Kayma Dayanımı: Zemin Neden ve Ne Zaman Kayar?

1. Zemin neden kayar?

Zeminler çekme taşımaz ve basınç altında nadiren ezilir; zeminde göçme neredeyse her zaman kayma ile olur. Bir şevin kayması, bir temelin altındaki zeminin yana itilmesi ya da bir istinat duvarının arkasındaki kamanın hareketi, hepsi kayma dayanımının aşılmasıdır. Bu yüzden kayma dayanımı, geoteknik mühendisliğinin merkezindeki büyüklüktür; taşıma gücü, şev stabilitesi ve toprak basıncı hesaplarının hepsi ona dayanır.

2. Mohr–Coulomb ölçütü

Bir düzlemdeki kayma dayanımı, o düzleme etkiyen normal efektif gerilmeyle artar:

Burada c' efektif kohezyon, φ' efektif içsel sürtünme açısıdır. Kumlarda c' pratikte sıfırdır; dayanım tamamen sürtünmeden gelir. Örneğin φ' = 32° olan bir kumda σ' = 100 kPa altında τ_f = 100 × tan 32° = 62,5 kPa. Ölçüt, Mohr dairesi ile birlikte düşünüldüğünde en anlaşılır hâlini alır: Göçme, Mohr dairesinin bu doğruya teğet olduğu anda gerçekleşir. Sitenin Mohr dairesi aracı gerilme dönüşümünü gösterir.

3. Efektif gerilme: suyun payı

Ölçütteki σ', toplam gerilme değil efektif gerilmedir: σ' = σ − u. Boşluk suyu kayma taşıyamaz; danelerin birbirine bastırdığı kısım, yani efektif gerilme, sürtünmeyi belirler. Bunun sonucu çarpıcıdır: Toplam gerilme 150 kPa, boşluk suyu basıncı 50 kPa olan bir noktada doğru dayanım 100 × tan 32° = 62,5 kPa'dır. Toplam gerilmeyle hesaplanırsa 93,7 kPa, yani %50 fazla bulunur. Şevlerin yağıştan sonra kaymasının nedeni de budur: Boşluk suyu basıncı artar, efektif gerilme ve onunla birlikte dayanım düşer.

4. Drenajlı ve drenajsız davranış

Kilin geçirimliliği düşük olduğu için yük hızlı uygulandığında su dışarı çıkamaz; boşluk suyu basıncı değişir ve zemin drenajsız davranır. Bu durumda dayanım tek bir parametreyle, drenajsız kayma dayanımı c_u (s_u) ile ifade edilir ve toplam gerilme analizi yapılır (φ_u = 0). Yük yavaş uygulanırsa ya da yeterince zaman geçerse su dengelenir ve zemin drenajlı davranır; c' ve φ' ile efektif gerilme analizi yapılır.

Hangisinin kritik olduğu yüklemenin türüne bağlıdır:

• Yumuşak kil üzerinde dolgu ya da temel (yükleme): En kritik an inşaatın hemen sonudur. Yükleme boşluk suyu basıncını artırır; zaman geçtikçe su dışarı çıkar, efektif gerilme ve dayanım artar. Drenajsız analiz belirleyicidir.
• Kazı ya da yarma şevi (boşaltma): Tersine, en kritik an uzun dönemdir. Boşaltma boşluk suyu basıncını düşürür; zamanla su geri gelir ve dayanım azalır. Drenajlı analiz belirleyicidir. Yıllarca ayakta kalan bir yarmanın birden kayması bu yüzden şaşırtıcı değildir.

5. Üç eksenli deney

Kayma dayanımı parametreleri çoğunlukla üç eksenli deneyle ölçülür. Silindirik bir numune hücre basıncı σ₃ altında tutulur ve eksenel gerilme göçmeye kadar artırılır. Deney türü drenaj koşulunu belirler: UU (konsolidasyonsuz–drenajsız) c_u'yu; CU (konsolidasyonlu–drenajsız, boşluk suyu basıncı ölçülerek) ve CD (konsolidasyonlu–drenajlı) c' ve φ''yü verir.

Mohr–Coulomb ölçütü göçme anındaki asal gerilmeleri birbirine bağlar:

c' = 0, φ' = 32° olan bir kumda σ'₃ = 100 kPa için göçme σ'₁ = 325,5 kPa'da olur; kayma düzlemi büyük asal gerilme düzlemiyle 45° + φ'/2 = 61° açı yapar. c' = 10 kPa, φ' = 25° olan bir kil için aynı hücre basıncında σ'₁ = 277,8 kPa.

6. Belirsizlik: φ' ne kadar hassas?

φ' hiçbir zaman tam olarak bilinmez; numune örselenmesi, deney türü ve zeminin doğal değişkenliği birkaç derecelik bir belirsizlik yaratır. Bu belirsizliğin dayanıma etkisi:

±2°, dayanımda yaklaşık ±%8 demektir. Taşıma gücü katsayıları φ' ile çok daha hızlı arttığı için aynı belirsizlik taşıma gücünde çok daha büyük bir farka dönüşür; bu, sitenin taşıma gücü aracında φ' değiştirilerek görülebilir. Kohezyonda ise daha temkinli olmak gerekir: Laboratuvarda ölçülen küçük bir c' çoğu zaman eğri uydurmanın bir yan ürünüdür ve uzun dönem analizde ona güvenmek risklidir.

Yazıdaki bütün değerler tests/v583-shear-strength.test.js ile denetlenir.