İnşaat Mühendisliği Zemin Mühendisliğine Giriş Ders Notları

1. SUNU PLANI
1. ZEMİN MEKANİĞİNİN TARİHÇESİ
2. ZEMİNİN TANIMI
3. ZEMİNLERİN OLUŞUM MEKANİZMASI VE ZEMİN TÜRLERİ
3.1. FİZİKSEL AYRIŞMA
3.2. KİMYASAL AYRIŞMA
3.3. ZEMİNLERİN OLUŞUMU
3.4. ZEMİNLERDE YAPI VE DOKU KAVRAMI
4. KİLLER VE MİNERALOJİSİ
4.1. KİL MİNERALLERİNİN OLUŞUMU
4.2. KİL MİNERALLERİNİN SINIFLANDIRILMASI
5. JEOTEKNİK UYGULAMALARDA KARŞILAŞILAN ZEMİN PROBLEMLER
5.1. TEMELLERİN DEFORMASYON PROBLEMLERİ
5.2. YENİLME PROBLEMLERİ
5.3. İNŞAAT MALZEMESİ OLARAK KULLANILAN ZEMİLERDE KARŞILAŞILAN PROB.
5.4. YER ALTI YAPILARINDA KARŞILAŞILAN PROBLEMLER
6. ZEMİN MEKANİĞİ İLE İLGİLİ BAZI TERİMLER

2. 1. ZEMİN MEKANİĞİNİN TARİHÇESİ
- İnsanlar çok eskiden beri zeminleri ya temel olarak yada yapı malzemesi olarak kullanmışlardır.
- Eski mısırlılar, Babilliler, Çinliler ve Hintliler nehir taşkın düzlüklerindeki sedleri inşa etmeyi biliyorlardı.
- Dünyanın her tarafında yapılmış eski mabet ve anıtlarda bir şekilde toprak veya kaya kullanmışlardır.
- Ortaçağdaki Avrupalı mimarlar ve yapı ustaları büyük yapılarda oluşan oturmaları gözlemişlerdir.
- İskandinavyalılar yumuşak killerde evlerin altına destek olarak ahşap kazıklar kullanmışlardır.
- 18. yy.’da Coulomb’un istinad yapılarında geliştirdiği toprak basınç denklemleri günümüzde
kullanılmaktadır.
- Zeminlerin kayma dayanımı için en yaygın teori adını Coulomb’dan almıştır.
- Bir sonraki asırda Collin ve Darcy ve İskoçyalı Rankine önemli keşifler yapmışlardır.
- Gregory demiryolu yarmalarının duraylılığını sağlamak için yatay drenlerden ve sıkıştırılmış toprak dolgu
payandalarından yararlanmışlardır.
- 20. yüzyılın başına kadar İskandinavya da ve özellikle de İsveç de bu alanda önemli gelişmeler olmuştur.
Atterberg killerde bu gün halen geçerli olan kıvam limitlerini geliştirmiştir.
- 914-1922 arasında İsveç devlet demiryolları Geoteknik komisyonu, liman ve demiryollarında meydana
gelen bazı önemli yenilme durumlarıyla ilgili araştırmaları sırasında geoteknik mühendisliğinde pek çok
önemli kavram ve aletleri geliştirmiştir.
- Şevlerin duraylılığı ile ilgili hesaplama yöntemleri geliştirmiştir.
- Ağırlık düşürme, piston ve diğer tür örnek alıcıları yeraltı araştırmaları sırasında geliştirmişlerdir.

3. - Killerin hassasiyeti ve gözeneklerde suyun sıkışmasıyla dışarı atılması anlamına gelen konsolidasyon gibi
önemli kavramaları keşfetmişlerdir.
- Jeoloji ile inşaat mühendisliği teknolojisinin bir bileşimi olan geoteknik kelimesini ilk olarak kullanmıştır.
- İsveçteki bu erken gelişmelere rağmen zemin mekaniğinin babası bir Avusturalyalı olan Prof. Karl
Terzaghi’dir.
- Zemin mekaniğinin ilk modern kitabı Erdbaumekanik’i 1925’de yayınlamıştır ve aslında “zemin mekaniği”
ismi kökeni almanca olan bu kelimenin doğrudan tercümesidir.
- Zemin mekaniğinin ilerlemesinde önemli payı olan bir diğer isim Harvard Üniversitesinde 1932’den
1969’a kadar çalışan Prof. Arthur CASAGRANDE’dir.
- Yakın geçmişte ise zemin mekaniği problemlerinin çözümünde istatistik ve bilgisayar programları
kullanılmaya başlanmıştır. (Geoslope, Slide, Plugsis vs.)
2. ZEMİNİN TANIMI
Zemin terimi inşaat mühendisleri, jeoloji mühendisleri ve farklı diğer disiplinler tarafından kaya
kütlesinin üst yüzeyinde bulunan gevşek mineral ve organik maddeler topluluğu olarak yada yerkürenin
kabuğunun dış kısmını oluşturan, taneli, boşluklu maddeler (malzeme) topluluğu olarak tanımlanır

4. Zemin profilinin genel görüntüsü
- Genel olarak bir zemin profili tane, su ve hava’dan meydana gelir. Bu zemin bileşenleri koşullara bağlı
olarak farklı oranlarda bulunabilir. Aşağıdaki diyagramda yoğunlaştırılmış bir zemin profili görülmektedir
Yoğunlaştırılmış zemin profili

5. 3. ZEMİNLERİN OLUŞUM MEKANİZMASI VE ZEMİN TÜRLERİ
- Yeryüzündeki zeminleri oluşum mekanizmasına göre ikiye ayırmak mümkündür. Bunlardan ilki yerinde
oluşmuş (kalıntı yada residuel) zeminler diğeri ise taşınma (sürüklenme) sonucu oluşmuş zeminlerdir. Bu
zemin grupları da oluşum mekanizmaları, taşınma ortamları, birim türleri vb gibi faktörlere bağlı olarak
kendi içerisinde farklı gruplara ayrılmaktadırlar.
- Zemin, kayaçların fiziksel parçalanması ve kimyasal ayrışmasıyla oluşur. Milyonlarca yıldan beri (bazı
kaynaklara göre 4 500 000 000 yıldan beri), kayalar zeminlere, zeminlerde kayalara dönüşmektedir.
Aşağıdaki şekilde görülen süreç halen devam etmektedir.
Kayaç - zemin oluşum döngüsü

6. - Bu döngüde temel etken kayaçların ayrışmasıdır. Ayrışma sözcüğü genel anlamda, mekanik
parçalanmayı, kimyasal bozulmayı ve alterasyonu içerir. Ayrışma olayı doğal faktörler ve insanların
faaliyetleri etkisiyle oluşur. Ayrışma yüzeyden derine doğru ilerler ve bir ayrışma zonu teşkil eder.
Ayrışma zonunun derinliği ve ayrışmanın özelliği, kaya türüne, ayrışmaya neden olan faktörlere,
topografik koşullara ve ayrışmış kısmın erozyona uğramasına bağlıdır. Kayaçların ayrışmasına neden olan
pek çok faktör vardır, bunlar;
- Sıcaklık değişmesi,
- Erime,
- Çabuk soğuma,
- Donma-çözünme,
- Sızan suların kimyasal etkisi,
- Bitki kökleri ve organizmanın etkisi,
- Gaz çıkışları’ dır.
Zemin oluşumuna etki eden faktörler
- Ayrışmanın tipi esas olarak iklim koşullarına bağlıdır. Ayrışmada ana etkenler iklim bölgelerine göre
faklılık gösterir. Kurak bölgelerde sıcaklık, soğuk bölgelerde donma-çözünme, tropik bölgelerde ise
sıcaklık, nem ve bunların sonucu oluşan kimyasal olaylardır. Ayrışmayı fiziksel ve kimyasal ayrışma olarak
iki grupta toplamak mümkündür. Aynı yerde bu iki ayrışma türünün de etkin olması mümkündür.
3.1. FİZİKSEL AYRIŞMA
- Fiziksel ayrışma kayaçların, herhangi bir kimyasal ayrışmaya uğramadan küçük parçacıklara ayrılmasıdır.
Fiziksel ayrışmada ana etken basınç değişmesidir. Basınç değişikliğini oluşturan nedenlere göre de fiziksel
ayrışma, termik ve mekanik ayrışma olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel ayrışmada ana etken olan basıncın
değişme nedenleri ise;

7. - Kayaçlar üzerinden yük kalkması (erozyon, buzul erimesi, heyelan, vb.)
- Süreksizliklerde suyun donma ve erimesi,
- Yeni kristallerin oluşumu,
- Sıcaklığa bağlı olarak hacim değişmesi,
- Bitkilerin etkisidir.
- İklim koşullarına bağlı olarak gelişen fiziksel ayrışma genellikle yüzeyseldir.
Kayaçların Üzerinden Yük Kalkması
Kayaçların ayrışmasında en önemli ve ilk adım, kayaçların üzerinden yük (jeolojik yük) kalkmasıdır. Yük
kalkması, tektonik hareketler, erozyon, buzul erimesi ve kitle hareketleri sonucu oluşur. Bu olayda
yüzeydeki hava basıncı hava basıncı etkisi ihmal edilebilecek kadar azdır. Buna karşılık su ve kayaçlardan
ileri gelen basınç önemlidir. Örneğin denizlerde her 10 m’de, karalarda ise her 4-5 m’ de bir 1 kg/cm2’lik
bir basınç artışı söz konusudur.
Yük kalkması sonucu kayaçlarda kalıcı gerilmeler oluşmakta ve kalıcı gerilmelerin etkisiyle de kayaçların
yüzeyinde ve yüzeye yakın yerlerde genelde topografyaya paralel yada konsantrik çatlaklar oluşmaktadır.
Bu yolla oluşan çatlaklar boyunca kayaçta, hava, su ve bitki köklerinin etkisi kolaylaşmakta ve ayrışma
olayını hızlandırmaktadır.
Çatlak Sularının Donması
Atmosfer koşullarında donan suyun hacmi % 9 oranında artmaktadır. Donan sudaki hacim artması ise
basıncın yükselmesine neden olur. Özellikle yüksek dağlarda ve nemli iklimlerde donma olayı daha da
etkilidir. Kayaçların yüzey ve yüzeye yakın çatlakları içine dolan yağış suları sıcaklığın sıfırın altına
düşmesiyle donar ve kayacın çatlak yüzeylerine basınç yapar. Donan suyun erimesiyle basınç ortadan
kalkar. Bu şekilde uzun zaman tekrarlanan donma-erime olayı kayaçların parçalanmasına, ufalanmasına
ve kaya düşmelerine neden olur. Parçalanan ufalanan, düşen parçalar topografyaya bağlı olarak olduğu
yerde yada yamaç eteklerinde birikir ve yamaç molozlarını oluştururlar.

8. Çatlaklara suyun dolması, genleşmesi ve
kayacı ayrıştırmasının şematik görünümü
Donma çözünme döngüsü sonucu dağın
yamacında oluşan yamaç molozu
Yeni Kristallerin Oluşması
Yağış suları, kayaçların içerdiği süreksizlikler ve boşluklar boyunca derinlere doğru hareket ederler.
Hareketleri esnasında değişik minerallerden oluşmuş kayaçlardan geçerler. Bu geçiş esnasında bazı
mineralleri eritirler. İçinde bol mineral eritmiş suda sıcaklık ve basınç değişimi yada buharlaşma olursa
mineral konsantrasyonları artar ve geçtikleri çatlaklarda yeniden kristallenerek yeni mineral oluştururlar.
Kristallerin oluşması ve büyümeleri, aynen suyun donmasına benzer şekilde, çatlak yüzeylerine basınç
yaparlar. Meydana gelen basınç kayacın direncinden fazla olursa kayaç parçalanır. Örneğin anhidritli bir
ortamda, anhidrit suyun etkisiyle Jips’e dönüşür ve bir hacim artması oluşur. Hacim artması da basınç
oluşturarak kayaçların parçalanmasına, ufalanmasına neden olur.
Yeniden kristallenen minerallerin şematik gösterimi

9. Sıcaklık Değişmesi
Doğadaki malzemeler, sıcaklığın artmasıyla genleşir, azalmasıyla büzülür. Gün boyu güneş ışınları
etkisinde kalan kayaçlar ısınır, gece ise soğur. Genleşme ve büzülme olaylarının uzun zaman ve devamlı
olması halinde kayalarda fisür ve çatlaklar oluşur ve olayın sürekliliği sonucunda kayalarda parçalanmalar
ufalanmalar meydana gelir. Aslında kayaçlara ısı iletkenliği açısından bakıldığında, kötü iletkendirler, bu
nedenle yüzeylerdeki sıcaklık, derinlere göre daha yüksek olur.
Sıcaklık değişiminin kaya kütlesi üzerindeki aşındırma etkisi
Genleşme ve büzülme olayında, kayacın mineralojik bileşimi ve tane boylarının önemi büyüktür. Koyu
renkli mineraller, açık renkli minerallere oranla daha çok ısı absorbe eder. Bunun sonucunda aynı kayaçta
farklı noktalarda, farklı genleşme oluşur. Farklı genleşme farklı basınçlara neden olur ve kayaç daha kolay
parçalanır. Bu tür ayrışmaya termik ayrışmada denir.
Bitkilerin Etkisi
İklim koşullarına bağlı olarak gelişen bitki türleri, kayaçların ayrışması üzerinde etkili olmaktadır. Kayaçlar
üzerinde yetişen bitkilerin kökleri, kayaçların çatlakları içinde, bitkinin gelişmesine paralel olarak gelişir
ve büyürler. Gelişime bağlı olarak kalınlaşan kökler, kayaçların çatlak yüzeylerine basınç oluştururlar.
Basıncın etkisiyle çatlaklar daha da gelişir bir yerden sonra kayaç parçalanmaya başlar. Bitki köklerinin
mekanik etkisi yanında parçalanmadan dolayı suların kayaç içine sızması kolaylaşır . Ayrıca bitki artıkları
ve çürümeleri sonucu oluşan humik asitler de kimyasal ayrışmayı hızlandırır.

10. Ağaç kökünün kaya kütlesi üzerindeki ayrıştırma etkisi
3.2. KİMYASAL AYRIŞMA
Kimyasal ayrışma, kayaçları oluşturan minerallerin kimyasal olaylar sonucunda ikincil minerallere
dönüşmesidir. Buna kimyasal alterasyon da denilmektedir. Doğada iki tür kimyasal değişme (ayrışma)
görülmektedir. Birincisi yüzeye yakın kısımlarda, ikincisi ise derinlerdedir. Yüzeye yakın ayrışma dış
etkenlere yüzey sularına ve kayacın direncine bağlı olarak meydana gelir. Derindeki kimyasal ayrışma
(alterasyon) yüzeyinin altında farklı derinliklerdeki olaylarla ilgilidir. Derinlerdeki değişmeye Gabro türü
kayaçlardaki plajiyoklasların sasüritleşmesi, ultrabazik kayaçların serpantinleşmesi, gabroların
uralitleşmesi, andezitlerin profillitleşmesi gibi olaylar örnek olarak verilebilir.
Yüzeysel kimyasal ayrışmada en önemli etkenler, yağış suları, oksijen, karbondioksit ve organik asitlerdir
ve oksijen miktarına bağlıdır. Ayrıca suda eriyen tuz ve asitlerle birlikte humik asitlerde kimyasal
ayrışmayı hızlandırır. Kimyasal ayrışmada etkili olan diğer bir faktörde suyun pH derecesidir. Tüm bu
etkenlere bağlı olarak gelişen kimyasal reaksiyonlar oksidasyon, hidratasyon, karbonasyon, kayaçların
erimesi ve hidrolizdir.
Oksidasyon
Oksijenin etkisiyle meydana gelen bir olaydır. Oksijen havada bulunduğu gibi suda da erimiş halde
bulunabilir. Bu tür suların, asitlerin, bakteri ve tuzların etkisi oksitlenmeyi hızlandırır. Bu şekildeki
kimyasal değişme dışa ısı verme (exotermic) niteliğindedir. Sıcaklığın serbest kalmasıyla ikincil mineraller
şekillenir. Bu şekilde meydana gelen minerallerin hacimleri büyük yoğunlukları küçüktür.

11. Oksidasyon neticesinde kayada meydana gelen ayrışmanın görüntüsü
Hidratasyon
Mineralleri su alması sonucu yeni minerallere dönüşmesi olayıdır. Bunun en güzel örneği anhidritin su
alarak Jips’e dönüşmesidir. Hidratasyon sonucu büyük bir hacim artışı meydana gelmektedir. Örneğin
anhidritin jips’e dönüşmesi sonucu % 60 oranında bir hacim artışının olduğu bilinmektedir. Hacim
artması büyük basınçların meydana gelmesine neden olmaktadır. Basınç ise kayaçlarda kırık ve çatlakları
oluşturmaktadır.
Kayada Hidratasyon olayı sonucu meydana gelen ayrışmanın görüntüsü

12. Karbonatlaşma
Bir tür ayrışma türüdür. İkincil karbonat bikarbonatlar, kalsiyum oksit, magnezyum, potasyum ve diğer
elementler gibi, bazı ayrışma ürünleriyle karbondioksitin birleşmesi sonucu meydana gelirler. Tüm yüzey
suları, erimiş halde atmosferik orijinli karbondioksit içerirler. Ayrışmış kayaçlardan süzülen bu tür sular,
çatlak ve tabaka yüzeylerinde kristalleşerek yüzey tortularını oluştururlar.
Erime
Kayaçların ve minerallerin erimesi de kimyasal ayrışmanın bir türüdür. Suyun kayaçları eritme kabiliyeti,
suyun saflığına, sıcaklığına ve reaksiyon zamanına bağlıdır. Yağış ve yüzey suları atmosfer tarafından
zenginleştirilmiş oksijen, karbondioksit ve diğer maddeleri içerir. Bu sular yeraltına süzülürken, topraktaki
organik maddelerin bozuşmasına ve ayrışmasına neden olurlar.
Yüzey tortullaşmasının görüntüsü
Erimiş kayaç görüntüsü
Hidroliz
Bu ayrışma türü de çok silikatlar üzerinde etkili olur. Suyun kimyasal etkisi , H ve OH iyonlarına
ayrılmasına bağlı olarak yükselir. Suyun iyonlara ayrılması sıcaklığa, karbondioksit miktarına ve asitlere
bağlı olarak artar. Asidik ortam hidrojen iyonlarına bağlı olarak yükselir. Silikatların kimyasal ayrışması
sonucu değişik kil mineralleri ortaya çıkar. Örneğin feldspatların ayrışması sonucu kaolen, illit gibi değişik
türden kil mineralleri oluşur. Kimyasal ayrışma sonucunda kayaçların hacmi (% 5-30) oranında artar. Bu
artış kayaçların kimyasal yolla ayrışmasını tetikler.

13. 3.3. ZEMİNLERİN OLUŞUMU
Yer kabuğunu oluşturan zeminleri oluşumlarına göre yerli zeminler (residüal) ve sürüklenmiş (taşınmış)
zeminler olarak ikiye ayırmak mümkündür. Taşınmış zeminlerde jeolojik açıdan alüviyon zemin, eolian
zemin, buzul zemin, deniz zemin, koliviyon zemin, proklastik zemin olarak sınıflandırılır. Bu
sınıflandırma zeminlerin oluşum türüne ve çökelme durumuna göre yapılmıştır. Aşağıdaki şekilde
oluşumlarına göre zemin türleri görülmektedir.
Oluşum Türlerine Göre Zeminler
Yerli (Residüel) Zeminler
Sürüklenmiş (Taşınmış) Zeminler
Alüviyon Zeminler Eolin Zeminler Buzul Zeminler Deniz Zeminler Koliviyon Zeminler Piroklastik Zeminler
- Taşkın Çök.
- Alüvyal Teras.
- Mansap Çök.
- Göl Çök.
- Delta Çök.
- Pidmont Çök.
- Till Çök.
- Dere Çök.
- Göl Çök.
- Kıyı Çök.
- Deniz Çök.
- Lös Çök.
- Dune Çök.
- Talus Zem.
- Yamaç Mol.
- Heyelan Depo.
- Ejekta
- Pumis
Oluşum türlerine göre zeminler

14. Yerli (Residüel) Zeminler
Kayaların bulundukları yerde fiziksel, kimyasal ve biyolojik etkilerle parçalanarak ufalanması sonucu yerli
zeminler oluşmaktadır. Yerli zeminler, granüller ve kil olmak üzere iki farklı şekilde veya karışık halde
bulunabilir. Granüller yerli zeminler, kum ve çakıl parçaları halinde olup çimentolaşmış malzemenin
çözünmesi ve yıkanması sonucu dirençli parçalar halinde çökelmiştir. Yerli killer ise silikatlı kayaçların
bozulup dağılması, şeyllerin parçalanması ve kireçtaşlarındaki karbonatların çözülmesi şeklinde
oluşmaktadır. Killerin karakteristikleri genellikle oluşturduğu kayaçların özelliklerini (yani kompozisyon,
yapı, tabakalanma, vb.) yansıtmaktadır. Yerli zeminler oluştuktan sonra iklim, su, organik maddeler ile
biyolojik etkileşim sonucu organik zeminlere dönüşebilir. Aşağıdaki şekilde yerinde oluşmuş zeminlerin
sembolik gösterimi verilmiştir.
Yerinde oluşmuş zeminler için kayadan toprağa dönüşüm aşamalarını gösteren sembolik yer altı profili

15. Sürüklenmiş (Taşınmış) Zeminler
Alüviyon zeminler dere ve taşkınlarla taşınan yada çökeldiği yerde aşınmış zeminler olarak görülür. Eski
ve mevcut dere yatakları içinde veya bunların teraslarında birikmiştir. Alüviyon çökeller dere yataklarının
eğim değiştirdiği yerlerde (kanyon ağızlarında, düzlükler vb.) başlar ve jeolojik zaman içinde genellikle
tabaklar halinde birikirler.
Eolin zeminler aşınmış kayaların rüzgar etkisiyle taşınması ve çökelmesi sonucu oluşmuşlardır. Lös
(kalkerli tabakalanmamış siltler kumlu veya killi siltler) ve kum dune (üniform ve yuvarlak taneli kum
tepeleri, yığıntıları, tabakaları vb.) zeminler bu tip sürüklenmiş zeminlerin en yaygın olarak görülenleri
olup genellikle düşük yoğunluktadır.
Koliviyon zeminler yamaçlarda ve dağ eteklerinde görülen ve gravite ile buralara çökelmiş zeminlerdir. Bu
tip zeminler aşınmış, parçalanmış kayaların gravite ile çökelmesi ve birikmesiyle oluşur. Talus dağ
eteklerinde zaman içinde kaya parçalarının ve kırıntılarının çökelmesi yamaç molozu ise dağların
yamaçlarında kaya parçalarının çökelmesi ve zamanla parçalanması sonucu oluşan birikintilerdir.
Genellikle düşük yoğunlukta olup stabil değildirler.
Buzul zeminler buzul hareketiyle düzlüklere, göllere ve akarsu yataklarına taşınmış ve buralarda çökelmiş
zeminlerdir. Genellikle çok farklı boyutta (çakıldan kile kadar) ve tabakalanmamış olup bozuşma
dereceleri jeolojik yaşına ve bozuşmanın tipine bağlı olarak değişir.
Proklastik zeminler, ejekta (volkanik kül) ve pumis (volkanik olmayan zeminler ile lavların karışımı ve lav
akıntısı) şeklinde görülür. Volkanik lavların gravite veya rüzgar ile taşınması ve daha sonra çökelmesi
sonucu oluşur. Çökeldiği yerde ilave aşınmalar ve tekrar yer değiştirmesi sonucu aşırı derecede
aşındığından dolayı yüksek plastisiteli ve sıkışabilir zeminlerdir.
Aşağıdaki şekilde kaya ve zemin formasyonları arasındaki karşılıklı ilişkinin özeti ve genel görünümü
sunulmuştur.

16. Kaya ve zemin formasyonları arasındaki karşılıklı ilişkinin özeti ve genel görüntüsü

17. 3.4. ZEMİNLERDE YAPI VE DOKU KAVRAMI
Doğada bulunan zeminler kohezyonlu zeminler ve kohezyonsuz zeminler olmak üzere iki gruba ayırmak
mümkündür.
Kohezyonlu zeminler; eğer zemini meydana getiren taneler kil partikülleri yada başka bağlayıcı maddeler
yardımıyla kendi kendini dağılmadan bir arada tutabiliyor ise bu şekildeki zeminlere kohezyonlu zeminler,
eğer zemini meydana getire taneler kendi kendini bir arada tutamıyor dağılıyor ise bu şekildeki zeminlere
de kohezyonsuz zeminler denir. Kohezyonlu zeminler sadece kil partiküllerinden oluşabileceği gibi farklı
granülometrik dağılıma sahip tanelerden de meydana gelmiş olabilir. Kohezyonsuz zeminler ise genellikle
kil ihtiva etmeyen farklı granülometrik dağılıma sahip tanelerden oluşur.
Zeminler çökeldikleri ortamda jeolojik zamana bağlı olarak farklı oranda gerilmelere (litostatik,
kıvrımlanma, kompaksiyon, konsolidasyon, ek yükleme vs.) maruz kalırlar. Bu gerilmeler zeminin
dokusunda oldukça önemli rol oynarlar.
Genel olarak zemin dokusu terimini sadece zemini oluşturan tanelerin, tanelerin oluşturduğu kümelerin,
geometrik dizinimlerini üç boyutlu görünümünü ifade ederken, zemin yapısı terimi granüler tanelerin
veya mineral taneciklerinin geometrik dizilimi ve bunlar arasında etkiyen partiküller arası kuvvetleri ifade
eden daha kapsamlı bir terimdir. Yapı ve doku kavramı çoğu kez birbirinin yerine kullanılsa da bu iki terim
farklı anlamlar içerir.
Bazı araştırmacılar zeminlerin doku kavramını farklı şekilde ele almışlardır. Örneğin Holtz ve Kovaks
zeminin dokusunun onun görünümü veya verdiği his ve partiküllerin şekli ve göreceli boyları ile bunların
zemin içerisindeki oranına veya dağılımlarına bağlı olacağını söylemiştir.
Buna göre zemin dokularını iri taneli ve ince taneli olmak üzere ikiye ayrılır. Bu ayrım için en uygun boyut
çıplak gözle ayırt edilebilen tane boyudur.

18. Kohezyonlu Zeminlerde Yapısı ve Doku
Birkaç kil partikülünden yola çıkarak kohezyonlu zemin dokularını basit bir sistem içinde sınıflandırmak
mümkün değildir.
Tek tane yada tek partikül oluşumları tabiatta sık gözlenen bir olay değildir ve sadece bazı özel çevre
şartlarındaki çok sulu su-kil ortamlarında gözlenmektedir.
Taramalı elektron mikroskobisiyle tamamı kilden oluşan zeminler üzerinde son zamanlarda yapılan
çalışmalar münferit kil partiküllerinin daima agrega veya topaklanmış halde gruplanmış olarak domain
teşgil ettiğini göstermektedir.
Domainler bir araya gelmek suretiyle görünür ışık mikroskobunda görülebilecek kadar büyük olan
clusterleri oluşturmaktadır.
Clusterlerde bir araya gelerek pedleri ve hatta ped gruplarını oluşturmaktadır. Pedler mikroskop
olmadan görülmektedir.
Pedler eklemler ve fisürlerle bir araya gelmek suretiyle zeminin makro dokusunu oluşturmaktadır.
Zemin mikro dokusunun ve makro dokusunun şematik diyagramı

19. Zeminlerin sahip oldukları dokular teknolojinin ilerlemesiyle birlikte daha anlaşılır hale gelmiştir.
Günümüzde zemin dokularını mikro ölçekte tanımlayabilmek için iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan
ilki ince kesit yöntemi ikincisi ise taramalı elektron mikroskop yöntemidir. İnce kesit yönteminde
örselenmemiş zemin örnekleri reçineye batırılarak dondurulur ve dondurulan zemin örneğinden ince
kesit yapılır, daha sonra bu ince kesitler polarizen mikroskopta incelenerek zeminlerin sahip oldukları
dokular değerlendirilir. Taramalı elektron mikroskop yönteminde ise zemin numunesi altın yada gümüşle
kaplanarak elektron bombardımanına tutulur ve yansıyan elektronlardan görüntü elde edilerek
zeminlerin dokuları hakkında değerlendirme yapılır. Aşağıdaki fotoğraflarda zeminlerden elde edilen ince
kesit ve elektron mikroskop görüntüleri verilmiştir.
Zeminde yapılmış ince kesitin polarizen
mikroskopta görüntüsü
Sıkıştırılmış bir zeminin elektron
mikroskoptaki görüntüsü

20. Killer özel durumları dışında saf olarak çok nadir olarak bulunurlar ve daha büyük boyutlu siltle ince kum
karışımına girdiğinde kilin bazen taneler arasında köprü görevi yaptığı, bezende kendi arasında
kümelendiği görülmektedir. Killerin yapılarını etkileyen en önemli unsur içerdikleri su muhtevalarıdır. Su-kil
karışımlarında (asıltı) tanelerin birbirleriyle ilişkileri başlıca dört şekilde tariflenmiş ve aşağıdaki
şekilde sunulmuştur. Bunlar sırasıyla;
Dağınık (disperse): kil daneleri arasında yüz-yüze dokunma yok,
Kümelenmiş (aggregated); birçok kil danesi arasında yüzey-yüzeye dokunma var,
Yumaklanmış (flocculated); kil kümeleri arasında yüz-yüze ve kenar-yüze dokunma oluşmuş,
Ayrık (defloculated); taneler kümelenmiş, ancak kümeler arasında bağ yok.
1. Dağınık (Dispers)
2. Kümelenmiş (aggregate)
3. Yumaklanmış (flocculated)
4. Ayrık (defloculated)
Su-kil karışımında gözlenen doku çeşitleri

21. Ancak zemin içerisindeki su miktarı asıntı oluşturacak düzeyden daha az olduğu ve granüler malzemenin
(silt, kum, vs.) olduğu durumlarda tane dizilimleri yukardaki tanımlanan modelden farklı olmaktadır.
Aşağıdaki şekilde temel partikül dizilimleri şematik olarak görülmektedir.
Kilde bireysel dane gruplanmaları
Kum ve silt te bireysel dane gruplanmaları
Kil grupları dizilimi
Tam belirlenmemiş dizilim
Kille kaplanmış silt ve kum dizilimi
Temel partikül dizilimlerinin şematik görünüşü (a) Bireysel kil levhacığı etkileşimi, (b) Bireysel silt ve kum
partikülü etkileşimi, (c) Kil levhacıklarının grup etkileşimi, (d) Kaplanmış silt veya kum partikülü etkileşimi,
(e) Kısmen fark edilebilir partikül etkileşimi

22. Doğada çoğu zaman saf killer çok nadir olarak bulunurlar. Yaygın olarak saf killer farklı granülometrik
dağılıma sahip daneler (silt, kum, çakıl) arasında bağlayıcı görevi üstlenmektedir. Bu tür karışımlardan
oluşan zeminlerin dane dizilimleri aşağıdaki şekilde görülmektedir.
Düzensiz
kümelenmeler
Kil birleştiriciler
Düzenli
kümelenmeler
Örgülenmiş
kümelenmeler
Killi zeminde
matris
Daneli zemin
matrisi
Tane dizilimlerinin oluşması

23. 4. KİLLER VE MİNERALOJİSİ
Kil Nedir; Kil hidratlı alüminyum ve magnezyum silikatlardan oluşan doğal bir ikincil mineraldir. Dane
boyutu 2 mikron yada daha küçüktür ve aynı boyuttaki başka minerallerden farklı olarak su ile
karıştırıldığında çamur oluşturur. Hamur halinde şekil verilebilecek kadar plastisiteye sahipken,
pişirildiğinde büyük dayanım artışları gösteren bir katıya dönüşür. Islatıldığında genellikle hacim artışı
gösterir, kurutulduğunda ise hacmi azalır ve çoğunlukla çatlar. Killer sadece zemin mekaniği ile ilgilenen
bilim dalın değil aynı zamanda tarım, ormancılık, seramik endüstrisi ve tıpta da önemli bir endüstriyel
gereçtir.
Killer birçok durumda jeoteknik uygulamalarda kullanılmaktadır. Dolgu barajları ve atık depolarının
geçirimsizliğinin sağlanması, göletlerin su tutması için ve kazıldığında kendini tutamayan zeminlere
pelteleşebilir bulamaç halinde etkin destek sağlamak amacıyla kullanılır. İri malzemeli zeminlere küçük
oranda katıldığında bağlayıcı görevi yaparlar. Ancak kilin ortamda varlığı önemli mühendislik sorunları
oluşturduğu için istenmeyen bir malzemedir.
Kolloid Nedir; Eşdeğer tane çapı 2 mikron veya daha küçükse bu taneler için kil adı kullanılmaktadır. Tane
boyutu 50-2000 A ünitesi ise bu eşdeğer küre çapına Kolloid denilmektedir.
4.1. KİL MİNERALLERİNİN OLUŞUMU
Kil mineralleri kayaçları oluşturan birincil minerallerin özellikle silika grubu minerallerin ayrışmasıyla,
çözeltilerin kristalleşmesiyle, bu minerallerin hidrotermal ortamda değişimi, diyajenezi ve yeniden
yapılanmasıyla bulundukları ortamda yada taşınıp çökelmek koşuluyla doğal olarak farklı ortamlarda
oluşurlar. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte yapay olarak laboratuar koşullarında da kil mineralleri
oluşturulmaktadır.

24. 4.2. KİL MİNERALLERİNİN SINIFLANDIRILMASI
Kil mineralleri öylesine karmaşık bir kristal yapısı gösterirler ki günümüze kadar üzerinde tam anlaşma
sağlanan bir sınıflandırma sistemi geliştirilememiştir. Killerin sınıflandırılmasında aşağıdaki üç etken rol
oynamaktadır;
Bir hücre veya tabakanın kalınlığı,
Tabakanın di- veya tri-oktahedral özelliği,
Tabakaların diziliş ve diziliş düzeni.
Tüm kil mineralleri iki, üç veya dört tabakalı kristallerden oluşmuştur. Bu tabakalar arasındaki zayıf
bağların varlığı su ve diğer iyonların buralara yerleşmesine izin vermektedir. Genel olarak kil grupları;
1- Kaolinit - Serpantin Grubu,
2- Profillit - Talk Grubu,
3- Smektit Grubu,
4- Vermikülit Grubu,
5- Mika Grubu (illit),
6- Gevrek Mika Grubu,
7- Klorit Grubu,
8- Karışık Tabakalı Killerdir.
Kil türleri grafik halinde aşağıda sunulmuştur (Şekil x).

25. Doğada yaygın olarak bulunan kil türleri

26. Aynı gruba ait kil minerallerinin birbirine benzer mühendislik özellikleri gösterdikleri görülmüştür.
Bundan dolayı killerin kristal yapılarının saptanması mühendislik amaçları için killerin davranışını tahmin
etmek bakımından son derece yararlıdır. Doğada en yaygın kil grupları ise kaolen grubu, illit grubu ve
smektit grubu ve klorit grubu killerdir.
Killerin mühendislik davranışına kabaca bakıldığında hacim değişimi (şişme-büzülme) bakımından
smektit grubu killer çok aktif, kaolen grubu killer ise oldukça pasiftir. İllit grubuna ait killerin su
aldıklarındaki hacim değişikliği davranışı ise smektit ve kaolen grubu killerin arasında yer alır.
Kaolen, illit, smektit ve klorit grubu killerin yapısı ise aşağıdaki şekillerde gösterilmektedir.
Smektit grubu killerin yapıları Kaolen grubu killerin yapıları

27. Mika grubu killerin yapıları Klorit grubu killerin yapıları
Kil minerallerinin taramalı elektron mikroskoptaki görüntüsü aşağıdaki fotoğrafta verilmiştir.

28. 5. JEOTEKNİK UYGULAMALARDA KARŞILAŞILAN ZEMİN PROBLEMLER
 Jeoteknik uygulamalarda, her projede zeminlerle ilgili bazı problemler karşımıza çıkmaktadır.
 Yeterli bilgi ve tecrübe birikimine sahip olmayan mühendisler için bu problemler birçok durumda
karmaşık ve şaşırtıcı bir görünüm arz etmektedir
 Bu bölümde, sık sık karşımıza çıkan bazı zemin problemlerine ait örnekler görüntülü olarak verilecek
ve bu problemlerle ilgili önemli noktalara işaret edilecektir.
 Bundan sonraki bölümlerde zeminlerin başlıca özellikleri ve mühendislik davranışları incelenecektir.
 Uygulamada karşımıza çıkan problemler için yeterli çözümlerin geliştirilmesi ancak zeminlerin
davranışını iyi kavramak ile mümkün olmaktadır.
 Zeminler ile ilgili başlıca inşaat mühendisliği problemleri aşağıda özetlenmiştir.
5.1. TEMELLERİN DEFORMASYON PROBLEMLERİ
Oturma (Konsolidasyon) Problemleri
Bütün Mühendislik yapıları (binalar, köprüler, karayolları, barajlar, vb.) zemin veya kaya tabakları üzerine
oturtulmaktadır. Yapıların kendi ağırlıklarından ve hareketli yüklerden kaynaklanan yüklerin tabii zemin
veya kaya tabakasına aktarılmasını sağlayan sistemlere genel olarak temel adı verilmektedir. Yapı
temellerinin zemin tabakaları üstüne oturtulması durumunda zeminin gerilme artışına bağlı olarak
oturması (tanelerin birbirine yaklaşması, boşluk suyunun tahliye olması vs.,) kaçınılmazdır. Bu oturmalar
yapı üzerinde çok zararlı etkiler yapabilmektedir. Ayrıca tabii zeminler çok heterojen yapılara sahip
oldukları için özellikle yapının değişik noktaları arasında farklı oturmalar meydana gelmesi üst yapı
üzerinde istenmeyen durumların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Problemin tasarım aşamasında göz
önüne alınmasını zorlaştıran husus zemindeki oturmaların çok uzun süre devam etmesidir. Dolayısıyla
tasarım aşamasında üst yapıdan gelecek yükün iyi hesaplanması yapıların güvenliği açısından oldukça
önemlidir.

29. Konsolidasyon oturma olayının şematik gösterimi Farklı oturmanın şematik gösterimi
Zeminlerde gözlenen farklı oturmanın görüntüsü

30. Zeminlerde gözlenen normal ve farklı oturmaların görüntüsü

31. Şişme (Kabarma) Problemleri
Zeminler sahip oldukları kimyasal özelliklere bağlı olarak bazen suyla etkileşimlerinde anormal hacimsel
değişme davranışı gösterebilirler. Kil içeren zeminlerde rastlanan bir deformasyon problemidir. Bu
değişiklik zemini oluşturan killerin türüyle ilgilidir, özellikle suya karşı hassasiyeti olan smektit grubu
killerde bu probleme oldukça sık rastlanmaktadır. Projenin büyüklüğüne, önemine bağlı olarak şişme
özellikleri belirlenen killer gerekli görüldüğü durumlarda sıyrılarak yapı temellerinde kullanılmazlar, yada
farklı stabilizasyon teknikleri kullanılarak şişme özellikleri yapıya zarar vermeyecek düzeye getirilirler.
Aşağıdaki fotoğraflarda zemin şişmesinin neden olduğu bazı görüntüler sunulmuştur.
Zeminlerde gözlenen şişme kabarma ve yapılara verdiği zararın şematik gösterimi

32. Zeminlerde gözlenen şişme kabarma ve yapılara verdiği hasarların gösterimi

33. Zeminlerde gözlenen şişme kabarma ve yapılara verdiği hasarların gösterimi

34. 5.2. Yenilme Problemleri
Bütün mühendislik yapıları (binalar, köprüler, karayolları, barajlar vs.,) zemin veya kaya tabakaları üzerine
oturtulmaktadır. Yapıların kendi ağırlıklarından ve hareketli yüklerden kaynaklanan yüklerin doğal zemin
ve kaya tabakalarına aktarılmasını sağlayan sistemlere genel olarak temel adı verilir. Yapı temellerinin
zemin tabakaları üstüne veya içine oturtulması durumunda, yapıdan aktarılacak yükler altında zemin
mukavemetinin aşılması durumunda göçme meydana gelmesi ve üst yapının güvenliğinin toptan
tehlikeye girmesi söz konusu olmaktadır. İyi tasarlanmış bir temel sisteminin üst yapıdan gelen yükleri
temel altı zemin tabakalarında göçme (yenilme) olmayacak şekilde aktarması gerekmektedir. Zemin
yüzeyine yakın tabakaların yeterli sıkışma ve mukavemet özelliklerine sahip olmaması durumunda ise,
yapı yüklerinin yapı yüklerinin daha derinlerdeki sağlam zemin veya kaya tabakalarına aktarılması, yani
derin temel sistemlerinin (kazıklı temeller gibi) uygulaması yoluna başvurulması gerekmektedir. Bir çok
inşaat projesinde uygulanacak temel sistemi ve temel altı zemin tabakalarının beklenebilecek davranış
biçimi projenin yapılabilirliğini etkileyecek boyutlara ulaşabilmektedir.
Zeminlerde yenilme problemleri genel olarak üç grupta toplanabilir. Bunlar;
1. Temel zemin göçmesi,
2. Şev kayması,
3. Dayanma duvarı (istinat) göçmesi biçiminde karşımıza çıkar.
Temel Zemini Göçmesi Problemleri
Zeminler üzerlerine gelen mühendislik yapılarının neden olduğu temel yüklerini taşıyamadığı durumlarda
yenilirler ve mühendislik yapıları ya kısman yada tamamen zarar görür. Ayrıca yapımı tamamlanmış
mühendislik yapıları ikincil etkilere ( deprem, patlatma sarsıntıları vs.,) bağlı olarak taşıma gücünü
yitirirler ve bunlara bağlı olarak temel zemini göçmeleri gözlenebilir. Aşağıdaki şekillerde temel zeminin
göçmesinin etkileri görülmektedir.

35. Temel zemininin göçmesinin şematik gösterimi
Temel zeminin göçmesi sonucu hasar gören binaların görüntüsü

36. Kazı ve Şevlerin Kayması Problemleri
Zemin yüzeyinin eğik olması durumunda, şev açısı ve yüksekliğe bağlı olarak, zemin kütlelerinin
yerçekimi kuvveti etkisi altında kayması tehlikesi mevcuttur. Tabii şevlerde, kazı kenarlarında ve dolgu
şevlerinde kaymaların meydana gelmesinin önlenmesi mühendislerin en karmaşık ve zor
problemlerinden birini oluşturmaktadır. Kazı ve dolgularda güvenli şev açısının ve yüksekliğinin
seçilebilmesi ve tabii şevlerin kaymaya karşı güvenlik katsayılarının belirlenebilmesi için zeminlerin kısa
ve uzun süreli kayma mukavemetlerinin ve muhtemel kayma yüzeyinin saptanması gerekli olmaktadır.
Aşağıdaki şekillerde doğal şev kaymasının şematik ve fotoğrafları sunulmuştur.
Doğal şev kaymasının (Heyelan) şematik gösterimi

37. Doğal şev kaymasının görüntüsü Yapay şevin (yol yarması) görüntüsü
İstinat Yapılarında Gözlenen Problemler
Kazı ve dolgu şevlerin uzun süre tutunabilmesi için zemin kütlesinin önüne bir istinat yapısının
yerleştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca bazı durumlarda tabii şevlerin önünde ve liman yapılarında istinat
yapıları kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan istinat yapıları arasında (kagir ve betonarme),
palplanşlar, yerinde dökme kazıklar sayılabilir. Bu yapıların tasarımı için yapı arkasındaki zemin
kütlesinden gelecek basınçların ve kazı tabanı seviyesi altındaki zeminlerin mukavemet ve sıkışabilirlik
özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. İstinat yapısının güvenliği (ve dolayısıyla arkasındaki zemin
kitlesiyle üzerinde yer alan yapıların güvenliği) zemin özelliklerinin sağlıklı olarak saptanması durumunda
saptanabilmektedir. Aşağıdaki şekillerde istinat yapılarının şematik görünümü ve iyi tasarlanmamış
istinat yapılarında gözlenen yenilmeler görülmektedir.

38. İstinat yapılarının türleri a. Ağırlık duvarları, b. Kazık duvarlar, c. Konsol duvarı d. Ankraj Duvarı
Yapay şevlerin ve istinat yapıların kaymasının görüntüsü

39. Yapay şevlerin ve istinat yapıların kaymasının görüntüsü

40. 5.3. Zeminlerin İnşaat Malzemesi Olarak Kullanılması Halinde Karşılaşılan Problemler
İlk çağlardan beri insanlar binaların, ulaşım sistemlerinin, su toplama ve depolama yapılarının inşasında
zeminleri inşaat malzemesi olarak kullanmışlardır. Bugün içinde karayolları ve havaalanları kaplamaları
altında, su seddeleri ve toprak barajların inşasında birçok inşaat mühendisliği projesinde zeminler
doğrudan inşaat malzemesi olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Zeminlerin inşaat malzemesi olarak
kullanılmasında yapının amacına uygun malzemenin seçilmesi, zeminin usulüne uygun olarak
yerleştirilmesi ve sıkıştırılması gibi hususlara dikkat etmek gerekmektedir. Örneğin su tutan barajlarda
esas amaç suyun yapı arkasında depolanması olduğuna göre zeminin su geçirgenliğinin düşük olması
gerekmektedir. Diğer taraftan, yüksek barajların inşasında ekonomik kesitler elde edebilmek için
mukavemeti yüksek malzemeler kullanılması gerekmektedir. Birbiriyle çelişkili bu amaçların
sağlanabilmesi için barajın çekirdek kısmı ve şevlerin ayrı cins zeminlerden inşa edilmelidir. Gerek zemin
yapılarında gerekse, gerekse kaplama ve temel altı dolgularında zemin mukavemeti ve sıkışabilirliği
zeminin yerleşim sıkılığı ile doğrudan ilişkili olmalıdır. Dolayısıyla, toprak dolguların usulüne göre
sıkıştırılarak yerleştirilmesi ve inşaatta kullanılacak zeminlerin sıkıştırılabilme (kompaksiyon) özelliklerinin
incelenmesi gerekmektedir. Aşağıdaki görüntülerde uygun koşullarda sıkıştırılmayan zemin malzemesinin
neden olduğu sorunlar görülmektedir.
Yıkılan bazı barajlardan görüntüler

41. Yıkılan bazı barajlardan görüntüler
5.4. Yeraltı Yapılarında Karşılaşılan Problemler
Zemin tabakaları içine gömülü yapıların tasarım ve inşası için arazide zeminlerin özelliklerinin davranış
biçimlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Zeminler içinde açılan tünellerin duraylılığı ve tünel
kaplamasına gelecek toprak basınçlarının hesabı, zemin içine gömülü su boruları ve depoları gibi
yapılarına ve bodrum duvarlarına gelecek basınçların hesabı, zeminlerle ilgili problemlerden bir kısmını
oluşturmaktadır. Yer altı yapılarının tasarım hesapları sırasında zeminle ilgili özelliklerin dikkate alınması
gerekmektedir. Aşağıdaki görüntülerde zemin koşulları dikkate alınmadan yapılan yer altı yapılarının nasıl
zarar gördüğü sunulmuştur.

42. Zarar gören bazı yer altı boru hatları, tüneller vs.

43. Zarar gören tünel görüntüsü
Zarar gören boru hattının görüntüsü