ÇİZELGE VI-4 ENJEKSİYON SIVISININ PENETRASYON YETENEĞİ
Ortama yollanan, örneğin çimento-kil karışımı içitimlerde çimento/su oranının 0.3’ten büyük olduğu durumlarda basma dayanımının 1 MPa’dan 7 MPa düzeyine doğrusal olarak arttığı bulunmuştur (Foto VI-9). Ayrıca, basma sırasında karışıma hava katmanın da önemli yararlar sağladığı bildirilmiştir.
Sızdırma enjeksiyonunda ortamın karışımı alması zeminin efektif çapı ile içitimin çapı arasındaki
10 zemin
65 sıvı
(D )
N= (D )
... (6.25)
sayısı ile tariflenmiş olup, içitimin verimli olabilmesi için N’nin 24’ten büyük olması gerekmektedir. N<11 ise enjeksiyon yapmak mümkün olmayabilir. Bu konuda daha ayrıntılı bir ifade25
10 ze min 1 2
95 enjeksiyon r
(D ) w / c P
N k k
(d ) FC D
= + + ... (6.26)
Enjeksiyonun başarısı bu durumda N>28 koşuluna bağlanmıştır. Burada w/c : su-çimento oranı
FC : inceler oranı P : enjeksiyon basıncı
Dr : zeminin birim hacim ağırlığı
k1 : 0.5 ve k2 = 0.01 /kPa denklem değişmezleri
262
258
6.8.2 Telafi Enjeksiyonu
Bu teknikte (compensation grouting) orta-yüksek viskoziteli karışımların ortama yüksek basınçlarla (>50 bar) yollanması ve bunların boşluk/çatlaklara girmeden kendisinin ortamda balon benzeri ayrı bir kütle oluşturması gözetilmektedir. İlk kez 1951’de Almanya’da bir hidroelektrik santralını kaldırmak için uygulanmıştır. Şekil 6.23’de telafi enjeksiyonuna elverişli zeminlerin dane dağılımı eğrileri verilmektedir.
Bu uygulama sonucunda zemine önemli ek hacımlar girdiğinden kontrollu veya kontrolsuz sıkıştırma etkisi (compaction grouting), ayrıca mevcut yapının istenen yönde ötelenmesi sağlanır (displacement grouting). Böylece telafi enjeksiyonu yapıların farklı oturmalarının giderilmesi, bunların yükseltilmesi/kaldırılması ve ortamın sıkıştırılması sonucu taşıma gücünün yükseltilmesi gibi önemli yararlar sağlar. Örneğin Türkiye’de gelecek yıllarda büyük kentlerde yapılması gerekecek metro kazıları sonucu oturma ve ötelenme gösterme olasılığı bulunan binaların güvenliğinin önceden sağlanması için bu tür enjeksiyonun uygulaması kaçınılmaz olacaktır.
Ayrıca, şimdilerde ortama 10-30 bar dolayında basınçla düşük çökme değerli beton yollanarak (s≈25 mm) iyileştirme sağlanması ile ilgili araştırma ve uygulamalar yapılmaktadır (low/limited mobility grout : LMG).
Şekil 6.23 Telafi (Sıkıştırma) Enjeksiyonu Dane Dağılımları
Foto VI- 9 Çakılda Sızdırma Enjeksiyonunun Etkinliği
263
259 6.8.3 Kayada Enjeksiyon
Kaya ortamında enjeksiyon sızdırma (permeation, intrusion), bazen de sıkıştırma (compaction) tipi ile geçmişte çok ağırlıklı olarak baraj temellerinde ve çoğunlukla bunların geçirimsiz hale getirilmesi amacıyla son 300 yılda uygulanagelmiştir3. Bunun sonucu çimento ana enjeksiyon gereci olarak kullanılmıştır. Ayrışmış/killeşmiş ortamda ve olası çatlaklara sıvının yollanabilmesi için de son yıllarda yüksek basınçlar kullanılarak çatlatma ya da yapraklandırma enjeksiyonu olarak nitelendirilen yöntem (hydrofracturing) geliştirilmiştir.
Çimentonun içitim sıvısında etkinliği akışkanın viskozitesi, dolayısı ile su/çimento oranı w/c ile ifade edilmekte, bu oranın 0.6-1 arası değiştiği, ancak bu oranın ağırlıkça mı yoksa hacimce mi hesaplandığının bilinmesi gerekmektedir22.
Öte yandan, bazı araştırmacılar yamaçlarda kayanın enjeksiyonla iyileştirme girişimlerinin bazen hedeflenenin tam tersi bir etki ile, kapalı çatlak sistemlerini açarak ortamı zayıflatabileceğini savunmuşlardır. Kaya temel ortamında yapılacak uygulamaların en azından oturmaları azaltacağı, ayrıca süreksizliklerin olası kayma direncini yükselteceği gerekçesi ile olumlu bakmak mümkündür. Ancak, yüksek basınçlı enjeksiyon çatlakları açarak zemin/kayanın hacminde artış ta (heave) oluşturabilmektedir. Özellikle kazı ve yamaçlarda çatlak açılmasının ne getirip/götürdüğünü iyi değerlendirmek gerekmektedir.
Enjeksiyon işlemleri geçmişte olduğu gibi günümüzde de büyük ölçüde bir “sanat” olma özelliğini korumaktadır. Herhangi bir ortamda gerekli enjeksiyon basıncı, enjeksiyon sıvısı ve olası hacımlar şimdilerde ‘akıllı tahminler’le saptanmaktadır.
6.8.3.1 GIN Kavramı
Bu çelişkiden bir ölçüde kaçınmak için enjeksiyon yoğunluğu (grouting intensity) kavramı geliştirilmiştir. Bu sayı (GIN: grouting intensity number) işlemin herhangi aşamasında uygulanmakta olan enjeksiyon basıncı ile pompalamanın durdurulmasıyla debinin sıfıra düştüğü ana kadar alınmış sıvı hacmının çarpımına eşittir. Şekil 6.24’ten görüldüğü gibi GIN kaya ortamına sağlanan enerjinin bir göstergesidir ve
≈
V∫0
dV . p
E
... (6.27)ile gösterilebilir. Sürecin elastik (doğrusal) olması durumunda enjeksiyon sıvısının akışmazlığı, sıvının çatlak duvarlarına görece kayması ve kayanın elastik olmayan deformasyonlarına bağlı enerji kayıpları yok sayılırsa GIN basitçe, kitlede biriken elastik enerjinin iki katı olur.
Şekil 6.24 Enjeksiyonun Seçilmiş Bir Basınç veya GIN Değerinde Durdurulması 264
260
Farklı bir deyişle, GIN kavramı içeriye basılan enjeksiyon şerbeti hacmına bağlı olarak basıncın azaltılmasını sağlar. Böylece ortamda olası çatlamalar önlenir. GIN de buradan enjeksiyonun erişebileceği en uzun mesafeyi yaklaşık
R=
3GIN
... (6.28) ifadesi ile verir (R: reach). Şekil 6.25 birçok enjeksiyon şantiyesinde edinilmiş deneyimlere dayalı olarak geliştirilen enjeksiyon yoğunluk sayısı eğrileri vermektedir.
Şekil 6.25 Kılavuz Olarak Kullanılabilecek Standard GIN Limit Eğrileri 6.8.3.2 Çatlatma Enjeksiyonu
Sızdırma enjeksiyonunun başarılı olamadığı düşük hidrolik iletkenlikli kil ve kaya ortamlarında bir tür telafi enjeksiyonu olarak nitelendirilebilecek yeni bir yöntem çatlatma/yapraklandırma enjeksiyonudur (hydrofrac). Bu yöntemde ortama yeterince yüksek basınçta yollanan sıvının mevcut kılcal çatlakları açarak veya yeni çatlaklar oluşturarak olası oturmaların önlenmesi gözetilmektedir. Basıncın düzeyi oluşacak hidrolik eğim ve söz konusu zemin derinliğinde etkiyen efektif gerilmeye bağlı olarak saptanır.
Normal yüklenmiş bir zeminde oluşacak ilk enjeksiyon merceği büyük asal gerilme yönü olan düşeyde ilerleyecek ve zemini sıkıştıracak, artan enjeksiyon hacimleri ise yatay mercekler oluşturacağından dikkatli olunmazsa zeminde istenmeyen kabarmalar başlayacaktır. Diğer ortamlarda, özellikle mevcut çatlaklar ve süreksizlikler varsa, ilk yapraklanma etkin gerilmelere değil bunların konumlarına bağlı olacaktır.
6.8.3.3 Doldurma Enjeksiyonu
Türkiye’de birçok yörede karşılaşılan karst, özellikle baraj temellerinde binlerce m3’e varan hacımlardaki boşluklarla mühendise kabus yaşatan doğal bir malzemedir. Keban barajı santral binası altında beklenmedik şekilde beliren mağaralar yüzünden devletin uğradığı astronomik kayıplar hala belleklerdedir. İtalya’da Catania hava meydanı pisti altında varlığı keşfedilerek bu yöntemle doldurulan büyük boşluk da bu konuda karşılaşılmış gülünç örneklerden biridir.
Günümüzde hızla gelişen Akdeniz kıyısındaki kentlerde aynı sorun yaşanmaktadır. Antalya’da da karşılaşılan bu problem boşlukların yeri ve hacminin sondajla saptanmasından sonra buraya kil, uçucu kül hatta kum ve bunların çimento ile karışımı ile doldurulması yoluyla çözülebilir.
265
261 6.8.4 Enjeksiyon Yöntemi
Enjeksiyon tek aşamalı/sıvılı yapılacak ise en kolay yol Şekil 6.26a’da gösterildiği gibi muhafaza borusunu kuyuda belirli derinliğe indirdikten sonra öngörüldüğü kadar yukarı çekerek sıvıyı basmaktır. Bu yöntem enjeksiyon sıvısının muhafaza borusu çevresine toplanmaması durumunda etkin olur.
Şekil 6.26 Enjeksiyon (İçitim) Yöntemleri
Bir diğer tek aşamalı yöntem yüksek geçirimli bir ortamda muhafaza borusunun yukarı çekilmesini izleyerek enjeksiyon sıvısının basılması ile gerçekleştirilir (Şekil 6.26c). Sıvının dışarı kaçmaması için kuyunun ağzı kapalı tutulur. Tubes a manchettes yönteminde (Şekil 6.26b) çok aşamalı çalışma mümkün olup aynı bölgede tekrarlı enjeksiyon yapılmasına da olanak sağlanmaktadır. Çamur veya muhafaza borusu ile tutulan enjeksiyon kuyusu içine enjeksiyon borusu yerleştirilerek bu boru kil-çimento karışımı ile kuyunun içine kalıcı olarak bağlanır.
Böylece enjeksiyon sıvısının kuyu yukarı hareketi önlenmiş olur ve basınç yükseltildiğinde enjeksiyon sıvısı ortama yanal olarak yayılır. Ortadaki çelik veya plastik enjeksiyon borusu 25-50 mm çaplı olup, plastikten yapılırsa daha sonra kazıya izin verir. Bu borunun üzerinde sadece enjeksiyon derinliği boyunca 30 cm aralıkla açılmış açılmış delikler bulunur. Deliklerin üzerine takılan lastik manşonlar (manşet) sadece basınç altında açılarak tek yönlü vana gibi işlev görürler. Sistemin çalışması Şekil 6.27’de gösterilmektedir.
266
262
Şekil 6.27 Kaplama Borusu ile Enjeksiyon Yapma Yolları 6.8.5 Jet Enjeksiyonu
Türkiye’de uygulaması son birkaç yılda adeta bir patlama yapan jet enjeksiyonu (jet grouting), 1970’li yıllarda Japonya’dan tüm dünyaya yayılmıştır. Avrupa’da soilcrete adı kullanılmaktadır.
Yöntemde aşağıya indirilen bir sondanın ucundaki 3 mm çaplı memeden fışkıran yüksek basınçlı suyun zemini etkin aşındırabilme yeteneğinden yararlanılır. Zemin bu yoldan öngörülen derinliğe kadar parçalandıktan sonra sonda yine döndürülerek geri alınırken içeriye çimentolu enjeksiyon sıvısı basılmakta ve katkı gereci sıvı kıvamdaki zeminle karışmaktadır (Şekil 6.28).
Şekil 6.28 Jet Enjeksiyonu Uygulaması
Enjeksiyon memesinden 400 bar düzeyinde basınçla ve sesinkinin yarısı bir hızla çıkan su jetinin etkinliği çevresine bir hava ‘kefeni’ sarılması ile artırılmaktadır. Şekil 6.29’da işlemin gerçekleştirilmesinde kullanılan tek, çift ve üç sıvılı (triplex) sistemler gösterilmektedir. Üç sıvılı sistemde enjeksiyon sıvısı farklı yerdeki hava-su memesinden yollanmaktadır.
kuyuya jet ucunun indirilmesi bulamaç jetlenmesi takımı çekerken kolonun oluşturulması
267
263
Şekil 6.29 Jet Enjeksiyonunda Zemine Sıvı Yollama Biçimleri
Jet enjeksiyonu binaların altında zemini iyileştirmek, tabandan su girişini böylece hidrolik eğim ve kabarma problemlerini önlemek, kazıyı desteklemek, özellikle de mevcut eski temellerin altına girilerek taşıma gücünün artırılması amacıyla kullanılmaktadır. Öne sürüldüğüne göre yöntem ince çakıldan killlere değişen çok geniş bir aralıkta uygulanabildiğinden (Şekil 6.30) oldukça esnek bir özellik taşımaktadır. Şekilde koyu renkler uygulamada ekonomik olmayan bölgeyi göstermektedir.
Şekil 6.30 Enjeksiyon Yöntemlerinin Uygulanabilirliği
Bu yöntemle oluşturulan 0.5-3 m çaplı kolonlarda çimento oranı ve karışan doğal zeminin niteliğine bağlı olarak 2-25 MPa basma dayanımlı bir karışım belirmekte ve dayanım artışı 45 güne kadar uzamaktadır. Çizelge VI-5’te Japonya’da işlem sonunda istenen dayanımlar verilmiştir.
ÇİZELGE VI-5 JET GROUT KOLONU TASARIMINDAN ŞARTNAME (MPa) Serbest basma
dayanımı qu
Kohezyon c Yapışma (aderans) fs
Çekme dayanımı σt
Killi zeminler 1 0.3 0.10 0.20
Kumlu zemin 3 0.5 0.17 0.33
268
264
Şekil 6.31’de Hong Kong’da gerçekleştirilmiş bir projede öngörülen şartname bir örnek olarak verilmektedir.
INTRAFOR (çift tüplü)
Tipik kolon çapı: Φ1500 mm Hız: 10-12 RPM 10m3/dak P (bar) Q (l/dk)
Şerbet 450 140 (c/w=1.4;γ=1.4)
Hava 12
KOLON YERLEŞİMİ
boru çapı φ90
hava su meme φ3.5mm
borular Φ122-219mm
Enjeksiyon şerbeti karışımı (1m3) Çimento = 940 kg
Su = 671 lt
Katkı (plastikleştirici/geciktirici)=%2
Φ1500 1000
1000
Şekil 6.31 Jet Enjeksiyonu Uygulamasına Örnek
Foto VI.10 Kazı Duvarları İyileştirmesinde Çoklu Jet Grout Uygulaması 6.8.5.1 Super Jet Enjeksiyonu
Yapılan araştırmalar jetleri yatay yöneltmek yerine belirli açı ile vererek kesiştirmenin enerjinin ortama yüksek verimde uygulanması, böylece üniform kesitli ve 5 m’ye varan büyük çaplı kolonlar oluşturulması olanağının sağlandığını göstermiştir. Bu yönteme Japonya’da çarpışan jetleme ya da X-jet grout denmekte, üst ve alt memelerden yollanarak çarpıştırılan su jetlerinin yüksek kesme gerilmeleri oluşturduğu kabul edilmektedir (Şekil 6.32). Bu yöntemin yararı çalışmalarda yüksek hızlara çıkılabilmesi ve bir kerede çok büyük hacımları etkileyebilme imkanıdır.
Jet grout yöntemi derin kazı destekleme amacı ile de kullanılabilirse de dikkatsiz uygulamaların önemli kazalara neden olduğu da bilinmektedir.
Jet grout uygulaması standart hale getirilmiş olup ayrıntılar ISSMGE TC17 web sitesinde ve BS EN 12716(2001) standardında verilmektedir.
269
265
Şekil 6.31 Standard ve Super Jetleme Karşılaştırması Foto VI-11 Super Jet Görünümü 6.8.6 Derin Karıştırma Yöntemleri (DMM)
Derin Karıştırma Metodu (DMM: deep mixing methods) doğal zeminin çimentolayıcı olan ve olmayan gereçlerle (binder) kuru veya sulu olarak karıştırılması işlemidir. Bu işlemler uygulama yerine göre yapılarda derin zemin karıştırma (DSM: deep soil mixing), sığ zemin karıştırma (SSM:
shallow soil mixing) ve su yapıları ve çevre mühendisliğinde de karıştırma zemin duvarları (SMW:
soil mixed wall) oluşturulması biçiminde uygulanmaktadır.
Yapısal uygulamalarda kule, köprü, dolgu, duvar, bina temelleri DSM ile iyileştirilebilmektedir.
Karıştırma işlemi Şekil 6.33’deki gibi tek veya Foto VI-12’deki gibi çoklu karıştırıcılarla gerçekleştirilir. Bıçak zemini kesip ufalayarak istenen derinliğe indirildikten sonra yine döndürülerek yukarı çekilirken ortama çimento veya kireç üfürerek (kuru yöntem) veya bunu sıvı kıvamda basarak (sulu yöntem) karıştırılır (Çizelge VI-6).
Şekil 6.33 Tek Bıçaklı Karıştırıcı
Foto VI-12 Üç Bıçaklı Karıştırıcı
270
266