Önemli güvenlik notu: Bu, güncel bir laboratuvar veya saha kılavuzu değil, arşiv niteliğindeki profesyonel bir metindir. Açıklanan prosedürler arasında cıva, açık alev, ısıtma, parafin ve günümüzde tehlikeli veya kabul edilemez olabilecek diğer ekipman ve malzemeler yer almaktadır. Geçerli standartlar, risk değerlendirmesi, güvenlik bilgi formları, uygun laboratuvar ve profesyonel denetim olmadan bunları uygulamayın. Metin, Savo Kusić’in mevcut ürün ve hizmet teklifinin bir parçası değildir.
Toprağın hacimsel ağırlığının belirlenmesi
Toprağın hacimsel ağırlığını belirlemek için çeşitli yöntemler vardır, bunlardan en sık kullanılanlarını anlatacağız: silindir yöntemi, numunenin suya batırılması yöntemi, numunenin cıvaya batırılması yöntemi ve kumla yöntem.
Silindir ile prosedür
Bu prosedür en yaygın kullanılanıdır ve sahada ve laboratuvarda gerçekleştirilir. Bağlanmış ve bağlanmamış toprağa uygulanır.
Alt kenarı keskinleştirilmiş, hacmi bilinen bir metal silindir, zemine veya örselenmemiş veya yapay olarak sıkıştırılmış bir numuneye bastırılarak tamamen toprak kütlesi ile doldurulur. Daha sonra numunenin yüzeyi, silindirin üst ve alt kenarları bir bıçakla hizalanır ve hemen metal kapaklarla kapatılarak terazide tartılır.
Eğer W silindir ve kapaklarla birlikte numunenin ağırlığı ise, W0 kapaklarla birlikte silindirin kendi ağırlığı, V silindirin hacmidir
toprak yoğunluğu γ:
γ = (W - WP)/V
Numuneyi suya batırma prosedürü
Bu prosedür, suya batırılan bir cismin hacminin, yer değiştiren suyun hacmine eşit olması şeklindeki fiziksel özelliğe dayanmaktadır. Düzenli geometrik şekle sahip bir numune alınamadığında yalnızca bağlı zemin için kullanılır.
Bozulmamış topraktan veya daha büyük bir numuneden makak şeklinde bir parça numune alınır ve bunun doğal halindeki W ağırlığı bir terazide ölçülür. Daha sonra numune, çok sıcak olmaması gereken ancak erimeye yetecek kadar eritilmiş parafin ile kaplanır. İnce bir parafin tabakası 1-2 mm numunenin tamamını tamamen kaplamalıdır. Daha sonra parafinli numune terazide tartılır ve W’ ağırlığı elde edilir. Parafinin ağırlığı W’ – W.
Parafinin hacmi VP, şu formdan elde edilir: VP * γP = W’ – W,
burada γP, parafinin bilinen hacimsel ağırlığıdır ve γP = 0,892 p/cm3’ye karşılık gelir.
Yukarıdaki denklemden şunu elde ederiz: VP = (W’ – W)/0,892 [cm3].
Şek. 1. Numuneyi suya batırarak toprağın hacimsel ağırlığının belirlenmesi
Daha sonra parafine sarılı numune ince ipek iplikle bir teraziye asılır (şek. 1), terazi dengeye getirilir ve ardından hemen numunenin altına bir kap damıtılmış su çekilir, böylece numunenin tamamı suya batırılır. Numunenin sudaki görünür ağırlık kaybı nedeniyle terazideki denge bozulduğu için ağırlıklar kaldırılarak yeniden kurulur, böylece suya batırılmış parafinli numunenin ağırlığı W elde edilir. Batırılmamış ve batık durumdaki parafinli numunenin ağırlığındaki fark, yeri değişen suyun ağırlığını verir, yani suyun hacim ağırlığı YW = 1,00 ise, yeri değişen suyun hacmi Vw
Vw hacminden parafin hacmi VP’yi çıkararak numunenin hacmini elde ederiz.
Toprak yoğunluğu: γ = W/(Vw – VP)*m
burada m, su sıcaklığındaki farka bağlı düzeltme katsayısıdır, çünkü 4 °C’deki su sıcaklığı için Y = 1,0: m = γw,T / γw,4oC.
Cıvaya numune daldırma prosedürü
Bu prosedür bağlı zeminler için ayrıca düzenli geometrik şekilde numune almaktan vazgeçilmesi gereken durumlarda (örneğin zemin büzülme sınırlarının belirlenmesinde) uygulanır.
Şek. 2. Numuneyi cıvaya batırarak toprağın hacimsel ağırlığının belirlenmesi
Numune tamamen cıva ile doldurulmuş bir kaba daldırılır (şek. 2) ve ince metal çivili bir cam plaka yardımıyla tamamen cıvaya daldırılacak şekilde bastırılır. Preslenen cıva daha büyük bir kaba boşaltılır ve buradan ağırlığı alınır ve ölçülür. W numunenin ağırlığı ise, Wz yer değiştirmiş cıvanın ağırlığıdır, γz cıvanın hacimsel ağırlığıdır, Vz=V numunenin hacmine eşit olan yer değiştirmiş cıvanın hacmidir;
Vz * γz = Wz * Vz = Wz/ γz
toprağın hacimsel ağırlığı:
γ =W*γz /Wz.
Kumlama prosedürü
Bu test arazide yapılır ve çoğunlukla bağlanmamış topraklara, çakıl, çakıl kumu, moren malzemesine ve diğer durumlarda, silindirlerle örselenmemiş numunelerin çıkarılmasının mümkün olmadığı durumlarda uygulanır. Bu prosedürün prensibi, zeminde bir delik kazmak ve ardından deliğin hacminin belirlendiği bilinen hacimsel ağırlığa sahip normal kumla doldurmaktır. Toprağın hacimsel ağırlığı, kazılan kütlenin ağırlığından ve çukurun hacminden belirlenir.
Hacim ağırlığının belirlenmesi gereken toprağın yüzeyi yatay olacak şekilde tesviye edilir, üzerine yaklaşık 40 x 40 cm (şek. 3) boyutunda, çapı Ø = 20 cm, kalınlığı 5 mm ortasından kesilmiş bir şablonla teneke levha yerleştirilir, yere bir delik kazmak için. Teneke levha düz bir şekilde yere serilir ve mandallarla sabitlenir. Şablonun açıklığından, tercihen dikey duvarlı, ancak şablonun dışına taşmayacak şekilde, bir el aleti (bıçak, spatula, kaşık, keski) ile 20 cm çapında, yaklaşık 20 cm derinliğinde bir delik kazılır ve iyice temizlenir. Kazılan tüm malzeme plaka üzerine yerleştirilir ve kazıldıktan hemen sonra doğal nemi hala mevcutken terazide tartılır ve ağırlığı W belirlenir. Daha sonra doğal nemin belirlenmesi amacıyla numune, saha çalışması tamamlandıktan sonra kurutma odasına götürülmek üzere kapaklı bir teneke kutuya konulur. Hemen ardından, hacimsel ağırlığı γd ölçülerek yani daha önce yapılan laboratuvar testinden belirlenen kazılan çukura, aynı huniden ve aynı yükseklikten kum dökülerek kuru normal kum dökülür, h saha testindeki gibi düşer.
Şek. 3. Kum testi kullanılarak toprağın hacimsel ağırlığının belirlenmesi
Testi başlatmadan önce beher içindeki normal kumun ağırlığını ölçün, ardından 40 cm uzunluğunda çelik bir cetvelle hizalanan teneke levhanın üst yüzeyine kadar zemindeki deliği bu kumla doldurduktan sonra beherdeki kumun geri kalanını ölçün, böylece delikteki kuru normal kumun teneke levhanın üst yüzeyine kadar olan tam ağırlığı Wd elde edilir. Kazılan deliğin teneke levhanın üst yüzeyine kadar olan hacmi Vd, Vd = Wd/γd.
Zemindeki deliğin V hacmi, kalay şablonunun açıklığının v hacminin çıkarılmasıyla elde edilir:
Toprağın hacimsel ağırlığı γ: γ = W/V, burada W, kazıdan hemen sonra ölçülen delikten çıkan hafriyat toprağının ağırlığıdır. Yağışlı havalarda daha az hassas olan kum yerine sıva, yağlı veya soğuk asfalt kullanıldığı belirtiliyor. Ayrıca kumla yapılan testlerde daha kolay ve hızlı çalışılabilmesi için özel cihazlar da mevcuttur.
Toprak hacimsel ağırlıklarının yaklaşık değerleri 1 tablosunda verilmiştir; jeomekanik analizlerde her durumda toprak hacimsel ağırlığının laboratuvarda veya arazide yapılan deneylerle belirlenmesi gerektiğine dikkat çekilmektedir.
Toprak nemi tayini
Toprak nemi belirleme testi, elektrikli kurutucu kullanılarak laboratuvar yöntemi, açık ateşte kurutma kullanılarak saha yöntemleri, karbür kullanılarak, su altında ölçüm ve hava piknometresi kullanılarak çeşitli şekillerde gerçekleştirilir. Burada sadece ülkemizde en sık uygulanan ilk iki yöntemi anlatacağız.
Elektrikli kurutucu kullanan laboratuvar yöntemi
Bu yöntem tüm toprak türleri için en güvenilir ve en yaygın olarak uygulanan yöntemdir. Bozulmamış bir numuneden alınan bir parça toprak, kum saati adı verilen, metal bir kelepçeyle tutturulan ve analitik terazide birlikte tartılan iki içbükey camın arasına yerleştirilir ve ardından elektrikli bir kurutucuya yerleştirilir ve burada ağırlık sabit oluncaya kadar 105°C sıcaklıkta kurutulur (şek. 4). Kurutma sırasındaki sıcaklık farkı ±2°C’den büyük olmamalıdır, çünkü daha düşük bir sıcaklıkta tam kurutma gerçekleştirilemez ve daha yüksek bir sıcaklıkta numunedeki organik bileşenler yanabilir. Numunenin kurutucuda kum saati ile kurutulmasının yaklaşık süresi kum için yaklaşık 6 saat, kil için ise yaklaşık 12 saattir. Kurutulduktan sonra kelepçe ile kum saatlerine kapatılan numune oda sıcaklığına soğuması için desikatöre konulur ve ardından tekrar ölçülür.
Şek. 4. Klempli saat bardaklarında numune kurutma
Eğer W numunenin doğal nem durumunda kum saati ve kelepçe ile ağırlığı ise, Ws numunenin kuru durumda kum saati ve kelepçe ile ağırlığı, Wt kum saati ve kelepçe ağırlığı, toprak nemi w Atterberg’in tanımına göre suyun ağırlığının kuru durumdaki toprağın ağırlığına bölümüdür, yani: w = W-Ws / Ws-Wt * 100 [%].
Toprak gözenekliliği ve gözeneklilik katsayısının belirlenmesi
Test, hacminin bozulmadan belirlenebilmesi koşuluyla, bozulmamış bir numune üzerinde gerçekleştirilir.
Hacimi bilinen metal bir silindiri, bozulmamış toprağa veya daha büyük boyutlardaki bir numuneye bastırıp, numunenin üst yüzeyini silindirin kenarlarıyla hizalayıp, ağırlık sabit oluncaya kadar 105°C üzerinde kurumaya bırakıyoruz, ardından oda sıcaklığında soğumaya bırakıyoruz ve silindirle birlikte tekrar terazide tartıyoruz.
Eğer V silindirin iç hacmi ise, Vm gözeneksiz toprak katılarının hacmi, Wd numunenin kuru ağırlığı, γs katı parçacıkların hacim ağırlığı, toprak gözenekliliği n ise
Hacim Vm, numunenin kuru ağırlığına göre belirlenir Wd:
yani toplam toprak hacminin yüzdesi olarak
γd = Wd/V yani zeminin kuru hacimsel ağırlığı olduğundan
n = 100* (1 – γd/ γs) [%].
Gözeneklilik katsayısı e = n/(1-n) formülünden elde edilir.
İşlerin tasarımı, kalite kontrolü veya yürütülmesi için mevcut yönetmelikleri, standartlaştırılmış test yöntemlerini ve yetkili bir laboratuvarı kullanın. Bu metin tarihi bir eğitim kaynağı olarak korunmaktadır.