[S011]
Zeminlerin Mukavemet Parametreleri Üzerinde Kesme Kutusu Deneyinin Boyut Etkisi
Ahmet Demir1, Talha Sarıcı2, Bahadır Ok3, Baki Bağrıaçık4, Sefer Ercan Epsileli52İnönü Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği, Malatya
3Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği, Adana
4Çukurova Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği, Adana
5KGM 5. Bölge, Mersin
Zeminlerin kayma mukavemeti parametreleri geleneksel olarak kesme kutusu deneyi ile belirlenmektedir. Bu deneyin gerçekçi sonuçlar verebilmesi için en önemli etkenlerden birisi zeminin dane boyutlarıdır. Bu çalışmada zayıf kil zemini ve yol temel malzemesi (PMT) için büyük ölçekli ve geleneksel (küçük ölçekli) kesme kutusu deneyleri yapılmıştır. Kesme kutusu boyutlarının hem zayıf kil zemininin hem de yol temel malzemesinin (PMT) kayma mukavemeti parametrelerini nasıl etkilediği araştırılmıştır.
1. GİRİŞ
Bir mühendislik yapısının tasarımı sırasında, yapının yapılması için seçilen malzemelerin mühendislik özelliklerini doğru belirlenmesinin önemi aşikardır. Malzeme özelliklerinin doğru bir biçimde tespit edilebilmesi için o malzeme için en uygun deney yöntemini kullanmak gerekmektedir. Zeminlerin kayma mukavemeti parametrelerini belirlemek için geleneksel (küçük ölçekli) kesme kutusu deney aleti kullanılmaktadır. Fakat bu deney düzeneğinin boyutlarının küçük olması sınırlayıcı bir etki yapmaktadır. Özellikle iri daneli zemin numuneleri üzerinde deneyler yapılırken laboratuvar örneklerinin boyutsal sınırlaması için büyük parçacıkları numuneden çıkarmak gerekir [1]. Dane boyutunun artması ile içsel sürtünme açısının ve kesmeye yol açacak maksimum gerilmenin değerini artırmaktadır. Bu davranışın kesme yüzeyinin boyutu ile dane boyutu arasındaki uyumsuzlukla ilgilidir [2]. Bu sebeple, daha büyük danelerin kesme yüzeyi üzerinde daha fazla arakesiti bulunmasından ötürü dane çapı arttıkça daha fazla kayma dayanımı ve içsel sürtünme açısı elde edilebilmektedir. Geleneksel olarak kullanılan küçük ölçekli kesme kutusu deney aletlerinde, deney numunesi olarak kullanılan zemin numunesinin dayanım parametrelerinin dane şekil parametrelerinden önemli ölçüde etkilendiği kolaylıkla söylenebilir. ASTM-D 3080-04’e göre küçük ölçekli kesme kutusu deneyi bazı sınırlandırmalar yapmaktadır. ASTM-D 3080-04’in önerdiğine göre minimum numune genişliğinin maksimum dane çapı boyutundan 10 kattan daha az olmaması ve numunenin minimum başlangıç kalınlığının maksimum tane çapından 6 kattan daha az olmaması gerekmektedir [3]. Bu sebeple ve daha gerçekçi sonuçlar elde edebilmek kesme kutusu deney aletinin boyutları artırılarak çeşitli araştırmalar için kullanılmıştır [4, 5, 6, 7, 8]. Marsal [9,10], Marachi vd. [11] ve Varadarajan vd. [12] iri daneli zeminler üzerinde numunelerin dane çaplarının düşürerek deneysel çalışmalar gerçekleştirmişlerdir ve maksimum dane büyüklüğü ile içsel sürtünme açısı arasında pozitif bir ilişki sunmuşlardır. Ingold [13] ve Imauzumi [14], kesme kutusu boyutları büyüdükçe ara yüzey sürtünme açılarının azaldığını vurgulamışlardır. Büyük boyutlardaki kesme kutuları kullanılarak gerçekleştirilen deneyler uniform gerilme dağılımları oluşumuna olanak vermekte ve böylece gerçeğe daha yakın ara yüzey kayma dayanımı davranışının elde edilmesini sağlamaktadır. Liu, vd. [15], kırma taş agregalarının mekanik özelliklerini araştırmak için büyük ölçekli kesme kutusu deneyleri yapmışlardır. Araştırmalarında üç farklı dane dağılımı ve dört farklı normal gerilme kullanmışlardır. Deneysel çalışmalarına ek olarak parametrik çalışmalar gerçekleştirmişlerdir. Agregaların mikro-mekanik özeliklerini farklı kesme koşullarında incelemişlerdir. Dadkhah vd. [16], kesme kutusu deney aletinin boyut etkisinin killi kum zemininin dayanım parametrelerini nasıl etkilediğini incelemişlerdir. Üç farklı boyutta karesel kesme kutusu kullanmıştır. Çalışmalarında içsel sürtünme açısının ve kohezyonun kesme kutusunun boyutundan etkilendiğini bildirmişlerdir. Büyük ve orta ölçekli kesme kutusunun neredeyse birbirine yakın sonuçlar verdiğini, küçük ölçekli kesme kutusunun diğer deneylere oranla daha düşük kohezyon ve daya yüksek içsel sürtünme açısı verdiğini söylemişlerdir.
Karayolları Genel Müdürlüğü 5. Bölge ile yürüttüğümüz “Geosentetiklerle Güçlendirilmiş Esnek Yol Kaplamalarının Tekrarlı Yükler Altındaki Performansının Değerlendirilmesi” adlı Proje kapsamında geliştirdiğimiz “Büyük ölçekli kesme kutusu deney aleti” ile temel altındaki doğal zemini temsil etmek için kullanılan zayıf kil zemininin ve temel zemini olarak kullanılacak PMT malzemesinin belirli normal gerilmeler altındaki kayma gerilmesi-şekil değiştirme davranışı incelenmiştir. Ayrıca geleneksel (küçük ölçekli) kesme kutusu deney aleti ile de hem zayıf kil zemininin ve hem de PMT malzemesinin belirli normal gerilmeler altındaki kayma gerilmesi-şekil değiştirme davranışı incelenmiştir. Deneyler sonucunda zemin numunelerinin içsel sürtünme açıları ve kohezyonları belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında kesme kutusundaki boyut değişiminin hem zayıf kil zemininin ve hem de PMT malzemesinin kayma mukavemeti parametrelerini nasıl etkilediği araştırılmıştır.
2. DENEYSEL ÇALIŞMA
2.1. Deney Sistemi
Büyük ölçekli kesme kutusu deneyleri Karayolları Genel Müdürlüğü 5. Bölge’de gerçekleştirilmiştir. Zayıf kil zemini ve temel malzemesi (PMT) üzerinde büyük ölçekli kesme kutusu deneyleri uygulanmıştır. Her biri için üç farklı normal gerilme altındaki kesme davranışları incelenmiştir. Büyük ölçekli kesme kutusu deney düzeneği Şekil 1’de görülmektedir.
2.2. Zemin Özellikleri
Deneylerde kullanılan zayıf kil zemin üzerinde daha önce yapılan deneylerden Likit limitinin %24, Plastik limitinin %17, Plastisite indisinin %7, Maksimum kuru birim hacim ağırlığının 1.794 gr/cm3, Optimum su içeriğinin %17 ve CBR’in %4.7 olduğu bulunmuştur. Şekil 2.’de zayıfk kil zeminin granülometre eğrisi görülmektedir.
Deneylerde kullanılan temel malzemesi (PMT) Şekil 3’te verilen gradasyona göre hazırlanmıştır. Karışım üzerinde kuru birim ağırlık su içeriği ilişkisi Modifiye Proktor ve Titreşimli Tokmak yöntemleriyle belirlenmiş ayrıca yaş CBR değeri ölçülmüştür. Bu bilgiler Tablo 1’de verilmiştir.
Deney hazırlık aşamasında zayıf kil zemini ve PMT için benzer işlem adımları uygulanmıştır. Deney numunelerini deneye hazırlamak için öncelikle su içeriği kontrol edilmiştir. Su içerikleri kil için %19 PMT için %4’tür.
Ayrıca PMT için dane dağılımı kontrol edilerek deneye hazır hale getirilmiştir. Deneylere hazır hale getirilen numuneler 45 cm x 45 cm x 20 cm’lik kesme kutusu moldunun içerisine yerleştirilmiştir. Sıkışma oranı %99-100 olacak şekildeki 3 eşit tabaka halinde yerleştirilmiştir. Bu 3 tabaka hazırlanırken, her bir tabakaya ne kadar numune gideceği numunenin yoğunluğu ve moldun hacmi çarpılarak ağırlık cinsinden hesaplanmıştır. Numune yerleştirme işleminde numuneleri sıkıştırmak için titreşimli tokmak kullanmıştır. Zemin sıkıştırma işlemi tamamladıktan sonra hesaplanan zemin miktarının tabakayı tam olarak kaplayıp kaplamadığı kontrol edilmiştir. Moldun içerisine zemin numunesini yerleştirme işlemi tamamlandıktan sonra, mold deney düzeneğine yerleştirilmiş ve belirli bir sabit yük altında (sırası ile 25 kPa, 50 kPa ve 75 kPa) kesmeye maruz bırakılmıştır. Deney programı Tablo 2’de sunulmuştur.
3.SONUÇLAR
Yapılan büyük ölçekli kesme kutusu deneyleri sonucunda zayıf kil zemini ve PMT malzemelerinin içsel sürtünme açıları ile kohezyon değerleri bulunmuştur. Şekil 4’de zayıf kil zemini için üç farklı normal gerilme durumunda yapılan büyük ölçekli kesme kutusu deneyine ait kayma gerilmesi-yanal deformasyon grafiği görülmektedir. Şekil 5’te PMT için üç farklı normal gerilme durumunda yapılan büyük ölçekli kesme kutusu deneyine ait kayma gerilmesi-yanal deformasyon grafiği görülmektedir.
Tablo 3’te ise, zayıf kil zemin ve PMT malzeme için kohezyon değerleri ve içsel sürtünme açıları sunulmuştur.
Şekil 1. Büyük Ölçekli Kesme Kutusu
)
Şekil 2. Zayıf Kil Zeminin Granülometresi
)
Şekil 3. Temel (PMT) Granülometresi
)
Şekil 4. Zayıf Kil Zemini İçin Kayma Gerilmesi-Yanal Deformasyon Grafiği
)
Şekil 5. PMT İçin Kayma Gerilmesi-Yanal Deformasyon Grafiği
)
Tablo 1. Temel Malzemesi Karışımına (PMT) Ait Deney Sonuçları
| Deney Adı | Deney Sonuçları | |
| Modifiye Proctor | Titreşimli Tokmak | |
| Mak.Kuru Birim Ağırlık (t/m3) | 2.248 | 2.345 |
| Optimum su İçeriği (%) | 4.6 | 4.0 |
| Likit Limit (%) | N.P. | |
| Plastisite İndeksi (%) | - | |
| Yaş CBR (%) | 2.52 |
Tablo 2. Deney Programı
| Deney No | Deney Koşulu | Sabir Normal Gerilme (kPa) |
| 1 | Zayıf Kil Zemini | 25 |
| 2 | Zayıf Kil Zemini | 50 |
| 3 | Zayıf Kil Zemini | 75 |
| 4 | PMT | 25 |
| 5 | PMT | 50 |
| 6 | PMT | 75 |
Tablo 3. Büyük Ölçekli Kesme Kutusu Deneyinden Elde Edilen Sonuçlar
| Zemin Türü | Kohezyon (c) (kPa) | İçsel Sürtünme Açısı (φ) |
| Zayıf Kil Zemini | 31.72 | 37.32o |
| PMT | 26.46 | 62.07o |