Kompaksiyon Nedir? Neden Uygulanır? Etkileyen Parametreler

1. Kompaksiyon Nedir?

Sıkıştırma enerjisi uygulayarak zemin içindeki havayı azaltmak, zemin danelerinin sıkılığını artırmak, zeminin sıkılığına göre hacmini azaltmak, dolayısıyla zeminin yoğunluğunu artırmak için yapılan zemin sıkıştırma işlemlerine kompaksiyon denir.

Zeminlerin taşıma gücünü artırmak, sabit, hareketli ve dinamik yükler altında meydana gelecek oturmaları azaltmak ve zeminin geçirimliliğini azaltarak zeminlerin daha fazla su alıp hacimsel değişikliklerin oluşmasını önlemek amacıyla zeminlerin tabakalar halinde serilerek mekanik araçlar vasıtasıyla su ve tane hacmi sabit iken havanın dışarı atılıp zemin tanelerinin sıkıştırılması olayına kompaksiyon denir. (Zemin Sıkıştırma Makineleri- Silindirler-Kompaktörler-Kompaksiyon Makineleri)

Zeminin sıkılaşması yani zemin danelerinin birbirine göre hareket edebilmesi uygulanan kompaksiyon enerjisine ve zemin içindeki su miktarına bağlı olarak değişiklik gösterir.

1.1. Kompaksiyon Neden Uygulanır? Zeminler Neden Sıkıştırılır?

Kompaksiyon sonucunda;

1. Yapıya hasar verebilecek farklı oturma miktarları azaltılabilir.
2. Zemin mukavemeti artar, şev stabilitesi iyileştirilebilir. (Zemin iyileştirmesi)
3. Yol temel dolgularında zemin taşıma gücü arttırılabilir.
4. Hidrolik geçirgenlik azaltılabilir.
5. Don etkisi, ince taneli zeminlerde şişme ve büzülme gibi istenmeyen hacim değişimleri kontrol edilebilir.

Alt yapı işlerinde kompaksiyon sonucu, kayma mukavemetinde ve taşıma gücünde yeterlilik, düşük geçirimlilik ve minimum su emme ve tekrarlı yükler altında minimum deformasyon gibi kriterlerin sağlanması beklenir. Zemin danelerini birbirine yaklaştıran kompaksiyon sonucu sürtünme mukavemeti artar. Özellikle ince daneli zeminlerde kohezyon (çekim) kuvvetinin artmasına neden olur.

Kısaca kompaksiyon: zemin boşluklarının azaltılarak, danelerin birbirine yaklaşıp daha stabil hal alması amacıyla yapılan sıkıştırma işlemidir.

Uygulanan belli bir kompaksiyon enerjisi ile elde edilebilecek sıkılık derecesinin su muhtevasına bağlı olarak değişimi deneysel olarak bulunmalıdır. Bu konudaki ilk bilimsel çalışmalar arasında en önemli olanı R. R. Proctor tarafından 1930‘larda yapılan çalışmalardır. Proktor sıkıştırmanın dört farklı faktöre bağlı olduğunu tespit
etmiştir:

1. Kuru yoğunluk,
2. Su muhtevası,
3. Sıkıştırma enerjisi
4. Zemin cinsi (dane dağılımı, kil minerallerinin tipi vb.).

Sıkıştırma enerjisi, zemin kütlesine uygulanan mekanik enerjinin bir ölçüsüdür. Birimi, birim hacim için enerji veya N-m/m3 (1N-m = 1 joule) şeklinde tanımlanır. Arazide ise, belirli tip ve ağırlıkta silindirin, belirli hacimdeki zemin tabakası üzerinden geçiş sayısı ile belirlenir. Laboratuvarda statik, vibrasyonlu, darbeli (dinamik) veya yoğurmalı kompaksiyon deneyleri yapılmaktadır. Bunların içinde en yaygın olanı darbeli kompaksiyon deneyi olup, bir kalıp içerisindeki zemine, çelik tokmağın, sabit bir yükseklikten defalarca düşürülmesi ile yapılır. İki tür laboratuvar kompaksiyon deneyi vardır. Bunlar, Standart Proktor ve Modifiye Proktor deneyleridir.

2. Kompaksiyon Üzerinde Etkili Zemin Özellikleri

2.1. Su Muhtevası

Sıkıştırma kaynaklı kuru yoğunlukta oluşan artış, zemine ait su muhtevası ve uygulanan enerji miktarıyla ilintilidir. Etkili bir kompaksiyon için istenen durum olan, kuru birim hacim ağırlığı azami yapan bir optimum su muhtevası vardır. İki parametrenin grafiksel ilişkisi aşağıda gösterilmiştir.

Zeminin su muhtevasının artması durumunda, kuru birim hacim ağırlık bir süre artıp, pik değer (maksimum) yaptıktan sonra azalmaktadır. Kuru birim hacim ağırlığın maksimum değer eriştiği durum, zemin içerisindeki boşlukların doygun hale geldiği durumdur. İstisnai bir durum olarak kohezyonlu zeminler minimal seviyede de olsa aynı durumda hava boşluğuna sahiptirler. Maksimum değerdeki kuru birim hacim ağırlık, artan su içeriği ile zemin daneleri arasında itki meydana getirmektedir. Suyun birim ağırlığının zemine göre daha az olmasından mütevellit, mevcut su hacmi de arttığından zeminin birim ağırlığı azalmaktadır. Dolayısıyla su muhtevasının optimal seviyeden daha fazla değer aldığı durumlar kuru birim hacim ağırlığın azalmasına sebep olmaktadır.

Yukarıdaki şekilden de görüldüğü üzere γk sabit bir değerdir. Zeminin su muhtevasının sıfır olduğu durumda aynı kompaksiyon enerjisi uygulandığında kuru birim hacim ağırlık değişmemektedir. Zeminin su içeriği zamanla arttıkça, γk’da bu artışa doğru orantılı olarak artış görülmektedir. Bu artış optimum su muhtevası dediğimiz noktadan itibaren boşlukların büyük çoğunluğunun suyla dolmasından dolayı zemin danelerinde oluşan itmeden kaynaklı hacim artışı gerçekleştirecektir. Suyun özgül yoğunluğunun zemine göre daha küçük olmasından mütevellit bu hacim artışı γk’nın azalmasına neden olacaktır.

2.2. Sıkıştırılacak Zeminin Türü

Kompaksiyona etki eden en önemli özelliklerden biride sıkıştırılacak zeminin türüdür. İnce daneli ve iri daneli zeminler için su muhtevası ve kuru birim hacim ağırlık ilişkisi aşağıdaki şekillerde gösterilmiştir.

Uygulamada hava boşluğunun sıfır olduğu durumlarda kompaksiyon yapılamaz. Ancak birim hacim ağırlığın maksimum değeri aldığı durumlarda boşlukların su olduğu düşünülerek işlemler yapılır. İnce daneli zeminlerin kuru birim hacim ağırlığı iri daneli zeminlere göre daha küçük değerlerde iken boşluk oranları daha büyük değerlerdedir. Bu nedenledir ki ince daneli zeminler iri daneli zeminlere göre daha fazla kompakte olurlar.

İri daneli zeminler kompaksiyon esnasında basit bir şekilde drene oldukları için boşluk suyu basınçları söz konusu olmaz. Su muhtevasının az olduğu kompaksiyon işlemleri sırasında daneler arasındaki sürtünme kaynaklı itki kuvvetleri meydana gelir. Bu kuvvetlerde kompaksiyona engel olacak şekilde kompakte olmadan hareket ederler. Su muhtevası arttıkça, sıkışmaya karşı gösterdikleri tepki kuvvetleri artar. Bu durumda zeminin kuru birim hacim ağırlıkları düşer. Zeminin su muhtevası değeri büyüdükçe kapiler kuvvetler azaldığından γkmax artar. İri daneli zeminlerde maksimum kuru birim hacim ağırlık su içeriğinin optimum olduğu değerde elde edilir. Bur durumda zemin doygunluğa erişmiştir. Su içeriği daha fazla artırıldığında su zamanla drene olacağından kuru birim ağırlık da azalır. İri daneli zeminler için aynı kuru birim hacim ağırlık için iki farklı su muhtevası değeri bulunur. Aynı γk’da, optimal w değerindeki boşluk oranı, doygun haldeki w değerine göre daha fazladır.

Özetle wopt değeri kuru birim hacim ağırlığı maksimum yapan değerdir. Zemin numunesinin içerdiği ince dane oranı yükseldikçe, özkütlesi, kompaksiyon uygulayabilme kolaylığı, geçirimliliği, boşluk oranı gibi bazı özelliklerinde değişmeler meydana gelir. İnce dane miktarı az olan zeminlerde daneler arası temas orta-iyi seviyede  iken geçirgenliği fazladır. Yüksek stabil olmakla beraber zor sıkışır ve su ile etkilenmez. Boşlukların dolacağı kadar ince dane içeren zeminlerde şekil değiştirmeye karşı oluşan direnç tanelerin teması ile artar. Orta derecede sıkışabilen bu tür zeminler sudan çok az etkilenirler.

Fazla oranda ince dane içeren zeminlerde daneler arası temas minimal seviyede iken, kolay sıkışabilirler. Geçirgen olmamakla beraber sudan fazlasıyla etkilenirler. İnce daneli zeminler, wopt değerinden daha fazla su ihtiva ettiğinde plastik ve yapışkan hal alır. Su muhtevasının wopt değerinin altında olduğu durumlarda zeminin tepki kuvveti artar ve kompaksiyon zor hale gelir.

Zemindeki boşluk oranı değeri yükseldikçe kuru birim hacim ağırlık değeri düşer. Dolayısıyla ince daneli zeminlerin boşluk oranı iri daneli zeminlere oranla daha fazla olduğundan kuru birim hacim ağırlık değeri ince daneli zeminlerde daha küçük olacaktır. Zemin numunesinin içerdiği ince dane oranı yükseldikçe maksimum kuru birim hacim ağırlık değeri düşecektir. İnce daneli zeminlerin kompaksiyonu likid ve plastik limit değerleri ile ilintili olup, bu değerlerin artması kuru birim hacim ağırlığı azaltacaktır[8].İnce daneli zeminler plastik limitten daha az w değerinde kompakte edilirse zamanla doygun hale gelen zeminin taşıma gücünde azalma meydana gelebilmektedir. Genel olarak doygun w değeri plastik limitten daha çok likid limite daha yakın değerde ise uygulanan kompaksiyon yetersiz anlamına gelmektedir.

Kompaksiyon (sıkıştırma) uygulaması zemine ait danelerin boyutları ve şekli ile ilintilidir. Her boyutta zemin daneleri içeren, iyi derecelenmiş numuneler daha kolay kompakte edilirken, pürüzlü yüzeyli zeminlerde sıkıştırma işlemlerinde zorluk çıkarabilmektedir.

2.3. Kompaksiyon Enerji Miktarı

Zemine uygulanan kompaksiyon enerjisinin miktarındaki artış γkmax’da artışa neden olurken, wopt’da azalışa neden olur. Arazide makinalarla yapılan sıkıştırmalarda kompaksiyon enerjisi aşağıdaki formülle hesaplanmaktadır.
E = n.Z/(a.h)

Eşitlikte parametreler sırasıyla; E=kompaksiyon enerjisi (kgm/m3), n=aracın zemin üzerinden geçiş sayısı, Z=iş miktarı (kg m), a=1 m lik uzunluğa düşen alan miktarı (m2), h= kompaksiyon uygulanan zeminin kalınlığını ifade etmektedir.

Zemine ait hava boşluğunun az olduğu, wopt değerinin üzerindeki su muhtevası değerlerinde uygulanan enerjinin miktarındaki artış, kuru birim hacim ağırlıkta az miktar değişime yol açar. Tam tersi durumda hava boşluğunun daha fazla olduğu, su muhtevaların wopt değerinden daha düşük olduğu durumlarda, uygulanan enerjideki artışın etkisi fazla olur.

Zeminin su muhtevası yükseldikçe uygulanan kompaksiyon enerjisinin zeminin yoğunluğu üzerine etkisi azalır. Yani düşük enerji değerlerinde maksimum yoğunluk için fazla miktarda su içeriğine gerek duyulur.

2.4. Arazide Kompaksiyonu Etkileyen Başlıca Kriterler

• Zeminin:
  • – Granülometresi
  • – Su muhtevası
  • – Sıkılık derecesi
• Makinenin:
  • – Ağırlığı ve boyutları
  • – Uyguladığı basınç miktarı
  • – Titreşimli araçlarda, titreşim frekansı
• Sıkıştırma yöntemi:
  • – Sıkışma kalınlığı
  • – Aracın geçiş hız ve sayısı
  • – Titreşim frekansı

Kaynaklar;
RESÜL SİVRİ-İNCE DANELİ ZEMİNLERİN KOMPAKSİYON PARAMETRELERİNİN İSTATİSTİKSEL ANALİZLER İLE TAHMİN EDİLMESİ
Zekeriya Hayri ÇELİK-ZEMİN STABİLİZASYONUNDA POMZA TAŞININ İNCELİK ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Ebru YÜCE-İNCE TANELİ ZEMİNLERDE MİNYATÜR STATİK KOMPAKSİYON DENEYİ
PINAR İNSEL-ATTERBERG LİMİTLERİ İLE KOMPAKSİYON PARAMETRELERİNİN TAHMİN