Geoteknik Mühendisliği Tarihi - Modern Zemin Mekaniği

Geoteknik mühendisliğinin bu döneminde killer ile ilgili araştırmalar yapıldı ve araştırmalar yayınlandı. Killerin temel parametreleri ve özellikleri belirlendi. 

1927'den Sonra Geoteknik Mühendisliği

Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlageby'ın 1925 yılında Terzaghi tarafından yayınlanması ile birlikte zemin mekaniğinin gelişiminde yeni bir çağ başladı. "Zemin Mekaniği'nin Babası" olarak bilinen Terzaghi 2 Ekim 1883'te Prag'da dünyaya geldi. 1904 senedinde Graz Teknik Yüksekokulu'nda makine mühendisliği önlisansı yaptı. Mezuniyetinin ardından Avusturya ordusunda bir sene askerlik yaptı. Askerliğinin ardından Terzaghi 1 sene daha jeolojik konulara odaklandı. Haziran 1912'de Teknik Bilimler doktoru oldu. 1916'da İstanbul Teknik Üniversitesi'nden aldığı daveti kabul etti. 1.Dünya Savaşı'nın ardından  Robert Kolej'de rektörlük yaptı (1918-1925). Burada killerin davranış ve oturmaları ile baraj altlarında meydana gelen kum göçmelerini incelemeye başladı. Erdbacumechanik'te ( Zemin Mekaniği) adlı yayınında bu çalışmalarını yayınlamıştır. 

1925 senesinde Terzaghi Massachusetts Institute of Technology'den gelen misafir rektörlük teklifini kabul etti ve burada 1929 senesine kadar çalıştı. Bu dönemde inşaat mühendisliğinin yeni bir branşı olan ve zemin mekaniği denen alanda lider kabul ediliyordu. 1929 senesinde  Viyana Teknik Üniversitesi'ne geçti. Ve bununla beraber Viyana zemin mekaniği araştırmalarının merkezi haline geldi. 1939 yılında yeniden Birleşik Devletler'e döndü ve Harvard Üniversitesi'nde profesörlük yapmaya başladı.

Uluslararası Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Topluluğu'nun ( ISSMFE) ilk kongresi 1936 yılında Harvard Üniversitesi'nde  Karl Terzaghi sayesinde toplandı. Terzaghi'nin rehberliğinde değişik konular hakkında; kayma mukavemeti, saha deneyleri, konik penetrometre, santrifüj deneyleri, konsolidasyon oturması, elastik gerilme dağılımı, zeminlere önyükleme yapılması, yanal toprak basıncı, zemin dinamiği ve depremler gibi konular işlendi. İzleyen çeyrek asır boyunca Terzaghi zemin mekaniğinin gelişiminde tüm dünyada rehber olarak kabul edildi.

Geoteknik Mühendisliği Tarihi - Klasik Zemin Mekaniği Faz II

Bu dönemde kumla yapılan laboratuar deneyleri ile deneysel sonuçlar elde edildi. Dönemin en erken çalışması Fransız mühendis Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1858) tarafından yayınlandı. 1856 yılında kumların permeabilitesi hakkında yaptığı deneylerin sonuçlarını yayınladı. Bu deneylere dayanarak  Darcy; günümüzde de geoteknik mühendisliğinde çok önemli bir parametre olan  zeminin permeabilite katsayısı terimini tanımladı. Astronomi profesörü Sir George Howard Darwin (1845–1912), istinat duvarlarında devrilme anında kumların  gevşek sıkı durum kompaksiyonlarını inceledi. 1885 yılında Joseph Valentin Boussinesq (1842–1929) tarafından dikkate değer başka bir araştırma yayınlandı. Araştırma homojen elastik ve izotropik taşıma bölgelerinde gerilme dağılımı teorisi hakkındaydı. 1887'de Osborne Reynolds (1842-1912) kumlarda genleşim fenomenini ortaya attı.

Geoteknik Mühendisliği Tarihi - Klasik Zemin Mekaniği Faz I

Geoteknik mühendisliği tarihinin bu döneminde gelişmelerin çoğu Fransız mühendis ve biliminsanları tarafından gerçekleştirilmiştir. Klasik öncesi dönemde bütün önem  istinat duvarlarında zemininin göçmesine neden olan yanal toprak basıncına verilmişti. 1776 yılında yayınlanan meşhur makalesinde Fransız biliminsanı Charles Augustin Coulomb (1736-1806) istinat duvarları ve zemin arasında ki kaymanın pozisyonunu hesaplamaya çalışmıştı. Analizinde Coulomb sürtünme kanunları ve zeminlerin kohezyonunu kullandı. 1820 yılında Coulomb'un çalışmalarının özel durumları Fransız mühendis Jacques Frederic Francais (1775-1833) ve mekanik profesörü Claude Lois Marie Henri Navier tarafından incelendi. Bu özel durumlar eğimli dolgular ve yapının üzerine gelen ek yük gibi durumlardı. 1840 yılında, Jean Victor Poncelet (1788-1867), ordu mühendisi ve mekanik profesörü; Coulomb'un teorisini istinat duvarlarında yanal basıncın büyüklüğünü grafik metotlarla belirleyerek geliştirdi. Poncelet ayrıca zemin sürtünme açısı için ilk defa sembol kullandı. Ayrıca sığ temeller için taşıma gücü teorisini oluşturdu. 1846'da mühendis Alexandre Collin (1808-1890), dolgular üzerine çalışmalar yaptı. Collin bütün durumlarda göçmenin mobilize kohezyonun zemin kohezyonunu geçtiği anda gerçekleşmesini teorileştirdi. Ayrıca gerçek göçme yüzeylerinin sikloid kavislerinden belirlenebileceğini gözlemledi.

Zemin Mekaniği Faz I Dönemi genellikle Glasgow Üniversitesi profesörü William John Rankine'in (1820-1872) ilk yayını ile bitmiş kabul edilmektedir. Bu çalışmada zemin basıncı ve zemin kütlelerinin dengesi hakkında dikkate değer bir teori oluşturulmuştu. Rankine'in teorisi Coulomb'un teorisinin basitleştirilmiş haliydi.

Geoteknik Mühendisliği Tarihi - Klasik Öncesi

Geoteknik mühendisliğininin ilk aşamalarının ortaya çıktığı bu dönemde zeminin eğim ve birim ağırlıklarına odaklanan araştırmalar yapılmıştır (Ampirik zemin basıncı teorileri vs.). 1717 de Fransa kraliyet mühendisi Henri Gautier (1660-1737) zemin eğimlerini inceledi ve istinat duvarlarının tasarım prosedürlerini formülüze etmeye çalıştı. Bugün kullandığımız doğal eğim artık dinlenme açısını ifade ediyor. Çalışmalarına göre kuru kumun ve sıradan toprağın doğal eğimini 31 ve 45 olarak buldu. Kuru kumun birim ağırlığını da 18.1 kN/m3 olarak hesapladı. Killere değinmedi.

1729 yılında Bernard Forest de Belidor (1671–1761) Fransa'da ordu ve inşaat mühendisleri için bir kitap yayınladı. Zemin basıncı ve istinat duvarları hakkında teorilerini yayınladı. Zeminleri birim hacim ağırlıklarına göre sınıflandırarak ilk zemin sınıflandırma tablosunu oluşturdu.

İlk laboratuar modeli 1746 yılında Fransız mühendis Francois Gadroy tarafından 76 mm'lik bir istinat duvarı modeli ile yapıldı. Gadroy modeli ile zeminin göçmesini inceledi. Gadroy'un çalışmaları daha sonra J.J. Mayniel tarafından 1808 yılında özetlendi.

Geoteknik Mühendisliği Tarihi

Zeminin inşaat malzemesi olarak ilk defa kullanılmasına ait izler antik dönemde kaybolmuştur. Doğru mühendislik ifadesi ile; bugün bilindiği şekliyle geoteknik mühendisliği 18.yüzyılın başlarında ortaya çıkmıştır. Seneler boyunca geoteknik mühendisliği bilimsel yöntemlerin kullanılmadığı deneyimlere dayanmaktaydı. Bu deneyimlere göre pek çok yapı inşa edildi. Bunlardan bazıları yok oldu, bazıları ise hala ayakta.

Tarihsel kayıtlar bize antik medeniyetlerin nehir etraflarında ortaya çıktığını göstermekte; Nil Nehri etrafında ortaya çıkan Mısır Medeniyeti; Dicle ve Fırat nehirleri etrafında ortaya çıkan Mezopotamya Medeniyeti, Huang Ho ( Sarı Nehir) etrafında ortaya çıkan Çin ve Indus Nehri etrafında ortaya çıkan Hint Medeniyeti gibi...

Indus Nehri'nden Mohenjo Dara'yı ( günümüzde Pakistan) korumak için inşa edilen duvarlar M.Ö.2000'lerde inşa edildi. Han Hanedanlığı sırasında ( M.Ö. 1120 - M.S. 249) çeşitli amaçlarla pek çok duvar inşa edildi. Temellerin yapımında herhangi bir hesaplama yapıldığını gösteren bir delil bulunamadı. Antik Yunan temelleri stabilize etmek için keçe altlıklar kullanarak yapılar inşa etti. M.Ö. 2750'den itibaren yüzyıldan daha az bir zamanda en önemli beş piramit inşa edildi (Sakkara,Meidum, Kuzey ve Güney Dahşur ve Keops). Bu da temeller, şev stabilesi ve yeraltı tapınaklarının inşası sırasında zorluklar ortaya çıkardı. Doğu Han Hanedanlığı zamanında  Budizm'in Çin'e ulaşması ile birlikte binlerce pagoda inşa edildi. Bu yapıların çoğu silt ve yumuşak kil tabakaları üzerine inşa edildi. Bazı durumlarda temel basıncı zemininin yükleme dayanımı kapasitesini aştı ve bundan dolayı yapısal hasarlar meydana geldi. Zeminin taşıma gücü ile ilgili ortaya çıkan en ünlü problemlerden biri 18. asırda inşa edilen Pisa Kulesi'dir. Kulenin inşasına Pisa Cumhuriyeti güçlenmeye başladığı zamanlarda; M.S. 1173 yılında başlandı ve değişik aşamalarda 200 seneden fazla devam etti. Yapı 15.700 ton ağırlığında ve 20 metre çapında dairesel bir tabanla destekleniyor. Yapı geçmişte ilk önce doğuya,kuzeye,batıya ve en sonda güneye eğildi. Son araştırmalar yapının 11 metre altında zayıf bir kil tabakasının bulunduğunu ortaya çıkardı. Bu tabakada sıkıştıkça yapının eğilmesine neden olmakta. Yapı 1990 yılında kapandı çünkü kulenin düşmesinden veya tamamen göçmesinden korkuluyordu. Sonra kule kuzey tarafından zemin kazılarak stabilize edildi. Yaklaşık 70 ton toprak çıkarıldı. Tabanı yerleşince kulenin eğilmesi durdu. Kule şu anda 5 derece eğik. Yarım derecelik değişim gözle farkedilemesede yapının stabil olmasını sağladı.

Geçmiş yüzyıllarda temellerle alakalı sayısız problem ortaya çıkınca 18. yüzyılın başlarında  mühendisler ve biliminsanları zemin özelliklerini ve davranışlarını daha bilimsel metodlarla incelemeye başladılar. Geoteknik mühendisliği çalışmalarının doğasına göre 1700-1927 arası dört ana periyoda ayrılmaktadır:

1. Klasik Öncesi (1700 -1776)

2. Klasik Zemin Mekaniği —Faz I (1776 - 1856)

3. Klasik Zemin Mekaniği —  Faz II (1856 - 1910)

4. Modern Zemin Mekaniği (1910 - 1927)

Kaynak: Principles of Geotechnical Engineering Fifth Edition; Braja M. Das

Geoteknik Mühendisliği - Giriş

Geoteknik mühendisliği zemin malzemelerinin inşaatlarda uygulanmasına ait sistematik yaklaşımlar ve prensiplerdir. Hemen hemen bütün inşaat mühendisliği uygulamaları zemin ile doğrudan temas halindedir ve geoteknik özelliklerinden ayrı düşünülemezler. 

İnsanlık tüm medeniyetleri oluştururken binalar inşa etmeye gereksinim duymuşlardır. Barajlar, köprüler,yollar ve diğer yapılar... Tarih boyunca temel tasarımı hep deneme ve yanılma yöntemine göre yapılmaktaydı. Zemin özelliklerini incelemek ve anlamak için uzun süre pek bir çaba gösterilmedi. Bu yaklaşımın en bilinen sonuçlarından biri meşhur Pisa Kulesi'dir. Yapımında zemin özellikleri dikkate alınmadığı için, önceden denenen düzeltme çalışmalarına rağmen, dikeyde 5.5 derecelik bir eğilme meydana gelmiştir.

Zeminler hakkında ilk rasyonel yaklaşımlar Fransız ordusunda görevli Charles Coulomb tarafından onsekizinci yüzyılda istinat duvarı uygulamalarında gerçekleştirilmiştir. Geoteknik mühendisliği hakkında daha kapsamlı araştırmalar Karl Terzaghi tarafından yapılmıştır. 1925 yılında yayınlanan Erdbaumechanik adlı kitabı ilk geoteknik kitabı olarak kabul edilmektedir ve geoteknik mühendisliğinin doğuşu olarak da tanımlanmaktadır. Bunlar dışında da bugün sahip olduğumuz bilgilere sahip olmamızı sağlayan pek çok araştırma yapılmıştır.

Günümüzde geoteknik mühendisliği pek çok mühendislik dalıyla kesişen konularda gelişmiş bir inşaat mühendisliği dalına dönüşmüştür. Kısaca özetlemek gerekirse geoteknik mühendisi temellerin tasarım ve yerleşimini yapı mühendisi ve mimarın tasarıları ile ilgili olarak belirler. Zemin özelliklerinin belirlenmesi için zemin altı su seviyesinin belirlenmesine ait çalışmalar hidroloji ve çevre mühendisliği alanlarına da girer. Geoteknik mühendislerine en çok ihtiyaç duyulan projeler barajların tasarlanması, dolgular,arazi dolguları gibi alanlardadır. Kısaca zemin ile tasarım yapılırken geoteknik mühendislerine mutlaka ihtiyaç duyulacaktır. 

Terzaghi'den beri geoteknik mühendisliğinde büyük ilerlemeler kaydedilmiş olsa da;  pek çok çözüm tahminlere dayanmaktadır. Çünkü zemin heterojen bir malzemedir. Zeminin heterojen yapısını belirleyen pek çok faktör vardır. Sıcaklık, basınç, yeraltı su yapısı bunlardan sadece birkaç tanesidir. Zeminin kimi özellikleri sabit olsa da sabit olmayan faktörler zemin özelliklerinde büyük değişikliklere yol açabilmektedir.

Ek olarak zemin diğer yapı malzemelerine göre ( çelik,betonarme vs.) çevresel koşullardan daha fazla etkilenmektedir. Zemin içindeki su ve hava ile beraber üç fazlı bir yapıya sahiptir ve özelliklerinin belirlenmesi diğerlerine göre çok daha zordur. Buna rağmen zemin; özellikleri dramatik bir şekilde değişebilen bir yapı malzemesi olarak kabul edilmektedir. Projelerin kullanım ömürleri boyunca davranışlarının doğru olarak tahmin edilebilmesi için zemin özelliklerini belirlemek amacıyla daha fazla araştırma yapılmalıdır. Ve geoteknik mühendisliği bu araştırmaların yapıldığı mühendislik dalıdır.

Zeminlerin Young Modulü

Zeminlerin elastisite modulü veya Young modulü statik yüklemelerde oturma tahminlerinde kullanılan bir parametredir. Zeminin Young Modulü, Es, ampirik korelasyonlarla, laboratuar deneyleriyler veya saha deneylerinden elde edilen verilerle bulunabilir. Laboratuar deneyleri konsolide olmayan üçeksenli sıkıştırma deneyleri veya drenajsız konsolide olmayan üçeksenli sıkıştırma deneyleri ile tahmin edilebilir. Saha deneyleri anot yükü deneyi, konik penetrasyon deneyi, standart penetrasyon deneyi (SPT) ve basınç deneylerini kapsar. Ampirik korelasyonlar aşağıdaki gibidir (USACE EM 1110-1-1904'dan alıntılandığı şekliyle) :

Es = KcCu        Es = Zeminin Young Modulü         Kc = Korelasyon Faktörü         Cu = Drene olmayan kayma mukavemeti Zeminlerin Genel Elastik Modülleri ( Zemin tipi, yoğunluk vs. bağlı) Zemin Es (tsf) Çok yumuşak kil 5 - 50 Yumuşak kil 50 - 200 Orta kil 200 - 500 Stif kil 500 - 1000 Kumlu kil 250 - 2000 Killi şeyl 1000 - 2000 Gevşek kum 100 - 250 Sıkı kım 250 - 1000 Sıkı kum ve çakıl 1000 - 2000 Alüvyonlu kum 250 - 2000

Permeabilite

Zemin permeabilitesi yeraltı suyu akışı ile ilgilidir ve zemin ortamının sürekli boşluk oranın ölçümüdür. Sabit başlı permeatreler veya düşen başlı permeatre deneyleri ile laboratuarda zemin numuneleri test edilerek bulunur. Permeabiliteyi ölçmek için arazi deneyleri de kullanılabilir.Aşağıda karakteristik permeabilite değerleri yer almaktadır.

Karakteristik permeabilite katsayıları (Lindeburg ) Grup Sembolü (USCS) Karakteristik  Permeabilite Katsayıları(cm/s) GW 2.5 x 10-2 GP 5 x 10-2 GM >5 x 10-7 GC >5 x 10-8 SW >5 x 10-4 SP >5 x 10-4 SM >2.5 x 10-5 SM-SC >1 x 10-6 SC >2.5 x 10-7 ML >5 x 10-6 ML-CL >2.5 x 10-7 CL >5 x 10-8 MH >2.5 x 10-7 CH >5 x 10-8

Dışsal Sürtünme Açısı

Dışsal sürtünme açısı, d, veya zemin ile istinat duvarı ve kazığın oluşturduğu kompozit malzemenin sürtünmesi aşağıdaki açılarla belirtilebilir:

Kazıklar 20 derece çelik kazıklar için  (NAVFAC) 0.67f - 0.83f (USACE) 20 derece çelikler için (Broms)  f3/4  betonarme için (Broms) f2/3 ahşap için (Broms) 0.67f (Lindeburg) Nordlund dışsal sürtünme açısını daha etkili bir şekilde tanımlamak için içsel sürtünme açısı (f) 'ye bağlı değişik tablolar ve kazığın hacmine dayalı tablolar hazırlamıştır. İstinat Duvarları d = 2f         betonarme duvarlar için (Coulomb)         3                 f formülde içsel sürtünme açısı  (derece)

Zeminlerde Kohezyon

Kohezif zeminler kil tipi zeminlerdir. Zeminde molekülleri veya benzeri parçacıkları bir arada tutan kuvvete kohezyon denir. Kohezyon, c, genellikle  doğrudan makaslama deneyi ile belirlenir. Serbest basınçlı dayanım , Suc, Üçeksenli Deney veya  Serbest Basınçlı Dayanım Deneyi ile belirlenir. Suc ile Vane Kayma Deneyleri ile elde edilen  kayma mukavemeti arasında korelasyonlar vardır.

c = Suc/2                formülünde:                c = kohezyon,  kN/m2 (lb/ft2), ve                Suc = serbest basınçlı dayanım,  kN/m2 (lb/ft2). İyi-Taneli Zeminler İçin Kıvam Rehberi SPT Penetrasyon Tahmin Edilen Kıvam Suc (tons/ft2) <2 Çok Yumuşak <0.25 2 - 4 Yumuşak 0.25 - 0.50 4 - 8 Orta 0.50 - 1.0 8 - 15 Sert 1.0 - 2.0 15 - 30 Çok sert 2.0 - 4.0 >30 Katı >4 Kohezif Zeminler için Kıvam Değerleri  (Bowels, Temel Analizi) SPT Penetrasyon Tahmin Edilen Kıvam Suc (kips/ft2) 0 - 2 Çok Yumuşak 0 - 0.5 2 - 4 Yumuşak 0.5 - 1.0 4 - 8 Orta 1.0 - 2.0 8 - 16 Sert 2.0 - 4.0 16 - 32 Çok Sert 4.0 - 8.0 >32 Katı >8 Genel Mukavemet Değerleri(Lindeburg, İnşaat Mühendisliği Referans El Kitabı) USCS Zemin Grubu c, kompakte halde (lb/ft2) c, doymuş(lb/ft2) GW 0 0 GP 0 0 GM - - GC - - SW - - SP - - SM 1050 420 SM-SC 1050 300 SC 1550 230 ML 1400 190 ML-CL 1350 460 CL 1800 270 OL - - MH 1500 420 CH 2150 230

İçsel Sürtünme Açısı

Zeminin içsel sürtünme açısı (Mohr Dairesi) kayma gerilmesi ve normal efektif gerilme grafiğinde kayma göçmesinin olduğu açıdır. İçsel sürtünme açısı f kayma deneyi veya üçeksenli gerilme deneyi ile belirlenebilir.

İçsel sürtünme açısını ,f, belirlemenin genel yolları şu şekildedir: f için taneli zeminlerin standart penetrasyon sayısına dayalı  ampirik değerler alınır( Bowels. Temel Analizi). SPT Penetrasyon, N-Değeri  f (Açı) 0 25 - 30 4 27 - 32 10 30 - 35 30 35 - 40 50 38 - 43 f ile kumlar için standart penetrasyon sayısı ilişkisi (Peck 1974,Temel Mühendisliği El Kitabı'ndan)  SPT Penetrasyon, N-Değeri Kumun Sıkılığı f (açı) <4 Çok gevşek <29 4 - 10 Gevşek 29 - 30 10 - 30 Orta 30 - 36 30 - 50 Sıkı 36 - 41 >50 Çok sıkı >41 f ile kumlar için standart penetrasyon sayısı ilişkisi (Mayer 1956,Temel Mühendisliği El Kitabı'ndan)  SPT Penetrasyon, N-Değeri Kumun Sıkılığı f (açı) <4 Çok gevşek <30 4 - 10 Gevşek 30 - 35 10 - 30 Orta 35 - 40 30 - 50 Sıkı 40 - 45 >50 Çok sıkı >45

5. Geoteknik Sempozyumu

İMO tarafından 43. Çalışma Dönemi takvimi içerisinde yapılması planlanan 5. Geoteknik Sempozyumu İMO Adana Şubesi yürütücülüğünde 5-7 Aralık 2013 tarihinde Çukurova Üniversitesi`nde gerçekleştirilecektir.

5. GEOTEKNİK SEMPOZYUMU TAKVİMİ
Genişletilmiş özetlerin sempozyum sekreterliğine sunulması için son tarih	27 Mayıs 2013
Genişletilmiş özetleri değerlendirme sonuçlarının yazarlara bildirilmesi	15 Temmuz 2013
Bildiri tam metinlerinin sempozyum sekreterliğine sunulması için son tarih	2 Eylül 2013
Bildiri tam metin değerlendirme sonuçlarının yazarlara bildirilmesi	7 Ekim 2013

5. Geoteknik Sempozyumu hakkında detaylı bilgiler İMO'nun sitesinde yer almaktadır.