GEOGRİD DONATILI STABİLİZE DOLGU TABAKASI İLE KİL ZEMİNLERİN İYİLEŞTİRİLMESİ* Improvement of Clay Soil with Geogrid Reinforced Stabilized Fill Layers

Transkript

1 GEOGRİD DONATILI STABİLİZE DOLGU TABAKASI İLE KİL ZEMİNLERİN İYİLEŞTİRİLMESİ* Improvement of Clay Soil with Geogrid Reinforced Stabilized Fill Layers Doğan YILDIRIM İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Abdulazim YILDIZ İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışmada, geogrid donatılı stabilize dolgu tabakası ile kil zeminlerin iyileştirilmesi arazi deneyleri ile araştırılmıştır. Deneylerde 60cm çaplı dairesel model temel kullanılmıştır. Deney sonuçları, geogrid donatılı stabilize dolgu tabakasının, dairesel temelin taşıma kapasitesi ve oturma davranışı üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Geogrid, Kil, Taşıma Kapasitesi, Dairesel Temel ABSTRACT In this study, the improvement of clay soil by application of geogrid reinforced stabilized fill layers is investigated by field tests. In the tests, 60cm diameter circular model foundation is used. Field test results show that, in circular foundations, geogrid reinforced granular filler application has important effect on reducing settlements and increasing bearing capacity of soil. Key Words: Geogrid, Clay, Bearing Capacity, Circular Foundation Giriş Yumuşak veya gevşek zemin koşullarının hâkim olduğu arazilerde inşa edilecek yapılarda temellerin tasarım ve yapımı inşaat mühendisleri için büyük problem oluşturmaktadır. Bu tür zayıf zeminler üzerinde inşa edilecek yapılarda, aşırı oturmalar veya zemin taşıma kapasitesinin zayıf olması nedeniyle göçmeler meydana gelebilmektedir. Bu tür zemin problemlerinin çözümünde genellikle uygun bir yöntem ile temel zeminin iyileştirilmesi tercih edilmektedir. Son yıllarda gittikçe önem kazanan zemin iyileştirme yöntemlerinden biri de geosentetik donatılı zeminlerdir. Geosentetikler, sentetik polimer hammaddesinden istenilen özelliklerde üretilebilen, çevre şartlarına dayanıklı ve maliyeti düşük malzemelerdir. Geotekstil, geogrid, geomembran gibi malzemeler sentetik esaslı olup geosentetikler çatısı altında toplanırlar. Güçlendirme amaçlı olarak genellikle geogridler kullanılmaktadır. Geogridler, güçlendirme özelliğinden dolayı yollar, istinat duvarları, havalimanları, şevler gibi geoteknik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmasına karşın, yüzeysel yapı temellerinin güçlendirilmesinde henüz yeterince kullanılmamaktadır. Fakat son yıllarda bu konuyla ilgili yapılan çalışmaların sayısı oldukça artmış olup konunun güncellik kazandığı söylenebilir. * Yüksek Lisans Tezi-Msc. Thesis N 29

2 Adams ve Collin (1997), Geosentetik donatılı zeminlere oturan yüzeysel temellerin taşıma gücü ve oturma karakteristikleri büyük boyutlu model temeller kullanılarak belirlenmeye çalışılmıştır. Deneylerde geosentetik donatı tabaka sayısı 3 olarak sabit tutulmuş ve kenar uzunlukları 0.30m, 0.46m, 0.61m ve 0.91m olan model kare temeller kullanılmıştır. Deneyler, 5.4m genişlik, 6.9m uzunluk ve 6m derinliğe sahip betonarme duvarla çevrili alanda gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, donatı ilavesinin zeminlerin taşıma kapasitesini 2.5 kat artırdığını göstermiştir. Mandal ve Sah (1992), kil zemin tabakası içerisine yatay olarak yerleştirilen geogrid donatıların, kare temelin taşıma kapasitesine etkisi araştırılmıştır. Deneyler, ebatları 460x460x460mm olan bir tank içinde 100mm kenar uzunluğuna, 48mm kalınlığa sahip kare kesitli bir model temel kullanılarak donatılı ve donatısız olarak gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar, kare temelde ilk donatı derinliğinin temel kenar boyutuna oranı u/b=0.175 olması durumunda taşıma kapasitesinin %36 oranında arttığını göstermektedir. Ayrıca, donatılı zeminlerde oturma yönünden iyileşmeler gözlenmiştir. u/b=0.25 olduğu durumda (PRS)max = %45 elde edilmiştir. Ramaswamy ve Purushothaman (1992), Geogrid donatı ile güçlendirilmiş kil zemin üzerine oturan model temellerin taşıma kapasitesi, deneysel çalışmalar yapılarak incelenmiştir. Deneyler sırasında 40mm çapında dairesel temel kullanılmıştır. Ramaswamy ve Purushothaman (1992) tarafından ilk donatı derinliğinin(u) optimum değeri 0.50, efektif donatı uzunluğu da 4B olarak bulunmuştur. Donatı sayısının 1 den 3 e kadar artması durumunda taşıma kapasitesi oranı (TKO), 1.15 den 1.70 e kadar artmıştır. Yıldız (2002), Geogrid donatı ile güçlendirilmiş kum zeminlere oturan dairesel temellerin taşıma kapasitesini model deneyler yaparak incelemiştir. Deneysel çalışma sonunda elde edilen donatı ile ilgili optimum değerler aşağıdaki tabloda görülmektedir. Optimum değerler kullanıldığında taşıma kapasitesinde yaklaşık 3-4 kat artış meydana gelmiştir. Temel Tipi İlk Donatı Derinliği (u/b) opt Çizelge 1. Donatı ile ilgili optimum değerler Donatı Aralığı (h/b) opt Donatı Sayısı (N opt ) Toplam Donatı Derinliği (d/b) opt Donatı Tabaka Boyu (B R /B) opt Dairesel B 3 Bu çalışma kapsamında elde edilen güvenilir tasarım yöntemleri ile geogrid donatılı temel zemin uygulamalarının daha da yaygınlaşacağı düşünülmektedir. 30

3 Materyal ve Metot Materyal Deneylerde, 60cm çaplı rijit dairesel model temel plaka kullanılmıştır. Kil tabakası üzerine farklı kalınlıklarda yerleştirilen stabilize dolgu tabakası ve belli bir H kalınlığında stabilize dolgu tabakası içerisine yerleştirilen tek tabaka ve iki tabaka geogridin, kil zeminin taşıma kapasitesi ve oturma davranışına etkileri araştırılmıştır. Deneyler, Adana İli, Seyhan İlçesi, Yenidam Köyü Mevkiinde Adana Büyükşehir Belediye Başkanlığına bağlı, Adana Su ve Kanalizasyon İdaresi (ASKİ) Batı Adana Atıksu Arıtma Tesisleri içerisinde kullanılmayan ve üzerinde herhangi bir yapının teşkil edilmediği bir alanda yapılmıştır. Deneylere başlanmadan önce Adana Su ve Kanalizasyon İdaresi (ASKİ) Batı Adana Atıksu Arıtma Tesisleri içerisindeki deney alanında, zeminin yatay ve düşey zemin profilinin belirlenmesi ve zemine ait endeks ve mühendislik özelliklerinin saptanması amacıyla 2 adet muayene çukuru ve 4 adet sondaj çalışması yapılmıştır. Deney sahasından alınan örselenmiş ve örselenmemiş zemin numuneleri, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Zemin Mekaniği Laboratuarına getirilerek ilgili deneyler yapılmıştır (Şekil 1). Yapılan deneyler sonucunda zeminin, normal konsolide kil veya az aşırı konsolide kil olduğu belirlenmiştir. Şekil 1. Araziden alınan örselenmiş ve örselenmemiş zemin numuneleri Deneylerde kullanılan stabilize dolgu malzemesi Adana nın kuzeybatısında yer alan Kabasakal mevkiinden getirilerek elek analizi, standart proktor ve kesme kutusu deneylerine tabi tutulmuştur. Birleştirilmiş zemin sınıflandırma sistemine göre stabilize malzeme iyi derecelenmiş çakıl-siltli çakıl (GW-GM) olarak sınıflandırılmıştır. Zeminin maksimum kuru birim hacim ağırlığı yaklaşık 2.16gr/cm 3, optimum su içeriği ise, %7 olarak belirlenmiştir. Stabilize dolgu malzemesi üzerinde yapılan kesme kutusu deneyi ile zeminin içsel sürtünme açısı 43 0 olarak bulunmuştur. Stabilize dolgu malzemesinin deneylerde kullanılmasına 31

4 karar verildikten sonra stabilize dolgu malzemesi deney sahasına getirilerek istiflenmiştir (Şekil 2). Şekil 2. Stabilize dolgu malzemesinin araziye getirilmesi ve elenmesi Kazık Uygulamaları Arazi model deneylerinin gerçekleştirileceği sahada imal edilmesi düşünülen kazıkların çapını belirlemek amacıyla 13cm ve 30cm çaplarında yaklaşık 8m boylarında ikişer adet (toplamda 4 adet) donatılı yükleme kazığı imal edilmiştir. Bu kazıkların imalatı, deney alanının hemen yanında yapılmıştır. İmal edilen kazıkların mukavemetlerini yeteri kadar kazanmalarının ardından yükleme deneyleri yapılıp yükleme kazıklarının performansları ölçülerek deneylerde kullanılacak uygun kazık çapının 30cm olmasına karar verilmiştir (Şekil 3). Şekil 3. Kazık makinesinin araziye getirilmesi ve delgi işleminin başlaması 32

5 Deney sahasında gerçekleştirilecek olan her bir deneyden sonra, örselenmeden dolayı sahanın tekrar kullanılamayacağı ve özellikle arazi koşullarında olası deney hatalarından kaynaklanan deneylerin tekrarlanması durumu göz önüne alınarak, mevcut deney alanının uygun bir şekilde tasarlanmasına özen gösterilmiş ve 24 adet kazık imal edilmesine karar verilmiştir. Kazıklar arası mesafe 2,5m olarak belirlenmiştir. Deney Düzeneği Yapılan Çalışmalarda Kullanılan deney düzeneği; Kazıklar I 240 Çelik Profili 2.20x2.20m Ahşap Kasa 60cm çaplı Dairesel Model Temel Geogrid Kaynak makinesi Hidrolik Yükleme Pistonu Basınç Transduseri Kompaktör Düşey Deplasman Ölçerler Veri Kaydetme Ünitesi (ADU) dan oluşmaktadır (Şekil 4). Şekil 4. Deney düzeneği Metot Geogrid donatılı stabilize dolgu tabakası ile kil zeminlerin iyileştirilmesi kapsamında yapılan arazi model deneyleri; Seri I: Sadece kil durumunda yapılan deney, Seri II: Stabilize dolgu tabakası durumunda yapılan deneyler, Seri III: Geogrid donatılı stabilize dolgu tabakası durumunda yapılan deneyler olmak üzere üç seri halinde yapılmıştır. Deneylerde 60cm çaplı rijit dairesel metal plaka kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan stabilize dolgu tabakası kalınlığı H ve stabilize dolgu tabakası (H=0.67D) 33

6 içerisine yerleştirilen geogridin derinliği u, temel çapı D ye bağlı olarak ifade edilmiş olup toplam 6 adet deney yapılmıştır (Çizelge 1). Deney Serileri Çizelge 2. Deney programı Model temel Stabilize Deney No Çapı, D(cm) Kalınlığı,H(cm) Geogrid Derinliği, u Seri I D - Seri II D D D 0.17D Seri III u D 1 =0.17D u 2 =0.50D Arazi model deneylerine başlanmadan önce, yeraltı su seviyesinin m civarında olması nedeniyle kil tabakası, iş makinesi yardımıyla 1.80m derinliğe kadar kazılmıştır. Bu seviyeden sonra kazı çalışmasından etkilenen bölge (15-20cm), çeşitli düzeltme aletleri yardımıyla tesviye edilerek deneylerin gerçekleştirileceği derinliğe inilmiştir. Sadece deneyin gerçekleştirileceği kazıklar arasında tesviye işlemi yapılmıştır. Kazıklar arasındaki diğer yerler, sıcaktan etkilenmemesi ve örselenmemesi için beyaz branda ile korumaya alınmıştır. Deneyler aşağıdaki işlemler sırasıyla uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Geogrid donatılı stabilize dolgu tabakası durumunda yapılacak olan deneylerin gerçekleştirileceği 2.20x2.20m kasa boyutunda alan, hassas bir şekilde tesviye edilip, deney kasası kazıklar arasına ortalı olacak şekilde yerleştirilerek deneylere hazır hale getirilmiştir. Doğal birim hacim ağırlığı 2.16gr/cm 3 olan stabilize dolgu malzemesi, standart proktor deneyinden elde edilen optimum değer olan %7 su muhtevasında karıştırılarak deneyde kullanılmak üzere hazır hale getirilmiştir. Her 5cm tabakada kullanılacak stabilize dolgu malzemesi, deney kasası içerisine kontrollü bir şekilde serilip, kompaktör ile sıkıştırılmıştır. Dolgu tabakaları arasına, 2.20x2.20m ebatlarındaki geogrid donatı yerleştirilip sıkıştırma işlemine devam edilerek dolgu işlemi tamamlanmıştır (Şekil 5). Stabilize dolgu malzemesinin sıkıştırılmasından sonra I kesitli yükleme kirişi, kazıklar arasına yerleştirilip su terazisi ile her iki yönde dengeye getirilmiş ve kaynak makinesi ile kaynak yapılarak kazıklar arasına sabitlenmiştir. Yükleme pistonu, yükleme kirişinden dengeli yük alacak şekilde ortalı olarak dairesel model temel üzerine yerleştirilmiştir. Yükleme pistonu yerleştirildikten sonra, veri kaydetme ünitesine (ADU) bağlı olan 5cm kapasiteli iki adet düşey deplasman ölçer, dairesel temelin iki tarafına yerleştirilip deplasman miktarları ADU dan kontrol edilerek ayarlanmıştır. 34

7 Şekil 5. Geogrid donatı yerleştirilmesi Yükleme sistemi deneye hazır hale geldikten sonra yük, yükleme pistonu ile sabit hızda dairesel model temel üzerine uygulanmıştır. Yükleme işlemi sırasında, ara bağlantı kablosu ile ADU ya bağlı olan yükleme pistonu ve düşey deplasman ölçerler ile elde edilen yük ve oturma miktarları bilgisayara aktarılmıştır. Deney esnasında bilgisayar ortamında yük-oturma eğrisi çizdirilerek zeminin yük-oturma davranışı gözlenmiştir (Şekil 6). Şekil 6. Deney sonrası zeminde meydana gelen oturma Araştırma Bulguları ve Tartışma Deneyler sonunda 60cm çaplı model temele ait yük-oturma değerleri elde edilmiş ve bu değerlerden yararlanarak taşıma gücü grafikleri çizilmiştir. Grafiklerde oturma değerleri temel çapına bölünerek (s/d) boyutsuzlaştırılmış ve yüzde olarak tanımlanmıştır. Deneylerde, stabilize dolgu tabakası ve donatıdan dolayı meydana gelen iyileşmelerin yorumlanması sırasında taşıma gücü değerleri olarak, temel çapının %5 ine (3cm) karşılık gelen oturmanın meydana geldiği taşıma gücü değerleri alınmıştır. Stabilize dolgu tabakası ve geogrid donatılı stabilize dolgu tabakasının, kil zeminin taşıma gücünde meydana getirdiği iyileşmelerin derecelerini belirlemek amacıyla Taşıma Kapasitesi Oranı (TKO) tanımlanmıştır. 35

8 TKO = q q r (1) 0 Burada q r, stabilize dolgu tabakası ve geogrid donatılı stabilize dolgu tabakasında; q 0 ise kil zeminde elde edilen taşıma gücü değeridir. Şekil 7 ve Şekil 8 de sadece kil durumunda ve stabilize dolgu tabakası durumunda deneylerden elde edilen taşıma gücü eğrileri ve taşıma kapasitesi oranları verilmiştir. Şekil 7. Stabilize dolgu tabakası durumunda taşıma gücü eğrileri (D=60cm) Şekil 8. H/D ye bağlı olarak taşıma kapasitesi oranları (D=60cm) 36

9 Şekil 7 de verilen grafik incelendiğinde kil zeminin s/d(%)=5 oturma oranına karşılık gelen Taşıma Kapasitesi, q o =385kPa olarak belirlenir. Stabilize dolgu tabakası durumunda yapılan deneyler sonunda, kil zeminin taşıma kapasitesi değerleri dolgu tabaka kalınlığı H=0.33D, 0.67D ve 1.00D de sırasıyla 455, 512 ve 555kPa olarak elde edilmiştir. Şekil 8 den kil zeminin taşıma gücündeki artışın H=1.00D durumunda %45 mertebelerine kadar ulaştığı görülmektedir. H=0.67D kalınlığındaki stabilize dolgu tabakası içerisine, u=0.17d derinliğinde tek tabaka geogrid ile u 1 =0.17D ve u 2 =0.50D derinliklerinde iki tabaka geogrid donatı yerleştirilmesi durumunda kil zeminin taşıma gücü ve oturma davranışında meydana gelen iyileşmeler incelenmiştir (Şekil 9). D Şekil 9.Tek tabaka geogrid donatı ve iki tabaka geogrid donatı kullanılması durumunda taban basıncı-oturma grafikleri ( D=60cm) Şekil 9 daki grafik incelendiğinde, kil zeminin taşıma gücü, iki tabaka geogrid donatı kullanılması durumunda, tek tabaka geogrid donatıya göre biraz daha artmaktadır. Kil zeminin oturma davranışında önemli ölçüde azalma meydana gelmiştir. Sonuçlar ve Öneriler 60cm çaplı model temel kullanılarak yapılan deneyler sonunda,, kil zemin üzerine yerleştirilen stabilize dolgu tabakası kalınlığı arttıkça kil zeminin taşıma kapasitesi de artmaktadır. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlardan, stabilize dolgu tabakası (H=0.67D) içerisine yerleştirilen geogrid donatının, kil zeminin taşıma kapasitesini artırdığı görülmüştür. 37

10 Stabilize dolgu tabakası (H=0.67D) içerisine, tek tabaka geogridin u=0.17d derinliğine yerleştirilmesi durumunda, kil zeminin taşıma kapasitesinde 1.67 kat artış meydana gelmiştir. Stabilize dolgu tabakası (H=0.67D) içerisinde, geogrid donatı derinlikleri u 1 =0.17D ve u 2 =0.50D olmak üzere iki tabaka geogrid donatı yerleştirilmesi durumunda, kil zeminin taşıma kapasitesinde 1.74 kat artış meydana gelmiştir. İki tabaka geogrid donatı kullanılması durumunda, kil zeminin oturma davranışında, yaklaşık %75 azalma meydana gelmiştir. Kaynaklar ADAMS, M.T. ve COLLIN, J. G., Large Model Spread Footing Load Tests on Geosynthetic Reinforced Soil Foundation, ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol 123 (1), 66-72, 1997 MANDAL, J. N. and SAH, H. S., Bearing capacity tests on geogrid-reinforced clay Geotextiles and Geomembranes, Volume 11, Issue 3, Pages ,1992 RAMASWAMY, S.D., and PURUSHOTHAMAN, P., Model footings of geogrid reinforced clay. Proceedings of the Indian Geotechnical Conference on Geotechnique Today, Vol. 1, pp YILDIZ A., Donatılı Zeminler Üzerine Oturan Yüzeysel Temellerin Analizi, Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana,