Çayyolu – Serpmeevler’de (Ankara) Jeolojik – Jeoteknik Değerlendirmeler (1. Bölüm)

Bu çalışmada, Ankara kentinin batı kesimindeki Çayyolu semtinde bulunan ve yerleşimin giderek arttığı  Serpmeevler mevkiindeki siltli kil-kil zeminin jeomekanik özellikleri ile bu zeminin neden olduğu şev  duraysızlığı ve şişme gibi  jeo-mühendislik sorunları araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, inceleme alanındaki birimler ayırtlanmış ve alanın büyük ölçekli jeoloji haritası yapılmış, mevcut şev  duraysızlıkları ve şişmenin göstergesi olabilecek hasarlar araştırılmış, inceleme alanını temsil edebilecek nitelik ve nicelikte alınmış zemin örnekleri üzerinde yapılan laboratuvar deneyleriyle zeminin mineralojik bileşimi ile zeminin fiziksel, indeks, dayanım, konsolidasyon ve şişme özelliklerinin tayini uluslararası standartlara göre gerçekleştirilmiştir. İncelenen birimde kil tane boyutunda malzeme hakim olup, zemin özellikle simektit grubu kil minerallerince zengin ve genellikle CH grubu zemin sınıfında yer almaktadır. Simektitin varlığı ve deneysel sonuçlar, zeminin yüksek şişme potansiyeline, dolayısıyla yüksek şişme basıncına sahip olduğunu göstermiş ve arazide gözlenen şişmeyle ilgili hasarları doğrulamıştır. Yol yarmalarında gelişmiş olan dairesel kayma türündeki şev  duraysızlıklarının geriye dönük analizleri, incelenen kilin kayma sırasında doruk makaslama değerine yakın bir değer aldığını göstermiş ve yapılan karşılaştırmalardan geri dönük analiz sonuçlarıyla makaslama deney sonuçlarının uyumlu olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca duraylı ve duraysız yol yarması şevlerinde ölçülen şev açısı ve yüksekliği değerleri esas alınarak hazırlanan grafik ile farklı şev açısı ve yükseklikleri için yapılan 2 boyutlu analizlerden hesaplanan güvenlik katsayılarıyla çizilen grafikler uyumlu çıkmıştır.  Buna göre, söz konusu kil zeminde oluşturulacak yüksekliği 6 m. ve şev açısı 300’den fazla kazı şevlerinin uzun dönemde duraylılık sorununa yol açabilecekleri sonucuna varılmıştır. Deneysel olarak tayin edilen şişme basınçları ile görgül ilişkiler kullanılarak bazı indeks özelliklerden tahmin edilen şişme basıncı değerleri kullanılarak hazırlanan inceleme alanının şişme haritasında en yüksek şişme basınçlarının bekleneceği yerler arazi gözlemleriyle örtüşmektedir. İncelenen zeminde farklı boyutlarda ve farklı derinliklere yerleştirilmiş kare ve şerit temeller için yapılan taşıma gücü hesaplamalarına göre, zeminin izin verilebilir taşıma gücünün kare temeller için şerit temellerinkine göre daha yüksek olacağı sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, inceleme alanındaki kil zeminde gerçekleştirilecek şev kazılarında dik ve yüksek şevlerden kaçınılması ve hafif yapılar açısından bu çalışma kapsamında hazırlanmış olan şişme basıncı haritasının dikkate alınması önerilir.

Şekil 1: Çalışma alanının yer bulduru haritası.

Genel Kapsam

Çalışma kapsamında:

- İnceleme alanı olarak seçilen Serpmeevler mevkiinin jeoloji ve jeo-mühendislik haritalarının yapılmış,

- Bu bölgede geniş bir yayılıma sahip olan kilin jeo-mühendislik özelliklerinin araştırılması ve bu özelliklerle birlikte saha gözlemleri ve ölçümleri de dikkate alınarak, bu zeminde açılmış ve açılacak olan şevlerin farklı durumlar için analiz edilmiş,

- Zeminin şişme potansiyelinin belirlenerek hafif yapılar açısından neden olabileceği olumsuzluklara ilişkin değerlendirmelerde yararlanılması amacıyla inceleme alanının şişme basıncını esas alan mikrobölgeleme haritası hazırlanmış,

- Söz konusu kilin temel zemini olarak farklı temel türleri ve boyutları için izin verilebilir taşıma gücü belirlenip değerlendirmeler yapılmış,

- Alınan zemin örnekleri üzerinde uluslararası standartlarda belirtilen yöntemler izlenerek yapılan X-ışınları kırınım analizleri ve zemin mekaniği deneyleriyle bu zeminin mineralojik bileşimi, fiziksel, indeks, dayanım, konsolidasyon ve şişme özellikleri tayin edilmiş,

- Farklı şev geometrileri için 2 boyutlu duraylılık analizleri yapılarak inceleme alanındaki şev kazıları açısından yararlanılabilecek “şev açısı-şev yüksekliği” ilişkilerini gösteren grafikler hazırlanmıştır.

Şekil 2: İnceleme alanındaki kireçtaşı biriminin diğer birimlere göre konumu.

Şekil 3: İnceleme alanında izlenen kil biriminde kuruma sonucu gelişen petek yapısından bir görünüm.

İncelenen killi zeminlerde özellikle yaz aylarında su içeriğinin azalmasına bağlı olarak gelişen petek yapıları görülmüştür (Şekil 3). İnceleme alanı içerisinde zeminin şişmesinden kaynaklanması olası yüzeysel deformasyon ve hasarlarla ilgili gözlemler yapılmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda; yollarda ondülasyonlar, beton platformlarda kabarmalar ve özellikle bahçe duvarları gibi hafif yapılarda çatlaklar gözlenmiştir. Şekil 4‘de zemin şişmesinin göstergesi olarak değerlendirilebilecek bir şişme çatlağı, Şekil 5’de ise şişmenin inceleme alanındaki diğer bir etkisine ilişkin görüntü sunulmuştur.

Şekil 4: Şişmenin bahçe duvarlarında neden olduğu çatlaklara bir örnek.

Şekil 5: Şişmenin diğer bir hafif yapıya olan etkisi.

Sahanın kuzeybatısında görülen yol yarması şevlerinde  duraysızlıklar (Şekil 6) gözlenmiş olup, bunların geometrisi ve kayma yüzeylerinin konumlarıyla ilgili ölçümler alınmış ve bunların ölçekli kesitleri hazırlanmıştır.

Şekil 6: İncelenen zeminde görülen şev  duraysızlığı

Çalışmanın başlangıcında zeminin indeks özelliklerinin belirlenmesi amacıyla 7 yerden örselenmiş örnek alınmıştır. İzleyen aşamalarda ise, birime ait şişme basıncı kontur haritasının seçilen bir görgül eşitlik yardımıyla belirlenen değerler kullanılarak çizilebilmesi için, killi birimi temsil edecek yerlerden 13 adet örselenmiş örnek alınmıştır. Alınan tüm bu örneklerin birimi temsil etmesine özen gösterilmekle birlikte, yoğun yapılaşmanın neden olduğu güçlükler, örneklemenin mevcut inşaat kazıları ve değişik amaçlarla açılmış olan yarmalarla sınırlı kalmasına neden olmuştur.

Mineralojik Analizler

İncelenen killi zeminlerin içerdiği kil minerallerinin türü ve miktarı şişmeyi etkileyen faktörler arasında bulunmaktadır. Terzaghi ve Peck (1967), killi zeminlerde montmorillonit gibi şişen kil minerallerinin yüzdesinin artmasına koşut olarak, şişme potansiyelinin ve plastisitenin de arttığını belirtmişlerdir. Killi zeminlerin şişme potansiyelinin değerlendirilmesinde birçok araştırmacı (örneğin; Abduljauwad, 1993; Çokça ve Birand, 1993; Bell ve Maud, 1995; Al-Rawas, 1999; Ergüler 2001; Ergüler ve Ulusay, 2003a ve 2003b), kil minerali türünü ve yarı nicel yüzdelerini dikkate almışlardır.

Killi zeminin düşey yöndeki şişme parametrelerinin değerlendirilmesinde ve örneklerin şişme potansiyelleri hakkında fikir edinilebilmesi amacıyla örnekleme alanından derlenen 6 adet killi zemin örneği üzerinde X-ışınları kırınımı analizleri gerçekleştirilmiştir. X-ışınları kırınımı analizleri, tüm kayaç ve kil fraksiyonu olmak üzere iki ayrı aşamada yürütülmüştür.

Hacettepe Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü X-ışınları  Laboratuvarı’nda RIGAKU D/MAX 2200PC model X  ışınları aleti ve Cu/40kV/40mA bakır tüpleri kullanılarak yapılan tüm kayaç analizleri sonucunda elde edilen piklerin temsil ettiği minerallerin belirlenmesinde ASTM (1972)’nin kartoteksleri esas alınmıştır. Örneklere ait difraktogramların ilgili anabilim dalı öğretim üyesi tarafından değerlendirilmesi sonucunda saptanan minerallerin yarı nicel yüzdeleri ise, Gündoğdu (1982) tarafından önerilen yönteme göre hesaplanmıştır. Tüm kayaç analizi sonuçlarına göre, örneklerin kil minerallerince zengin olduğu, kalsit, kuvars ve feldispat gibi mineralleri de içerdiği görülmektedir (Çizelge 1). Kil fraksiyonu analizleri ise ASTM (1972)’nin önerdiği yönteme göre, normal (N), etilen glikollü (G) ve fırınlanmış (F) olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Kil bileşeni yüzdesini oluşturan kil minerali türleri ve yüzdeleri, N, G ve F kayıtları karşılaştırılarak yine ilgili anabilim dalı öğretim üyesince belirlenmiştir. Kil fraksiyonu analizi sonuçlarına bakıldığında, incelenen killi zeminin simektit içeriğinin yüksek olduğu saptanmış olup, illit ve kaoliniti de içerdiği görülmüştür (Çizelge 1).

Çizelge 1: Kil örneklerine ait X-ışınları (XRD) analizlerinin sonuçları

Şekil 7: İncelenen killi zeminde yapılan X-ışınları kırınım analizlerinin kil fraksiyonu analizi (KB) aşamasında elde edilen tipik bir difraktogram örneği.

W(max24) Yaklaşımı

Ankara kilinin şişme potansiyelini inceleyen Ergüler (2001) ve Ergüler ve Ulusay (2003), Ankara kilinden aldıkları örnekler üzerinde uyguladıkları serbest şişme indeksi ve modifiye edilmiş serbest şişme indeksi deneylerinin yapılışıyla ilgili güçlüklere ve sınırlamalara değinerek, şişen türde killi zeminlerin şişme potansiyellerinin değerlendirilmesinde daha pratik ve uygulanabilir bir parametreye gereksinim olduğunu belirtmişlerdir. Bu araştırmacılar, killi zeminlerin siltli, kumlu ve çakıllı zeminlere oranla çok daha fazla suyu bünyelerinde tutma ve bu suyun yerçekimi kuvveti ile ortamdan kolayca kısa sürede uzaklaşamama özelliğinden yola çıkarak, W(max24) olarak adlandırdıkları yeni bir parametre ve bu parametreyi saptamaya yönelik basit bir deney yöntemi önermişlerdir.

Ankara kilinin şişme parametrelerinin görgül yaklaşımlarla belirlenmesi amacıyla çeşitli görgül eşitlikler öneren Ergüler ve Ulusay (2003a), kilin diğer fiziksel ve indeks özelliklerinin yanı sıra, W(max24) parametresini de önerdikleri görgül eşitliklerde kullanmışlardır. Araştırmacılar, W(max24) değerlerinin şişme parametreleri ile yüksek korelasyon katsayısına sahip ilişkiler verdiğini saptamışlardır. Araştırmacılar ayrıca, Wmax24 parametresinin şişme basıncı ve yüzdesinin dolaylı olarak tahmininde diğer indeks parametrelere göre daha anlamlı ilişkiler verdiğini belirterek, bu parametreyi şişme potansiyelinin dolaylı yoldan tayini için en uygun parametre olarak değerlendirmişlerdir.

Yukarıda değinilen hususlar göz önünde bulundurularak, inceleme alanından alınan 18 adet örselenmiş kil örnekleri üzerinde Wmax24 (örneklerin 24 saat saf suda bekletilmesiyle) deneyi uygulanmış ve sonuçlar Çizelge 5.2‘de verilmiştir. Örneklerin Wmax24 değerleri %58.2 ile %117.6 arasında değişim göstermektedir.

Şişme Deneyleri

El-Sohby ve Rabba (1981), başlangıç su içeriğinin şişme basıncı ve yüzdesine etkisini incelemek amacıyla aynı birim hacim ağırlık ve farklı su içeriklerindeki örneklerin şişme parametrelerini belirlemişlerdir. Araştırmacılar, başlangıç su içeriğinin artmasıyla birlikte zeminin şişme basıncının azaldığını ve bu ilişkinin doğrusal olmadığını belirtmişlerdir. Buna bağlı olarak Ergüler (2001), doğal su içeriğinin mevsime bağlı olarak değişim göstereceğinden, su içeriğinin şişme basıncının tahmininde kullanılması durumunda şişme bu ilişkinin sadece örneklemenin yapıldığı mevsim için geçerli olacağını belirtmiştir. Bu durum dikkate alınarak, bu çalışmada görgül eşitliklerde doğal su içeriği yerine, Ergüler (2001) ve Ergüler ve Ulusay (2003) tarafından önerilen Wmax24 parametresi kullanılmıştır.

İncelenen killi zemin yağışların az olduğu yaz mevsimlerinde nem içeriğini kaybederek büzülmeye maruz kalmakta ve buna bağlı olarakta sertleşmektedir. Zeminin kuru olduğu bu dönemde kesici metal kalıplarla örselenmemiş örnek alımında güçlükler yaşandığı için, örnekleme çalışmaları yağışlı dönemde yapılmıştır. Bu dönemde alınan örneklerin nem içeriklerinin fazla olması nedeniyle, alındıkları dönemde bir miktar şişmiş durumda oldukları görülmüştür. İnceleme alanında belirlenen 5 farklı yerden 10x10x2 cm boyutlarındaki kesici metal kalıplarla örnek alınmıştır. Ankara kilinin şişmesiyle ilgili önceki bir çalışmada da (Avşar, 2003) belirtildiği gibi, kireç yumrularının şişme basıncını azaltıcı etkisi göz önüne alınmış ve bu nedenle alınan örneklerde kireç yumrularından olabildiğince kaçınılmasına dikkat edilmiştir. Araziden alınan örselenmemiş örnekler laboratuvar ortamında 50 mm çap ve 20 mm yüksekliğe sahip silindirik metal kesici kalıplara alınarak kontrollü olarak kurutulmuştur. Kurutma sırasında çapta ve boyda görülen büzülme miktarı ölçülmüş ve küçülen örneğin çevresine yanal yöndeki şişmeyi engellemek için su almayan yağlı kağıt sarılarak şişme deneyi başlatılmıştır. Bütün bu işlemlerden sonra yapılan şişme deneyleri sonunda zemin örneklerine ait en yüksek şişme basıncı değerleri belirlenmiştir.

Çizelge 2: Klasik odometre deneyleri sonucunda belirlenen şişme parametreleri ile doğal su içeriği ve doğal birim hacim ağırlık değerleri.

Konsolidasyon Deneyleri

Bu deney yöntemi; aşamalı ve kontrollü eksenel gerilme altında, zeminin tek yönlü (eksenel) drenajına izin verildiği koşullardaki konsolidasyon hızı ve miktarının belirlenmesini kapsar. İnce taneli zeminlerin sıkışabilirlik ve konsolidasyon karakteristikleri, Terzaghi tarafından geliştirilen konsolidasyon deneyi ile tayin edilir. İnce taneli zeminlerde gerilme artışı nedeniyle oluşan zamana bağlı oturma süreci konsolidasyon olarak tanımlanır. Yanal deformasyonu önlenmiş olan suya doygun, disk biçiminde ve örselenmemiş bir zemin örneğinin alt ve üst yüzeyinden drenaj sağlanarak, düşey ve eksenel bir basınç altında konsolidasyon miktarı ve konsolidasyon hızının ölçümü esasına dayanan bir deneydir. Elde edilen sonuçlar toprak dolgu veya mühendislik yapısının oluşturacağı farklı ve toplam oturmanın önceden belirlenmesinde kullanılır. Yukarıda belirtilen bilgilerin ışığında, incelenen killi zeminin ön konsolidasyon basıncını, oturma karakteristiklerini ve konsolidasyon parametrelerini tayin edebilmek amacıyla konsolidasyon deneyleri yapılmıştır.

Killi zeminin ön yükleme basıncını ve konsolidasyon özelliklerini belirlemek amacıyla ASTM (2000) tarafından önerilen yönteme göre konsolidasyon deneyleri yapılmıştır (Şekil 8). Yapılan deneyler sonrasında e-logP grafikleri çizilerek örneklerin ön yükleme basınçları belirlenmiş ve tüm örneklere ait ön yükleme basıncı değerleri ile konsolidasyon parametreleri Çizelge 5.4’de verilmiştir. Örneklerin ön yükleme basınçları 55-200 kPa arasında değişmekte olup, çizilen e-logP grafiklerinden incelenen kilin normal konsolide bir zemin olduğu yorumu yapılmıştır.

Şekil 8: Deney sonrası oturma miktarının görüldüğü kil örneğinin görüntüsü.

Çizelge 3: İncelenen kil örneklerinin konsolidasyon parametreleri ile ön yükleme basınçları (Pe).

Deformasyon Kontrollü Doğrudan Makaslama Deneyleri

Şev  duraylılığı analizlerinde girdi parametresi olarak kullanılacak kohezyon (c) ve içsel sürtünme açısı   değerlerinin belirlenmesi amacıyla toplam 16 adet olmak üzere 4 farklı yerden alınan örselenmemiş örnekler üzerinde drenajlı koşullar altında deformasyon kontrollü doğrudan zemin makaslama deneyleri yapılmıştır. Deneyler, uzun süreli duraylılık koşullarının göz önünde bulundurulması nedeniyle konsolidasyonlu-drenajlı olarak gerçekleştirilmiştir. Örneklemenin yapıldığı yerlerde beklenen en büyük ve olası normal gerilme değerleri dikkate alınmış olup, bu değerler çerçevesinde uygun görülen normal yükler altında her biri 4 örnekten oluşan 4 deney seti hazırlanmıştır. Makaslama deneyleri öncesi uzun süreli duraylılık koşullarının gereklerini (drenajı) sağlamak amacıyla 24 saat boyunca seçilen normal gerilme altında bekletilen örnekler, deney esnasında da drenajın sağlanması amacıyla makaslama hızı 0.05 mm/dak olarak seçilen düzenekte makaslama hareketine tabi tutulmuşlardır. İncelenen killi zeminlere ait örselenmemiş örneklerin doruk makaslama dayanım parametreleri 9 mm’lik ileri, artık makaslama dayanımı parametreleri ise yine 9 mm’lik geri makaslama hareketi sonucu belirlenmiştir. İleri ve geri makaslama hareketi sonucu makaslanan bir yüzey Şekil 9’da görülmektedir.

Şekil 9: İleri ve geri makaslama hareketleri sonucu oluşan makaslama yüzeyinden bir görüntü.

Makaslama deneyleri sonucunda belirlenen dayanım parametrelerinin (kohezyon ve içsel sürtünme açısı) sağlıklı bir şekilde tayin edilmesi, incelenen killi zeminlerde geriye dönük analizler sonrasında yapılacak güvenli şev geometrisi tasarımları açısından büyük önem taşımaktadır. Ancak deneyler sonrasında, sayısı az da olsa, bazı örneklerin içinde makaslama dayanımını arttıracak sertlikte ve çapı 1-3 cm arasında değişen beyaz renkli çakıllara rastlanmıştır. Deney sırasında doruk makaslama dayanımı genel eğilimin üzerinde olan örnekler bu durum da göz önünde bulundurularak değerlendirilmiştir. Aralarında şev duraysızlıkların görüldüğü yerlerin de olduğu 4 örnekleme noktasından alınan örselenmemiş örneklerin makaslama dayanım parametreleri tayin edilmiş olup, bu parametreler incelenen killi zemini genel olarak karakterize eden dayanım parametrelerinin belirlenmesi amacıyla genelleştirilmiş yenilme zarfının (Şekil 10) çiziminde kullanılmıştır. İncelenen killi zeminin yapılan deneyler sonucu belirlenen doruk ve artık makaslama dayanım parametreleri Çizelge 4’te verilmiştir.

Şekil 10: İncelenen zemine ait genelleştirilmiş yenilme zarfı.

Çizelge 4: Makaslama deneyleri sonuçlarına göre yenilme zarflarından belirlenen makaslama dayanımı parametreleri.

c'p, f’p :Doruk makaslama dayanımı parametreleri (drenajlı)

  c'r, f’r : Artık makaslama dayanımı parametreleri (drenajlı)

Tek Eksenli Sıkışma Dayanımı Deneyleri

Bu deney, incelenen kohezyonlu örselenmemiş kil örnekler üzerine eksenel yükün deformasyon kontrollü uygulanması ile zeminin tek eksenli sıkışma dayanımının tayini için yapılmıştır. Bu amaçla, inceleme alanında belirlenen 2 yerden alınan blok örneklerden laboratuvar ortamında 37 mm çap ve 100 mm yüksekliğe sahip tüp örnekleyiciler yardımıyla tek eksenli sıkışma dayanımı deneyine tabi tutulmak üzere örnekler hazırlanmıştır. Killerde drenajsız koşullardaki içsel sürtünme açısı (0) sıfır olduğundan, yapılacak olan üç eksenli ve tek eksenli sıkışma dayanımının deneyleri sonunda aynı drenajsız makaslama dayanımı bulunacak olması göz önünde bulundurulmuş ve daha az zaman alan tek eksenli sıkışma dayanımı deneyi ASTM (2000) standartlarına göre gerçekleştirilmiştir. Söz konusu deneyler deformasyon hızı 0.2 mm/dk olacak şekilde yapılmıştır. Bu deney sonucunda bulunan tek eksenli sıkışma dayanımı drenajsız makaslama dayanımının 2 katı olup, elde edilen drenajsız makaslama dayanımı ile taşıma gücü hesaplamaları yapılmış ve tek eksenli sıkışma dayanımı değerlerinin ortalaması 34.9 kPa olarak bulunmuştur.

Elde edilen verilerin değerlendirildiği ve sonuçların sunulduğu ikinci bölüm ilerleyen haftalarda yayınlanacaktır.

Not: Bu makale, Mayıs 2010 yılında Hacettepe Üniversitesi Jeoloji Mühendisliği Bölümü’nde Prof. Dr. Reşat Ulusay’ın danışmanlığında hazırlanan “Çayyolu – Serpmeevler  (Ankara) Yerleşimindeki Killi Zeminlerin Şev Duraylılığı,  Şişme ve Taşıma Gücü Açısından Değerlendirilmesi” isimli lisans bitirme projesinden alıntılanmıştır. Çalışmayı hazırlayanlar; Görkem Başcı, Zehra Deveci Aral, Onur Özdemir, Alev Özen Özgür.