Zemin mekaniğinde üç ana zemin türü ayırt edilir: bağsız, bağlı ve organik kökenli zeminler. Bunun dışında kayaçlar da vardır, ancak bunlar zemin mekaniğinde değil, kayaç mekaniği adlı bilim dalında incelenir.
Bağsız zeminler
Bağsız ya da kohezyonsuz topraklar, bileşenleri herhangi bir bağlayıcı madde ile bağlı olmayan topraklardır. Kuru halde, nemin etkisi altında olmadıklarında, bağsız toprağın katı bileşenleri toprak kütlesi içinde tamamen serbesttir ve aralarında yalnızca iç sürtünme denilen sürtünme bulunur. Bağsız topraklara şunlar girer:
- Bloklar, tane boyu 200 – 2000 mm
- Kırma taş, tane büy. 60 – 200 mm
- Çakıl, tane boyu 2 – 60 mm
- Kum, tane büyüklüğü 0,02 – 2 mm
- Toz, tane büy. 0,002 – 0,02 mm.
Not edilir ki, toz fraksiyonu bazen mulj (İng. silt, Alm. Schluff) olarak adlandırılır. Ancak bizde mulj, organik kökenli belirli bir toprak türü anlamına geldiğinden, bu fraksiyon için bu ad bir yanlış anlaşılmaya yol açabilir.
Şek. 1 - Kumlu zemin
Bağlı topraklar
Bağlı ya da koherent topraklar, katı bileşenleri birbirine kohezyonla bağlı olan topraklardır. Koherent topraklar, suyun etkisi altında kolayca değişebilen, çok kararsız fiziksel özelliklere sahip olabilir. Bağlı topraklar arasında, 0,002 mm altındaki boyutlarda katı bileşenler içerenler yer alır. Esas olarak 0,002 – 0,0002 mm boyutlarındaki bileşenleri içeren toprağa kil, bu bileşenler 0,0002 – 0,00002 mm boyutlarında ise kolloidal kil adı verilir.
Doğada saf kil nadiren bulunur; çoğu zaman kum ve toz gibi diğer bileşenlerle karışmış hâlde bulunur ve buna tınlı toprak denir; kireçtaşı içeren kil marnlı kil (marn), magnezyum içeren kil ise uma olarak adlandırılır. Genel olarak, 50%’dan fazla kil bileşeni içeren toprağa yağlı kil ya da kısaca kil denir; 50%’dan az kil bileşeni içeren toprağa ise killi toprak adı verilir. 5%’den az kil bileşeni içeren toprağın kohezyonsuz toprak özelliklerine sahip olduğu kabul edilir.
Bir zeminin hangi gruba ait olduğunu değerlendirmek için en hızlı ve en basit yol, örneği kurutmak ve parmaklar arasında ezmeyi denemektir. Kohezyonsuz zeminler hemen dağılır. Killi zeminler parmaklar arasında daha küçük parçalara ufalanır, kil ise neredeyse taş gibi sertleşir.
Şek. 2 - Kil zemin
Organik kökenli topraklar
Bu topraklar büyük oranda organik veya bitkisel maddelerden, kil ve diğer bileşenlerden oluşur. Organik bileşenler içermeleri nedeniyle bu topraklar çok kararsızdır ve suyu güçlü biçimde emer; bu yüzden de kararsızdırlar ve ne taşıyıcı zemin olarak ne de toprak işleri için malzeme olarak kullanılabilirler. Bu topraklara humus, mulj ve turba dahildir.
Humus, yerkabuğunun yüzey tabakasında bulunan, genellikle birkaç desimetre kalınlığındaki verimli topraktır. Çok sayıda bakteri içeren organik ve mineral maddelerin bir karışımından oluşur. Toprak dolgularının, yollarda kaplamaların ve benzeri zemin işlerinin yapımında, ayrıca toprak yapıların yapımı için malzeme alınan ocakta kazı yapılırken, humus tabakasının tamamı kazılıp kaldırılmalıdır; bu tabaka yalnızca toprak şevlerin suyla aşınmaya karşı korunmasında kullanılabilir.
Şek. 3 - Humus
Mül; kil, toz ve kum gibi mineral maddelerle çok ince parçacıklar biçimindeki organik maddelerin karışımından oluşur. Eski nehir ve göllerin tabanında bulunur.
Turbalık, lifler hâlindeki büyük miktarda bitkisel ve organik maddelerden oluşur; mineral madde içeriği ise daha düşüktür.
Toprağın oluşumu
Yerkabuğundan bir kesit alsaydık, bunun çoğunlukla düşük tabaka kalınlığına sahip yüzey toprağı — humus, ardından bir veya daha fazla tabakadan oluşan, bileşimi ve kalınlığı değişen alt yüzey toprağı ve sonunda da sert kayadan oluştuğunu görürdük. Yüzey toprağı esas olarak bitkisel ve organik maddelerin ayrışmasıyla oluşmuştur; alt yüzey toprağı ise sert kayanın ayrışmasıyla oluşmuştur.
Sert kayanın parçalanması atmosfer etkileri veya volkanik etki sonucunda meydana gelir. Atmosfer etkileri mekanik veya kimyasal olabilir. Eğer sert kayanın parçalanma süreci minerallerin oksijenle birleşmesi ise bu oksidasyonla parçalanma, suyla birleşmesi ise hidrasyonla parçalanma olur. Volkanik etki kimyasaldır. Büyük ısı nedeniyle sert kaya volkanik küle dönüşür.
Katı kayanın parçalanması ve toprağa dönüşmesi süreci yerinde, yani “in situ” olabilir ya da taşıma ile gerçekleşebilir. Parçalanmış bölümlerin taşınması su ile olur; bu durumda alüvyal zeminler oluşur, rüzgâr ile olur; bu durumda eolik zeminler oluşur ya da buz ile olur; bu durumda buzul zeminler meydana gelir. Parçalanmış kaya parçaları ve kırıntılarının taşınması sırasında, darbeler, sürtünme ve yıkanma etkisiyle daha da ufalanmaları gerçekleşir; taşıma sırasında bunlara bu etkiler uygulanır. Bu etki sonucunda kırılmış parçaların kenarları yuvarlanır, yeni kırıntılar ufalanır, kenarları yeniden yuvarlanır ve taşıma sürdüğü sürece böyle devam eder. Katı bileşenlerin büyüklüğü ve biçimi kayanın dayanımına, taşıma uzunluğuna, taşıma türüne vb. bağlıdır. Bu nedenle topraktaki katı parçacıkların biçimi çok çeşitlidir: yuvarlak, oval, keskin ya da yuvarlatılmış kenarlı, üçgen vb. Büyüklüğü 0,02 – 0,002 mm olan ve zemin mekaniğinde toz olarak adlandırılan fraksiyonu oluşturan katı bileşenler, çoğunlukla yuvarlak ya da oval biçimdedir. 0,002 mm’den küçük büyüklükte olan ve kil olarak adlandırılan fraksiyonu oluşturan bu bileşenler ise pul biçimindedir. Kum, çakıl ve çakıl taşlarının daha iri parçacıkları kübik, yuvarlak, levha biçimli vb. çeşitli şekiller alabilir. Kübik parçacıklar biçimlerini daha zor değiştirir, levha biçimli olanlar daha kolay. Bu nedenle, ağırlıklı olarak levha biçimli parçacıklardan oluşan zeminler bileşimlerini kolayca değiştirebilir.
Tamamen oluşumu tamamlanmış bazı toprakların bazen daha sonra yeni birikintilerle örtüldüğü, böylece daha önce oluşmuş olan toprağın derinde kaldığı, yeni birikinti üzerinde ise öncekilerle hiçbir ilişkisi olmak zorunda olmayan başka bir toprağın oluştuğu belirtilir. Daha önce oluşmuş olup sonradan yeni bir birikintiyle örtülen böyle toprağa gömülü toprak denir. Bunlar çoğunlukla işlenmiş ve daha sonra rüzgârla lös tozu birikintileriyle örtülmüş kültür arazileridir; ancak birikintiler nehir kökenli de olabilir. Gömülü toprak koyu renginden tanınır ve bu süreç birçok kez yinelenmişse böyle toprak katmanları birden fazla olabilir.
Alüvyonlu topraklar
Alüvyon zeminler, suyla taşınma sırasında katı taneciklerin çökelmesiyle oluşur. Çökelme; başlıcaları akış hızının büyüklüğü, taşınan bileşenlerin iriliği ve tuz, kireç vb. diğer bileşenlerin içeriği olan birçok faktöre bağlıdır. Su akış hızının yüksek olduğu durumlarda yalnızca iri bileşenler çöker, ince olanlar ise çökmez; aksine taşınmaya devam eder. Bu nedenle daha iri katı bileşenler, su akış hızının yüksek olduğu kaynaklara daha yakın olan üst akış kesiminde çöker. Su akış hızının azalmasıyla birlikte giderek daha ince bileşenler çöker. Durgun, akımsız suda ise kural olarak en ince katı bileşenler çöker. Su akışının yavaşladığı her yerde, suyun nehir yatağından taşmasıyla oluşan taşkın alanlarda, nehir ağızlarında, bentlerin önünde vb. olduğu gibi, büyük birikmeler meydana gelir.
Kolloidal kilin çok ince parçacıklarının çökelmesi, suya daldırıldıklarında 0,0002 mm boyutunun altındaki ince parçacıklar arasında ortaya çıkan elektro-kimyasal etki nedeniyle sınırsız uzun bir süre devam edebilir. Bu durumda katı parçacıklar aynı işaretli (negatif) elektrik yükü taşır; bu yüzden birbirlerini iterler ve sıvı kütlesi içinde, boyutları küçüldükçe artan hızlarla hareket ederler. Bunlar Brown hareketleridir. Bu hareketler nedeniyle sudaki katı parçacıkların çökelmesi önemli ölçüde yavaşlar ve sınırsız uzun bir süre devam edebilir.
Şek. 4 - Alüvyon zemin
Eol toprakları
Eolik zeminler, rüzgârın katı parçacıkları taşıyıp biriktirmesiyle oluşur. Eolik zeminin iki türü ayırt edilir: lös ve kumul. Lös, yaklaşık 0,05 mm tane iriliğinde veya biraz daha küçük katı parçacıklardan oluşur; bunlar birbirine kalsiyum karbonatla yapışmıştır. Bu nedenle kuru haldeyken lös yüksek bir dayanım gösterir. Lös içindeki kazı şevleri çok büyük yüksekliklerde dik yüzeylerle durabilir. Ancak lös daha kuvvetli biçimde ıslandığında dayanımını kaybeder ve kolayca hareket eder. Belgrad yakınındaki Bežanijska kosa lös birikimlerinin, 20m m’yi aşan yüksekliklerde dik yüzeylerle ayakta kaldığı bilinmektedir. Ne var ki, Çunarska Caddesi örneğinde olduğu gibi kenarlara yakın bölümlerde yerleşimlerin kurulduğu kesimlerde, kullanılan suların saçılması nedeniyle lös platosu şevinin hemen yanında sürekli ıslanma meydana gelir; bunun sonucunda lös şevleri çöker ve kenara yakın lös zemininin stabilitesi tehlikeye girer.
Dine rüzgârla taşınan gevşek kumdan oluşan hareketli tepeciklerdir. Bu tepecikler rüzgâr etkisiyle hızla dağılır ve yeniden oluşur; bu nedenle evlerin ve taşıtların kum altında kalması ve yıkılması tehlikesi oluştururlar.
Şek. 5 - Eolik toprak
Buzul toprakları
Buzul toprakları, katı toprak parçacıklarının buz tarafından taşınmasıyla oluşur. Buzul topraklarının bileşimi alüvyal topraklardan farklıdır, çünkü bunlar buzun erimesinden sonra geride kalan yaklaşık aynı irilikte katı parçacıklardan, yani çakıl taşları, çakıl (moren) veya kumdan oluşur. Eski buzul göllerinin tabakalarında buzul kili bulunur.
Şek. 6 - Buzul zemini