Yanal Şişme Basıncının Belirlenmesi

Abstract

Şişen zeminler, ıslandıkları zaman hacimlerini arttıran zeminler olarak tanımlanırlar. Şişen zemin tabakaları üzerine veya içerisine inşa edilen yapılarda, zemin tabakalarının su muhtevasındaki değişime bağlı olarak gelişen şişme davranışı etkisinde büyük problemler ile karşılaşıldığı bilinmektedir. Şişme basıncına yönelik araştırmalarda genel olarak şişme potansiyeline sahip zemin tabaklarından düşey yönde etkiyen şişme basıncı araştırılmıştır. Oysaki şişen zeminler, hacimlerini düşey ve yatay yönde şişerek genişletirler. Yanal şişme basıncının belirlenmesinin kaçınılmaz hale gelmesi, üç eksenli şişme basıncı deneylerinin gelişimini beraberinde getirmiştir. En çok bilinen yanal şişme basıncı ölçme yöntemlerinden bir tanesi, ilk olarak Komornik ve Zeitlen (1965) tarafından geliştirilen ince cidarlı ödometre halkası kullanılarak yapılan üç eksenli şişme basıncı deneyleridir. Bu yöntemde kullanılan test cihazı çeşitli araştırmacılar tarafından geliştirilerek günümüze kadar gelmiştir. Bu çalışmanın çıkış noktası, derin temel kazılarının yapılabilmesi için inşa edilen iksa sistemlerine veya tünellere etkiyen şişme basıncının araştırılmasıdır. Çalışma kapsamında, şişme basıncının derinlikle değişimi ve kaplama rijitliği ile değişimi araştırılmıştır. Bu çalışma için, şişme basıncı ölçen, inceltilmiş ödometre halkasına sahip cihaz geliştirilmiş ve yeniden üretilmiştir. Ofer (1981) tarafından geliştirilen cihazdan farklı basınç hücresinde hava basıncı yerine hidrolik basınç kullanılmıştır. Ödometre halkasının etrafına eklenen basınç hücresi sayesinde, numunenin yanal şişmesi engellenerek, sabit hacimde şişme basıncının ölçülmesi mümkün hale gelmiştir. Buna ilave olarak, inceltilmiş çelik halkaya yerleştirilen üç adet srain gauge çeyrek köprü devresi ile bağlanmış ve her bir strain gauge bağımsız ölçü alabilir duruma getirilmiştir. Böylelikle numunenin yatay eksende anizotropik şişme davranışı incelenebilmiştir. Geliştirilen ekipman ile kompakte edilmiş kil numuneleri üzerinde çok sayıda deney yapılmıştır. Çalışmanın sırasında, karşılaştırılabilir sonuçlara ulaşmak amacıyla, birden fazla test yöntemi izlenmiştir. Böylelikle, çalışma kapsamında yapılan testlerden elde edilen sonuçlar, hem kendi içinde hem de önceki çalışmalardan elde edilmiş sonuçlar ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. İlk olarak, önceki çalışmalarda izlenen yöntem takip edilmiş ve yapılan testlerden elde edilen şişme basıncı dağılımları, diğer araştırmacıların elde ettiği sonuçlar ile birlikte ele alınarak, geliştirilen ve bu çalışma için üretilen aletin güvenirliliği doğrulanmıştır. Devamında yapılan şişme basıncı deneyleri ile inceltilmiş ödometre ringine eklenen basınç hücresinin katkısı incelenmiştir. Çeşitli yöntemler takip edilerek yapılan şişme basıncı deneylerinin sonucunda, hücre basıncını otomatik olarak tetikleyen bir ekipmanın gerçek anlamda sabit hacimli şişme basıncı deneyi yapmak için kaçınılmaz bir zorunluluk olduğu görülmüştür. Otomatik tetiklemeye sahip bir test cihazı olmadığı, bu çalışma kapsamında kullanılana benzer ekipmanlarla yapılan şişme basıncı deneylerinde, numunenin yanal şişme basıncını belirlemek üzere, Fourie (1989) tarafından tavsiye edilen “Denge Yöntemi” ile şişme basıncı deneyleri yapılmasının, genleşmeye bağlı ferahlama etkisinden dolayı yapılacak ölçüm hatalarının önlenmesi açısından faydalı olacağı görülmüştür.

Expansive soils can be defined as soils that under some conditions are capable of increasing its volume when getting wet. It is well known that structures placed over or in expansive soils face problems due to soil heave upon the change of the soil moisture. The primary aspect of research on swelling has always been to predict the swelling behavior of the expansive soils in the vertical direction. Nevertheless, expansive soils change their volumes in lateral direction as well as in the vertical direction. The mandatory to predict lateral swelling pressure has forced the establishment of triaxial swelling pressure tests. One of the well known methods for measuring the lateral swelling pressure is the use of thin wall oedometer which was first introduced by Komornik & Zeitlen, (1965) and then also developed by several investigators. The objective of this study was to investigate the rate of lateral swelling pressures expected to act on retaining systems of deep excavations and tunnels in expansive soils. The variation of swelling pressures dependent on depth and the rigidity of the facing element were investigated. The Lateral Swell Pressure Ring has been redesigned for this study. The ring height has been increased and a pressure cell has been added to the device. Different than the similar device of Ofer (1981), the cell pressure restaining the specimen to swell in lateral direction was hydraulic pressure rather than air pressure. The pressure cell, surrounding the thin walled ring gave the ability to predict the lateral swelling pressures under zero lateral strain conditions. Moreover, three strain gauges have been mounted on the ring, each configured as a quarter bridge, to monitor the non homogenous behavior of the specimen in the horizontal plane. Several swelling tests have been performed on compacted clay specimens. Various test types have been utilized in order to obtain comprehensive lateral swelling pressures. The results are compared with swell pressures obtained in these tests in vertical direction as well as with the triaxial swelling pressure test results of previous studies. First, a series of tests have been made in accordance with the methodology of the previous studies using the thin walled lateral swelling pressure ring. So, by comparing the results obtained from these tests with the results of the tests of other researchers, the reliability of the test set up has been validated. Then, the contribution of the pressure cell, added to the recently manufactured testing device has been investigated. The test results have revealed that a strain induced automatic cell pressure triggering is necessary for greater accuracy for lateral swelling pressure prediction under zero lateral strain conditions. If, automatic cell pressure triggering is not present, which is the case in this study, the adjustment of a testing technique like “The Method of Equilibrium (Fourie, 1989)”, will avoid side effects of possible failures of lateral stress adjustment by the cell pressure increase.