ZEMİNLERİN OLUŞUMU ve ZEMİN MEKANİĞİ KAVRAMI

ZEMİNLERİN OLUŞUMU
ve
ZEMİN MEKANİĞİ KAVRAMI
Dünyamızın yüzeyi zemin veya kaya olarak nitelendirilen doğal
malzemeler ile kaplanmıştır. Kayaların ve zeminlerin oluşumlarını,
özelliklerini ve değişik çevre ve yüklenme koşulları altında
davranışlarını inceleyen bilimlere genel olarak yer bilimleri adı
verilmektedir.
Yeryüzünün 4,5 milyon yıllık tarihi boyunca dağların meydana gelişi,
ayrışma ve erozyona uğraması, bunun sonucu ortaya çıkan
malzemelerin taşınması, değişik çevre koşulları altında çökelmesi,
sıkışması ve çimentolaşması ile farklı formasyonların meydana gelmesi
ve bunların çeşitli devirlerde uğradığı değişimler jeoloji biliminin
konuları arasında yer almaktadır.
Zemin olarak nitelendirilen malzemeler ise esas olarak kayaların çevre
koşulları etkisi altında ayrışması ve parçalanması sonucu meydana
gelmektedir. Bazı durumlarda organik maddeler de zeminlerin
bileşenlerinden birini oluşturmaktadır.
Kayaların ayrışmasına yol açan etkenler mekanik ve kimyasal olarak iki
ayrı grup içinde düşünülebilir. Isı farklılıkları, don, rüzgar, su ve bitki
köklerinin etkisi gibi fiziksel nedenlerin yol açtığı mekanik ayrışma
sonucu kayalar parçalanmaktadır. Kayaların içinde yer alan bazı yarı
duraylı mineraller ise kimyasal ayrışmaya uğrayarak birtakım ikincil
minerallere dönüşmektedir.
AYRIŞMA-YIPRANMA MEKANiZMALARI
• Ayrışma: Kimyasal bozulmayı temsil eder.
• Yıpranma: Fiziksel ve mekanik bozulmayı
temsil eder.
KİMYASAL AYRIŞMA
• Hidrasyon-Dehidrasyon
• Hidroliz
• Oksidasyon
• Karbonatlaşma
Hidrasyon-Dehidrasyon
• Su içermeyen bir mineralin sulu hale
dönüşmesi hidrasyon, su içeren bir mineralin
suyunu kaybetmesi ise dehidrasyon
reaksiyonlarıdır.
Hidroliz
• Bir mineraldeki katyonların hidrojen iyonu ile
yer değiştirerek su içerisindeki ayrışmasını
sağlayan kimyasal reaksiyon hidroliz olarak
tanımlanır.
• Bu reaksiyonla mineralin atomik yapısı
değişir ve yeni bir mineral oluşur
Oksidasyon
• Kayaç bileşiminde yer alan minerallerin
oksijenle birleşmesi sonucu meydana gelen
kimyasal değişimdir.
4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
Demir
Hematit
(Fe2+)SiO3 + O2 + 2H2O → Fe3+ (OH-)3 + H4SiO4
Piroksen
Limonit
Oksidasyon
Karbonatlaşma
• Karbonatlı kayaçların havadaki ya da suda
çözünmüş CO2 ile olan reaksiyondur.
• Bu reaksiyon özellikle kireçtaşlarındaki
karsttik yapıların gelişmesinde oldukça
etkilidir.
• CaCO3 + CO2 + H2O = Ca 2(HCO3)
Karbonatlaşma
Kayaların ayrışması sonucu oluşan daneler, ana kayanın
bulunduğu yerde kalarak zemin tabakaları oluşturabildiği
gibi, birçok durumlarda rüzgar, su ve hareket eden
buzullar gibi kuvvetlerin etkisi altında çok uzaklara kadar
taşınabilmekte ve belirli bölgelerde çökelerek zemin
tabakalarının oluşmasına yol açabilmektedir. Birinci tür
zemin tabakalarına yerinde oluşmuş zeminler, ikinci
türden olanlara ise taşınmış zeminler adı verilmektedir.
ZEMİN MEKANİĞİNİN KONUSU
İnşaat faaliyetleri sırasında karşımıza çıkan zemin
tabakalarının mühendislik özelliklerini incelememiz
gerekmektedir.
Diğer mühendislik malzemelerinde olduğu gibi, zeminlerin
davranışını incelerken de mekanik bilimin kavramlarından
ve yöntemlerinden yararlanmamız mümkün olmaktadır.
Yalnız zeminlerin sürekli bir katı ortam değil
fakat danelerden oluştuğu ve bu danelerin arasında hava
ve/veya su bulunduğu hususunu göz önüne almamız
gerekmektedir.
Zemin-su etkileşimi ve zemin içinde suyun hareket edebilme özelliği,
zeminlerin mühendislik davranışı üzerinde büyük oranda etkili
olmaktadır.
Dolayısıyla, zemin davranışını incelerken hidrolik biliminin kavram ve
yöntemlerinden de yararlanmamız gerekli olmaktadır.
Yukarıdaki gözlemlerin ışığı altında zemin mekaniği, zemin olarak
nitelendirilen doğal malzemelerin davranışlarını mekanik ve hidrolik
prensiplerinden yararlanarak inceleyen bilim dalı olarak tanımlanabilir.
Zeminler, doğal bir malzeme olmaları ve katı, sıvı, gaz gibi
üç değişik fazda bileşenlerden meydana gelmeleri nedeni
ile, diğer malzemelerine göre davranışlarının anlaşılması
daha zor bir malzeme oluşturmaktadırlar.
Zeminler, genel olarak, homojen ve izotrop olmayan ayrıca
özellikleri çevre koşullarına, jeolojik tarihçesine ve zamana
bağlı olarak büyük değişiklikler gösteren malzemeleridir.
Zemin özelliklerinin her proje sahası için deneysel olarak
belirlenmesi ve bu yapılırken arazide geçerli olacak
koşulların dikkatle göz önüne alınması gerekmektedir.
Dolayısıyla, deneysel yöntemler zemin mekaniğinin
ayrılmaz ve vazgeçilemez bir parçasını oluşturmaktadır.
Deneysel olarak belirlenebilen birçok zemin özelliği ise,
ancak belirli koşullarda geçerliliğini korumaktadır.
Mühendislik Projelerinde Zemin
Problemleri
Uygulamada karşımıza çıkan problemler için
yeterli çözümler geliştirilmesi ancak
zeminlerin davranışının iyi kavranması ile
mümkün olmaktadır.
Mühendislik projelerinde zeminler ile ilgili
ortaya çıkan başlıca problemler aşağıda
özetlenmiştir.
1- Temeller ile ilgili problemler:
Bütün mühendislik yapıları (binalar, köprüler,
karayolları, barajlar, vb.) zemin veya kaya
tabakaları üzerine oturtulmaktadır.
Yapıların kendi ağırlıklarından ve hareketli
yüklerden kaynaklanan yüklerin doğal zemin veya
kaya tabakalarına aktarılmasını sağlayan
sistemlere genel olarak temel adı verilmektedir.
Yapı temellerinin zemin tabakaları üstüne veya içine
oturtulması durumunda, yapıdan aktarılacak yükler altında
arazideki zeminlerin davranışının tasarım aşamasında göz
önüne alınması gerekmektedir.
Uygulanan yükler altında zeminin mukavemetinin aşılması
durumda göçme meydana gelmesi ve üst yapının
güvenliğinin toptan tehlikeye girmesi söz konusu
olmaktadır.
Zeminler aynı zamanda yük altında büyük şekil değiştirmeler
(sıkışmalar) gösterebilen malzemelerdir. Temel altındaki zemin
tabakalarının mukavemeti aşılmasa bile, sıkışmalardan dolayı ortaya
çıkan oturmalar yapı üzerinde çok zararlı etkiler yapabilmektedir.
(Örneğin Haliç kıyılarında zemine batan veya yana yatan binaları,
birçok binalarda meydana gelen çatlamaları düşünelim).
Doğal zeminler çok heterojen bir yapıya sahip olduğu için, özellikle
yapının değişik noktaları altında farklı oturmalar meydana gelmesi üst
yapı üzerinde istenmeyen zorlamalar yaratmaktadır.
Problemin tasarım aşamasında göz önüne alınmasını zorlaştıran bir
başka husus zemindeki oturmaların çok uzun süre devam edebilmesi
(bazen onlarca yıl boyunca) olmaktadır. Dolayısıyla, iyi tasarlanmış bir
temel sisteminin üst yapıdan gelen yükleri temel altı zemin
tabakalarında göçme veya aşırı oturmalara yol açmayacak şekilde
zemine aktarması gerekmektedir.
Zemin yüzeyine yakın tabakaların yeterli mukavemet ve sıkışma
özelliklerine sahip olması durumunda yüzeysel temel sistemleri
kullanılmaktadır. İnşaat sahasındaki zemin yüzeyine yakın tabakaların
yapıdan gelecek yükleri güvenlikle taşıyacak özelliklere sahip
olmaması durumunda ise, yapı yüklerinin daha derinlerdeki sağlam
zemin veya kaya tabakalarına aktarılması, yani derin temel
sistemlerinin (kazıklı temeller gibi) uygulanması yoluna başvurulması
gerekmektedir.
Özet olarak, yapıların güvenliği ve maliyeti, en uygun ve
ekonomik temel sisteminin seçilmesi ve tasarımı ile
doğrudan ilgili olmaktadır.
Birçok inşaat projesinde uygulanacak temel sistemi ve
temel altı zemin tabakalarının beklenebilecek davranış
biçimi projenin yapılabilirliği etkileyecek boyutlara
ulaşabilmektedir.
Bu nedenlerden dolayı, proje sahası ile ilgili zemin
araştırmaları önemli yapıların yer seçiminde ve tasarımında
ilk önemli adımı oluşturmaktadır.
2- Zeminlerin İnşaat Malzemesi Olarak
Kullanılması:
İlk çağlardan beri insanlar binaların, ulaşım sistemlerinin, su toplama ve
depolama yapılarının inşasında zeminleri inşaat malzemesi olarak
kullanmışlardır. Bugün için de karayolları ve havaalanları kaplamaları
altında, su seddeleri ve toprak barajlar inşasında, vb. birçok
mühendislik projesinde, zeminler doğrudan inşaat malzemesi olarak
yaygın kullanım alanı bulmaktadır.
Zeminlerin inşaat malzemesi olarak kullanılmasında, yapının amacına
uygun malzemenin seçilmesi, zeminin usulüne uygun olarak
yerleştirilmesi ve sıkıştırılması gibi hususlara dikkat etmek
gerekmektedir.
Örneğin, su tutan yapılarda (barajlar gibi) esas amaç suyun
yapı arkasında depolanması olduğuna göre zeminin su
geçirgenliğinin düşük olması gerekmektedir.
Gerek zemin yapılarında, gerekse kaplama ve temel altı
dolgularında zeminin mukavemeti ve sıkışabilirliği zeminin
yerleşim sıkılığı ile doğrudan ilişkili olmaktadır.
Dolayısıyla, toprak dolguların usulüne göre sıkıştırılarak
yerleştirilmesi ve inşaatta kullanılacak zeminlerin
sıkıştırılabilme (kompaksiyon) özelliklerinin incelenmesi
gerekmektedir.
3- Kazılar ve Şevler:
Zemin yüzeyinin eğik olması durumunda, şev açısı ve yüksekliğine
bağlı olarak, zemin kütlelerinin yer çekimi kuvvetleri etkisi altında
kayma tehlikesi mevcuttur.
Doğal şevlerde (yamaç), kazı kenarlarında ve dolgu şevlerinde
kaymalar meydana gelmesinin önlenmesi en karmaşık ve zor
zemin problemlerinden birini oluşturmaktadır.
Kazı ve dolgularda güvenli şev açısının ve yüksekliğinin seçilebilmesi
ve yamaçların kaymaya karşı güvenlik katsayılarının belirlenebilmesi
için zeminlerin kısa ve uzun süreli kayma mukavemetlerinin ve
muhtemel kayma yüzeyinin belirlenmesi gerekli olmaktadır.
4- İstinat Yapıları:
Kazı ve dolgu şevlerinin uzun süre düşey olarak tutulabilmesi için zemin
kütlesinin önüne bir istinat yapısı yerleştirilmesi gerekli olmaktadır. Ayrıca bazı
durumlarda yamaçların önünde ve liman yapılarında da istinat yapıları
kullanılmaktadır.
Yaygın olarak kullanılan istinat yapıları arasında istinat duvarları (kagir veya
betonarme), palplanşlar, yerinde dökme kazıklar gibi yapılar sayılabilir.
Bu yapıların tasarımı için yapı arkasındaki zemin kütlesinden gelecek
basınçların ve kazı tabanı seviyesi altındaki zeminlerin mukavemet ve
sıkışabilirlik özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. İstinat yapısının güvenliği
(ve dolayısıyla arkasındaki zemin kütlesi ile üzerinde yer alan yapıların
güvenliği) zemin özelliklerinin sağlıklı olarak belirlenmesi durumunda
sağlanabilmektedir.
Palplanş örnekleri
5- Yeraltı Yapıları:
Zemin tabakaları içine gömülü yapıların tasarım ve inşaası için
arazideki zeminlerin özelliklerinin ve davranış biçimlerinin belirlenmesi
gerekmektedir.
Zeminler içinde açılan tünellerin duraylılığı ve tünel kaplamasına
gelecek toprak basınçlarının hesabı, zemin içine gömülü su
boruları ve depoları gibi yapılara ve bodrum duvarlarına gelecek
basınçların hesabı, zeminlerle ilgili problemlerden bir kısmını
oluşturmaktadır.
Yeraltı yapılarının tasarım hesapları yanında inşaat yönteminin
seçilmesi ve inşaatın yürütülmesi sırasında da zeminle ilgili özelliklerin
dikkate alınması gerekmektedir.