TEMEL ENJEKSİYONU YÖNTEMLERİ

Transkript

1 TEMEL ENJEKSİYONU YÖNTEMLERİ Prof. Dr. Ufuk ERGUN Orta Doğu Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Ekim

2 İçindekiler Genel Enjeksiyon Yöntemleri Kullanım alanları Permeasyon Enjeksiyonu Kompaksiyon Enjeksiyonu Çatlatma Enjeksiyonu Jet Enjeksiyonu / Derin Karıştırma / Karıştırma Enjeksiyonu Sonuç 2

3 Zemin enjeksiyonu temel olarak akışkan, yarı akışkan veya katı kıvamda malzemelerin basınç altında zemine enjekte edilmesidir. Burada farklı yöntemlerde farklı amaçlar güdülmektedir. (zeminin özelliklerini iyileştirmek,zemini kaldırmak gibi) 3

4 Enjeksiyon teknolojisinin kökeni diğer zemin iyileştirme teknikleri gibi eskiye dayanmakla beraber bu teknoloji hem yeni enjeksiyon malzemeleri hem de bu malzemelerin zemin içerisine nüfuz ettirilmesi şekilleri bakımından sürekli bir gelişim içerisindedir. 4

5 Burada dikkatle üzerinde durulması gereken nokta bütün mühendislik uygulamaları için aynı enjeksiyon malzemelerinin ve enjeksiyon yöntemlerinin kullanılamayacağıdır. Enjeksiyon malzemeleri, parametreleri (enjeksiyon basıncı, enjeksiyon hızı, enjekte edilen hacim, vs.) ve yöntemleri zemin koşullarına (dane çapı dağılımı, izafi(rölatif) sıkılık, geostatik gerilmeler, vs.) ve uygulama amacına yönelik olarak tasarlanmalıdır. 5

6 Enjeksiyon teknikleri enjeksiyon malzemesinin zemin içerisine yerleştirilmesi biçimine bağlı olarak değişmektedir. Fakat enjeksiyon malzemesinin özelliğine bağlı olarak da (çimento enjeksiyonu,çimento zemin karışımları veya kimyasal enjeksiyon) bir ayırım yapılabilir. Permeasyon (emdirme/sızdırma) enjeksiyonu 6

7 Çatlatma enjeksiyonu 7

8 Kompaksiyon enjeksiyonu Jet enjeksiyonu Kompaksiyon ve çatlatma enjeksiyonu telafi (compensation kompansasyon ) enjeksiyonu olarak da adlandırılmaktadır. 8

9 Zemin İyileştirmesi için Enjeksiyon Teknikleri Zemini deplase etmeden ve değiştirmeden (zemin yapısını aynen koruyarak) Zemini deplase ederek ve değiştirerek Enjeksiyon prensibi penetrasyon boşluk doldurma Alt prensip permeasyon enjeksiyonu çatlak/kaya enjeksiyonu Boşluk doldurma hidrolik çatlatma jet enjeksiyonu * kompaksiyon enjeksiyonu Enjeksiyon yöntemi telafi enjeksiyonu : jet enjeksiyonu: jet ile karıştırma / derin jet karıştırma veya jet karıştırma enjeksiyonu denilebilir 9

10 Zemin durumu Stabil Stabil değil Stabil değil Yerleştirme tekniği Tij Tüp ve manşet (TM) Muhafaza borusu Tek seferde (Tek basamak) Aşağıdan yukarıya Yukarıdan aşağıya Çok basamaklı Zeminde (kaya hariç) Enjeksiyon Yerleştirme Teknikleri (Son Taslak,Avrupa Standardı 1996) Basamak tarifi: Belirli bir enjeksiyon uzunluğu, duble pakerler ile sınırlanmış veya tekli paker veya kuyu dibi ile sınırlanmış 10

11 Bu enjeksiyon yöntemlerinin çoğunlukla kullanım alanları: Yeraltı su akımının veya zeminde kirli bir akımın önünü kesmek veya bir engel oluşturmak (permeasyon, jet) Temel zemininin mukavemetini artırarak iyileştirmek (permeasyon, kompaksiyon, jet): Mevcut binaların veya yeni yapıların taşıma gücünü artırmak, Şev stabilizasyonunda, Kazık yanal ve düşey stabilitelerini artırmak. 11

12 Kazı stabilitesini özellikle taban stabilitesini artırmak amacıyla (permeasyon, jet) Sıvılaşmayı önlemek amacıyla (zemini sıkı hale getirerek) (kompaksiyon) Yapı temellerinin alttan desteklenmesi amacıyla (underpinning)(jet) Tünel işlerinde veya shaft kazılarında zemini stabilize etmek için (permeasyon, çatlatma, jet) Tünel, shaft ve temel kazılarında zemin deplasmanlarını azaltmak için (permeasyon, çatlatma, telafi) 12

13 Zeminlerde, kayaçlardaki tabii boşlukları, madencilik sonucu oluşan boşlukları veya yapılara yakın doldurulması gerekli boşlukların doldurulması amacıyla (boş halde çökme oturma potansiyeli) Zeminin kütle geçirgenliğini azaltmak (permeasyon, çatlatma) Yapıları, kaplamaları vb. itmek, kaldırmak (çatlatma, kompaksiyon) Diğerleri (şişen zeminler, kireç vb.) 13

14 Permeasyon (Sızdırma Emdirme) Enjeksiyonu Emdirme enjeksiyonunun amacı zeminin hacminde ve yapısında önemli bir değişiklik meydana getirmeksizin zemin içerisindeki boşlukların enjeksiyon malzemesiyle düşük basınçlarda doldurulmasıdır. Emdirme enjeksiyonunda hem süspansiyon türünde olan çimento şerbeti hem de koloit yapıdaki saf kimyasal çözeltiler kullanılabilir. Fakat zeminin geçirimliliği azaldıkça hem teknik hem de ekonomik zorluklar artmaktadır. 14

15 Enjeksiyon karışımlarına ilişkin parametreler: Su / çimento oranı Kullanılan katkı malzemeleri ve miktarları Segregasyon (karışım içerisindeki çimento veya katkı malzemesi danelerinin zamanla çökmesi ve karışım suyundan ayrılması) Filtrasyon oranları (karışım içerisindeki danelerin zemin tanecikleri tarafından tutulması ve enjeksiyonun engellenmesi Vizkozite (akışkanlığa karşı direnç) ve zamanla değişimi İlk ve son priz zamanları 15

16 16

17 Süspansiyon karışımların permeasyon limitleri: Çimento enjeksiyonları için kullanılan enjekte olabilirlik oranları: N = (D15)zemin / (D85)enjeksiyon D15 = % 15 geçen zemine karşılık gelen dane çapı D85 = % 85 geçen enjeksiyon malzemesine karşılık gelen dane çapı N>24: enjeksiyon sürekli mümkün N<11: enjeksiyon mümkün değil 11<N<24:enjeksiyon olabilirliği deneme enjeksiyonlarıbelirleyecektir. 17

18 N = (D10)zemin / (D95)enjeksiyon D10 = % 10 geçen zemine karşılık gelen dane çapı D95 = % 95 geçen enjeksiyon malzemesine karşılık gelen dane çapı N>11: enjeksiyon sürekli mümkün N<6: enjeksiyon mümkün değil 6<N<11:enjeksiyon olabilirliği deneme enjeksiyonları belirleyecektir. 18

19 Yüzeysel derinliklerde enjeksiyon işlemi tek aşamada yapılabilir. Bu durumda enjeksiyon kuyusu tasarım derinliğine kadar açılır ve enjeksiyon borusu yardımıyla yukarıya doğru enjeksiyon işlemi gerçekleştirilir. Alternatif olarak kuyu açılırken de enjeksiyon işlemi yapılabilir. Kuyu belli bir derinlikte açıldıktan sonra enjeksiyon borusu indirilir ve açılan derinlik boyunca enjeksiyon işlemi gerçekleştirilir. Bu durum tasarım derinliğine kadar tekrar ettirilir. 19

20 Kademeli enjeksiyon işlemi ise göreceli olarak yüksek enjeksiyon basınçlarının gerektiği daha derin zeminlerde ve daha efektif bir permeasyon için uygulanır. Burada enjeksiyon kuyusu belli bir derinliğe kadar açılır ve enjeksiyon yapılır. Enjeksiyon malzemesi sertleştikten sonra kuyu biraz daha derinleştirilir ve tekrar enjeksiyon yapılır. Kademeli enjeksiyon derinliğin artmasıyla enjeksiyon basıncının artırılmasını sağlar ve yüzeydeki sızıntıdan meydana gelebilecek enjeksiyon malzemesi kaybını engeller 20

21 Kademeli enjeksiyon işlemi (Bell, 1993) 21

22 Tube a Manchette üzerinde yaklaşık 8 mm çaplı küçük deliklerin bulunduğu bölmelerden oluşan ve çapı 37.5 ve 62.5 mm arasında değişen çelik (veya plastik) bir borudur. Delikli bölmeler yaklaşık cm aralıklı olup tek yönlü vana gibi çalışan lastik kılıflarla kapatılmışlardır. Kuyu duvarı Zayıf dayanımlı kil-çimento karışımı U-tıkaç Lastik kılıf Enjeksiyon deliği Enjeksiyon borusu U-tıkaç Lastik kılıf 22

23 Tube a manchette (TM) kullanımı aynı enjeksiyon deliğinden birden fazla enjeksiyonun değişik enjeksiyon malzemeleriyle yapılabilmesini sağlamaktadır. Fakat yoğun şehir merkezlerinde veya çalışma alanı yetersizliğinde tube a manchette sisteminin yer yüzeyinden, kuyulardan veya tünel yüzeylerinden kurulması uygun olmayabilir. Bu durumlarda tube a manchette sisteminin yeni geliştirilen yatay yönlü delgi (horizontal directional drilling) sistemi ile yerleştirilmesi söz konusudur. 23

24 Kompaksiyon Enjeksiyonu 1980 yılında toplanan ASCE Enjeksiyon Komitesi kompaksiyon enjeksiyonunu 25 mm den daha az çökme değeri olan, yeterli plastisiteyi sağlayacak kadar silt ve içsel sürtünmeyi sağlayacak kadar da kum içeren katı enjeksiyon malzemesinin zemin boşlukları içerisine girmeksizin enjeksiyon noktası etrafında giderek genişleyen bir kütle oluşturacak ve bu sayede etrafındaki gevşek zeminleri sıkıştıracak şekilde yüksek basınçlarda (40 bar a kadar) enjekte edilmesi olarak tanımlamıştır. 24

25 Kompaksiyon enjeksiyonunun şematik gösterimi (Essler, 2000) 25

26 50 yıl kadar önce Amerika da uygulanmaya başlayan yöntem çoğunlukla zayıf veya yumuşak zeminlerin sıkıştırılmasında, temel ve döşemelerin alttan desteklenmesinde, yapı oturmalarının kontrol edilmesinde, farklı oturmalar gösteren yapı temellerinin rehabilitasyonunda ve tekrar eski seviyelerine yükseltilmesinde kullanılmıştır. 26

27 Literatür çalışmaları göz önüne alındığında kompaksiyon enjeksiyonunun başarılı sonuçlar vermesi enjeksiyon malzemesinin katı ve yüksek vizkozitede olmasına bağlıdır. Bu yüzden karışımlarda plastisiteyi gereğinden fazla artıracak silt ve gereğinden fazla mobilite sağlayacak bentonitin kullanılmaması öngörülmektedir. Aşağıdan yukarı veya yukarıdan aşağı yöntemlerinden biri seçilir. 27

28 Kompaksiyon enjeksiyonu karışımındaki kum için öngörülen dane çapı dağılım aralığı (Warner & Brown, 1974) 28

29 Çatlatma Enjeksiyonu Zeminin kontrollü bir şekilde, kararlı fakat düşük vizkoziteli çimento enjeksiyonu ile yüksek basınçlarda (5-40 bar,genellikle 20-40)) çatlatılması söz konusudur. Çatlatma enjeksiyonunun gelişimi tünel veya kazı aktiviteleri esnasında meydana gelen oturmaları önleme (telafi etme) çalışmalarına dayanmaktadır. 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 Çatlatma enjeksiyonu sonucunda zemin içerisinde ağaç dallarına benzer bir şekilde sertleşmiş çimento kanalları oluşmakta ve bu sayede zemin kontrollü bir şekilde ve bölgesel olarak sıkıştırılmaktadır. Düşey yönde çatlakların oluşumu ve yatay sıkıştırma 34

35 Teorik olarak normal konsolide, homojen bir zemin içerisinde meydana gelecek ilk çatlaklar düşey doğrultuda (büyük asal gerilme doğrultusunda) olacak, bu sayede yatay gerilmeleri artıracak ve zemini sıkıştıracaktır (Raabe ve Esters, 1990). Eğer tube a manchette sistemi ile aynı noktadan birden fazla enjeksiyon işlemi tekrarlanacak olursa asal gerilmelerin doğrultuları değişecek ve yatay yönde çatlaklar meydana gelmeye başlayacaktır. 35

36 Fakat pratikte, meydana gelen çatlakların yönü zemin içerisinde mevcut çatlaklara, zayıf bölgelere veya fisürlere bağlı olarak değişmektedir (Rawlings vd., 1998). Bu tip enjeksiyon türünün uygulanmasında da tube a manchette kullanılmakta ve örneğin tünel kazımı esnasında meydana gelen oturmalara bağlı olarak aynı noktadan birden fazla gerektiğinde farklı enjeksiyon malzemeleriyle enjeksiyon yapılabilmektedir. 36

37 Literatürdeki vaka analizleri incelendiğinde çatlatma enjeksiyonunda kullanılan çimento şerbetinin su/çimento oranlarının nispeten daha yüksek olduğu ve karışıma mobilite vermek için başta bentonit olmak üzere değişik katkı malzemelerinin kullanıldığı görülmektedir.bu açıdan kompaksiyon enjeksiyonundan ayrılmaktadır. 37

38 Jet Enjeksiyonu Bu enjeksiyon türünde tasarım derinliğe kadar delgi yapılmakta ve delgi için kullanılan tijlerin ucundaki küçük deliklerden yüksek basınçlarda çimento şerbeti zemine jetlenmektedir. Bu jetleme esnasında tijler de belirli bir hızla döndürülmekte ve yine belirli bir hızla da zemin içinden aşağıdan yukarıya doğru çekilmektedir. Böylece, belirli bir çapta ve boyda zemin içinde silindirik bir kolon oluşturulmaktadır. 38

39 Jet enjeksiyonu işlemi 39

40 Jetleme esnasında kolon çapını artırabilmek için çimento jeti yanında hava ve su jetleri de kullanılabilmektedir. Temel Jet Enjeksiyonu Sistemleri 40

41 Jet Enjeksiyonu Sistemi Tekli İkili Üçlü Uygulanan zemin Kaba granüler zeminler, zayıf yıpranmış kayalar Kaba granüler zeminler ve zayıf kayalar ile bazı killi zeminler Her tipteki granüler zeminler, yumuşak ile orta ve sert killi zeminler, karışık alüvyonlu ve bazı zayıf kayalar Kolon çapı En küçük çap, tipik olarak m Orta büyüklükte çap En büyük çap, sıkıştırılmış hava ve su jeti yardımı, tipik olarak m Uygulama Yüksek basınçlı enjeksiyon doğrudan zemin içerisine uygulanıyor. Yüksek basınçlı enjeksiyon hava jeti yardımıyla doğrudan zemin içerisine uygulanıyor. Hava jeti ile yüksek basınçlı su jeti zemini aşındırıyor, enjeksiyon ise düşük basınçlarda uygulanıyor. Zemin hareketi Birikinti malzemeler tıkanmalarla beraber basınçların artmasına neden olabilir, siltlerde ve killerde zemin hareketlerine yol açacak hidrolik çatlatma meydana gelebilir. Tekli sistemle aynı Hava kaçakları meydana gelebilir ve zayıf zemin tabakaları aşınabilir, enjeksiyon akıntı birikimleri hava jeti yardımıyla azaltılıyor; fakat yumuşak killerdeki derin muhafazasız delikler kapanabilir ve tıkanmaya yol açabilir. Basınçlar Enjeksiyon bar Enjeksiyon bar Hava 2-15 bar Enjeksiyon 5-30 bar Hava 2-15 bar Su 500 bar a kadar Diğerleri Daha zayıf kolonlar elde edilmekte, teknik olarak ikili ve üçlü sisteme göre daha alt seviyede Orta seviyede Su jeti enjeksiyon malzemesinin daha katı kıvamda ve daha iyi bir şekilde akmasını sağlamakta 41

42 Tabakalı zeminlerde jet enjeksiyonu parametrelerinin etkisi ve elde edilen 42çaplar

43 Farklı zemin tiplerinde elde edilen jet enjeksiyonu çapları 43

44 Zemin tiplerine bağlı olarak zeminle karıştırılabilme özellikleri 44

45 Buradaki mekanizmadan anlaşılabildiği gibi jet enjeksiyonu aslında bir enjeksiyon tekniği değil bir karıştırma yöntemidir. Sonuçta zemin içerisinde beton-zemin karışımı yüksek dayanımlı ve düşük geçirimli kolonlar elde edilmektedir. Bu yönüyle jet enjeksiyonu diğer enjeksiyon türlerinden kesin olarak ayrılmaktadır. 45

46 Jet enjeksiyonu sonucu zemin içerisinde oluşturulan kolonlar temeller, döşemeler ve dolgular altında taşıma gücü ve oturma kontrolü için kullanılabileceği gibi yumuşak zeminlerde açılan tünellerde tünel kesiti üzerinde taşıyıcı şemsiye, yine yumuşak killerdeki derin kazılarda kazı tabanı altında payanda elemanı olarak da kullanılabilir. Ayrıca sıvılaşma riskinin azaltılması gayesiyle kullanım mümkün görülmektedir. 46

47 Uygulamanın maliyeti jet enjeksiyonunun devam eden gelişimini kısmen düşürmüştür. Fakat Japonya da çok yüksek çapta (5 m ye kadar) kolonlar oluşturabilme metodu geliştirilmiş ve bu sayede enjeksiyon noktalarının sayısı azaltılarak maliyet düşürülmüştür. Bu teknoloji Japonya ve Amerika da SuperJet Enjeksiyonu Avrupa da ise Soilcrete-DS Enjeksiyonu olarak bilinmektedir. 47