KAYA VE ZEMİN MEKANİĞİNDE TAŞIMA GÜCÜ VE OTURMA KAVRAMLARI M. Müfit GÜVEN Jeoloji Mühendisi DSİ Genel Müdürlüğü JTH ve YAS D. Bşk.ğı Kaya ve Zemin Mekaniği Şube Müdürlüğü Kaya ve Zemin Mekaniği Nedir ? Jeoteknik Bilimi üç ana başlıkta toplanır. Bunlar; Kaya Mekaniği, Zemin Mekaniği ve Mühendislik Jeolojisi disiplinidir. Her türlü inşaat yapısının güvenli ve ekonomik bir şekilde inşa edilebilmesi için; • yapı-zemin etkileşiminin, • üst yapı yükleri altında temel zemin birimlerinin göstereceği davranışların, • yapılarının temelinde yer alan birimlerin suya doygun hale gelmesi durumunda ortaya çıkabilecek problemlerin • hasara uğramış yapıların zeminden kaynaklanan nedenlerin bilinmesi gereklidir. Tüm bu problemleri araştırmak ve ortadan kaldıracak çözümleri ortaya koymak Kaya ve Zemin Mekaniği disiplinleri kapsamında yer alır. Zemin Mekaniği prensipleri içerisinde; • Taşıma gücü, • Üstyapı Yükleri altında oturmalar(Ani, konsolidasyon, farklı ) • Şişme-göçme-sıvılaşma kriterleri, • Yüzeysel temel-derin temel kavramları, • Zeminlerde Kayma (dairesel, düzlemsel, birleşik) yenilmeleri, • Zemin İyileştirmeleri • Zeminlerin Geçirimliliği (permeabilite, sızma) Kaya Mekaniği prensipleri içersinde de; • Birincil gerilme-ikincil gerilme ve dönüşümleri, • Gerilme-deformasyon ilişkisi, • Gevşeme ve gevşeme sınırları, • Kaya yükleri, • Kaya kalitesinin belirlenmesi, • Kaya deformasyonları , • Kaya stabiliteleri ( Devrilme,düşme, kayma vb) • Kayalarda taşıma gücü • Kaya İyileştirmeleri vb gibi konular yer alır Zemin Etütleri Zemin veya kayaçların, yerinde yapılan deney, ölçüm ve gözlemler ile • Kesme dayanım parametreleri (c, Ø), • Dayanım parametreleri, SPT-N, Konik Penetrasyon (qu, qf), Presiometrik Modüller (E, EM, PL), Tek eksenli basınç, Nokta Uc dayanımı, Schmit Sertlik vb gibi • Şişme-sıkışma, donma parametreleri, • Sıvılaşma parametreleri gibi birçok mekanik özelliği belirlenmelidir.
Gerektiğinde laboratuvar deneylerinden ise; • Şişme, • Büzülme, • Kabarma, • Erime,dağılma • Konsolidasyon, • Gerilme-deformasyon, • Tanımlama indeksi vb. gibi parametrelerin desteğiyle zemin veya kayaç koşulları daha kesin olarak ortaya konulmalıdır. Tüm bu doneler ışığı altında; • taşıma gücü, • oturma-farklı oturma, • kayma, duraylılık • sıvılaşma, • ayrışma zonları • kazı derinliği • geçirimlilik gibi birçok kriter ortaya konularak gerekirse en uygun iyileştirme yöntemi saptanmalıdır. Taşıma ve Oturma Kavramları Taşıma Gücü (qo) : Temelin plastik kayma sonucu göçtüğü basınçtır. Emniyetli Taşıma Gücü (qa) : Plastik kayma göçmesi olmadan taşınabilen basınçtır. Zemin Emniyet Gerilmesi (σem) : Yapıya zarar verecek oturmanın oluşmasına izin vermeyecek, konsolidasyon karakteristikleri ve kayma göçmesini de dikkate alan yapı için kullanılan temel taban basıncıdır. Ani Oturma: Hacim ve su içeriğinde bir değişiklik olmaksızın, elastik sıkışma ve plastik deformasyonun bileşkesidir. Konsolidasyon oturması: Yüklenmiş zeminin boşluklarındaki suyun azar azar dışarı atılması sebebiyle, hacminin azalması bu oturmayı oluşturur. Farklı Oturma: Açısal çarpılma temel üzerinde bulunan iki referans noktası arasındaki düz hattın, düşey deplasman sebebi ile oluşan dönme hareketi olarak tanımlanabilir. Presiyometre Deneyi İle Taşıma ve Oturma Hesapları Presiyometre deneyi katı ve duyarsız killer ile bütün kohezyonsuz zeminlerde kullanılabilir. Özellikle veri toplama zorluğu olan kum, çakıl, ve dolgu yerleri için uygun bir deney yöntemidir. Presiyometre deneyleri ile temel zemin birimlerinin Limit Basınç (PL) ve Menard Elastik Modül (EP) değerleri elde edilir. Elde edilen PL ve EP değerleri kullanılarak temel boyutlarına ve temel derinliğine bağlı temel zeminin taşıma gücü (qu) ve proje yükü altında oluşacak oturma miktarları (S) hesaplanır. Deney sistemi dört ana bölümden oluşur. • Ölçüm ünitesi 44-58-74 mm çaplarda zırhlı veya lastik proplar • Basınç sağlayan tüp ve basınç hortumları • Ayrıca deney esnasında yarıklı tüp ve tijler kullanılan diğer ekipmanlardır.
DSİ Genel Müdürlüğü Jeoteknik Hiz. Ve YAS D. Bşk. Kaya ve Zemin Mekani ği Şb.Md.ğü
PRESSİOMETRE DENEY LOGU Pressuremeter Test Log PROJE ADI / Project Name
KUYU NO / Borehole No
TARİH / Date
DENEME DENEY YERİ / Location
PRSK-2 YAS / Gwl (m)
19.04.2006 TEKNİSYEN / Technician
0
5,00
D.ARSLAN KONTROL / Supervisor C.AĞAN
DÜŞÜNCELER / Remarks ELASTİK MODÜL (E
ZEMİN CİNSİ Soil Type
Elasticity Modulus (kg/cm 1
0-0,30 m Bitkisel toprak 0,30-0,45 m Killi kum 0,46-1,10 m Kum-çakıl
10
LİMİT BASINÇ (P
P) 2
Limit Pressure (kg/cm
)
100
L)
1000
1
YAS (m)
2)
10
PL* TEMEL DİZAYNI (kg/cm 2) Foundation Design
100
0
1
3,5
23
3 Temel 2
1,10-2,00 m Kumlu kil 2
5
70
4,6 B=2R
2,00-4,00 m Killi kum 3
4,00-4,25 m Killi çakıl
4
61
4,5
89
4
5,4
5,1
4,25-5,80 m kil, silt yer yer kumlu 5
188
12,5
-R
4,5
-2R
7,0
-3R
9,5
-4R
12,0
-5R
14,5
12 Temel 1
5,80-9,50 m kiltaşı-siltaşı ardalanması
6
7
7,65-8,45 m kumtaşı 8
399
25,5
24,7
400
29,5
28,5
455
31
29,5
B=2R
-R
8,5
9
9,50-9,90 m Kum-çakıl az siltli, killi kuyu sonu
10
11
430
32
30,0
-2R
11,0
12
13 -3R
13,5
14
15
16
-4R
16,0
-5R
18,5
17
18
19
20
Taşıma Gücü qa= [q0 + k PL* ] / F qo= sürşarj basıncı PL*= eşdeğer net limit basınç k = zemin özelliklerine, temel derinliği, genişliği ve şekline bağlı katsayı F =güvenlik sayısı PL*( Eşdeğer net limit basınç) temel tabanından itibaren temel genişliğinin 1.5 katı kadar derinliğindeki eşdeğer net limit basınç değeridir
PLe= ( PL1* x PL2* x PL3*)1/3 eşitliği ile elde edilir. PL1* = + 3R ile + R arasındaki eş değer net limit basınç değerleri PL2* = + R ile – R arasındaki eş değer net limit basınç değerleri PL3* = – R ile – 3R arasındaki eş değer net limit basınç değerleri Oturma α St = (1+ µ )/3E x P x Ro [λ2 R / Ro] + (α / 4.5 E) x P x λ3 x R EA = Hacımsal etki bölgesine karşılık gelen eşdeğer E modülü EB = Deviatorik etki bölgesine karşılık gelen eşdeğer E modülü µ = poisson sabiti λ2, λ3= Temel cins ve şekline bağlı olan form katsayıları, α = Zemin yapısına ve E/PL oranına bağlı katsayı, Ro = Röper çap R = Temel yarı genişliği P = Proje yükü Eğer iki rijit tabaka arasında sıkışabilir bir tabaka var ise örtü yükü etkisi ile ilave oturmalar meydana gelir. Bu ilave oturmalar aşağıda verilen eşitlik yardımı ile bulunur. S = αc ( 1/ Ec – 1/ Em) ∆Pc Hp αc =sıkışabilir tabaka katsayısı Hp =sıkışabilir tabaka kalınlığı Ec =sıkışabilir tabakanın presiyometrik elastik modülü Em =rijit tabakalara ait presiyometrik elastik modülü ∆Pc = sıkışabilir tabakaya intikal edecek basınç değeri
K sabitinin belirlenmesi
α, λ2 ve λ3 katsayılarının belirlenmesi = Standart Penetrasyon Deneyi İle Taşıma ve Oturma Hesapları Esas olarak kumlu zeminlerde uygulanan SPT, yumuşak killerden zayıf kayalara kadar değişik birimlerde, temel boyutlarına ve temel derinliğine bağlı temel zeminin taşıma gücünü (qu) belirlemek amacıyla uygulanır. 60-100 mm arasında değişen sondaj kuyularında, SPT deney tüpü deney yapılacak seviyeye indirilir (standartlar göre 2'' lik tüp kullanılmalıdır). 63.5 kg lık bir ağırlık 76 cm yükseklikten düşürülerek tüpün 45 cm ilerlemesi için gereken darbe sayısı tespit edilir. Hesaplamalarda son 30 cm deki N-darbe sayıları dikkate alınır. Bu arada deneylerin sıhhatli yapılması açısından; kullanılan malzemenin yıpranmış olmamasına, çarık ağzının düzgün olmasına ve cer halatı ile değil mutlaka kendir halat kullanılmasına ve hatta kendir halatın kedi başına iki kez sarılması kuralına önemle uyulmalıdır. Elde edilen ham N darbe sayıları deney yapılan seviye durumuna göre örtü yükü (CN) ve enerji düzeltmeleri yapıldıktan sonra çeşitli formüllerle müsaade edilebilir taşıma gücü bulunmaktadır. Elde edilen taşıma gücü değerleri 25 mm lik oturmaları tolere etmektedir.
Aşırı yüksek olarak ölçülen SPT-Narazi değeri, zeminin özelliklerinin ve taşıma gücünün güvenli olmayan tahminlerine sebep olmaktadır. Aşırı düşük olarak ölçülen SPT-Narazi değeri ise, ekonomik olmayan aşırı güvenli sonuçlar ortaya çıkarmaktadır. Peck ve arkadaşları tarafından önerilen yöntemde, eğer zemin ince taneli kum ve siltli kum ise ve yer altı suyu var ise N>15 için N’ = 15 + 0.5 (N-15) düzeltmesi yapılır. Son yıllarda kullanılmamaktadır. Ayrıca sondaj tijlerinde oluşan titreşimler yüzeyde uygulanan darbe enerjisini doğrudan sonda ucuna aktarılmasını önlemektedir. Bu durumda çeşitli düzeltmeler yapılarak yeni N değerleri bulunur. Derin seviyelerde tijlerin ağırlığı sonda ucunun zemine batmasını etkilemektedir. Bu nedenlerle elde edilen N değerlerine mutlaka derinlik düzeltmesi (CN) yapılmalıdır. Daha kullanılabilir, faydalı ve karşılaştırılabilir sonuçlar elde etmek için uygulanan diğer düzeltmeler: • CE enerji düzeltmesi, • CL tij uzunluğu düzeltmesi, • CD sondaj çapı düzeltmesi, • CS numune alıcı kılıf düzeltmesi (McGregor ve Duncan, 1998). Ölçülen vuruş sayıları (SPT-Narazi ), N60 veya N1.60 şeklinde normalize edilebilir. N60 veya N1.60 için en genel formül aşağıdaki gibidir: N60 = (CECLCDCS) Narazi N1.60 = (CN)N60 Yeraltısuyu düzeltmesi Cw= 0,5+0,5Dw/Df+B
0 ≤ Dw ≤ Df+B olması halinde yapılır.
Düzeltme faktörleri
Eşitliklerde kullanılan N değerleri temel altında temel genişliği kadar derinliğindeki değerlerin ortalaması olarak alındığını kabul eder. Ancak daha gerçekçi çözümler için ağırlıklı N değerlerinin (Nm) kullanımı daha uygundur. Nm = 1 / 6 (3N1 + 2N2 + N3 ) N1 = 0.0 - 0.75 B N2 = 0.75 B - 1.5 B N3 = 1.5 B - 2.0 B aralığındaki N değerlerinin ortalamasıdır.
N1
N2
N3
N1 N2 N3 değerlerinin SPT logundan bulunması Taşıma Gücü qa= 1,2N[1+D / 3B] qa= 0,8N[(B+0,3)/B]2[1+D/3B]
(D ≤ B ≤ 1,2 m ise) Meyerhof, Terzaghi-Peck (B ≥ 1,2 m ise) (D ≥ B ise [1+D/3B]=1,3)
qa= Zemin emniyet gerilmesi (t/m2) D = temel derinliği (m) B = temel genişliği (m) N = Düzeltilmiş ortalama SPT darbe sayısı Bowles 1,2 katsayısını 2 ve 0,8 katsayısını da 1,27 olarak arttırmıştır. Oturma s = 20,8 p / N (B < 1,2 m ise)Meyerhof, Terzaghi-Peck s = 31,2 p / N [(B+0,3)/B]2 (B > 1,2 m ise) s = 31,2 p / N (radye temel)
s = oturma (cm) p = net taban basıncı (kg/cm2) B = temel genişliği (m ) N = SPT darbe sayısı Laboratuar Deneyi İle Taşıma ve Oturma Hesapları Laboratuar deneyi ile yapılacak hesaplamalar için bozulmamış numune veya karotlar üzerinde yapılmış tek eksenli basınç deneylerine ihtiyaç vardır. Ancak alınacak bu numunelerin temel kazısı içinde kalmamasına özellikle temelin altında yer alan birimleri temsil etmesine dikkat edilmelidir. Taşıma Gücü qd = K1 c Nc + γ Df Nq + K2 γ B Nγ
“Terzaghi”
K1 ve K2 = Taban şekline bağlı katsayılar c = Kohezyon Df = Temel derinliği γ = birim hacim ağırlığı B : Temel genişliği qd = Taşıma gücü φ = Kayma mukavemeti açısı π φ φ a = e (0,75- ’/360)tan ’ olmak üzere Nq = a2/ 2cos(45+φ ’/2) Nc = Nq-1/tanφ ’ Nγ = 2(Nq+1)tanφ ’/1+0,4sin(4φ ’) (Nγ yaklaşık olup %10 hata payı vardır.) qa = qd / G.K Temel Tabanı Biçim K1 K2
Şerit L=∞
Dikdörtgen B< L
Kare B=L
1 1+ 0.2 B /L 1.2 0.5 0.5 – 0.1 B/L 0.4 K1 ve K2 = Taban şekline bağlı katsayılar
qd =5c (1+0.2Df/B)(1+0.2B/L) Df/B<=2.5
Daire L=B=D 1.2 0.3
“Skempton”
c = Kohezyon Df = Temel derinliği B : Temel genişliği L : Temel uzunluğu Kayaçlar için; temel tabanındaki kayaç yüzeyinin tesviyeli olması, uygulanan yüzeyin teğetsel bileşkesinin bulunmaması ve açık süreksizlik yüzeyleri bulunması durumunda aşağıdaki formül ile taşıma gücü hesabı yapılabilir.
qa = Ks x qu Ks = Ampirik katsayı qu = Kayacın ortalama tek eksenli basınç dayanımı Ks =
(10 )
3 + Cs / B 1 + 300δ / Cs
Süreksizlik Aralığı (m)
Ks
>3,0 3,0 – 0,9 0,9 – 0,3
0,4 0,25 0,1
Ani Oturma Si = q B { (1 – µ2 ) / E } Ip B = Yüklü alanın (ya da temel ayaklarının) yan uzunluğu ya da çapı, µ = Poisson oranı, E = Young’s esneklik (elastisite) direnci E, Ip = Oturmanın belirleneceği yerin konumuna ve biçimine sıkışabilir dolgu tabanın kalınlığına bağlı bir katsayı olan, q = temelin uygulandığı kesin taban basıncı Konsalidasyon oturması Sc = H x ∆P x Mv H = Sıkışan tabaka kalınlığı(10 m) ∆P = Kalınlığı H olan tabaka boyunca ortalama basınç artışı. Mv = Hacimsel sıkışma katsayısı ∆P bulunması için temel kazı kotundaki net yükün bilinmesi gerekir. qnet =proje yükü – sürşaj Temel tipi, tabaka kalınlığı orta noktası ve temel genişliğine bağlı olarak ∆P/q oranı bulunur.
