Zemin Mekanii ve Temel Mhendislii Onbeinci Ulusal Kongresi 16 - 17 Ekim 2014, Orta Dou Teknik niversitesi, Ankara

SLT ORANININ VE RELATF SIKILIIN CPT PENETRASYON DRENCNE ETKS

EFFECTS OF SILT CONTENT AND RELATIVE DENSITY ON CPT

PENETRATION RESISTANCE

Mustafa KARAMAN1 Nurhan ECEM 2

ABSTRACT

The Cone Penetration Test (CPT) which is one of soil investigation tests has a widespread usage at the latest years. However, there is an obscureness about the parameters influencing the cone tip resistance. Therefore, in this study, several CPTu tests were performed in area which is known to include silty sand and clean sand. Addition to these test direct push permeability tests and boring logs for taking samples were carried out in field. First, the effects of fines content and relative density on coeficient of consolidation were investigated by using data obtained from in-situ tests. Afterwards, the effects of coefficient of consolidation and relative density on cone resistance were investigated and limit values were determined between undrained and partially drained penetration conditions. Finally, the effects of silt content and relative density on cone penetration resistance were presented. As a result of this study, it was determined that the cone penetration resistance increases when the relative density of soil increases. However, the relation between the cone penetration resistance and the relative density of soil can be effected by fines content. Keywords: CPT, coefficent of consolidation, relative density, penetration rasistance, silty sand

ZET

Zemin tanmlama deneylerinden koni penetrasyon deneyi (CPT) son yllarda en yaygn kullanlan arazi deneylerindendir. Ancak, koni penetrasyon deneyinde elde edilen u direnci deerinin hangi parametrelere bal olduu ok geni bir aratrma alan salamakla beraber henz netlik kazanmamtr. Bu nedenle, bu almada siltli kum ve temiz kumdan olutuu bilinen bir alanda bir ok CPT deneyi yaplmtr. Bu deneylere ek olarak arazide hidrolik iletkenlik deneyleri ve sondaj kuyusu ile numune almlar yaplmtr. Sz konusu deneylerden elde edilen veriler kullanlarak; ilk olarak silt orannn ve relatif sklk deerinin konsolidasyon katsaysna etkisi incelenmitir. Devamnda zeminin konsolidasyon karakterinin ve relatif sklnn penetrasyon direncine etkisi 1 Aratrma Grevlisi., zmir Yksek Teknoloji Enstits, mustafakaraman@iyte.edu.tr 2 Yardmc Doent Doktor., zmir Yksek Teknoloji Enstits, nurhanecemis@iyte.edu.tr

205

aratrlm, drenajsz ve ksmi drenajl penetrasyon artlar iin limit deerler belirlenmitir. Son olarak da elde edilen bulgular yardm ile silt oran ve relatif sklk deerlerinin zeminin penetrasyon direncine etkisi ortaya konulmutur. Yaplan aratrmalar neticesinde zeminin sklk deerinin artna gre penetrasyon direncinin artt, ancak bu ilikinin silt muhtevas deiiminden de etkilendii tespit edilmitir. Anahtar Kelimeler: CPT, konsolidasyon katsays, relatif sklk, penetrasyon direnci, siltli kum 1. GR

Zemini tanmlamak ve hesaplamalar iin gereken mekanik verileri elde etmek iin gnmzde en pratik ve yaygn deneyler arazide uygulanabilen Standart Penetrasyon Testi (SPT) ve Koni Penetrasyon Testidir (CPT). Bu deneyler arasnda son yllarda en popler olanlardan biri ise zaman tasarrufu, kolay uygulama, sondaj logu gerektirmeme, derinlik boyunca srekli veri alabilme gibi avantajlar salayan CPT deneyidir. CPT deneyi penetrasyon derinlii boyunca her 1cm derinlikte u direnci (qc) ve yanal srtnme (fs) verilerini okumay salar. Piezokonik Penetrasyon Testi (CPTu) ise, CPT standart konisine, koni ucunun arkasnda yer alacak ekilde boluk suyu basnc len sensrn ve filtrenin yerletirilmesinden olumutur. lk olarak Janbu ve Senneset (1974) tarafndan gelitirilmi ve kullanlm CPTu sistemi, penetrasyon srasnda CPT verilerinin yan sra boluk suyu basnc (u) verilerinin de okunmasn salayan sistemdir. Temiz kum ve siltli kumlar, farkl sklk oranlarnda ve farkl silt oranlarnda farkl mekanik zellikler gsterirler. Bu konular zerinde literatrde ok sayda alma yaplmtr. (Thevanayagam ve Ecemi 2008, Ecemi 2008, Idriss ve Boulanger 2008). Temiz kum ve siltli kumlu zeminlerde CPTu deneyinden elde edilen u direncinin hangi parametrelere bal olduu geni bir aratrma konusudur. Bu alma ile zeminin sklnn ve silt muhtevasnn koni penetrasyon direncine etkisine baklmtr. Bu amala siltli kum ierdii bilinen zmir Krfezi kuzey sahili boyunca 20 farkl noktada arazide sras ile sondaj kuyusu delgisi, CPTu testi ve arazide dorudan hidrolik iletkenlik deneyi ve sondaj kuyularndan numuneler ile laboratuarda zemin deneyleri yaplmtr. Elde edilen verilere dayanarak sras ile relatif skla bal zemin konsolidasyon katsays ve silt oran ilikisi aratrlmtr. Devamnda ise relatif skla bal zemin konsolidasyon katsays ve koni penetrasyon direnci ilikisi gzlemlenmitir. Son olarak, farkl silt oranlarnda bal olarak da relatif sklk ve penetrasyon direnci ilikisi incelenmitir. Bu alma ile ilgili daha detayl bilgi TUBTAK ve Avrupa Birlii projelerinde bulunmaktadr (Ecemi 2013, Ecemi 2014)

2. DENEYSEL ALIMALAR

zmir ili kuzey sahil eridi boyunca youn temiz kum ve siltli kum zemine sahip olduu bilinmektedir (RADIUS Projesi, 1999). Bu blgede ili lesi sahili boyunca 20 sondaj kuyusu alm, alan kuyulardan ortalama 15m derinlie kadar her 1.5mlik aralklarda zemin numuneleri toplanmtr. Toplanan numuneler ile, zemin mekanii laboratuvarnda

206

elek analizi, hidrometre, Atterberg limit testleri gibi zemin snf tanmlamas testleri yaplarak her numunenin USCS zemin snf ve silt muhtevas belirlenmitir. Numune alnan sondaj kuyularnn 1.5m uzanda olacak ekilde etrafnda sras ile piezokonik penetrasyon deneyi (CPTu) ve arazide dorudan hidrolik iletkenlik deneyi yaplmtr. ekil 1. de alma alan haritas, sondaj kuyularnn lokasyonlar gsterilmitir. ekil 2. de ise her bir sondaj kuyusu iin CPTu ve arazide dorudan hidrolik iletkenlik testlerinin birbirlerine gre konumu verilmitir.

ekil 1. alma Sahas ve Alan Sondaj Kuyular Haritas

ekil 2. Sondaj Kuyusu, CPTu ve Hidrolik letkenlik Deneyi Konumlar

207

2.1. Piezokonik Penetrasyon Deneyi (CPTu): Bu almada yaplan piezokonik penetrasyon deneyinde (CPTu), sve ten ithal edilen Geotech marka kablosuz (wireless) sistem kullanlmtr. Bu sistem sayesinde koni ucunda oluan radyo dalgalar yardm ile koni ucundaki ham veriler, sistemin toprak seviyesinde bulunan mikrofon tarafndan alglanp veri toplama sistemine aktarlr (Lunne vd. 1997). Dolaysyla, kabloya ihitiya duyulmakszn zemin verileri toplanmtr. Yaplan piezokonik penetrasyon deneyinde ASTM D3441 standartlarna uygun olarak 60o tepe al, 3.57 cm apl (10cm2 yzey alanl) koni kullanlmtr ve koni penetrasyonu 2 cm/sn sabit hzla gerekletirilmitir. Piezokonik penetrasyon deneyinden (CPTu) elde edilen u direnci (qc), yanal srtnme (fs) ve boluk suyu basnc (u2) deerleri derinlik boyunca her 1cm penetrasyon iin kaydedilmitir. Piezokonik penetrasyon deneyi ile elde edilen u direnci deeri (qc), Youd ve Idriss (2001) nerdii bant ile dzenlenmi ve normalletirilmi u direnci (qc1N) elde edilmitir:

c1 cc1N q

a a

q qq = =CP P

(1)

n

aq

vo

PC = '

(2)

Burada Cq koni penetrasyon direnci dzeltme faktr, vo, dey efektif gerilme, Pa vo, ile ayn birimde 1 atm basn deeri, n zemin snfna gre deien katsay (temiz kum ve siltli kumlarda 0.51.0 arasnda deiir). Dk dey yklerden dolay s derinliklerde Cq deeri ok yksek olduundan, Cq deerinin 1.7den byk olduu durumlarda hesaplanan Cq deeri alnmaz ve Cq=1.7 kabul edilir (Olsen 1997). Elde edilen verilerden ayrca Lunne vd. (1997) tarafndan nerilen eitlik kullanlarak relatif sklk deeri derinlik boyunca bulunmutur. r c voD = - 98 + 66 log q / ' (3) Burada Dr relatif sklk, qc llen u direncidir. 2.2. Arazide Hidrolik letkenlik Deneyi :

Arazide hidrolik iletkenlik deneyi, Lee vd. (2008) tarafndan gelitirilen, filtreli koni ucunun lm alnaca derinlie kadar indirilmesi ve zemine verilen suyun ak hznn belirlenmesi prensibine dayal bir yntemdir. Bu deneyde zemine verilen suyun seviyesinin azalmas llerek bulunan suyun debisi ve su seviyesi d kullanlarak, Darcy kanunu ile hidrolik iletkenlik bulunur:

Qk=al4h2

(4)

208

Burada a kresel pskrtme blmesinin yarap (1.78cm), l pskrtme blmesinin uzunluu (4.5cm), h gzlemlenen su seviyesi d ve Q deney srasnda k yapan suyun debisidir. Arazide hidrolik iletkenlik deneyi silt orannn yksek olduu bilinen yerlerde yaklak her 1m derinlikte lm alnarak yaplm ortalama 15m derinlie kadar srdrlmtr. Konsolidasyon katsaysnn bulunmas iin, CPTu ve hidrolik iletkenlik deneylerinden elde edilen veriler alnarak Robertson vd. (1998) nerdii eitlik kullanlmtr.

hh

w

k Mc = (5) Burada w suyun birim hacim arl, kh arazide hidrolik iletkenlik deneyi ile bulunan geirimlilik katsays ve M, 1-D skma modldr. M deeri her bir derinlikteki zemin iin CPTu testleri sonucunda Robertson (2009) tarafndan nerilen bant kullanlarak belirlenmitir;

M t voM = (q - ) (6) Ic > 2.2 ise, qc1N < 14 iken; M = qc1N, qc1N > 14 iken; M = 14 (7a) Ic < 2.2 ise, = 0.03 [10 (0.55Ic + 1.68)] (7b) Burada Ic; Robertson ve Wride (1998) tarafndan nerilen zemin tipi indisidir ve aadaki eitlikle bulunur. Ic=[(3.47 log10 qc1N)2 b+ (log10 F + 1.22)2]0.5 (8) 3. SLT ORANIN VE RELATF SIKILIIN KONSOLDASYON KATSAYISINA ETKS ekil 1de verilen her bir lokasyonda hidrolik iletkenliin elde edildii her derinlik iin piezokonik penetrasyon deneyi verileri de elde edilmitir. Ayn derinliklerde Eitlik 6.ya gre konsolidasyon katsaylar hesaplanmtr. Ayn derinlikten alnan numunelerin zemin snflandrmas iin yaplan laboratuar deneylerinden faydalanlarak silt oranlar (FC) belirlenmitir. Ecemi (2013) almasnda konsolidasyon katsays, silt muhtevas ilikisi edeer relatif sklk (Dr)eq deerlerine gre incelenmitir. Edeer relatif sklk aada verilen eitlik ile tanmlanmtr.

max c eqr eq

max min

e - (e )(D ) = x 100

e - e (9)

209

Burada emax ve emin laboratuvar deneyleri ile elde edilen maksimum ve minimum boluk oran deerleri, (ec)eq ise edeer daneler aras boluk orandr. Edeer daneler aras boluk oran, silt danelerinin ikincil etkisini gz nne alarak Thevanayagam vd. (2000) tarafndan nerilen eitlikle bulunur;

cc eq

c

e + (1-b) f(e ) =1- (1-b) f

FC < %25 (10)

Burada, b=ince daneler iin katk faktr (0

bulunan ve literatrde olduka youn kullanlan bir parametredir (Randolph ve Hope 2004, Chung vd. 2006, Schneider vd. 2007, Kim vd. 2008).

h

v d V = c

(11)

Burada V normalletirilmi penetrasyon oran, v koni penetrasyon hz, d koni yarap ve ch konsolidasyon katsaysdr. Koni hz derinlik boyunca 2cm/sn ve koni ap 3.57cmdir. Dolaysyla V deerini derinlik boyunca etkileyen tek deiken ch deerdir. Ecemi (2013) bildirisinde normalletirilmi penetrasyon oran (V) ile normalletirilmi penetrasyon direnci (qc1N) arasndaki iliki farkl edeer relatif sklk (Dr)eq aralklar iin incelenmi, drenajl, ksmi drenajl ve drenajsz penetrasyon durumlar iin limit deerler vermitir. Bu almada ayn iliki relatif sklk aralklar iin incelenerek gelitirilmi ve ekil 4de sunulmutur.

ekil 4. Farkl Relatif Sklk Deerlerinde Normalletirilmi Penetrasyon Direnciile Normalletirilmi Penetrasyon Oran likisi

ekilde grld zere kum ve siltli kumlarda koni penetrasyon orannn artmas ile koni penetrasyon direnci deeri azalmtr. Orta sk ve sk kumlarda (Dr= %95, %85, %78), V deerinin artna bal olarak normalletirilmi u direnci deerinin hzl azald grlmtr. Ayrca kum ierisindeki siltlerden kaynakl ksmi drenaj koullarnn geerli olduu gzlemlenmitir. Gevek kum ve siltli kumlarda ise V deerinin qc1N deerine etkisinin daha az olduu hatta V>10 deerleri iin drenajsz penetrasyon zellii gsterdii, bu koulda qc1N deerinin ok kk olduu ve V deeri artndan etkilenmeyerek sabitletii ortaya konulmutur. Ecemi (2013) almasnn aksine sz konusu ilikinin relatif sklk deerlerine gre incelenmesi durumunda drenajl penetrasyon koullarnn gzlemlenmesinin mmkn olmad tespit edilmitir. Gzlemlenen ksmi drenajl koul ile drenajsz koul arasndaki snr deeri yaklak V=10 mertebesindedir ve literatrdeki benzer almalarda ortaya konulan drenaj koulu snr deerlerini destekler niteliktedir. (Ecemis 2008, Thevanayagam ve Ecemi 2008, Finnie vd. 1994, Ecemis 2013).

211

5. SLT ORANININ VE RELATF SIKILIIN KON PENETRASYON DRENCNE ETKS Buraya kadar konsolidasyon katsaysnn relatif skla ve penetrasyon direncine etkisinin nemi ortaya konmutur. Relatif skln penetrasyon direncine etkisine henz baklmamtr. Bu sebeple, relatif skln ve konsolidasyon katsaysnn penetrasyon direnci zerindeki etkisini incelemek iin, ekil 3. de, her silt oran ve her relatif sklk deeri iin bir konsolidasyon katsays deeri (ch) okunmu, bu deerler ekil 4. de yerine konularak, her relatif sklk ve her silt muhtevas deeri iin bir normalletirilmi qc1N deeri retilmitir. Yaplan ilem ematik olarak ekil 5. te verilmitir.

ekil 5. Farkl Dr Deerlerinde FC- ch likisi ve qc1N - ch likisinden Faydalanarak Farkl FC Deerleri in qc1N-Dr likisinin Oluturulmas ematik Gsterimi

Yukarda sz edilen ilem ile oluturulan FC, Dr ve qc1N ilikisi ekil 6.da gsterildii gibidir. Sekil 6. da % 0, %5, %10, %15, %20, %25 ve %30 iin olmak zere 7 farkl silt oran iin relatif sklk, normalletirilmi penetrasyon direnci ilikisi izilmitir.

ekil 6. Farkl FC Deerlerinde qc1N- Dr likisi ekil 6. daki iliki incelendiinde, sabit bir Dr deerinde, qc1N deeri FC orannn azalmasna bal olarak artmaktadr. Grafik iki farkl parada ele alnr ve incelenirse, gevek ve orta sk siltli kum ve temiz kum diye tanmlayabileceimiz %85

temiz kumda daha yksek olduu grlmektedir. Baka bir ifade ile silt orannn artmas relatif skln u direnci zerindeki etkisini azaltr. Sk zemin olarak nitelendirebileceimiz Dr>%85 aralnda ise silt muhtevasnn qc1N ve Dr arasndaki ilikiye tesiri daha da yksektir. Yani sk kum ve siltli kumlarda, silt oranndaki deiim, relatif sklk artna bal u direnci artn, gevek kumlara gre daha ok etkiler. Idriss ve Boulangerin (2008) almas bu etkiyi destekler niteliktedir. 6. SONULAR Bu almada, ilk olarak silt muhtevasnn ve relatif skln konsolidasyon katsays ile ilikisi incelenmi ve bu iki parametrenin zeminin konsolidasyon katsays deiiminde etkili olduu grlmtr. Konsolidasyon katsaysnn bir fonskiyonu olan normalletirilmi penetrasyon orannn, normalletirilmi koni penetrasyon direnci ile ilikisi incelenmitir. Sk kum ve siltli kumlarda farkl edeer relatif sklk deerinde normalletirilmi penetrasyon oran arttka normalletirilmi u direnci deerinin azald gzlemlenmitir. Bu azalmann V>10 deerleri iin ksmi drenaj zellii gsterdii V

Ecemis, N. (2014). Effects of permeability and compressibility on liquefaction assessment

of silty soils using cone penetration resistance. European Union 7th framework program Marie Curie fellowship, (Grant No: PIRG05-GA-2009-248218).

Idriss, I.M., ve Boulanger, R.W., (2008). Soil liquefaction during earthquakes.

Earthquake Engineering Research Institute, MNO-12.

Kim, K., Prezzi, M., Salgado, R., and Lee, W., (2008). Effect of penetration rate on cone penetration resistance in saturated clayey soils. J. Geotech. Geoen. Eng., 134(8), 11421153.

Lee, D. S., Elsworth, D., Hryciw, R., (2008). Hydraulic conductivity measurement from On-the-Fly uCPT Sounding and from VicCPT. J.Geotech. and Geoen. Eng. pp. 1720-1729.

Lunne, T., Robertson, P.K., Powell, J.J.M. (1997). Cone penetration testing. Geotechnical Practice.

Olsen, R. S., (1997), Cyclic liquefaction based on the cone penetrometer test Proc., NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils: Tech. Rep. NCEER-97-0022, State University of New York at Buffalo, 225-276.

RADIUS Projesi. (1999), Izmir deprem senaryosu ve master plan, http://www.izmirbld.gov.tr/izmirdeprem/izmirrapor.htm

Randolph, M. F., ve Hope, S., (2004). Effect of cone velocity on cone resistance and excess pore pressures. Proc., IS Osaka-Engineering Practice Performance Soft Deposits, Osaka, Japan, 147152.

Robertson, P. K., (2009). CPT interpretation a unified approach, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 46, pp. 1-19.

Robertson, P. K., Wride, C. E., (1998). Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test., Canadian Geotechnical Journal, Vol. 35(3), pp. 442-459.

Schneider, J. A., Lehane, B. M., ve Schnaid, F. (2007). Velocity effects on piezocone tests in normally and overconsolidated clays. Int. J. Phys. Model. Geotech., 7(2).

Thevanayagam, S., Ecemis, N., (2008) Effects of permeability on liquefaction resistance and cone resistance Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics IV, ASCE.

Youd, T. L., Idriss I. M., (2001), Liquefaction Resistance Of Soil: Summary Report From the 1996NCEER and 1998NCEER/NSF Workshops on Evulation of Liquefaction Resistance of Soils, Journal of Geo.and Geoenv.Engineering, Vol.127(4),297-313.

214