki gibi
yazılabilir.
b-) Yatay tabakalanma, düşey akış
Şekil-96 gözönüne alınırsa, süreklilik ilkesi gereği, her bir tabakadan düşey doğrultuda geçen
su miktarı aynıdır.
qort = q1 = q2 = ... = qn
Şekil-96. Yatay tabakalanma, düşey akış.
101
Akış doğrultusunda, toplam piyozometrik yükseklik farkı, aşağıdaki gibi yazılabilir.
Δh = Δh1 + Δh2 + ... + Δhn
Hidrolik eğim ve Darcy Yasası yazılarak, bağıntı aşağıdaki gibi yazılabilir.
Aort = A1 = A2 = ... = An olduğu için,
elde edilir.
Örnek Problemler
Problem-1) Diğer bilgilerin Şekil-97’de verildiği sabit düzeyli geçirimlilik deneyinde, 10
dakikada 450 cm3 su, 10 cm çaplı zemin örneğinden geçerek kapta toplanmıştır. Zeminin
geçirimlilik katsayısı, k’yı belirleyiniz.
Şekil-97. Problem-1.
Problem-2) Düşen düzeyli bir geçirimlilik deney düzeninde (Bkz. Şekil-88), su düzeyinin
düştüğü borunun çapı 0,9 cm. zemin örneğinin çapı 11 cm, boyu ise 12 cm’dir. Deney
başlangıcında 135 cm olan su yüksekliği, 10 dakikada 15 cm alçalmıştır. Zeminin geçirimlilik
katsayısını hesaplayınız. Su düzeyinin deney başlangıcından itibaren 30 cm. düşmesi için ne
kadar zaman geçmelidir?
102
Problem-3) Diğer bilgilerin Şekil-98’de verildiği durumda, açılan deney kuyusundan, 0,18
m3/dakikalık bir sabit debi ile su çekiliyor. Kararlı dununda, deney kuyusunun merkezinden
itibaren 12 m. ve 24 m. uzaklıklarda açılan iki gözlem kuyusundaki su düzeyleri, yatay zemin
yüzünden itibaren sıra ile 9,8 m ve 7,7 m aşağıdadır. Zeminin geçirimlilik katsayısını
hesaplayınız.
Şekil-98. Problem-3.
Problem-4) Diğer bilgilerin Şekil-99’da verildiği zeminde, yeraltı su akışı doğrultusunda
açılan iki kuyudan, 1. sinden bırakılan boya, 2. kuyuya 370 dakikada ulaşmıştır. İki kuyudaki
su düzeyleri arasındaki düşey fark 2,4 m. olduğuna göre, zeminin geçirimlilik katsayısını
hesaplayınız.
Şekil-99. Problem-4
Problem-5) Düşey enkesiti Şekil-100’de verilmiş olan zeminde, şekil (kağıt) düzlemine dik
uzunluğu büyük (sonsuz) olan bir hendek açılmış, hendek boyunca sabit bir debi ile su
çekilmiştir. Kararlı durumda, hendeğe dik doğrultuda açılan iki gözlem kuyusunda, su
düzeyleri, zemin yüzünden itibaren l. kuyuda 4 m., 2. kuyuda 3 m., aşağıda olarak
ölçülmüştür. Hendeğin 1 m. uzunluğundan çekilen suyun debisi 3 m3/dk olduğuna göre,
zeminin geçirimlilik katsayısını hesaplayınız.
Şekil-100. Problem-5
103
Problem-6) Diğer bilgilerin Şekil-101’de verildiği basınçlı yeraltı suyu durumunda, açılan
kuyudan 1,2 m3 /dakika’lık sabit bir debi ile su çekilmektedir. Kararlı denge durumunda, 2.
gözlem kuyusundaki su düzeyi, A-A düzeyinden itibaren 10,8 m’dir. 1. kuyudaki su düzeyi,
zemin yüzünden itibaren ne kadar aşağıda olur?
Şekil-101. Problem-6.
Problem-7) Diğer bilgilerin Şekil-102’de verildiği basınçlı yeraltı suyu durumunda, şekil
düzlemine dik uzunluğu çok büyük olan bir hendek açılmış ve hendek boyunca sabit bir debi
(üniform çizgisel debi) ile su çekilmiştir, Kararlı durumda, hendeğe dik doğrultu boyunca
açılan iki gözlem kuyusundaki su düzeyleri, zemin yüzünden itibaren, 1. kuyuda 4,8 m, 2.
kuyuda 3,2 m’dir. Hendeğin birim uzunluğundan, çekilen debi 2,3 m3/dakika olduğuna göre,
zeminin geçirimlilik katsayısın hesaplayınız.
Şekil-102. Problem-7.
104
Problem-8) Diğer bilgilerin Şekil-103’de verildiği, sabit düzeyli düzende, su, farklı iki
zeminden geçerek, bir kapta toplanmaktadır. 15 dakikada, kapta 2583,4 cm3 su toplandığına
göre, B ve C noktalarına batırılan borulardaki su yükseklikleri ne kadar olur?
Şekil-103. Problem-8.
Problem-9) Diğer bilgilerin Şekil-104’de verildiği, sabit düzeyli durumda, geçirimlilik
katsayıları farklı iki zemin kullanılmıştır. 50 sn’de kapta toplanan su miktarı 648 cm3
olduğuna göre, diğer zeminin geçirimlilik katsayısını bulunuz. Deney düzeninin şekil
düzlemine dik uzunluğu sabit olup, 30 cm’dir.
Şekil-104. Problem-9.
105
Problem-10) Diğer bilgilerin Şekil-105’de verildiği basınçlı yeraltı suyu durumunda, açılan
deney kuyusundan sabit bir debi ile su çekilerek, kararlı durumda iki gözlem kuyusundaki su
düzeyleri ölçümleri verilmiştir. Kuyudan çekilen debi ne kadardır?
Şekil-105. Problem-10.
Problem-11) Diğer bilgilerin Şekil-106’da verildiği durumda, hacim bölümlü kapta 8
dakikada 624 cm3 su toplanmaktadır. k2’yi bulunuz. Deney düzeninin şekil düzlemine dik
uzunluğu 25 cm olup, şekildeki kesit değişmemektedir.
Şekil-106. Problem-11
106
ZEMİNDE SU AKIMLARI
Giriş
İnşaat Mühendisliğinde, zemin içindeki su akımları ile birçok durumda karşılaşılır. Toprak
yapılar (toprak baraj, toprak dolgu vb.) içinden suların sızması, yapıların (baraj, regülatör vb.)
altından suların sızması, açılan ve su çekilen çukurlara suların sızması vb. yeraltında oluşan
su akışlarına (akımlarına) örnek olarak verilebilir (Şekil-107).
Şekil-107. İnşaat Mühendisliğinde su akımlarına örnekler.
Bernoulli bağıntısına göre, zemin içindeki yeraltı su akımı durumunda, herhangi bir noktadaki
toplam yükseklik (yük, potansiyel, potansiyel enerji, hidrolik potansiyel vb.), aşağıdaki üç
bileşenden oluşur (Şekil-108).
h: toplam yükseklik, z: yer (konum) yüksekliği, u/γsu: hsu boşluksuyu basınç yüksekliği, v2/2g;
hız yüksekliği
107
Kıyas (karşılaştırma, atıf, referans) düzlemi, herhangi bir yatay düzlemdir. Kıyas düzlemi,
düşünülen noktanın altında ise, yer yüksekliği, z +, üstünde ise z - olarak alınır. Yeraltı su
akımlarının hızı göreli olarak küçük olduğu için, hız yüksekliği ihmal edilir. Böylece, yeraltı
su akımları için toplam yükseklik, h, aşağıdaki biçimi alır.
Buna göre, Şekil-108’deki A ve B noktalarındaki toplam yükseklikler aşağıdaki gibi olur.
Şekil-108. Toplanı yükseklik ve ilgili terimler
Burada tekrar edilirse, zemin içindeki yeraltı su akımı üzerindeki iki nokta arasındaki hidrolik
eğim, aşağıdaki gibi yazılır.
iAB: Akım yolu üzerindeki A ve B noktaları arasındaki hidrolik eğim, ΔhAB: A ve B noktaları
arasındaki hidrolik yük farkı veya toplam yükteki azalma, LAB: A ve B noktaları arasındaki
akım (akış) yolu uzunluğu. Akım (akış), ancak, hidrolik yük farkı mevcut ise meydana gelir.
108
İki boyutlu akımın denklemi
Zemin Mekaniğinde bazı incelenen durumlarda uzunluk, diğer iki boyuta göre çok daha
büyük olur. Böyle durumlarda, uzunluğa dik bir kesiti (Genellikle de 1 birim (m, cm, mm
vb.)) incelemek yeterli olur.
Çünkü olay, uzunluğa dik düzlemde meydana gelir. Diğer bir deyişle olayın özellikleri
uzunluk boyunca değişmez. Böylece 3 boyutlu olay, iki boyutlu (düzlemsel) duruma gelir. İki
boyutlu durumları incelemek daha kolaydır. Bazen 3 boyutlu olaylara bazı katsayılarla geçilir.
İki boyutlu durumlara aşağıdaki örnekler verilebilir (Şekil-109).
Şekil-109. Zemin Mekaniğinde tipik iki boyutlu durumlar.
İki boyutlu akımın (Şekil-110) temel denklemini elde etmek için şu kabuller yapılır:
1-) Doygun boşluklu ortam sıkışmazdır. Başka bir deyişle, boşluklar, zamanla değişmez.
2-) Su akımlarında Darcy Yasası geçerlidir. 3-) Zemin anizotroptur (kx≠ky).
Şekil-110. İki boyutlu akım.
109
Böyle bir akımda, şekil düzlemine dik uzunluğu 1 birim olan ∆x, ∆y boyutlu bir eleman
düşünelim. vx ve vy, x ve y doğrultusunda elemana giren suyun hızları olsun. Çıkış hızları da
sırayla, vx+(∂vx/∂x)∆x ve vy+(∂vy/∂vy)∆y olsun. Süreklilik denklemi gereği, elemana giren su,
elemandan çıkan suya eşit olmalıdır.
Yukarıdaki bağıntı sadeleştirilirse,
süreklilik denklemi elde edilir. Darcy Yasasına göre.
dir. Burada kx ve ky sırayla. x ve y doğrultusundaki geçirimlilik katsayılarıdır. Yukarıdaki
bağıntılarda yerine konulursa,
elde edilir. İzotrop zemin için kx=ky=k olduğundan, yukarıdaki bağıntı aşağıdaki gibi
yazılabilir.
Φ=kh’ye potansiyel fonksiyonu denilirse. Yukarıdaki bağıntı aşağıdaki şekli alır.
Bu bağıntı, iki boyutlu akımlar için Laplace Denklemi diye bilinir. Bağıntı çeşitli yöntemlerle
(analitik, nümerik, elektriksel analoji, grafik, deneysel vb.) çözülebilir. Burada sadece grafik
(akım ağı ile) çözüm açıklanacaktır.
110
Grafik çözüm: Akım ağı
Akım ağı, akım çizgileri ve eş potansiyel çizgilerinden oluşur (Şekil-111).
Şekil-111. Akım ağı
Akım çizgisi, suyun ortalama akış yolunu gösteren çizgidir. İki akış çizgisi arasındaki aralığa,
akım kanalı denilir. Eşpotansiyel çizgisi, akış ortamında, aynı piyezometrik yatay düzeye
sahip noktaları birleştiren çizgidir. Bir eşpotansiyel çizgisi üzerine batırılan bütün borulardaki
su yüksekliği, aynı yatay düzlemdedir (Şekil-111). Akım ağı, ölçekli çizilmiş bir şekil
üzerinde, deneme-yanılma ile oluşturulur. Akım ağının bazı özelikleri vardır. Bunlar: 1-)
Akım çizgileri ve eşpotansiyel çizgileri birbirini dik olarak keserler. 2-) Oluşturulan
elemanlar, yaklaşık kare biçimlidirler. Bu elemanlar içine çizilen bir daire, elemanın 4
kenarına birden teğet olur. 3-) Her bir akım kanalından geçen su miktarı, birbirine eşittir. 4-)
Eşpotansiyel çizgiler arasındaki potansiyel düşüşleri, birbirine eşittir. 5-) Geçirimsiz sınırlar
birer akım çizgisidir. 6-) Su altındaki serbest zemin yüzeyleri birer eşpotansiyel çizgisidir.
Akım ağının kullanılması
Akım ağı; sızan su miktarlarının, akış durumunda boşluksuyu basıncının ve hidrolik eğimin
hesaplanmasında kullanılır.
a-) Sızan su miktarının hesaplanması
Akım ağındaki herhangi bir elemanı göz önüne
alalım (Şekil-112). Elemanın şekil düzlemine
dik uzunluğu 1 birim olsun.
Şekil-112. Akım ağındaki herhangi bir eleman.
111
Ardışık iki eşpotansiyel çizgi arasındaki düşme, (Δh veya ΔH aşağıdaki gibi yazılabilir
H: Akıma (akışa) neden olan toplam hidrolik yük farkı, Ne: eşpotansiyel düşmelerin sayısı.
Bir akım kanalından geçen suyun debisi, Δq,
olur. Akım kanallarının toplam sayısı Na ise, sızan suyun miktarı,
olur. Problemin şekil düzlemine dik uzunluğu L ise, toplam debi.
olur.
b-) Akış durumunda boşluksuyu basıncının belirlenmesi
Akış halindeki suyun herhangi bir yüzeye uyguladığı basıncın dağılışı, durgun (statik) haldeki
suyunkinden farklılık gösterir. Akışın olduğu ortamda herhangi bir noktadaki su basıncı
(boşluksuyu basıncı, nötr gerilme vb ), u, aşağıdaki gibi hesaplanır (Şekil-113).
u = hsu.γsu
hsu = ho - ΣΔH ± z
hsu: ilgili noktadaki piyezometrik su yüksekliği, ho: başlangıçtaki toplam yük (potansiyel),
ΣΔH: başlangıçtan itibaren düşünülen noktaya kadar meydana gelen potansiyel düşmelerinin
toplamı, z: noktanın yer yüksekliği.
a-) Nokta, kıyas düzleminin üstünde ise (Şekil-113a)
hsu = ho - ΣΔH - z
b-) Nokta, kıyas düzleminin altında ise (Şekil-113b)
hsu = ho - ΣΔH + z
olur.
112
Kıyas düzlemi, herhangi bir yatay düzlem olup, alçak su düzeyi olarak alınması uygun olur.
Bilindiği gibi boşluksuyu basıncı, her yöne etkiyen bir basınç olup, yüzeye dik olarak etkir.
Şekil-113. Biı noktadaki boşluksuyu basıncı
c-) Hidrolik eğimin bulunması
İçinden su akımı olan zemin ortamın herhangi bir kısmında hidrolik eğim, akım ağından
yararlanarak hesaplanabilir. Akım doğrultusunda seçilen iki nokta arasındaki hidrolik eğimi
hesaplamak için, noktalar arasındaki potansiyel farkı veya düşmesi (ΔHAB) akım ağından
hesaplanır. Noktalar arasındaki uzaklık (LAB). Ölçekli çizilen şekilden ölçülerek vb. belirlenir.
Akım kuvveti ve kaynama
Su zemin içinde akarken, akış yönünde zemini sürüklemek ister, zemine akış yönünde bir
kuvvet uygular. Akışın yer aldığı ortamda, akım doğrultusunda kenar uzunluğu a olan bir küp
düşünelim (Şekil-114).
Şekil-114. Akım kuvveti.
Elemanın 1-1 ve 2-2 yüzeylerine etkiyen su kuvvet farkı, Δh γsu a2 olup, bu fark; durgun ve
akış durumları arasındaki farkı yansıtır. Bu kuvvet farkı, elemana akış doğrultusunda etkir.
Birim hacme gelen kuvvet, akım kuvveti, j olarak tanımlanır.
Eleman boyunca hidrolik eğim Δh/a olduğu için, akım kuvveti,
j = i γsu
olur.
113
Zeminin içindeki su akımlarında, çıkış bölgelerinde, akım yönü, yukarı doğru ise (Şekil-115),
kaynama (boiling) denilen olay olabilir. Daha çok kumlu zeminlerde meydana gelebilen
kaynama olayında; zemin, ağırlıksız ve bir sıvı gibi davranır, taşıma gücü sıfıra yakın olur ve
üzerindeki her türlü ağırlık (insan, araç, gereç vb.) zemine gömülür. Bu durum tehlikeli olup,
önlenmelidir.
Şekil-115. Kaynama bölgeleri.
Kaynama anında, zemine etkiyen düşey kuvvetlerin dengesi yazılırsa ve γd≈2 gr/cm3 alınırsa
(Şekil-116).
Şekil-116. Kaynama olayı.
kritik hidrolik eğim (icr) elde edilir. Kaynama olan bölgedeki hidrolik eğime, kritik hidrolik
eğim denilir. Kaynama olayının oluştuğu zemine, akıcı kum (kaynayan kum) denilir. Akıcı
kum, bir kum türü olmayıp, kaynama olayı etkisinde kalan kuma verilen bir addır. Çıkış
bölgelerinde kaynama olup olmadığı, akım ağları kullanılarak araştırılır. Bunun için, çıkış
bölgesinde (belli bir uzunlukta), potansiyel farkı, akım ağı ile hesaplanır. Bu farkın, uzunluğa
bölünmesiyle o bölgedeki hidrolik eğim belirlenir. Bulunan hidrolik eğim, o zemin için
tanımlanan kritik hidrolik eğim ile karşılaştırılır. Kritik hidrolik eğim, aşağıdaki gibi de ifade
edilebilir.
114
Kaynama olayını önlemek için; ya akım yolu uzunluğu artırılır veya kaynama riskli bölge
üzerine, ağırlık filtresi oluşturulur. Akım yolu uzunluğu, palplanş perdesi veya zemin yüzüne
geçirimsiz örtü (battaniye) (Beton ile kaplama, enjeksiyon uygulama vb.) oluşturarak
artırılabilir (Şekil-117).
Şekil-117. Akım yolu uzunluğunun artırılması.
Kaynama riskli bölgenin üzerine; suyu geçiren, ancak zemin tanelerini geçirmeyen bir zemin
tabakası (ağırlık filtresi) oluşturulursa, kaynama olayı önlenebilir.
Suya doygun taneli zeminlerde, kaynama olayına benzer olan bir diğer olay da sıvılaşmadır
(liquefaction). Özellikle gevşek veya gevşeğe yakın böyle zeminlerde, deprem vb. etkilerle
oluşan titreşimlerin etkisi ile daha sıkı dizilişe geçen taneler arasındaki suyun bir kısmı, düşük
geçirimlilikten dolayı hızla kaçamayarak, boşluksuyu basıncının artmasına yol açar. Toplam
gerilme sabit kalırken, artan boşluksuyu basıncı efektif gerilmeyi sıfır yaparak (σ'=σ-u),
zeminin adeta bir sıvı gibi davranmasına yol açar. Taşıma gücü sıfır olan böyle zeminlerde,
yapılar zemine gömülür, yan yatar; zeminde gömülü yapılar yüzerek yüzeye çıkar. Bu olay,
kil (taneleri yapışık) ve iri çakıllarda (geçirimliliği yüksek) görülmez. Bu olayı önlemek için,
sıvılaşacak zemin ıslah edilir (sıkılığı artırılır vb.) veya kazıklı temel yapılır.
Borulanma (Piping)
Su zeminden çıkarken, zemin tanelerini de sürükleyerek götürebilir (Şekil-118). Su ile
zeminden, tanelerin uzaklaşması sonucu, zeminde iç erozyon (oyulma, boşluklar) oluşur
(Şekil-118). Bu olaya borulanma denilir.
Şekil-118. Borulanma olayı.
115
İlerleyen borulanma olayları, tüm toprak yapının göçmesine, yıkılmasına neden olabilir.
Borulanmayı önlemek için filtreler oluşturulur. Drene olan zemine göre, daha iri taneli
malzemeden oluşan filtre; suyu kolaylıkla geçirir. Ancak, zemin tanelerini geçirmez. Filtre
zemini veya malzemesi, başlıca iki koşulu sağlamalıdır, a-) Filtre zeminindeki boşluklar,
drene olan zeminin tanelerinin kendisine girmesine veya girip geçmesine izin vermeyecek
büyüklükte (Üst sınır) olmalıdır (borulanma koşulu), b-) Filtre zemindeki boşluklar, drene
olan suyu serbestçe geçirebilmelidir (geçirimlilik koşulu) (Alt sınır).
Araştırmalar sonucu, geçirimlilik koşulu için,
D15 (filtre) ≥ 5D15 (zemin)
borulanma koşulu için,
D15 (filtre) ≤ 5D85 (zemin)
önerilmiştir. Filtre zemininin (malzemesinin) granülometri eğrisi, genellikle zeminin
granülometri eğrisine paralel (ötelenmiş) olup, iki sınır arasında yer alır (Şekil-119).
Şekil-119. Filtre sınırları.
Filtreler bazen bir kaç değişik tabakadan oluşur. Böyle filtrelere, dereceli (çok tabakalı) filtre
denilir.
Tabakalı filtrelerde, birbirine sınır iki tabaka arasında, yukarıdaki filtre kriterleri uygulanır.
Filtrelerin, inşaat mühendisliğinde pek çok uygulaması vardır (Şekil-120).
116
Şekil-120. Değişik filtre uygulamaları.
Son yıllarda, filtre için taneli zemin kullanmaya bir seçenek olarak, jeotekstiller (veya
jeosentetikler) kullanılmaktadır. Bu amaçla kullanılan jeotekstiller, sentetik malzemeden
yapılan gözenekli örtü, plaka vb. dir.
Örnek problemler
Problem-1) Diğer bilgilerin Şekil-121’de verildiği durumda, 200 m2 taban alanlı havuzdan
bir günde kaç m3 su sızar?
Şekil-121. Problem-1.
117
Problem-2) Diğer bilgilerin Şekil-122’de verildiği durumda, su yapısının altında su akımı
vardır. a-) Uzunluğu 275 m. olan su yapısının altından, dakikada ne kadar su sızar? b-) Su
yapısını kaldıran toplam su kuvvetini bulunuz. Şekil ölçekli çizilmiştir. Zemin için k=6,5x10 -4
m/sn’dir.
Şekil-122. Problem-2.
Problem-3) Diğer bilgilerin Şekil-123’de verildiği palplanş perdesinin altından su akımı
vardır. Perdenin her iki yanına gelen yanal su basınçlarının dağılışını çiziniz. Şekil ölçekli
çizilmiştir.
Şekil-123. Problem-3.
118
Problem-4) Diğer bilgilerin Şekil-124’de verildiği durumda, çapı 10 cm. olan zemin
örneğinde, kaynama olmaması için H en çok ne kadar olabilir?
Şekil-124. Problem-4.
Problem-5) Diğer bilgilerin Şekil-125’de verildiği durumda, MN arasında kaynama olması
için yüksek su düzeyi tarafındaki su derinliği ne kadar olmalıdır? Şekil ölçekli çizilmiştir.
Şekil-125. Problem-5.
119
KOMPAKSİYON (SIKIŞTIRMA)
Giriş
Kompaksiyon; zeminin, tabaka tabaka serilerek, silindirleme, vibrasyon (titreşim) uygulama,
tokmaklama gibi işlemlerle sıkıştırılmasına denilir. Bu işlemlerle, zemin taneleri daha az
boşluklu yerleşerek, zeminin boşluk oranı azaltılır. Zemin taneleri ve taneler arasındaki su
pratik olarak sıkışmazdır. Sıkışma kısa sürede (ani) olur. Yol, havaalanı, toprak baraj, toprak
dolgu inşaatlarında, zemin belli bir kalınlıkta (birkaç desimetre) serilerek, belli bir su
içeriğinde, uygun bir sıkıştırma aracı ve bir kaç geçiş ile sıkıştırılır.
Kompaksiyon ile genel olarak şu yararlar sağlanır. 1-) Zeminin taşıma gücü artırılır.
2-) Zeminin geçirimliliği azaltılır, zemine daha kararlı bir yapı kazandırılır. Böylece zeminin
su alarak, hacim değişikliklerine uğraması azaltılır. 3-) Zeminin sabit, hareketli, dinamik
yükler altında yapacağı oturmalar azaltılır.
Proktor deneyi
Sıkıştırılmış (kompaksiyona tabi tutulmuş) bir zeminde. kompaksiyonun (sıkıştırılmışlık
durumunun) ölçüsü, o zemine ait kuru birim hacim ağırlığıdır. Kum birim hacım ağırlığı ne
kadar büyükse, o zemin o kadar iyi sıkıştırılmış demektir. Sıkıştırılmış bir zemin için yaş
(ıslak) ve kuru birim hacım ağırlıklar yazılıp (Bkz. Şekil-47), birbirine bölünürse,
kompaksiyonun temel bağıntısı elde edilir.
Proctor (1933), sıkıştırılmış, bir zeminde, su içeriği ile kuru birim hacim ağırlığı arasında,
Şekil-126’da gösterilen ilişkiyi ortaya çıkarmıştır.
120
Şekil-126. Sıkıştırılmış bir zeminde γk-w ilişkisi.
Bir zemin, sabit (belli) bir kompaksiyon enerjisi ile değişik su içeriklerinde sıkıştırıldığında;
Şekil-126’da görüldüğü gibi, artan su içeriği ile kuru birim hacim ağırlığı önce artmakta,
maksimum bir değere ulaşmakta, sonra da azalmaktadır. Bu ilişki şöyle açıklanabilir. 1.
bölgede, zeminde yeterli su bulunmadığı için, tanelerin daha az boşluklu yerleşmek üzere
hareket etmeleri, taneler arası sürtünme kuvvetlerinden dolayı zordur. Çünkü, su taneler arası
bir tür yağlama etkisi yapmaktadır. 3. bölgede zeminde fazla su bulunduğundan ve suyun da
pratik olarak sıkışmaz olmasından dolayı, yine zeminin boşluk hacmi fazla
azaltılamamaktadır. 2. bölgede sıkışma en yüksek olmakta, kuru birim hacim ağırlık
maksimum değere ulaşmaktadır. Kuru birim hacim ağırlığının (diğer bir deyişle sıkıştırmanın)
en yüksek olduğu durumdaki su içeriğine, optimum su içeriği denilir. En iyi sıkıştırma,
optimum su içeriğinde elde edildiği için, arazideki sıkıştırma; sıkıştırılacak zeminin optimum
su içeriğine sahip olması sağlanarak yapılır. Bir zeminin optimum su içeriği, laboratuvarda
yapılan proktor (kompaksiyon) deneyi ile belirlenir.
Standart proktor deneyinde; iç çapı 10,2 cm, yüksekliği 11,7 cm olan metal bir silindir
kullanılır (Şekil-127).
Şekil-127. Standart proktor deneyi.
121
Bu kaba, bir yaka geçici olarak eklenir. Deney için, kurutulmuş, tanelenmiş birkaç kg’lık
zemin kullanılır. Zemine bir miktar su katılarak iyice karıştırılır. Böylece hazırlanan zemin, 3
tabaka halinde ve her bir tabaka, 30,5 cm’den serbestçe düşen 2,5 kg. ağırlığındaki bir
tokmakla (Şekil-127), 25 vuruş ile sıkıştırılır. Yaka çıkarılır; fazla zemin kesilerek
uzaklaştırılır. Kabın üzeri düzlenir. Kabın içindeki zemmin yaş ağırlığı belirlenir. Buradan yaş
(ıslak) birim hacim ağırlık (γn1) hesaplanır. Kap içindeki zemin çıkarılır. Bundan bir miktar
alınarak, su içeriği belirlenir (w1). İlgili bağıntıdan kuru birim hacim ağırlık (γk1) hesaplanır.
Deney, aynı zemin üzerinde, değişik (artan) su içeriklerinde 4-5 kez tekrarlanır. Deney
sonuçları, γk-w eksen takımında işaretlenerek, ilgili eğri çizilir. Bu eğrinin tepe noktasından.
wopt ve γkmax. elde edilir.
γk-w eksen takımında sabit bir doygunluk derecesi (Sr=sabit) için teorik olarak çizilen eğri
çizgiye, doygunluk çizgisi denilir (Şekil-128). Sr bağıntısından e çekilirse,
elde edilir. e bağıntısı, γk bağıntısında yerine konulursa,
elde edilir. Zeminin tane birim hacim ağırlığı bilinirse, yukarıdaki bağıntı, Sr=sabit (% 100,
90, 80 vb.) değerler için γk-w eksen takımında çizilerek çeşitli doygunluk çizgileri elde edilir
(Şekil-128).
Şekil-128. Doygunluk çizgileri.
Doygunluk çizgileri ile, deneysel eğrinin herhangi bir noktasında, özellikle tepe noktasındaki
doygunluk durumu öğrenilmiş olur.
122
Ağır yükler etkisindeki yol, havaalanı vb. dolgular için, ağır (değiştirilmiş) proktor deneyi
yapılır. Ağır proktor deneyi, standart proktor deneyine benzer olarak yapılır. Ağırda zemin 5
tabaka olarak sıkıştırılır. Ağırda kullanılan tokmak ağırlığı 4.5 kg. olup, 45 cm yükseklikten
serbestçe düşer. Her iki deneyde de, aynı kap kullanılır.
Arazide kompaksiyon
Sıkıştırma için belirlenen veya hazırlanan zemin, kullanılacak sıkıştırma aracına vb. bağlı
olarak belli bir kalınlıkta (bir kaç desimetre vb.) serilir. Zeminin su içeriği, laboratuvarda
belirlenen optimum su içeriğine getirilir. Bunun için zemine bir miktar su katılır veya zemin
karıştırılarak, havada bir miktar kurutulur. Sonra, zemin cinsine uygun bir sıkıştırma aracı ile
uygun sayıda geçişlerle sıkıştırma yapılır. Sıkıştırma araçları başlıca 3 tip olabilir. 1)
Silindirler (düz, keçi ayaklı, lastik tekerlekli vb.), 2) Vibratörler (silindir, plaka, kiriş vb.), 3)
Tokmaklar (sıçrayan kurbağa tokmaklar vb.). Genel olarak taneli zeminler için düz silindirler,
vibratörler; kohezyonlu zeminler için, keçi ayaklı silindirler, lastik tekerlekli (pnömatik)
sıkıştırıcılar; her iki cins zeminler için ise tokmaklar, sınırlı alanlarda uygundur.
Arazide yapılan kompaksiyon, rölatif (göreli, izafi) kompaksiyonla kontrol edilir. Rölatif
kompaksiyon Rc aşağıdaki gibi tanımlanır.
Rc, yüzdeli birimsiz bir sayıdır. İşin özelliğine göre uygulamada seçilerek (% 90, 95 vb.),
kontrol edilir. Taneli zeminlerde, rölatif sıkılık (Dr) ile rölatif kompaksiyon (Rc) arasında bazı
ilişkiler verilmiştir (Şekil-129).
Şekil-129. Dr ile Rc arasındaki ilişki
Araziye ait kuru birim hacim ağırlığını hesaplamak için gerekli olan yaş birim hacim ağırlığı
(γn) ve Su içeriği (w) önceki bölümlerde açıklanan çeşitli yöntemlerle veya özellikle bazı hızlı
yöntemlerle belirlenir.
Arazideki kompaksiyon, ayrıca Proktor iğnesi ile de kontrol edilebilir. Bu aletin ucuna,
değişik alanlı uçlar takılabilir ve zemine batırmak için uygulanan yük, bir yay aracılığıyla
ölçülür (Şekil-130).
123
Şekil-130. Proktor iğnesi ve kalibrasyon eğrisi.
Laboratuvarda yapılan proktor (kompaksiyon) deneyleri sırasında, iğne, kalıpta sıkıştırılmış
zemine belli miktarda sokularak, batma direnci ölçülür. Böylece, w-batma direnci ilişkisi
çizilir (Şekil-130, kalibrasyon eğrisi). Bu kalibrasyon ilişkisi kullanılarak, arazide ölçülen
batma direncinden, arazideki su içeriği kolayca belirlenir.
Kompaksiyonun Bağlı Olduğu Etmenler
Kompaksiyon birçok etmene bağlıdır. Bunlardan başlıcalar, aşağıdaki gibi açıklanabilir.
a) Su İçeriği
γk-w ilişkisi, Proktor deneyinde açıklanmıştır.
b) Kompaksiyon Enerjisi
Aynı zemin için daha büyük kompaksiyon enerjisi: daha yüksek kuru birim hacim ağırlığı,
daha düşük optimum su içeriği verir (Şekil-131).
124
Şekil-131. Kompaksiyon enerjisinin kompaksiyona etkisi
c-) Zemin cinsi ve granülometri eğrisi
Çeşitli zeminler için ortalama kompaksiyon eğrileri, Şekil-132’de görülmektedir. İyi
derecelenmiş zemin, kötü derecelenmiş zemine göre daha yüksek γkmax’a sahip olur.
Şekil-132. Çeşitli zeminler için tipik γk-w ilişkileri.
125
Örnek problemler
Problem-1) Kumlu kil bir zemin üzerinde, Standart Proktor deneyi yapılmıştır. Deney
sonuçları Tablo-18’de verildiğine göre, bu zemin için optimum su içeriğini belirleyiniz. Sr=%
90 doygunluk çizgisini çiziniz. Zeminin tane birim hacim ağırlığı 2,70 gr/cm3’tür.
Tablo-18. Problem-1 için deney sonuçları.
Problem-2) İç çapı 10,2 cm, iç yüksekliği 11,7 cm olan kompaksiyon kabı ile bir zemin
üzerinde kompaksiyon deneyleri yapılmış ve Şekil-133’deki kompaksiyon eğrisi elde
edilmiştir. Şekildeki A noktasına ait deneyde, kompaksiyon kabında ne kadar yaş zemin
bulunmaktaydı.
Şekil-133. Problem-2