ÇEKME YÜKÜ ALTINDA ÇALIŞAN MİNİ KAZIKLAR VAKA ANALİZLERİ

Transkript

1 ÇEKME YÜKÜ ALTINDA ÇALIŞAN MİNİ KAZIKLAR VAKA ANALİZLERİ MINI PILES WORKING UNDER TENSION LOADS CASE ANALYSIS Emre KORKMAZ 1 Önder AKÇAKAL 2 Ogan SEVİM 3 Selim İKİZ 4 Turan DURGUNOĞLU 5 ABSTRACT In projects which is planned to conditions like the underground water level is high and structures that has more than one basement floors, has important to take necessary precautions in order to check the stability of the structure with the lifting force of the water. In many projects, increase the foundation thickness or drainage precautions can be sufficient to overcome lifting problems, but in some projects additonal tension piles may be required. Mini pile technique can be applied under foundation instead of bored pile which is frequently applied. The smaller dimensions of the mini pile machines allow the machine to be lowered to the excavation level even under tight worksite conditions and eliminate the need for preboring. With the high strength single steel reinforcement and the corrosion protection details, mini piles allow more effective steel use compared to bored piles which have to be kept the crack width of concrete minimum. In this paper, case studies of completed mini pile projects are presented and the results of tension tests conducted in different soil conditions are compared. Key words: Tension mini piles, uplift force, corrosion protection ÖZET Yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu ve birden fazla bodrum kat inşaatı planlanan projelerde suyun kaldırma kuvveti ile yapı stabilitesinin bozulup bozulmadığının kontrol edilmesi ve stabilitenin sağlanması adına gerekli önlemlerin alınması gerekmektedir. Çoğu projede temel kalınlığının arttırılması veya drenaj önlemleri yeterli olurken bazı projelerde tek başına veya ilave olarak çekme kazıklarının kullanılması gerekebilmektedir. Sıklıkla uygulanan temel altı fore kazık tekniğinin yanında daha küçük çaplı mini kazık tekniği de birçok projede temel kazığı olarak uygulanabilmektedir. Mini kazık makinelerinin daha küçük olan boyutları, sıkışık şantiye koşullarında bile makinenin kazı taban kotuna indirilebilmesine olanak sağlamakta ve boş delgi ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Kullanılan yüksek mukavemetli tek çelik donatı ve korozyon koruması detayı ile mini kazıklar, betonda çatlak genişliğinin minimumda tutulması gereken fore kazıklara göre daha efektif çelik kullanımına olanak sağlamaktadır. Bu makale kapsamında tamamlanan mini kazık projelerine ait vaka analizleri verilmiş olup farklı zemin özelliklerinin bulunduğu ortamlarda gerçekleştirilen çekme testlerinin sonuçları karşılaştırılmıştır. Anahtar kelimeler: Çekme mini kazıkları, yüzme problemi, korozyon koruması 1 İnş. Müh., Zetaş Zemin Teknolojisi A.Ş., emre.korkmaz@zetas.com.tr 2 İnş. Yük. Müh., Zetaş Zemin Teknolojisi A.Ş., onder.akcakal@zetas.com.tr 3 İnş. Yük. Müh., Zetaş Zemin Teknolojisi A.Ş., ogan.sevim@zetas.com.tr 4 İnş. Yük. Müh., Zetaş Zemin Teknolojisi A.Ş., selim.ikiz@zetas.com.tr 5 Prof. Dr., Zetaş Zemin Teknolojisi A.Ş., durgunoglut@zetas.com.tr 557

2 1. GİRİŞ Yer altı su seviyesinin yüksek olduğu alanlarda inşa edilen, temel derinliği fazla, az katlı ve hafif yapılarda yüzme problemi ile karşılaşılması olasıdır. Tüneller, metro istasyonları, yer altı su seviyesinin altında bodrum katları bulunan, az katlı konut ve ticari projeler yüzme problemleri ile karşılaşılabilecek yapı çeşitlerine örnek olarak verilebilir. Üst yapı ağırlığının, suyun kaldırma kuvvetini karşılamadığı durumlarda yüzme problemleri ile karşılaşılabilmekte olup çözüm olarak ilk etapta temel kalınlığının arttırılması ve gerekli drenaj önlemleri alınması düşünülebilir fakat bu önlemlerin yeterli veya ekonomik olmaması durumunda temel altında çekmeye çalışan kazık veya ankraj gibi önlemler alınmalıdır. Yüzme probleminin bodrum katlı hafif yapılarda bertaraf edilebilmesi için yapılması gereken tahkikler ve alınacak önlemlerden bazıları aşağıda sıralanmaktadır: - Yapı ağırlığının arttırılması, - Yapı altındaki su basıncının drenaj yolu ile azaltılması, - Yapı temelini betonarme/çelik elemanlar ile temel altında bulunan zemine sabitlenmesidir. 2. YAPI İNŞAAT AŞAMALARI VE YAPI AĞIRLIĞININ BELİRLENMESİ Bodrum katlı hafif yapıların inşaatı sırasında su basıncı ve yapı ağırlığı dengesine bağlı olarak yüzme problemi farklı inşaat aşamalarında boy gösterebilmektedir. Bu nedenle yapının inşaat aşamaları adım adım düşünülüp, kritik adımların belirlenmesi gerekmektedir. En kritik koşul, kazı taban kotundaki azami su basıncının temel inşaatı sonrasında oluşması şeklinde karşımıza çıkabilecek iken yapı inşaatı tamamlanana kadar temel altından su çekilmesi koşulu ile yapı tamamlandıktan sonra da gerçekleşebilir. Bu koşullar Şekil 1. de gösterilmektedir. Şekil 1. a) Su Basıncının Temel İnşaatından Sonra Oluşması. b) Su Basıncının Yapı İnşaatı Sırasında Oluşmasına İzin Verilmemesi. c) Su Basıncının Yapı İnşaatı Sonrasında Oluşması. Proje gereksinimleri ve uygulayıcı firmanın tercihlerine göre inşaat aşamaları belirlenmelidir. Yer altı suyunun kaldırma problemi açısından kritik aşamaya göre su basıncı ve yapı ağırlığı dengesi irdelenmelidir. Bu dengenin yeterli güvenlikte olmadığı tespit edilirse ilave önlemler proje kapsamında değerlendirilmelidir. 3. SU BASINCI VE ALINAN ÖNLEMLERİ BOYUTLANDIRILMASI Yapılarda yüzmeye karşı dikkate alınması gereken güvenlik sayıları ilgili şartnamelerde yapıya ve kabul edilen afet durumuna göre 1.10 ile 1.40 arasında değişmektedir. Eurocode 7 de (BS EN :2004) yapı ağırlığı (0.90xG) ve emniyetli koruyucu kuvvetler (R d ) toplamının kaldırma kuvvetinden fazla olması beklenir. TS500 de akışkan basıncının 1.40 ile 558

3 çarpılması önerilmekteyken ABD Ordusu İnşaat Bölümü Şartnamesi nde (USACE ) bu değer yük kategorisine göre 1.10 ile 1.30 arasında değişmektedir. Çekme elemanları ara mesafesi (s h ), grup etkisinden olumsuz etkilenmemeleri ve temel tasarımının uygun yapılabilmesi için D arasında seçilir. Buna göre servis yükü (F s ) aşağıdaki şekilde hesaplanır. F s = Servis yükü, A= Temel alanı, ꝩ w = Su birim hacim ağırlığı, G= Üst yapı ağırlığı, S h = Kazık ara mesafesi, GS= Güvenlik katsayısı. 4. ZEMİN PROFİLİNİN İNCELENMESİ VE UYGUN ÇEKME KAZIĞI TASARIMI Yüzmeye karşı kazık tasarımı birçok şartname ve kaynakta farklı yöntemler ile verilmiş olup, çekme kapasitesi hesabı bu yöntemler ile yapılmaktadır. Bu bölümde örnek uygulamalarda yer aldığı gibi kayada kazık çekme dayanımı hesap yöntemleri özetlenmektedir. Kazık ile kaya arasındaki sürtünmenin hesaplanmasına yönelik ayrışmış kayalarda yapılabilen standart penetrasyon deneyi (N), tek eksenli basınç mukavemeti (σ k ), kaya kalite göstergesi (RQD), kaya kütlesinin elastite modülü (E y ), kazık yiv yüksekliği (h ), kazık çapı (D), poisson oranı (ν) ve kullanılan kazı sıvısı gibi parametrelere bağlı birçok hesap yöntemi yer almaktadır (Arıoğlu ve Diğerleri, 2007). Bu parametrelerin başında gelen tek eksenli basınç mukavemetine (σ k ) bağlı kaya sürtünmesinin hesabı aşağıda belirtilen amprik yaklaşım ile belirlenebilmektedir. Araştırmacılar tarafından önerilen α ve β katsayıları aşağıdaki tabloda özetlenmektedir. Tablo 1. Çeşitli Araştırmalara Göre Sürtünme Kapasitesi ve Tek Eksenli Basınç Dayanımı Katsayıları (O Neill, 1996, alıntılayan Zhang, 2004). Araştırmacı α β Horvath and Kenney (1979) 0,21 0,50 Carter and Kulhawy (1988) 0,20 0,50 Williams et al. (1980) 0,44 0,36 Rowe and Armitage (1984) 0,40 0,57 Rosenberg and Journeaux (1976) 0,34 0,51 Gupton and Logan (1984) 0,20 1,00 Reese and O'Neill (1987) 0,15 1,00 Meigh and Wolshi (1979) 0,22 0,60 Horvath (1982) 0,20 0,50 Bunun yanında kazık sürtünme hesaplarında kaya süreksizliği, kaya kalite göstergesine (RQD) bağlı olarak aşağıdaki şekilde dikkate alınabilmektedir. (Williams ve Diğerleri, 1980, alıntılayan Arıoğlu ve Diğerleri, 2007) 559

4 Şekil 2. a) f b nin σ k ile Değişim Grafiği. b) RQD ye (η ç ) Bağlı Olarak E y /E k Tayini ve E y /E k ye Bağlı Olarak f ç nin Belirlenmesi. Kazı sıvısına bağlı olarak yapılabilen kazık sürtünme hesapları aşağıdaki şekilde yapılabilmektedir. (Seidel ve Collinwood, 2001, alıntılayan Arıoğlu ve Diğerleri, 2007) KDK= Kazık direnç katsayısı, Ey= Kaya kütlesinin elastite modülü, η= Kullanılan kazı sıvısına bağlı katsayı; bu katsayı, kazı sıvısı kullanılmayan koşullarda 1.00, bentonit için , polimer için olarak önerilmektedir. İmalat deneyimi az, kontol düzeyinin düşük olduğu uygulamalarda bu değer arasında seçilebilmektedir. (Seidel ve Collinwood, 2001, alıntılayan Arıoğlu ve Diğerleri, 2007), h = Yiv yüksekliği, ν= Poisson oranı, D= Kazık çapı. Şekil 3. Adhezyon Faktörünün α, σ k ve KDK ile Değişimi Kazık soket boyu ve kazık çapı dikkate alınarak yapılabilecek kazığın sürtünme kapasitesi aşağıdaki gibi hesaplanabilmektedir. (O Neill ve Reese, 1999, alıntılayan Arıoğlu ve Diğerleri, 2007) β = f(e y /E k ) K = f(σ n, σ k, L g, D, E b, E y ) σ n = Kazık ortasında oluşan normal basınç, D = Kazık çapı, E b = Kazık malzemesinin elastite modülü, E y = Kaya kütlesinin elastite modülü, L g = Soket boyu Zhang (2004) ve Turner (2006), Williams (1980) tarafından verilen yöntemin kaya süreksizliğine bağlı düzeltmenin iki kere dikkate alınmasından dolayı tutucu bir yöntem olduğunu belirtmişlerdir (Arıoğlu ve Diğerleri, 2007). Örnek uygulamalarda ve Williams ve Diğerleri (1980) tarafından önerilen kaya kalitesine bağlı yöntemler takip edilmiştir. 560

5 5. MİNİ KAZIK TASARIMI Mini kazıklar da fore kazıklar gibi yüzme probleminin bertaraf edilmesi amacı ile temel altı çekme elemanı olarak kullanılabilmektedir. Zemin/kaya özellikleri veya çalışma ortamının getirdiği sınırlama göz önünde bulundurulduğunda bazı durumlarda mini kazık uygulaması fore kazıklara göre daha ekonomik ve pratik olabilmektedir. Seçilecek tekniğe uygun çapta (D) mini kazık tasarlanması gerekir. 120 mm 300 mm arasında delgi yapılabilmekte olup genellikle 200 mm 300 mm arasında mini kazık imalatı yapılmaktadır. Mini kazık boyu, zemin/kaya-grout sürtünmesine bağlı olarak aşağıdaki şekilde hesaplanır. L= Mini kazık boyu, F s = Servis yükü, GS= Güvenlik katsayısı, f s = Sürtünme gerilmesi, D= Mini kazık çapı, W k = Kazık ağırlığı. Belirlenen mini kazık servis yükü (F s ) mini kazık içine konulacak donatı tarafından da emniyetle taşınmalıdır. Bu doğrultuda mini kazık içine fore kazıklarda olduğu gibi donatı kafesi yerleştirilebilir. Fakat kazık çapının küçük olmasının beraberinde getirdiği uygulama zorlukları nedeni ile yüksek mukavemetli tek donatı kullanılması da tercih edilebilmektedir. Uygulama ile ilgili şartnamelerde verilen çift korozyon koruma (DCP) detayı, HDPE boru kaplaması ve iç enjeksiyonu ile yapılabilmektedir. Şekil 4. a) Çift Korozyon Korumalı Mini Kazık Kesiti. b) HDPE Boru, İç Enjeksiyonu ve Donatı. Şekil 5. Mini Kazık Temel Birleşim Detayı. Mini kazık, temel birleşimi çelik plakalar vasıtasıyla yapılmaktadır. Temel içinde zımbalama tahkiki aşağıdaki şekilde yapılmaktadır., (TS500: 2000) b= Plaka genişliği, d= Plaka ile alt donatı arasındaki mesafe, ꝩ= Eğilme etkisi katsayısı. 561

6 6. UYGULAMADAN ÖRNEKLER Yüzmeye karşı güvenliğin sağlanması amacı ile uygulanan mini kazık uygulamalarına örnekler bu kısımda verilmektedir. Uygulamalarda farklı kaya koşulları, boy ve çapta inşa edilmiş mini kazık örnekleri verilmiş olup hesaplanan sürtünme değerleri ile saha testlerinde elde edilen değerler karşılaştırılmıştır. Uygulama - I: İstanbul'da inşa edilen bir müze projesi kapsamında temel altı çekme mini kazıkları uygulanmıştır. Kazı derinliği yaklaşık 30 m olup 26 m'si su seviyesinin altındadır. Yüzme probleminin bertaraf edilmesi adına 9 m boyunda 30 cm çaplı mini kazıklar uygulanmıştır. Kazı grovak olan kaya tabakasına kadar devam etmekte olup kayada tek eksenli basınç dayanımı (σ k ) değerleri 30-50, RQD değerleri 0-30 arasında değişmektedir. Mini kazık çekme kapasitesi 100 t olarak verilmiştir. Uygulamadan fotoğraflar aşağıda verilmektedir. Şekil 6. a) Mini Kazık Uygulaması. b) Tamamlanan Mini Kazık ve İzolasyon. Uygulama - II: İstanbul'da inşa edilen bir otel projesi kapsamında temel altı çekme mini kazıkları uygulanmıştır. Kazı derinliği yaklaşık 9m olup 7 m'si su seviyesinin altındadır. Yüzme probleminin bertaraf edilmesi adına 10 m boyunda 25 cm çaplı mini kazıklar uygulanmıştır. Kazı kireçtaşı olan kaya tabakasına kadar devam etmekte olup kayada tek eksenli basınç dayanımı (σ k ) değerleri 7-65, RQD değerleri 0-90 arasında değişmektedir. Mini kazık çekme kapasitesi 90 t olarak verilmiştir. Uygulamadan fotoğraflar aşağıda verilmektedir. Şekil 7. a) Derin Kazı ve Mini Kazık Uygulaması. b) Kalite Kontrol Deneyi. Uygulama - III: İzmir'de inşa edilen bir alışveriş merkezi projesi kapsamında temel altı çekme mini kazıkları uygulanmaktadır. Kazı derinliği yaklaşık 21 m olup 17 m'si su seviyesinin altındadır. Yüzme probleminin bertaraf edilmesi adına 7 m boyunda 22 cm çaplı mini kazıklar uygulanmıştır. Mini kazıklar fliş olan kaya tabakasına soketlenmekte olup kayada tek eksenli basınç dayanımı (σ k ) değerleri 2-30, RQD değerleri 0-40 arasında 562

7 7. Geoteknik Sempozyumu Kasım 2017, İstanbul değişmektedir. Mini kazık çekme kapasitesi 105 ton olarak hesaplanmıştır. Uygulamadan fotoğraflar aşağıda verilmektedir. Şekil 8. a) Derin Kazı ve Mini Kazık Uygulaması. b) Temel İnşaatı ve İzolasyon. Uygulamalar kapsamında sahada çekme deneyleri yapılarak tasarım parametreleri kontrol edilmiştir. Çelik donatı kapasitesinin maksimum deney yükünü sınırlandırması nedeni ile test kazıkları sıyrılana kadar teste devam edilememiştir. Deneylerde yeterli sürede priz alan mini kazıkların maksimum taşıma yükünü emniyetli bir şekilde karşıladığı görülmüştür. Testlerde mobilize olan ve emniyetle taşınan maksimum sürtünme gerilmeleri aşağıdaki tabloda verilmektedir. Tablo 2. Testlerde Mobilize Olan ve Emniyetle Taşınan Ortalama Sürtünme Gerilmeleri. Uygulama Uygulama - I Uygulama - II Uygulama - III Saha Testleri L, m Ø, m Ftest, ton fs mob. test, kn/m² Yukarıda sıralanan uygulamalarda kaya özellikleri dikkate alınarak, iki farklı yöntem ile hesaplanan sürtünme gerilmeleri aşağıdaki tabloda özetlenmektedir. Tablo 3. Sürtünme Gerilmelerinin Tayini. Uygulama Ortalama Kaya Özellikleri σk, MPa Uygulama - I Uygulama - II Uygulama - III RQD İki farklı Hesap Yöntemine Göre f s'nin Hesaplanması (Carter&Kulhawy, 1988) (Willams ve diğ., 1980) fs=0.2xucs^0.5, kn/m² α β fs=α x β x UCS, kn/m² Mini kazıkların sıyrılana kadar test edilmesi durumunda literatürde yer alan yöntemler ile hesaplanan yukarıdaki maksimum sürtünme değerlerine ulaşabileceği düşünülmekte olup ileride yapılacak testler ile araştırılacaktır. 7. SONUÇ Yapılarda yüzme riskinin bertaraf edilmesi için alınan önlemler arasında olan mini kazık uygulaması hakkında hesap ve uygulamalara ilişkin örnekler bu bildiri kapsamında sunulmuştur. Mini kazıkların, fore kazıklar ile karşılaştırıldığında daha küçük makineler ile sahada uygulama kolaylığı getirmesi, darbeli delgi yöntemleri sayesinde kayada daha hızlı imalat yapılması ve içine yerleştirilen yüksek mukavemetli tek donatı ile izolasyon işlerini 563

8 daha kolay kılması nedeni ile bir çok projede daha avantajlı çözüm sağlayabileceği görülmektedir. Mini kazıklar, çift korozyon koruma detayı ile birlikte kontrol edilebilir bir korozyon güvenliği sağlamaktadır. Bildiri kapsamında bu yöntemle uygulanan üç proje hakkında bilgi verilmiştir. Bu uygulamalarda yapılan çekme testlerinde sıyrılma gerçekleşmemiştir bu nedenle maksimum sürtünme gerilmesi elde edilememiştir. Mobilize olan ve emniyetle taşınan sürtünme değerlerinin ise literatürde yer alan hesap yöntemleri ile hesaplanan maksimum sürtünme değerlerinin altında olduğu bu nedenle güvenli tarafta kalındığı görülmüştür. Bu çalışma ileride kazık sıyrılana kadar yapılacak daha kapsamlı testler ile zenginleştirilebilecektir. Çekmeye karşı yüksek mukavemetli tek donatı içeren mini kazıkların uygulanması örnek olarak verilen projelere güven, ekonomi ve hız kazandırmıştır. KAYNAKLAR [1] Eurocode 7: Geotechnical Desing Part 1: General Rules (2004), BS EN :2004. [2] US Army Corps of Engineers: Engineering and design (2005), USACE [3] Arıoğlu, E., Yılmaz, A. O., Tunçdemir, H. (2007), Kayaya Gömülü Fore Kazıklar, Evrim Yayınevi, İstanbul, s: [4] O Neill, M.W., Townsend, F.C., Hassan, K.H., Buller, A., Chan, P.S. (1996), Load Transfer for Drilled Shafts in İntermediate Geomaterials, Publication No: FHWA-RD , s:184. [5] Zhang L. (2004), Drilled Shafts in Rock:Analysis and Design, A.A Balkema Publishers, London, s:193. [6] Horvath, R.G., Kenney T.C., Shaft resistance of rock socketed drilled piers Proc. American Society of Civil Engineers Annual Convention, 1979, Atlanta, Preprint [7] Carter, J.P., F.H. Kulhawy (1988), Analysis and Design of Drilled Shaft Foundations Socketed into Rock, Report EL-5918, Electric Power Research Institute, Palo Alto, Calif, s:188. [8] Williams, A.F., Johnston, I.W., Donald, I.B., The Design of sockets in weak rock, Proceedings, International Conference on Structural Foundation on Rock, 1980, Sydney, Vol.1, s: [9] Rowe, R.K., Armitage, H.H. (1984), The Design of Piles Socketed into Weak Rock, Faculty of Engineering Science, The University of Western Ontario, London, Ont., Research Report GEOT [10] Rosenberg, P., Journeaux, N.L., Friction and end bearing tests on bedrock for high capacity socket design, Canadian Geotechnical Journal, 1976, Vol.13, 1976, s: [11] Gupton, C., Logan, T., Design guidelines for drilled shafts in weak rocks of South Florida, Proc. South Florida Annual ASCE Meeting, 1984, ASCE. [12] Reese, L. C., O Neill, M. W. (1987), Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods", Design Manual, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Mclean,VA. [13] Meigh, A.C., Wolski, W., Design parameters for weak rocks, Proc. 7 th European Conf. on Soil Mech. and Found. Engrg, 1979, Brighton, British Geotechnical Society, 5, s: [14] Horvath, R.G. (1982), Drilled Piers Socketed into Weak Shale Methods of Improving Performance, Ph.D. Dissertation, University of Toronto, Toronto, Ontorio, Canada. [15] Seidel J.P., Collingwood B., A new socket roughness factor for prediction of rock socket shaft resistance, Can. Geotech. J., 2001, Vol. 38, No.1, s: [16] O Neill, M.,W., Reese, L.C. (1999), Drilled shafts: Construction Procedures and Design Methods, Report prepared for U.S., Department of Transportation and Federal Highway Administration, Report No. FHWA-IF [17] Zhang, L., Einstein, H. H., End bearing capacity of drilled shafts in rock, J. of Geotech. and Geoenvir. Engng., 2004, ASCE, Vol. 124, No. 7, s: [18] Turner, J. (2006), Rock-socketed shafts for highway structure foundations, NCHRP SYNTHESIS 360, Transportation Research Board, Washington, s:136. [19]Türk Standardı: Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları (2000), TS