Zemin yapısı
Toprağın yapısı, zemin kütlesi içindeki katı fazın düzenini ifade eder. Bilindiği gibi toprak, katı parçacıklardan ve su, hava veya su buharı ile dolu gözeneklerden oluşur; çoğu zaman kısmen hava, kısmen su içerir. Topraktaki katı parçacıkların düzenine göre yapısı belirlenir. Bağlı olmayan ve bağlı zeminin yapıları birbirinden esaslı biçimde farklıdır.
Bağlı olmayan zeminin yapısı
Bağlanmamış toprağın yapısı yerçekimi etkisi altında oluşur. Bu toprağın katı parçacıkları daha iridir ve aşağı doğru düşer, yerçekimi etkisiyle çökelir; buna karşılık bu tür parçacıklar arasında moleküller arası çekici kuvvetler yoktur ya da çok zayıftır ve yerçekimi tarafından yenilir. Bu nedenle bağlanmamış toprakta katı parçacıklar yan yana dizilir ve parçacıklar arasındaki boşluğu doldurur (şek. 1_a_). Bağlanmamış toprağın parçacıkları yaklaşık yuvarlak biçimde ve aynı büyüklükteyse, örneğin homojen bileşimli kumda olduğu gibi, yapı en sıkı (şek. 1_b_) ya da en gevşek (şek. 1_c_) olabilir; bu, toprağın içindeki katı parçacıkların düzenine bağlıdır. En sıkı yapı, bağlanmamış toprağın en yüksek sıkışma olanağına karşılık gelir ve porozitesi nmin=26%’tür. En gevşek yapı, bağlanmamış toprağın mümkün olan en düşük sıkışmasına karşılık gelir ve porozitesi nmax=48%’tür. Örneğin, gevşek kumullar kumu için n=47%’tir.
Şek. 1 Bağlanmamış zeminin yapısı
Bağsız zemin farklı tane iriliklerine sahipse, daha ince parçacıklar daha iri olanların arasındaki boşlukları dolduracak şekilde (şek. 2), zeminin porozitesi belirgin biçimde daha küçüktür (n=20% ve daha az).
Şek. 2. Farklı tane iriliklerine sahip bağlanmamış toprağın yapısı
Bağlı zeminin yapısı
Bağlı toprakta yapı, bağsız topraktakinden farklıdır. Bağlı toprakta, küçük parçacıkların ağırlık kuvvetinden daha güçlü olan ve onları temas yüzeylerinde birbirine yapıştıran kohezyon kuvvetleri ortaya çıkar. Bu nedenle bu parçacıklar düzenli olarak aşağı düşmez, birbirlerine ve yan yana yapışık kalırlar (şek. 3_a_), böylece zincir biçimli ağsı bir yapı (şek. 3_b_), pulsu bir yapı (şek. 3_c_) vb. oluştururlar; bunlara daha yüksek dereceli yapılar denir. Bu tür yapılar, toplam kütlenin 60-80%’üne kadar çıkabilen büyük bir poroziteye sahiptir; bu durum bağsız toprakta mümkün değildir.
Şek. 3. Bağlı zeminin yapısı
Porozite ve porozite katsayısı
Toprağın porozitesi, boşluk hacminin toprağın toplam hacmine oranı olarak tanımlanır (şek. 4).
Şek. 4. Toprağın porozitesi ve porozite katsayısı
Eğer ile gösterirsek
- Vp = zemindeki boşluk hacmi
- Vm = katı parçacıkların hacmi
- V = toplam zemin hacmi,
toprağın boşluk oranı n tanım gereği
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
yani toprağın toplam hacminin %’si olarak
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Toprağın porozite katsayısı, boşluk hacminin katı parçacıkların hacmine oranı olarak tanımlanır:
e = VP / Vm.
Gözeneklilik n için formülden elde ederiz:
nVP + nVm = VP, buradan Vm = VP(1-n) / n.
Bu değeri e formülüne yerleştirerek elde ederiz
e = n / (1-n).
Bu denklemden elde ederiz
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Porozite katsayısı, zeminin yoğunluğunu gösterir. e katsayısı ne kadar büyükse, zeminin yoğunluğu o kadar küçüktür ve tersi de geçerlidir. Eğer sıkışabilir bir zemin yük altında oturursa, oturma öncesi ve sonrası porozite katsayısı yardımıyla oturma büyüklüğü Δ_h_ belirlenebilir.
Kalınlığı h olan sıkışabilir bir zemin tabakasını inceleyelim (şek. 5_a_). Bu tabaka yüklendiğinde Δ_h kadar oturacak, böylece yükleme nedeniyle kalınlığı h1’e azalacaktır. Buna göre
Δ_h_ = h – h1.
Sıkışabilir zeminin oturması boşluklar pahasına gerçekleştiğinden, çünkü katı parçacıklar pratikte sıkıştırılamaz ve zeminin gözenekleri kısmen ya da tamamen bununla doluysa su da öyledir, bu oturma şematik olarak şek. 5_b_’de gösterilebilir.
Şek. 5. Yük altında h kalınlığındaki sıkışabilir zemin tabakasının oturması Δh
h0 ile, boşluksuz katı parçacık tabakasının varsayımsal yüksekliğini, yani indirgenmiş yükseklik olarak adlandırılan yüksekliği gösterirsek, o zaman Δ_h_ oturmasını indirgenmiş yükseklik h0 ile şu ilişkiyle ifade edebiliriz:
Eğer genişliği ve uzunluğu birime eşit olan bir toprak tabakası dikkate alınırsa, o zaman h, h1 ve h0 yükseklikleri hacimleri temsil eder ve bu nedenle
burada e önceki gözeneklilik katsayısı, e1 ise oturma sonrasıdır. Bundan oturma elde edilir
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Oturma, oturmadan önce tabaka yüksekliği h ile ilişkilendirilebilir; bunun için indirgenmiş yükseklik h0 değerini yerine koyarsak:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
çünkü n = VP / V = VP / h_, buradan VP = nh.
Buna göre elde edilir
Bazı zemin türlerinin porozite n ve porozite katsayısı e için aşağıdaki ortalama değerleri vardır:
Toprak nemi
Topraktaki su türleri
Topraktaki su, katı taneler arasındaki gözeneklerde bulunan su biçiminde, yani gözenek suyu olarak; ayrıca katı taneler üzerinde adsorbe su olarak ve konstitüsyonel su olarak görülür.
Gözenek suyu, katı parçacıklar arasındaki serbest su’dan oluşur; bunun hareketi Darcy yasasına göre gerçekleşir. Ayrıca, yerçekiminin etkisiyle yukarıdan aşağıya her yönde hareket eden ancak hareketi Darcy yasasına göre olmayan gravitasyon suyu, kapiler kuvvetlerin etkisiyle hareket eden kapiler su ve katı zemin parçacıkları arasındaki köşelerde yüzey gerilimiyle tutulan yüzey gerilim suyu vardır; buna köşe gözenek suyu da denir. Bu suyun tamamı, zeminin 110oC sıcaklıkta kurutulmasıyla tamamen uzaklaştırılabilir.
Adsorbe su, moleküler kuvvetlerle bağlı olduğu katı taneleri saran sudur. Bu, kalınlığı 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron) olan sözde _su filmi_dir. Adsorbe suyun daha iri tanelerdeki etkisi önemsizdir; ancak taneler ne kadar küçükse etkisi o kadar büyük olur, çünkü tanelerin toplam yüzeyi artar ve buna bağlı olarak adsorbe suyun toprak birim hacmindeki katı taneciklere oranı yükselir. Bu su yalnızca 110oC’de kurutma ile kısmen uzaklaştırılabilir.
Konstitüsyonel su, toprak katı tanelerinin mineral kristalleri içinde kimyasal olarak birleşmiş durumdadır. Bu sudan çok az bulunur ve toprağın kurutulmasıyla giderilemez. Bu nedenle bu su, katı tanenin ayrılmaz bir parçası olarak kabul edilebilir.
Topraktaki su miktarı
Tanım gereği, topraktaki su miktarı ya da toprak nemi, toprakta bulunan suyun ağırlığının onun katı bileşenlerinin ağırlığına oranıdır. Topraktaki su miktarına göre üç durum ayırt edilir: suyla tamamen doygun toprak, suyla kısmen doygun toprak ve tamamen kuru toprak.
Tamamen suya doygun zemin
Toprağın porozitesini n, tüm taneciklerin hacim ağırlığını γs, suyun hacim ağırlığını γw ile gösterirsek, doygun zeminin su muhtevası wZ aşağıdaki denklemle ifade edilebilir
Su ile kısmen doygun toprak
Ww ile toprakta bulunan suyun ağırlığını, Wd ile katı parçacıkların ağırlığını, yani kuru toprağın ağırlığını gösterirsek, o zaman toprağın nemi w
w = Ww / Wd , yani kuru zeminin ağırlığının yüzdesi olarak: w = 100 _Ww / Wd.
Bu durumda toprağın nemi, nem derecesi Sr ile ifade edilebilir; bu, topraktaki gerçek su ağırlığının, tüm boşlukların suyla dolu olması halinde aynı topraktaki suyun ağırlığına, yani doygun toprağın su ağırlığına oranını gösterir:
vb. için _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Nem derecesi için sınır değerler şunlardır:
- tamamen kuru toprak için w = 0; Sr = 0
- tam doygun toprak için w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Şek. 6. Su ile kısmen doygun zemin örneği
Doygunluk derecesi (bazen doygunluk ya da nem derecesi olarak da adlandırılır), suyla dolu gözenek hacminin toplam gözenek hacmine oranı olarak da ifade edilir (şek. 6):
Sr = V2 / V1
burada V2 suyla dolu boşlukların hacmi, V1 ise su, hava ve gazlarla dolu boşlukların toplam hacmidir. Eğer w, toprağın kuru ağırlığı Wd cinsinden % olarak su muhtevası ise, o halde elimizde
V2 * γW = w Wd, buradan V2 = w Wd / γw.
Öte yandan, V1 = V – Vd, ve Vd * γs = Wd, olduğuna göre bu
Vd = Wd / γs ve V1 = V – Wd / γs.
Buna göre, zeminin doygunluk derecesi Sr olacaktır
yani toprağın kuru ağırlığının yüzdesi olarak
Zemin tamamen kuru
Bu durumda w = 0. Tüm gözenek suyu uzaklaştırılmıştır, adsorbe su ise yalnızca kısmen uzaklaştırılmıştır; yani su filmi hâlâ mevcuttur, ancak kalınlığı azalmıştır.