Atterberg sınırlarının belirlenmesi
Akma sınırı, plastik sınır ve büzülme sınırının tayini için yapılan deneyleri açıklayacağız; bunlar zemin mekaniğinde en önemli olanlardır. Bu deneylerin tümü, bozulmuş bağlı zemin numuneleri üzerinde yapılır.
Akma sınırının belirlenmesi deneyi
Bu deney için doğal nemli durumda yaklaşık 200 p toprak alınır; çapı 0,5 mm’den büyük olan ve deney sonuçlarının doğruluğunu bozabilecek taneler bulunmamalıdır. Numune etüvde kurutulmamalı, doğrudan damıtılmış su bulunan porselen kaba konulmalı ve iyice ıslanması için birkaç saat orada bırakılmalıdır. Plastik indeksi IP < 20 olan kil için ıslatma yaklaşık 4 saat sürer; IP > 20 olan kil için ise 18 saate kadar sürer. Daha sonra ıslatılmış numune cam levha üzerine alınır ve laboratuvar bıçağı yardımıyla iyice karıştırılır, böylece homojen bileşimli koyu bir bulamaç elde edilir. 0,5 mm’dan büyük parçacıklar fark edilirse, karıştırma sırasında uzaklaştırılır.
Bu şekilde hazırlanan numune, akma sınırının belirlenmesi için kullanılan Casagrande aygıtının pirinç haznesine (şek. 1), laboratuvarlarımızda Casagrande çalkalayıcısı olarak adlandırılan cihaza aktarılır.
Şek. 1. Cassagrande akma sınırını belirleme cihazı
Aparat, özel bir bağlantı yardımıyla aparata takılan pirinç bir kaptan, üst kısmında eksantrik bulunan ve döndürme kolu olan sert kauçuktan esnek bir tabandan oluşur; bu sırada eksantrik 1 cm yüksekliğe yükselir ve bunun sonucunda kap düşerek tabana çarpar (şek. 1a). Aletin boyutları standartlaştırılmıştır. Bunun dışında, tam olarak belirlenmiş boyutlarda profilli bir bıçak da vardır (şek. 1b).
Hamurlaştırılmış örnek, pirinç çanak içinde bıçakla düzeltilir; böylece örnek yüzeyi tamamen düz olur ve örnek, çanağın ön kısmının yarısından biraz fazlasını örter; bu sırada çanağın en düşük noktasının üzerindeki yüksekliği yaklaşık 12 mm olur. Daha sonra çanak cihaza yerleştirilir ve profilli bıçakla ortasından bir oluk açılır; oluk tamamen düz olmalı ve pirinç çanak tabanı görünmelidir. Bu, bıçağın çanak tabanına dik doğrultuda dikkatlice çekilmesiyle sağlanır. Oluğun uzunluğu yaklaşık 40 mm olmalıdır. Ardından cihazın kolu saniyede 2 devir hızla çevrilir; bu sırada çanağın kaideye çarpma sayısı sayılır ve çanağın kaideye çarpması sonucu daralan oluk gözlenir, çünkü kesilmiş örnek parçaları hareket ederek birleşmeye eğilim gösterir. Cihazın kolu, oluk 10 mm uzunluk boyunca birleşinceye kadar çevrilmeye devam edilir. Bu sağlandığında kolun çevrilmesine son verilir ve hemen ardından bıçakla, birleşmiş oluğun her iki tarafından olmak üzere yaklaşık 2 cm3 miktarında örnek çıkarılır, saat camlarına konur ve toprak nemi belirlenir.
Bu deney aynı şekilde 3-4 kez tekrarlanır, ancak her seferinde farklı nemle; bu da numunenin önce daha az miktarda su ile karıştırılması, ardından diğer deneyler için su eklenmesiyle sağlanır. Her tamamlanan deneyden sonra numune bir cam levha üzerine alınır, üzerine biraz su eklenir ve iyi karıştırılır; böylece her defasında biraz daha akışkan, homojen bir lapa kıvamı elde edilir.
Deneyin yürütülmesi için hazırlanan hamur ne çok koyu ne de çok akışkan olmalıdır; çünkü zeminin kıvam durumlarının akma sınırından fazla uzak olması bu deney için gerekli doğruluğu vermez. Genellikle, darbe sayısı 10’den küçük veya 50’den büyük olursa deney başarısız kabul edilir; ancak bu sınırların aralığı 10-40 darbe olduğunda deney doğruluğunun daha iyi olduğu kabul edilir.
Bir yönteme göre, kol her tam çevrilişini tamamladığında ve 1 cm uzunluğunda oluğun birleşmesi sağlandığında, pirinç kap içindeki numune hemen bıçakla karıştırılır ve kap içindeki numune yüzeyi yeniden düzeltilir, yeni bir oluk açılır, ardından aletin kolu çevrilir. Bu işlem, 1 cm uzunluğundaki oluğun birleşmesinde art arda üç kez aynı darbe sayısı elde edilene kadar tekrarlanır; bu sayı, akma sınırının belirlenmesinde sonraki işlem için kabul edilir. Deney sonuçları semilogaritmik ölçekli diyagrama aktarılır (şek. 2). Abscis eksenine darbe sayısı logaritmik ölçekte, ordinat eksenine ise numunenin kuru ağırlığının yüzdesi olarak su miktarı aritmetik ölçekte işlenir. Her deneyde su miktarı w farklı olduğundan, farklı darbe sayılarına karşılık gelen A, B, C ve D noktalarını elde ederiz; burada su miktarı arttıkça darbe sayısı azalır ve tersi de geçerlidir. Bu noktaları birleştirerek eğik bir doğru elde ederiz; bu doğru üzerinde 25 darbe için M noktasını ararız. Bu noktaya karşılık gelen su miktarı akma sınırı wL olarak kabul edilir.
Şek. 2. Akma sınırının belirlenmesi
Plastiklik sınırının belirlenmesi
Yukarıda açıklanan şekilde hazırlanmış, ancak daha az su içeren, böylece plastik kütle yaklaşık olarak sert plastik durumda olacak şekilde, yaklaşık 2-3 cm3 büyüklüğünde bir topak haline getirilir; ardından avuç içiyle düz veya emici kâğıt üzerinde 3 mm kalınlığında bir çubuk haline yuvarlanır. Numune bu kalınlığa kadar kırılmadan yuvarlanabiliyorsa, tekrar topak haline getirilir ve aynı şekilde yuvarlanır. Bu işlem, çubuk 3 mm kalınlığında kırılmaya başlayıncaya kadar tekrarlanır. O zaman kırılmış çubuklar saat camlarına konur ve su miktarı belirlenir. Numunenin kuru ağırlığının yüzdesi olarak ifade edilen bu su miktarı, plastiklik sınırı wP’ye karşılık gelir.
Büzülme sınırının belirlenmesi
Şek. 3. Büzülme sınırının belirlenmesi
Zemin numunesi, likit limit tayini deneyi bölümünde açıklanan şekilde damıtılmış suyla karıştırılır; tüm gözenekler suya doygunken kıvamı yaklaşık olarak likit limitte olmalıdır. Daha sonra küçük bir bilye hazırlanır ve önce havada, ardından 105°C’deki etüvde kurumaya bırakılır. Bu kademeli kurutma, kurumuş numunede deneyi bozabilecek çatlakların oluşmasını önlemek için gereklidir. Başlangıçta numunenin W1 ağırlığı ölçülür ve cıvaya daldırma deneyiyle V1 hacmi belirlenir; ardından numune havada ve sonra etüvde kurutulmaya devam edilir. Belirli aralıklarla numune alınır, desikatörde soğutulur; W2, W3, W4 vb. ağırlıkları ile V2, V3, V4 vb. hacimleri ölçülür. Bu şekilde, belirli bir nem durumunda kuruma nedeniyle ağırlığı azalmaya devam etse bile numunenin hacminin artık küçülmediği belirlenir. Numune başlangıç durumunda suya doygunsa, yani gözeneklerinde hava yoksa, numunenin büzülme sınırına kadar kurutulmasıyla oluşan su kaybı yaklaşık olarak numune hacmindeki azalmaya karşılık gelir. Bundan sonra numune tamamen kuruyana, yani sabit ağırlığa ulaşana kadar hacmi ölçülmeden kurutmaya devam edilir. Daha sonra her hacim ve ağırlık ölçümü için su miktarı, numunenin kuru ağırlığının yüzdesi olarak belirlenir ve deney sonuçları diyagrama işlenir (Şek. 3). Böylece A, B, C, D ve E noktaları elde edilir ve birleştirilir; genellikle büzülme sınırı bölgesinde keskin kırılmalı bir çizgi oluşur. Kırılma noktası S’de büzülme sınırı _W_S.’ye karşılık gelen w nemi elde edilir.
Kılcallığın belirlenmesi
Suyun kapiler yükselme yüksekliğinin belirlenmesine yönelik deney iki şekilde yapılır: kapiler yükselme yüksekliğinin doğrudan ölçülmesi ve kapilarimetre ile dolaylı ölçüm.
Kapiler yüksekliğin doğrudan ölçümle belirlenmesi deneyi
Bozulmamış örnekten yaklaşık 300 pound toprak alınır; bu, 105°C’de kurutulur, ardından soğuduktan sonra taneleri ezmeden çok ince toz hâline getirilir. Elde edilen toz, çapı ø 25 mm, uzunluğu 1,5 - 2,5 m, iki ucu açık bir cam boruya doldurulur; borunun alt ucu önceden cam yünü ya da bir bez parçasıyla kapatılır. Açık üst uçtan, kurutulmuş toz yaklaşık 10 cm yüksekliğe kadar dökülür; ardından boru kaldırılır ve tozdaki oturma görülünceye kadar tahta zemine veya başka bir elastik dayanağa çarparak düşürülür. Tozun oturması, boru üzerinde yağlı tebeşirle çizgiler işaretlenerek kontrol edilir. Bundan sonra 10 cm kadar daha toz eklenir ve, incelediğimiz toprak örneğinin kapilaritesini belirleyecek sıkı ve kuru tozla boru doluncaya kadar aynı işlem tekrarlanır. Daha sonra borunun tabanı, akışı olmayan damıtılmış su içeren bir cam kaba daldırılır; bu sırada borunun alt ucu kabın dibine dayanmış olmamalıdır (şek. 4). Cam boru, hem boru hem de ölçek dik olacak şekilde bir çıta ile ölçeğe sabitlenir. Bundan sonra borudaki su yükselmesi gözlenir; bu, renk farkından açıkça anlaşılır: kuru örnek açık renkli, ıslak örnek koyu renklidir. Kap içindeki su seviyesi ile ıslak örneğin üst kenarı arasındaki mesafe kapiler yükselme hk yüksekliğini oluşturur.
Sl. 4. Suyun kapiler yükselme yüksekliğinin doğrudan ölçümle belirlenmesi
Gözlem kural olarak 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 vb. saatlerden sonra yapılır. Gözlem sonuçları, apsisleri saat cinsinden zamanı, ordinatları ise suyun kılcallıkla yükselme yüksekliğini mm cinsinden gösteren diyagrama işlenir (şek. 5).
Kumlu malzemede kapiler yükselme başlangıçta hızlıdır, sonra yavaşlar ve son yükselme yüksekliğine çabuk ulaşılır. Killi malzemede ise kapiler yükselme başlangıçta daha yavaştır, ancak daha uzun sürer ve belirgin biçimde daha büyük bir yüksekliğe ulaşır.
Kapiler yüksekliğin belirlenmesinin bu yöntemi uzun sürer, özellikle killi toprakta. Ayrıca kapiler yükselme yüksekliği hava sıcaklığına ve nemine bağlıdır; bu nedenle bu etmenlerin olabildiğince sabit tutulması gerekir.
Şek. 5. Toprakta suyun kılcal yükselme diyagramı, a-kum; b-toz; c-killi toprak
Kapilarimetre yardımıyla kapiler yükseklik belirleme deneyi
Beskow, Jürgenson ve Engelhardt kapilarimetreleri gibi farklı yapıda birçok kapilarimetre vardır. Burada, en çok kullanılan Beskow kapilarimetresi ile çalışma prensibini açıklayacağız.
Bu deney bozulmamış veya bozulmuş numuneler üzerinde yapılır. Eğer numune bozulmuşsa, teçhizata akma sınırındaki halde yerleştirilir.
Şek. 6. Beskov kapilarimetresi
Beskow kapilarimetresi, alt kısımları birbirine çelik takviyeli kauçuk hortumla bağlanmış iki kaptan (şek. 6) oluşur. 1 kabına, filtre tabanının üzerine toprak numunesi yerleştirilir; bunun altında ise kısmen damıtılmış su, kısmen cıva ile doldurulmuş bir kap bulunur ve bu kap alt bölümde, tüm kauçuk hortumu ve 2 kabının alt kısmını da dolduracak şekilde düzenlenmiştir. Deneyin başlangıcında her iki kaptaki cıva seviyesi aynıdır. Daha sonra 2 kabı aşağıya indirilir ve böylece 1 kabının filtre tabanının altında bir basınç düşmesi oluşur. Bu basınç düşmesi numunedeki kapiler kuvvetlerden daha büyük hale geldiğinde, hava numune içinden filtre tabanına doğru ilerler ve hemen ardından 2 kabının aşağı indirilmesiyle her iki kaptaki cıva seviyesi eşitlenir. Basınç düşmesi ile kapiler kuvvetlerin eşitlendiği andaki bir kap ve diğer kaptaki cıva seviyeleri arasındaki Hg farkı, yani havanın numune içinden geçmeye başlamasından hemen önce, su sütunu yüksekliğine çevrilip numunenin altındaki h su sütunu yüksekliği ile artırıldığında kapiler yükseklik hk elde edilir. Cıva suya göre 13,6 kat daha ağır olduğundan, kapiler yükselme yüksekliği hk şöyledir:
hk = 13,6 Hg + h
Zeminin geçirgenliğinin belirlenmesi
Toprağın geçirgenliğini belirlemeye yönelik laboratuvar deneyi, permeametre adı verilen özel aygıtlar yardımıyla yapılır. Permeametrelerin değişik yapıları vardır; ancak bunlar iki gruba ayrılabilir: iri taneli topraklar için sabit su basınçlı permeametreler ve ince taneli topraklar için azalan su basınçlı permeametreler. Her iki durumda da deney bozulmamış numuneler üzerinde yapılır.
Laboratuvar deneyiyle zeminin geçirgenlik katsayısı belirlenir; bu katsayının değeri, suyun farklı sıcaklıklardaki farklı viskozitesi nedeniyle, belirli bir sıcaklıkta ifade edilir; bu da geçirgenlik katsayısı k’nin değerini etkiler. En sık olarak k katsayısı t =10°C sıcaklığında ifade edilir. Buna göre, eğer 10°C, k katsayısının belirlenmesi sırasında su sıcaklığı T ile t = 10°C’den farklı ise, değeri şu formülle yeniden hesaplanır:
k10oC = ηt /η10oC * kT
burada ηt ve η10oC, çalışma sıcaklığı T’deki, yani kabul edilen t =10°C sıcaklığındaki suyun viskozitesidir.
kT, çalışma sıcaklığı T’de toprağın geçirgenlik katsayısının elde edilen değeri.
Farklı sıcaklıklar T için viskozite değerleri tablo 1’de verilmiştir.
Sabit su basıncı deneyi
Şek. 7. Sabit su basınçlı permeametör
Bu deney için, çapı D, yüksekliği h olan, alt kenarı sivriltilmiş bir metal silindire alınan bozulmamış bir zemin numunesi, zemine ya da daha büyük bir bozulmamış numuneye bastırılarak alınır. Numunenin üst ve alt yüzeyleri silindirin kenarlarıyla aynı hizaya getirildikten sonra, silindir içindeki numune aparatın içine (şek. 7) üst ve alt filtre arasına yerleştirilir. Alt filtre, numune içinden su akışını sağlamak ve zemin parçacıklarının yıkanmasını önlemek için sık bir elek ve filtre taşından oluşur. Üst filtrede elek yoktur; çünkü parçacıkların yıkanma olasılığı daha düşüktür. Numuneye su girişi, taşkın boru yardımıyla sabit tutulan N seviyesinden sağlanır; böylece hidrostatik basınç H sabit kalır. Bu basınç altında su, h kalınlığındaki numuneden geçer ve aparatın üst kısmına bağlı boru aracılığıyla cam menzür M’ye ulaşarak damlar.
Suyun numune üzerinden menzüre akışı başlar başlamaz kronometreyi çalıştırır ve t süresince menzüre gelen su miktarı q’yu gözlemleriz. Darcy yasasına göre
q = k*A*t*i
burada k cm/sn cinsinden geçirgenlik katsayısı, A numune kesit alanı, i hidrolik eğim ve i = H/h.
Yukarıdaki denklemden k= qh/Ath [cm/sec] elde edilir.
Numuneden geçen su miktarını, gözlemin başlangıcından sonuna kadar belirli zaman aralıklarında okuruz; böylece numuneden geçen suyun hem tek tek miktarlarını hem de toplam miktarını elde ederiz.
Deney sonuçlarını yanlış etkileyebilecek numune ve sudaki hava kabarcıklarını ortadan kaldırmak için, deneyden önce numunenin doygun durumda olması ve deneyin yapılmasında kaynatılmış ya da en azından bekletilmiş su kullanılması gerekir.
Yukarıda açıklanan, su seviyesindeki fark H nedeniyle oluşan hidrostatik basınca dayalı aygıt yerine, hidrostatik basıncın 10 ile 15 kp/cm2 arasındaki hava basıncıyla oluşturulduğu ve kompresör yardımıyla sabit tutulduğu aygıtlar da vardır.