Don etkisi sonucu oluşan zemin deformasyonları
Don etkisi altında, durgun serbest su 0°C’de donar ve bu sırada hacminin 9% kadar genleşir. Ancak dar kılcal borulardaki su 0°C’de donmaz, daha düşük sıcaklıklarda donar; bunlar -1°C ile -78°C arasında değişir. Bu son donma sıcaklığı Amerika’da yapılan laboratuvar deneyleriyle belirlenmiştir. Kılcal boru ne kadar dar ise, donma sıcaklığı da o kadar düşüktür.
Toprakta, her yönde birbirine bağlı ve kapiler borular oluşturan boşluklar vardır. Kumda boşluklar büyüktür ve geniş kapiler borular oluşturur; bu borularda su 0°C veya biraz daha düşük sıcaklıkta donar. Su, boşluklarda buz kristalleri oluşturacak şekilde eşit olarak donar; bunların hacimlerinin 9% artması toprağın önemli bir deformasyonuna neden olmaz. İnce taneli topraklarda boşluklar daha küçüktür ve suyun 0°C’den daha düşük sıcaklıklarda donduğu dar kapiler borular oluşturur. Ancak yüzey tabakasında toprak her zaman daha gevşektir ve daha iri boşluklara sahiptir; bu boşluklarda su 0°C’de donar ve buz kristalleri oluşturur. Bu kristaller, dar boşluklardaki soğumuş suyu büyük bir kuvvetle kendilerine çeker; buna kristalleşme kuvveti denir. Bu şekilde çekilen su buz kristalleriyle temas ettiğinde kendisi de donar, buz kristallerinin hacmini artırır ve bunlar buz mercekleri haline gelir; bunların kalınlığı yaklaşık 0,1 ile 10 mm olabilir. Oluşan buz mercekleri, don etkisi sırasında zeminde önemli deformasyona neden olur; özellikle elverişsiz koşullarda bu deformasyon 30 ve 50 cm’ye kadar ulaşabilir.
Don etkisiyle oluşan toprak deformasyonunun ortaya çıkışı ve büyüklüğü esas olarak aşağıdaki 3 faktöre bağlıdır:
-
Yeraltı suyu seviyesi
-
Don süresi.
Ad 1) Granülometrik bileşim bakımından, don etkisi en çok ince taneli toprakta görülür; çünkü bu toprağın gözenekleri dar kılcal borular oluşturacak kadar küçüktür ve aynı zamanda don etkisi sırasında suyun hızlı dolaşımını sağlayacak kadar yüksek geçirgenliğe sahiptir. Böyle bir toprak, hem oluşum hızı hem de deformasyon büyüklüğü açısından dona en duyarlı olanıdır. Bunlar, ağırlıklı olarak 0,02-0,002 mm büyüklüğündeki tanelerden oluşan siltli topraklardır. >0,02 mm büyüklüğündeki tanelerin kılcal yükselme yüksekliği azdır, < 0,002 mm büyüklüğündeki tanelerde ise kılcal yükselme yavaştır; bu nedenle her iki durumda da don süresince don etkisi bölgesine yalnızca az miktarda su ulaşabilir. Kil toprağı < 0,002 mm büyüklüğünde parçacıkların 25% fazlasını içeriyorsa, zeminin geçirgenliği çok küçüktür ve boşluklardaki su dolaşımı o kadar yavaştır ki, buz merceklerinin çekebilmesinden önce su boşluklarda donar.
Ad 2) Zeminin granülometrik bileşimiyle ilgili koşulun yanı sıra, zeminde don etkisiyle deformasyonların oluşması için bir koşul daha sağlanmalıdır. Bu da, don bölgesine su beslenebilmesi olanağının bulunmasıdır. Bu koşul sağlanmazsa, yani zeminin kapilarları don etkisi sırasında içlerinden sürekli akacak suyla bağlantılı olmazsa, zeminin granülometrik bileşimi ne olursa olsun don deformasyonları meydana gelmez.
Yeraltı suyu seviyesi ne kadar yüksekse, don etkisiyle toprak deformasyonları olasılığı o kadar büyüktür. Yeraltı suyu seviyesi, ilgili toprağın kapiler su yükselme yüksekliğinden daha büyük bir derinlikte ise, don etkisinden kaynaklanan deformasyonlar önemsizdir.
Ad 3) Donma süresinin kesintisiz devam ettiği zaman ne kadar uzun olursa, daha büyük ve daha çok sayıda mercek oluştuğundan dolayı dona bağlı deformasyonlar o kadar büyük olur. Şiddetli ve kısa süreli don, daha az deformasyona yol açar; çünkü bu durumda gözeneklerdeki su hızla donar ve suyun kapiler akışı kesilir. Buna karşılık, orta şiddette ve uzun süreli don, buz merceklerinin serbestçe oluşması nedeniyle daha büyük deformasyonlara yol açar.
Açılmanın etkisi
Çözülme sırasında, önce yüzey toprağının üst kısmındaki buz mercekleri çözülür; hemen altında ise donmuş, dolayısıyla geçirimsiz bir tabaka kalır. Çözülen buz mercekleri, donmuş alt tabakadan sızamayan büyük miktarda su verdiğinden, yüzey tabakasındaki bu artmış su miktarı toprağı aşırı doygun hale getirir ve onu hiçbir dayanımı olmayan, basınç altında yana doğru itilerek sıkıştırılan akışkan bir kütleye dönüştürür. Çözülmenin etkisiyle oluşan toprak deformasyonları önemli ve bazı durumlarda tehlikeli olabilir. Bu deformasyonlar demiryolu ve yol yarma kesitlerinde sık görülür; burada ilkbaharda, çözülmüş buz merceklerinden gelen suyla toprağın aşırı doygun hale gelmesi nedeniyle şevlerin kısmi kayması meydana gelir; ayrıca trafik altında kaplaması, suyla aşırı doygunluk nedeniyle taşıma gücünü kaybetmiş zeminde deforme olan yollarда da görülür.
Toprağa karşı don etkisini değerlendirme ölçütü
Donun çeşitli toprak türleri üzerindeki etkisinin incelenmesi sonucunda, don davranışı bakımından iki toprak türü ayırt edilmelidir: don açısından güvenli ve don açısından tehlikeli.
Donmaya karşı güvenli topraklar, don süresi ne kadar uzun olursa olsun, içinde buz mercekleri oluşmayan topraklardır. Bu tür topraklarda yalnızca gözeneklerindeki su donar ve küçük don etkisi deformasyonlarıyla birlikte buz kristalleri oluşur. Bu gruba çakıl, kum ve benzeri topraklar girer.
Donma açısından tehlikeli zeminler, buz merceklerinin oluştuğu, bunun sonucunda daha büyük deformasyonların meydana gelebileceği zeminlerdir. Yüzey tabakasında buz mercekleri biçiminde biriken su, don etkisi sırasında ayrıca kaldırma etkisi de oluşturur. Bu gruba bazı siltli-killi ve özellikle siltli zeminler girer.
Toprağın dona karşı dayanıklılığını değerlendirmek için birkaç ölçüt vardır; bunlar arasında en iyi bilinenler Arthur Casagrande ve Ruklia ölçütleridir; bunları burada açıklayacağız.
A. Casagrande kriteri
Bu kriter toprağın tane boyu dağılımına dayanır ve şöyledir:
a) Üniform bileşimli, düzensizlik derecesi U < 5 olan zeminlerde, 10%’den fazla 0,02 mm boyutunun altındaki tane içeriyorsa zemin dona karşı tehlikelidir.
b) Düzensizlik derecesi U > 15 olan düzensiz bileşimli zeminlerde, kuraklık açısından tehlike, 3%’den fazla ve 0,02 mm’nin altındaki tane içeriyorsa söz konusudur.
Her ne kadar bu kriter uzun süre uygulanmış ve daima güvenilir sonuçlar vermiş olsa da, eksikliği yalnızca zeminin granülasyonuna dayanması ve zeminde don etkisine tesir eden diğer faktörleri de dikkate almamasıdır. Bu nedenle bugün bu kriterin aşırı katı ve ekonomik olmadığı düşünülmektedir.
Rukliev kriteri
Bu yönteme göre zemin, katı tanelerin sertliğine göre iki fraksiyona ayrılır: iri taneli fraksiyon, d > 2 mm çaplı taneler ve ince taneli fraksiyon, d < 2 mm çaplı taneler. Zeminin dona dayanımını değerlendirmek için ince taneli fraksiyon miktarının iri taneli fraksiyon miktarına bağımlılığı belirlenir ve bu bağımlılık alt ve üst sınırla verilmiştir (şek. 1).
Alt sınır, kuru dolgu ağırlığının d < 0,02 mm çaplı katı parçacıklarının izin verilen en büyük yüzdesini, yani 0-2 mm fraksiyonunu ifade eder; bu durumda, yeraltı suyu seviyesinin yüksek olması, elverişsiz iklim koşulları (uzun süreli donlar) ve zeminin yüksek doğal nemi gibi elverişsiz koşullarda don nedeniyle pratikte hemen hemen hiç zarar oluşmaz.
Üst sınır, elverişli koşullar altında — örneğin düşük yeraltı suyu seviyesi, elverişli iklim koşulları (kısa süreli donlar) ve zeminin düşük doğal nemi gibi — pratikte hemen hiçbir don zararı oluşmaması için ince taneli fraksiyonun kuru ağırlığına göre d < 0,02 mm parçacıklarının izin verilen en yüksek yüzdesini ifade eder.
Şek. 1 Rukliev kriterine göre zeminin dona karşı tehlikesinin değerlendirilmesi için alt ve üst sınır
Topraktaki don etkisine karşı koruma
Topraktaki don etkisinin derinliği, bölgenin iklim koşullarına bağlıdır. Ülkemizde bu değer çoğunlukla arazi yüzeyinin 0,8 ile 1,0 m metre altındadır. Buna göre, temeli 1,0 m derinliğinde veya daha derinde olan yapılar don etkisine maruz kalmayacaktır.
Yol kaplamaları gibi sığ temellendirilmiş yapılar, don etkisine maruz kalır; bu etki, hem donma sırasında hem de çözülme sırasında kaplamada daha büyük deformasyonlara ve hasarlara yol açabilir. Bu nedenle, yollarda ve havaalanlarındaki kalkış-iniş pistlerinin yapımında zemin, don etkisi bakımından incelenmeli ve temel zemin don açısından tehlikeli ise koruyucu önlemler alınmalıdır. Yol ve havaalanı kaplamalarında en etkili önlem, kalınlığı öyle belirlenen bir temel tabakası yapmaktır ki, kaplama ile temel tabakanın toplam kalınlığı ağır trafik için 0,80 m ile hafif trafik için 0,60 m olsun. Çoğu kez, kaplamanın altında 0,30 m kalınlığındaki temel tabakası don etkisine karşı yeterli koruma sağlar.
Tampon tabakasının yapımında kullanılan malzeme genellikle aşağıdaki koşulları sağlaması gereken kum veya kumlu çakıldır:
Plastisite indeksi IP < 5
d < 0,02 mm fraksiyonunun içeriği 3%’den küçüktür
Düzensizlik derecesi U > 7.
Tampon tabakasının üst kısmı, kalınlığı 20 cm olan bölümde, yetersiz sıkışma ve sınırlı taşıma gücü nedeniyle tekdüze ve ince taneli kum olmamalıdır. Bu bölümde tampon tabaka, 30-70% oranında 2-30 mm tane boyutunda kumlu çakıl olmalıdır. 30 mm’den büyük taneler tavsiye edilmez.
Sığ temellendirilmiş çevre duvarları da topraktaki don etkisine maruz kalır; bunun sonucunda eğilirler ve don etkisinin zaman içinde yinelenmesiyle devrilip yıkılırlar. Bu nedenle, zemin don tehlikesi taşıyorsa bu duvarlar 1,0 m derinliğe kadar temellendirilmelidir.