Sıkıştırma
Sıkıştırma, zemin parçacıklarının mekanik olarak daha yakın olmaları için zorlanmalarıyla aralarındaki boşluk oranının azaltılması sonucu zemin yoğunluğunun artmasıdır.
Konsolidasyon sıkıştırma olarak tanımlanmaz, çünkü konsolidasyon sırasında zeminin boşluk hacminden suyun tahliye ettirilmesi söz konusudur. Konsolidasyon süresi aylar, hatta yıl mertebesinde ölçülürken sıkıştırma işi birkaç saat sürer.
Sıkıştırma zeminin mühendislik özelliklerini iyileştirmek için yapılır. Sıkıştırma sonucu zeminin taşıma kapasitesi artar, sıkışabilirliği azalır, hacim değişim karakteri iyileşir, geçirgenliği azalır. Bina temelini teşkil eden zeminin sıkıştırmasında yapının farklı oturmaya maruz kalmasını engelleme amaçlanır.
Bir zemin türü için sıkıştırma derecesi zeminin fiziksel ve kimyasal özelliklerine su muhtevasına, uygulanan sıkıştırma yöntemine, sıkıştırma gücüne sıkıştırılan zemin katmanının kalınlığına (lift thickness) bağlıdır. Dört temel sıkıştırma yöntemi mevcuttur.
Statik ağırlık, yoğurma, darbe ve titreşim. Statik ağırlık tüm sıkıştırma yöntemlerinde uygulanır ve başka yöntemle birleştirilerek etkisi arttırılır. Titreşimli plaka hem kendi ağırlığı hem de titreşimden yararlanarak zemini sıkıştırır. Plastik zeminlerin sıkıştırılması basınç altında yoğurma ile gerçekleşir. Darbe ve titreşim benzer tekniklerdir, fakat frekansları farklıdır. Darbe veya tamping düşük frekansta uygulanır ve plastik zeminlerde çok etkilidir.
Titreşim daha yüksek frekansta uygulanır. Titreşim en iyi hiç kohezyonu olmayan zeminlerde sonuç verir. Kum ve çakıl titreşimle sıkıştırılmaya en uygun zemin türüdür.
En uygun nem içeriği
Zeminin nem içeriği sıkıştırma derecesini etkileyen etkenlerin en önemlisidir. Su muhtevası az olursa zemin parçacıklarının birbirine teması kuru yüzeyde gerçekleşecek sıkıştırma kuvveti sonucu parçacıkların harekete geçmesi ve boşluğun azalması zorlaşacaktır. Çok fazla su bulunması durumunda ise sıkıştırma kuvveti sonucu su çok hızlı biçimde dışarı çıkamayacağı için uygulanan sıkıştırma kuvveti boşluk suyu basıncını attıracak ve önemli ölçüde enerji kaybına neden olacaktır. Bu nedenle boşluk suyu oranı sıkıştırma için önemli bir etkendir. En uygun su muhtevası proctor testi denilen laboratuar deneyi ile belirlenir. Standart test çok yüksek taşıma kapasitesi istemeyen işlerde modifiye proctor testi ise havaalanı gibi yüksek tasarım yükü bulunan zeminler için uygulanır.
Tablo 1. Standart ve Modifiye Proctor deneyi karşılaştırması
Test Detayı Standart Modifiye
Silindir çapı (mm) 102 102
Numune Yüksekliği (mm) 127, 117'ye kesilir 127, 117'ye kesilir
Katman Sayısı 3 5
Katman Başına Vuruş 25 25
Çekiç Ağırlığı (kg) 2,5 4,5
Çekiç Çapı (mm) 51 51
Çekiç Düşme Yüksekliği (mm) 305 457
Numune Hacmi (l) 0,94 0,94
Sıkıştırma Yoğunluğu (kJ/m3) 592 2693
Proctor testi zeminin farklı nem oranları için tekrarlanır ve elde edilen en üst yoğunluk ve su muhtevası grafiği çizilerek en uygun su muhtevası bulunur.
Proctor deneyinin beklenen sonucu üstteki eğri gibi çıkar. Sıfır hava boşluğu eğrisi zeminin tüm hava boşluğunun tahliye edilip tüm boşlukların belirtilen su muhtevası yüzdesi ile doldurulduğu durumu belirtir. Böyle bir oranda sıkıştırma yapılması pratik olarak uygulanabilir değildir. Uygulanan test prosedürü sonucu eğrinin en üst noktası "en uygun su muhtevası" oranını verir. Standart proctor testinde en uygun su muhtevası %18 civarı iken modifiye proctor testinde en uygun su muhtevası %14 bulunmuştur. Sıkıştırma enerjisi
arttırıldıkça en uygun su muhtevası düşer. Değişik sıkıştırma enerjisi için deney tekrarlansa diğer sonuçların uygun nem oranları, en uygun sıkıştırma eğrisi üzerinde çıkacaktır.
1) İyi dağılımlı killi kum ve çakıl 2) Killi kum
3) Killi siltler ve kumlu siltler 4) Siltli kil
5) Üniform ince kum 6) Saf kil
7) Konsolide kil 8) Kötü dağılımlı kum
Standart proctor test sonucunun önemi istenilen zemin yoğunluğunun hangi su muhtevası ile elde edilebileceğini de belirtir. Örneğin zemin yoğunluğu 1,6 gr/cm3 yapılmak isteniyorsa su muhtevası %12 ile %22 arasında olursa bu değer elde edilebilir. Ancak istenilen yoğunluk 1,67 gr/ cm3 ise ancak %16 su muhtevası ile istenilen sıkıştırma sağlanabilir.
Sıkıştırma Şartnamesi
Sıkıştırılan malzeme cinsine göre proctor deneyinden elde edilen en yüksek yoğunluğun yüzdesi cinsinden sıkıştırma yüzdesi istenir. Havaalanı, otoyol üst temeli gibi yapılar için modifiye proctor deneyinin %95 ile %100 aralığında sıkıştırma istenir. Bina döşemesinin oturacağı zemin için %90 modifiye proctor uygun bir sıkıştırma olur. Baraj, set ve benzeri yapılarda standart proctor'un %95'i yeterli görülür.
Standart proctorda maksimum yoğunluk 1,67 gr/cm3 ise %95 standart proctor yaklaşık 1,60 gr/cm3 değerine denk gelir.
Farklı miktardaki oturmanın engellenmesi için mutlaka sıkıştırmanın tüm yüzeylerde birbirine yakın miktarda yapılması gerekir. Aksi takdirde binalarda çatlak ve yarıklar oluşurken yollarda ise kasisler görülür.
Zeminin arazideki yoğunluğu sonar, radar veya nükleer yöntemlerle ölçülür. Bu yöntemlerle çok hızlı sonuç alındığı için inşaat ekipmanları hızlı biçimde iyi sıkıştırma yapılmayan bölgeye yönlendirilebilirler.
Sıkıştırma ekipmanları ve Yöntemleri
Sıkıştırma amacı ile kullanılan başlıca ekipmanlar basınç ayaklı tekerlekler (tamping foot rollers), çelik levhalı tekerlekler (grid or mesh rollers), titreşimli sıkıştırıcılar, düz yüzeyli çelik tamburlu sıkıştırıcılar, havalı tekerlekler, parçalı levhalı tekerlekler (segmented pad rollers) ve eziciler ve koçbaşları olarak gösterilebilirler.
Basınç ayaklı tekerleklerin üzerinde çok sayıda çıkıntı yapan ayaklar mevcuttur. Bunlara keçi ayağı denir. Ayak boyu sayısı ve genişliği büyük çeşitlilik gösterir. Zeminin yumuşakken keçi ayakları derinlere gömülerek alt katmanları sıkıştırırlar ve her geçişte gömülme miktarı azalır en sonunda gömülme olmadan sıkışmış zeminin üzerinde ayaklar ilerler. Keçi ayakları statik ağırlık ve yoğurma ile zemin sıkıştırması sağlarlar. Bu nedenle en iyi sonucu kohezif zeminlerde verirler. Ayaklar zemine nüfuz ederken ve çıkarken zemini yoğurma ve zeminde yer değiştirmeye neden olmakta ve bozucu etki oluşturmaktadır. Yeni tasarım keçi ayakları bu etkiyi azaltmaya yönelik iyileştirmeler bulunmaktadır. Sıkıştırma sırasında 15 km/saat hızla ilerleyebilmektedir. Bu hız aynı zamanda titreşim etkisi de yapmaktadır.
Çelik levha tekerlekli sıkıştırıcılar iç içe geçmiş çelik levhalardan inşa edilmiş ağır çelik tambur tekerleği vardır. Tasarımı sonucu zemini saçmadan yüksek hızda sıkıştırabilirler.
Sıkıştırma statik ağırlık, darbe ve az da olsa yoğurma ile sağlanır. Çelik levhalı silindirler temiz çakıl ve kumlarda en iyi verimi gösterirler. Ayrıca kohezif zeminlerin topaklarını parçalamada da kullanılırlar.
Titreşimli sıkıştırıcılar çok çeşitli ebatlarda da olabilirler. Tür olarak titreşimli plaka, titreşimli düz tekerlek ve ayaklı tekerlek biçiminde olabilirler. Düz tamburlu olanları asfalt ve yol sıkıştırmalarında kullanılırlar. Kohezif zeminlerde kullanılacakları zaman düşük frekansta titreşim uygulanmalıdır.
Çelik tekerlekli veya düz tambur tekerlekler büyük taneli yüzeyler asfalt yüzeyler ve kaplamaların sıkıştırılmasında kullanılırlar. Sıkıştırma statik ağırlıkla sağlanır, lastik tekerlekli veya havalı tekerlekli sıkıştırıcılar çok tekerlekli olan bu sıkıştırıcı türünde tekerlekler belirli açılarda yana yatıktır. Bu nedenle hareket sırasında yalpalama yapar ve zeminde yoğurma etkisi oluşturur. Ağırlıkları 200 tona kadar çıkabilir ve baraj inşaatlarında kalın sermelerin sıkıştırılmasında ve son tabaka sıkıştırmasında kullanılırlar. Havalı tekerlekler kum ve çakıl zeminlerde en az verimi gösterirler. Bunun dışındaki zeminlerde etkilidirler.
Parçalı levhalı tekerlekler keçi ayağına benzerler ancak çıkıntılar levha biçiminde olduğu için zemini daha az bozarlar. Titreşimli koçbaşı (rammer) zeminin içine nüfuz ettirilip titreşim vererek sıkıştırma sağlayan cihazdır.
Kanal ve bina temel kazıları gibi dar ve yoğun titreşim uygulanamayacak yerlerin sıkıştırılması küçük sıkıştırıcılar veya ekskavatörlere takılan plaka sıkıştırıcılar ile yapılır.
Sıkıştırma tekerleği ve plakası hidrolik ekskavatöre takılabilen 2 aparattır.
Sınırlanmış bölgelerde kullanılabilecek sıkıştırıcılar
Tür Ağırlık (kg) Güç (Hp) Frekans Kuvvet (kN) Genişlik (cm) Koçbaşı / Ezici 50 - 100 3 - 5 550 - 700 8.2 - 26.2 10 - 40 Titreşimli plaka 50 - 600 3 - 14 2580 - 6325 6 - 65 30 - 80 Titreşimli
Tekerlek 450 - 1500 7 - 24 1800 - 4200 15 - 70 10 - 110
Ekskavatör aparatları
Sıkıştırma Tekeri 270 - 2300 - - - 10 - 110
Titreşimli
Tekerlek 370 - 1000 - 1700 - 2400 30 - 100 50 - 90
Sıkıştırma ekipmanın seçimi: En az enerji ve süre ile sıkıştırma yapabilmek için uygun ekipman ve teknik seçimi yapmak büyük önem taşır.
Malzeme Çelik
Tekerlek Havalı
Tekerlek Titreşimli Basınçlı
Ayak Izgaralı
Taş Uygun Olumsuz Uygun Uygun Uygun
Çakıl (Temiz veya siltli) Uygun Orta Uygun Uygun Uygun
Çakıl (Killi) Uygun Orta Orta Uygun Orta
Kum (temiz veya siltli) Olumsuz Olumsuz Uygun Olumsuz Orta
Kum (Killi Silt) Olumsuz Orta Orta Uygun Olumsuz
Kil (Kumlu veya Siltli) Olumsuz Uygun Orta Uygun Olumsuz
Kil (Ağır) Olumsuz Uygun Orta Uygun Olumsuz
Sıkıştırma İşlemleri: Uygun sıkıştırma makinesinin seçiminden sonra zeminin su muhtevasının belirlenmesi sıkıştırma kalınlığı (lift thickness) geçiş sayısı, zemin temas basıncı, sıkıştırıcının ağırlığı ve hızının belirlenmesi gereklidir. Titreşimli sıkıştırıcılar için frekans ve genliğin de belirlenmesi gereklidir. Laboratuarda elde edilen en uygun su muhtevası oranı genellikle sahadaki en uygun su muhtevası olmaz. Farklı sıkıştırma araçlarının en uygun su muhtevası oranları da farklı olur.
23 cm kalınlığındaki tabakalar halinde sıkıştırılan ve 64 geçiş yapılan siltli kilin farklı sıkıştırma makinelerine göre su muhtevasının kuru yoğunluk üzerindeki etkisi şekilde gösterilmiştir.
Plastik zeminleri sıkıştıran hava basınçlı tekerlekler için optimum su muhtevasının proctor deneyindeki optimum oranına yakın çıktığı bilinmektedir.
Keçi ayağı ve benzeri basınçlı sıkıştırıcılarda plastik zeminler için sahadaki en iyi oran laboratuar değerlerinden daha düşüktür.
Plastik olmayan zeminlerde titreşimli olmayan sıkıştırıcılar için en uygun su muhtevası laboratuarda elde edilen sonucun yaklaşık %80'idir.
Titreşimli sıkıştırıcı su muhtevası laboratuarda elde edilen değerden az olduğu durumlarda arazide en iyi sonucu veren makinedir.
Sıkıştırma kalınlığı 15 ile 20 cm arasında seçilmelidir. Ağır lastik tekerlekli sıkıştırıcılar için 30 cm kalınlık uygulanabilir. Ancak zeminin hafif bir sıkıştırıcı ile önden sıkıştırılması ağır sıkıştırıcının saplanmasını önler. Temiz iri taneli zeminler için sıkıştırma derinliği 1 tonluk titreşimli silindir için 20 cm, 15 tonluk silindir için 1 metreye kadar çıkar.
Geçiş sayısı zemin-sıkıştırıcı etkileşimine bağlıdır. Killi çakıl sıkıştıran keçiayağında 50.
geçişte dahi yoğunlukta önemli iyileşme elde edilebilir. Ancak, genelde 10. geçişten sonra önemli bir iyileşme elde edilmez.
Zemin temas basıncı 200 kPa (lastik tekerlekli sıkıştırıcılar) ile 2000 kPa (keçiayağı) arasında değişir. Temas basıncından çok sıkıştırıcının toplam ağırlığının daha etkili olduğu görülmüştür. Keçiayağı boyunun uzatılması sıkıştırma derinliğini arttırmaktadır. Aşırı temas basıncı ise zemin kesme dayanımını aşıp zemini deforme edebilir. Keçiayakları 5. geçişten sonra 2,5 cm'den fazla gömülüyorsa ya temas basıncı ya da su muhtevası çok fazladır.
Sıkıştırıcı Üretiminin Tahmini
Sıkıştırıcının üretimi; sıkıştırıcının ilerleme hızına, sıkıştırma tabakasının kalınlığına, etkin sıkıştırma genişliğine ve çalışma verimine bağlıdır.
P xGxHxLxE saat
SM3/ 10
P = Zemini sıkıştırmak için yapılan geçiş sayısı G = Bir geçişte sıkıştırılan zemini genişliği (m) H = sıkıştırıcının hızı (km/saat)
L = sıkıştırılan tabakanın kalınlığı (cm) E = çalışma verimi
