MODEL TAŞ KOLONLARIN SAYISAL ANALİZİ

Transkript

1 Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onbeşinci Ulusal Kongresi Ekim 2014, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara MODEL TAŞ KOLONLARIN SAYISAL ANALİZİ NUMERICAL ANALYSIS OF MODEL STONE COLUMNS Selçuk DEMİR 1 M. Refik KURTOĞLU 2 Cem AKGÜNER 3 Mehmet BERİLGEN 4 ABSTRACT This study presents the results from two laboratory tests carried out on single stone columns installed in different sandy clay beds formed in a large scale model test tank and their respective numerical analysis. The soft clay beds were prepared in the large model test tanks by mixing 60% sand, 40% clay with a water content of 1.5 times the liquid limit of the clay. The slurry mixtures were allowed to consolidate one-dimensionally under confining pressures of 10 kpa and 80 kpa. Following consolidation, a single 10 cm diameter and 60 cm high stone column was installed at the center of each clayey sand bed. Stone columns were hydraulically subjected to vertical loads at the top with a 30 cm diameter plate displaced by the installation machine. Then, Plaxis 2D v.10 was used to numerically investigate the model tests. The results obtained from the laboratory tests and numerical analyses were compared in terms of the bearing capacity ratio (q/c u ) and the effect on the surrounding soil. Keywords: Soil improvement, stone column, model testing, numerical analysis. ÖZET Bu çalışmada, büyük ölçekli bir model deney tankı içerisinde hazırlanmış yumuşak killi kum zeminlerde oluşturulan taş kolonlar (TK) üzerinde gerçekleştirilen iki adet model deney ve model deneye ait sayısal analiz sonuçları sunulmuştur. Yumuşak (slurry) zemin yatağı %60 kum ve %40 kil karıştırılarak, su muhtevası likit limitinin 1.5 katı olacak şekilde hazırlanmıştır. Hazırlanan akıcı kıvamdaki zemin 10 kpa ve 80 kpa yük altında konsolide edilmiştir. Konsolidasyon tamamlandıktan sonra killi kum zemin içerisinde 10 cm çapında ve 60 cm boyunda tekil taş kolon imal edilmiştir. Daha sonra kolonun üzerine 30 cm çapında yükleme plakası yerleştirilerek düşey doğrultuda eksenel yüklemeye tabi tutulmuştur. Laboratuvar deneylerinin ardından, Plaxis 2D v.10 programı kullanılarak model deneyler sayısal olarak analiz edilmiştir. Analizler sonucunda kaydedilen veriler model deney sonuçları ile karşılaştırılarak tekil taş kolonların taşıma kapasite oranı (q/cu) ve çevresindeki zemine olan etkileri incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Zemin iyileştirilmesi, taş kolon, model deney, sayısal analiz. 1 Araş. Gör., Yıldız Teknik Üniversitesi, sedemir@yildiz.edu.tr 2 İnş. Yük. Müh., refikkurtoglu@hotmail.com 3 Yrd. Doç. Dr., TED Üniversitesi, cem.akguner@tedu.edu.tr 4 Prof. Dr., Yıldız Teknik Üniversitesi, berilgen@yildiz.edu.tr 631

2 1. GİRİŞ Dünyada nüfus artışı ile beraber binalar, yollar, köprüler, altyapı ve enerji tesisleri gibi yeni yapılara olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu artış neticesinde inşası planlanan yeni yapıların düşük mukavemete sahip zemin katmanlarını barındıran alanlara yapılması kaçınılmaz olmakta ve bu alanlarda zemin iyileştirmesi ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Yumuşak zeminlerin özelliklerinin tasarım amaçlarına uygun hale getirilmesinde zemin iyileştirme tekniği olarak pek çok yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan taş kolon uygulaması, düşük dayanımlı zeminlerin taşıma gücünü artırmada ve oturmaların azaltılmasında önemli rol oynamaktadır. Bu çalışmada laboratuvarda iki adet farklı drenajsız kayma mukavemetine sahip model deney oluşturulmuştur ve deneyler sonucunda elde edilen veriler sayısal model ile desteklenerek sonuçlar karşılaştırılmıştır. İlk olarak 1.1 m çapında 0.9 m boyunda silindirik tankların içine yüksek su muhtevasında (akıcı kıvamda) hazırlanmış kil ve kum karışımından oluşan zemin numunesi yerleştirilmiştir. Zemin numunesinin yerleştirilme aşaması tamamlandıktan sonra yumuşak zemin ilk olarak kendi ağırlığı altında, daha sonra ise kademeli olarak artan yükler altında konsolide edilmiştir. Zemin konsolidasyonunu tamamladıktan sonra içerisine laboratuvarda bulunan taş kolon makinesi ile kolon oluşturma aşamasına geçilmiştir. Bu aşamada 10 cm çapındaki ve 60 cm yüksekliğindeki taş kolon, deney tankının merkezinde ve tekil kolon olacak şekilde imal edilmiştir. Taş kolon oluşturulmasından sonra kolon üzerinde 30 cm çapında yükleme plakası kullanılarak yükleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca taş kolonun çevresindeki zeminin drenajsız kayma mukavemetinde (c u ) bir değişimin olup olmadığını görmek için deney öncesinde ve sonrasında kanatlı kesme (veyn) deney aletiyle ölçümler alınmıştır. Deneysel aşamalar tamamlandıktan sonra elde edilen sonuçların sayısal olarak karşılaştırılabilmesi sonlu elemanlar yöntemini kullanan Plaxis 2D v.10 programı ile modelleme yapılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Zemin ve taş kolon malzemesi için Hardening-Soil malzeme modeli kullanılmıştır. Analizler sonucunda kaydedilen veriler model deney sonuçları ile karşılaştırılarak tekil taş kolonların drenajsız kayma mukavemetine bağlı olarak taşıma kapasite oranları (q/c u ) ve çevresindeki zeminde mukavemet değişikliğine sebep olup olmadığı incelenmiştir. 2. LABORATUVAR MODEL DENEYLERİ Gerçekleştirilen iki adet model deneyde 110 cm çapında ve 90 cm yüksekliğinde silindirik deney tankı kullanılmıştır. Şekil 1 de görüldüğü üzere deney tankı 4 farklı parçadan oluşmaktadır. Taş kolon oluşturma ve yükleme işlemi ise laboratuvarda yer alan ve 40 kn yük uygulayabilen özel bir makine ile yapılmıştır. Bu makine hem tekil taş kolon oluşturabilme hem de oluşurulan kolonda yükleme deneyi yapmaya olanak sağlamaktadır. Ayrıca bu makinede yer alan darbe özelliği sayesinde darbeli taş kolon da oluşturabilmektedir. 632

3 Şekil 1. Model Deney Tankı Her iki çalışmada, deney tanklarına zemin yatağı yerleştirilerek içerisine taş kolon üretme makinesi ve yükleme aleti ile 10 cm çapında 60 cm yüksekliğinde tekil taş kolon oluşturularak deneyler tamamlanmıştır. Deneylere ait detaylı bilgiler Çizelge 1 de gösterildiği gibidir. Deney No Çizelge 1. Model Deney Özellikleri Uygulanan Konsolidasyon Basıncı (kpa) Konsolidasyon Süresi (ay) Kullanılan Basınç Yöntemi Hava Yastığı Ölü Yük Kullanılan Zemin Yatağının Özellikleri ve Hazırlanması Ortalama Zemin Mukavemeti (kpa) Zemin yatağı % 60 kum % 40 kil karışımı kullanılarak oluşturulmuştur. Taş kolon malzemesi olarak doğal kırmataş kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan zeminlere ait özellikler Çizelge 2 de özetlenmiştir. Bir mikser yardımı ile kum - kil karışımına likit limit değerinin 1.5 katı ağırlıkça su eklenip karıştırılarak homojen hale getirilmiştir ve katmanlar halinde tank içerisine yerleştirilmiştir. Karışımın konsolide olabilmesi için, üzerinde ince filtre olacak şekilde tank tabanına ve üst kısmına yaklaşık 5 cm kalınlığında yıkanmış çakıl tabakası serilmiştir. Böylece zemin numunesinin konsolidasyonu için tankta geçirimli bir tabaka elde edilerek çift yönlü drenaj sağlanmıştır. Gerçekleştirilen iki adet model deney için zemin numunesi tank içerisinde yaklaşık 105 cm yüksekliğe kadar doldurularak konsolide edilmiştir. Konsolidasyon aşaması ilk olarak numunelerin kendi ağırlıkları 633

4 altında daha sonra kademeli olarak yük verilecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Konsolidasyon sırasında çıkan su miktarları kaydedilerek zemin numunesinin uygulanan yükler altında konsolidasyon oturmaları takip edilmiştir. Model deneylere ait konsolidasyon oturma grafikleri Şekil 2 de gösterildiği gibidir. a) b) Şekil 2. Model Deneylere Ait Oturma-Zaman Grafikleri a) deney no 1, b) deney no 2 Çizelge 2. Model Deneylerde Kullanılan Zeminlerin Özellikleri Zemin Özellikleri USCS Sınıflandırması G s w L (%) w P (%) I P (%) C u C c E 50 (MPa) 1 Kaolin Kili (CH) Kum (SP) Kırmataş (GW) Killi Kum Yatağı (SC) Gs: Özgül Ağırlık, w : Likit Limit, w : Plastik Limit, I : Plastisite İndisi, C u: Üniformluk Katsayısı, C c: Derecelenme Katsayısı, E 50 : Elastisite L P P Modülü 2.2. Taş Kolonun Oluşturulması ve Yükleme Deneyi Tank içerisine yerleştirilen zeminin konsolidasyonu tamamlandıktan sonra taş kolon oluşturulmadan önce zemin üzerinde veyn kesme deneyleri gerçekleştirilerek her iki model deneyde tank merkezinden 10 cm uzaklıkta derinlik boyunca drenajsız kayma mukavemetinin değişimi ölçülmüştür (Şekil 3). Ölçümler tamamlandıktan sonra taş kolon oluşturulabilmesi için deney tankı kolon oluşturma makinesinin altına getirilmiştir. Kolon oluşturma makinesinin uç kısmı zemin içerisinde 60 cm derinliğe kadar indirilmiştir ve ardından çakıl haznesinden açılan çukura çakıl doldurularak taş kolon oluşturulmuştur (Şekil 4). Daha sonra 2 cm kalınlığa ve 30 cm çapa sahip metal yükleme plakası taş kolon merkezine yerleştirilerek yükleme deneyi gerçekleştirilmiştir. Deney sonunda zeminin drenajsız kayma mukavemetinde değiklik olup olmadığına bakmak için deney öncesinde olduğu gibi aynı noktalardan veyn deneyleri tekrarlanmıştır ve elde edilen drenajsız kayma mukavemeti değerleri deney öncesinde alınan değerlerle benzer çıkmıştır. 634

5 Şekil 3. Model Deneylere Ait Drenajsız Kayma Mukavemetinin Derinlikle Değişimi ve Ölçüm Noktaları Şekil 4. Taş Kolon Yapım Aşaması Farklı drenajsız kayma mukavemetine sahip zeminlerde oluşturulmuş taş kolonlar üzerinde gerçekleştirilen yükleme deneyleri sonucunda her iki deney için taşıma kapasite oranları (q/c u ) belirlenmeye çalışılmıştır. Deney sonucunda Şekil 5 te görülen grafik elde edilmiştir ve eğrilerden tanjant yöntemini kullanarak 1. ve 2. model deney için göçme taşıma kapasite oranları sırasıyla 11 ve 8 olarak bulunmuştur. Burada (q) uygulanan yük, (D) yükleme plakasının çapı ve (S) oturma olarak verilmektedir. Şekilden drenajsız kayma mukavemeti (c u ) yüksek olan zeminde taş kolonun taşıma kapasite oranının daha fazla olduğu görülmektedir. Ayrıca deney sonrasında taş kolon malzemesi incelendiğinde, kolonun taban kısmında su biriktiği görülmüştür. Bu gözlem taş kolonların dren işlevi de gördüğünü kanıtlamaktadır. 635

6 Şekil 5. Taş Kolonun Drenajsız Kayma Mukavemetine Bağlı Deplasman Değerleri 3. SAYISAL ANALİZ Laboratuvar deneylerinde elde edilen taş kolonun yük-oturma davranışı, Plaxis 2D v.10 programı ile de analiz edilerek iki çalışmanın sonuçları incelenmiştir. Sayısal çalışmada eksenel simetri ve 15 düğümlü üçgen ağ elemanları kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Eksenel simetriden dolayı model deney sisteminin yarısı modellenerek, analizler 0.5 cm genişliğindeki ve 60 cm yüksekliğindeki tekil kolonlar üzerinde yapılmıştır. Zemin yatağı ve taş kolon agregası için Hardening Soil zemin modeli kullanılmıştır. Kullanılan malzemelere ait detaylı bilgiler Çizelge 3 te gösterilmiştir. Çizelge 3. Sayısal Modellemede Kullanılan Malzeme Parametreleri Parametreler Kolon Agregası Zemin Yatağı Malzeme Modeli Hardening Soil Hardening Soil Malzeme Davranışı Drenajlı Drenajsız Birim Hacim Ağırlık (kn/m 3 ) Elastisite Modülü (MPa) 10 2 Poisson Oranı Kohezyon (kpa) İçsel Sürtünme Açısı ( o ) Tank çeperlerinde oturmalara izin verilirken yanal yer değiştirmeler sınırlandırılmıştır. Tank alt yüzeyinde ise sınır şartı olarak hem radyal yer değiştirmeler ve hem de oturmalar engellenmiştir. Taş kolon ile zemin numunesi arasında herhangi bir arayüz (interface) eleman kullanılmamıştır. Literatürde benzer şekilde Mitchell ve Huber (1985), Saha vd. (2000) ile Ambily ve Gandhi (2007) de kendi çalışmalarında arayüz eleman kullanmamışlardır. Analizler sırasında sayısal modele arayüz elemanlar eklenerek de çözüm yapılmış fakat sonuca herhangi bir etki yapmadığı görülmüştür. Taş kolon üzerinde tanımlı deplasmanlar (prescribed displacements) kullanılarak sayısal hesaplar gerçekleştirilmiştir. Programa, tanımlı deplasman olarak 100 mm değeri girilmiştir. Sonlu elemanlar ile oluşturulan model deney sistemi Şekil 6 daki gibidir. 636

7 Şekil 6. Zemin Profili ve Sonlu Elemanlar Ağı Yapılan analizler sonucunda, laboratuvar deneylerinden ve sayısal analiz ölçümlerinden elde edilen gerilme-oturma ilişkilerinin karşılaştırılması Şekil 7 de verilmiştir. Gerilmeoturma grafikleri incelendiğinde, laboratuvar model deneylerin sonuçlarıyla sayısal analizlerden elde edilen sonuçlarının birbiriyle genel anlamda uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Şekil 7. Laboratuvar ve Sayısal Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması 4. SONUÇLAR Yapılan bu çalışma ile taş kolonların farklı drenajsız kayma mukavemetine sahip zeminlerdeki davranışı incelenmiş ve sayısal olarak modelleme yapılarak laboratuvar model deneyleriyle karşılaştırılmıştır. Gerçekleştirilen iki adet model deney sonucunda aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır; 637

8 Drenajsız kayma mukavemeti (c u ) daha yüksek olan zeminlerde, standart taş kolonun taşıma kapasite oranının (q/c u ) beklenildiği gibi daha fazla olduğu görülmüştür. Yapılan seri deneyler sonucunda taş kolonunun içerisinde ve tabanında su biriktiği görülmüştür. Bu durum taş kolonların zeminlerde rijitlik artışı yanında, zemin içerisinde dren görevi gördüğünü de göstermektedir. Taş kolon imalatından önce zemin numunesinde yapılan drenajsız kayma mukavemeti (c u ) ölçümleri ile taş kolon imalatı sonrasında yapılmış ölçümler arasında bir artışın meydana gelmediği görülmüştür. Ancak taş kolonların grup halinde imal edilmesi durumunda, meydana gelecek yanal gerilme artışlarından dolayı zeminin drenajsız kayma mukavemetini artırıcı yönde bir etki yapacağı söylenebilir. Sayısal analizler sonucunda elde edilen verilerin model deneyler sonucunda elde edilen verilerle örtüştüğü gözlemlenmiştir. Bu çalışmada kullanılan sayısal modelin arazide tasarımı yapılacak uygulamalar için yol gösterici olduğu düşünülmektedir. KAYNAKLAR Ambily, A.P. ve Gandhi, S.R. (2007). Behavior of Stone Columns Based on Experimental and FEM Analysis, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 133, No. 4 : Barksdale, R.D. ve Bachus, R.C. (1983). Design and Construction of Stone Columns: Vol.1-2, Report No. FHWA/RD-83/026, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Demir, S. (2011). Darbeli Kırmataş Kolonların İmalatında Zemin Davranışının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Demir, S. (2013). Killi Kum Zemin İçinde Oluşturulmuş Darbeli Taş Kolonların Davranışının Model Deneylerle İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. Kurtoğlu, M.R. (2014). Killi Kum Zeminlerde Taş Kolonların Davranışının Model Deneylerle İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. Mitchell, J.K., ve Huber, T.R. (1985). Performance of a Stone Column Foundation, Journal of Geotechnical Engineering 111(2), Namal, E. (2011). Yumuşak Killi Zeminlerde Taş Kolonlarla Zemin İyileştirilmesinin Laboratuar Model Deneylerle Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. Priebe, H.J. (1995). The Design of Vibro Replacement, Ground Engineering, Saha, S., Santhanu, S., ve Roy, A., (2000). Analysis of Stone Column in Soft Ground, Proc., Indian Geotechnical Conferance, Bombay, India,

9 Vesic, A.S. (1972). Expansion of Cavities in Infinite Soil Mass, Journal of The Soil Mechanics and Foundation Engineering Division, ASCE, 98: