Penetrometrelerde yeni geli meler

Mekanik penetrometreler halen yaygın olarak kullanılsa da, kullanım hızı ve kolaylı ı sayesinde pek çok ülke de elektrikli penetrometrelerin kullanımına geçilmektedir. ekil 2.21’de ki mekanik sürtünme konileri ile ekil 2.22’de ki elektrik sürtünme konileri arasında bir kar ıla tırma yapıldı ında, mekanik ve elektrik koni geometrilerinin önemli ölçüde farklı oldu u görülmektedir. Bu durum koni verilerinin yorumlanmasında önemli farklılıklara yol açmaktadır.

ekil 2.22. Elektrikli sürtünme penetrometreleri

Elektrikli koni verilerinin de erlendirilmesi, batırma i lemi sırasında dahi yapılabilmektedir. De erlendirme sırasında konik uç direnci ve çeper sürtünmesi

grafiklerinin çizilmesi yanında zemin türü ve zemin parametreleri hakkında bilgiler de elde edilebilmektedir. Elektrikli penetrometrelerin bu özelli i, mühendislerin daha deney sırasında saha inceleme ve in aat mühendisli i i lerinin tasarımı hakkında karar vermelerine imkân sa lamaktadır.

Elektrikli penetrometrelerin kullanımlarının kolay olması, kuvvet ölçümünün uygulama noktasına yakın yerde yapılması (sürtünme ve tij kısaltma etkilerinin olmaması) ve zeminde derinlikle sürekli bir ekilde veri sa lanması önemli avantajlar olarak görülmektedir. (Meigh, 1987) elektrikli penetrometre kullanmanın avantajlarını a a ıdaki ekilde sıralamı tır;

− Özellikle zayıf zeminlerde olmak üzere, sonuçların do ruluk derecesi ve tekrar edilebilirli i,

− nce katmanların daha iyi bir ekilde tespit edilmesi (çünkü okumalar çok daha sık aralıklarla yapılabilmektedir),

− Operasyon hızının genel anlamda yüksek olması,

− Bir dizi sensörün konik uç içine veya yukarısına yerle tirilebilesi, − Veri analizinin daha kolay olması.

Standart olarak ölçülen konik uç direncinin yanında çeper sürtünmesi ölçümleri de yaygın olarak yapılmaktadır. Ayrıca, koni imalatçısının sa ladı ı ürüne göre, a a ıdaki ölçümler de yapılabilmektedir:

− Koninin dü eyden sapmasını kontrol etmek amacıyla koni e iminin ölçümü − Bo luk basıncı ölçümü (piyezokoni ile yapılır),

− Zemin özdirenci ölçümü (örnek olarak; kirlenme ara tırmalarında kullanılmaktadır),

− Yer titre iminin ölçümü (üç bile enli jeofon kullanarak yapılmaktadır) − Gama ı ını geri saçınım ölçümü (yo unluk ölçümünde kullanılmaktadır), − Basınç de erleri ölçümü (Presiyometre ile yapılmaktadır)

− Ses ölçümü (akustik penetrometre ile yapılmaktadır) (Clayton vd., 1995).

Penetrometrenin zamanla geli imini (A.P. van den Berg, 2011) tarafından ekil 2.23’te verilmi tir.

Penetrometre ölçümlerinde çok önemli bir geli me 1980’lerde konik ucun hemen arkasına bir piyezometrenin yerle tirilmesiyle olmu tur. Piyezokoni aletiyle (CPTU) zeminin kayma direnci yanında a ırı konsolidasyon oranı, sıvıla ma potansiyeli, hatta sükunette toprak basıncı katsayısı da ölçülebilmektedir. Uygulamada aletin daha etkin kullanılmasıyla ilgili ara tırmalar sürdürülmektedir. Arazi deneyleri arasında zemin parametrelerini en iyi belirleyebilecek deney konumunda oldu u dü ünülmektedir. Deney sonuçları, operatör yeterlili inden oldukça az etkilenmektedir.

(Clayton vd., 1995) bildirdi ine göre konik penetrasyon deneyi sırasında bo luk suyu basıncının ölçümü konik uç direnci ve çeper sürtünmesi kadar yaygın de ildir. Ancak, son yıllardaki geli meler; özellikle yumu ak, kohezyonlu zeminlerde bu özelli in ölçülmesinin çok önemli oldu unu ortaya koymu tur. Bu düzenekte gözenekli bir bile en ile birlikte bu bile enin arakasındaki bo lu a yerle tirilmi , elektronik bo luk basıncı ölçüm sensörü bulunmaktadır. ekil 2.24’de görüldü ü gibi, bu gözenekli elemanın üç de i ik pozisyonu söz konusudur.

Piyezokoninin ba lıca uygulama ekilleri a a ıdaki gibidir:

Profil çıkarma: Bo luk basıncı ölçüm elemanının sisteme eklenmesiyle, kohezyonlu yumu ak çökeller içindeki ince granüle katmanlar tespit edilebilir. Bu katmanlar, yumu ak kil çökelinin konsolidasyon hızı açısından çok önemlidir.

Zemin türünün belirlenmesi: A ırı bo luk suyu basıncının net konik uç direncine oranı zemin türünün belirlenmesi açısından önemli bilgiler sa lar.

Statik bo luk basıncının belirlenmesi: Granüle zeminlerde (sönümlenmenin hızlı oldu u zeminlerde) statik bo luk basıncı ölçülebilir.

Arazide konsolidasyon özelliklerinin belirlenmesi: Killerde, koniyi durdurmak ve bo luk basıncını zamanın fonksiyonu olarak ölçmek suretiyle, yatay konsolidasyon katsayısı (cv) bulunabilir (Torstensson, 1977).

Sismik ölçüm özelli i olan penetrometre tipi, son yıllarda giderek yaygınla maktadır. Jeofizik bilim dalındaki geli melerin de etkisiyle giderek daha fazla kabul gören bu koni çe idinde, sürtünme ceketinin üzerine konumlandırılmı üç bile enli jeofon bulunur. Kuyu a a ı deney yöntemiyle çok küçük birim deformasyon rijitli i de erinin ölçülmesi sismik koninin önemini artırmı tır.

Günümüzde de penetrometrelerin geli tirilmesi için tüm dünyada çalı malar sürmektedir. Bu çalı malardan ortaya çıkarılan penetrometreler zeminin farklı parametrelerini ölçmeye yaramaktadır. Geli tirilen bazı penetrometreler bölgesel kullanımla sınırlı kalmaktadır. Bazıları ise kullanım zorlu u, yüksek maliyet yada yeteri kadar tanıtılmadı ından dünyada kullanım alanı bulamamaktadır. Günümüzde geli tirilen bazı penetrometreler öyle sıralanabilir.

Vertek Görüntü Sondası: Görüntü sondası toprak altı görüntüleri sa lamak için geli tirilmi yeni ve yenilikçi zemin ara tırma aletidir. Sonda, standart koni sürme donanımı ile zemin içine itilir. Paslanmaz çelikten üretilen koni, 60 mm yarıçapında ve 1 m uzunlu undadır ( ekil 2.25).

ekil 2.25. Vertek görüntü sondası (Lankelma, 2008)

Video konisi, 1998 yılında GeoDelft tarafından geli tirilmi tir. Safir camdan kamera penceresi koninin 300 mm gerisinde yer almaktadır. nceleme camı 5x7 mm büyüklü ündedir. Camın arkasına bir ı ık kayna ı, yansıtıcı ve kamera yerle tirilmi tir (Geodelft, 2008).

Deneyi araç içinde izleyebilmek için kamera bir elektronik sinyal kablosuyla kayıt cihazına ba lanmı tır. 56 mm çapında uzatma tüpleri kullanılarak görüntü sondası zemine uygun bir hızda (saniyede 5 mm) itilir. Aynı zamanda görüntü kaydı yapılır. Do rudan görüntü almak da mümkün olmaktadır. Zemine batma sırasında, görüntü kaydedebilmek için kamera merce inden bir ı ık demeti sınır zemin yüzeyine verilir.

Görüntü: Görüntü, topra ı 752x582 piksellik çözünürlükte gösterir. Zemin tanecik ve partiküllerin mercek yüzeyinden görüntüsü iyice büyütülerek ekrana verilir. Monitörün tipine göre 100 kata kadar büyütülebilir. Bu bilgilerin gözle elde edilmesi mümkün de ildir. Örne in plak eklindeki bir mineral di erlerinden ayırt edilebilmete veya küçük tanecik ve gaz kabarcıklarını görmek mümkün olmaktadır. A a ıda ekil 2.26’da kum, kil ve kirecin ve ekil 2.27’de kaba temiz kum, kömür katran atı ı ve gazolin atı ı görüntüleri verilmektedir (Lankelma, 2008).

ekil 2.26. Görüntü sondası sensöründen alınmı görüntüler (Lankelma, 2008)

Elektrik öziletkenlik sondası: Bu yöntem, zeminin iki standart özelli i olan uç direnci ve çevre sürtünmesinin derinlikle de i imi yanında yeraltı iletkenli inin derinlikle de i imini de belirleme olana ı sa lamaktadır. Standart CPT ye benzemektedir, basit batma parametreleri (qc, fs) zemin sınıflamasını yapmaya olanak sa lamaktadır ( ekil 2.28).

Zeminde yeraltı iletkenlik ölçümü, su muhtevası ile de i en tabakaları ayırmaya, su tablası derinli i ve kılcal yükselme kalınlı ını da kapsayan zemin özelliklerini belirleme imkanı tanımaktadır (Lankelma, 2008).

Çevresel de erleri ölçüm sondası: Kirletilmi arazilerin çevresel de erler açısından ölçümünü yapmak için geli tirilmi tir. Kimyasal kirleticilerle ve petrol atıklarıyla kirlenen arazilerin incelemeleri için tasarlanmı tır ( ekil 2.29).

ekil 2.29. Çevresel de erleri ölçüm sondası (A.P. van den Berg, 2008)

Ölçüm; normalde bu sondalar piyezo uçla donatılmı tır ve bo luk suyu basıncını, çevresel sürtünmeyi ve uç direncini ölçmektedir. Sensorlar koninin içine yerle tirilmi tir ve koni ucunun az arkasına yerle tirilmi ölçüm hücresine bir yeraltı suyu örne i gösterilir. Ölçüm, yeraltı suyunda çözünen atmosfer oksijeninin etkilerini azaltmak için ölçüm nitrojen atmosferinde yapılır.

Ölçüm, kirlili in büyüklük ve çe idini belirlemeyi mümkün kılmaktadır. Böylece laboratuvar deneylerine gerek olup olmadı ına karar verilebilmektedir. Çevresel de erleri ölçüm sondası pH, redoks potansiyeli ve ısıyı ölçmektedir. (A.P. van den Berg, 2008).

Gama I ını Sondası: Gama ı ını ölçümleri, uranyum (U), toryum (Th) iz elementlerinin konsantrasyonundan kaynaklanan do al radyoaktivite de i imlerini ölçmektedir. Bu sondalar 1 inç çapından daha küçük detektörlerle donatılarak do al radyo aktiviteyi kolayca ölçecek konuma getirilmi lerdir ( ekil 2.30). Sonda zemine itilerek ölçümler alınır.

ekil 2.30. Gama ı ını sondası (Lankelma, 2008)

Killi zeminler içerdikleri bol mineraller sebebiyle do al radyoaktiviteye sahiptirler. Bu yüzden ölçümlerde zorluklar ortaya çıkmaktadır. Örnek bir deney sonucu olarak ekil 2.31’de 7 m’lik kili geçtikten sonra kum veya kireçli zemine girildi inde grafi in nasıl düzgün bir hal aldı ı görülmektedir (Lankelma, 2008).

Hidrolik konduktivite sondası: Hidrolik konduktivite bazı zemin mekani i problemlerinde önemli rol oynamaktadır. Çünkü, dü ey yer altı suyu akı ı, ço unlukla akiferlerde önemli yer tutmaktadır. Akiferlerin dü ey hidrolik konduktivitelerinin ölçümü arzulanmaktadır. GeoDelft, 10^-3 – 10^-7 m/s aralı ında permabilite ölçümü yapabilen ve derinli e kar ı dü ey konduktivite ölçüm sonucunu verebilen bir sonda geli tirmi tir. 36 mm çapındaki sonda zemine CPT düzene i ile en fazla 30 m derinli e kadar itilmektedir. Dü ey hidrolik kondüktivite ölçümü dü ey derinli in fonksiyonu olarak yapılmaktadır (Geodelft, 2008).

Hidrokarbon Sondası: Sıvı fazında olmayan likitlerin toprak olmayan ortamda incelenmesi için geli tirilmi bir konik penetrasyon deneyi (CPT) dir ( ekil 2.32).

Kimyasal bitkiler altında, rafineri ve petrol istasyonlarında sıklıkla hidrokarbona toprak olmadan (küçük parçalar ve yüzen tabakalar dı ında) rastlanabilinmektedir. Bu yapıyı dikkatli incelemek gerekmektedir. Hidrokarbon sondası derine do ru sürekli incelemektedir, arazide, zemin içinde hidrokarbon malzemelerden ne kadar bulundu unu belirlemektedir.

Saf bir malzeme olarak hidrokarbonların incelenmesi kolaydır çünkü, aromatik katkılı saf hidrokarbon karı ımları ultraviyole (UV) ı ınlarıyla aydınlatıldıklarında florasan özelli i göstermektedirler.

Hidrokarbon sondası konik penetrometre deneyi (CPT) sondasına benzemektedir. Ancak sistemi olabildi ince ara tırabilecek bir ı ık kayna ı içermektedir. Toplam 55 mm çapındadır. Batma sırasında pencere arkasından UV ı ık kayna ı ile aydınlatılan zeminden ölçümler alınmaktadır. I ık kayna ının hidrokarbonlarda olu turdu u florasan etkisi sondadaki bir kayıt cihazıyla alınmaktadır ( ekil 2.33) (Lankelma, 2008).

Manyetometre sondası: Yeni yapıla ma alanlarının açılması ya da eskilerinin de i tirilmesi durumunda arazide eski bombaların var olup olmadı ının incelenmesi i inde gerekli olabilmektedir. Ara tırma derinli inin yumu ak zeminlerde daha fazla olması gerekmektedir; çünkü bombalar turba gibi yumu ak zeminlerde Londra kili gibi katı zeminlere göre daha derine gömülmektedir.

Manyetometre sondası zemine hidrolik olarak bastırılmaktadır. Manyetometre sürekli zemindeki manyetik alanı okumaktadır ( ekil 2.34). Bomba, boru, tank gibi metal malzemeler manyetometrenin verilerinde anomali olu turmaktadır. Sezyum buharlı manyetometrenin 500 kg bomba gibi cisimler için 2 m ara tırma geni li i vardır (Zetica, 2008).

Sismik sonda: Sismik sonda zeminin küçük kayma gerilmesi modülünü ölçmektedir ( ekil 2.35). Sondanın 10 cm² ve 15 cm² çaplı olanları mevcuttur. Piyzometrik sondanın ekipmanlarını da içermektedir. Sonda zeminin geoteknik parametresi olan q_c, f_s ve yüzeyden olu turulan sismik P ve S dalgası etkilerini ölçmektedir (gctscanada, 2008).

ekil 2.35. Sismik sonda deneyi (gctscanada, 2008)

Sonik sonda: Zemin etüt firması Lankelma ve Zetica CPT için yeni bir araç geli tirmi tir. Bu sonik sonda yüzey kayna ına gerek kalmadan zeminin sismik özelliklerini belirlemektedir. Alet akustik hız ölçen bir cihaz içermektedir.

Akustik hız ölçücü bir vurunun mekanik enerjisini ya da bir ses kayna ının akustik frekansını algılamaktadır. Ses kayna ı olu turmak için bir ses üretici cihazla birlikte a a ı indirilmektedir.

Nem sondası: Nem sondası (soil moisture probe SMP) elektrikli sondanın arkasına zeminin nemini ve geoteknik özelliklerini birlikte ölçmeye izin veren aletlerin eklenmesiyle geli tirilmi tir ( ekil 2.36).

ekil 2.36. Nem sondası (Lankelma, 2008)

Alet halka eklinde ve iyi izoleedilmi iki elektrodun sisteme entegre edilmesiyle olu turulmu tur. Sistem ölçümleri, elektrik karı ıklı ı olmadan, e zamanlı yapabilmektedir ( ekil 2.37) (Lankelma, 2008).

Kanatlı sonda: Konik bir sondanın biraz arkasına kanatlar eklenerek yeni bir penetrometre geli tirilmi tir. Deneyin prensibi, birbirine eklenen tijlerin ucuna takılan koninin, konvoy eklinde zemine itilmesi ve itme ya da halatla çekilmesi sırasında itme yada çekme kuvvetinin ölçülmesi esasına dayanır ( ekil 2.38).

tilen kanatlı sonda: Tijlerin ucuna takılan koninin konvoy eklinde zemine itilmesi ve itme kuvvetinin ölçülmesi esasına göre kullanılır ( ekil 2.39). Grup ekleriyle sürülen konvoyun içinde herhangi bir noktada ölçüm yapılabilir. Bu yöntem çapları iyi seçilmi tijlerin ucuna takılan koninin konvoy eklinde zemine itilmesi sırasında itme kuvvetinin ölçülmesi esasına dayanır. Grup ekleriyle sürülen konvoyun içinde herhangi bir noktada ölçüm yapılabilir. En büyük avantajı kablo gerektirmedi inden her ortamda kullanılabilmesidir. Dezavantajı ise dü ey gidip gitmedi inin anla ılamamasıdır (Lankelma, 2008).

ekil 2.39. tilen kanatlı sonda (Lankelma, 2008)

Çekilen kanatlı sonda: Bu yöntemle bir sonda takım ucunda zemine itilir. Bir halat, takım merkezinin yukarısına gelen sondaya ve bir CPT donanımı ahmerdanına eklenir. Takım çekilirken kabloyu çekmek için gerekli güç kaydedilir ( ekil 2.40). Takıma eklenerek kullanılması avantajı, rastgele takıma eklenememesi ve halatın CPT donanım ahmerdanına sıkı abilmesi dezavantajıdır (Lankelma, 2008).

T-çubu u sondası: Yumu ak zeminlerde drenajsız kayma direncini c_u, elektrik sondasını ve elektrikli sonda dataları için hazırlanmı korelasyonları kullanarak do ru belirleyebilmek zordur. Bu belirsizliklerden dolayı; yeni ve tuhaf bir T-Çubuk sondası geli tirilmi tir ( ekil 2.41).

T-bar penetrometre ilk olarak santrifüj modeli testlerinde güç profil do rulu unu artırmak için Stewart ve Randolph tarafından 1991 ve 1994 yıllarında Batı Avustralya Üniversitesinde tanıtılmı tır. T-çubu u sondası, 250 mm uzunlu unda ve 40 mm çapında bir çubu un tijlere dik ba lanması ve hemen üzerine bir yük hücresi eklenmesiyle yapılmı tır. Cihaz bo luk suyu basıncını ölçmek için de donatılabilmektedir. T-çubuk sondasının iki avantajı vardır;

1) Yük hücresi, örtü basıncı ve ortamın gözenek suyu basıncı için herhangi bir düzeltme yapılması gerekmeden, zemin direncinden kaynaklanan toplam kuvveti ölçebilmektedir.

2) T-çubu undaki net basınç ile zeminin kayma direnci arasındaki korelasyonu %10 hatayla verebilmektedir (Lankelma, 2008).

ekil 2.42 Konik penetrometre ve sürekli itilen problar (Boylan ve Long, 2007)