ZEMİN İYİLEŞTİRİLMESİ ZEMİNİN ISLAHI

Transkript

1 ZEMİN İYİLEŞTİRİLMESİ ZEMİNİN ISLAHI İyileştirme genel bir terim olup zeminin birim hacim ağırlığı, geçirimliliği, ısıl iletkenliği, şişme/büzülme yeteneği, göçebilirliği, dağınık yapısı gibi özellikleri değiştirmeyi gözetir. STABİLİZASYON Bir parselde bina yükünün makul derinliğe inilmesine karşın zemin veya kaya tarafından hedeflenen taşıma gücü veya oturma limitleri içinde kalarak yüzeysel temele taşıtılamaması durumu stabilizasyon uygulaması gerektirir. Stabilizasyon işlemleri özellikle sıkışabilirlik ve kayma direnci parametrelerinin istenen yönde değiştirilmesi ve sıvılaşma riskinin giderilmesi olarak algılanmalıdır. 1

2 SORUN: Yapı özelliklerine Koşullarına Yüklerine uygun olmayan, özellikleri yetersiz kalan zemin. Taşıma gücü Toplam oturmalar Farklı oturmalar Deprem; sıvılaşma, vb Kazı - dolgu Yamaç, şev Kabarmalar Problemli zeminler(göçebilen, şişebilen, vb.) İYİLEŞTİRMEYE YAKLAŞIM Bir parselde öngörülen binanın yüzeysel temellerle taşıtılamaması durumunda yükse maliyetli iyileştirme/stabilizasyon, hatta derin temel çözümünü seçmeden şu yollarda birine başvurulabilir: Yüzeysel temel İyileştirme/stabilizasyon Derin temel Parselin terk edilerek binanın başka yere yapılması Bodrum sayısının artırılması (sağlam tabakaya inme?) 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 göz önüne alınarak değiştirilmesi 2

3 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİNİN UYGULANABİLİRLİĞİ YAPI GURUBU BİNA TÜRÜ ÖZELLİKLER OTURMA YETENEĞİ max (mm) TABAN BASINCI (kpa) BAŞARI OLASILIĞI Gevşek- Kohezyonsuz Yumuşa k aluvyon İşyeri >6 kat yok <15-30 Yüksek (300+) yüksek kuşkulu yok Konut 3-6 kat orta <25-50 Orta (200+) yüksek düşük iyi Eski dolgu 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 kat orta Değişken(100+) yüksek iyi yüksek Yakıt tankı 1 orta-yüksek Yüksek(<300) gerekiyorsa, iyi yüksek yüksek İYİLEŞTİRME/STABİLİZASYON YÖNTEMLERİNİN AYIRIMI (A) GENEL AYIRIM 1. Geçici etkili (kozmetik)- 2. Kalıcı etkili, yabancı bir gereç eklemeden sonuçlandırılan- 3. Kalıcı etkili, ancak ortama katkı maddesi veya yabancı cisim ekleyerek gerçekleştirilen - işlemler. (B) ÖZEL AYIRIM 1. Mekanik 2. Hidrolik 3. Fiziksel-kimyasal 4. Katkılı-yapısal destekli 5. Kitleyi kısıtlayarak özellikleri iyileştiren 3

4 Genel Ayırım: A.Geçici etkili(kozmetik) YASS düşürülmesi Zeminin dondurulması Elektro-osmoz B.Kalıcı etkili (gereç eklemeden) Titreşimle bha arttıran Yüksek sıcaklıkla taşlaştırma C.Kalıcı etkili (yabancı gereç ekleyerek) Kireç/çimento Kimyasallar Fitil (Dren) Donatı ZEMİN İYİLEŞTİRMESİNDE KULLANILAN YÖNTEMLERİN DANE BOYUTUNA GÖRE AYIRIMI 4

5 YÜZEYSEL İŞLEMLERLE İYİLEŞTİRME SIKIŞTIRMA Vurmalı sıkıştırma Proktor ulaşım yap. iyi, bina temelinde etkin değil Proktor ulaşım yap. iyi, bina temelinde etkin değil 100kN, Üçgen veya beşgen, 10km/saat Tekrarlı darbeler, arkasındaki titreşimli silindir ile Ütüleme YASS düşük kumlu zeminlerde, Eski dolgularda 4m derinliğe kadar etkin (az katlı binalar için yeterli) Penetrasyon veya 0.6m plaka taşıma ile kontrol Ütüleme! İvme-ölçer! 5

6 Hızlı darbeli sıkıştırma: YASS bulunmayan atık depoları Eski dolgular, Döküm alanları, Kül depoları 1.5m çaplı plaka Sık aralıklarla vurma Hızlı dolaşabilme, toplam enerji yüksek Zemin parametrelerinde 10 kata kadar iyileşme TİTREŞİMLİ YÖNTEMLERLE İYİLEŞTİRME Zeminler uygun titreşimlerle 30 m derinliğe kadar başarılı olarak sıkıştırılabilirler. Titreşimli sıkıştırma öncelikle kumlar ve çakıllı kum zeminlerde etkili. İnce daneli zeminleri de titreşimle sıkıştırmak mümkün. Sıvılaşmanın Zararlı Etkilerini Önlemek * Sıvılaşabilir zemini sıkılaştırmak ** Depremde oluşan ek boşluk suyu basınçlarının zemin içinde kolon benzeri yapılarla sönümlenmesini sağlamak 6

7 TİTREŞİMLİ YÖNTEMLERLE İYİLEŞTİRME SONDALI TİTREŞİM a. Titreşimli sıkıştırma (vibro-compaction, vibro-flotation) b. Titreşimle zemine malzeme yerleştirme/ittirme (vibro-replacement) İçi boş ya da dolu sonda Titreşimle sokulur Çıkarırken çakıl ya da kırmataş Etki derinliği 20-30m Vibroflotasyon: İnce oranı<15%, 35 m ye kadar başarılı 45 cm çap, m uzunluk 1-2m/dk hız 40-80kN 8atm basınç 5-25mm yanal genlikle titrerken sonda çevresine ek gereç 7

8 Titreşimli Sıkıştırma Vibroflotasyon: Literatürdeki ilk titreşimli sıkıştırma yöntemi (1936, Almanya) Patentli titreşimli sıkıştırma yöntemleri: Vibro-Wing Terraprobe Franki Y-Probe Yöntem kil-silt içeriği %15 ten düşük ortamlarda 35 m derinliğe kadar başarılı. Vibroflot Sondası 0.45 m çaplı ve m boylu sonda zemine, örneğin basınçlı su yardımı ile 1-2 m/dak hızla indirilir. 8

9 Vibroflotasyon Yöntemi ile Sıkıştırma Dışarı çıkarken 300 kn dolayında merkezkaç kuvveti uygulayan, titreşim frekansı Hz, yanal genliği 5-25 mm olan kn kütleli, 8 atm basınç verebilen bu sondanın çevresine dışarıdan taze ek gereç doldurulur. İşlemler tamamlandıktan sonra geçirilen titreşimli silindirle yüzeye yakın bölgenin tam sıkışması sağlanır. Zeminin vibroflotasyona elverişli olup olmadığı uygunluk sayısı β ile kontrol edilir. Vibroflotasyona uygunluk sayısı β = ( D ) ( D ) ( D ) D 50 : Zeminin tipik ortalama dane boyutu, D 20 : P=%20 ye karşılık gelen dane boyutu, D 10 : Efektif dane çapı. 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. 9

10 Tekil Temel Yayılı Temel İttirmeli Sıkıştırma: Boyu 30 m, çapı 1.2 m ye varan kolonlar Hem yanal rijitlik, hem drenaj Taş kazığı, çakıl/kum kazığı s u > 25kPa!!! Kil ve siltli zemin, Titreşimli sonda ile yanlara itilirken Açılan boşluğa kaya dolgu kalitesinde malzeme(taş, çakıl veya kum) 30m boy, 1.2m çap(min 0.6m) Hem yanal rijitlik, hem drenaj Çok yumuşak siltlerde taş göçü, s u > 25kPa olmalı Önce büyük aralıklarla, sonra m 10

11 Japon yöntemi (vibrocomposer) Sıvılaşmaya yatkın yumuşak zeminlere titreştirilirken döndürülerek indirilen boru 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. Burgulu Sistemle Taş Kolonu İmalatı Taş kolonlarının etkin olabilmesi için D>0.6 m S u >25 kpa Çok yumuşak kil ve siltlerde taş göçü Çimento enjeksiyonu??? Arazi yüzeyi 0.3 m kalınlıkta bir kum-mıcır Önce büyük aralıklarla son aşamada aralıklar s= m 11

12 Taş kolonlara ait deformasyon modülleri, sıkılaşmaya ve taşın granülometresine bağlı olarak E kl =40-80 MPa olarak alınabilir. Bu ise zemine göre E kl /E s 4-10 oranına karşılık gelmektedir. Taş kolonlar yüksek hidrolik geçirgenlikleri Dren vazifesi Kolonlar arası zemin kısmen ıslah GS sıv Taş Kolon İmalatı 1. Aşama - Borunun Çakılması 12

13 Taş Kolon İmalatı 2. Aşama Çakıl Doldurulması Taş Kolon İmalatı 3. Aşama - Borunun Vibrasyonla Geri Çekilmesi 13

14 1999 depremi sonrası Adapazarı-Gölcük eksenindeki çapı 300 mm yi geçmeyen sondaj kuyularına kırmataş doldurulan ve hangi amaca hizmet ettiği bilinmeyen önlemler Özellikle killi silt ortamlarında bu uygulamanın taş göçü nedeniyle çok kısa ömürlü olacağı ve bir yarar sağlamayacağı açıktır. KONİ PENETRASYON DENEYİ İLE KONTROL Uygunluk sayısı G β = 1+ tanα S β: İyileştirme sonrası ölçülen koni uç direncinin iyileştirme öncesi değerine oranı G: Kuyuya eklenen taş/çakıl/kum hacmi S: Sondanın zeminde etkilediği bölgenin hacmi tan α: zeminin dane dağılımı indisi C=(10a+b) ve iyileştirmeden önceki CPT uç direncini yansıtmaktadır. a: zeminde 2 mm, b: 74µm dan ince dane boyutlarının yüzdesi 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. 14

15 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. Basit rijit-plastik reolojik modellemeye göre sistem yüklendiğinde zemin sıkışmakta, bu hareket kolonların elastik ve değişmez hacımda boy değiştirmesine neden olmaktadır. Yumuşak zeminin altındaki zeminin bu süreçte sıkışmadığı kabul edilmektedir. Taş Kolonu Hesaplamasında Van Impe Yaklaşımı 15

16 Taş Kolonu Hesaplamasında Bachus ve Barkdale Yaklaşımı Farklı rijitlikte iki kolon arasında oluşan gerilme yoğunlaşması faktörü n' = σs σc olup σ s taş kolonun σ c ise çevredeki zeminin aldığı gerilmelerdir. Zemine yüzeyde uygulanan ortalama gerilme σ için n' σs = σ s 1 ( n' 1) a = µ σ + s 1 σc = σ = µ cσ 1 + ( n' 1) as olup µ s taş kolonda ve µ c zeminde gerilme yığışım faktörleridir. 16

17 Gerilme Yığışım Değerleri Taş kolonun getirdiği alan oranı; a s = As A kolonun alanı A s ile beher birim hücreyi oluşturan toplam alanın (A) oranıdır. Kolonların eşkenar üçgen konumunda alan değiştirme katsayısı a s D = s 2 17

18 Taş kolonunun yapılmasından önce uygulanan yüklerle S F düzeyinde oturma hesaplanan bir kilde iyileştirmeden sonra S s dolayında bir oturma beklenecek ise hesaplamada şekildeki bağıntıyı kullanmak yeterli olacaktır. PROBLEM 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. σ Df = 19x1= 19 kpa 18

19 Önce, taş kolonları imal edilmese idi oluşacak oturmayı bulalım: Ani oturma hesabı için en kısa yol Skempton-Bjerrum yaklaşımını kullanmaktır. Bu yönteme göre temelden q düzeyinde ortalama taban basıncı alan bir zeminde ' Df ( q σ ) B Si= I I Eu 1 2 gibi bir elastik oturma beklenecektir. Burada σ Df, temel gömme derinliğindeki efektif gerilme, E u zeminin drenajsız modülü, I 1 ve I 2 etki katsayılarıdır. Ani Oturma Hesaplaması için Etki Katsayıları (Janbu, 1985) H z /B= 6/1 = 6.0 I 2 = 0.62 ' Df ( q σ ) B Si= I I Eu 1 2 D f /B= 1/1 = 1.0 I 1 = 0.95 (380 19)1 SF= = 0.30 m= 30.4 cm

20 Taş kolonu geldiğinde π kolon kesit alanı As= (0.5) = m ; ve temel alanı A = = 1.0m F AF A = = S ve S u =35 kpa ile şekilden oran S F /S S =2.5 bulunarak Taş kolonunun oturması sadece S S = S F /2.5 = 30.4/2.5 = 12.2 cm Taş Kolonunun Sıvılaşmayı Önlemede Kullanılması Taş kolonu boyutlandırması ile ilgili farklı yaklaşımlar zeminin ve taş kolonunun aldığı kayma gerilmelerine göre yapılmıştır. Örneğin deprem durumunda bunların birim kayma deformasyonlarının (γ) uyumluluğu koşulu kabul edilerek A ifadesi geliştirilmiştir. r 1 τ = ( ) ( G 1) τs 1 r A r : alan değiştirme katsayısı τ s: kolonların arasında kalan zeminde oluşacak kayma gerilmesi, τ: deprem veya statik koşulda ortama gelen kesme gerilmesi, kayma modülü oranı G r G = G sc s G sc: taş kolonunun kayma modülü G s: zeminin kayma modülü 20

21 Taş kolonunun bulunmadığı ortamda kayma gerilmeleri depremde τ a σ ort hmax 0 = 0.65 ile hesaplanırken yerleştirilecek taş kolonları kayma ' ' 0 g σ gerilmelerinin 0 σ K G τ τ s = gibi bir azaltma katsayısına bağlı olarak düşmesini sağlayacaktır. K G τ = s τ = s = = τ τavg (1 + ( Gr 1) Ar) Gr 1 A r + (1 A r ) Gr CSR tasarım =CSR*K G Taş Kolonlarında Kesit Değiştirme Oranının CSR ye Etkisi 21

22 Kumda M=7.5 Deprem için Sıvılaşma Eğrileri Hesaplamada şekle azaltılmış CSR (Çevrimsel Gerilme Oranı) ile girerek gerekli standart penetrasyon direnci N 60 okunabilmektedir. 22

23 23

24 24

25 25

26 26