Bir zeminin kayma mukavemetiKayma Mukavemeti (Zemin)Bir zeminin kayma gerilmesi altında göçmeye karşı gösterdiği, kohezyon ve içsel sürtünme açısıyla tanımlanan direnç., yükleme hızına ve zeminden suyun süzülüp süzülemediğine göre değişir. Bu farkı iki ayrı parametre çifti ifade eder: drenajsız kayma mukavemetiDrenajsız Kayma MukavemetiYükleme hızının, boşluk suyu basıncının sönümlenmesine izin vermeyecek kadar hızlı olduğu koşulda ölçülen, doygun killerin kısa vadeli kayma mukavemeti. (cucu), boşluk suyunun süzülmeye vakit bulamadığı hızlı/kısa vadeli durumları; efektif (drenajlı) parametreler (c′c', φ′\varphi') ise suyun tamamen süzüldüğü, gerilmelerin tanecikler arasında iletildiği uzun vadeli durumu tarif eder.

Bu iki parametre çifti laboratuvarda tek bir deney düzeneğiyle, aynı numuneyi farklı “drenaj senaryoları” altında kırarak elde edilir: üç eksenli basınç deneyiÜç Eksenli Basınç DeneyiSilindirik bir zemin numunesine kontrollü çevre basıncı ve eksenel yük uygulayarak kayma mukavemeti parametrelerinin belirlendiği, en güvenilir laboratuvar deneyi..

Deney Düzeneği

Silindirik bir zemin numunesi (tipik boy/çap oranı ≈2\approx 2), esnek bir lastik zar (membran) içine yerleştirilip su dolu bir hücreye konur. Hücre şu bileşenlerden oluşur:

  • Hücre gövdesi: numuneyi çevreleyen, genellikle saydam pleksiglastan silindirik kap; içi hücre basıncını ileten su ile doldurulur.
  • Membran: numuneyi hücre suyundan ayıran ince, esnek lastik zar; numunenin serbestçe şekil değiştirmesine izin verir.
  • Üst ve alt başlıklar ile poroz taşlar: numunenin iki yüzüne oturan, içinden suyun geçebildiği poroz seramik diskler; drenaj hatlarına bağlanarak numuneden suyun girip çıkmasını sağlar (ya da UU’da bu hatlar kapalı tutulur).
  • Hücre basıncı sistemi: numuneyi her yönden eşit bir çevre basıncıyla (σ3\sigma3) sıkıştıran, genellikle hava basıncıyla kontrol edilen su sistemi.
  • Yükleme pistonu: hücrenin üstünden geçerek numuneye düşey yönde ek bir eksenel yük uygulayan piston; bu ek yükün numune alanına bölünmesiyle deviatör gerilmeGerilmeBir kesite etkiyen iç kuvvetin, kesit alanına bölünmesiyle elde edilen, malzemenin iç direncini ifade eden temel mukavemet büyüklüğü. (σ1−σ3\sigma1 - \sigma3) elde edilir ve σ3\sigma3‘e eklenince en büyük asal gerilmeyi (σ1\sigma1) verir.
  • Boşluk suyu basıncıBoşluk Suyu BasıncıZemin gözeneklerini dolduran suyun taşıdığı basınç; efektif gerilmenin toplam gerilmeden çıkarılan bileşeni. transduseri: drenaj vanası kapalıyken numune içinde gelişen su basıncını ölçen elektronik sensör; CU deneyinin efektif parametre üretebilmesinin anahtarı budur.
  • Hacim değişimi ölçer (bürette): drenaja izin verilen aşamalarda (konsolidasyonKonsolidasyonDoygun ince daneli bir zeminin, yük altında gözenek suyunun zamanla dışarı atılmasıyla hacminin azalarak sıkışması süreci., CD kesmesi) numuneden çıkan/numuneye giren su hacmini izler.

Deney üç aşamadan oluşabilir: doygunlaştırma (numunedeki havanın su ile yer değiştirmesi), konsolidasyon (numunenin belirlenen çevre basıncı altında denge haline gelmesi) ve kesme (eksenel yükün artırılarak numunenin göçürülmesi). Hangi aşamaların uygulandığı ve kesme sırasında drenaja izin verilip verilmediği, deneyin UU, CU veya CD olarak adlandırılmasını belirler.

Üç Deney, Tek Numune Türü

UU, CU ve CD birer ayrı cihaz değildir — aynı üç eksenli hücrede, doygunlaştırma/konsolidasyon uygulanıp uygulanmadığına ve kesme sırasında drenaj vanasının açık ya da kapalı tutulmasına göre üç farklı deney prosedürüdür.

UU (Konsolidasyonsuz-Drenajsız) Deneyi

UU deneyi, en hızlı ve en basit üç eksenli deneydir. Numune, doğal su içeriğini ve yapısını koruduğu varsayılarak hiçbir doygunlaştırma veya konsolidasyon işlemine tabi tutulmadan doğrudan çevre basıncına maruz bırakılır; kesme aşamasında da drenaj vanası kapalı tutulur. Boşluk suyu basıncı ölçülmediği için sonuçlar yalnızca toplam gerilme cinsinden yorumlanabilir.

Bu deney, sahadaki ani yükleme durumunu — inşaat sonu kısa vade gibi — simüle eder. Doygun killerde, farklı çevre basınçlarında tekrarlanan UU deneylerinde kırılma anındaki deviatör gerilme (σ1−σ3\sigma1 - \sigma3) hemen hemen sabit çıkar; bu da drenajsız koşulda görünür içsel sürtünme açısının sıfıra yakın olduğunu (φu≈0\varphiu \approx 0) ve tüm mukavemetin tek bir parametreyle, drenajsız kayma mukavemeti (cucu) ile ifade edildiğini doğrular. Standart ASTM D2850’dir.

CU (Konsolidasyonlu-Drenajsız) Deneyi

CU deneyi, UU’dan farklı olarak numuneyi önce belirlenen bir çevre basıncı altında tam konsolide eder (drenaja izin vererek). Konsolidasyon tamamlandıktan sonra drenaj vanası kapatılır ve numune bu kapalı halde kesilir; kesme sırasında oluşan boşluk suyu basıncı bir sensörle ölçülür.

Bu ölçüm CU deneyini özel kılar: aynı deneyden hem toplam gerilme cinsinden (cucu, φu\varphiu) hem de ölçülen boşluk suyu basıncı düşülerek efektif gerilmeEfektif GerilmeZemin iskeletinin gerçekte taşıdığı gerilme; toplam gerilmeden gözenek suyu basıncının çıkarılmasıyla elde edilen, zemin mekaniğinin temel ilkesi (Terzaghi). cinsinden (c′c', φ′\varphi') parametreler elde edilebilir. Farklı konsolidasyon basınçlarında denenen birkaç eşdeğer numunenin kırılma noktalarına çizilen efektif gerilme Mohr daireleri, bu dairelere teğet doğrunun eğimi ve kesim noktasından efektif kohezyonKohezyonKil gibi ince daneli zeminlerde dane partikülleri arasındaki elektrokimyasal çekim kuvvetinden kaynaklanan, normal gerilmeden bağımsız kayma dayanımı bileşeni. ve içsel sürtünme açısını verir. Standart ASTM D4767’dir.

CD (Konsolidasyonlu-Drenajlı) Deneyi

CD deneyi, CU ile aynı konsolidasyon aşamasından geçer, ancak kesme aşamasında da drenaj vanası açık tutulur; böylece kesme boyunca boşluk suyu basıncının artmasına izin verilmez ve doğrudan efektif gerilme koşullarında çalışılmış olur. Bunun bedeli süredir: drenajın gerçekten tamamlanabilmesi için eksenel yükleme, boşluk suyu basıncının birikmesini önleyecek kadar yavaş uygulanmalıdır.

CD Neden Nadiren Tercih Edilir

Killerde CD deneyinin kesme aşaması, aynı numunenin CU deneyine göre 7 ila 15 kat daha uzun sürebilir. Bu nedenle pratikte, efektif parametrelere ihtiyaç duyulduğunda CD yerine boşluk suyu basıncı ölçümlü CU deneyi tercih edilir; CD, genellikle kum gibi hızlı drene olan zeminlerde veya çok özel uzun vadeli analizlerde kullanılır. Standart ASTM D7181’dir.

Hangi Deney, Hangi Durumda?

Tablo 1 — Üç Eksenli Deney Seçim Kılavuzu

DeneyKonsolidasyonKesmede DrenajElde Edilen ParametreTipik Kullanım
UUYokYokcucu (φu≈0\varphiu \approx 0)Ani yükleme / inşaat sonu kısa vade
CU (u ölçümlü)VarYokcucu, φu\varphiu ve c′c', φ′\varphi'Kademeli inşaat, orta vadeli analiz
CDVarVar (yavaş)c′c', φ′\varphi'Uzun vadeli analiz, kum/hızlı drene zeminler
Pratik Bir Kural

Killi bir zeminde kısa vadeli (inşaat sonu) bir taşıma gücü veya şev stabilitesi analizi yapılıyorsa UU/cucu; hem kısa hem uzun vadeli davranışın tek bir programda incelenmesi gerekiyorsa boşluk suyu basıncı ölçümlü CU tercih edilir. CD, genellikle yalnızca özel projelerde ve kum gibi hızlı drene olan zeminlerde pratik kalır.

Sonuç

Drenajlı ve drenajsız kayma mukavemeti parametreleri arasındaki kavramsal fark tek bir denklemle özetlenebilse de, bu parametrelerin nasıl ölçüldüğü çok daha teknik bir hikâyedir. Üç eksenli basınç deneyinde aynı hücre, aynı numune türü kullanılır; değişen yalnızca konsolidasyonun uygulanıp uygulanmadığı ve kesme sırasında drenaj vanasının durumudur. UU deneyi hız ve basitlik sunarken yalnızca toplam gerilme cinsinden bir cevap verir; CU deneyi, boşluk suyu basıncını ölçerek tek bir deneyden hem toplam hem efektif parametreleri çıkarma imkânı sunduğu için pratikte en çok tercih edilen yöntemdir; CD ise en “gerçek” efektif parametreleri verse de süresi nedeniyle nadiren tercih edilir. Doğru deneyin seçimi, sonuçta hangi soruya cevap arandığına — kısa mı, uzun vadeli mi — bağlıdır.