Geoteknik

Geoteknik, bilimsel metotlar ve mühendislik prensipleri kullanılarak zemin tabakasının ve malzemelerin özelliklerinin elde edilmesi, tahmin edilmesi ve bu bilgilerin mühendislik problemlerinde kullanılması uygulamasıdır. Zeminin ve çeşitli zemin malzemelerinin davranışlarını tahmin etmeye çalışarak, zemini insanlar için yaşanabilir hale getirme bilimidir.İnşaat mühendisliği disiplini içinde yer alır.

Geoteknik; yerleşim projeleri ve konutlar, ulaşım sistemleri, köprüler ve sulama yapıları, enerji üretim tesisleri, limanlar ve deniz yapıları, tüneller ve yeraltı yapıları, atıkların uzaklaştırılması ve arıtma yapıları gibi inşaat mühendisliği uygulamalarında; etüt, tasarım ve yapım aşamalarında, inşaat alanın jeolojik ve zemin yapısının belirlenmesi uygulamalarını kapsar. Geoteknik bu uygulama alanları ile ekonomik ve güvenli yapılaşma için büyük önem taşımaktadır.

İnsanlar tarihsel olarak zemini, sel kontrolü, sulama amaçları, mezar alanları, bina temelleri ve binalar için inşaat malzemesi olarak kullanmışlardır. İlk etkinlikler, Antik Mısır, eski Mezopotamya ve Verimli Hilal'in yanı sıra erken yerleşim yerlerinde bulunan MÖ 2000 yılına kadar uzanan barajlar ve kanalların izleriyle gösterildiği gibi sulama ve taşkın kontrolü ile bağlantılıydı. Indus vadisinde Mohenjo Daro ve Harappa. Şehirler genişledikçe, biçimlendirilmiş temeller tarafından desteklenen yapılar inşa edildi; Eski Yunanlar özellikle tekil temeller ve şerit ve radye temeller inşa ettiler. Ancak 18. yüzyıla kadar zemin tasarımı için teorik bir temel geliştirilmemiştir ve bu disiplin, geçmiş deneyimlere dayanarak bir bilimden çok bir sanat olmuştur.

Pisa Kulesi gibi temellerle ilgili çeşitli mühendislik problemleri, bilim adamlarını yeraltını incelemek için daha bilimsel tabanlı bir yaklaşım benimsemeye teşvik etti. En erken gelişmeler, istinat duvarlarının inşası için toprak basıncı teorilerinin geliştirilmesinde meydana gelmiştir. Fransız Kraliyet Mühendisi Henri Gautier, 1717'de farklı toprakların "doğal eğimini" tanıdı, bu daha sonra zeminin durma (repose) açısı olarak bilinir. Ayrıca, artık zemin türünün birim ağırlığına dayanarak -bugün için zemin türünün iyi bir göstergesi olarak kabul edilmeyen- bir zemin sınıflandırma sistemi de geliştirilmiştir.

Mekanik ilkelerinin zeminlere uygulanması, Charles Coulomb'un (bir fizikçi, mühendis ve ordu Kaptanı) askeri surlara karşı toprak basınçlarını belirlemek için geliştirilmiş yöntemler geliştirdiği 1773'te belgelenmiştir. Coulomb, çökme durumunda, kayan bir istinat duvarının arkasında ayrı bir kayma düzleminin oluşacağını ve tasarım amaçları için kayma düzlemindeki maksimum kayma gerilmesinin; zeminin kohezyonu c, kayma düzlemindeki normal gerilme ve zeminin sürtünme açısı ile ilişkisi olduğunu ortaya koymutur. Coulomb'un teorisi Christian Otto Mohr'ın 2 boyutlu gerilme ile birleştirerek, teori Mohr-Coulomb teorisi olarak bilinir hale geldi. Her ne kadar kohezyon yani c temel bir zemin özelliği olmasa da, kesin kohezyonun belirlenmesinin imkânsız olduğu kabul edilse de, Mohr-Coulomb teorisi bugün hala pratikte kullanılmaktadır.

19. yüzyılda Henry Darcy, gözenekli ortamlarda sıvı akışını tanımlayan Darcy Yasası olarak bilinen teoriyi geliştirdi. Joseph Boussinesq (bir matematikçi ve fizikçi), zeminde çeşitli derinliklerdeki gerilmeleri tahmin etmek için, elastik katılarda gerilme dağılımı teorileri geliştirdi; Mühendis ve fizikçi William Rankine, Coulomb'un toprak basıncına ilişkin alternatif bir teori geliştirdi. Albert Atterberg bugün zemin sınıflandırması için kullanılmakta olan kil kıvam indekslerini geliştirmiştir. Osborne Reynolds 1885'te gevşek granüler (taneli) malzemelerin sıkılaşma ve büzülmesine neden kayma gerilmelerini tanımladı.

Modern geoteknik mühendisliğinin, bir makine mühendisi olan Karl Terzaghi tarafından 1925 yılında Erdbaumechanik'in yayınlanmasıyla başladığı söylenir. Modern zemin mekaniği ve geoteknik mühendisliğinin babası olduğu düşünülen Terzaghi, efektif gerilme ilkesini geliştirdi ve zeminin kayma mukavemetinin efektif gerilme ile kontrol edildiğini gösterdi. Terzaghi ayrıca temellerin taşıma kapasitesi teorileri ve konsolidasyon nedeniyle kil tabakalarının oturma miktarının tahmin edilmesi için yaklaşımlar geliştirmiştir. 1948 tarihli kitabında Donald Taylor, sıkıca (yoğun şekilde) paketlenmiş zemin tanelerinin birbirine kenetlenmesinin ve genişlemesinin bir zeminin pik mukavemetine katkıda bulunduğunu fark etti. Hacimsel değişim davranışı (dilatasyon, büzülme ve konsolidasyon) ve kayma mukavemeti davranışı arasındaki ilişkilerin tümü, 1958'de Roscoe, Schofield ve Wroth tarafından kritik durum zemin mekaniği kullanılarak plastisite teorisi yoluyla 1958'de "On the Yielding of Soils" yayınıyla bağlandı. Kritik durum zemin mekaniği, zemin davranışını tanımlayan birçok çağdaş ileri modelin temelini oluşturur. Geoteknik santrifüj modelleme, geoteknik problemlerin fiziksel ölçekli modellerini test etme yöntemidir. Santrifüjün kullanımı, zemin içeren ölçekli model testlerinin benzerliğini geliştirir, çünkü zeminin mukavemeti ve elastik sertliği (stiffness) çevre basıncına çok duyarlıdır. Santrifüjlü ivme, bir araştırmacının küçük fiziksel modellerde büyük (prototip ölçekli) gerilmeler elde etmesini sağlar.