ÖNSÖZ
Zemin Mekaniği İnşaat Mühendisliğinin önemli konularından birini oluşturmakla beraber ayrı bir bilim dalı olarak gelişmesi ancak yirminci yüzyılın başlarında gerçekleşmiştir. Genellikle Zemin Mekaniği’nin kurucusu olarak kabul edilen K.Terzaghi’nin 1919-1922 yılları arasında İstanbul Teknik Üniversitesi ve Robert Kolej’de (Boğaziçi Üniversitesi) yaptığı deneysel çalışmalar ve geliştirdiği kuramlar modern zemin mekaniği biliminin temellerini oluşturmuştur. Son 60-70 yılda ise zemin mekaniği biliminde ve geoteknik mühendisliğinde hızlı bir gelişim ve ilerleme kaydedilmiştir.
Bu kitap esas olarak inşaat mühendisliği öğreniminin üçüncü yılında okutulan zemin mekaniği dersi için hazırlanmıştır. Kitabın konuları mümkün olduğunca üniversitelerimizde okutulan zemin mekaniği derslerinin müfredat programları ile uyumlu olacak şekilde seçilmiştir. Konuların işlenmesinde basit temel kavramlardan yola çıkılarak konu ile ilgili ilk dersi alan öğrencilerin kolayca izleyebileceği bir metin hazırlanmasına çalışılmıştır. Zeminlerin endeks özelliklerinin tartışıldığı bölüm oldukça kısa tutulmuş, bunun yanında inşaat mühendisliği uygulamalarını yakından ilgilendiren zeminlerde su akımı, konsolidasyon ve kayma mukavemeti konuları daha ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kitabın uygulamada çalışan inşaat mühendisleri için de yararlı bir kaynak oluşturması ümit edilmektedir.
Zeminlerin diğer inşaat mühendisliği malzemelerinden oldukça farklı davranışlar gösteren malzemeler olmaları, temel kavramların iyi anlaşılmasını çok önemli kılmaktadır. Özellikle, zemin-su ilişkileri ile boşluk suyu basınçları ve efektif gerilme kavramı, zeminlerin yük altında şekil değiştirmesi ve mukavemet gibi mühendislik özelliklerinin anlaşılması için mutlaka iyi kavranması gereken hususları oluşturmaktadır. Kitabın hazırlanmasında zeminlerin gösterdiği davranış biçimlerinin nedenleri ile birlikte açıklanmasına özel çaba gösterilmiştir. Zeminlerin tabii malzemeler olmaları ve özelliklerinin her inşaat sahası için deneysel olarak belirlenmesi gerekmesinden dolayı, deneysel yöntemler zemin mekaniğinin çok önemli ve ayrılmaz bir parçasını oluşturmaktadır. Kitapta, uygulamada yaygın olarak kullanılan deneysel yöntemler işlenmiştir. Deneylerin uygulanmasında izlenecek yöntemler adım-adım verilmemekle beraber, deneyler sırasında dikkat edilmesi gereken hususlar ve özellikle deneysel sonuçların yorumu ayrıntılı olarak açıklanmaya çalışılmıştır.
Zeminlerin sıkıştırılması (kompaksiyon) konusu bir çok zemin mekaniği kitabında endeks özelliklerinden hemen sonra işlenmekle beraber, bu kitapta Bölüm 8’e bırakılmıştır. Kompaksiyon konusunun zemin-su ilişkileri, boşluk suyu basınçları, konsolidasyon ve kayma mukavemeti gibi temel kavramların anlaşılmasından sonra daha iyi anlaşılabileceğine inanılmaktadır. Bölüm 8’de kompaksiyon konusunun ayrıntılı işlenmesine ek olarak diğer zemin iyileştirme yöntemlerine de kısaca yer verilmiştir. Üniversitelerimizin genellikle dördüncü sınıfında okutulan temel inşaatı dersinin konuları bu kitabın kapsamı dışında tutulmuştur. Zemin mekaniğinin mühendislik uygulamaları olan toprak basınçları, temellerin taşıma gücü, şevlerin stabilitesi, istinat yapıları, vb. gibi konuların ayrı bir kitapta işlenmesi daha yararlı görülmüştür. Kitapta genel olarak zeminlerin statik yükler altında davranışı incelenmekle birlikte, son yıllarda ülkemizde meydana gelen depremlerde ortaya çıkan büyük yıkımların ve can kayıplarının gelecekteki depremlerde azaltılabilmesi için yapıların tasarımında zemin koşullarının dikkate alınabilmesine yardımcı olmak amacı ile kitabın sonuna bir bölüm eklenmiştir. Zemin dinamiği ve geoteknik deprem mühendisliği konularının bir bölüm içinde işlenmesinin mümkün olmadığı açıktır. Ancak, depremlerde zeminlerin davranışı ve yerel zemin koşullarının deprem hasarlarına etkileri hakkında sunulan özet bilgilerin konu ile ilgili okurlara yardımcı olacağına inanılmaktadır. Kitap esas olarak lisans öğreniminde kullanılmak üzere hazırlandığı için çok sayıda kaynak göstermek yerine, her bölümün sonunda yalnızca önemli kaynakların verilmesi ile yetinilmiştir. Kitapta çok sayıda çözülmüş örnekler ve bölümlerin sonunda ödev problemleri yer almaktadır. Örneklerde ve problemlerde genel olarak SI birimleri kullanılmıştır.
İÇİNDEKİLER
BÖLÜM 1 ZEMİN MEKANİĞİNE GİRİŞ ..................................................... 1
1.1 ZEMİNLERİN OLUŞUMU VE ZEMİN MEKANİĞİNİN KONUSU ....................... 1
1.2 İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİNDE ZEMİN PROBLEMLERİ ...................................... 3
1.3 ZEMİN MEKANİĞİ PROBLEMLERİNİN ANALİZİ ............................................... 7
BÖLÜM 2 ZEMİNLERİN ENDEKS ÖZELLİKLERİ ................................. 9
2.1 GİRİŞ ........................................................................................................................ 9
2.2 DANE BOYUTU VE DANE ÇAPI DAĞILIMI ....................................................... 10
2.2.1 ELEK ANALİZİ .......................................................................................... 11
2.2.2 ÇÖKELTME ANALİZİ ............................................................................... 13
2.2.3 TABİİ ZEMİNLERİN DANE ÇAPI DAĞILIMI ........................................ 14
2.2.4 DANE ÇAPI DAĞILIMININ MÜHENDİSLİKTE ÖNEMİ ...................... 18
2.3 ZEMİN DANELERİNİN BİÇİMİ ............................................................................. 19
2.4 İNCE DANELİ ZEMİNLERİN KIVAMI VE KIVAM LİMİTLERİ ....................... 20
2.4.1 LİKİT LİMİT VE PLASTİK LİMİTİN DENEYSEL OLARAK
SAPTANMASI .......................................................................................... 23
2.4.2 KIVAM LİMİTLERİNİN MÜHENDİSLİKTE KULLANIMI ................... 25
2.4.3 TABİİ KİLLERİN KIVAMI VE SENSİTİVİTESİ ................................................ 26
2.5 ZEMİNLERİN KÜTLE ÖZELLİKLERİ .................................................................. 28
BÖLÜM 3 ZEMİNLERİN SINIFLANDIRILMASI ..................................... 37
3.1 GİRİŞ ......................................................................................................................... 37
3.2 BİRLEŞTİRİLMİŞ ZEMİN SINIFLANDIRMA (USC) SİSTEMİ .......................... 38
3.3 KARAYOLLARI (AASHTO) ZEMİN SINIFLANDIRMA SİSTEMİ .................... 44
BÖLÜM 4 ZEMİN SUYU ................................................................................ 53
4.1 GİRİŞ ......................................................................................................................... 53
4.2 YERALTI SUYU ...................................................................................................... 54
4.3 KAPİLER SU ............................................................................................................ 55
4.4 YERALTI SUYU AKIMI ......................................................................................... 61
4.4.1 ZEMİNLERİN PERMEABİLİTESİ VE DARCY KANUNU .................... 62
4.4.2 HİDROLİK YÜKLER VE YER ALTI SUYU AKIMI ............................... 63
4.4.3 PERMEABİLİTE KATSAYISININ BELİRLENMESİ .............................. 66
4.5 ZEMİN MEKANİĞİNDE YERALTI SU AKIMI PROBLEMLERİ ........................ 74
4.5.1 SIZMA KUVVETLERİ VE SU BASINÇLARI .......................................... 77
4.5.2 AKICI KUM DURUMU ............................................................................. 81
4.6 ZEMİNDE SU AKIMININ MATEMATİKSEL İFADESİ
(LA PLACE DENKLEMİ) ........................................................................................ 84
4.6.1 AKIM ÇİZGİLERİ VE EŞPOTANSİYEL ÇİZGİLERİ .............................. 87
4.6.2 SINIR KOŞULLARI ................................................................................. 89
4.6.3 LA PLACE DENKLEMİNİN ÇÖZÜMÜ ................................................. 90
4.6.4 AKIM AĞLARININ ÖZELLİKLERİ VE ÇİZİLMESİ ............................ 91
4.7 DRENLER VE FİLİTRELER ................................................................................. 103
BÖLÜM 5 ZEMİN GERİLMELERİ ............................................................ 110
5.1 GİRİŞ ....................................................................................................................... 110
5.2 ZEMİNDE DÜŞEY GERİLMELER ....................................................................... 111
5.3 EFEKTİF GERİLME KAVRAMI .......................................................................... 112
5.4 DÜŞEY GERİLMELERİN VE BOŞLUK SUYU BASINCININ DERİNLİKLE
DEĞİŞİMİ .............................................................................................................. 113
5.5 YÜZEY YÜKLEMELERİN YOL AÇTIĞI DÜŞEY GERİLMELER .................. 119
5.5.1 BASİTLEŞTİRİLMİŞ ÇÖZÜM ................................................................ 120
5.5.2 ELASTİK ÇÖZÜMLER ............................................................................ 121
5.6 ZEMİN İÇİNDE OLUŞAN YANAL GERİLMELER ............................................ 137
5.7 BİR NOKTADA GERİLME DURUMU VE MOHR DAİRESİ ............................. 137
BÖLÜM 6 ZEMİNLERİN SIKIŞMASI, KONSOLİDASYON VE
OTURMALAR ............................................................................. 150
6.1 GİRİŞ ....................................................................................................................... 150
6.2 ZEMİNLERİN SIKIŞMASI VE KONSOLİDASYON ........................................... 151
6.2.1 ÖDOMETRE (KONSOLİDASYON) DENEYİ ........................................ 152
6.2.2 SIKIŞMA-BASINÇ EĞRİLERİ ................................................................ 154
6.3 TABİİ ZEMİNLERİN KONSOLİDASYON DAVRANIŞI .................................. 157
6.3.1 KUMLARIN SIKIŞMASI ........................................................................ 157
6.3.2 KİLLERİN KONSOLİDASYONU ........................................................... 159
6.3.3 ÖN YÜKLEME BASINCININ SAPTANMASI ....................................... 161
6.4 OTURMALARIN HESAPLANMASI .................................................................... 162
6.4.1 KONSOLİDASYON OTURMALARININ HESAPLANMASI ............... 163
6.4.2 ARAZİ DÜZELTMELERİ ........................................................................ 168
6.5 KONSOLİDASYON TEORİSİ VE OTURMA-ZAMAN İLİŞKİSİ ...................... 171
6.5.1 KONSOLİDASYONUN MEYDANA GELİŞİ ......................................... 171
6.5.2 KONSOLİDASYON DENKLEMİ............................................................. 174
6.5.3 KONSOLİDASYON DENKLEMİNİN ÇÖZÜMÜ VE
OTURMA-ZAMAN İLİŞKİSİ .................................................................. 176
6.5.4 KONSOLİDASYON KATSAYISININ (cv) BELİRLENMESİ ........................... 179
BÖLÜM 7 ZEMİNLERİN GERİLME-ŞEKİL DEĞİŞTİRME DAVRANIŞI
VE KAYMA MUKAVEMETİ .................................................... 193
7.1 GİRİŞ ....................................................................................................................... 193
7.2 ZEMİNLERDE PLASTİK DENGE VE STABİLİTE PROBLEMLERİ ................ 194
7.3 ZEMİNLERİN KAYMA MUKAVEMETİ ............................................................. 194
7.3.1 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ ............................................... 195
7.3.2 GÖÇME DURUMU VE MOHR GERİLME DAİRELERİ ....................... 196
7.3.3 EFEKTİF GERİLMELER VE KAYMA MUKAVEMETİ ....................... 199
7.4 ZEMİNLERİN KAYMA MUKAVEMETİNİN DENEYSEL OLARAK
SAPTANMASI ....................................................................................................... 202
7.4.1 LABORATUVAR DENEY YÖNTEMLERİ ............................................ 203
7.4.1.1 Kesme Kutusu Deneyi .................................................................. 204
7.4.1.2 Serbest Basınç Deneyi .................................................................. 205
7.4.1.3 Üç Eksenli Basınç Deneyi ............................................................ 207
7.4.1.4 Üç Eksenli Basınç Deneyinde Gözlenen Zemin Davranışları ...... 209
7.4.1.5 Diğer Laboratuvar Deneyleri ...................................................... 213
7.4.2 ARAZİ DENEY YÖNTEMLERİ............................................................... 214
7.5 TABİİ ZEMİNLERİN KAYMA MUKAVEMETİ ................................................. 215
7.5.1 KUMLARIN KAYMA MUKAVEMETİ .................................................. 215
7.5.2 KİLLERİN KAYMA MUKAVEMETİ ..................................................... 222
7.5.2.1 Suya Doygun Killer ...................................................................... 222
7.5.2.2 Suya Doygun Olmayan Killer ...................................................... 225
BÖLÜM 8 ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ ................. 240
8.1 GİRİŞ ....................................................................................................................... 240
8.2 ZEMİNLERİN SIKIŞTIRILMASI (KOMPAKSİYON)......................................... 241
8.2.1 KOMPAKSİYON TEORİSİ ..................................................................... 242
8.2.2 YOĞUNLUK – SU MUHTEVASI İLİŞKİSİNİN BELİRLENMESİ
(KOMPAKSİYON DENEYİ) ................................................................... 244
8.3 SIKIŞTIRILMIŞ ZEMİNLERİN ÖZELLİKLERİ .................................................. 251
8.3.1 SIKIŞTIRILMIŞ KOHEZYONSUZ ZEMİNLERİN ÖZELLİKLERİ ...... 252
8.3.2 SIKIŞTIRILMIŞ KOHEZYONLU ZEMİNLERİN ÖZELLİKLERİ ........ 254
8.4 ARAZİDE KOMPAKSİYON ................................................................................. 259
8.4.1 KOMPAKSİYON MAKİNELERİ ............................................................ 261
8.4.2 KOMPAKSİYONU ETKİLEYEN FAKTÖRLER .................................... 262
8.4.3 ARAZİ SIKIŞMA KONTROLU ............................................................... 264
8.5 KATKI MADDELERİ KULLANILARAK ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN
İYİLEŞTİRİLMESİ (STABİLİZASYON) YÖNTEMLERİ ................................... 268
8.5.1 KİREÇ STABİLİZASYONU .................................................................... 268
8.5.2 KİREÇ BACA KÜLÜ STABİLİZASYONU ............................................ 269
8.5.3 ÇİMENTO STABİLİZASYONU .............................................................. 269
8.5.4 ASFALT STABİLİZASYONU ................................................................. 269
8.6 ZEMİN TABAKALARININ ÖZELLİKLERİNİN YERİNDE
İYİLEŞTİRİLMESİ ................................................................................................. 270
8.6.1 İRİ DANELİ ZEMİN TABAKALARININ SIKIŞTIRILMASI ................ 270
8.6.2 İNCE DANELİ ZEMİN TABAKALARININ STABİLİZASYONU ........ 272
8.6.3 ENJEKSİYON YÖNTEMLERİ ................................................................ 273
BÖLÜM 9 DEPREMLERDE ZEMİNLERİN DAVRANIŞI VE YEREL
ZEMİN KOŞULLARININ DEPREM HASARINA ETKİLERİ ... 278
9.1 GİRİŞ ....................................................................................................................... 278
9.2 YER HAREKETLERİ ÜZERİNDE YEREL ZEMİN KOŞULLARININ
ETKİSİ VE ZEMİN BÜYÜTMESİ ....................................................................... 279
9.2.1 YEREL ARAZİ KOŞULLARININ ETKİLERİNİN ARAŞTIRILMASI ...... 283
9.2.1.1 Hasar ve Sarsıntı Şiddeti Dağılımı Araştırmaları ......................... 284
9.2.1.2 Yüzeysel Jeoloji – Sismik Şiddet İlişkisi ..................................... 284
9.2.1.3 Geoteknik Araştırmalar ve Yerel Zemin Koşullarının Etkisi ....... 284
9.2.1.4 Arazi Davranış Analizleri ve Dinamik Zemin Özellikleri ............ 289
9.2.2 ZEMİN PROFİLİ SINIFLANDIRILMALARI VE DAVRANIŞ
SPEKTRUMLARI ..................................................................................... 293
9.2.3 DAVRANIŞ ANALİZLERİ VE ZEMİN BÜYÜTMESİ .......................... 296
9.2.3.1 Elastik Davranış ........................................................................... 297
9.2.3.2 Lineer Olmayan Davranış ............................................................ 297
9.2.3.3 Topografik Etkiler ........................................................................ 300
9.2.4 DÜŞÜK ŞİDDETTE SARSINTILAR SIRASINDAKİ ZEMİN
DAVRANIŞINDAN YARARLANMA ..................................................... 301
9.3 ZEMİNLERDE SIVILAŞMA VE ETKİLERİ ........................................................ 302
9.3.1 TANIMLAR VE TEMEL KAVRAMLAR ............................................... 302
9.3.1.1 Zeminlerin Sıvılaşabilirliği .......................................................... 304
9.3.1.2 Başlangıç Sıkılık Derecesi ve Gerilme Durumunun Etkisi .......... 305
9.3.2 SIVILAŞMA ANALİZLERİ ..................................................................... 306
9.3.2.1 Basitleştirilmiş Sıvılaşma Analizi ................................................ 306
9.3.2.2 Olasılıksal Yöntemler ................................................................... 311
9.3.2.3 Nümerik Analiz Yöntemleri ......................................................... 311
9.3.3 LABORATUVAR ARAŞTIRMALARI VE ARAZİ DENEYLERİ ......... 313
9.3.3.1 Laboratuvar Araştırmaları ............................................................ 313
9.3.3.2 Arazi Deneyleri ............................................................................ 314
9.3.4 SIVILAŞMANIN ETKİLERİ .................................................................... 321
9.3.4.1 Sıvılaşmış Zeminlerin Kayma Mukavemeti ................................. 322
9.3.4.2 Zemin Sıvılaşmasının Spektral İvmeler Üzerinde Etkisi .............. 322
9.3.4.3 Yüzeysel Temellerin Altında Sıvılaşmış Zemin Davranışı .......... 323
9.3.4.4 Kazıklı Temeller Üzerinde Sıvılaşma Etkileri ............................. 323
9.3.4.5 Sıvılaşmadan Dolayı Meydana Gelebilecek Zemin Hareketleri ........... 324
9.3.4.6 Sıvılaşma ve Sonuçlarına İlişkin Değerlendirme ......................... 324
9.4 DEPREMLERİN YOL AÇTIĞI ZEMİN OTURMALARI ..................................... 325
9.5 TOPRAK KAYMALARI VE ŞEV STABİLİTESİ ................................................ 326
