1911 yılında bir İsveçli tarım kimyacısı, tarlalarındaki kilin neden bazen çamur gibi akıp bazen tuğla gibi sertleştiğini merak etti. Albert Atterberg’in derdi köprü ya da bina değildi, toprağın tarımsal işlenebilirliğiydi. Ama tanımladığı su muhtevası sınırları, on yıllar sonra zemin mekaniği adı verilen bambaşka bir mesleğin temel taşlarından biri haline geldi.

Bugün her zemin etüdüZemin EtüdüBir yapı sahasının zemin ve kayaç özelliklerini sondaj, arazi ve laboratuvar deneyleriyle belirleyen, temel tasarımının dayandığı çalışma. raporunda karşımıza çıkan LL, PL ve PI değerleri, işte bu tarım kimyacısının gözlemlerine dayanır.

Kıvam Durumları ve Limitlerin Tanımı

İnce daneli (killi, siltli) bir zemine giderek artan miktarda su katılıp yoğrulduğunda, zemin dört farklı kıvam durumundan geçer: katı, yarı katı, plastik ve likit[2]Atterberg, A. (1911). Über die physikalische Bodenuntersuchung und über die Plastizität der Tone. Internationale Mitteilungen für Bodenkunde, Cilt 1..

  • Katı durum: Zemine şekil verilemez; şekil verilmeye zorlanırsa kırılır.
  • Yarı katı durum: Zemine şekil zorlukla verilir, verildiğinde çatlar.
  • Plastik durum: Zemin çatlamadan, kırılmadan istenilen şekle kolayca getirilebilir.
  • Likit durum: Zemin bir sıvı gibi kendi ağırlığı altında akar.

Atterberg, orijinal çalışmasında bu geçişleri beş ayrı sınır su muhtevasıyla tanımlamıştı: kohezyonKohezyonKil gibi ince daneli zeminlerde dane partikülleri arasındaki elektrokimyasal çekim kuvvetinden kaynaklanan, normal gerilmeden bağımsız kayma dayanımı bileşeni. limiti, yapışma limiti, büzülmeRötreSertleşmiş betonun, içindeki serbest suyun zamanla ortama buharlaşmasıyla hacminin küçülmesi; bu hareket kısıtlandığında çatlaklara yol açabilen uzun süreli deformasyon. limiti, plastik limit ve likit limitLikit Limitİnce daneli bir zeminin plastik hâlden sıvı gibi akan bir hâle geçtiği sınır nem içeriği.[2]Atterberg, A. (1911). Über die physikalische Bodenuntersuchung und über die Plastizität der Tone. Internationale Mitteilungen für Bodenkunde, Cilt 1.. Günümüz zemin mekaniği uygulamalarında ise bunlardan yalnızca üç tanesi standart deneylerle rutin olarak belirlenir: büzülme limiti, plastik limit ve likit limit.

Beşten Üçe

Atterberg’in tanımladığı kohezyon limiti ve yapışma limiti, ölçüm güçlüğü nedeniyle mühendislik pratiğine taşınmadı. Bugün ulusal standartlarda yer alan üç limit (büzülme, plastik ve likit) kıvam durumları arasındaki en belirgin ve tekrarlanabilir sınırlardır.

Likit Limit ve Plastik Limit

Likit limit (LL veya WL), zeminin plastik durumdan likit duruma geçtiği andaki su muhtevasıdır. Türkiye’de TS 1900-1 Madde 5.1.2.2’de “Deney 2 (B)” olarak tanımlanan bu deneyin uluslararası karşılığı ASTM D4318’dir[1]Türk Standartları Enstitüsü (2006). TS 1900-1: İnşaat Mühendisliğinde Zemin Laboratuvar Deneyleri, Madde 5.1.2.2 (Likit Limit) ve Madde 5.1.3 (Plastik Limit ve Plastisite İndisi). TSE, Ankara.[3]ASTM International (2017). D4318-17: Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils.. Deney, en yaygın biçimiyle Casagrande cihazıyla yapılır; bazı ülke standartlarında ise düşen koni (fall cone) yöntemi tercih edilir.

Plastik limit (PL veya WP), zeminin plastik durumdan yarı katı duruma geçtiği, yani zeminin henüz plastik kıvamda kalabildiği en düşük su muhtevasıdır. TS 1900-1 Madde 5.1.3’te “Deney 3” olarak tanımlanır[1]Türk Standartları Enstitüsü (2006). TS 1900-1: İnşaat Mühendisliğinde Zemin Laboratuvar Deneyleri, Madde 5.1.2.2 (Likit Limit) ve Madde 5.1.3 (Plastik Limit ve Plastisite İndisi). TSE, Ankara.. Likit limite göre çok daha basit bir düzenekle, yuvarlama (iplik) testiyle belirlenir.

Plastisite İndisi: PI = LL - PL

Likit limit ile plastik limit arasındaki fark, plastisite indisini (PI) verir:

PI=LL−PLPI = LL - PL

Bu değer, zeminin plastik kıvamda kalabildiği su muhtevası aralığının genişliğini gösterir. Yüksek PI değeri, zeminin geniş bir su içeriği aralığında şeklini koruyabildiğini, dolayısıyla yüksek oranda kil içerdiğini gösterir; düşük PI ise dar bir plastik aralığı ve daha siltli veya kumlu bir karaktere işaret eder.

PI Neden Önemlidir?

Plastisite indisi yalnızca bir sınıflandırma parametresi değildir. Sıkışabilirlik, geçirgenlik ve mukavemet gibi doğrudan ölçümü daha zor olan mühendislik özellikleriyle güçlü ampirik ilişkiler taşır. Bu yüzden LL ve PL, göreceli olarak basit deneylerle elde edilmelerine rağmen zemin sınıflandırmasının ve pek çok ampirik korelasyonun temelini oluşturur[4]Das, B. M. (2010). Principles of Geotechnical Engineering (7. baskı). Cengage Learning..

Bir numunenin doğal su muhtevası plastik limitin altındaysa iplik testi gerçekleştirilemez ve PI değeri hesaplanamaz (NP, non-plastic) olarak kaydedilir; bu durum, zeminin kum veya silt ağırlıklı, düşük plastisiteli bir malzeme olduğunun göstergesidir.

Sonuç

Atterberg limitleri, bir tarım kimyacısının toprağın işlenebilirliğini anlama çabasından doğmuş, ama zemin mekaniğinin en pratik ve en çok kullanılan deneylerinden biri haline gelmiştir.

  • Likit limit (LL): Zeminin plastik durumdan likit duruma geçtiği su muhtevasıdır.
  • Plastik limit (PL): Zeminin plastik durumdan yarı katı duruma geçtiği su muhtevasıdır.
  • Plastisite indisi (PI): LL ile PL arasındaki farktır; zeminin kil içeriği ve davranışı hakkında güçlü bir gösterge sunar.