ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Gülsen TUMLUER ÇİMENTO KATKILI KUMLU ZEMİNLERİN MUKAVEMETİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2006

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇİMENTO KATKILI KUMLU ZEMİNLERİN MUKAVEMETİ Gülsen TUMLUER YÜKSEK LİSANS TEZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez / / 2006 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza:... İmza:... İmza:... Prof. Dr. Mustafa LAMAN Prof. Dr. M. Arslan TEKİNSOY Prof. Dr. Hasan ÇETİN DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ ÇİMENTO KATKILI KUMLU ZEMİNLERİN MUKAVEMETİ Gülsen TUMLUER ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Yıl : 2006, Sayfa : 161 Jüri : Prof. Dr. M. Arslan TEKİNSOY : Prof. Dr. Hasan ÇETİN Bu çalışmada, çeşitli zemin ıslah yöntemleri teorik ve deneysel olarak araştırılmıştır. Ayrıca, katkı malzemeleri ile stabilizasyon üzerine deneysel araştırmalar yapılmıştır. Kum zeminlerin geoteknik özelliklerinin belli oranlarda kompoze çimento ve demir artığı olan cüruf katkıları ile değişimi araştırılmıştır. Problemli zeminlerin ıslah edilerek kullanımı özellikle büyük şehirlerde ve sınırlı arazilerde maliyet açısından önem kazanmaktadır. Ayrıca cüruf gibi atık malzemelerin geri dönüşümlü olarak kullanılması çevre ve ekonomi bakımından büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada üniform kum, cüruf, kompoze portland çimentosu kullanılmış ve kompaksiyon, serbest basınç deneyleri yapılmıştır. Sonuçta; kum zeminlerin çimento kullanılarak ıslah edilebildiği gibi çimento ile aynı oranda cüruf kullanımı ile de mukavemet artışında sadece çimento kullanılarak elde edilen mukavemete yakın sonuçlar elde edileceği bulunmuştur. Ayrıca kürün de mukavemet üzerinde önemli etkisi olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Cüruf, Çimento, Kum, Serbest Basınç Deneyi, Kompaksiyon. I

4 ABSTRACT MSc THESIS SHEAR STRENGTH OF SAND-MIXED WITH CEMENT Gülsen TUMLUER DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Year : 2006, Page : 161 Jury : Prof. Dr. M. Arslan TEKİNSOY : Prof. Dr. Hasan ÇETİN In this study, various soil improvement techniques were investigated theoreticaly and experimantaly. In addition, experimental studies were performed on additional materials for stabilization. The effects of the composite portland cement and slag, used in specific proportions, on the geothecnical properties of sandy soils have been investigated. The improvement of the weak soil deposits has a major importance in the metropolis and limited areas because of the economic and environmental aspects. In the present study uniform sand soil, slag and composite portland cement were used and compaction test, unconfined compression tests were carried out. The consequence of this study following results have been obtained. The sandy soils can be stabilized using the cement. Also similar improvement can be achieved using the mix consisting of cement and slag in the same proportions. The cure is a very important factor affecting the strength of the stabilized soil. Key Words: Slag, Cement, Sand, Unconfined Compression Test, Compaction. II

5 TEŞEKKÜR Öncelikle, yüksek lisans tez konusunun belirlenmesinde ve bu çalışmayı hazırlamam sırasında bana yardımcı olan, her türlü soruma cevap veren değerli danışman hocam Prof. Dr. Mustafa LAMAN a, deneysel çalışmalarım sırasında bana verdiği destek ve katkıdan dolayı değerli hocam Arş. Gör. Ahmet DEMİR e ve tüm bölüm hocalarıma teşekkürlerimi arz ederim. Ayrıca, her zaman yanımda olan ve benden desteklerini esirgemeyen aileme de teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZ I ABSTRACT II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER IV ÇİZELGELER DİZİNİ VII ŞEKİLLER DİZİNİ IX SİMGELER VE KISALTMALAR XI 1 GİRİŞ 1 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Mekanik Stabilizasyon Tesviye Zemin Değiştirme Suyun Uzaklaştırılması Kompaksiyon (Sıkıştırma) Arazi Sıkışma Kontrolü Kompaksiyon Makineleri Kompaksiyonda Dikkat Edilecek Hususlar Saha Güçlendirmesi Özel Kompaksiyon Teknikleri Dinamik Kompaksiyon Vibroflatasyon Vibrokompaksiyon Patlatmayla Sıkıştırma Enjeksiyon Termal Yer Altı Suyu Kontrolü (Drenaj) Geosentetikler ve Donatılı Zemin Ankrajlar Diyafram Duvarlar 40 IV

7 2.12 Katkı Maddeleri Uygulaması Stabilizör Seçimi Kireçle Stabilizasyon Çimento İle Stabilizasyon Bitümlü Stabilizasyon Kireç- Baca Külü Stabilizasyonu Cüruf Katkısı Uçucu Kül Katkısı Eski Kamyon Lastiği Katkısı Uçucu Kül ve Çimento Katkısı Kireç ve Çimento Katkısı Değirmen Artığı Malzeme Katkısı Reçine İle Stabilizasyon Cüruf, Bentonit, Kireç Katkısı Cüruf, Uçucu Kül ve Portland Çimentosu Katkısı Çimento, Uçucu Kül ve EER Bentonit, Kireç ve Çimento Asfalt, Kireç ve Çimento Bentonit, Kil, Uçucu Kül ve Silis Dumanı Atık Çamur Katkısı Granüler Kauçuk Katkısı Uçucu Pirinç Kabuğu ve Kireç Uçucu Pirinç Kabuğu ve Çimento Sodyum Silikat Kloritler Fosforik Asit Diğer Kimyasal Katkılar Kontrol 90 3 MATERYAL VE METOD Zemin Özellikleri 91 V

8 3.2 Yüksek Fırın Cürufu Özellikleri Çimento Özellikleri Standart Proktor Deneyi Deneyin Teorisi Kullanılan Aletler Deneyin Yapılışı Numunelerin Hazırlanması ve Bakımı Serbest Basınç Deneyi Deneyin Teorisi Kullanılan Aletler Deneyin Yapılışı BULGULAR VE TARTIŞMA Birinci Grup Deneyler İkinci Grup Deneyler Üçüncü Grup Deneyler SONUÇLAR VE ÖNERİLER 123 KAYNAKLAR 125 ÖZGEÇMİŞ 130 EKLER 131 VI

9 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2.1 Sabilizasyon Metodları 9 Çizelge 2.2 Zemin Cinsine Göre Stabilizasyon Metodu 9 Çizelge 2.3 Uygulanabilir Stabilizasyon Teknikleri 12 Çizelge 2.4 Çeşitli Zemin Tipleri İçin n Katsayısı 24 Çizelge 2.5 Stabilizör Seçimi İçin Rehber 43 Çizelge 2.6 Kireç ve Çimento Stabilizasyonunda Durabilite Kriterleri 46 Çizelge 2.7 Zemin Cinslerine Göre Yaklaşık Kireç Miktarı 47 Çizelge 2.8 Zemin Tipleri İçin Tahmini Çimento Miktarı 58 Çizelge 2.9 Değişik Zemin Sınıflarına Göre Çimento İhtiyacı 58 Çizelge 2.10 Çimento Stabilizasyonunun Sıkıştırılmış Zemine Etkisi 63 Çizelge 2.11 Bitümle Stabilize Edilecek Zeminlerde Tavsiye Edilen Gradasyon Limitleri 66 Çizelge 2.12 Bitümle Stabilizasyonda Kullanılacak Asfalt Tipi 67 Çizelge 3.1 Kum Zeminin Elek Analizi Sonuçları 92 Çizelge 3.2 Yüksek Fırın Cürufu ve Çimento Kimyasal Kompozisyonu (%) 92 Çizelge 4.1 Şekil 4.4 e Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 106 Çizelge 4.2 Şekil 4.5 e Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 107 Çizelge 4.3 Birinci Grup Deneylerde Su Muhtevası Değerleri 108 Çizelge 4.4 Birinci Grup Deneylerden Elde Edilen Göçme Yükü Değerleri 108 Çizelge 4.5 Şekil 4.6 ya Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 110 Çizelge 4.6 Şekil 4.10 a Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 113 Çizelge 4.7 İkinci Grup Deneylerde Su Muhtevası Değerleri 114 Çizelge 4.8 İkinci Grup Deneylerden Elde Edilen Göçme Yükü Değerleri 114 Çizelge 4.9 Şekil 4.11 e Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 115 Çizelge 4.10 Şekil 4.12 ye Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 116 Çizelge 4.11 Şekil 4.13 e Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 117 Çizelge 4.12 Şekil 4.14 e Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 118 Çizelge 4.13 Şekil 4.15 e Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 118 Çizelge 4.14 Şekil 4.16 ya Ait Eğilim Fonksiyonları ve Korelasyon Katsayıları 119 VII

10 Çizelge 4.15 Üçüncü Grup Deneyler İçin Su Muhtevası Değerleri 121 Çizelge 4.16 Üçüncü Grup Deneylerden Elde Edilen Göçme Yükü Değerleri 122 VIII

11 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 Zemin Islah Yöntemlerinin Sınıflandırılması 5 Şekil 2.2 İyileştirme Yöntemlerinin Dane Boyutuna Göre Uygulanabilirliği 8 Şekil 2.3 Uygulanabilir Stabilizasyon Metodları İçin Gradasyon ve Plastik Özelliklerine Göre Zemin Sınıflandırması 10 Şekil 2.4 Zeminlerin Yerinde Yoğunluğunu Ölçmek İçin Kullanılan Yöntemler 18 Şekil 2.5 Proktor İğnesi ve Kalibrasyon Eğrisi 19 Şekil 2.6 Test Sahası 20 Şekil 2.7 Dolgularda Serim ve Sıkıştırma 21 Şekil 2.8 Dinamik Kompaksiyon 23 Şekil 2.9 Dinamik Kompaksiyon İçin Zemin Sınıfları 25 Şekil 2.10 Vibroflatasyon ile Gevşek Granüler Zeminlerin Kompaksiyonu 26 Şekil 2.11 Gradasyonun Vibroflatasyon Üzerindeki Etkisi 27 Şekil 2.12 Vibro-Kanat Yöntemi ile Vibrokompaksiyon 29 Şekil 2.13 Vibrokompaksiyon Tekniğinde Kullanılan Aparatlar 30 Şekil 2.14 Vibrokompaksiyon İçin Zemin Gradasyon Limitleri 30 Şekil 2.15 Zemin Gradasyon Üçgeni 44 Şekil 2.16 Kireç İçeriğinin Çeşitli Zeminlerdeki Etkisi 48 Şekil 2.17 Aynı Kireç İçeriğindeki Farklı Zemin Cinslerinin Zamana Bağlı Mukavemet Artışı 49 Şekil 2.18 Kireç Miktarının PI Değerini Azaltma Etkisi 51 Şekil 2.19 Kireç Katkısının Kil Dayanımını Arttırması 53 Şekil 2.20 Çimento Stabilizasyon Mukavemeti İle Çimento İçeriği İlişkisi 59 Şekil 2.21 Çimento Katkı Yüzdesinin Hesaplanması 61 Şekil 2.22 Serbest Basınç Deneyinden Sonra Numunelerin Görünüşü 64 Şekil 2.23 Bitüm Yüzdesinin Tahmini 69 Şekil 3.1 Kompaksion Eğrisi 94 Şekil 3.2 Numunelerin Hazırlanma Aşamaları 98 Şekil 3.3 Serbest Basınç Deneyinde Kırılma ve Gerilme Deformasyon 99 Şekil 3.4 Drenajsız Kayma Mukavemeti Zarfı ve Mohr Dairesi 100 IX

12 Şekil 3.5 Serbest Basınç Deneyinin Yapılışı ve Kırılmış Numuneler 102 Şekil 4.1 Çalışmada Kullanılan Kum Zeminin Proktor Deneyi Sonucunda Elde Edilen Grafik 103 Şekil 4.2 %4 Çimento Katkısında Gerilme Deformasyon İlişkisi 104 Şekil 4.3 Çimento Miktarı Artışının 7 Günlük Numunelerde Mukavemet Üzerindeki Etkisi 105 Şekil 4.4 Aynı Gün İçerisinde Yapılan Aynı Yüzdede Çimento İçeren Numune Üzerinde Yapılan Deneyler 106 Şekil 4.5 Aynı Yüzdede Hazırlanan Numunelerin Zamanla Gerilme Artışı 107 Şekil 4.6 Birinci ve İkinci Grup Deneylerin Karşılaştırılması (Kür Faktörü) 109 Şekil Gün Sonunda Aynı Miktar Çimento ve Çimentolu Cüruf İlavesinin Karşılaştırılması 110 Şekil 4.8 Sadece %7 Çimento İçin Gerilme Deformasyon Değişiklikleri 111 Şekil 4.9 %3,5Çimento %3,5 Cüruf İçin Gerilme Deformasyon Değişiklikleri 111 Şekil 4.10 %7 Katkı Malzemesi İle Elde Edilen Grafik 113 Şekil 4.11 Farklı Oranlarda Çimento Katkısı ve Gerilme Değerleri 115 Şekil 4.12 Cüruflu Çimento Katkısı ve Gerilme Değerleri 116 Şekil 4.13 İlk 7 Gün İçin Aynı Miktarda Katkı Malzemesinde Gerilme Değerleri 117 Şekil 4.14 Toplam 56 Gün İçin Aynı Miktarda Katkı Malzemesinde Gerilme Değerleri 117 Şekil 4.15 Sadece Çimento İçin Zamanla Mukavemet Artışı 118 Şekil 4.16 Cüruflu Çimento İçin Zamanla Mukavemet Artışı 119 Şekil 4.17 Deneyin Tutarlılığı İçin %5 Çimento Katkısı İçin Hazırlanan Grafik 120 X

13 SİMGELER VE KISALTMALAR A : Zemin için değişmez katsayı A 0 : Başlangıçtaki en kesit alanı A d : En kesit alanı a : 2mm elek üzerinde kalan b : Zemin için değişmez katsayı b/c : Bitüm içeriği, kuru zemin ağırlığının yüzdesi olarak C : Çimento içeriği c : Kohezyon c u : Kırılma anındaki kohezyon c/c : Çimento içeriği, ağırlıkça yüzde CPT : Koni penetrasyon deneyi D : Islah derinliği Dr : Sıkılık d : Çap H : Boy değişimi E : Elastisite modülü ε : Deformasyon e : Boşluk oranı φ : Kayma mukavemeti açısı γ k : Kuru birim hacim ağırlık γ n : Doğal birim hacim ağırlık γ s : Dane birim hacim ağırlık h : Derinlik H : Tokmak düşüş yüksekliği h c : Kompaksiyon derinliği H 0 : Başlangıçtaki yükseklik H f : Kırılma anındaki boy k : Ampirik katsayı LL : Likit limit XI

14 N : Her bir noktaya düşürülen tokmak sayısı n : Ampirik katsayı OH : Ortadan yükseğe plastisiteli organik killer P : Basınç p : Porozite PI : Plastisite indeksi PT : Turba q u : Kayma direnci R : Etki yarıçapı S N : Uygunluk şartı SPT : Standart penetrasyon deneyi σ t0 : t 0 gündeki serbest basınç dayanımı σ 28 : 28 günlük serbest basınç mukavemeti σ t : t gündeki serbest basınç dayanımı t : Zaman τ 28 : 28 günlük kayma mukavemeti τ f : Kayma mukavemeti UE : Uygulama enerjisi V : Hacim υ : Poison oranı w : Su Muhtevası w opt : Optimum su muhtevası W : Tokmak ağırlığı XII

15 1 GİRİŞ Gülsen TUMLUER 1 GİRİŞ Zeminlerin gerek üzerlerine inşa olunan yapıların temelleri altında taşıyıcı tabaka olarak, gerekse birçok durumlarda inşaat malzemesi olarak, bütün inşaat projelerinde karşımıza çıktığı bilinmektedir. Değişik zeminler birbirinden farklı özelliklere sahiptir ve zeminin mühendislik özellikleri de zeminin cinsi yanında arazi koşullarına bağlı olarak (sıkılık derecesi, su muhtevası, konsolidasyon basıncı, yükleme ve drenaj koşulları gibi) geniş bir aralık içinde değişebilmektedir. Buna bağlı olarak, inşaat sahasında karşılaşılan zeminler her zaman istenilen özelliklere sahip olmayabilirler. İnşaat yerinin değiştirilmesi veya istenilen özelliklere sahip olmayan zeminlerin atılarak yerine elverişli zeminlerin kullanılması ise, teknolojik ve ekonomik nedenlerle çoğu kere uygun çözümler olarak kabul edilmemektedir. Bu gibi durumlarda, arazideki zemin tabakalarının özelliklerinin iyileştirilmeye çalışılması ve/veya usulüne uygun olarak yerleştirilmiş ve sıkıştırılmış toprak dolgular inşası yoluna başvurulmaktadır. Zeminler üzerlerine inşa edilen yapıların ve yol kaplamalarının stabilitesi üzerine oturduğu zeminin ve/veya dolguda kullanılan zeminin özelliklerinden önemli ölçüde etkilenir. Zira zeminler kaplamaların temeli olduğundan dolayı kaplamanın ve trafik yüklerinin yarattığı gerilmelere emniyetle karşı koyabilmelidir. Çevre ve iklim koşullarından ötürü zemin özelliklerinin (örneğin kabarma-büzülme, don kabarması, oturma, su içeriğinde değişiklikler, vb.) değişmesi, taşıma gücünde azalmalar, ilave gerilmeler, vb. hususların oluşmaması veya oluşursa da kaplamada olumsuz etkiler yaratmaması gerekir. Yol kaplamalarının performansı, ömrü ve bakım masrafları, vb. hususlar kaplamanın tasarımı, kullanılan malzemeler, yapım tekniği gibi hususlara bağlı olduğu kadar, zeminin stabilitesiyle de doğrudan ilgilidir. İnşa edilen yapılar ve yol kaplamaları için uygun olmayan zeminler ıslah edilerek yeterince stabil bir hale dönüştürülmelidir. Zeminin bir takım olumsuz özelliklerinin uygun bir stabilizasyon tekniği ile iyileştirilmesi mümkündür. Zemin ıslahı yöntemlerinin başlıca amaçları; 1

16 1 GİRİŞ Gülsen TUMLUER Zayıf bir zeminin taşıma kapasitesini arttırmak, Toplam oturmayı azaltmak ve deformasyonu azaltmak Konsolidasyonu hızlandırmak, Geçirimliliği azaltmak, Dolgu ve yarmaların stabilitesini arttırmak, Zemini iksa duvarı gibi çalıştırmak, İksa duvarlarını desteklemek ve yapıların yukarı kalkmasını önlemek, Zeminin sıvılaşma potansiyelini azaltmak, Yoğunluk artışını sağlamak, Kayma mukavemetini arttırmak, Yeraltı suyunun drene edilmesini kolaylaştırmak ve boşluk suyu basıncını azaltmak, Şişme/kabarma ve don kabarmasının etkilerini azaltmaktır. Zemin, toprak ve kaya olmak üzere iki farklı malzemedir. Genel olarak kaya zeminler, hafriyat güçlükleri ve kompaksiyon hariç, problem doğurmaz iken toprak zeminlerin potansiyel problemleri nedeniyle ıslah edilmeleri gerekebilir veya gerekebileceği hep göz önünde tutulmalıdır. Bir yolda taşıtların konforlu ve emniyetli olarak hareket etmelerini sağlayan kaplamalar, (veya yol üst yapısı) ne kadar iyi tasarlanırsa ve inşa edilirse edilsin, üzerine oturduğu dolgu ve yarma zeminlerin uygun olmaması halinde kaplamadan beklenen hizmetin gerek ömür, gerekse performans olarak yeterli olamayacağı geçmiş tecrübelerden bilinmektedir. Bu nedenle, zemini gerektiğinde uygun bir şekilde ıslah etmek gerekmektedir. Bunun için de zemin mekaniği prensiplerinden yararlanılarak, yapılarda kullanılacak zeminin potansiyel problemlerini ve ıslah tekniklerini iyi bilmek gereklidir. Zeminlerin kullanımı, iki ana grup altında toplanabilir. Bunlardan birincisi zeminin üst yapıdan gelen yükleri taşıyan bir temel olarak kullanılması, ikincisi ise, zeminin ahşap, çelik ya da beton gibi bir yapı malzemesi olarak kullanılmasıdır. Ancak, bazen zeminlerin kullanım amacına uygun özelliklerde olmadığı, örneğin taşıma gücünün yetersiz olması, oturma koşulunu sağlamaması, yeterli geçirimliliğe 2

17 1 GİRİŞ Gülsen TUMLUER ya da geçirimsizliğe sahip olmaması gibi problemlerle karşılaşılabilmektedir. Böyle durumlarla karşılaşıldığı zaman, problemin çözümünde kullanılabilecek, bazı seçenekler bulunmaktadır. Bu seçenekler aşağıda sıralanmaktadır. 1. Kötü zemini bir yöntemle geçerek temelleri sağlam tabakaya oturtmak, 2. Yapı temellerini zayıf zeminin taşıyabileceği özelliklerde yapmak, 3. Kötü malzemeyi tamamen kaldırarak yerine üstün nitelikli zemin doldurmak ya da zemini ıslah ettikten sonra tekrar yerleştirmek, 4. Zeminin özelliklerini yerinde yapılan işlemlerle iyileştirmek. Stabilizasyon gerçek anlamda yirminci yüzyılın bir mühendislik olayıdır. Özellikle son yıllarda yeni yöntemler önerilmiş ve uygulanmıştır. Bunun nedenlerini sağlam zemin bölgelerinin giderek azalması ve yetersiz temel ortamının kullanılma zorunluluğu; yapıların giderek artan boyutlarının getirdiği büyük gerilme limitleri olarak sıralamak mümkündür. Öte yandan, bir ülkede stabilizasyon teknolojisinin gelişmesi de endüstrinin gelişimine paralel olmaktadır. Bu çalışmada; çeşitli zemin ıslah yöntemleri araştırılmış ve katkı malzemeleri ile stabilizasyon üzerine deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar, kum zeminlerin çimento ve cüruf kullanılarak ıslah edilmesi üzerinedir. 3

18 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Bu bölümde daha önce kullanılan zemin ıslah yöntemleri ve bu yöntemlerle ilgili teorik ve deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Olumsuz zemin koşullarının iyileştirilmesinde mekanik, hidrolik, fiziksel ve kimyasal iyileştirme ile başlıca dört tür iyileştirme yapılabilir. Bu yöntemlerin uygulanması ile kayma dayanımını artırmak ve önemli yükler altında zemin davranışını iyileştirmek, oturmayı azaltmak, zeminden su sızıntısı kayıplarını azaltmak imkânı oluşur (Yıldırım, 2002). Mekanik iyileştirme kısa süreli mekanik kuvvetlerin etkisi ile zemin yoğunluğunun artırılmasını amaçlamaktadır. Örneğin yüzeydeki zemin tabakalarının statik, titreşimli veya darbeli silindir ya da titreşimli tabakalarla sıkıştırılması, zeminlerin derinde titreşimle sıkıştırılması mekanik iyileştirme yöntemlerini oluşturmaktadır. Patlatma ile sıkıştırma, sıkıştırma kazıkları ile zeminin sıkıştırılması bu grup içerisinde sayılabilir. Hidrolik iyileştirme drenler veya kuyular yardımı ile boşluk suyu basıncının düşürülerek kayma dayanımını arttırmayı hedefleyen iyileştirme yöntemleridir. Kaba daneli zeminlerde kuyu veya hendeklerden pompalama ile yeraltı su seviyesinin indirilmesi, ince daneli zeminlerde düşey drenlerin yardımı ile de ön yükleme yapılması, elektriksel yüklerle boşluk suyunun uzaklaştırılması türünden iyileştirmeler bu grup altında toplanabilir. Geosentetiklerin geleneksel tekniklere katkısı bu alanda büyük olmuştur. Diyafram duvarlar, palplanş duvarlar ve geomembranlar, keson ve tünelde basınçlı hava kullanarak zemin suyunun uzaklaştırılması teknikleri bu grup içerisinde sayılabilir. Fiziksel ve kimyasal iyileştirme yüzeysel zemin tabakalarında katkıların fiziksel olarak karışımı, katkıların derinlerde kolonlar teşkil edecek şekilde karıştırmak yolu ile yapılabilir. Doğal zeminler, endüstriyel atık ürünleri veya atıklar, birbiriyle veya zeminle reaksiyona giren çimento ve kimyasal katkı maddesini oluşturur. Katkı zemin boşluklarına veya yapı elemanı ile zemin arasındaki boşluğa basınçla verilirse bu uygulama enjeksiyon adını almaktadır. Isıtma ve dondurma yolu 4

19 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER ile yapılan iyileştirmeler (ısısal yöntemler) ile son yıllarda yurdumuzda geniş uygulama alanı bulan jet grout kolonu uygulaması bu grup içerisinde sayılabilir. Ekleme ve sınırlama ile iyileştirmede fiberler, şeritler, donatılar ve hasırların zemine yerleştirilmesi ile zemin kütlesi dayanımı arttırılmaktadır. Benzer şekilde zemin çivileri ve ankraj yerleştirilecek zeminin donatılandırılması ekleme ile yapılan iyileştirme anlamındadır. Beton, çelik veya diğer üretilmiş elemanlarla zemini sınırlandırarak duraylı zemin yapıları elde etmek olanağı vardır. Yaşayan (kafes) duvarlar, gabion elemanlar, geotekstili bohçalama duvarları, taşkolon ve geokolon teşkili bu grup içerisinde sayılabilir. Zemin iyileştirme yöntemi seçiminde istenilen iyileştirmenin nedeni ve hangi dereceye kadar yapılmak istenmesinin yanı sıra jeolojik yapı, zemin türü, sızıntı koşulları, maliyet, malzeme ve uygulama araçlarının elde edilebilirliği, süre, çevre yapılarında olası hasar, yer altı suyu kaynaklarında olası kirlilik, iyileştirmede kullanılan malzeme dayanıklılığı, paslanma etkisi, iyileştirme yönteminin güvenirliği, iyileştirmenin denetimi gibi etkenler önemli rol oynamaktadır. Söz konusu iyileştirme yöntemleri aşağıdaki gibi sınıflandırabilir. İyileştirme Yöntemleri Mekanik Hidrolik Fiziksel ve Kimyasal Ekleme ve Sınırlama Titreşimli Sıkıştırma Ön Yükleme Enjeksiyon Şerit Darbeli Silindir Geosentetik Isıtma-Dondurma Donatı Titreşimli Tabla Diyafram Duvar Jet Grout Hasır Derinde Titreşim Palplanş Duvar Çimento vb. Katkı M. Zemin Çivisi Statik Sıkıştırma Geomembran Ankraj Sıkıştırma Kazıkları Basınçlı Hava Kafes Duvar Patlatma Pompalama Gabion Eleman Bohçalama Duvarı Taşkolon Geokolon Fiber Şekil 2.1 Zemin Islah Yöntemlerinin Sınıflandırılması (Yıldırım, 2002) 5

20 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Zemin ıslak olmak koşulu ile iyileştirme yöntemlerinden yalnızca dondurma yöntemi, tüm zemin cinsleri için uygun olup diğer tüm yöntemler zeminin kohezyonlu olup olmadığına, suya doygun olup olmadığına, normal ya da aşırı konsolide olduğuna, zeminin özel bir yapısı (örneğin organik veya atık) bulunup bulunmadığına göre bir yöntem uygun olabilirken diğeri uygun olmayabilir. Özellikle uğraşılan sorunun türünün (temel taşıma gücü, yanal dayanımı, dayanma yapısı teşkili, yumuşak ve gevşek zemin üzeri dolgu, sızıntı vs.) bir yöntemin uygunluğunda çok önemli bir etken olduğu bilinmektedir (Yıldırım, 2002). Yani, her stabilizasyon yöntemi özel koşullarda geçerlidir. Bu koşullar şöyle özetlenebilir (Önalp, 1983). 1. Ortamın türü: kil, organik, tortul vb. 2. Islah edilecek bölgenin alanı ve hacmi: ortamın geometrik özellikleri ve yapı türüne bağlı 3. Yapının türü ve yüklerin dağılımı 4. Zeminin özellikleri: kayma direnci, sıkışabilirlik, geçirimlik. 5. İzin verilebilir toplam ve farklı oturmalar 6. Malzeme durumu: taş, kum, su, katkı maddeleri 7. Teknisyen, vasıflı işçi, özel aletlerin varlığı 8. Çevre koşulları: atıkların kullanımı, erozyon, su kirlenme kısıtlamaları 9. Yerel deneyim ve birikimi 10. Ekonomik veriler (Mitchell, 1976). Stabilizasyon teknikleri ile zeminin hacimsel stabilitesi, mukavemeti, permeabilitesi (geçirgenlik), sıkışabilirliği, dayanıklılığı (durabilite) iyileştirilebilir. Zeminin su içeriğindeki değişimleri şişme ve büzülme gibi hacimsel değişiklere neden oluyorsa hacim değiştirmenin miktarına bağlı olarak az veya çok problem var demektir. Bu problemin giderilmesi için yapılan stabilizasyon yöntemleri genellikle alternatif bir uygulamadır. Drenaj, ilave yük, seçme malzeme ile geçirimli tabaka inşası, vb. tedbirler ile hacimsel değişim önlenmeye çalışılmalıdır. Ama bu tekniklerin her biri birer zemin stabilizasyon yöntemi olarak sayılabilir. Örneğin kimyasal katkılar ile şişme potansiyeli yüksek bir killi zemini 6

21 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER daha yoğun ve suya duyarlığı daha az hale dönüştürmek veya zemini yüzeyden belli bir yükseklikte kazıp attıktan sonra yerine dren kabiliyeti yüksek bir seçme malzemesi ile doldurup yaratılan ilave yük ile şişme basınçlarını azaltmak da birer stabilizasyon tekniğidir. Zeminin mukavemeti genel olarak kompaksiyon ile arttırılır. Ancak önyükleme (sürşarj), drenaj, diğer bir zeminle karıştırmak, kimyasal stabilizasyon (çimento, kireç, uçucu kül, bitüm veya kimyasal katkılar) yöntemleri ile zemin mukavemetinin iyileştirilmesi de mümkündür. Zemin mukavemeti ile ilgili sorunlara genellikle yüksek oranda organik madde içeren zeminlerde karşılaşılmaktadır. Zeminin permeabilite özelliğinin değiştirilmesinde en etkin metot kompaksiyon olmakla beraber kireç, jips, uçucu kül, puzolan, vb. maddelerin katkısı ile zemin danelerini birbirine sıkıca bağlayarak çimentolaşması sağlanabilir. Böylece az veya çok permeabilite özelliklerinde iyileşme sağlanabilir. Bitüm ise granüler zemin danelerinde bağlayıcılık görevi yapmakla beraber geçirimsizliği de sağlamaktadır. Ancak bu amaçla kullanılacak stabilizörler zeminin cinsine bağlı olarak seçilmelidir. Zeminin diğer özelliklerinde olduğu gibi kompaksiyon, sıkışabilirlik özelliğinin iyileştirilmesinde kullanılan etkin bir metottur. Kompaksiyon ile zeminin sıkışabilirliğinde önemli azalmalar yaratılır. Ancak sıkışabilirlik özelliğinin iyileştirilmesinde kompaksiyon tek başına yeterli değildir. Örneğin aşırı konsolide olabilen zeminlerde konsolidasyon teknikleri uygulanmalıdır. Zeminlerin durabilite özelliği yukarıdaki özelliklerden herhangi birinin olumsuz yönde değişimine karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Çünkü zeminin belli bir yüksekliğinde (genellikle cm lik kısım) durabilite problemlerine maruzdur. Bu nedenle stabilizasyon işlemleri genellikle bu katmanda yapılır (Tunç, 2002). Zeminlerin problem yaratan özellikleri tam olarak belirlendikten sonra hangi tip stabilizasyon metodunun uygulanmasına karar verilir. Bunun için eskiden beri başarıyla uygulanmış olan klasik zemin stabilizasyon metotları ile son yıllarda gelişmekte olan yeni zemin stabilizasyon metotları göz önünde tutularak karar verilmelidir. Diyagramda (Şek 2.2) iyileştirme yöntemlerinin bazılarının dane 7

22 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER boyutuna göre hangi türlerde daha başarılı olabileceği gösterilmiştir. Görüldüğü gibi ayrımda hakim kriter zeminin inceliğidir. Çakıl ve kumlar için geçerli bir tekniğin çoğu ince daneli zeminlerde verimsiz kaldığı görülmektedir. Bunun en önemli nedeni yüzeysel kuvvetlerin hakim olduğu killerde geçirimliliğin de düşüklüğü sonucu suyun farklı durumu olarak gösterilebilir (Tunç, ; Önalp,1983). Şekil 2.2 İyileştirme Yöntemlerinin Dane Boyutuna Göre Uygulanabilirliği (Yıldırım, 2002; Önalp, 1983) Çizelge 2.1 de görüldüğü gibi, değişik amaçlar için zemin cinsine bağlı olarak değişik stabilizasyon metodları uygulanmaktadır. Zeminin olumsuz özellikleri belirlendikten sonra uygun stabilizasyon metoduna karar verilir. Zemin stabilizasyonları ile zeminin olumsuz özellikleri ıslah edildiği gibi kaplama kalınlıklarında önemli azalmalar söz konusudur. Esasen esnek kaplamalarda kullanılan çimento stabilizasyonu temeller veya bitümlü temeller granüler temel malzemesinin çimento veya bitümle stabilizasyonundan başka bir şey değildir. 8

23 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Çizelge 2.1 Sabilizasyon Metodları (Tunç, ) AMAÇ ZEMİN CİNSİ STABİLİZASYON METODU Yük taşıma ve deformasyon direncini arttırmak İnce granüler Asfalt, çimento, mekanik karıştırma, kompaksiyon Kaba granüler Asfalt, çimento, mekanik karıştırma, kompaksiyon Düşük PI killer Kompaksiyon, çimento, kireç Yüksek PI killer Kireç Don duyarlılığını azaltmak İnce granüler Çimento, asfalt, uçucu kül Düşük PI killer Çimento, kireç Su geçirimsizliği Düşük PI killer Çimento, asfalt, kireç Kabarma-büzülme kontrolu (hacim Düşük PI killer Çimento, kompaksiyon, stabilitesi) Yüksek PI killer kireç Kireç Esnekliği azaltmak Yüksek PI killer Kireç Elastik kil veya Çimento siltler Çizelge 2.2 Zemin Cinsine Göre Stabilizasyon Metodu (Tunç, ) Zemin bileşiği Tavsiye edilen Amaç stabilizasyon Organik madde Mekanik stabilizasyon Diğer metodlar etkisizdir. Kum Mekanik stabilizasyon Silt Killer; Alofenler Kaolin İllit Montmorillenit Çimento Asfalt Mekanik veya kimyasal stabilizasyon Kireç veya kireç-uçucu kül karışımı Kum ile mekanik stab. Çimento Kireç Çimento Kireç Kireç İnce ve plastik olmayan malzeme karıştırılarak stabiliteyi arttırmak Mukavemeti arttırmak Kohezyon sağlamak Zemin özelliklerini iyileştirmek Mukavemeti arttırmak Stabiliteyi arttırmak Kısa süreli mukavemeti artırmak İşlenebilirlik ve uzun süreli mukavemeti arttırmak Kısa süreli mukavemet artışı İşlenebilirlik ve uzun süreli mukavemeti arttırmak İşlenebilirlik ve kısa süreli mukavemeti arttırmak 9

24 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Stabilize edilecek zeminlerin gradasyonları ile plastiklik özellikleri de stabilizasyon metodunun seçiminde büyük rol oynar. Şekil 2.3 te zeminin dane dağılımına göre stabilizasyon yönünden kaba sınıflandırılması görülmektedir. Şekil 2.3 Uygulanabilir Stabilizasyon Metodları İçin Gradasyon ve Plastik Özelliklerine Göre Zemin Sınıflandırması (Tunç, 2002) Burada; Alan I: Yüksek plastisiteli ağır killi zeminler. Sönmemiş (CaO) veya sönmüş (Ca(OH) 2 ) kireçle stabilizasyon. Alan II: Orta derecede killi zeminler. Eğer LL<40 ve PI<15 ise çimento, PI<10 ise bitümlü ve Alan I sınırına yakın ise sönmüş kireç ile stabilizasyon. Alan III: İyi derecelenmiş kumlu kil zeminler. Çimento veya bitümle kolaylıkla stabilize edilebilir. Alan IV: İyi derecelenmiş kum-kil karışımı zeminler. Eğer PI=4 12 ise hafif trafikli yol yüzeyleri için kompaksiyon ile ve PI=0 6 ise alt temel için kompaksiyon ile stabilizasyon. Alan V: Granüler zeminler. Eğer PI=4 9 ise ağır trafikli yol yüzeyleri için ve PI=0 6 ise alt temel için kompaksiyon ile stabilizasyon. 10

25 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Alan VI: Granüler zeminler. Eğer minimum boyut No.4 ile No.40 arasında ise yüzey açık yani boşluklu olacağından trafik yükleri altında danelerin kopması söz konusudur. Alan VII: Kaba karışımlı granüler zemin olduğundan dolayı sıkıştırma ve yüzey düzelmesi çok zordur. Zeminlerin ıslahında farklı amaçlar için farklı stabilizasyon teknikleri kullanılmaktadır. Çizelge 2.3 te zemin ıslah metotlarının farklı amaçlar için kullanımı özetlenmiştir. Dolayısıyla zemin cinsi, mevcut ekipman, deneyim, zemin ıslah seviyesi, vb. hususlar göz önünde tutularak stabilizasyon yöntemi seçilmelidir. 11

26 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Çizelge 2.3 Uygulanabilir Stabilizasyon Teknikleri (Tunç, 2002) Amaç Taşıma gücü Ani oturma Stabilizasyon Tekniği Vibrokompaksiyon Taş kolon Dinamik kompaksiyon Patlatma Kireç/çimento kolonlar Enjeksiyon Kum/çakıl kompaksiyon kazığı Drenaj Kireç/çimento/bitüm stabilizasyonu Vibrokompaksiyon Dinamik kompaksiyon Patlatma Enjeksiyon Kireç/çimento kolon Kum/çakıl kolon Taş kolon Konsolidasyon Önyükleme Kum dren Enjeksiyon Taş kolon Kireç/çimento kolon Konsolidasyon Kum dren oturmasının hızlandırılması Şev stabilitesi Önyükleme Kum/çakıl kompaksiyon kazığı Payanda dolgusu Drenaj Enjeksiyon Zemin çivisi Taş kolon Kum/çakıl kolon 12

27 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER 2.1 Mekanik Stabilizasyon Mekanik stabilizasyon iki veya daha fazla farklı zeminin uygun oranlarda karıştırılarak istenilen şartları sağlayan bir zemin haline dönüştürülmesidir. Böylece yük altında kalıcı deformasyon yapmayan yani stabil bir zemin elde edilmiş olunur (Tunç, 2002). 2.2 Tesviye Konut inşaatı genellikle bakir arazide başladığından, inşaat işinde ilk adım genellikle sahanın tesviyesinin yapılmasıdır. Tesviye kazma, doldurma veya bunların birleşiminden oluşan herhangi bir işlem olarak tanımlanır. Saha tesviyesinin önemli bir bölümü çoğu zaman dolgunun kompaksiyonunu kapsar. Kompaksiyon, mekanik yöntemler ile bir dolgunun sıkıştırılması olarak tanımlanmaktadır. Zemini sıkı bir duruma getiren bu fiziksel işlem zeminin kayma direncini arttırırken, sıkışabilirliğini ve permeabilitesini azaltabilir. Deprem etkilerini azaltmada tesviye esnasında yapılan aktivitelerin bazı örnekleri aşağıda verilmiştir: Şev stabilizasyonu: Buna örnekler; şev eğiminin azaltılması veya bir dolgu destek veya kesme kaması inşa ederek şevin emniyet faktörünü arttırmaktır. Sıvılaşmaya yatkın zeminler: Sıvılaşmaya yatkın zeminlerin sığ ve yer altı su tablası da geçici olarak düşürülebilirse, tesviye işleri esnasında bu zeminler kaldırılarak yerine başka zemin konabilir. Diğer seçenek de, potansiyel olarak sıvılaşabilir zemini kaldırmak, yığmak ve gerekli ise kurumasını sağlamak daha sonra da yapısal dolgu olarak zemini yeniden sıkıştırmaktır. Deprem kökenli oturma: Yüzey yarığı ve kum kaynamaları gibi sıvılaşma kökenli yer hasarı için potansiyeli azaltmak amacıyla düz yüzeyli sahalarda kullanılan bir yaklaşım, sahaya bir dolgu tabakası ilave etmektir. Bu işlem, sahanın tesviyesi sırasında yapılabilir. Bu 13

28 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER yöntemin, yanal yayılma nedeniyle yapısal hasarı ve yüzey çatlağını önlenemeyeceği için, eğimli yerlerde nispeten az fayda sağlayacağı unutulmamalıdır. Hacimsel oturma ve sallanma oturması: Gevşek zeminler ve plastik akmaya veya deformasyon yumuşamasına duyarlı zemin tipleri tesviye işleri esnasında kaldırılabilir ve yerine başka zemin kullanılabilir. Diğer tercih; zemini kaldırmak, yığmak ve kurumasını sağlamak ve sonra da yapısal dolgu olarak zemini yeniden sıkıştırmaktır. Tesviye esnasında zemini kaldırmak ve tekrar sıkıştırmak yerine diğer bir yaklaşım olarak, yumuşak killer ve organik zeminler için çoğunlukla etkin bir iyileştirme yöntemi olan ön yüklemeyi kullanmaktır. Bu işlem, zeminlerin sıkışabilirliğini azaltan ve kayma direncini arttıran konsolidasyona yol açmak amacıyla, tesviye işleri esnasında zeminleri geçici olarak ilave yük ile yüklemeden ibarettir. Deprem nedenli taşıma gücü: Oturmadaki tercihlere benzer şekilde, tesviye işleri esnasında zayıf taşıyıcı zeminler sıyrılabilir ve değiştirilebilir veya ilave yük ile yüklenebilir. Drenaj ve kurutma sistemleri: Drenaj sistemleri tesviye işlemleri esnasında döşenebilir (Kayabalı, 2004). 2.3 Zemin Değiştirme Temel olarak iki tip zemin değiştirme yöntemi vardır. Birinci yöntem olarak sıkıştırma ve değiştirme daha yaygın kullanılmakta olup, tesviye işleri esnasında sıkışabilir zemin tabakasının sıyrılmasından ve yapısal dolgu ile değiştirilmesinden ibarettir. Arzu edilmeyen veya zayıf materyalin kazılması ve daha iyi zemin ile değiştirilmesi yoluyla herhangi bir zeminde, maliyetin belirleyici olduğu yerde sınırlı derinlik ve alan 10m nin altında olduğu durumlarda uygulanır. İkinci yöntem ise, yerdeğiştirme yöntemi olup sadece sıkışabilir zemin tabakasının altında olduğu durumda veya yeraltı su tablası ekonomik olarak düşürülebilir olduğu zaman 14

29 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER kullanışlıdır. Çok yumuşak zeminlerde çamur dalgalarından ve dolgu altında kaplanmış sıkışabilir zeminden dolayı problem söz konusu olduğunda, zayıf zeminleri kaymaya zorlayacak ve daha kuvvetli dolgu ile yerdeğiştirecek şekilde aşırı yüklenmesi ile yapılır (Kayabalı, 2004). 2.4 Suyun Uzaklaştırılması Sınırlı drenajı olan sıkışabilir normal konsolide killer üzerine baraj, yol dolgusu ve yüksek yapı inşaatı büyük konsolidasyon oturmalarına neden olacaksa, yapım sonrası oturmaların önemli bir kısmı ön yükleme ile gerçekleştirilebilir (Yıldırım, 2002). Sahada altta sıkışabilir kohezyonlu bir zemin tabakası bulunması durumunda, bu saha zemin yüzeyine yerleştirilen bir dolgu tabakası ile yüklenebilir. Drenaj yolunu kısaltmak ve konsolidasyon işlemini hızlandırmak için, sıkışabilir zemin tabakası içine düşey drenler (fitil drenler veya kum drenler gibi) yerleştirilebilir. Sıkışabilir kohezyonlu zemin tabakası yeterli konsolidasyona sahip olduğu zaman, dolgu ilave yük tabakası kaldırılır ve bina inşa edilir. Yumuşak, ince daneli zeminler ve hidrolik dolgularda suyun drenajını sağlamak amacıyla hendek kazma yöntemi uygulanır. Normal konsolide ince daneli zeminler, organik zeminler ve dolgularda zemin konsolidasyonuna imkan verecek şekilde inşaat öncesi yük uygulaması amacıyla önceden sıkıştırma yöntemi uygulanır. Aynı zamanda bu tip zeminlerde konsolidasyonu hızlandırmak için drenaj yolunu kısaltmak amacıyla düşey drenlerle birlikte önceden sıkıştırma da uygulanabilmektedir. Normal konsolide siltler ve siltli killerde elektrik akımının suyun katoda akmasını sağlayacağı elektro-osmos yöntemi kullanılmaktadır (Kayabalı, 2004). 2.5 Kompaksiyon (Sıkıştırma) Kompaksiyon ve konsolidasyon arasındaki farkın açık olarak anlaşılması gerekir. Konsolidasyon, devamlı basınç altında kohezyonlu zeminin boşluklarındaki 15

30 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER suyun azar azar dışarı atılması ve hacimde bir azalma meydana gelmesidir. Oysa; kompaksiyon, yalnız havanın dışarı atılması ile zemin danelerinin birbirine yaklaşmasıdır (Kumbasar, 1962). Kompaksiyon; zeminlerin dayanım, permeabilite (geçirimlilik) ve oturmaya karşı iyileştirilmesi veya erozyon olayına karşı sağlamlaştırılması için tabakalar halinde sıkıştırılması olarak tanımlanabilir (Aytekin, 2004). Kompaksiyon; zemin tabaka serilerek, silindirleme, vibrasyon (titreşim) uygulama, tokmaklama gibi işlemlerle yapılmaktadır. Bu işlemlerle, zemin taneleri daha az boşluklu yerleşerek, zeminin boşluk oranı azaltılır. Yol, hava alanı, toprak baraj, toprak dolgu inşaatlarında, zemin belli bir kalınlıkta serilerek, belli bir su muhtevasında, uygun bir sıkıştırma aracı ile sıkıştırılır (Uzuner, 2000). Sıkışmanın kalitesi, rölatif kompaksiyon ile kontrol edilir. Kompaksiyonla genel olarak şu yararlar sağlanır: 1. Zeminin taşıma gücü arttırılır. 2. Zeminin geçirimliliği azaltılır, zemine daha kararlı bir yapı kazandırılır. Böylece zeminin su alarak, hacim değişikliklerine uğraması azaltılır. 3. Zemin sabit, hareketli, dinamik yükler altında yapacağı oturmalar azaltılır (Uzuner, 2000). Kompaksiyonu iyi yapılmış zeminlerde şu özellikler aranır: 1. Kendi ağırlığı ve uygulanan dış yükler altında yeterli dayanıma sahip olmalıdır. 2. Uygulanan yük altında meydana gelen oturmalar izin verilebilir sınırlar içinde olmalıdır. 3. Şişme ve büzülme gibi hacim değişimi yapmamalıdır. 4. Dayanım ve sıkışabilirlik özelliklerini kullanım ömrü boyunca koruyabilmelidir. 5. Kullanım amacına uygun olan geçirimlilik ve drenaj özelliklerine sahip olmalıdır (Aytekin, 2004). 16

31 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Arazi Sıkışma Kontrolü Toprak dolgu yapılacak proje şartnamelerinde, dolguda kullanılacak zemin cinsi ve elde olunması istenilen minimum sıkılık derecesi belirtilmelidir. Bazı durumlarda sıkıştırma su muhtevası da şartnamede belirtilebilir (belli aralıklar içinde). Arazide kompaksiyon işlemi sırasında şartname kayıtlarına uyulup uyulmadığı yerinde yapılacak ölçümlerle kontrol edilmelidir. Gerek şartnamelerin hazırlanmasında, gerekse arazi kontrolü sırasında, sıkıştırma işleminin esas amacının zeminin belli mühendislik özelliklerini iyileştirmek olduğunu akıldan çıkarmamak gerekir. Kompaksiyonun zeminin mühendislik özellikleri göz önüne alınarak, istenilen özelliklerde yeterli iyileştirmenin sağlanıp sağlanmadığına dikkat edilmelidir. Bilinçsizce hazırlanan şartnameler ve uygulanan kompaksiyon işlemleri büyük maliyetlere rağmen istenilen amacı gerçekleştirmekten uzak kalabilmektedir. Kompaksiyon şartnamelerinde iki genel yaklaşımdan birini benimsemek mümkündür: Yöntem belirten şartnameler Sonucun kontrolünü isteyen şartnameler Sıkışma kontrolünde değişik yöntemler kullanılmaktadır. Bunlardan bir kısmı kum konisi yöntemi, balon yöntemi, yağ (su) yöntemi ekipmanları Şekil 2.4 te gösterilmektedir (Özaydın, 2000). 17

32 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Şekil 2.4 Zeminlerin Yerinde Yoğunluğunu Ölçmek İçin Kullanılan Yöntemler (Özaydın, 2000) Kum konisi yönteminde sıkıştırılan zemin üzerine ortası delik plaka konur ve deliğin altındaki zemin kazılır. Kazılan zemin bir naylon torbaya konur ve rutubet kaybını önlemek üzere ağzı kapatılır. Kazılan çukurun üzerine kum konisi konur ve vanası açılarak çukurun içine standart kumun dolması sağlanır. Sıkıştırılan zeminde açılan çukurun içine konan standart kumun ağırlığı tartılır ve yoğunluğu daha önceden belirlendiği için açılan çukurun hacmi hesaplanabilir. Çukurdan alınan zeminin kuru ağırlığı ve standart kum ile hacmi belirlenen zeminin kuru yoğunluğu hesaplanabilir. Böylece arazide sıkıştırılan zeminin kuru yoğunluğu daha önceden aynı zemin üzerinde belirlenen maksimum kuru yoğunluğu ile mukayese edilerek sıkışma derecesi yüzde cinsinden tayin edilir (Tunç, 2002). Balon ve yağ (su) yönteminde de aynı temel esastır. Sadece çukurun hacmini ölçmek için kullanılan aletler değişiktir. 18

33 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Arazideki kompaksiyon, Proktor iğnesi ile de kontrol edilebilir. Bu aletin ucuna değişik uç alanlı uçlar takılabilir ve zemine batırmak için uygulanan yük, bir yay vasıtasıyla ölçülür (Şekil 2.5). Şekil 2.5 Proktor İğnesi ve Kalibrasyon Eğrisi Laboratuarda yapılan proktor (kompaksiyon) deneyleri sırasında, iğne, kalıpta sıkıştırılmış zemine belli miktarda sokularak, batma direnci ölçülür. Böylece, su muhtevası-batma direnci ilişkisi çizilir (Şekil 2.5, kalibrasyon eğrisi). Bu kalibrasyon ilişkisi kullanılarak, arazide ölçülen batma direncinden, arazideki su muhtevası kolayca belirlenir (Uzuner, 2000). Nükleer aletler yardımı ile zeminin yoğunluğu ve su muhtevası (bir oyuk açmadan) yerinde doğrudan çok çabuk bir şekilde yapıldığından dolayı gün geçtikçe inşaatlarda yaygınlaşmaktadır Kompaksiyon Makineleri Düz ayaklı silindirler, lastik tekerlekli silindirler, keçi ayaklı silindirler, titreşimli silindirler, vibratörler, darbeli sıkıştırma araçları, demir bandajlı silindirler, pnömatik silindirler (Özaydın, 2000; Evren, 1987). Zeminlerin kompaksiyonunda hangi tip silindirin kullanılacağı; Zemin cinsi ve yol ekseni boyunca değişimi, 19

34 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Sıkıştırma derecesi, İşin büyüklüğü ve eldeki silindir tipleri kapasitesi gibi şartlara bağlıdır Kompaksiyonda Dikkat Edilecek Hususlar Sıkıştırılan tabaka kalınlığı arttıkça homojen bir sıkışma elde etmek güçleştiği gibi sıkışma miktarı da azalır. Bu nedenle zemin cinsi, silindir tipi ve kapasitesine bağlı olarak kaynaklarda (Tunç, 2002) verilen pratik maksimum sıkışmış tabaka kalınlıkları bir rehber olarak göz önüne alınmalıdır. Eldeki mevcut silindirlerin zemin cinsine göre nasıl değerlendirileceği, tabaka kalınlıkları, vb. hususlar bir deneme kesiminde test edildikten sonra belirlenmelidir. Bunun için aşağıdaki Şekil 2.6 da görüldüğü gibi bir test sahası hazırlanmalıdır. Film tabaka kalınlığı Sabit tabaka kalınlığı Şekil 2.6 Test Sahası (Tunç, 2001) Bu test sahası 3 şeritli olmalı ve 4, 6, 8 veya daha fazla pas sayısında değişik malzeme kalınlıkları için sıkışma testleri yapıldıktan sonra sıkışma- pas sayısı eğrisi çizilmelidir. Test sonucuna göre sıkıştırılacak tabaka kalınlığı ve buna karşılık gelen serim kalınlığı, silindir hızı ve vibrasyon etki değerleri (frekans ve genlik) belirlenmelidir. Sıkışma testleri orta şerit de yapılmalı ancak yan şeritler içinde mukayese edilmelidir. Eğer elde edilen sıkışma yeterli değilse pas sayısını arttırmak, silindir hızını düşürmek veya tabaka kalınlığını azaltmak için, yeni bir deneme kesiminde, tekrar test yaparak nihai karar verilmelidir. Malzeme ocağındaki su içeriği çok yüksek ise uygun bir drenaj tekniği ile malzeme kurutulmalıdır. Eğer su içeriği çok düşük ise greyder veya dozerler ile 20

35 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER hendekler açılmalı ve hendekler su ile doldurulmalıdır. Daha sonra malzeme uygun kıvama geldiğinde yerinde greyder veya dozerle homojen olarak karıştırılmalı ve dolgu sahasına sevk edilmelidir. Malzeme iri boyutlu taşlar ihtiva ediyorsa ayıklandıktan sonra dolguda kullanılmalıdır. Maksimum dane boyutu sıkışmış tabaka kalınlığının 2/3 ünden daha fazla olmamalıdır. İyi bir sıkıştırma sabit bir kalınlıkta serim yapıldığı takdirde sağlanır. Malzemenin serimi skreyper ile yapılıyorsa serim kalınlığı homojen olacak şekilde ayarlanmalıdır. Dolgu malzemesi kamyonlar ile taşınıyorsa malzeme dolgu yerinde uygun aralık ve miktarlarda boşaltılmalı ve dozerler ile sabit kalınlıkta serilip düzgün yüzeyler elde edilecek şekilde tabakalar teşkil edilmelidir. Şekil 2.7 Dolgularda Serim ve Sıkıştırma (Tunç, 2001) Dolgularda yapılacak kompaksiyon için Şekil 2.7 de görüldüğü gibi dolgu sahasının en düşük kotundan başlayarak yatay tabakalar halinde serim ve sıkıştırma yapılmalıdır. Arazinin tabi eğimine paralel eğimli tabakalar kesinlikle yapılmamalıdır. Aksi takdirde yeterli ve homojen bir sıkışma elde edilememektedir. Sıkışma kontrolü ile gerekli sıkışma sağlanmamışsa sıkışmamış tabaka ya kaldırılıp atılmalı ya da gevşetilip tekrar sıkıştırılmalı ve sıkıştırma kontrolü tekrar yapılmalıdır. 21

36 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Saha Güçlendirmesi Sahadaki zemin güçlendirmede değişik yöntemler kullanılmaktadır. Dinamik kompaksiyon yöntemleri: Örnek olarak ağır tokmaklama yöntemi, zemini titreştirmek ve yüzeye yakın granüle zeminlerin yoğunluğunu arttırmak amacıyla, büyük bir ağırlığı zemin yüzeyine defalarca kaldırıp ve düşüren bir vinçten oluşur. Bu yöntem ile zemin yoğunluğu 18m derinliğe kadar arttırılabilse de, genellikle yaklaşık olarak 6 ile 9m derinliklerde etkilidir. Bu yöntem ayrıca çarpma çukurlarının doldurulmasını ve zemin yüzeyinin tekrar düzleştirilmesini gerektirir. Kompaksiyon kazıkları: Önceden dökülmüş beton kazıklar veya bir ucu kapalı boş çelik kazıklar gibi büyük yer değiştirme kazıklarını zemine çakmak suretiyle zeminin yoğunluğu arttırılabilir. Zemin, hem zeminin gerçek yer değiştirmesi hem de çakma işlemi esnasında oluşan yer titreşimi ile sıkıştırılır. Kazıklar tipik olarak yerinde bırakılır. Bu işlem, bu yöntemi diğerlerinden daha pahalı kılmaktadır. Ayrıca, kazıklar arasındaki zeminin makul düzeyde sıkışmasını sağlamak için, kazıklar nispeten yakın açıklıklı olmalıdır. Patlatma: Derinlerdeki zeminin sıkıştırılması patlatma ile başarılabilir. Bu yöntemin birbirine bitişik yapılarda hasar riski yüksektir. Böyle bir yöntemin kullanımı hakkında yerel kısıtlamalar olabilir. Titreşimli sondalar ile kompaksiyon: Gevşek kum çökellerin yoğunluğunu arttırmada kullanılan bu yöntemin, sıvılaşabilir zeminler derinde olduğu zaman, sıvılaşma tehlikesini azaltmada en güvenilir ve en kapsamlı yöntemlerden biri olduğu düşünülmektedir (Seed,1991; Kayabalı, 2004). Düşey çakıl drenler: Vibroflotasyon veya diğer yöntemler, sıkıştırılmış çakıl veya kırma taş ile doldurulan silindirik düşey bir delik yapmak için kullanılır. Bu çakıl ve kırma taş kolonların permeabiltesi çok yüksek olup, çevre zeminde deprem kökenli boşluk suyu basınçlarını hızlıca sönümleyebilirler. Bu yöntem, kayma direnci kaybını azaltmada etkin olabilir fakat, sahadaki genel oturmayı önlemez. Ayrıca, bu yöntem nispeten serbest drenajlı 22

37 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER zeminlerde etkin olabilir. Ancak, anlamlı boşluk suyu basıncı sönümlemesi sağlamak için, düşey kolonlar yakın aralıklı dizilmelidir. Boşluk basıncı artış hızının dren kapasitesini aşması durumunda, kısmi iyileştirme gerçekleşmez (Seed,1991; Kayabalı, 2004) Özel Kompaksiyon Teknikleri Kohezyonsuz zeminlerde derin kompaksiyonu için birçok kompaksiyon tekniği geliştirilmiştir. Bu kompaksiyon teknikleri dinamik kompaksiyon, vibroflatasyon, vibrokompaksiyon ve patlatmadır (Das, 2002; Tunç, 2002). Bu tekniklerin seçiminde sıkıştırma derinliği ve derecesi, zeminin cinsi, gradasyonu, ince miktarı, yer altı su seviyesi, zeminin doygunluk derecesi, mevcut ekipman, süre ve maliyet gibi unsurlar göz önünde tutulmalıdır. Maliyet bakımından bu teknikler sıralanacak olursa ve en ekonomik olanından başlanırsa patlatma, vibrokompaksiyon, dinamik kompaksiyon, vibroflatasyon, taş çakıl veya kum kazıklar olarak sıralanmaktadır. Bunların göreceli maliyetleri her bir m 3 için %100 ile %500 aralığında değişmektedir. Patlatma tekniği bile geleneksel kompaksiyon tekniğinden birkaç kat daha fazladır ve bunun için tekniğin seçimi iyi yapılmalıdır Dinamik Kompaksiyon Şekil 2.8 Dinamik Kompaksiyon (Tunç, 2002) 23

38 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Bu teknikte sıkıştırma 5,5 ila 27,5ton ağırlığındaki bir tokmağın 12 ila 30m yükseklikten ıslah edilecek zemin üzerine defalarca düşürülmesiyle yapılmaktadır. Bu işlem bir veya daha fazla pasda tüm alana belirli aralıklarda düşme yükü tatbik edilmekte ve her pasdan sonra oluşan çukurlar ya dozer ile düzeltilmekte ya da çukurların içleri granüler malzeme ile doldurulmaktadır. Daha sonraki pasda tekrar sıkıştırılıp işleme devam edilmektedir. Kohezyonsuz zeminlerde uygulanabildiği gibi kohezyonlu zeminlerde de iyi sonuç verdiği ileri sürülmüştür (Menard, 1977). Ancak kohezyonlu zeminlerde bu yöntemin etkin olabilmesi için zemin yapısını bozacak enerji, makul zamanda artan boşluk suyu basınçları ve suyun hareketi için çatlak kanallarının oluşması gerekli görülmektedir (Das, 2002; Uzuner, 2000; Tunç, 2002, Önalp, 1983). Dinamik kompaksiyonda ıslah etki derinliği aşağıdaki formül ile hesaplanır. D = n WH (2.1) Burada; D : Islah derinliği (metre), W: Tokmak ağırlığı (ton), H: Tokmak düşüş yüksekliği (metre), n : Ampirik katsayı Dinamik kompaksiyonun etki derinliğini saptamak içn gerekli n katsayısı Çizelge 2.4 den bulunabilir. Çizelge 2.4 Çeşitli Zemin Tipleri İçin n Katsayısı (Tunç, 2002) (Uygulanan enerji 1 ila 3x10 6 MJ/m 2 arasında ise) Zemin Cinsi Doygunluk Derecesi Tavsiye Edilen n Granüler zemin Yüksek 0,5 (Geçirgen zemin) Düşük 0,5-0,6 Yarı Geçirgen zemin Yüksek 0,35-0,40 (PI<8 olan siltli zeminler) Düşük 0,40-0,50 Geçirimsiz zemin Yüksek Tavsiye edilmez (PI>8 olan killi zemin) Düşük 0,35-0,40 ve w/c<pl 24

39 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Gülsen TUMLUER Leonards, Cutter ve Holtz (1980), n katsayısının 1/2 olarak alınmasını önermişlerdir. Ayrıca İngiliz birim sistemi kullanılacaksa 0,61 olarak alınmalıdır. Uygulama enerjisi Eşitlik 2.2. ile hesaplanabilmektedir (Tunç, 2002). UE = N.W.H.P/(Uygulama ağırlığı) 2 (2.2) Burada; UE : Uygulama enerjisi, (kg.m/m 2 veya J/m 2 ), N : Her bir noktaya düşürülen tokmak sayısı, W : Tokmak ağırlığı (kg), H : Düşüş yüksekliği (m), P : Pas sayısı Genellikle 1 ila 3MJ/m 2 ortalama uygulama enerjisi yeterlidir. Ayrıca dinamik kompaksiyonda Şekil 2.9 da görülen zemin tipleri için farklı sonuçlar elde edilmektedir. Şekil 2.9 Dinamik Kompaksiyon İçin Zemin Sınıfları (Tunç, 2002) 25