KİL ZEMİNLERİN DİSPERSİBİLİTE ÖZELLİĞİNİN İSTATİSTİKSEL YÖNTEMLE İNCELENMESİ
İsmail ZORLUER*, Hasan TOSUN **
*Yrd.Doç.Dr. Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. ANS kampüsü AFYON, izorluer@aku.edu.tr
**Prof. Dr. Osmangazi Üni. Müh. Mim. Fak. İnşaat Müh. Böl. Batı Meşelik ESKİŞEHİR, htosun@ogu.edu.tr
GİRİŞ
Su içinde kendiliğinden dağılma eğilimi gösteren bazı zeminler, erozyon ve borulanma açısından “şüpheli zeminler” olarak değerlendirilir. Bu zeminler, zemin mekaniği biliminde
“dispersif kil veya dispersif zemin” olarak bilinirler. Yapısal olarak stabil olmayan bu zeminler kolayca dağılabilir ve yüksek derecede erozyona uğrayabilir. Dispersif kil zeminlerin su yapıları, dolgu barajlar ve yol dolguları yapımında kullanımı söz konusu ise, iyi tanımlanmalı ve uygun teknikler ile yapım gerçekleştirilmelidir. Aksi durumda, sonu göçmelere kadar giden ciddi mühendislik problemleri ile karşı karşıya kalınmaktadır. Kilin dispersibilite özelliğinden kaynaklanan erozyon; kilin minerolojisi, kimyasal yapısı ile zemin boşluklarındaki ve erozyona neden olan suyun içindeki çözünmüş tuz muhtevasının niteliğine ve miktarına bağlıdır.
Dispersif kil ifadesinin ilk olarak ortaya atılması, bundan yüz yıl kadar öncelerde olmasına rağmen, 50-60 yıl öncesine kadar zemin araştırmacıları ve ziraat mühendisleri tarafından bu killerin temel yapısı yeterince anlaşılmış değildi. Ancak dispersif kil konusunun inşaat mühendisliği pratiğinde tanımlanması, 1960’lı yılların başlarında olmuştur. Avustralya’da killerin dispersif özelliğinden kaynaklanan toprak barajlardaki borulanma göçmelerinde yapılan araştırmalar sonucunda, konu açık olarak ortaya konulmuştur. Sonraki yıllarda dispersif killer, toprak dolgu barajlar açısından daha detaylı incelenmiş ve konu ile ilgili olarak kilin bu özelliğinin belirlenmesi doğrultusunda nitel ve nicel sonuçlar veren deneysel yöntemler geliştirilmiştir(1).
Dispersif kil zeminler, bilinen zemin mekaniği deneyleriyle dispersif olmayan zeminlerden ayrılamazlar. Dispersif zeminleri tanımlamak için birçok deney yöntemi geliştirilmiştir ve tanımlamada sadece bir deney sonucuyla yetinilmesi güvenilir değildir.
Daha önce yapılan çalışmalarda da dağılma ve iğne deliği deneylerinin, aynı zemin numunelerinde sonuçların birbirleriyle uyuşmadığı gösterilmiştir. Bu nedenle her numunede, yapılan farklı deneylerin sonuçları birlikte değerlendirilerek dispersibilite derecesi belirlenir.
Farklı zeminler arasında çeşitli deneyler için floküle ve defloküle yapı arasındaki sınır çok değişkendir, çünkü dispersif ve dispersif olmayan zeminler arasındaki geçiş bölgesi büyüktür. Dispersif ve dispersif olmayan zeminler arasındaki sınırın açık tarifi yoktur. Bu nedenle, en azından numunelerin belirli bir kısmında, farklı deney yöntemlerini uygulamak mantıklıdır(2).
Dispersif zeminleri bütünüyle tanımlayabilen güvenilir tek bir deney geliştirilememiştir. Güvenilir bir tanımlama için birden fazla deney sonucuna göre değerlendirme yapılarak, dispersibilite derecesi hakkında sonuca ulaşılır. İlk olarak Craft (1986) tarafından önerilen, diskriminant analizi, zemin dispersibilitesinin belirlenmesinde kullanılmıştır. Çalışmada, 31 ayrı numunenin farklı deneylerden elde edilen sonuçlarına göre dispersibilite özellikleri diskriminant analizine göre değerlendirilmiştir. Değerlendirme sonucuna göre numunelerin dispersibilite açısından daha güvenilir sonuçları elde edilmiştir.
YÖNTEM
Dispersif zeminleri tanımlamak için geliştirilen deneyler; kimyasal deneyler, dağılma deneyi, çifte hidrometri deneyi (SCS deneyi) ve iğne deliği deneyi olmak üzere dört grupta değerlendirilir. Bu deney yöntemleri aşağıda değerlendirilmektedir. Ayrıca son zamanlarda elektron mikroskop (SEM) ile yapılan tarama sonuçları da dispersif killerin tanımlanmasına yardımcı yöntem olarak değerlendirilmektedir.
Diskriminant analizinde değişken sayısının etkisi topluca değerlendirilebilir.
Diskriminant analizi için veriler en az iki ayrı grupta ve nümerik olmalı ve grupların kendine özgü karakteristikleri bulunmalıdır. Bu nedenle farklı dispersibilite deneylerinden elde edilen veriler diskriminant analizine çok uygundur. Yöntem, veri takımı değişkenlerinden iki fonksiyon üretir ve veriyi gruplara ayırır. Ayrıca, dispersif zeminleri daha doğru tanımlamak için, daha çok deney verisinin değerlendirilmesi gerektiği görüşüne uygundur (4).
Bu analizin kullanımını esas alan veriler; iğne deliği deney sonuçları, dağılma deney sonuçları, SAR değeri, CEC-ESP değerlendirme sonuçları ile TDS-Na (%) değerlendirme sonuçlarını ihtiva etmektedir. Bu değerlendirme; fiziksel ve kimyasal faktörlerin ikisini ve dispersibilitenin bazı durumlarını dikkate alır. İğne deliği deneyi, su akımıyla zeminin aşınma eğilimini gösterirken, dağılma deneyi su bulunduğu durumda zeminin defloküle eğilimini gösterir.
Gerber - Harmse dispersibilite kartı, mevcut kil mineralinin tipini yansıtan CEC ile ESP’nin etkilerini birleştirir. Doygun ekstrakt katyonları, SAR değeri ve Sherard dispersibilite kartından elde edilen değerlendirmeyle gösterilir. TDS; zeminde var olan tuz miktarının göstergesidir ve floküle yada dispers durumda olan zeminlerin belirlenmesinde önemlidir. Bu deney sonuçlarının yöntemde veri olarak değerlendirmeye alınmasının nedeni, dispersibilite ile ilgili bir çok faktörün etkisinin dikkate alınmış olmasındandır. Değerlendirmeye alınan deneylerin puanlanması çizelge 1’de sunulmuştur.
Her deneyin dispersibilite derecesine göre verilen puanların toplamı, analizde dispersibilitenin belirlenmesinde kullanılır. Her numune için elde edilen toplam puan, 12 ve daha yüksek ise “yüksek dispersif”, 8-11 arasında puan “orta derecede dispersif”, 5-7 arasında puan “az derecede dispersif” ve 4 yada 4’ten küçük toplam puan “dispersif olmayan zemin”
sınıflandırmasına girer.
Çizelge 1 Dispersif Zeminlerin Tanımlanması İçin Sınıflandırma Sistemi İğne deliği
deneyi
Sınıf Puan
Dispersif 5
Orta 3
Hafif 1
Dispers değil 0 CEC – ESP Sınıf
Puan
Yüksek dispers 4
Dispersif 3
Marjinal 1
Dispers değil 0 Dağılma
deneyi
Sınıf Puan
Çok reaksiyon 3
Orta reaksi.
2
Az reaksiyon 1
Reaksi. yok 0
SAR Sınıf
Puan
2 <
2
1.5 – 2 1
1.5 >
12 TDS - % Na Sınıf
Puan
Dispersif 2
Geçiş 1
Dispers değil 0 Değerlendirme
Toplam Puan
Yüksek dispers 12 ≤
Orta dispers 8 - 11
Az dispers 5 – 7
Dispers değil
≤ 4
DENEYSEL ÇALIŞMA
Çalışmamızda ilk olarak, Afyon, Bilecik, Eskişehir ve Kütahya il sınırlarında bulunan 12 ayrı baraj yerinde incelenmiş ve bu barajların malzeme ocaklarından numune alınmıştır.
Araziden alınan 31 numune üzerinde öncelikle tanımlama deneyleri gerçekleştirilmiş ve sonra dispersibilite deneyleri yapılmıştır. Doygun ekstrakttan alınan numunede kimyasal deneyler yapılırken, fiziksel deneyler olarak dağılma ve çifte hidrometri deneyleri ile iğne deliği deneyi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deney sonuçları dispersibilite açısından değerlendirilmiş ve diskriminant analizi uygulanarak sınıflandırmaya tabi tutulmuştur.
Bu sınıflandırma sisteminde numunelerin deney sonuçlarına göre aldıkları dispersibilite puanları ve bunların toplanması ile elde edilen puan Çizelge 2’de özetlenmiştir.
Numunelerin aldıkları toplam puanlar, dispersibilite derecelerini ifade eden 4 gruptan hangisine ait olduğunu belirlemede kullanılmaktadır. Bu gruplandırmayı temel alan dispersibilite sınıflandırmasına göre; numunelerden 25 tanesi “dispersif değil” sınıfına karşılık gelen 1. grupta olduğu görülmektedir. 1 numune “az derecede dispersif” sınıfı olan 2.
grupta, 4 numune “orta derecede dispersif” sınıfı olan 3. grupta ve kalan 1 numunenin ise
“yüksek derecede dispersif” sınıfı olan 4. grupta yer aldıkları görülmektedir.
Çizelge 2 Sınıflandırma sisteminde numunelerin deneylere göre değerlendirmeleri ve gruplandırma sonuçları
Numune
No Numune Adı İğne Deliği
Deneyi CEC-ESP SAR TDS-Na
(%) Dağılma Toplam Puan(*)
1 Serban Brj ND2 ( 0) M (1) 0,83 (0) B (0) K1 (0) 1 2 Akdeğirmen Brj ND1 (0) ND (0) 0,48 (0) B (0) K1 (0) 0 3 Akdeğirmen Brj ND2 (0) ND (0) 0,49 (0) B (0) K1 (0) 0 4 Karacaoren Glt ND3 (1) M (1) 1.48 (0) B (0) K2 (1) 3 5 Karacaoren Glt ND1 (0) M (1) 0.63 (0) B (0) K1 (0) 1 6 Tinaztepe Glt D2 (3) M (1) 0.54 (0) B (0) K3 (2) 6 7 Taşoluk Glt ND4 (1) M (1) 0.90 (0) B (0) K3 (2) 4 8 Kırka Glt ND3 (1) D (3) 3.14 (2) C (1) K2 (1) 8 9 A. Kuzfındık Brj ND1 (0) ND (0) 0.92 (0) B (0) K1 (0) 0 10 A. Kuzfındık Brj SP (0) ND 0) 0.49 (0) B (0) K1 (0) 0 11 A. Kuzfindık Brj ND2 (0) ND (0) 0.54 (0) B (0) K1 (0) 0 12 A. Kuzfındık Brj - ND (0) 0.61 (0) B (0) — 0 13 A. Kuzfındık Brj ND1 (0) ND (0) 0.35 (0) B (0) K2 (1) 1 14 A. Kuzfındık Brj ND1SP(0) ND (0) 0.37 (0) B (0) K2 (1) 1 15 Kızıldamlar Brj ND1SP(0) D (3) 1.32 (0) B (0) K2 (1) 4 16 Kızıldamlar Brj ND1 (0) M (1) 1.04 (0) B (0) K2 (1) 2 17 Kızıldamlar Brj ND1SP (0) H (4) 3.11 (2) C (1) K3 (2) 9 18 Kızıldamlar Brj ND1 (0) ND (0) 0.63 (0) B (0) K2 (1) 1 19 Kurtkoy Brj ND2 (0) ND (0) 0.76 (0) B (0) K1 (0) 0 20 Hasanlar Brj ND1SP (0) M (1) 0.86 (0) B (0) K2 (1) 2 21 Hasanlar Brj SP (0) ND (0) 0.56 (0) B (0) K1 (0) 0 22 Gürsöğüt Brj SP (0) ND (0) 0.29 (0) B (0) K1 (0) 0 23 Gürsöğüt Brj ND (0) ND (0) 0.30 (0) B (0) K1 (0) 0 24 Gürsöğüt Brj ND (0) ND (0) 0.38 (0) B (0) K1 (0) 0 25 Gürsöğüt Brj ND1 (0) ND (0) 0.33 (0) B (0) K1 (0) 0 26 Gürsöğüt Brj ND1 (0) ND (0) 0.42 (0) B (0) K1 (0) 0 27 Gürsöğüt Brj ND1 (0) ND (0) 0.51 (0) B (0) K1 (0) 0 28 Afyon Atık Brj. D1 (5) HD (4) 58.42 (2) A (2) K3 (2) 15 29 Afyon Atık Brj. ND3 (1) D (3) 14.07 (2) A (2) K1 (0) 8 30 Afyon Atık Brj. D1 (5) D (3) 10.92 (2) C (1) K1 (0) 11 31 Afyon Atık Brj. ND4 (0) M (1) 4.92 (2) C (1) K1 (0) 4
(*) : Numunelerin aldıkları toplam puanlardır.
( Parantez içindeki değerler numunelerin ilgili deneyden aldıkları puanlarıdır.)
Diskriminant analizi; bir sınıflandırma yöntemi değil, belirlenen 5 dispersibilite deney yöntemi sonuçlarını birlikte dikkate alarak sınıflandıran bir değerlendirme sistemidir. Yapılan sınıflandırmanın doğruluğunu kontrol etmekte kullanılır. Bu amaçla, 5 ayrı deney grubundan elde edilen veriler, önce fiziksel ve kimyasal olarak iki grupta toplanmış ve bu iki grubun puanları belirlenmiştir. Bu puanlara bilgisayarda istatistik programı (SPSS) ile diskriminant analizi uygulanmıştır. Analizin uygulanmasından elde edilen sonuçlar ile puanlama sonunda elde edilen sonuçlar arasında % 96.77’lik bir benzerlik görülmüştür. Yüksek oranda elde edilen benzerlik, gruplandırmanın doğru olduğunu ifade etmesi bakımından önemlidir.
Numunelerin yapılan analiz sonucu gruplara dağılımını şekil 1’de gösterilmektedir.
Grafikte, her grup farklı şekille belirtilirken, grup merkezleri grup numarası ile birlikte “x”
işaretiyle gösterilmektedir. Grup merkezlerinin grafikteki yeri, her gruptaki numunelere ait fonksiyon değerlerinin aritmetik ortalamalarının alınmasıyla belirlenmektedir. Grafiğin eksenlerini oluşturan diskriminant fonksiyonları matematiksel ifade olarak F1 ve F2
denklemleriyle gösterilmiştir.
Diskriminant Fonksiyonu 1 8 6 4 2 0 -2 -4
Diskriminant Fonksiyonu 2
8
6
4
2
0
-2
-4
Grup Merkezleri 4.Gr (Çok Dispers) 3.Gr (Orta Dispers) 2.Gr (Az Dispers) 1.Gr (Dispers Degil) 4
3 2
1
Şekil 1 Diskriminant Analizine Göre Numunelerin Gruplara Dağılımı
Diskriminant Fonksiyonu 1:
F1 = -0.377 X1 + 1.342 X2 – 1.677 Diskriminant Fonksiyonu 2
F2 = 1,410 X1 – 0,478 X2 – 0,761
Bu fonksiyonlarda X1 ve X2 değişkenleri, numunelerin sınıflandırmaya göre aldıkları puanlardır. X1 değişkeni numunenin fiziksel deney sonuçları toplamından elde edilen puanı, X2 değişkeni numunenin kimyasal deney sonuçları toplamından elde edilen puanı göstermektedir. Bu puanlar fonksiyonlardaki değişkenlerin (X1, X2) yerine konulduğunda, her numunenin grafikteki yerini gösteren değerler elde edilir.
BULGULAR
Diskriminat analizi yardımıyla bir çok dispersibilite deneyinin sonuçları dikkate alınmış olmaktadır. Böylelikle, tanımlaması zor olan dispersibilite özelliğine daha güvenilir bir yaklaşım elde edilecektir. Çünkü sistem, kil zeminlerin fiziksel ve kimyasal bir çok özelliğini dikkate almaktadır.
Ayrıca yeni bir numunenin dispersibilite derecesinin belirlenmesinde, bu fonksiyonların kullanımı ile değerlendirme yapılabilir. Numunenin fiziksel ve kimyasal deney sonuçlarından elde edilen puanlar, F1 ve F2 fonksiyonlarındaki değişkenlere atanarak, grafikte grubu belirlenir. Numunenin grafikteki yeri, “hangi grubun merkezine yakınsa o gruba aittir”, ilişkisi ile tanımlanır. Ancak bu şekilde sınıflandırılacak numune sayısı çok ise bilgisayarda yeniden analiz yapmak daha uygun olacaktır. Çünkü çok sayıdaki değişken veri, gruplandırmaları etkileyecektir.
KAYNAKLAR
1. Zorluer İ., 2003, “Toprak Dolgu Barajlar Yönünden Dispersif Killer ve Tanımlama Yöntemlerinin Karşılaştırılması”, Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir.
2. Bell, F.G., de Bruyn, A., 1997, "Sensitive, expansive, dispersive and collapsive soils", Bulletin of the International Association of Engineering Geology, Oct., 56, 19-38.
3. Craft, D., 1986, “The Application of Multivariate Statistics and Saturation Extract Data to Identify Dispersive Clay Soils”, Geotecnical Testing Journal, GTJODJ, V.9,
pp 34-37
4. Bell, F. G., Walker, D. J. H., 2000, “A further examination of the nature of dispersive soils in Natal, South Africa”, Quaterly Journal of Engineering Geology and
Hydrogeology, V.33, pp 187-199.
5. Özdamar, K., 1999, “Paket Programlar ile İstatistiksel Veri Analizi 2”, Kaan Kitabevi, İstanbul.
6. Tatlıdil, H., 1996, “Uygulamalı Çok Değişkenli İstatistiksel Analiz”, AkademiYayınevi, Ankara.
