232
ALTINCI BÖLÜM
TEMEL ZEMİNİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ
6.1 AMAÇ
Binaların temel mühendisliğinde ana prensip yapının yüzeysel, tekil ve tercihen kare ayaklar üzerine oturtulmasıdır. Tekil temellerin kullanılamadığı durumlarda yayılı temel seçeneğine başvurulabilir. Türkiye’de günümüzde yapı ağırlıklarının artması ya da zemin koşullarının kötüleşmesi ile projeci mühendislerde eğilimin derin temellerin kullanımı yönünde olduğu gözlemlenmektedir. Oysa örneğin, kazık gibi pahalı bir seçeneğe başvurmadan önce birçok durumda yayılı temel kullanmak veya zemini iyileştirerek yüzeysel temel seçeneğini sürdürebilme olanağı değerlendirildiğinde, önemli maliyet düşüşleri sağlandığı deneyimlerle görülmüştür. Bu Bölüm’de bina temellerinin zemininde kullanılabilecek ekonomik ve Türkiye koşullarında uygulanabilir yöntemlere değinilecektir.
Zeminlerin “ıslahı” konusu mühendisler ve öğrenciler arasında geotekniğin en ilgi çeken dallarından biri olarak öne çıkmıştır. Bir kişi ve cisime sihirli bir değnekle dokunarak onu bir anda değiştirebilme olgusu insanların hayallerini süsleyen bir yetenek olma özelliğini taşır. Örneğin, mühendisler arasında yapılan bir kamuoyu araştırmasında zayıf zeminin çok dirençli yapay torba ya da kılıf içine alınarak kullanımı, çakılan ya da top mermisi gibi atılıp zeminde öngörülen yere vardığında patlayarak o bölgeyi taşlaştıran kimyasal işlemler, ısıl bir işlemle temel zeminini eriterek taşlaştıran iyileştirme yöntemlerinin önerildiği görülmektedir. Bu hayallerin birçoğu da günümüzde gerçekleşebilmektedir.
İyileştirmenin güncel önemi sadece temel ortamını amaca uygun hale getirme olarak algılanmamalıdır. Günümüzde büyük hızla gelişen endüstri, birincil ve yan ürünlerini büyük hacımlarda pazarlama durumundadır. Bu ürünlerin inşaat endüstrisinde kullanımı bu istenen hacımlara ulaşılmasını sağlayabilir nitelikte görünmektedir. Örneğin, başarılı Türk çimento endüstrisi yol üst yapısının artık asfalt yerine betonla oluşturulmasının sağlayacağı yararları kamuoyuna ısrarla duyurmaktadır. Sadece otoyollarda beton kaplama kullanımının bu endüstriye nasıl bir atılım sağlayacağını her mühendis değerlendirebilir. Hurda oto lastiklerinin duvar yüzü yapımında kullanılmasıyla atıkların ne denli değerleneceği de buna bir diğer örnektir.
6.2 TANIMLAR
Türkçe’de eşanlamlı olarak kullanılan “zemin iyileştirmesi”, ıslah ve “stabilizasyon” terimleri gerçekte bazı farklılıklar gösterirler. İyileştirme genel bir terim olup zeminin birim hacım ağırlığı, geçirimliliği, ısıl iletkenliği, şişme/büzülme yeteneği, göçebilirliği, dağınık yapısı gibi özellikleri değiştirmeyi gözetir.
233
Bir parseldeki bina yükünün makul derinliğe inilmesine karşın zemin veya kaya tarafından hedeflenen taşıma gücü veya oturma limitleri içinde kalarak yüzeysel temele taşıtılamaması durumu ise stabilizasyon uygulaması gerektirir. Stabilizasyon işlemleri özellikle sıkışabilirlik ve kayma direnci parametrelerinin istenen yönde değiştirilmesi ve sıvılaşma riskinin giderilmesi olarak algılanmalıdır.
6.3 UYGULAMAYA GEREKSİNİM
Bir parselde öngörülen binanın yüzeysel temellerle taşıtılamaması durumunda yüksek maliyetli iyileştirme, hatta derin temel çözümünü seçmeden şu yollardan birine başvurulabilir:
• Parselin terkedilerek binanın başka yere yapılması
• Jeolojik açıdan çok genç, dolayısıyla yetersiz olan üst tabakaların kaldırılarak yerine nitelikli gereç yerleştirilmesi
• Üst yapı (taşıyıcı sistem) ve/veya yüzeysel temel özelliklerinin temel ortamının özellikleri gözönüne alınarak değiştirilmesi
Geçmiş yıllarda Türkiye’de özellikle kamu binalarının parsel zemininin amaca yeterli olmadığı gerekçesi ile başka yerlere kaydırıldığı belleklerdedir. Kamu kaynaklarında savurganlığın önlenmesi açısından takdirle karşılanacak bu yaklaşım yapım alanlarının giderek kıtlaşması ve örneğin askeri yapılarda olduğu gibi binanın öngörüldüğü yerden fazla uzağa yapılmaması zorunluluğu bu seçeneği çoğu zaman olanaksız kılar. Ancak bu pasif davranışın önemli bir seçenek olduğunu da unutmamak gerekir.
1999 depremlerini izleyerek Adapazarı kentinde suçlu ilan edilen yetersiz zeminlerin gerçekte sadece 5 m kalınlıkta olduğu, birçok yerde bu derinlik altında sağlam ortama girildiği daha sonra yapılan araştırmalarla kanıtlanmıştır. Bunun nedeni kenti kaplayan akarsu çökellerinin bu derinlik boyunca sadece 100-1000 yaşında olmasıdır. Holosen çökellerden Pleyistosen katmanlara girildiğinde ortamın iyileştiği görülmüştür. Benzer şekilde, Gölcük’te genç denizel çökeller 3-10 m’de yerini Pliyosen yaşlı, şaşırtıcı denli nitelikli katmanlara bırakmaktadır. Bu gibi durumlarda zayıf zemin kalınlığı fazla değilse binanın oturacağı yerdeki zeminin kaldırılıp oturma kriterini sağlama koşuluyla, yerine seçme gerecin sıkıştırılarak yerleştirilmesi düşünülebilir. Bu tür gereçlerin hala görece bol, kazıdan çıkan atıkların ise kolayca gizlenebildiği Türkiye’de bu seçenek maliyet açısından cazip görünmektedir. Kayalarda da yine benzer durumla karşılaşılır.
Genellikle yüzeyde ayrışma/yıpranma ile zayıflamış bir bölge bulunmakta, bunun altına inildiğinde sağlam ortama girilmektedir.
Daha “mühendisçe” olarak nitelendirilebilecek yaklaşım ise yapıyı zemin koşullarına uyumlu hale getirmekle sağlanabilir. Binanın rijitliğini değiştirerek onu zeminin statik ve sismik yükler altında göstereceği şekil değiştirmelere uyumlu hale getirme, bir diğer deyişle tasarımı yapı-zemin etkileşimini gözönüne alarak gerçekleştirme etkinliklerini artık geoteknikçinin kolayca başarabileceği bir süreç olarak görmek gerekmektedir.
6.4 İYİLEŞTİRME/STABİLİZASYON YÖNTEMLERİNE YAKLAŞIM
Birçok belge bu konuyu farklı yaklaşımlarla ele almaktadır. Örneğin basit bir bakış açısı iyileştirme ve stabilizasyon yöntemlerini
• Geçiçi etkili (kozmetik)
• Kalıcı etkili, yabancı bir gereç eklemeden sonuçlandırılan
• Kalıcı etkili, ancak ortama katkı maddesi veya yabancı cisim ekleyerek gerçekleştirilen guruplarına ayırırken17, bir diğeri ise bu yolları
• Mekanik
• Hidrolik
234
• Fiziksel-kimyasal
• Katkılı-yapısal destekli
• Kitleyi kısıtlayarak özellikleri iyileştiren
olarak sınıflamaktadır7. Mitchell12 ise yapılacak işlemin seçiminde öncelikle zeminin dane boyutlarının etkin olacağını vurgulamıştır (Şekil 6.1).
Şekil 6.1 Zemin İyileştirmesinde Kullanılan Yöntemlerin Dane Boyutuna Göre Ayırımı Son yıllarda zemin iyileştirmesi alanında atılan adımlar bu konunun başlı başına bir endüstri haline gelmesi sonucuna götürmektedir. Çizelge VI-1’de konuya güncel bakış açısı sunulmaktadır. Bu tabloda iri ve ince daneli zeminler için farklı yöntemlerin uygulanabilirliği gösterilmekte donatılandırmaya da zemin iyileştirme kategorisi olarak değinilmektedir.
Kuşkusuz, yöntemlerin bir diğer önemli ayırımı da temellerin altında uygulananlar ve temel kazısının güvenliğini sağlamakta kullanılanlar, biçiminde yapılabilir. Bu ikinci gurup uygulama, temel çukurunun derinliği ve zemin-yeraltı suyu koşulları nedeniyle çok farklı yöntemlerin kullanımını gerektirebilmektedir ve bu kitapta değinilmeyecektir.
Etkisine özel ve acil durumlarda gereksinim duyulan yöntemler geçici ve kozmetik önlemlerdir.
Bunlar yeraltı su seviyesinin düşürülmesi, zeminin dondurulması ve elektro-kinetik olarak da bilinen elekroosmoz yöntemleri olarak sayılabilir. Bina inşaatı veya temel kazısı tamamlandıktan sonra sürdürülmeyen, etkisi de ortadan kalkan bu çalışmalar yüksek maliyetli ancak acil çözüm sağlayan etkinliklerdir.
Zemine bir yabancı cisim veya gereç eklemeden uygulanan yöntemler titreşim uygulayarak ortamın birim hacım ağırlığını yükselten, ya da ortamı yüksek sıcaklıklara çıkararak taşlaştıranlardır.
Ortama kireç, çimento ve kimyasallardan çelik donatılar veya suyu hızla ileten fitillere değişen yabancı gereçler ekleyen yöntemler gereç/yabancı cisim katkılı olarak nitelendirilirler.
235
ÇİZELGE VI-1 ISSMGE TC17 ZEMİN İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ AYIRIMI24 YÖNTEMİN ÖZELLİĞİ
İRİ DANELİ ZEMİN VE DOLGUDA
KATKISIZ
İNCE DANELİ ZEMİNDE KATKISIZ
KATKILI VE CİSİM EKLEMELİ
İÇİTİM TİPİ
KATKILI DONATILANDIRMA Dinamik kompaksiyon Drenajlı dinamik
konsolidasyon
Titreşimli ittirmeyle (vibro
replacement)
Daneli içitim Mekanik stabilizasyon Titreşimli (vibro)
kompaksiyon Önceden yüklemeli Dinamik ittirmeyle
Kimyasal
enjeksiyon Geosentetikler Patlatmalı sıkıştırma Emme ile önceden
yüklemeli
Kum kompaksiyon
kazığı
Karıştırma
yöntemleri Zemin ankrajları Elektrik uygulamalı
sıkıştırma
Yerine başka zemin koyarak
Geotekstil
kolonları Jet grout Çivileme Yüzeyden sıkıştırma Elektro kinetik
konsolidasyon
Rijit cisim yerleştirme
Sıkıştırma
enjeksiyonu Biyolojik yöntemler Isıl işlemlerle Kazıklı dolgular Telafi
enjeksiyonu Suda patlatma ile
sıkıştırma
Bakteriyel yöntemler
Bir ortamda hangi yöntemin en verimli biçimde kullanılacağını kararlaştırırken gözönüne alınacak kriterler ise öncelikle binanın mevcut veya öngörülen bir yapı olması, temel ortamının kohezyonlu veya kohezyonsuz zeminlerin eğemenliğinde olması, ortamın doygun/batık veya doymamış durumda (DOZ) bulunması, son olarak da zeminlerin organik içeriğinin ne denli yüksek olduğu hususlarıdır. Daha basitçe söylemek gerekirse, zemin iyileştirmesi konusu kolay görünen ancak mühendisin deneyimi yoksa başarısız ve yüksek maliyetli sonuçlara götüren bir etkinlik haline gelebilmektedir. Çizelge VI-2 iyileştirme etkinliklerini bina ve zeminin türüne göre incelemektedir.
ÇİZELGE VI-2 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİNİN UYGULANABİLİRLİĞİ
ÖZELLİKLER BAŞARI OLASILIĞI
YAPI GURUBU
BİNA TÜRÜ
OTURMA YETENEĞİ
∆max
(mm)
TABAN BASINCI (kPa)
Gevşek- Kohezyonsuz
Yumuşak- aluvyon
Eski dolgu Büro >6 kat yok <15-30 Yüksek
(300+) yüksek kuşkulu yok
Apartman 3-6 kat orta <25-50 Orta (200+) yüksek düşük iyi Bina 1-3kat düşük <25-50 Düşük
(100+) yüksek iyi yüksek
Santral,
vinç 1-2 kat yok <25 Değişken
(400+) yüksek kuşkulu düşük
Çerçeveli
endüstri 1-3 orta 25-100 Değişken
(100+) yüksek iyi yüksek
Yakıt tankı 1 orta-
yüksek 25-200 Yüksek (<300)
gerekiyorsa
iyi yüksek yüksek
Bina temellerinin stabilizasyonunda yamaçlar, tüneller vb. özel problemlerde başvurulan yöntemlerin tümü uygulanmaz. Ayrıca, Türkiye’de ekonomik koşullar, teknoloji transferinin yavaş gelişmesi, iş sahibinin gerekli konsolidasyonun tamamlanması için gerekli süreyi beklemek istememesi gibi nedenlerle tüm iyileştirme yöntemlerinin serbestçe kullanılamadığı da bir gerçektir. Burada Türkiye koşullarında uygulanmakta ve gelecekte uygulama olanağının doğacağı düşünülen yöntemlere öncelikle değinilecektir.
236 6.5 YÜZEYSEL İŞLEMLERLE İYİLEŞTİRME
Yüzeysel işlemler en ucuz yöntemlerdir. Bunların etkinliği kuşkusuz zeminin özellikleri kadar öngörülen binanın ağırlığı ile de bağıntılıdır. Ancak az da olsa, yapıldığı zaman zaman görülen silindirleme uygulamalarının hiçbir yararı olmadığı öncelikle söylenmelidir. Dikkate alınmaya değer yöntemler
(a) ıslatma
(b) vurmalı sıkıştırma (c) hızlı darbeli sıkıştırma olarak özetlenebilir.
6.5.1 Önceden Islatma
Herkes zemini ıslatmanın beklenmedik sonuçlar getirebileceğini sezinler. Bunun sonucu Anadolu’da birçok inşaatta binanın yapımından sonra bodrum çevresine doldurulan kilin dahi sulandığı sıkça görülür. Killer su aldığında şiştiğinden işlemin yarar değil zarar getirdiği de kimseye anlatılamaz. Buna karşın silt ağırlıklı göçebilen zeminler üzerlerine su havuzlandığında (prewetting) bunlar ciddi hacım azalmaları gösterirler. İşlem küçük çaplı patlatmalarla desteklendiğinde daha da önemli sıkışmalar elde edilmektedir.
6.5.2 Vurmalı Sıkıştırma
Geleneksel Proctor tipi rutubet kontrollu sıkıştırmanın ulaşım yapılarında yeterli ancak bina temellerinde etkin olmadığı yıllar önce görülmüştü. Bazı zeminlerde sığ temelli yollarda dahi fazla etkin olmayan “kompaksiyon” işlemlerinin yerini yoğuran ya da titreştiren değil, Güney Afrika’da geliştirilmiş vurmalı silindirler almaktadır. Ağırlığı 100 kN, biçimi silindir yerine üçgen (25 kiloJoule) veya beşgen (15 kJ) olan yaklaşık 2 m çaplı ağırlık temel kotuna yakın bir derinlikte düzlenmiş yüzey üzerinde Foto VI-1’de görüldüğü gibi yüksekçe hızla çekilerek (10 km/saat) zemine tekrarlı darbelerle yüksek enerji uygulamaktadır (High Energy Impact Compaction: HEIC). Arkasında çekilen titreşimli silindirler ise tokmağın yüzeyde bıraktığı derin yaraları “ütüleyerek” düzleştirmektedir.
Bu yöntemin en verimli olduğu zeminler yeraltı su seviyesinin alçak olduğu kumlu zeminler ve eski dolgulardır.
İyileştirme yapıldıktan sonra kalite kontrolu penetrasyon deneyleri veya tercihen 0.6 m çaplı plaka yükleme deneyleri ile yapılmakta ve bu yöntemle 4 m derinliğe kadar etkin iyileştirme sağlandığı görülmektedir. Bu derinlik de az katlı binalar için yeterlidir.
Foto VI-1 Üç ve Beş Kenarlı Vurmalı Sıkıştırıcı (HEIC)
237
Örneğin, İskoçya’da 20 hektarlık geniş bir yerleşim alanında yapılan çalışmalar sonrasında yapılan 200 kontrolda Şekil 6.2’de gösterilen sonuçlar alınmıştır.
Şekil 6.2 HEIC Uygulamasında Başarılı ve Başarısız Sonuçlar
Yeni geliştirilen bir yöntemde dingile yerleştirilen ivme ölçerin kullanımı ile iyileştirmenin başarısı sürekli olarak denetlenebilmektedir.
6.5.3 Hızlı Darbeli Sıkıştırma
Yeraltı suyunun bulunmadığı atık depoları, eski dolgular, döküm alanları ve kül depolarında çok etkin olduğu bildirilen bu yöntemde (rapid impact compaction: RIC) kazık çakıcı tip bir makinaya bağlanmış 1.5 m çapında plaka yüzeye sık aralıklarla vurulmakta (Foto VI-2) ve zemine vuruş başına yaklaşık 85 kN.m dolayında enerji uygulanmaktadır. Bu enerji yeterince yüksek görülmeyebilirse de makinanın temel alanını oldukça hızlı dolaşabilmesi sonucu bina temelinin yeterince yüksek toplam enerji ile sıkıştırıldığı ve işlem öncesi zemin parametrelerinin çalışma tamamlandığında 10 kata kadar yükseldiği görülmektedir20.
6.6 TİTREŞİMLİ YÖNTEMLERLE İYİLEŞTİRME
Her tür zeminin uygun titreşimlerle 30 m derinliğe kadar başarılı olarak sıkıştırılabileceği olgusu 1960’larda geoteknikte önemli ilerlemeler getirmiştir. Kuşkusuz, kumlar ve çakıllı kum zeminler Foto VI-2 Hızlı Darbeli Sıkıştırıcı (RIC)
238
titreşimden öncelikle etkilenirler. Ancak ince daneli zeminleri de bu yaklaşımı kullanarak sıkıştırmanın mümkün olduğu anlaşılmıştır. Bina temelleri için elverişli titreşimle zemin iyileştirme yöntemlerini
(a) titreşimli sıkıştırma (vibro-compaction)
(b) titreşimle zemine gereç yerleştirme/ittirme (vibro-replacement) (c) dinamik konsolidasyon (heavy tamping)
olarak gösterebiliriz. Titreşimli sıkıştırma çakıllar, dolgu ve kumlarda başarılı olurken titreşimle ittirme yöntemi ile zemine gereç yerleştirme kil ve silt içeren zeminlerde de etkindir (Şekil 6.3).
Şekil 6.3 Titreşimli Sıkıştırma ve İttirme ile Gereç Yerleştirme Yöntemleri Uygulama 6.6.1 Titreşimli Sıkıştırma
Literatüre ilk kez 1936’da Almanya’da geliştirilen vibroflotasyon yöntemi ile giren titreşimli sıkıştırma, sonraki yıllarda Vibro-Wing, Terraprobe, Franki Y-Probe gibi patentli adlarla anılan yöntemlerle geliştirilmiştir. Bu yöntem kil-silt içeriği %15’ten düşük ortamlarda 35 m derinliğe kadar başarılı olur.
Uygulamada 0.45 m çaplı ve 2-4.5 m boylu sonda zemine Şekil 6.4’deki gibi, örneğin basınçlı su yardımı ile 1-2 m/dak hızla indirilir. Dışarı çıkarken 300 kN dolayında merkezkaç kuvveti uygulayan, titreşim frekansı 30-50 Hz, yanal genliği 5-25 mm olan 40-80 kN kütleli bu sondanın (Foto VI-3) çevresine dışarıdan taze ek gereç doldurulur. İşlemler tamamlandıktan sonra geçirilen titreşimli silindirle yüzeye yakın bölgenin tam sıkışması sağlanır.
Foto VI-3 Vibroflot Sondası
239
Şekil 6.4 Vibroflotasyon Yöntemi ile Sıkıştırma (a) Vibroflot Çekilmiş (b) İşlem ve Dizilimler Zeminin vibroflotasyona elverişli olup olmadığı uygunluk sayısı β ile kontrol edilir:
10 2 202
50 2 (D )
1 ) D (
1 )
D ( 7 3 .
1 + +
=
β ... (6.1)
Burada D50, D20, D10 karşılıklı olarak zeminin tipik ortalama dane boyutu, P=%20’ye karşılık gelen boyutu ve efektif çapıdır. β’nın 10’dan küçük olması bu yöntemin uygulanmasına tam yatkınlığı, 30’dan büyük olması ise başarı ile uygulanamayacağını, β>50 ise uygulanmaması gereğini göstermektedir. Bu yönteme benzer bir teknik olan terra probe yöntemi de sıkça uygulanmaktadır.
Zemini içine itilen bir sonda ile rezonansa getirerek yapılan sıkıştırma (MRC: Müller Resonant Compaction) şimdilerde yoğun ilgi çekmektedir. Burada Foto VI-4’te gösterilen prob zemine titreştirme yoluyla itilirken rezonansı sağlayan frekans yüzeyde ölçülerek zeminin minimum direnç gösterdiği değer tayin edilmektedir. Rezonansa getirilen zemin 30 m’ye kadar sıkıştırılabilmekte, aralıklar 3.5-4.5 m tutulmaktadır. Çakıll taşlı ortamda çok yüksek koni uç dirençlerinin ölçüldüğü bildirilmiştir.
Foto VI-4 Rezonanslı Sıkıştırma Yöntemi (a,b) Kule (c) Sonda Ucu
240
Bir diğer ilginç yöntem kum ve siltli zeminde bulamaçla dolu kuyuya indirilen sondanın yüksek voltajla elektrik kıvılcımı salmasıyla bir elektro-hidrodinamik etki oluşturması ve ortamı sertleştirmesi ile işlev yapmaktadır.
6.6.2 İttirmeli Sıkıştırma
Bu yönteme ittirmeli denmesinin nedeni işlemlerde vibroflotasyon aleti benzeri titreşimli sonda kullanılmasına karşın Şekil 6.5’te görüldüğü gibi kil ve silt te içeren zemin titreşimli sondanın salınımı ile yanlara itilirken açılan boşluğa taş, çakıl veya kum doldurulmasıdır. Bu nedenle boyu 30 m, çapı 1.2 m’ye oluşan kolonlar günümüzde taş ya da çakıl/kum kazığı/kolonu olarak adlandırılmaktadır.
Şekil 6.5 Taş Kazığı Oluşturulması
Japon yöntemi olarak bilinen bir farklı uygulamada (vibrocomposer) sıvılaşmaya yatkın yumuşak zeminlere titreştirilirken döndürülerek indirilen boru (Şekil 6.6) hedeflenen derinliğe vardıktan sonra çakılla doldurulmakta, borunun ucundaki kapak (klape) ters dönüş sırasında açıldığından çakıl, ortadaki çubuğun (iğne) titreşimli vuruşları ile zeminin içine sıkıştırılmakta, boru da bu sırada dışarıya alınmaktadır.
Şekil 6.6 Burgulu Sistemle Taş Kolonu İmalatı
241
Taş kolonlarının etkin olabilmesi için çapın 0.6 m’den büyük olması, imal edildiği zeminin direncinin de aşırı düşük olmaması gerekir (Su>25 kPa). Çok yumuşak kil ve siltlerde “taş göçü”
denilen olay nedeniyle dolgu gereci büyük çaplı kazıklardan dahi çamur tarafından hızla yutularak kaybolmaktadır. Bunu önlemek için kazığa çimento enjeksiyonu yapılması önerilmekte ise de bunun yöntemin amacıyla çelişen bir müdahale olduğu söylenebilir.
Taş/çakıl kazıkları arazi yüzeyi 0.3 m kalınlıkta bir kum-mıcır tabakasıyla kaplanarak önce büyük aralıklarla uygulanır. Son aşamada aralıklar merkezden merkeze s=1.5-3.5 m olarak kesinleştirilir.
Uygulama sonunda yöntemin etkinliği koni penetrasyon deneyi ile kontrol ediliyorsa uygunluk sayısı
β= + tanα S
1 G ... (6.2)
olur. β iyileştirme sonrası ölçülen koni uç direncinin iyileştirme öncesi değerine oranı olarak tariflenir. Burada G kuyuya eklenen taş/çakıl/kum hacmı, S ise sondanın zeminde etkilediği bölgenin hacmıdır. tan α zeminin dane dağılımı indisi C=(10a+b) ve iyileştirmeden önceki CPT uç direncini yansıtmaktadır. Bu ifadede a simgesi zemindeki 2 µm, b ise 74 µm’dan ince dane boyutlarının yüzdesidir. C’yi CPT deneyinde sürtünme oranı FR’ye eşit almak mümkündür.
Sürtünme oranı FR zeminin silt ve kil içeriğini yansıtan bir değer olup taş kazıkları ile elde edilebilecek görece sıkılık derecesini gösterir. Denkleme tan α=6 ve G/S=0.1 ile girilecek olsa, penetrasyon direnci %60 iken, α değeri 10’a yükseldiğinde beklenen artış %100 olacaktır.
Son yıllarda uygulanan bir değişik yöntem dövme taş kazığıdır (rammed aggregate pier) (Şekil 6.7). Bu yöntemin geleneksel taş ve kum kazığından farkı eklenen malzemeyi yanlara ittirmek yerine, burguyla açılan yaklaşık 9 m derinlikteki kuyuya doldurulan mıcırın özel başlıkla dövülerek 14 m derinlikte bir yüksek modüllü kolon oluşturmasıdır. Yöntemin yeraltı suyu altındaki her türlü zemine uygulanabileceği öne sürülmektedir.
6.6.2.1 Taş Kazığının Mekaniği
Düşük maliyet ve yapımda hız, taş kazığını cazip kılan özelliklerdir. Çözülmesi gereken problem, oluşturulan kompozit ortamın yükler altında nasıl davranacağının kestirilmesidir. Bu hesaplama günümüzde sonlu elemanlar gibi bir sayısal yöntemin kullanımı ile yapılabilmektedir.
Daha basit hesaplamalar bazı önemli varsayımları gerektirir. Şekil 6.8a’da ilginç bir örnek olması açısından sistemin işlevinin basit rijit-plastik reolojik modellemesi gösterilmiştir. Sistem
Şekil 6.7 Dövme Taş Kolonu
242
yüklendiğinde zemin sıkışmakta, bu hareket kolonların elastik ve değişmez hacımda boy değiştirmesine neden olmaktadır. Yumuşak zeminin altındaki zeminin bu süreçte sıkışmadığı kabul edilmektedir18.
Şekil 6.8 Taş Kolonu Hesaplamasında Farklı Yaklaşımlar (a) Van Impe17 (b) Bachus ve Barkdale2
Şekil 6.8b’de daha basit bir model görülmektedir. Bu modelde farklı rijitlikte iki kolon arasında gerilme yoğunlaşması oluştuğu noktasından çıkılmakta ve gerilme yoğunlaşma faktörü
s
c
n' σ
= σ ... (6.3)
olarak tarif edilmektedir. Burada σs taş kolonun, σc ise çevredeki zeminin aldığı gerilmelerdir. Bu gerilmeler zemine yüzeyde uygulanan ortalama gerilme σ için
1 1
1
1 1
s s
s
c c
s
n ' ...
(n ' )a
...
(n ' )a
σ = σ + − = µ σ
σ = σ + − = µ σ
(6.4a,b)
olup µs ve µc gerilme yığılım faktörleridir (Şekil 6.9). Taş kolonun getirdiği alan değiştirme katsayısı
A
as = As ... (6.5)
kolonun alanı As ile beher birim hücreyi oluşturan toplam alanın (A) oranıdır. Örneğin, kolonların eşkenar üçgen konumunda alan değiştirme katsayısı ise
2
s s
907 D . 0
a
= ... (6.6)
bağıntısı ile bulunur.
(a)
(b)
243
Şekil 6.9 Gerilme Yığışım Değerleri
Taş kolonunun yapılmasından önce uygulanan yüklerle SF düzeyinde oturma hesaplanan bir kilde iyileştirmeden sonra Ss dolayında bir oturma beklenecek ise hesaplamada Şekil 6.10’daki bağıntıyı kullanmak yeterli olacaktır.
Şekil 6.10 Taş Kazığı (Kolonu) Oturmaları için Hesap Çizgesi
244 PROBLEM 6.1
7 m kalınlıkta, drenajsız kayma direnci 35 kPa, deformasyon modülü 700 kPa olan yumuşak kile φ0.5 m çaplı ve aralığı s=2.5 m olan taş kolonları yerleştirilmiş. Bunların üzerine kolon aralığı 3 m olan 1.0 m boyutlu kare temeller 1.0 m gömme derinliğine oturtulacaktır. Kolon yükleri 380 kPa eşdeğeri ise son oturmaları hesaplayınız.
ÇÖZÜM
Önce, taş kolonları imal edilmese idi oluşacak oturmayı formül (4.80) ile bulalım :
1 2
u '
i Df I I
E B ) q
S =( −σ ×
Burada Df/B= 1/1 = 1.0 → Şekil 4.36b I1= 0.95 Hz/B= 6/1 = 6.0 → Şekil 4.36c I2= 0.62 σDf = 19x1= 19 kPa, ile
380 19 1
0 95 0 62 0 30 30 4
F ( 700 )
S − . . . m . cm
= × = =
bulunur. Taş kolonu geldiğinde ise
2 2 2
0 5 0 196 1 0 1 0 1 0
s 4 F
kolon kesit alanı A = π( . ) = . m ; ve temel alanı A = . × . = . m
1 . 196 5 . 0
000 . 1 A A
S
F = = ve Su=35 kPa ile Şekil 6.10’dan→ oran SF/SS=2.5 bulunarak
Taş kolonunun oturması sadece SS= SF/2.5 = 30.4/2.5 = 12.2 cm
6.6.2.2 Taş Kolonunun Sıvılaşmayı Önlemede Kullanılması
Taş kolonu boyutlandırması ile ilgili farklı yaklaşımlar15 zeminin ve taş kolonunun aldığı kayma gerilmelerine göre yapılmıştır. Örneğin deprem durumunda bunların birim kayma deformasyonlarının (γ ) uyumluluğu koşulu kabul edilerek
1
1 1
r
r s
A ( )
(G )
= τ
− τ − ... (6.7)
245
ifadesi geliştirilmiştir. Burada τs kolonların arasında kalan zeminde oluşacak kayma gerilmesi, τ deprem veya statik koşulda ortama gelen kesme gerilmesi, kayma modülü oranı
r sc
s
G G
= G ... (6.8) ki burada Gsc taş kolonunun kayma modülü, Gs zeminin kayma modülü olarak kullanılmıştır. Taş kolonunun bulunmadığı ortamda kayma gerilmeleri depremde Formül (2.26) ile hesaplanırken yerleştirilecek taş kolonları kayma gerilmelerinin
τ
= τs
KG ... (6.9) gibi bir azaltma katsayısına bağlı olarak düşmesini sağlayacaktır. Şekil 6.11’de Şekil 6.10’a benzer olarak kolonların etkisi Gr’ye bağlı olarak gösterilmektedir. Hesaplamada Şekil 2.28’e bu azaltılmış CSR ile girerek gerekli standart penetrasyon direnci N60 okunabilmektedir.
Şekil 6.11 Taş Kolonlarında Kesit Değiştirme Oranının CSR’ye Etkisi 6.6.3 Dinamik Konsolidasyon
Bu yöntem dinamik kompaksiyon, ağır tokmaklama gibi adlarla da anılmaktadır. Bu değişik nitelendirmelerin yöntemin temel zemininde ne türden bir etki yaptığı konusunda farklı görüşler olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. İlk kez Fransa’da uygulanan bu teknikte11 zemine 5- 35 m yükseklikten 200-1700 kN ağırlıktaki yükün sık aralıklarla düşürülmesi ile iyileştirme yapılır.
Alan uygun kare ya da üçgen aralıklarla (s=3-14 m) işaretlendikten sonra vuruşlar bunların köşelerine atlamalı olarak uygulanır.
Zemine çalışma öncesi denemelerde saptanmış, kendi özelliklerine uygun şekilde verilen enerji ile z derinliğe kadar iyileşme sağlandığı, kritik yani en etkili derinliğin de z/2 içinde belirdiği görülmüştür.
H . W . C
z= δ ... (6.10a)
246
bağıntısında δ, genç dolgular, dengesiz zeminler veya hidrolik dolgularda 0.9, kumlarda 0.4-0.6 arasında; C serbest düşüşte 1.0, kuleden düşürüşte 0.89, mekanik vinçte 0.75, hidrolik vinçte 0.64, çift hidrolik vinçte ise 0.5 olarak alınmalıdır. Son yıllarda kuleli vincin uyguladığı frenleme etkisinin kademeli düşürme ile giderildiği görülmüştür. Bu formülde W düşürülen kitlenin ağırlığı, H ise düşüş yüksekliğidir10.
Sıkıştırma etkisinin derinlikle azalması gözönüne alındığında (6.10a) formülünün
2 1 2 2 1
f f
f(z) (z DZY) f ...
D
= − − + ...(6.10b)
ile daha doğru biçime dönüşeceği bildirilmiştir. Burada f(z) : z derinlikte iyileştirme oranı
DZY: doğal zemin yüzeyi kotu
D : dinamik konsolidasyon iyileştirme derinliği
f1 : yüzeyde maksimum iyileştirme oranı (boyutsuz)≈0.008 E E : uygulanan enerji (t.m/m2)
f2 : sağlanabilecek en büyük iyileştirme derinliğindeki iyileştirme oranı’dır.
Dinamik kompaksiyon zemin yüzeyi ve su altında etkin olmakta, deniz altında yüzdürme etkisinin azaltılması için ağırlık ızgara delikli biçimde imal edilmektedir.
Bu yöntem atık depolarından batık killere kadar çok farklı ortamların sıkıştırılmasında başarı ile uygulanmıştır. Örneğin, yeni yerleşim alanlarında, yani yakında duyarlı yapı bulunmaması durumunda gündeme getirilebilir. Yakında yapılar bulunması durumunda vuruşlarla oluşturulan Mw≈3.5 büyüklüğünde depremler bölge sakinlerini rahatsız ettiği gibi binalarda sıva çatlamalarından oturmalara kadar değişen yapısal hasara da neden olmakta, bu yüzden uygulanamamaktadır.
Dinamik konsolidasyonda zemine yoğun ve büyük genlikli titreşimler uygulandığı kuşkusuzdur.
Bunun sonucunda 3 km/s hızda gelişen P ve S-dalgaları etkisi ile sıkıştırılan zeminde kraterler (2-5m) açılmakta, bunlar mıcırla doldurulduğunda ek iyileşme sağlanmaktadır. Örneğin, denizden tarama ile hidrolik olarak doldurulmuş Samsun Limanı açık depolama sahasında yapılan uygulamada 200 kN’luk yük Y.A.S.S. varlığında siltli-killi hidrolik dolguya 25 m’den düşürüldüğünde zeminin 10-15 vuruştan sonra sıvılaştığı, yüzeye çamur fışkırdığı ve kraterlerin aniden derinleştiği gözlemlenmiştir. Bu sırada farklı derinliklere yerleştirilmiş piyezometrelerde 200 kPa’a varan fazla boşluk suyu basınçlarının belirdiği ve sönümlenmenin günler aldığı kaydedilmiştir13. 1994’te Osaka hava meydanında yöntemin başarılı uygulaması yapılmıştır.
Dinamik konsolidasyonda verimin artırılması için ek olarak zemine yapay düşey drenler yerleştirilmesinin yararlı olduğu öne sürülmektedir.
Y.A.S.S.nin bulunmadığı eski atık alanları gibi projelerde düşürülen ağırlık derin kraterler açmakta, sıkışmalar sadece titreşimle değil düşük birim hacım ağırlıklı zemine doldurulan ek gereçle de sağlanmaktadır. Şekil 6.12a’da bu yöntemin verimli biçimde uygulanabileceği bölge koni uç direncine göre, Şekil 6.12b’de ise plastisite kartında gösterilmekte (A), likit limitin 35 ile sınırlanmasından kumları izleyerek düşük ve orta plastisiteli silt ve killerin uygulamalarda üst limit olduğu anlaşılmaktadır. Şekil 6.12c’de ise yapılmış başarılı bir çalışmada presiyometre ile ölçülmüş iyileşmiş değerler görülmektedir.
247 qc (MPa)
100
10
3
MARJİNAL
1
(a) Yöntemin Uygulanabilirliğinin CPTU ile Tayini
Şekil 6.12 Derin Sıkıştırma Yöntemlerinin Özellikleri
SIKIŞTIRILABİLİR
SIKIŞMAZ
0 0.5 1 1.5 2 2.5
f
s(%)
(b) Yöntemin Plastisite Kartından Uygulanabilirlik Bölgesi
(c) Nice Havaalanında Uygulamanın Başarısı
248
Foto VI-5 Ağır Dinamik Konsolidasyon
Dinamik konsolidasyonun yapıldığı alanda zemin özelliklerinin ne denli iyileştiğini değerlendirebilmek amacıyla işlemlerden önce ve sonra olmak üzere jeofizik ölçümleri, büyük çaplı plaka taşıma deneyi gibi oldukça büyük hacımları etkileyecek deneylere başvurulmaktadır.
SPT ve CPT gibi yerel etkili ve sadece kısıtlı hacmı etkileyen deneyler iyileşmeyi değerlendirmede her zaman başarılı olmamaktadır. Öte yandan, işlemlerin sonunda nasıl bir düzeye çıkılacağını tahmin etmek gerekirse Çizelge VI-3’de verilen değerlere bakmak yeterli olacaktır.
ÇİZELGE VI-3 DİNAMİK KONSOLİDASYON SONUCU ERİŞİLMESİ OLASI TAŞIMA GÜÇLERİ
ZEMİN TİPİ KABUL EDİLEN
GERİLME (kPa) İnce daneli aluviyal, siltli dolgu 100-150 Heterogen, karışık dolgular 100-200 Hidrolik dolgu, siltli ince kumlar 200
İri kum, çakıl 300
Düzgün dane dağılımlı çakıl 400-500
6.7 ÖNCEDEN YÜKLEME İLE İYİLEŞTİRME
Yüksek sıkışabilirlikteki zeminlere yayılı temelle de olsa yükler uygulandığında binanın ekonomik yaşamı olarak kabul edilen 50-100 yıl içinde beklenmedik denli büyük ve süreli oturmalarla karşılaşıldığı bilinir. Bu açıdan sorun yaratabilecek her tür temel zemininin yapı altında göstermesi olası aşırı oturmaların inşaat öncesi oluşturulması artık olağan uygulama haline gelmişir. Yükleme ile zemin özelliklerinin iyileştirilmesi, görece düşük maliyetler nedeni ile Türkiye için cazip bir uygulama olarak görünmekte, giderek yaygınlaşan kullanım bulmaktadır.
Bunun en önemli nedeni de ülkede araziyi yüklemek için istenen gerecin kolaylıkla temin edilebilmesi ve çalışma alanına taşınabilmesidir.
Zeminin yüklenmesi ile olası oturmaların yapım öncesi sağlanması eldeki zaman aralığı, sıkışabilir zeminin tipi, kalınlığı ve kilin geçirimli tabaka/damar içerip içermediği, yüklerin niteliği, drenaj koşulları gibi özelliklere bağlı olarak aşağıdaki yöntemlerden birinin kullanımı ile yapılabilir:
• basit yükleme
• aşırı yükleme
• doğal ve yapay dren uygulaması
• vakumla konsolidasyon
249
Önceden yükleme yönteminin her türü sadece normal yüklenmiş ortamlarda (NL) uygulanmalıdır. Zeminde artan aşırı konsolidasyon özellikleri başarı olasılığını hızla azaltır ve buralarda uygulanması çoğun gereksizdir. Bir başka anlatımla, düşey yönde konsolidasyon katsayısı cvz<3x10-7 cm2/s dolayında olan killer bu yöntemde etkin konsolidasyon hızlarına ulaşırlar.
6.7.1 Basit Yükleme
Önceden yükleme konusunda yapılabilecek en basit işlem, parselin ya da binanın geleceği alanın inşaat başlamadan önce binanın gerçek taban basıncına eşdeğer yükseklikte dolgu ile yüklenmesidir. İnşaat öncesi yeterli zaman varsa, örneğin alanda yapılaşma birçok yıl sonrası için öngörülüyor ise, parsele gereken minimum yükseklikte dolgu yapılır ve oturmalar durana kadar beklenir. Örneğin, bataklık olduğu için yok pahasına alınmış bir arazi çevre kazılardan çıkan kazı molozları ile hiçbir harcama yapılmadan doldurulabilir. Şekil 6.13a’da uzun süre uygulanıp sonra kaldırılan basit yüklemenin zemini nasıl aşırı konsolide hale dönüştürdüğü gösterilmektedir. Şekil 6.13b’deki laboratuvar konsolidasyon eğrisinde σ0’ olarak gösterilen, ya da Casagrande veya Schmertmann yöntemi ile bulunacak kırılma noktası gerçekte arazideki doğal örtü yükü eşdeğeridir. Yapı zemine q gibi bir taban basıncı ile z derinlikte ∆σ gibi bir gerilme artışı getirecek ise, yapılacak dolgunun zeminde gerilmeleri (σ0’+ ∆σ)’nın sağında bir noktaya getirmesi gerekecektir. Konsolidasyon tamamlanıp dolgu kaldırıldığında gerilme yeniden σ0’ düzeyine düştüğünden zeminin aşırı konsolide duruma dönüşmesi sonucu artık binanın sıkışmaları Cc değil Cr uyarınca gerçekleşecektir. Ancak hesaplamalarda düşey konsolidasyon katsayısı cvz’nin gerilme düzeyine de bağımlı olduğu hatırda tutulmalıdır. Ne yazık ki, bu kolay ve ucuz uygulama günümüzde zaman kısıtlamaları nedeniyle nadiren gerçekleştirilebilmektedir.
Şekil 6.13 Kilin Basit Yükleme ile Önceden Konsolide Edilmesi (a) İşlem Sırası (b) Sıkışma Eğrileri
(a)
(b)
250 6.7.2 Aşırı Yükleme (Sürşarj)
Bu yaklaşım Türkiye’de basit yükleme ile eşanlamlı kullanılmakta olup bu hatadan kaçınmak gerekir. Aşırı yükleme “zemini yine önce dolgu ile yükleyelim ancak konsolidasyon 5 yıl yerine 1 yılda tamamlansın..” talebinden kaynaklanmıştır. Daha basit bir anlatımla, öngörülen bina zemini q gibi bir taban basıncı ile yükleyecek ise, dolgu ile getirilecek gerilme artışının p=3q düzeyinde yapılmasının konsolidasyon hızını aynı oranda olmasa bile önemli ölçüde artıracağı beklentisi vardır.
Bu tür uygulamada başlıca iki sorunla karşılaşılır: arazi yüzeyini bu düzeyde yükleme büyük hacımlarda gereç sağlanması ve taşınmasını gerektirecek, buna karşın böylesine yüksek düzeyde yüklemenin yapılması da büyük olasılıkla NL kilde taşıma gücünün aşılmasına neden olacaktır. Dikkatsiz yükleme sonucu dolgu zemine batacak, yükleme de bu yüzden etkisini yitirecektir. Bu sorunların aşılabildiği durumlarda da yöntemin yararlı olacağı kuşkusuzdur.
Şekil 6.14’te aşırı yükleme eğrileri gösterilmektedir. Eğri A, bina zemine herhangi müdahale yapılmadan yüklense idi belirecek son oturmanın (S1) t3 zamanda tamamlanacağını göstermektedir. Oysa bu seçenekte zemine ∆p eşdeğeri düzeyinde ek yükleme (sürşarj) yapılmıştır. Kil bu aşırı yük altında t2 süresi sonunda S2>>S1 gibi bir oturma gösterecektir. Ancak istenen sadece S1 kadarlık bir oturmadır. Bunun sonucu olarak bekleme süresi de t3’den t1’e düşecektir.
Şekil 6.14b ve c’de yükleme durumu ve gerilmeler görülmektedir. Gerçek yük altında gerçekleşmesi beklenen oturmalar aşırı yükleme ile hızla sağlandığı gibi, yükün boşaltılması kilde aşırı konsolidasyon etkisi yapacağından yeni durumda yapıda oturmaların sıfır düzeyinde belirmesi beklenir.
6.7.2.1 Aşırı Yükleme Düzeyinin Hesaplanması
Kilin önceden konsolide edilmesi ve istenen oturmaların sağlanması için sorulan önemli soru ek yüklemenin hangi seviyeye yükseltilmesi gerekeceğidir. Bu ∆p değerini bulmak için gerçek yük altında oluşacak son oturma S1’in herhangi yüzdesi s’nin hangi t zamanda oluşacağını hesaplamak için şu yol izlenir:
Şekil 6.14 Aşırı Yükleme Süreci
(a) İstenen Oturmanın Elde Edilmesi (b) Başlangıç uw Değerleri ve Efektif Gerilmeler
• Kilin gerçek yapı yükü altında göstermesi olası son sıkışma S1 hesaplanır
• Uygun bir aşırı ek yük ∆q seçilerek (sürşarj) bunun oluşturacağı son oturma S2
hesaplanır
(a)
(b)
251
• Herhangi zaman t’de ∆p+∆q’dan dolayı oturma
100 s S ) t (
Sp+q = 1 ... (6.11)
• Buradan konsolidasyon yüzdesi de
2 q z p
S ) t (
U =S + ... (6.12)
• Bu yüzdeye karşılık olan zaman faktörü Tv ise Cilt I, Şekil 9.33c ‘den okunarak
vz 2 hesap v
c T H
t = ... (6.13) bulunur.
• thesap yukarıdaseçilmiş herhangi zaman t’den büyük çıkarsa ∆p artırılır ve denemeler thesap≈ t olana kadar sürdürülür.
∆p’nin kaldırılmasından sonra kilde bu aşırı yükten kaynaklanan fazla boşluk suyu basınçları tam sönümlenemediğinden yükü hesaplanan t3’ten biraz uzun tutmak yararlı olmaktadır.
6.7.3 Konsolidasyonun Düşey Drenlerle (Akaçlama) Hızlandırılması
Günümüzde arazi kullanımına yönelik yoğun talep basit ve aşırı yükleme ile hesaplanmış beklenmesi gerekli sürelerin kabul edilemez uzunlukta süreler olarak nitelendirilmesine neden olmaktadır. Bunun sonucu doğan, sürecin aşırı hızlandırılması taleplerinin karşılanması gerekmektedir.
Bina inşaatı başlamadan parsel yüzeyinin 5-10 m yükseklikte dolgu ile kaplanması da birçok durumda uygulanabilir bir çözüm olmamaktadır. Bu uygulamadan kaçınmak, ancak zemini aynı hızla konsolide edebilmek için yükleme sonucu belirecek fazla boşluk suyu basınçlarının sadece düşey yönde değil, aynı zamanda yatayda sönümlenmesini sağlayarak çalışmak mümkündür.
Terzaghi öğretisine bağlı olarak, zeminlerin konsolidasyonunun suyun düşey yönde hareketi ile gerçekleştiği genellikle tek gerçekmiş gibi algılanır. Oysa, ortamın yatay yönde geçirimliliğinin çoğun düşey yöndeki geçirimliliğinden büyük veya ona eşit olduğu bulunmakta, fazla boşluk suyu basınçlarının da gerçekte her iki yönde sönümlendiği de bilinmektedir. Buna ek olarak, kilin içine düşey olarak yerleştirilecek görece sonsuz geçirimlilikte drenler bu süreci aşırı derecede hızlandırmaktadır. Uygulama oldukça düşük yüklemelerle birlikte yapıldığında dahi fazla boşluk suyu basınçları suyun hem yatay hem de düşey yönde ortam dışına kaçmasıyla hızla sönümlenmektedir.
1935’te geliştirilmeğe başlanan radyal konsolidasyon teorisi Cilt I, alt bölüm 9.11’de anlatılmıştır.
Burada uygulamaya yönelik bilgiler verilecektir. Ancak hangi yöntem uygulanırsa uygulansın, çözümlerde en önemli unsur ortamın yatay ve düşey geçirimlilik sayılarının gerçek değerlerine yakın olarak ölçümü veya bilinmesidir.
6.7.3.1 Kum Drenleri
Radyal konsolidasyon olarak bilinen bu süreç önce 1940’lı yıllarda kum dreni denilen 0.3-0.5 m çaplı kumla oluşturulan kazıklarla sağlanmıştır.
Kumun geçirimliliği konsolide edilecek kile oranla sonsuz kabul edilebilir. Bu gerçekten yola çıkılarak zemine çapı 0.35-0.5 m olan kuyular açılması, bunların kumla doldurulup yüzeyin kum- çakıl şiltesi ile serbest tabaka haline getirilmesinden sonra kısıtlı yükseklikte dolgu yapılması
252
işlemi uzun yıllar boyunca uygulanmıştır. Bu durumda su hareketinin sadece yanal yönde oluştuğu varsayımı ile radyal konsolidasyon yüzdesi
α
−
−
=
Tr 8
r 1 e
U ... ( 6.14) olarak verilmiştir. Burada
Tr = radyal drenaj için zaman faktörü = 2
e h
D t c × ch = yatay konsolidasyon katsayısı
De = dren çevresinde oluşan eşdeğer silindir çapı = 1.06s üçgen konum = 1.13s kare konum S = merkezden merkeze uzaklık
n= De / d
d = kum dreni çapı; veya yapay dren eşdeğer çapı
2 2 2
2
n 4
1 n 3 1 n ln n
n −
− −
=
α ... (6.15)
Öte yandan, drenaj sadece düşey yönde gerçekleşse bu kez zaman faktörü %60 ve ileri konsolidasyon evresinde
Tvz=1.781−0.933log(100−Uz) ... (6.16) olacaktır. Arazide her iki süreç birlikte işlediğinden ortalama konsolidasyon yüzdesi de
Uvr =(1−Uz)(1−Ur) ... (6.17) olarak hesaplanabilecektir. Kum dreni uygulamasında sorun, yapımın yüksek maliyetli olması ve kuyuda sıvaşma(smearing) olayının drenajın verimini düşürmesidir. Bu yüzden kum drenleri günümüzde giderek azalan uygulama bulmaktadır.
6.7.3.2 Yapay Drenler
Yukarıda değinildiği gibi delme sırasında kuyu duvarında oluşan sıvaşma nedeni ile kum drenleri günümüzde yerini yapay drenlere (prefabricated drains: polyester non-woven) bırakmaktadır. Bu yöntemde rulo olarak bir itici küreğin ucuna tutturulan dren gereken derinliğe (geçirimli tabaka) kadar hidrolik güçle itilerek indirilir (Foto VI-6) ve buraya plastik bir pabuçla raptiyelenir (Şekil 6.15). Drenler konsolide edilmesi istenen alana sistematik bir düzenle yerleştirildikten sonra zemin yüzeyi tercihen iri daneli dolgu ile yüklenir. Dolgu yüksekliğinin konsolidasyon hızına etkisi büyük olmadığından minimum dolgu ile yetinilmesi mümkün olur.
Kjellman’a göre (1948) bu tür akaçlama sistemi ile donatılan zemin ortamında genel radyal konsolidasyon denklemi, sürecin tamamlanma süresi t yıl olarak
2
1
8
hln 1
ht D
c U
= α
−
\\\\\\\\\\\.. (6.18)biçiminde gösterilebilir. Burada
D = akaçlanan zemin silindirinin eşdeğer çapı (m)
ch =yatay konsolidasyon katsayısı (m2/yıl): laboratuvar ve arazi ölçümleri gerekli ≈2-10cv
253
2
2 2 2
3 1 1
ln( ) (1 )
1 4 4
n n
n n n
α = − − − −
\\\\\\\\\. (6.19)n = D/d : akaçlanan alan oranı d = yapay dren’in eşdeğer çapı (m)
Hemen her durumda n>8 koşulu sağlandığından genel konsolidasyon denklemi
2
3 1
ln ln
8
h4 1
hD D
t c d U
= − −
\\\\\\\\\\\\\. (6.20)biçimine dönüşür. Akaçlama üçgen dizilimle yapılmışsa S aralıklı drenler için zemin silindiri çapı D=1.05s, karelaj yapılmışsa yukarıdaki gibi D=1.128s alınır. Eşdeğer dren çapı ise d= b/2 dir. b genellikle 10,15 ve 30 cm olarak pazarlanmaktadır (Şekil 6.15a).
Konsolidasyonun yapay dren kullanımı ile hızlandırılması için Şekil 6.16’da verilen çizge kullanılabilir. Nomograma yatay konsolidasyon katsayısı ch ile üst yatay eksene girildikten sonra konsolidasyonun kaç ayda tamamlanması isteniyorsa o eğik doğru kestirilir. Bu zaman içinde konsolidasyonun % kaçının istendiğine bağlı olarak soldaki Uh eğrilerinden biri seçilir ve ch/t kesişim noktasından sola çıkılarak bu eğri kesilir. Yatay eksende bu kesilen noktaya karşılık gelen dren aralığı okunur. Bulunan S değeri sadece yanal su hareketi için hesaplanmıştır. Suyun düşeyde tek ya da çift yönlü hareketinin etkisini hesaba basitçe süreyi %10-20 kısaltarak katmak mümkündür.
Yapay dren yassı yapısı nedeniyle eşdeğer dairesel kesite
s d
e n
n t B
r π
×
×
= ... (6.21)
bağıntısı ile de dönüştürülebilir. Burada
B = yapay dren bandının genişliği t = drenin kalınlığı
nd = bandın boşluk alanı/toplam kesit alanı oranı ns = kum dreninin porozitesi
Foto VI-6 Yapay Drenin Yerleştirilmesi
249
Şekil 6.15 Yapay Dren Kesitleri ve Yerleştirme Makinası
Şekil 6.16 Colbond 100 mm Yapay Dren Hesaplaması için Nomogram (b)
(a)
254
250 6.7.3.2.1 Sıvaşma ve Kuyu Direnci
Drenlerin yerleştirilmesi sırasında oluşan yuğurma etkisi geçirimliliği azaltan sıvaşma olayını yarattığı gibi, kuyunun su hareketine de direnç göstermesi nedeniyle (6.19) ifadesi ile verilen α katsayısının Şekil 6.17’deki gibi değiştirilmesi daha gerçekçi sonuçlar vermektedir.
Şekil 6.17 Sıvaşma Etkisi ve Kuyu Direnci’nin Değerlendirilmesi
Burada Urz radyal drenaj için z derinlikte ortalama konsolidasyon yüzdesini göstermektedir.
Ancak bunun sonuç üzerindeki etkisi yatay konsolidasyon katsayısının etkisi yanında önemsiz kalmaktadır.
PROBLEM 6.2
Ordu’da 7 katlı ve 24 blokluk bir kooperatif yapım alanında (20000 m2) 12 m’ye kadar çok yumuşak kil (CH), bunun altında sıkı deniz kumları kesilmiştir. Y.A.S.S. -0.6 m’de ölçülmüş olup, laboratuvarda Rowe hücresi deneyleri kilin geçirimlilik katsayılarını ch= 4 m2/yıl, cv=2.2 m2/yıl olarak vermiştir. İşveren alanda %90 konsolidasyonun en geç bir yıl içinde tamamlanmasını istiyor. Yapay dren uygulaması nasıl yapılmalı?
ÇÖZÜM:
Şekil 6.16’ya benzer olarak üretici firma tarafından geliştirilmiş 300 ve 150 mm drenlerin nomogramlarına ch=4 ile girilerek 12 aylık konsolidasyon doğrusu kestirilir. Sonra sola çıkılarak
%90 konsolidasyon doğrusu kestirilir. Buradan aşağıya, yatay eksene inilerek dren aralığı s doğrudan okunur. Alan 20000 m2 olduğuna göre de üçgen konumla dren sayısı formül (6.20) ile hesaplanabilir. Ancak, alanın sadece bloklar altında değil tümünde konsolidasyon işlemi tamamlanmalıdır. Zemine 7 katlı binadan yaklaşık 100 kPa gibi bir taban basıncı geleceğine göre arazide en az 5 m’lik yükleme verimli bir seçim olacaktır.
s r rz
T exp 8 1
U α
− −
=
w c s
s c
q )k z L 2 4 ( m 3 k ln k n
lnm+ − +π −
=
α
n=d/D; m=ds/d d: eşdeğer dren çapı ds: sıvaşma bölgesi çapı kc: zeminin geçirimliliği
ks: yuğrulmuş zeminin geçirimliliği kw: kuyunun eksenel geçirimliliği Aw: drenin kesit alanı
qw=kwAw=kwπd2/4: kuyunun kapasitesi
255
251
Dren genişliği (mm) Grafik Aralık s (m) Gerekli dren sayısı
300 mm drene göre gerekli %
300 üretici 2.45 3848 100
150 üretici 2.17 4905 127
100 Şekil 6.16 2.04 5550 144
Bu uygulamaya geçmeden dolgunun son taşıma gücünün kontrol edilmesi gerekecektir.
Yapay dren uygulaması daha önce kullanılamayacak denli zayıf olan NL killerde konsolidasyonun çok hızla tamamlanmasını sağlayan bir yöntemdir. Örneğin, Stockholm havalimanı Arlanda’da CH killerde yapılan yapay drenli aşırı yükleme çalışması Şekil 6.18’den görüleceği gibi 2.5 sıkışma sağlayarak zemini kullanılır hale getirmiştir.
Şekil 6.18 Stockholm Havalimanında Konsolidasyonun Yapay Drenle Sağlanması 6.7.3.2.2 Dolgu Altı Şiltesi
Kum drenleri veya yapay drenlerin (PVD) kullanımı kuşkusuz konsolidasyon hızının artırılmasına büyük katkı yaparlar. Ancak son araştırmalar drenaj sistemi etkinliğinin dolgu altı şiltesinin kalınlığına bağlı olduğu ve bu kalınlık arttıkça verimin umulmadık biçimde yükseldiğini göstermiştir. Bu durumda, uygulamaya geçmeden önce dolgu ve zeminin modellenmesi ve SEEP/W, PLAXFLOW, SVflux ve benzeri yazılımların kullanımı ile optimum hidrolik iletkenliği laboratuvarda ölçülmüş drenaj şiltesi kalınlığının saptanması uygun bir yaklaşım olacaktır.
6.7.3.3 Uygulamalar
Düşey dren kullanımına tipik bir örnek olarak Port Said elektrik santralı alanı verilmiştir. Bu alanda bulunan sığ göl altındaki killerin yapıların uygulayacağı 20-200 kPa’lık taban basıncını taşıyamayacağı gibi, ana bina ve yakıt depoları altına yerleştirilecek kazıkların aşırı negatif çevre sürtünmesinden ek yükler alacağı anlaşıldığından 32 m boyunda 53000 adet yapay dren 1.37 m aralıkla yerleştirildikten sonra alan 8-16 m dolgu ile yüklenmiştir. Bu amaç için alana 750000 m3 gereç taşınmıştır. 4-8 ay beklemeden sonra kilin 4 m’ye varan sıkışmalar gösterdiği ölçülmüştür.
256
252
İngiltere’de 2004 yılında eski bataklık bir alanda yapılması öngörülen 147 evlik yerleşim sitesinde ulaşım dolgusu ve ev temellerinin Şekil 6.19’da gösterilen kazık, titreşimli beton kolonları, hafif polistiren bloklar ve düşey drenler üzerine yapılması seçenekleri değerlendirildiğinde konsolidasyonun yapay drenlerle hızlandırılması yolunun en ekonomik olduğu görülmüş (Şekil 6.19d) ve alana 2 m dolgu altına 1-1.5 m aralıklı 30000’i aşkın band dren yerleştirilmiştir.
Şekil 6.19 Kent, İngiltere’de Bataklıkta Kurulacak Site Dolguları için Seçenekler 6.7.3.4 Çalışmaların Planlaması ve Denetimi
Düşey drenlerle konsolidasyonun hızlandırılması çalışmaları planlama ve sürecin her aşamasında yakından kontrol ve ölçüm yapılmasını gerektirir. Ayrıntılı arazi incelemeleri ve laboratuvar ölçümlerini izleyerek yapılan hesaplamaların arazide bire bir deneme uygulaması ile kanıtlanması yararlı olmaktadır. Örneğin geniş bir alanda yapılacak bina gurupları için uygulama deneme dolgusunun zemine yapılardan gelecek yükleri benzer biçimde aktarmasını sağlamalıdır. Yüklenen alanın konsolide edilecek kilin derinliğine eşit genişlikte olması tercih edilmelidir. Bu sırada taşıma gücünün aşılmaması için taşıma gücü için toplam gerilme analizi öncelikle gerçekleştirilmelidir.
Yüklemeyi izleyerek alınacak çeşitli okumalar gerçek uygulamaya ışık tutacağından Asaoka yöntemi1 olarak bilinen diyagramların hazırlanması önerilmektedir. Bu yöntemde oturma okumaları eşit zaman aralıklarında alınır ve herhangi oturma sn bir önceki oturma değeri sn-1’e karşı Şekil 6.20a’daki gibi noktalanır. Bu noktalardan geçirilen doğrunun 45° eğimdeki doğru ile kesiştiği yer birincil konsolidasyonun tamamlanmasını, yani son oturma Sf’yi gösterir.
Bazen ilk noktalar diğerleri ile yapım süresinin uzunluğu, boşluk suyu basınçlarının derinlikle düzgün dağılmaması ve homogen olmayan ortam gibi nedenlerle aynı doğru üzerine düşmeyebilir.
Asaoka yöntemi 0, ∆t, 2∆t, 3∆t..n∆t gibi eşit aralıklardaki konsolidasyon miktarının
=
∑
= β −
+ β
= i w
1 i
i n n 0
n s
s ... (6.22)
olarak gösterilebileceği gerçeğinden çıkartılmış olup burada β0 herhangi oturma değeri, βn ise boyutsuz bir orandır. w=1 için birincil konsolidasyon koşulu
257
253
Şekil 6.20 Oturmaların Asaoka Yöntemi ile İrdelenmesi
sn=β0+β1sn−1 ... (6.23) ile temsil edilir. β1 Asaoka diyagramında oturma noktalarından geçen doğrunun eğimidir.
Buradan da yatay konsolidasyon katsayısı cv’nin ödometrede ölçülmesinden sonra
2 2 v 2
h 1
H 4
c D
c 8 t
ln π
α+
∆ =
− β ... ... (6.24)
bağıntısından hesaplanır.
Şekil 6.20b’de kademeli yükleme, Şekil 6.20c’de ise yatay konsolidasyon katsayısının efektif gerilmelerin artışı ile azalması durumları gösterilmiştir.
PROBLEM 6.3
15 m kalınlıktaki kil tabakası 75 günlük bir süre boyunca 6 m yükseklikte dolgu ile yüklenecektir.
De=0.3 m çaplı yapay drenler s=3 m’lik üçgen aralıklarla anakayaya kadar yerleştirilmiştir.
Oturma okumaları aşağıdaki gibi elde edildiğine göre son oturmayı tahmin edip, cvz= 10-6 m2/s kabulu ile yatay konsolidasyon katsayısını (cvh) hesaplayınız.
t (gün) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
s (cm) 0 35 54 61 65 68 70 72 74 75 75.5
258
(a)
(b) (c)
254 ÇÖZÜM:
Önce aşağıda gösterildiği gibi Asaoka diyagramı noktalanır.
Çizgeden son oturma sf=76 cm olarak okunur. Ayrıca ilk iki noktayı ihmal ederek β=0.65 ve cvz= 10-6 ile hesaba geçelim:
Üçgen konumda De= 1.065 s= 3.18 m n= De/d = 3.18/0.30= 10.6
36 . 1 )
n 4 (
) 1 n 3 ( ) 1 n (
n ln n
2 2 2
2
=
− α
− −
= α
(6.24) ile
2 6 2 2
'h
5 . 7 4
10 36
. 1 3 . 0
c 8 50
) 65 . 0 ln(
×
× + π
= ×
− − ch=4x10-7 m2/s
Foto VI-7 düşey dren uygulamasının liman inşaatında kullanımını göstermektedir. Suyun derinliği ve konsolide edilecek kilin kalınlığı nedeniyle dren yerleştirme makinaları bir teknede çalıştırılmakta ve imalat hızı sağlanmaktadır.
259
Foto VI-7 Denizde Platformdan Yapay Dren Uygulaması
255
6.7.4 Konsolidasyonun Emme Uygulaması ile Hızlandırılması
Aşırı yükleme yöntemlerinin ucuz ve etkin bir yol olmalarına karşın bunlar konsolidasyonu sağlamak için çok yumuşak ortamda uygulanması gerekli yüklerle taşıma gücünün hemen aşılabilmesi tehlikesinin yükselmesi durumunda uygulanamazlar. Bu gibi durumlarda konsolidasyonun yüzeye yükleme yapılmadan sağlanması gerekir. Emme, ya da vakum yöntemi bu amaçla geliştirilmiştir. Bu yöntemde konsolide edilecek geçirimsiz silt ve kilin yüzeyi jeomembranla atmosferden yalıtılarak ortama emme (vakum) uygulanır (Şekil 6.21). Bu etki ortamda sadece izotrop gerilme artışı sağladığı, yani dış yüklemede olduğu gibi deviatörik gerilme tansörünü değiştirmediği için yenilme oluşturmaz.
Şekil 6.21 Emme ile Ön Yüklemede Sistem
Foto VI-8 Yumuşak Ortamın Vakum Uygulamasıyla Konsolide Edilmesi 260
256
Şekil 6.21’den görüldüğü gibi, zeminin içine yerleştirilen düşey ve yatay drenaj borularına emme uygulanarak suyun hızla sistem dışına alınması sağlanır. Bu sırada yüzeye uygulanan yük düşük olduğundan zeminde yenilme oluşmayacaktır.
Günümüzde vakum uygulanacak alanda konsolidasyonun hızlandırılması için işlem öncesinde ortama ayrıca yapay dren yerleştirilerek sürecin hızlandırılması sağlanmaktadır.
Bu yöntemin ilginç uygulamalarından biri Güney Kore’de 85000 m2 yüzey alanlı Kimhae arıtma tesisinde kalınlığı 25-40 m olan çok yumuşak kilde yapılmış ve zeminin iki yıldan kısa bir süre içinde metrelere varan konsolidasyonu sağlananarak alan kullanılabilir duruma getirilmiştir.
6.8 İÇİTİM (ENJEKSİYON) İLE İYİLEŞTİRME
Zemin veya kaya ortamına dışarıdan, basınç altında ve sondaj kuyusu gibi bir girişten yollanan akışkanlaştırılmış bir madde ile iyileştirme ve stabilizasyon sağlamaya yönelik işlemlere içitim denir.
İçitim veya Türkiye’de kullanılan yabancı adıyla enjeksiyon çalışmaları birçok amaca yönelik olarak yapılmakta, hacımca en büyük uygulaması da baraj temellerinde geçirimsizliğin sağlanması için gerçekleştirilmektedir4. Çalışmalar amacına göre literatürde dört ya da altı gurupta toplanmakta ise de burada bina temelleri açısından basitçe
• Sızdırma
• Telafi
• Jet
olmak üzere üç kategoriye ayrılacaktır (Şekil 6.22). Bu guruplara ek olarak elektro-içitim olarak nitelendirilen, elektroosmoz sırasında ortama anot tarafında sodyum silikat veya kalsiyum klorür gibi kimyasallar katılmasıyla gerçekleştirirlen taşlaştırma işlemi de önümüzdeki yıllarda yeni ve özel bir gurubu oluşturacağa benzemektedir.
Binalara yönelik enjeksiyon çalışmaları günümüzde zeminin güçlendirilmesi, sıvılaşma potansiyelinin düşürülmesi, farklı oturmaların giderilmesi (kaldırma), özel durumlarda komşu yapının güvenliğine yönelik olarak kazı duvarlarının oluşturulması gibi giderek artan önemli uygulamalar bulmaktadır.
Şekil 6.22 Enjeksiyon Türleri (a) ve (b) Sızdırma (c) Telafi (d) Jet
261
(a) (b) (c) (d)
257 6.8.1 Sızdırma Enjeksiyonu
Sızdırma (permeation, intrusion) enjeksiyonu 1802’de Fransa’da geliştirilmiş bir yöntem olup, kumlar ve çakıllar gibi zeminlerin özelliklerini (dokusunu) bozmadan içine düşük viskoziteli peltecil veya daneli karışımları görece düşük basınçlarda yollama tekniğidir. Ortamın özellikleri bu işleme elverişli ise enjeksiyon sıvısı çatlak ve boşluklara kolayca girerek onları tıkar ve daneleri yapıştırır. Böylece sıkışabilirlik ve geçirimlilik azalır, kayma direnci ve buna bağlı olarak da temel taşıma gücü yükselir. Bu uygulamada yüzeyde oluşabilecek kabarmaları önlemek için kural olarak enjeksiyon basıncının o noktadaki örtü yükü eşdeğerinden (σ0) yüksek olmaması istenir. Çizelge VI-4’te zemin ve kaya ortamında mevcut boşlukları doldurmada kullanılan maddelerin etkinliği gösterilmektedir. Buradan sızdırma enjeksiyonunun killer ve sağlam, çatlaksız kayalar gibi düşük geçirimlilikteki ortamlarda uygun bir yöntem olmayacağı görülebilmektedir.
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
