JET ENJEKSİYON YÖNTEMİ A. Orhan EROL Zeynep ÇEKİNMEZ BAYRAM

Transkript

1 Prof. Dr. A. Orhan EROL 1947 Yozgat doğumludur. Lisans ve yüksek lisans eğitimlerini ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü nde tamamlamıştır. Doktora derecesini 1977 yılında Iowa Devlet Üniversitesi (ABD) İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik dalında almıştır. Özel sektörde uzman mühendis ve Riyad King Saud Üniversitesi nde öğretim üyesi olarak görev yapmıştır yılında mensubu olduğu ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü ne yeniden katılmış ve 2014 yılında emekli olmuştur. Halen bu bölümde yarı-zamanlı öğretim üyesi ve Yüksel Proje de danışman olarak görev yapmaktadır. Yayınlanmış ulusal ve uluslararası eserleri ve üç adet kitabı vardır. Şişen ve göçen zeminler, kazıklı temellerde şaft sürtünmesi, zemin iyileştirme ve güçlendirme yöntemleri, taş kolonlar konularında araştırmaları mevcuttur. Dr. Zeynep ÇEKİNMEZ BAYRAM 1986 İstanbul doğumludur. ODTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü nden 2007 yılında lisans, geoteknik dalında 2010 yılında yüksek lisans ve 2014 yılında doktora derecelerini almış; yılları arasında aynı bölümde Araştırma Görevlisi olarak çalışmıştır yılında ODTÜ tarafından verilen Eğitim ve Araştırmada Üstün Başarı Ödülü ne layık görülmüştür yılından bu yana Yüksel Proje de Uzman Proje Mühendisi olarak çalışmakta ve ODTÜ de kısmi zamanlı Öğretim Görevlisi olarak ders vermektedir. Radye temel-zemin etkileşimi ve taş kolonlar davranışları konularında araştırmalar yapmıştır ve 2016 yılında, Prof. Dr. Orhan EROL ile birlikte yazarlığını yaptığı iki adet kitabı yayınlanmıştır. Ulusal ve uluslararası konferanslarda yayınlanmış bildirileri vardır. Sığ temellerde zemin-yapı etkileşimi üzerine yüksek lisans ve taş kolonlar ile zemin iyileştirme üzerine deneysel doktora çalışmalarını tamamlamış olup, güzergâh geotekniği, kazıklı temeller, taş kolon uygulamaları, derin kazılar, zemin iyileştirme, otoyol, tünel projeleri ile ilgili tasarım ve 2/3D sonlu elemanlar uygulamalarında deneyim kazanmıştır. JET ENJEKSİYON YÖNTEMİ A. Orhan EROL Zeynep ÇEKİNMEZ BAYRAM JET ENJEKSİYON YÖNTEMİ A. Orhan EROL Zeynep ÇEKİNMEZ BAYRAM

2 JET ENJEKSİYON YÖNTEMİ Prof. Dr. A. Orhan EROL Dr. Zeynep ÇEKİNMEZ BAYRAM Ankara 2018 Yüksel Proje Uluslararası A.Ş.

3

4 ÖNSÖZ Jet enjeksiyon tekniği bir zemin iyileştirme yöntemi olup, zemin içerisine yüksek basınç altında enjekte edilen başlıca su-çimento karışımından oluşan akışkanın zeminle yoğrulma, parçalanma, erozyon ve nüfuz etme mekanizmaları ile karışarak rijit bir kolon oluşturulması esasına dayanmaktadır. Bu teknik ülkemizde ve dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Kolonlar düşey, yatay, açılı olarak imal edilebilmekte ve değişik geometriler oluşturularak, gereğinde bindirilerek projede öngörülen problemin çözümüne yönelik tekil elemanlar, perdeler, masif kütleler veya geçirimsiz yapılar teşkil edilebilmektedir. Yöntemin uygulama alanları arasında zemin güçlendirmeleri, blok temeller, istinat yapıları, geçirimsizlik perdeleri ve taban tapaları, geçici tünel kaplamaları ve sıvılaşmayı önleyici yapılar yer almaktadır. Metodun hızlı uygulanabilirliği, ekonomik oluşu ve dar alanlarda çalışma imkanı başlıca avantajları olarak değerlendirilmektedir. Yöntemin uygulamasının gündeme geldiği projelerde ilk aşama tasarımdır. Tasarımda ise kolon çapı ve mekanik özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu özellikler büyük oranda zemin koşullarına ve uygulanan jet enjeksiyon imalat yöntemine bağlıdır. Dolayısıyla tasarımda hem zemin özelliklerinin gerçekçi bir şekilde tanımlanması hem de mevcut zemin koşullarında değişik jet enjeksiyon imalat yöntemlerinin zemin-jet etkileşiminin bilinmesi ve en uygun imalat tekniğinin seçimi önemli bir aşama olarak ortaya çıkmaktadır. Tasarım ve imalat yöntemlerinin belirlenmesi sonrasında yapılan imalatların proje kriterlerine uygun olup olmadığının kontrol ve denetimi jet enjeksiyon uygulamalarında en önemli husustur. Kalite kontrol amaçlı yapılan çalışmalar, imal edilen kolonlar üzerinde yapılacak gözlem ve tespitleri, karot örnekleri üzerinde yapılan deneyleri, jeofizik ve sonik araştırmalar ile permeabilite ölçümlerini kapsamaktadır. Tüm bu çalışmalar uygulamanın ilk aşamalarında i

5 tamamlanarak teşkil edilen yapının proje hedeflerine uygunluğu teyit edilmelidir. Bu kitabın kapsamı oluşturulurken jet enjeksiyon uygulamalarında tasarımcı ve uygulamacılara yukarıda konu edilen hususlara açıklık getirecek bir rehber teşkil etmesi amaçlanmıştır. Birinci bölümde değişik zemin koşullarında ve farklı jet uygulama sistemlerinde jet-zemin etkileşimi mekanizmaları ayrıntılı olarak açıklanmakta, elde edilecek yapının fiziksel ve mekanik özelliklerini tasarım aşamasında mertebe olarak belirlenebilmesi için yarı ampirik ampirik yöntemler verilmektedir. İkinci bölümde ülkemizde ve dünyada değişik sorunların çözümüne yönelik geliştirilen ve uygulanan projelerden örnekler verilmektedir. Üçüncü bölümde jet kolonlarının değişik amaçlı kullanılmaları durumunda geometrik düzenlemelerinin ve uygulama paternlerinin ne şekilde oluşturulması konusunda kriterler ve detaylar verilmeye çalışılmıştır. Kitabın son bölümünde uygulamada, kontrol ve denetimin sağlıklı olarak yapılabilmesi için kullanılan deneysel ve gözlemsel metotlar açıklanmış, kalite kontrolünün önemi vurgulanmıştır. A. Orhan Erol Zeynep Çekinmez Bayram Ankara, 2018 ii

6 İÇİNDEKİLER 1. JET ENJEKSİYON YÖNTEMİ Genel Uygulama Detayları Yöntem Donatılandırma Enjeksiyon Karışımları Katkı Malzemeleri Atık Malzeme Kontrolü Jet Enjeksiyon Tesisi Kontrol Parametreleri Özgül Enerji Kavramı Jet Zemin Etkileşimi Kolon Özellikleri Verimlilik Kolon Çapı Jet Kolonların Dayanımı Deformasyon Modülü Kaynaklar JET ENJEKSİYON UYGULAMALARI Genel Temel Sistemleri Uygulamaları İstinat Yapılarındaki Uygulamalar Geçirimsizlik Yapısı Uygulamaları Tünel Uygulamaları Diğer Uygulamalar Kaynaklar TASARIM ESASLARI Genel Kolon Yerleşimi ve Geometrik Özellikler Kolon Çapı 92 iii

7 Eksenden Sapmalar Kolon Malzemesinin Mekanik Özellikleri Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Temel Sistemi Uygulamaları Jet Blok Temeller Tekil Jet Kolonlu Radyeler Jet Kolonların Yatay Yükler Altındaki Davranışı Tünellerde Kanopi Uygulamaları Jet Kolonlu Şaftlar Taban Tapaları Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı Jet Blok Yapısı ve Zeminin Kompozit Malzeme ile Teşkili Kaynaklar KALİTE KONTROL VE DENETİM Genel Zemin Etütleri Jet Enjeksiyon Uygulamalarında Kullanılan Malzemeler Çimento Katkı Malzemeleri Su Enjeksiyon Şerbetinin Hazırlanması Delgi ve Enjeksiyon İşlemleri Kolon Çapı Kolonların Kalitesi ve Sürekliliği Kolon Malzemelerinin Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Yükleme Deneyleri Uygulama Bölgesi Çevresinde Yapılacak Gözlemler Kaynaklar 151 iv

8 SEMBOLLER A Toplam uygulama alanı A c Kolon kesit alanı A s Zemin alanı A t Bir kolonun toplam etki alanı A un Boşluk alanı a Kanopi yapılarındaki bindirme boyu a max Zeminde oluşan yatay ivmenin maksimum değeri a r Alan oranı B 1 ve B 2 Blok temel kısa kenarı ve uzun kenarı (planda) C G Şekil faktörü c jg Jet kolon malzemesinin kohezyonu c komp Kompozit malzemenin kohezyonu c MC Kolon malzemesinin kohezyonu (MC kriterine göre) c s Zeminin efektif kohezyonu veya drenajsız kayma dayanımı c T Kolon malzemesinin kohezyonu (Tresca modeline göre) c u Drenajsız kayma dayanımı c w Çimento su (ağırlık) oranı COV Değişim katsayısı CRI Karot kalitesi indisi CRR Devirsel direnç oranı CSR Devirsel gerilme oranı CSR i İyileşme sonrası devirsel gerilme oranı D Kolon çapı D b Kolon taban çapı D d Tasarım çapı D k Karakteristik çap D maks Maksimum çap (değişken çaplı kolonlarda) D min Minimum çap (değişken çaplı kolonlarda) D ort Kolon boyunca ortalama çap D r Bağıl yoğunluk D ref Referans kolon çapı D şaft Şaft çapı D tas Kolon çapının tasarım değeri v

9 d Nozül çapı E Jet kolon deformasyon modülü E Özgül kinetik enerji E 0 Küçük birim deformasyondaki Young modülü E %30 70 birim deformasyondaki sekant deformasyon modülü E 50 %50 birim deformasyondaki sekant deformasyon modülü E komp Kompozit malzemenin deformasyon modülü E n Nozüldeki özgül enerji E nref Referans jet enerjisi E p Pompa çıkışındaki enerji E s Zeminin deformasyon modülü E(x) Akışkanın nozülden x mesafedeki kinetik enerjisi E (x) Birim kolon uzunluğu için nozülden x mesafedeki özgül kinetik enerji F Dolum oranı (F i A) Birim alandaki ankraj reaksiyonu FC İnce dane oranı G c Kolonun kayma deformasyon modülü G r Kayma modülü oranı G s Zeminin kayma deformasyon modülü GS Güvenlik sayısı GS up Kaldırma itkisine karşı güvenlik sayısı g Yerçekimi ivmesi H Tekil kolona etkiyen yanal yük h 1 Yeraltısuyu seviyesi altındaki kazı derinliği h 2 h 3 Tapa üzerinde bırakılan doğal zeminin kalınlığı h 3 Taban tapası kalınlığı h kazı Toplam kazı derinliği K 0 Sükunetteki yanal toprak basıncı katsayısı K G Devirsel gerilme oranı azaltım faktörü K p Pasif yanal toprak basıncı katsayısı K s Yanal toprak basıncı katsayısı L Kolon uzunluğu LI Likidite indeksi M Nozül sayısı M w Depremin moment büyüklüğü m Birim kolon uzunluğunda enjekte edilen akışkanın kütlesi MC Mohr Coulomb vi

10 N (N 1 ) 60 N c,n q, N γ N ref n g P ULS p p a p g p h p L p w Q Q a Q g Q jg Q lim Q T Q ULS Q w q q c q cref q t q u q ud q uk q u,min q u,ort q u,saha r r d S S ULS s s 0 SPT direnci %60 enerji oranı ve örtü yükü düzeltmesi yapılmış SPT değeri Terzaghi taşıma gücü faktörleri Referans SPT-N değeri Yükselme adımındaki monitorün rotasyon hızı Kolonun nihai uç direnci Pompanın enjeksiyon basıncı Hava basıncı Enjeksiyon basıncı Tekil kolonun yanal taşıma gücü kapasitesi Kolon ucundaki nihai birim uç direnci Su basıncı Akışkanın debisi Hava akış hızı Enjeksiyon akış hızı Jet bloğun ağırlığı Bloğun nihai taşıma gücü kapasitesi (kuvvet cinsinden) Kolona etkiyen eksenel yük Tekil kolonun nihai taşıma gücü kapasitesi (kuvvet cinsinden) Su akış hızı Sürşarj CPT uç direnci Referans CPT-q c değeri Çekme dayanımı Tek eksenli basınç dayanımı Tasarıma esas tek eksenli basınç dayanımı Karakteristik tek eksenli basınç dayanımı Kontrol deneylerinden elde edilen minimum karot basıncı değeri Kontrol deneylerinden elde edilen ortalama karot basıncı değeri Sahada elde edilen karot basıncı değeri Nozül eksenine dik mesafe Derinliğe bağlı rijitlik azaltma katsayısı Zemin erozyon direnci Kolonun nihai sürtünme direnci Kolonlar arası merkezden merkeze mesafe Zemin yüzeyinde kolonlar arası merkezden merkeze mesafe vii

11 t Jet perde kalınlığı V c Birim uzunluktaki kolon hacmi V g Birim uzunlukta enjekte edilen çimento şerbetinin hacmi W(x) Enjeksiyonun x mesafedeki hidrodinamik gücü w c Birim uzunlukta enjekte edilen çimento şerbetinin ağırlığı w c Su çimento (ağırlık) oranı x Nozül ekseni doğrultusunda mesafe y maks Kanopi uygulamalarındaki kolon boyu z Yüzeyden derinlik z lim Kritik derinlik (σ c = q u. t eşitliğinin geçerli olduğu derinlik) ΔH Tekil kolonun oturma miktarı Δh 1 Jet bloğun elastik oturması Δh 2 Jet bloğun altındaki zeminin oturması Δs Yükselme adımı Δt Yükselme adımı süresi Δt L L uzunluğundaki kolonun teşkil süresi Δε k Krip birim deformasyonu Λ Akışkan ile çevredeki sıvı etkileşimi parametresi Λ Etkileşim faktörü α Karakteristik karot basıncı değerine bağlı karot basıncı katsayısı α i Kolonun azimut sapma açısı β ve δ Ortalama çap hesabındaki sabit değerler β E E q u korelasyonu katsayısı β i Kolonun düşeyde sapma açısı β Kanopi uygulamalarındaki sapma açısı γ c Kolondaki kayma birim deformasyonu γ D Kolon çapı kısmi azaltma faktörü γ g Akışkanın birim hacim ağırlığı γ jg Jet enjeksiyon kütlesinin toplam birim hacim ağırlığı γ M Kolon malzemesi kısmi azaltma faktörü γ r Sismik kayma birim deformasyon oranı (= γ c γ s ) γ s Zemindeki kayma birim deformasyonu γ w Suyun birim hacim ağırlığı γ Zeminin toplam birim hacim ağırlığı γ Zeminin efektif birim hacim ağırlığı γ komp Kompozit birim hacim ağırlığı ε a Eksenel birim deformasyon Enerji verimliliği λ E viii

12 λ V Hacimsel verimlilik μ g Viskozite katsayısı ν Dalga hızı ν 0 Akışkanın nozülden çıkış (ilk) hızı ν c Akışkanın penetrasyon hızı ν L Limit hız değeri ν ort Akışkanın ortalama hızı ν r Monitörün yükselme hızı ν x,aks Akışkanın nozülden x mesafedeki akış aksı üzerindeki hızı ν x,r Akışkanın nozülden x ve r mesafedeki hızı ρ Akışkan yoğunluğu ρ g Enjeksiyon malzemesinin yoğunluğu ρ w Suyun yoğunluğu σ Standart deviasyon σ Düşey efektif gerilme σ c Çevre basınç gerilmesi yükü σ h Yanal zemin basıncı σ v0 İlk durumdaki toplam düşey gerilme σ v0 İlk durumdaki efektif düşey gerilme τ Jet enjeksiyon kolonu kayma dayanımı τ c Kolondaki kayma gerilmesi τ d Depremin yarattığı kesme gerilmesi τ L Kolon şaftı yüzeyindeki nihai birim sürtünme direnci τ s Zemindeki kayma gerilmesi τ t Taban tapası ile iksa yapısı arasındaki birim sürtünme direnci φ Kohezyonsuz zeminin kayma direnci açısı φ a Zemin duvar arayüzündeki sürtünme açısı φ jg Jet kolon malzemesinin kayma direnci açısı φ komp Kompozit kayma direnci açısı φ MC Kolon malzemesinin kayma direnci açısı (MC kriterine göre) φ s Zeminin (efektif veya toplam) kayma direnci açısı ω Rotasyon hızı ix

13

14 Jet Enjeksiyon Yöntemi Bölüm 1 JET ENJEKSİYON YÖNTEMİ 1.1. Genel Jet enjeksiyon yöntemi bir veya daha çok akışkanın (çimento şerbeti, hava, su) zemine yüksek basınç altında enjekte edilmesi esasına dayanmaktadır. Akışkanlar zemin yüzeyinden uygulama derinliğine kadar indirilmiş çelik boru üzerinde yer alan küçük çaplı bir nozülden borunun zemin yüzeyine çekilmesi aşamasında yüksek basınç altında enjekte edilmektedir. Uygulanan jet, boru eksenine dik yönde yayılmakta ve zeminle yoğrulma/parçalanma, kısmen erozyon/yüzeye taşınma ve zemin içerisine nüfuz etme (sızma) şeklinde etkileşim oluşturmaktadır. Enjekte edilen çimento şerbeti (su+çimento karışımı) zemin içerisinde zamanla hidratasyona uğramakta ve sonrasında zemin+çimentodan oluşan katılaşmış bir kütle yaratılmaktadır. Bu kütleler yaygın olarak silindirik bir geometriye sahip olup jet enjeksiyon kolonu olarak adlandırılmaktadır. Günümüzde kolon çaplarının arttırılması, mümkün olduğunca homojen kolon geometrisi ve malzemesinin oluşturulması konusunda çok sayıda araştırma yapılmakta ve patentli değişik yapım yöntemleri, ekipmanlar önerilmektedir. Jet enjeksiyon tekniğinin günümüzde zemin iyileştirme metotları arasında yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri olmasının başlıca nedenleri aşağıda sıralanmaktadır: i. Küçük bir delgi operasyonu sonrasında etrafındaki zemini örselemeden, zemin içerisinde büyük çaplı rijit kolonlar teşkil edilebilmektedir. 1

15 Genel ii. Kolonların değişik yerleşim düzeninde teşkili ile yüksek dayanımlı, geçirimsizlik elemanları (perdeler, duvarlar, şaftlar, kompozit kütleler vb.) üretilebilmektedir. iii. Gerekli olduğu durumlarda kolonlar donatılı olarak imal edilebilmekte, dolayısıyla eğilme momenti kapasitesi ve çekme dayanımı oluşturulabilmektedir. iv. Kullanılan ekipmanlar diğer yöntemlere kıyasla hafif ve küçük hacimli olduğundan, zor çevresel koşullarda uygulama yapılabilmektedir. Tipik uygulama örnekleri Şek. 1.1 de şematik olarak gösterilmektedir. (a) (b) Sızdırmazlık perdesi (c) (d) Şekil 1.1. Tipik jet enjeksiyon uygulamaları: (a) dolgu taban zemini iyileştirmeleri, (b) kazı-iksa sistemlerinde taban geçirimsizlik tapaları, (c) geçici tünel destek sistemleri ve (d) barajlarda sızdırmazlık perdeleri (Croce vd., 2014) 2

16 Jet Enjeksiyon Yöntemi 1.2. Uygulama Detayları Yöntem Jet kolon teşkilinde birbirine eklenmiş ve içerisinde tekli, ikili veya üçlü akışkan ileten borular olan tijler kullanılmaktadır. Tijin ucunda yer alan monitör üzerinde ise akışkanları yüksek basınç altında zemine enjekte edecek bir veya birden fazla küçük çaplı nozül yer almaktadır. Monitör, tijlerin ucunda kesici ucun hemen üzerine monte edilen silindirik bir tüptür. Monitörün ağzında geniş bir delik yer almakta ve delgi aşamasında bu delikten sondaj sirkülasyon sıvısı verilmektedir. Delgi işlemi sonunda bu delik monitör içerisine yerleştirilmiş bir tıkaç vasıtasıyla kapatılmakta ve jetleme işlemine geçilmektedir. Jet kolon imalatında delgi ve enjeksiyon (jetleme) uygulaması bir arada yapılmaktadır. Kullanılan delgi ekipmanı, monitörü zemin içerisinde düşey yönde ilerletebilmekte, aynı zamanda da rotasyon uygulayabilmektedir. Delgi işlemi öngörülen derinliğe kadar standart rotari veya darbeli-rotari sistemlerle yapılmaktadır. Delgilerde, monitörün ucuna monte edilen ve çapı tijlerden bir miktar daha geniş olan kesici uçlar kullanılmaktadır. Bu şekilde kuyu çeperi ile tijler arasında halka şeklinde bir boşluk oluşmaktadır. Delgi çapları genellikle 120 mm ila 150 mm genişliğinde olup, bazı özel uygulamalarda 300 mm ye kadar çıkabilmektedir. Delgi esnasında kuyu içi sirkülasyon akışkanı olarak su, hava, çimento şerbeti veya köpük kullanılmaktadır. Bu sirkülasyon akışkanları tijlerin içerisinda aşağı yönde, kuyu ile tijler arasındaki halkasal boşlukta yukarı yönde hareket etmektedir. Akışkanın yukarı yönde hareketi esnasında kesilen, ufalanan zemin parçaları yüzeye taşınmaktadır. Kuyudaki akışkan sirkülasyonu aynı zamanda kuyunun stabilizasyonunu sağlamakta ve kuyudaki olası göçmeleri önlemektedir. Delgi işlemi öngörülen derinliğe ulaştıktan sonra monitördeki bir veya daha fazla sayıdaki nozüllerden jetleme işlemine başlanmaktadır. Bu aşamada monitör döndürülerek zemin yüzeyine doğru yukarı çekilmektedir. Bu esnada yoğrulmuş, 3

17 Uygulama Detayları parçalanmış zeminin bir bölümü sirkülasyon sıvısı ile zemin yüzeyine taşınmakta, ve yüzeyde çamur kıvamında spoil olarak tanımlanan atık bir malzeme birikmektedir. Uygulama yöntemi Şek. 1.2 de gösterilmektedir. (a) (b) (c) Şekil 1.2. Jet enjeksiyon uygulama yöntemi: (a) delgi, (b) ve (c) jetleme (Croce vd., 2014) Jetleme esnasında rotasyon hızı sabit tutulmaktadır. Monitörün yukarı çekilme işlemi duraklamalı veya sabit hızla sürekli olarak yapılabilmektedir. Duraklamalı uygulamada, monitör her 40 mm veya 100 mm yukarı çekildikten sonra ulaşılan kotta bir süre bekletilmekte, bekleme süresince jetleme işlemi yapılmaktadır. Alternatif olarak monitörün sabit hızla rotasyonu ve yukarı çekilmesi esnasında sürekli jetleme işlemi yapılabilmektedir (Shibazaki, 2003). Bu yöntemde jetleme spiral bir iz takip etmektedir (Şek.1.3). Yukarıda açıklanan standart prosedürler dışında: i. ön jetleme veya ii. yukarıdan aşağıya jetleme gibi özel uygulamalar yapılabilmektedir (Sanella, 2007). Ön jetleme tekniğinde delgi aşamasında nozüllerden yüksek basınçlı su enjekte edilmektedir. Bu şekilde zemin yoğrulup parçalanmakta, özellikle sıkı kumlar ve katı/sert killer gibi erozyona karşı yüksek direnç gösteren zeminlerde, daha 4

18 Jet Enjeksiyon Yöntemi sonra uygulanan jetleme işleminin verimi arttırılmaktadır. Yukarıdan aşağıya jetleme sisteminde ise zemin yüzeyinden başlamak üzere delgi ilerlerken yüksek basınç altında çimento enjeksiyonu yapılmaktadır. Bu yöntem ön jetleme yöntemi ile bir arada yapılmakta ve atık malzeme (spoil) miktarını azaltarak jetleme işleminin verimini arttırmaktadır. 2 (a) 1 (b) Şekil 1.3. Jetleme yöntemleri: (a) duraklamalı (1: yükseltme ve 2: jetleme) ve (b) sürekli (spiral iz) (Shibazaki, 2013) Jetleme işleminin yapıldığı monitör üzerindeki nozüllerin çapı 2 mm ila 8 mm aralığındadır. Günümüzdeki uygulamalarda hidrodinamik etkilerin arttırılması amacıyla monitördeki nozül sayısının azaltılması ve mümkün olduğunca büyük çaplı nozül kullanılması eğilimi vardır. Jet enjeksiyon tekniğinde genel olarak üç değişik sistem kullanılmaktadır (Croce vd., 2014): i. Tek akışkanlı sistem ii. Çift akışkanlı sistem iii. Üç akışkanlı sistem Tek akışkanlı sistemde, zemine su+çimento karışımı sıvı monitör üzerinde yeralan bir veya daha fazla sayıda nozülden yüksek basınç altında enjekte 5

19 Uygulama Detayları edilmektedir. Bu yöntemde zeminin öğütülüp parçalanması ve çimento ile karıştırılması tek bir sıvı ile sağlanmaktadır (Şek. 1.4 (a) ve Şek. 1.5 (a)). (a) (b) (c) Su+çimento karışımı Hava Su Jet enjeksiyon Yoğrulmuş zemin Şekil 1.4. Jet enjeksiyon sistemleri: (a) tek akışkanlı sistem, (b) çift akışkanlı sistem ve (c) üç akışkanlı sistem (Shibazaki, 2013) Çift akışkanlı sistemde, tekli sistemde olduğu gibi, zemini öğütüp parçalayan ve çimentolanmayı sağlayan su+çimento karışımı (çimento şerbeti) enjeksiyon sıvısı olarak kullanılmaktadır. Ancak jetleme esnasında çimento enjeksiyonu hava jeti ile birlikte verilmektedir. Uygulanan hava jeti enerji kayıplarını azaltarak sistemin verimini arttırmaktadır (Şek (b) ve Şek. 1.5 (b)). Üç akışkanlı sistemde, zeminin öğütülüp parçalanması ve bunu takip eden çimentolanma işlemleri birbirinden ayrı kısımlarda gerçekleşmektedir. Öğütmeparçalama işlemleri monitörün üst bölgesinde yer alan nozülden uygulanan yüksek basınçlı su jeti ile sağlanmakta ve su jeti çiftli sistemde olduğu gibi hava jeti ile takviye edilmektedir. Monitörün alt bölümünde yer alan ikinci bir 6

20 Jet Enjeksiyon Yöntemi nozülden ise çimento enjeksiyonu uygulanmaktadır. Alt nozülden verilen çimento jeti sadece çimento şerbeti ile zemini karıştırmayı amaçladığından düşük basınç altında uygulanmaktadır (Şek (c) ve Şek (c)). Basınçlı hava Çimento şerbeti Su Hava Su Hava Basınçlı hava Çimento şerbeti Hava Hava Çimento şerbeti Çimento şerbeti Valf Valf Valf Kesici uç Kesici uç Kesici uç (a) (b) (c) Şekil 1.5. Monitörlerin şematik görünümleri: (a) tek akışkanlı sistem, (b) çift akışkanlı sistem ve (c) üç akışkanlı sistem (Croce vd., 2014) Jet enjeksiyon kolonları hedeflenen amaca bağlı olarak tekil kolonlar veya kesişen kolonlar olarak imal edilmektedir. Kesişen kolon imalatları birinci kolonun teşkilinden kısa bir süre sonra, priz alıp sertleşmeden, komşu kolon henüz taze olan birinci kolonu keserek inşa edilmektedir. Bu yöntem yaş kolon yaş kolon kesişimi olarak tanımlanmakta olup, ikinci kolonun imalatı esnasında birinci kolon kısmen kesilmekte ve yeniden enjeksiyonlanmaktadır (Şek. 1.6 (a)). Uygulamada henüz taze olan birinci kolonun erozyona uğrayıp yıkanmamasına dikkat edilmelidir. Alternatif olarak kolonlar, birincil (primer) ikincil (sekonder) sıralaması ile teşkil edilebilmektedir. Bu uygulamada önce birincil kolonlar imal edilip priz alarak 7

21 Uygulama Detayları sertleşmesi için gerekli süre beklendikten sonra birincil kolonlar kısmen kesilerek ikincil kolonlar teşkil edilmektedir (Şek. 1.6 (b)). Bu yöntem tek veya daha fazla sıra olarak Şek. 1.7 de gösterilen düzenlerde imal edilebilmektedir (a) P S P S P S P (b) Şekil 1.6. (a) Yaş yaş kolon kesişimi ve (b) yaş sert kolon kesişimi (P: birincil kolonlar ve S: ikincil kolonlar) P t S T t t Şekil 1.7. Farklı düzenlerde yaş sert kolon bindirmesi örnekleri (P: birincil kolonlar, S: ikincil kolonlar ve T: üçüncül kolonlar) 8

22 Jet Enjeksiyon Yöntemi Donatılandırma Gereği halinde kolonların çelik çubuk, çelik boru veya farklı malzemelerle donatılandırılmaları mümkündür. Donatılı kolonlar eğilme momenti ve çekme gerilmelerini taşıyabilmektedir. İmal edilen kolon taze iken donatılar itilerek yerleştirilmektedir. Bu işlem kısa kolonlarda kolayca uygulanabilmekte, kolon boyu arttıkça itme işleminde zorlanmalar ortaya çıkmaktadır. Alternatif olarak priz almış, sertleşmiş kolonlar delinerek donatı yerleştirilmekte, daha sonra düşük basınçlı bir dolgu enjeksiyonuyla donatı kolona sabitlenmektedir. Tünel uygulamalarında sadece çekmeye çalışan ve kolayca kesilebilen fiber donatılar kullanılmaktadır Enjeksiyon Karışımları Enjeksiyon karışımları ağırlık bazında su çimento oranı olarak (w/c) tanımlanmakta ve uygulamada bu oran 0.6 ile 1.3 aralığında değişmektedir. Yüksek w/c oranlarının zeminin erozyon (öğütüp dağıtma) potansiyelini arttırdığı, ancak düşük kolon basınç dayanımlarına neden olabileceği değerlendirilerek w/c oranları proje kriterlerine göre seçilmelidir. Genel olarak, kullanılacak çimento çeşiti ile ilgili katı sınırlamalar yoktur. Ancak zemin özellikleri ve projeye özel koşullar değerlendirilerek bazı durumlarda özel çimentoların kullanımı gerekli olmaktadır. Örneğin, hızlı priz alma koşulu arandığında Portlant çimentosu, zemin koşullarının kimyasal olarak agresif olduğu durumlarda ise puzolonik veya yüksek fırın cüruflu çimentoların kullanımı önerilmektedir Katkı Malzemeleri Enjeksiyon sıvılarında değişik katkı malzemeleri kullanılmaktadır. Örneğin, yüksek w/c oranlarında kusmayı önlemek amacıyla bentonit bulamacı; kolonun sertleşmesini hızlandırmak amacıyla kalsiyum klorür; yeraltı suyu akımı olduğu durumlarda ise kolonun yıkanmasını önlemek amacıyla priz almayı hızlandıran sodyum silikat yaygın olarak kullanılan katkı malzemeleridir. 9

23 Jet Enjeksiyon Tesisi Atık Malzeme Kontrolü Jetleme esnasında kısmen enjeksiyon sıvısı kısmen de öğütülmüş zeminden oluşan ve yüzeye taşınan çamur kıvamındaki karışım atık malzeme (spoil) olarak tanımlanmaktadır. Bu atık malzemenin miktarı imalat esnasında sürekli olarak kontrol edilmelidir. Atık malzemenin minimumda tutulması verimlilik açısından önemlidir. Diğer taraftan atık malzemenin yüzeye ulaşmaması kuyuda bir tıkanmanın veya göçmenin belirtisi olup, basınçların hızla yükselmesine zemin yüzeyinde kabarmaların oluşmasına neden olabilmektedir Jet Enjeksiyon Tesisi Her üç akışkanlı sistemde de kullanılabilecek bir tesisin şematik görünümü Şek. 1.8 de gösterilmektedir. Hava Pompa Su tankı Çimento /bentonit silosu Delgi ekipmanı Enj. depolama tankı Mikser Şekil 1.8. Jet enjeksiyon tesisi (Keller, 2016) Jet enjeksiyon tesisini oluşturan başlıca ana üniteler aşağıda sıralanmaktadır: i. Çimento silosu ii. Su tankı iii. Mikser (karıştırıcı) iv. Enjeksiyon depolama tankı v. Pompa 10

24 Jet Enjeksiyon Yöntemi vi. vii. Kompressör Delgi ekipmanı Su çimento karışım işlemleri sürekli besleme yapılabilecek şekilde ve karıştırma devir sayısı ile su/çimento miktarlarını kayıt altına alabilen, yüksek türbülanslı otomatik mikserlerle yapılmaktadır. Karıştırma işlemi sonunda enjeksiyon depolama tankına gönderilmekte, bu tankta düşük türbülansla çalkalanarak bekletilmekte, ve pompaya yönlendirilmektedir. Tesislerde m 3 /saat kapasiteli mikserlere gerek duyulmaktadır. Jet enjeksiyon uygulamalarında en önemli ekipman pompalardır. Tekli sistemlerde jetleme işleminde 50 MN/m 2 basınçlara kadar yüksek kapasiteli pompalar kullanılmaktadır. İkili ve üçlü sistemlerde de su jeti uygulaması benzer basınçlarda yapılmaktadır. Üçlü sistemde çimento enjeksiyonu için 10 MN/m 2 basınç kapasiteli pompalar yeterli olmaktadır. Hava kompresörü gücünün MN/m 2 ve hava jeti akım şiddetinin ise lt/sn aralığında olması yeterlidir Kontrol Parametreleri Jet enjeksiyon kolonlarının çapı, dayanımı ve homojenliği; temel iyileştirme parametreleri olarak adlandırılan: mekanik ekipmanın geometrik özellikleri, manevranın kinematik özellikleri ve enjeksiyon basıncı ile akışkanlık özelliklerine bağlıdır. Temel iyileştirme parametreleri Tablo 1.1 de özetlenmiştir. Uygulamada bazıları birbirine bağlı olan temel iyileştirme parametrelerinin farklı kombinasyonlarının denenmesi ve elde edilen ürünün boyutu ile kalite kontrolünün yapılması sonucunda imalatlar optimize edilir. Böylece, hangi parametre setinin uygulanacağına karar verilir. Bu parametre setinde yer alan kontrol parametreleri aşağıda sıralanmaktadır: i. Monitörün yükselme hızı, v r (mm/sn) 11

25 Kontrol Parametreleri ii. iii. iv. v r = s t Her yükselme adımında monitörün rotasyon hızı, n g (tur) (1.1) n g = ω t (1.2) Kolonun birim uzunluğu için enjekte edilen su-çimento karışım hacmi, V g (m 3 /m) V g = Q g (1.3) v r Kolonun birim uzunluğunda enjekte edilen çimento miktarı, w c (kg/m) w c = ρ gv g (1.4) 1 + w c Burada; ρ g : enjeksiyon malzemesinin yoğunludur. Tablo 1.1. Temel iyileştirme parametreleri (Croce vd., 2014) Parametre Özellik Sembol Geometrik Nozül sayısı Nozül çapı Yükselme adımı Kinematik Süre/adım Rotasyon hızı w/c oranı Enjeksiyon Akışkan basıncı * Akış hızı * M d s *Burada; g: enjeksiyon, w: su ve a: havadır. t ω w/c p g, p w, p a Q g, Q w, Q a Birim SI Birim - m m sn rad/sn - MN/m 2 m 3 /sn Pratikte Birim - mm cm sn tur/dk (rpm) - bar lt/dk Kolon imalatlarında kontrol parametreleri Tablo 1.2 deki aralıklarda değişken olarak uygulanıp deneme kolonları teşkil edilmekte ve en verimli kolon üretebilen parametre setleri belirlenmektedir. 12

26 Jet Enjeksiyon Yöntemi Tablo 1.2. Kontrol parametreleri değişim aralıkları (Croce vd., 2014) Parametre Sembol Birim Sistem Tek Akışkanlı Çift Akışkanlı Üç Akışkanlı Yükselme adımı s mm Ort.yükselme hızı v r mm/sn Rotasyon hızı ω rpm Nozül çap d mm Nozül sayısı M Enj. basıncı p g MN/m Hava basıncı p a MN/m Su basıncı p w MN/m Enj. akış hızı Q g lt/sn Hava akış hızı Q a lt/sn Su akış hızı Q w lt/sn Su/çimento 0.40 w/c oranı Özgül Enerji Kavramı Jetleme esnasında basınç altında verilen sıvının nozül dışındaki hızının yatay ve düşey eksendeki değişim paterni Şek. 1.9 da verilmektedir. Sıvı jetin, nozülden x mesafedeki hidrodinamik gücü (W(x)) ise hızın fonksiyonu olarak Bağıntı 1.5 den hesaplanabilmektedir. W(x) = ρ(v x,r ) 3 πr dr 0 = π. Λ. ρ. d3. v x (1.5) Burada; x: nozül ekseni doğrultusunda mesafe, r: nozül eksenine dik mesafe, ρ: tek ve çift akışkanlı sistemlerde enjeksiyon malzemesinin yoğunluğu (ρ g ) olup üç akışkanlı sistemlerde suyun yoğunluğu (ρ w ), v x,r : akışkanın nozülden x ve r 13

27 Özgül Enerji Kavramı mesafedeki hızı, Λ: enjekte edilen akışkanın çevredeki sıvı ile etkileşimini temsil eden birimsiz parametre ve v 0 : akışkanın nozülden çıkış (ilk) hızıdır. r x d v x,r v 0 v x,aks Şekil 1.9. Jet uygulamasında akışkanın nozülden yayılımı (Croce vd., 2014) Akışkanın nozülden x mesafedeki kinetik enerjisi, E(x) (joul cinsinden, J), ise Bağıntı 1.6 dan hesaplanabilmektedir. π. M. Λ. ρ. d 3. v 3 0. L E(x) = M. W(x) dt = (1.6) x. v r Δt L Burada; L: kolon uzunluğu ve Δt L : L uzunluğunda kolonun teşkil süresidir. Nozüldeki özgül enerji E n ise (J/m) kolonun birim uzunluğu için Bağıntı 1.7 yardımıyla hesaplanmaktadır. E n = 1 2 m. v 0 = π 2 L 8. M. ρ. d2 3. v 0 (1.7) v r Burada; m: birim kolon uzunluğunda enjekte edilen akışkanın kütlesidir ve Bağıntı 1.8 den hesaplanmaktadır. 14

28 Jet Enjeksiyon Yöntemi m = π 4 M. d 2. ρ. v 0 v r (1.8) Bağıntı 1.6 ve 1.7 kullanılarak birim kolon uzunluğu için nozülden x uzaklıktaki özgül enerji (E (x)) Bağıntı 1.9 ile ifade edilebilmektedir. Burada; E n (J/m) biriminde kullanılmalıdır. E (x) = 0.6. Λ. d x. E n (1.9) Bağıntı 1.9, E (x) E n veya x (0.6. Λ. d) koşulunda fiziksel olarak geçerli olmaktadır. Akışkanın özgül enerjisinin Bağıntı 1.7 ve 1.9 kullanılarak hesaplanması bu bağıntılardaki tüm parametrelerin tanımlanmasını gerektirmektedir. Genellikle bu durum pratik olarak mümkün olmamaktadır. Tornaghi (1989) enjeksiyon pompasındaki enerjiden akışkanın enerjisinin tahmine yönelik aşağıda açıklanan yöntemi önermektedir. Pompadaki özgül enerji Bağıntı 1.10 ile tanımlanmaktadır. Burada; E p : pompa çıkışındaki enerji, p: pompanın enjeksiyon basıncı, Q: akışkanın debisi ve v r : monitörün yükselme hızı olarak tanımlanmıştır. Akışkanın nozülden x mesafedeki enerjisi ise bağlantı borularındaki enerji kayıpları nedeniyle pompadaki enerjiden daha düşük olmaktadır (E p E n ). E p. Q p = (1.10) v r Konvansiyonel jet enjeksiyon uygulamalarındaki basınç mertebeleri ve kullanılan teknolojik detaylar için enerji kayıplarının %10 mertebesinde olduğu ifade edilmektedir (Tornaghi (1993), Flora ve Lier (2011)). Dolayısıyla, akışkanın nozül çıkışındaki özgül enerjisi Bağıntı 1.11 ile tahmin edilebilmektedir. E n = 0.9E p (1.11) 15

29 Jet Zemin Etkileşimi 1.6. Jet Zemin Etkileşimi Günümüzde değişik zeminlerde yüksek enerjili jetlerin zemin üzerindeki etkilerini yansıtan büyük ölçekli laboratuvar model çalışmaları sonuçları rapor edilmiştir. Bu çalışmalarda jetleme etkisi ile çakıllı, kumlu ve killi zeminlerde oluşan farklı mekanizmalara dikkat çekilmektedir. Bergschneider vd. (2003) jetleme sırasında erozyon mekanizmasının aşamalar halinde nasıl geliştiğini fotoğraflayabilen bir laboratuvar düzeneği geliştirmiştir. Şekil 1.10 araştırmacıların doygun olmayan kumlu bir zemindeki gözlemlerini yansıtmaktadır. İlk aşamada zemin daneleri uygulanan jet etkisi altında yerlerinden oynamakta, sürüklenmekte ve bir kavite oluşmaktadır. Sonrasında bu kavite genişleyerek jet doğrultusunda uzamaktadır. Şekil Jetleme esnasında erozyon ve kavite gelişimi mekanizması (Bergschneider vd., 2003) 16

30 Jet Enjeksiyon Yöntemi Eş zamanlı olarak kullanılan akışkan, zeminin geçirgen olması nedeniyle, oluşan kavite çevresine nüfuz etmekte ve ıslak bir bölge yaratmaktadır. Bir süre sonra jetin erozyon kapasitesi zeminin gösterdiği direnç ile dengelenmekte ve kavite genişlemesi sona ermektedir. Bu aşamadan sonra da jetin kavite bölgesi dışına bir miktar daha sızdığı gözlemlenmiştir. Bu gözlemlerde kolon teşkilindeki erozyonun: i. zemine nüfuz eden jetin zemin danelerini yerlerinden sökerek hareketlendirmesi ve ii. oluşan kavite etrafına sızan akışkan ile artan zemin boşluk suyu basıncının zemin daneleri kontağındaki bağı zayıflatması sonucu eşzamanlı olarak gelişen mekanizmalardan oluştuğu ifade edilmiştir. Yoshida vd. (1996) ve Shibazaki vd. (2003) yaptıkları laboratuvar model deneyleri ile kumlu zeminlerde jetin kesme ve erozyon kapasitesi ile ilgili bulgularını rapor etmişlerdir. Bu araştırmalarda farklı jetleme süresi, akış hızı ve uygulama basıncı değerleri ile elde edilen kesme mesafesi (kolon yarıçapı) sunulmuştur. Şekil 1.11 incelendiğinde kolon çapının artan enjeksiyon basıncı (p), artan akışkan debisi (Q) ve artan jetleme süresi ile büyüdüğü, aynı enjeksiyon basıncı uygulandığında yüksek debi koşulunda çapın etkin bir şekilde artabileceği görülmektedir. Sonuçta göreceli olarak düşük enjeksiyon basıncı (güvenli) ve büyük çaplı nozül kullanılması durumunda optimum bir kombinasyon elde edilmektedir. Şekil 1.12, kolon çapının akışkanın debisi (akış hızı) ile enjeksiyon basıncının fonksiyonu olduğu, aynı kolon çapının değişik debi-basınç kombinasyonları ile elde edilebileceğini yansıtmaktadır. Bu nedenle, düşük basınç yüksek debi alternatifi daha az riskli olacağından tercih edilmelidir. İnce daneli, kohezyonlu ve az geçirimli zeminlerde jetleme esnasında zeminin dağılıp yoğrulması kohezyonsuz zeminlere oranla daha etkin olmaktadır. Diğer taraftan bu tür zeminlere enjeksiyon sıvısının nüfuz etmesi güçleşmekte, çoğunlukla da mümkün olamamaktadır. Dolayısıyla kolon teşkilinde etkin tek mekanizma zeminin yoğrularak enjeksiyon malzemesi ile karıştırılmasıdır. 17

31 Enjeksiyon basıncı (kgf/cm 2 ) Jetleme süresi (sn) Jet Zemin Etkileşimi p=27 MPa ve Q=75 lt/sn p=37 MPa ve Q=75 lt/sn p=47 MPa ve Q=75 lt/sn p=27 MPa ve Q=150 lt/sn p=37 MPa ve Q=150 lt/sn p=47 MPa ve Q=150 lt/sn p=27 MPa ve Q=300 lt/sn p=37 MPa ve Q=300 lt/sn p=47 MPa ve Q=300 lt/sn Kolon yarıçapı veya kesme mesafesi (cm) Şekil Farklı enjeksiyon basınç, debisi ve jetleme süreleri için elde edilen kolon yarıçapları (Yonekura ve Shibazaki, 1996) 600 Kolon yarıçapı (cm) Eşit jet enerjisi Debi (cm 3 /sn) Şekil Sabit bir jetleme süresi için enjeksiyon basıncı, debisi ve kolon yarıçapı ilişkisi (Yonekura ve Shibazaki, 1996) 18

32 v L (m/sn) v c (mm/dk) Jet Enjeksiyon Yöntemi Dabbagh vd. (2002) yaptıkları deneysel çalışmalar sonucunda kolon teşkilinde akışkanın penetrasyon hızının (v c ), akışkanın ortalama hızı (v ort ) ile bir limit hız değeri (v L ) arasındaki farkın fonksiyonuna bağlı olduğunu göstermişlerdir (Şek (a)). Burada; v L : zeminin kesilebilmesi için gerekli minimum akışkan hızı olarak tanımlanmıştır. Bu hızın değeri Şek (b) de gösterildiği gibi zeminin drenajsız kayma dayanımının bir fonksiyonudur v ort : ortalama jet hızı v L : limit hız v c : penetrasyon hızı (v ort v L ) v L (a) c u (kpa) (b) Şekil (a) Penetrasyon hızı-limit hız ilişkisi ve (b) limit hız-drenajsız kayma dayanımı ilişkisi (Dabbagh vd., 2002) 19

33 Jet Zemin Etkileşimi Özet olarak, kolon teşkilinde zeminin dane dağılımı özelliklerine bağlı olarak üç mekanizma etkili olmaktadır: i. sızma, ii. erozyon ve iii. kesme (Croce vd., 2014). Kumlu çakıl ve çakıl zeminlerde en etkili mekanizma erozyon olarak ortaya çıkmaktadır (Şek (a)). Bu tip zeminlerde oluşturulan kolonlardaki malzeme kompozisyonu oldukça homojendir. Büyük kolon çapları üretmek için yüksek özgül enerji kullanılması, diğer bir deyişle nozül çapının büyütülmesi ve akışkan debisinin arttırılması gereklidir. Bu zeminlerde jetleme süresinin arttırılması pek etkili olmamaktadır. Ancak, temiz çakıllarda akışkanın zemine sızması da kolon teşkiline katkıda bulunmakta, bu özel zemin koşulunda enjeksiyon basıncının veya debinin arttırılması yerine jetleme süresinin uzun tutulması verimi arttırmaktadır. Kum, çakıllı kum ve siltli kum zeminlerde danecikler göreceli olarak küçüktür ve jetin zemin danelerini yerinden sökme ve sürükleme mekanizması etkin değildir (Şek (b)). Dolayısıyla, bu tür zeminlerde en etkin mekanizma erozyondur (Croce vd., 2014). Kolon malzemesi homojendir. Kolon çapının arttırılması için yüksek debi ve büyük nozül çapı kullanılarak özgül enejinin arttırılması yeterli olmaktadır. Silt, kumlu silt ve kil zeminlerde toprağın parçalanması (kesilmesi/yoğurulması) hakim mekanizma olup, kolon malzemesini homojenliğinin arttırılması için aynı derinlikten jetlemenin birkaç kez tekrarı gerekmektedir (Şek.1.14 (c)). 20

34 Jet Enjeksiyon Yöntemi (a) Sızma (b) Erozyon (c) Kesme Şekil Jet zemin etkileşim mekanizmaları: (a) sızma, (b) erozyon ve (c) kesme/yoğurulma (parçalama) (Croce vd., 2014) 1.7. Kolon Özellikleri Jet enjeksiyon ön tasarım aşamasında kolon çapı, kolon malzemesinin dayanım ve deformasyon parametrelerinin mertebe olarak bilinmesi gerekmektedir. Bu parametreler zemin özellikleri ve uygulama yerleşim düzenine bağlı olarak değişebilmektedir. Literatürde geçmişteki deneysel/gözlemsel bulgulardan yararlanılarak jet enjeksiyon kolon çapı ve mekanik özellikleri ile ilgili ampirik kriterler veya korelasyonlar yer almaktadır. Ayrıca, enerji prensipleri kullanılarak yarı ampirik bağıntılar da önerilmektedir. Bu bölümde kolon çapı ve kolon malzemesinin mekanik özelliklerinin belirlenmesine yönelik kriterler özetlenmektedir. 21

35 Kolon Özellikleri Verimlilik Jet enjeksiyon uygulamalarında verimlilik kolonun birim uzunluğundaki hacminin (V c, m 3 /m) uygulamanın özgül kinetik enerjisine (E ) oranı olarak tanımlanmaktadır. Özgül kinetik enerjiye alternatif olarak kolonun birim uzunluğu için enjekte edilen akışkanın hacmi (V g, m 3 /m) de kullanılmaktadır. Bu parametreler kullanılarak Bağıntı (1.12) ve (1.13) ten enerji verimliği (λ E ) ve hacimsel verimlilik (λ V ) değerleri hesaplanmaktadır. Bu değerler genel olarak verimlilik parametreleri olarak tanımlanmıştır. Enerji verimliliğinin tersi ise (1 λ E ) hacimsel özgül enerji olarak tanımlanmaktadır (Tornaghi ve Pettinaroli, 2004). λ E (m 3 MJ) = V c E (1.12) λ V = V c V s (1.13) Yukarıda tanımlanan iki verimlilik parametresi arasında Bağıntı 1.14 te verilen ilişki geçerli olmaktadır. λ E = 1 p λ V (1.14) Nozüldeki enerji dikkate alındığında ise Bağıntı 1.15 teki ilişki geçerli olmaktadır. λ E = 1 2 λ V (1.15) v γ ort g 2g Burada; γ g : akışkanın birim hacim ağırlığıdır. Oluşturulacak bir kolon için verimlilik değerinin büyük olması düşük bir enerjiye karşılık gelmekte olup, daha az akışkanın enjekte edilmesi ve daha ekonomik bir uygulama olması anlamına gelmektedir. Şekil 1.15 te jet verimliliği ile zemin gradasyonu arasındaki korelasyon gösterilmektedir. İri daneli zeminler kolayca erozyona uğramakta ve uygulama verimliliği yüksek olmaktadır. Bu nedenle, bu tip zeminlerde büyük çaplar 22

36 Jet Enjeksiyon Yöntemi oluşturulabilmektedir. İnce daneli zeminlerde ise verimlilik değeri, iri daneli zeminlerdeki verimliliğinin üçte biri mertebesine düşmekte, dolayısıyla göreceli olarak küçük kolon çapları elde edilmektedir λ E İri daneli (temiz) İri daneli (ince dane içerikli) İnce daneli Ortalama çap, D ort (m) İri daneli (temiz) İri daneli İnce daneli (ince dane içerikli) Şekil Tek akışkanlı jet enjeksiyon uygulamalarında saha denemelerinden elde edilen enerji verimliliği çap ilişkisi (Flora vd., 2013) Tek ve çift akışkanlı sistemlerde geçerli olan enerji verimlilik (λ E ) ve hacimsel özgül enerjinin (1 λ E ) tipik değerleri Tablo 1.3 ve 1.4 te verilmektedir. Tablo 1.3. Farklı zeminler için tek akışkanlı jet sistemlerde enerji verimliliği ve hacimsel özgül enerji tipik değerleri (Flora ve Lirer, 2011) Zemin Enerji verimliliği, λ E (m 3 /MJ) Kumlu çakıl Çakıllı kum siltli kum Kumlu silt killi silt (düşük kıvamlı) Kumlu silt killi silt (yüksek kıvamlı) < > 50 Hacimsel özgül enerji, 1 λ E (MJ/m 3 ) 23

37 Kolon Özellikleri Tablo 1.4. Farklı zeminler için çift akışkanlı jet sistemlerde enerji verimliliği ve hacimsel özgül enerji tipik değerleri (Flora ve Lirer, 2011) Zemin Enerji verimliliği, λ E (m 3 /MJ) Hacimsel özgül enerji, 1 λ E (MJ/m 3 ) Çakıllı kum siltli kum Kumlu silt killi silt (düşük kıvamlı) Kumlu silt killi silt (yüksek kıvamlı) Kolon Çapı < > 40 Jet enjeksiyon uygulamalarında elde edilecek kolon çapı aşağıdaki parametrelere bağlıdır: i. Enjeksiyon Tekniği: Tek, çift veya üç akışkanlı uygulamalar ii. Uygulama Parametreleri: Nozül çapı ve adedi, enjeksiyon basıncı, akış hızı (debi), monitörün yükselme hızı ve akışkanın karışım kompozisyonu Literatürde kolon çapı ile zemin türü, SPT direnci veya CPT direnci arasında verilmiş korelasyonlardan elde edilebilecek kolon çapları verilmektedir. Örneğin, Tablo 1.5 te enjeksiyon tekniği ve zemin cinsine bağlı olarak elde edilebilecek kolon çapları verilmiştir. Tablo 1.5. Jet kolonlar için tipik ortalama çap değerleri (Croce vd., 2014) Jetleme Sistemi Ortalama kolon çapı (m) Orta katı Yumuşak kil silt ve kil Siltli kum Kum ve/veya çakıl Tek akışkanlı Önerilmez Çift akışkanlı Üç akışkanlı

38 Jet Enjeksiyon Yöntemi Uygulamada ise kolon çapları farklı uygulama parametre setleri ile imal edilen deneme kolonlarının çapları ölçülmekte ve uygulama parametrelerinin en verimli kombinasyonu belirlenmektedir. Deneme kolonları uygulamasından bir örnek Şek da gösterilmektedir. Şekil Deneme kolonları uygulamasından örnekler 25

39 Ortalama kolon çapı, D ort (m) Kolon Özellikleri Ön proje aşamasında zemin özelliklerinin ayrıntılı olarak bilinmediği durumlarda uygulama verimliliği kavramları kullanılarak elde edilebilecek ortalama kolon çapları (D ort ) Bağıntı 1.16 kullanılarak tahmin olunmaktadır. D ort = p. V g. λ E (1.16) Burada; p: enjeksiyon pompasındaki basınç değeri (MN/m 2 ), V g : birim kolon uzunluğunda enjekte edilen akışkan hacmi (m 3 /m) ve λ E : enerji verimliliğidir (m 3 /MJ). Enerji verimliliği değeri zemin cinsine bağlı olarak Tablo 1.3 ve 1.4 ten alınmaktadır. Bu bağıntıda zemin özellikleri ve uygulama parametrelerinin kolon çapına etkisi λ E değeri ile yansıtılmaktadır. Bağıntı 1.16 da sunulan D ort λ E V g ilişkisi p = 40 MPa için Şek de de abak şeklinde gösterilmektedir λ E =0.150 λ E =0.125 λ E =0.100 λ E =0.075 λ E =0.050 λ E = Birim kolon uzunluğunda enjekte edilen akışkan hacmi, V g (m 3 /m) Şekil Farklı enerji verimliliği değerleri ve p = 40 MPa için birim kolon uzunluğunda enjekte edilen akışkan hacmi (V g ) ortalama kolon çapı (D ort ) ilişkisi (Croce vd., 2014) 26

40 Jet Enjeksiyon Yöntemi Flora vd. (2013) kolon çapının tahminine yönelik başka bir yöntem önermiştir. Bu yöntem, kolon çapının uygulanan jet enjeksiyon basıncı ile doğru orantılı, zeminin erozyona karşı direnciyle ise ters orantılı olduğu esasına dayanmaktadır. Bu kriter Bağıntı 1.17 ile ifade edilmektedir. D ort E (x) β. S δ (1.17) Burada; D ort : ortalama kolon çapı, E (x): uygulanan jetin özgül kinetik enerjisi ve S: zeminin erozyon direncini temsil eden, granüler zeminlerde SPT, kohezyonlu zeminlerde ise CPT direncine bağlı olarak hesaplanan bir parametredir. Bağıntı 1.17 deki iki üs (β ve δ) ise sabit değerler olup arazi gözlem verilerinden türetilen parametrelerdir. Arazi gözlemleri dikkate alınarak yapılan istatistiksel değerlendirmelerde referans SPT-N direnci (SPT-N ref = 10), referans CPT direnci (q cref = 1.5 MN/m 2 ) ve uygulanan referans jet enerjisi (E nref = 10 MJ/m) koşullarında oluşabilecek referans kolon çapları (D ref ) önerilmiştir. Bu değerlendirmeler sonucunda kolon çaplarının tahminine yönelik ince daneli zeminler ve iri daneli zeminler için sırasıyla, Bağıntı 1.18 ve 1.19 önerilmektedir. Burada; E n MJ/m ve q c ise MN/m 2 biriminde kullanılmalıdır. D ort = D ref. ( α E. Λ. E n 75 D ort = D ref. ( α E. Λ. E n 75 β ). ( q δ c 1.5 ) β ). ( N δ 1.5 ) (1.18) (1.19) Burada; Λ : birimsiz etkileşim faktörü olup üç akışkanlı sistemde Λ = 16, tek ve çift akışkanlı sistemlerde sırasıyla çimento su oranının c w = 0.75, 1.00 ve 1.25 değerleri için sırasıyla Λ = 9.0, 7.5 ve 6.0 yaklaşık değerleri kullanılmaktadır. Değişik zeminlerde oluşturulabilecek referans kolon çapları, β, δ ve α E sabitleri değerleri ise Tablo 1.6 da verilmektedir (Croce vd., 2014). 27

41 Kolon Özellikleri Bu yaklaşımlar sonucu ortalama kolon çapının ön tasarım aşamasındaki tahminine yönelik tek, çift ve üç akışkanlı sistemler için türetilen tasarım abakları sırasıyla Şek. 1.18, 1.19 ve 1.20 de verilmiştir (Croce vd., 2014). Tablo 1.6. Bağıntı 1.18 ve 1.19 daki D ref, β, δ ve α E için deneysel veriler sonucunda önerilen değerler (Croce vd., 2014) Zemin Tipi İri daneli İnce daneli Temiz (FC<%5) İnce dane içerikli (FC>%5) ASTMD2487 Tanımı Çakıllar ve kumlar (GW-GP-SW- SP) Çakıllar ve kumlar (GM-GC-SM- SC) Silt, kil ve organik zeminler (CL-ML-OL-CH- MH-OH-Pt) D ref (m) β δ α E (Tek akışkanlı sistem α E (Çift ve üç akışkanlı sistem Bu abaklardan elde edilecek ortalama kolon çapı (D ort ) değerinin tasarımda %80 inin, D tas = 0.80 D ort, esas alınması önerilmektedir (Croce vd. 2014). 28

42 E n (MJ/m) E n (MJ/m) E n (MJ/m) Jet Enjeksiyon Yöntemi 1000 D ort = D D=1.4 m D=1.2 m D=1.0 m D=0.8 m D=0.6 m 0.1 İri daneli (temiz) SPT-N (a) 1000 D=1.4 m D=1.2 m 100 D=1.0 m D=0.8 m 10 D=0.6 m 1 İri daneli (ince dane içerikli) SPT-N 25 (b) 1000 D=1.4 m D=1.2 m D=1.0 m D=0.8 m 100 D=0.6 m 10 1 İnce daneli q c (MPa) (c) Şekil Tek akışkanlı sistemlerde D ort E n saha deneyleri dirençleri arasındaki ilişki (a) temiz iri daneli zeminler, (b) ince dane içerikli iri daneli zeminler ve (c) ince daneli zeminler için (Croce vd., 2014). 29

43 E n (MJ/m) E n (MJ/m) E n (MJ/m) Kolon Özellikleri D ort = D D=2.4 m D=2.0 m D=1.6 m D=1.2 m D=0.8 m 0.1 İri daneli (temiz) SPT-N (a) D=2.4 m D=2.0 m D=1.6 m D=1.2 m D=0.8 m 0.1 İri daneli (ince dane içerikli) SPT-N (b) D=2.0 m D=1.6 m 1000 D=1.2 m 100 D=0.8 m 10 1 İnce daneli q c (MPa) (c) Şekil Çift akışkanlı sistemlerde D ort E n saha deneyleri dirençleri arasındaki ilişki (a) temiz iri daneli zeminler, (b) ince dane içerikli iri daneli zeminler ve (c) ince daneli zeminler için (Croce vd., 2014) 30

44 E n (MJ/m) E n (MJ/m) E n (MJ/m) Jet Enjeksiyon Yöntemi D ort = D D=2.5 m D=2.0 m D=1.5 m D=1.0 m İri daneli (temiz) SPT-N (a) 1000 D=2.5 m D=2.0 m D=1.5 m 10 D=1.0 m 1 İri daneli 0.1 (ince dane içerikli) SPT-N 1000 D=2.5 m D=2.0 m (b) D=1.5 m 100 D=1.0 m 10 1 İnce daneli q c (MPa) (c) Şekil Üç akışkanlı sistemlerde D ort E n saha deneyleri dirençleri arasındaki ilişki (a) temiz iri daneli zeminler, (b) ince dane içerikli iri daneli zeminler ve (c) ince daneli zeminler için (Croce vd., 2014) 31

45 Kolon Özellikleri Jet Kolonların Dayanımı Jet enjeksiyon kolonların kayma dayanımı efektif gerilmeler cinsinden Mohr- Coulomb kriterine göre Bağıntı (1.20) ile ifade edilebilmektedir. τ = c MC + σ. tan(φ MC ) (1.20) Bu bağıntıdaki iki parametre c MC ve φ MC kolon malzemesinin kohezyonu ve kayma direnci açısı olarak tanımlanmıştır. Kayma dayanımına gerilme mertebesi etkisinin ihmal edilmesi durumunda Tresca modeline göre kayma dayanımı tek bir parametre ile Bağıntı 1.21 deki gibi ifade edilebilmektedir. τ = c T (1.21) Bu iki yenilme kriteri Bağıntı 1.22 deki gibi ilişkilendirebilmektedir. c T = c MC. tan (45 + φ MC 2 ) (1.22) Bu bağıntıların grafiksel gösterimi Şek de verilmektedir. τ φ MC c T τ = c T = q u 2 c MC Şekil Jet enjeksiyon malzemesinde kullanılan yenilme kriterleri σ Çeşitli araştırmacılar tarafından rapor edilmiş Mohr-Coulomb kohezyon ve kayma direnci açıları Tablo 1.7 de özetlenmektedir. 32

46 Jet Enjeksiyon Yöntemi Tablo 1.7. Farklı çalışmalarda elde edilen Mohr-Coulomb parametreleri Kaynak Zemin Tipi φ MC ( ) c MC (MN/m 2 ) Bzowka (2009) Kumlu Croce ve Flora (1998) Siltli Kum Mongiovi vd. (1991) Çakıl Mongiovi vd. (1991) Çakıl Mitchell ve Katti (1981) Kil Yahiro vd. (1982) Kum ve kil Miki (1982) Çeşitli Yu (1994) Kil siltli kum Fang vd. (1994a) Siltli kum Fang vd. (1994b) Kil siltli kum Fang ve Chung (1997) Kil ve siltli kum Fang vd. (2004) Silt ve kum Nikbakhtan ve Osanloo (2009) Kil ve kum Kil ve kum Bu değerler incelendiğinde iyileştirilmiş zeminin kayma direnci açısı ile iyileştirme öncesi doğal zemininki arasında bir korelasyonun olmadığı sonucuna varılmaktadır. Bu durum doğal zeminin yapısının jetleme esnasında önemli ölçüde erozyona uğraması ve malzeme yapısının bozulması sonucu olarak yorumlanabilir. Jet kolon malzemelerinin yüksek kohezyonlu ve göreceli olarak düşük zemin örtü yükleri altında olduğu dikkate alındığında kayma direncinin ağırlıklı olarak kohezyon değerinden teşkil olduğu gerçeği ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle pratikte jet kolon malzemelerinin kayma dayanımı tek eksenli basınç dayanımı değeri ya da bu değerin yarısı olan drenajsız kayma dayanımı kullanılarak elde edilmektedir. Birçok araştırmacı elde ettikleri deneysel verileri değerlendirerek değişik zemin türlerinde imal eilen jet enjeksiyon kolonlarında beklenen tek eksenli basınç dayanımı (karot basıncı) değerleri için muhtemel aralıklar önermişlerdir. 33

47 Kolon Özellikleri Hayward Baker (2010) tarafından önerilen karot basınç dayanımları Şek de verilmiştir. psi (MN/m 2 ) 1500 (10.34) Tek eksenli basınç dayanımı, q u 1250 (8.61) 1000 (6.89) 750 (5.17) 500 (3.44) 250 (1.72) 0 Kumlar ve çakıllar Siltler ve siltli kumlar Killer Organik siltler ve turba Yaş (gün) Şekil Değişik zeminlerdeki jet kolonlarda elde edilebilecek tek eksenli karot basınç dayanımları (Hayward Baker, 2010) Japon Jet Enjeksiyon Birliği (The Japan Jet Grouting Association) kumlu ve killi zeminlerde karot basınç dayanımı değerleri için Şek te verilen histogramları önermektedir. Durgunoğlu (2004) Tablo 1.8 de verilen karot basınç dayanımı değerlerini önermektedir. Fiorotto (2000) Şek te değişik zeminlerde elde edilebilecek karot basınç dayanımı değerlerini enjekte edilen çimento miktarına bağlı olarak vermektedir. 34

48 q u (MN/m 2 ) Sayı Sayı Jet Enjeksiyon Yöntemi Tek eksenli basınç dayanımı (MN/m 2 ) Kumlu zeminler için Tek eksenli basınç dayanımı (MN/m 2 ) Killi zeminler için Şekil Kumlu ve killi zeminlerde elde edilen karot tek eksenli basınç dayanımları (Essler ve Shibazaki, 2005) Tablo 1.8. Zemin cinsine göre jet kolon karotu tek eksenli basınç dayanımı ve modül oranı (Durgunoğlu, 2004) Zemin Cinsi Serbest Basınç Dayanımı, q u (MPa) Kil Silt Kum Çakıl * : %40 gerilme seviyesine karşılık gelen modül 20 N (sayı) = 542 xഥ (ortalama) = N (sayı) = 133 xഥ (ortalama) = 2.8 Modül oranı, E q * u Kum ve çakıl Siltli Kum Silt 5 Siltli Kil Kil Kolonun birim hacimindeki çimento ağırlığı (kn/m 3 ) Şekil Çimento birim hacim ağırlığına bağlı jet kolon karotu tek eksenli basınç dayanımı (Fiorotto, 2000) 35

49 Kolon Özellikleri Stoel (2001) değişik zeminlerde elde edilebilecek karot basınç dayanımlarının alt ve üst limitleri için Tablo 1.9 daki değerleri önermiştir. Tablo 1.9. Farklı zemin türlerinde elde edilebilecek jet enjeksiyon karotlarında ortalama tek eksenli basınç dayanımları (Stoel, 2001) Zemin Tipi q c (MN/m 2 ) Alt Limit Üst Limit Turba 1 6 Kil 3 7 Silt 5 15 Kum Çakıl Rodio (1983) ıslak kumlu çakıllarda çimento/su oranı ile karot basıncı arasında Bağıntı 1.23 teki ilişkiyi önermiştir. (c w) = 0.135(q u ) 0.5 (1.23) Burada; (c w): çimento/su oranı ve q u : karot basınç dayanımı (kg/cm 2 ) olarak tanımlanmıştır. Kauschinger vd. (1992), Boston Mavi Killeri ndeki jet enjeksiyon uygulamalarında karot basıncı ile su/çimento (c w) oranı arasında Şek te gösterilen korelasyonu önermişlerdir. Stoel (2001) kumlu ve killi zeminlerde karot tek eksenli basınç dayanımı ile su/çimento oranı arasında Bağıntı 1.24 teki korelasyonları önermiştir. Kumlu Zeminlerde: q u (MN m 2 ) = (w c) (1.24a) Killi Zeminlerde: q u (MN m 2 ) = (w c) (1.24b) Stoel (2001) jet enjeksiyon kolonlarının çekme ve basınç dayanımları arasında Şek ve 1.27 de gösterilen veya Bağıntı 1.25 ile de ifade edilebilen korelasyonları önermektedir. Burada; q t : çekme dayanımı ve q u : tek eksenli basınç dayanımı olup her ikisi de MN/m 2 cinsindendir. 36

50 Çekme dayanımı, q t (MN/m 2 ) Tek eksenli basınç dayanımı, q u (kg/cm 2 ) Jet Enjeksiyon Yöntemi Kumlu Zeminlerde: q t = 0.3(q u ) 0.6 (1.25a) Killi Zeminlerde: q t = 0.4(q u ) 0.3 (1.25b) Su/çimento oranı, (w c) Şekil Boston Mavi Killeri nde su/çimento oranı ile karot basıncı ilişkisi (Kauschinger vd., 1992) w c=1.0 w c=1.2 w c= q t = 0.3(q u ) Basınç dayanımı, q u (MN/m 2 ) Şekil Kumlu zeminlerdeki jet kolonlar için q t ve q u ilişkisi (Stoel, 2001). 37

51 Çekme dayanımı, q t (MN/m 2 ) Kolon Özellikleri w c=1.0 w c=1.2 w c=0.8 q t = 0.4(q u ) Basınç dayanımı, q u (MN/m 2 ) Şekil Killi zeminlerdeki jet kolonlar için q t ve q u ilişkisi (Stoel, 2001) Deformasyon Modülü Jet enjeksiyon kolon malzemelerinin gerilme-deformasyon davranışları doğrusal olmayıp, birim deformasyon seviyeleri arttıkça deformasyon modüllerinde önemli azalmalar izlenebilmektedir. Bu davranışı yansıtan deneysel bulgular Şek ve 1.29 da gösterilmektedir. Pratikte jet enjeksiyon kolon malzemesinin yüksek birim deformasyon seviyelerinde deformasyon modülü (%50 sekant modülü) değerleri karot basınç dayanımı ile Bağıntı 1.26 daki gibi ilişkilendirilmektedir. E 50 = β E q u (1.26) Burada; β E : korelasyon katsayısı olup Croce vd. (2014) tarafından bu değerin literatürde Tablo 1.10 da verilen aralıklarda değişebileceği ifade edilmektedir. 38

52 Deformasyon modülü, E (MN/m 2 ) E 0 (GN/m 2 ) Jet Enjeksiyon Yöntemi E 50 (GN/m 2 ) Şekil Büyük birim deformasyondaki Young modülü (E 50 ) ile küçük birim deformasyondaki Young modülü (E 0 ) arasındaki ilişki (Fang vd., 2004) Eksenel birim deformasyon, ε a (%) Şekil Deformasyon modülünün eksenel birim deformasyona bağlı azalması (Croce vd., 2001) Stoel (2001) Şek ve 1.31 deki veri tabanını kullanarak Young Modülü ile karot basınç dayanımı arasında Bağıntı 1.27 deki korelasyonu önermektedir. Kumlu Zeminlerde: E = 800(q u ) 1 2 (1.27a) Killi Zeminlerde: E = 500(q u ) 2 3 (1.27b) 39

53 Sekant modülü, E (MN/m 2 ) Kolon Özellikleri Burada; E : basınç dayanımının %30 70 birim deformasyon mertebesindeki sekant modülüdür. Tablo Değişik zeminlerde imal edilmiş jet kolonları malzemesinin Young modülü (E) ile tek eksenli basınç dayanımı arasındaki ilişkiler Kaynak E tanımı ZeminTipi β E Mongiovi vd. (1991) Teğet (ε belirtilmemiş) Çakıl Lunardi (1992) Sekant (%40q u da) Çakıl ve kum Nanni vd. (2004) Teğet (ε belirtilmemiş) Çakıl ve kum Croce vd. (1994) Teğet (ε belirtilmemiş) Kumlu çakıl Croce ve Flora (1998) Sekant (ε a =%0.01 de) Siltli kum Nanni vd. (2004) Teğet (ε belirtilmemiş) Siltli kum Fang vd. (2004) Teğet (%50q u da) Siltli kum Fang vd. (2004) Teğet (%50q u da) Siltli kum, siltli kil Lunardi (1992) Sekant (%40q u da) Silt ve kil E = 800(q u ) 1 2 w c=1.0 w c=1.2 w c= Karot basınç dayanımı, q u (MN/m 2 ) Şekil Kumlu zeminlerdeki jet kolonlar için E ve q u ilişkisi (Stoel, 2001) 40

54 Karot basınç dayanımı, q u (kg/cm 2 ) Sekant modülü, E (MN/m 2 ) Jet Enjeksiyon Yöntemi E = 500(q u ) w c=1.0 w c=1.2 w c= Karot basınç dayanımı, q u (MN/m 2 ) Şekil Killi zeminlerdeki jet kolonlar için E ve q u ilişkisi (Stoel, 2001) Kauschinger vd. (1992), Boston Mavi Killeri nde yapılan deneylerden elde edilen karot basınç dayanımı ile deformasyon modülü ilişkisini Şek de vermektedirler Deformasyon modülü, E (kg/cm 2 ) Şekil Boston Mavi Killeri nde deformasyon modülü ile karot basıncı ilişkisi (Kauschinger vd., 1992) 41

55 Kaynaklar 1.8. Kaynaklar Bergschneider, B. ve Walz, B. (2003). Jet Grouting: Range of the Grouting Jet, editörler Vanicek vd., Proceedings of the 13th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering: Prag, Çek Cumhuriyeti: Czech Geotechnical Society: syf: Bzowka, J. (2004). Computational Model for Jet Grouting Pile - Soil Interaction, Studia Geotechnica et Mechanica, Vol. XXVI, No Croce, P., Gajo, A., Mongiovì, L. ve Zaninetti, A. (1994). Una Verifica Sperimentale Degli Effetti Della Gettiniezione, Rivista Italiana di Geotecnica 2: syf.: [İtalyanca]. Croce, P. ve Flora, A. (1998). Effects of Jet Grouting in Pyroclastic Soils Rivista Italiana di Geotecnica 2: syf.: Croce, P., Flora, A. ve Modoni, G. (2014). Jet Grouting Technology, Design and Control, CRC Press: Taylor & Francis Group. Dabbagh, A. A., Gonzalez, A. S. ve Peña, A. S. (2002). Soil Erosion by a Continuous Water Jet Soils and Foundations, 42(5): syf: Durgunoğlu, H. T. (2004). Yüksek Modüllü Kolonların Temel Mühendisliğinde Kullanımı, Altıncı Ord. Prof. Dr. Ing. Hamdi Peynircioğlu Konferansı. Essler, R. D. ve Shibazaki (2005). Jet Grouting Chapter, Ground Improvement, 2nd Edition 2005 published Taylor & Francis. Fang, Y. S., Liao, J. J. ve Lin, T. K. (1994). Mechanical Properties of Jet- Grouted Soilcrete, Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology 27: syf.:

56 Jet Enjeksiyon Yöntemi Fang, Y. S., Liao, J. J. ve Sze, S. C. (1994). An Empirical Strength Criterion for Jet Grouted Soilcrete, Engineering Geology 37: syf.: Fang, Y. S. ve Chung, Y. C. (1997). Jet Grouting for Shield Tunelling in Taipei, Proceedings of the International Conference on Ground Improvement Techniques, Macau, People s Republic of China, May 6 8, 1997: syf.: Fang, Y. S., Kuo, L. Y. ve Wang, D. R. (2004). Properties of Soilcrete Stabilized with Jet Grouting, Proceedings of the 14th International Offshore and Polar Engineering Conference, Toulon, France, May 23 28, 2004: syf.: Flora, A., Lirer, S. ve Monda, M. (2012). Probabilistic Design of Massive Jet- Grouted Water Sealing Barriers, editörler. Johnsen, L. F., Bruce, D.A. ve Byle, M.J., ASCE Proceedings of the 4th International Conference on Grouting and Deep Mixing 2: syf: Flora, A., Modoni, G., Lirer, S. ve Croce, P. (2013). The Diameter of Single-, Double-, and Triple-Fluid Jet Grouting Columns: Prediction Method and Field Trial Results, Géotechnique 63(11): syf: Hayward Baker Company (2010), Katalog. Kauschinger vd. (1992). Methods to Estimate Composition of Jet Grout Bodies, ASCE GSP. No. 30, syf: Keller Holding GmbH-Germany (2016). Katalog. Lunardi, P. (1992). Il Consolidamento del Terreno Mediante Jet Grouting, Quarry and Construction, March 1992: syf.: [İtalyanca]. Miki, G. (1982). The Newest Techniques on Chemical Grouting and Jet Grouting, Proceedings of the Symposium on Recent Development in 43

57 Kaynaklar Ground Improvement Techniques, Bangkok, Thailand, November 29 December 3, 1982: syf.: Mitchell, J. K. ve Katti, R. K. (1981). Soil improvement, State-of-the-art Report, Proc. of the X Int. Conf. Soil Mechanics and Found. Eng., Stockholm, Vol. 4, Balkema, Rotterdam, June 1981: syf.: Mongiovì, L., Croce, P. ve Zaninetti, A. (1991). Analisi Sperimentale di un Intervento di Consolidamento Mediante Gettiniezione, Proceedings of the 2nd National Conference of the Researchers of Geotechnical Engineering: syf.: [İtalyanca]. Nanni, E., Oberhuber, J. ve Froldi, P. (2004). L utilizzo Della Metodologia Jet Grouting per l ampliamento e la Ristrutturazione di edifici Esistenti (in ambito urbano), Proceedings of the 22nd National Geotechnical Conference, Palermo, Italy, September 2004, Associazione Geotecnica Italiana: syf.: [İtalyanca]. Nikbakhtan, B. ve Osanloo, M. (2009). Effect of Grout Pressure and Grout Flow on Soil Physical and Mechanical Properties in Jet Grouting Operations, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 46: syf.: Rodio, C. (1983). Jet Grouting Test Results at Varallo Pompia Rodin Jet Trial Field Rodio Internal Repor,No: L3052. Sanella, A. (2007). Soil Improvement Process Using Jet Grouting, European Patent EP: A1. Shibazaki, M. (2003). State of Practice in Jet Grouting, Proc.3rd. Int. Conf. of Grouting in Geotechnical Engineering, ASCE GSP 120, syf Shibazaki, M., Yokoo, M. ve Yoshida, H. (2003). Development of Oversized Jet Grouting, editörler Johansen, L. F., Bruce D. A. ve Byle, M. J., 44

58 Jet Enjeksiyon Yöntemi Proceedings of the 3rd International Conference on Grouting and Ground Treatment, Vol. 1, ASCE Geotechnical Special Publication 120: syf Stoel, A. (2001). Grouting for Pile Foundation Improvement, PhD Thesis, University of Delft. Tornaghi, R. (1989). Trattamento Colonnare dei Terreni Mediante Gettiniezione (Jet Grouting), Proceedings of the 17th National Conference of Geotechnical Engineering, Taormina, Italy, April 26 28: syf: Tornaghi, R. (1993). Controlli e Bilanci Analitici dei Trattamenti Colonnari Mediante Jet Grouting, Rivista Italiana di Geotecnica 93(3): syf: Tornaghi, R. ve Pettinaroli, A. (2004). Design and Control Criteria of Jet Grouting Treatments. Proceedings of the International Symposium on Ground Improvement, ASEP-GI 2004: Paris, Fransa: Ecole Nationale des Ponts et Chaussées: syf: Yahiro, T., Yoshida, H. ve Nishi, K. (1982). Soil Improvement Method Utilizing a Highspeed Water and Air Jet on the Development and Application of Columnar Solidified Construction Method, Proceedings of the 6th International Symposium on Jet Cutting Technology, United Kingdom: University of Surrey: syf.: Yoshida, H., Jimbo, S. ve Uesawa, S. (1996). Development and Practical Applications of Large Diameter Soil Improvement Method, editörler Yonekura, R. ve Shibazaki, M., Proceedings of the Conference on Grouting and Deep Mixing, Tokyo, Japan: Balkema, Mayıs 14 17, 1996: syf Yu, F. C. (1994). Mechanical Properties of Jet-Grouted and Deep Mixed Soilcrete, Master s thesis, Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University,Hsinchu, Taiwan: 160 syf [Çince]. 45

59

60 Jet Enjeksiyon Uygulamaları Bölüm 2 JET ENJEKSİYON UYGULAMALARI 2.1. Genel Jet enjeksiyonların değişik şekil ve boyutlarda imal edilebilmesi, zemini güçlendirerek deplasman ve taşıma gücünde iyileştirme sağlaması, geçirimsizlik birimleri oluşturması, gerektiğinde mukavemet arttırmak amacıyla çelik (profil, boru, çubuk) veya fiberglas gibi elemanlar ile donatılandırılabilmesi ve zorlu imalat koşullarında yapılabilirliği; geniş bir uygulama alanına sahip olmasını sağlamıştır. Uygulamadaki gereksinime göre projelendirilen jet enjeksiyon kolonlarının yerleşim düzenine ve kolonlar arasındaki mesafeye bağlı olarak iyileştirme bir boyutlu, iki boyutlu ve üç boyutlu olarak gerçekleştirilebilmektedir. Bir boyutlu iyileştirmelere örnek olarak jet enjeksiyonla güçlendirilmiş temeller verilebilir. Bu uygulamada, boy/çap oranının yüksek olduğu ve aralıklı tekil kolon yerleşimleri kazıklı temel sistemlerindekine benzer bir düzende imal edilerek temel altındaki taşıma gücünde artış ve oturmalarda iyileştirme sağlanmaktadır. Jet enjeksiyon kolonlarının teğet veya kesişen düzende yapılması durumunda iki ve üç boyutlu olarak zemin içerisinde monolitik, rijit elemanlar oluşturulmaktadır. Proje gereksinimlerine uygun olarak düzlemsel, silindirik veya konik şekillerde oluşturulabilen iki/üç boyutlu uygulamalardan örnekler Şek. 2.1 de gösterilmektedir. Şekil 2.1 (a) da gösterilen düzen çoğunlukla istinat yapısı ve sızdırmazlık perdesi oluşturmak amacıyla kullanılmaktadır. Sızdırmazlık perdesi alternatif olarak V-şeklinde kesişen elemanlar ile de oluşturulabilmektedir (Şek. 2.1 (b)). Şekil 2.1 (c) dekine benzer bir düzen ile kazı tabanında su bariyeri amaçlı; iyileştirme derinliğine kadar boş foraj ile geçilerek, 47

61 Temel Sistemleri Uygulamaları iyileştirme bölgesinde ise kısa kolonlar imal edilerek jet enjeksiyonlu döşeme (tapa) yatay elemanlar oluşturulabilmektedir. Jet enjeksiyon kolonları ile tünel tavanında kesik koni şekli oluşturularak şemsiye (Şek. 2.1 (d)) veya düşey düzlemde oluşturulan silindirik düzen ile geniş çaplı şaftlar (Şek. 2.1 (e)) imal edilebilmektedir. Ayrıca, temel altı uygulamalarda, geniş istinat yapıları ve tapalar oluşturmak amacıyla yatay düzlemde her iki yönde de sık yapılan düşey kolonlar ile üç boyutlu masif kütleler elde edilebilmektedir (Şek. 2.1 (f)). Jet enjeksiyon kolonları inşa edilecek bir yapıda kullanılabileceği gibi mevcut yapının iyileştirilmesinde de geçici/kalıcı sistemler olarak imal edilmektedir. Jet enjeksiyon uygulamalarının başlıca kullanım alanları aşağıda özetlenmiş; her bir alanın farklı uygulama yöntemleri ve bunların avantaj/dezavantajları ile birlikte ayrı başlıklar altında bu bölümde ele alınmıştır. i. Temel sistemleri ii. İstinat yapıları iii. Geçirimsizlik yapıları (su bariyeri) iv. Tüneller v. Diğer uygulamalar 2.2. Temel Sistemleri Uygulamaları Jet enjeksiyon kolonları ile taşıma gücü arttırıcı ve oturma azaltıcı temel altı zemin iyileştirmesi oldukça sık yapılan bir uygulamadır. Temel altı uygulamalarında kullanılan aralıklı tek boyutlu narin silindirik jet enjeksiyon elemanları ile kesişen kolonlardan oluşturulan üç boyutlu masif (blok) jet enjeksiyon birimlerinin davranışları ve performansları birbirinden oldukça farklıdır. Bu bağlamda, tasarım esasına uygun olarak kolon aralıklarının belirlenmesi önem arz etmektedir. Aralıklı jet enjeksiyon kolon uygulamalarında Şek. 2.2 (a) ve (b) de gösterilen kolon yerleşim düzeni kazıklı radyelere benzemesi nedeniyle jet enjeksiyonlu radyeler olarak isimlendirilmektedir. Jet enjeksiyonlu radyeler, özellikle zemin içerisinde iri kaya blokların yer aldığı ortamlarda kazıklı temellerin yapım güçlüklerine alternatif olarak tercih edilmektedirler. Üst yapı yükünün üniform olarak temele etkidiği durumlarda 48

62 Jet Enjeksiyon Uygulamaları oturma ve taşıma gücü problemlerinin çözümünde yeterli olabilen bu sistemler; donatılı olma durumunda bile yanal yükler altında yeterli direnci çoğunlukla gösteremediğinden, Şek. 2.2 (b) deki gibi bazı kolonlar eğimli olarak imal edilmekte ve gelen yanal yüklerin azaltılması hedeflenmektedir. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Şekil 2.1. İki veya üç boyutlu jet enjeksiyon uygulama örnekleri: (a) ve (b) perdeler, (c) radyeler, (d) tüneller, (e) şaftlar ve (f) blok temeller 49

63 Temel Sistemleri Uygulamaları Eksantrik yüklenmiş temellerde, jet enjeksiyonlar s D paterni ile yerleştirilmekte monolitik bir jet enjeksiyon bloğu türetilmektedir (Şek. 2.2 (c)). Bloğu oluşturan kolonların içerisinde donatı kullanılması durumunda, eksantrik yükleme koşulunda oluşan çekme ve kesme yüklerine karşı direnç sağlanabilmektedir. (a) (b) (c) Şekil 2.2. Jet enjeksiyon temel uygulamaları: (a ve b) kolon destekli radyeler ve (c) blok temeller (Croce vd., 2014) Şaft Uygulamaları Şaft imalatlarında düşey iksa elemanı olarak da kullanılabilen jet enjeksiyon kolonları Şek. 2.3 (a) da gösterildiği gibi şaft çevresinde tek sıra veya çift sıra olarak imal edilmektedir. Jet enjeksiyon kolonlarının sürekliliğinin sağlanabilmesi durumunda, herhangi bir yanal destek elemanına gerek kalmaksızın jet enjeksiyon kolonlarından oluşturulan silindirik kabuk kemerlenme etkisi ile yanal basınçlara dayanıklı ring görevi görebilmektedir. Uygulamada zayıf zemin geçişlerinde dayanımı arttırmak amaçlı jet enjeksiyon kolonlarının donatılandırılması önerilmektedir. 50

64 Jet Enjeksiyon Uygulamaları Şaftların yeraltı suyu seviyesi altında açılması durumunda ise şaft çeperine yanal destek sağlama ve geçirimsizliği arttırma amaçlı püskürtme beton imalatı tavsiye edilmektedir. Şaft kazılarında iksa elemanı olarak kullanılan jet enjeksiyon kolonları ile ilgili örnekler Bölüm 2.3 te sunulmuştur. Jet enjeksiyon kolonları ile imal edilen şaftlarda sıkça başvurulan bir başka uygulama da, şaft temelinde jet enjeksiyon bloğu oluşturmaktır (Şek. 2.3 (b)). Bu bloğun iki farklı kullanım amacı vardır: (i) bloğun kendi ağırlığı ile temelde eksantrisiteyi azaltarak çekme gerilmelerini ortadan kaldırmak; kazı derinliğini azaltmak ve (ii) yeraltı suyu seviyesi altındaki uygulamalarda kazıya başlanmadan önce imal edilmesi durumunda geçirimsizliği sağlayan ve kaldırma kuvvetine karşı direnç gösteren taban tapası oluşturmaktır. Dolgu Tabanındaki Uygulamalar Dolgu tabanında jet enjeksiyon kolonları ile zemin iyileştirmesi farklı araştırmacılar tarafından da rapor edildiği gibi (Croce ve Modoni, 2010; Paoli vd., 1989; Laguzzi ve Pedemonte, 1991; Alzamora vd., 2000; Pinto vd., 2012) birçok uygulamada kullanılan bir yöntemdir (Şek. 2.4 (a)). Bu uygulamalarda kolon ile dolgu arasındaki temas yüzeyinde aşırı gerilme konsantrasyonlarından kaynaklı oluşacak zımbalanma etkisinden kaçınmak önem arz etmektedir. Uygulamalardan edinilen tecrübelere dayanarak, jet enjeksiyon kolonları arasındaki açıklığın 2.0D 2.5D değerinden fazla olmaması; jet enjeksiyon kolonları üzerinde betonarme radye imalatı veya birkaç kat geogrid ile destekli granüler şiltelerin kullanılması önerilmektedir. Şekil 2.4 (b) de gösterilen Katar daki bir yapay ada tabanında, dolgu yükünü sağlam zemine aktarmak amaçlı olarak 1.0 m 2.0 m aralıklı jet enjeksiyon kolonları anakaya seviyesine ulaşılıncaya kadar farklı boylarda imal edilmiştir. 51

65 Temel Sistemleri Uygulamaları Taban tapası (a) (b) Şekil 2.3. Jet enjeksiyonlu şaft uygulamaları: (a) yeraltı suyu seviyesi üzerinde ve (b) yeraltı suyu seviyesi altında (Croce vd., 2014) Mevcut Yapılarda İyileştirme Uygulamaları Jet enjeksiyon kolonları, inşa edilecek yeni yapıların haricinde, farklı deplasmana uğramış mevcut yapıların, antik yapıların ve anıtların temelini desteklemek veya bu yapılar çevresinde yapılacak kazı uygulamalarında hasar önleme amacı ile de kullanılmaktadır. Bu tip uygulamalarda delgi ve enjeksiyon aşamalarında örselenme etkilerine ve mevcut yapıdaki olası deplasmanlara karşı dikkatli olunması tavsiye edilmektedir. Aşırı hız ve miktarda enjeksiyonun uygulanması durumunda kuyuda oluşabilecek geçici tıkanıklıklar kabarmalara ve mevcut yapının kalkmasına neden olabileceği gibi, suya doygun olmayan çökme potansiyeline sahip zeminlerde ise özensiz imalatlar sonucunda mevcut yapı tabanında oturmalar gerçekleşmektedir. Mevcut yapılar altında yapılan iyileştirmelerde bir diğer önemli konu ise, imal edilen jet enjeksiyon kolonları ile mevcut temelin arasındaki bağlantının sağlanmasıdır. Jet enjeksiyon kolonları ile temel arasında yük aktarımının yapılabilmesi amacıyla çelik veya betonarme kiriş elemanları kullanılmaktadır. 52

66 Jet Enjeksiyon Uygulamaları (a) Tarama seviyesi Jet enjeksiyon kolonları (b) Anakaya seviyesi Şekil 2.4. Jet enjeksiyonlu dolgu tabanı uygulamaları: (a) yol dolgusu ve (b) deniz dolgusu (Durgunoğlu vd., 2012) Literatürde tarihi yapılar altında bodrum katı oluşturmak, yapı sınırlarında istinat yapısı oluşturmak, köprü ayaklarında erozyona karşı önlem almak ve dalgakıran yapılarında dalga yüklerine karşı stabiliteyi sağlamak gibi birçok farklı uygulama rapor edilmiştir. Bu uygulamalardan bazıları Şek. 2.5 ve 2.6 da sunulmuştur. 53

67 Temel Sistemleri Uygulamaları İnşaat Aşamaları: 1: Mevcut yapının ilk durumu 2: Geçici jet enjeksiyon kolonlarının imalatı 3: Çelik kirişlerin yerleştirilmesi 4: Betonun dökülmesi 5: Geçici jet kolonları arasının kazılması 6: Kirişlerin yapılması 7: Kolonların alt kata uzatılması Şekil 2.5. Parma (İtalya) daki bir antik yapı altındaki jet enjeksiyon temel takviyesi uygulaması (Garassino, 1983) 54

68 Jet Enjeksiyon Uygulamaları Betonarme kiriş A A Şekil 2.6. Köprü ayağı temelinde erozyondan koruma amaçlı olarak yapılan jet enjeksiyon uygulaması (Garassino, 1983) Yeni Vienna Müzesi nde uygulanan ankrajlarla desteklenmiş bir temel takviyesi uygulaması Şek. 2.7 de gösterilmektedir (Otterbein vd., 2008). 55

69 0.5m 0.5m Temel Sistemleri Uygulamaları ± m Sert Kil-Silt Şekil 2.7. Yeni Vienna Müzesi ndeki temel takviyesi uygulaması (Otterbein vd., 2008) Kotka da (Finlandiya) geçirimsiz iksa yapısı olarak teşkil edilen çelik palplanj perde ucunda yer alan geçirimli sert birime soketlenememiştir. Çözüm olarak palplanjlar jet kolonlardan oluşan bir blok üzerine oturtulmuştur (Şek. 2.8). Çelik palplanj Jet blok 1.05m Şekil 2.8. Palplanj tabanında jet kütle uygulaması (Otterbein vd., 2008) Erozyona karşı önlem olarak bir köprü ayağında uygulanan takviye yapısına bir örnek de Şek. 2.9 da gösterilmektedir. 56

70 Jet Enjeksiyon Uygulamaları 5 Aşama-2 Aşama-1 Aşama-2 Aşama m Şekil 2.9. Köprü ayağında erozyona karşı alınan bir önlem (Vogt, 2015) Kazıklı temel sitemlerinde zayıf zemin koşullarında yeterli yanal desteğin oluşmadığı koşullarda kazık grubu çevresinde sınırlı kalınlıkta jet kolon kütlesi teşkil edilerek kazık grubunun yatay yüklere karşı direnci arttırılabilmektedir. Şekil 2.10 da Rollins vd. (2009) tarafından rapor edilen bir saha deneyinin sonuçları verilmektedir. Bu deneyde 13.5 m boyunda ve m çapında 9 kazıktan oluşan 3x3 bir kazık grubunun üst 3 m lik kısmı jet kütlesi ile güçlendirilmiştir. Şekil 2.11 de güçlendirme sonrası kazık grubunun yanal yük taşıma kapasitesindeki artış gösterilmektedir. 57

71 1.22 m 2.75 m Temel Sistemleri Uygulamaları 1.50 m çaplı kolonlar 3.20 m Kazık Grubu Başlığı 1 Kazık Grubu Başlığı kn aktüatörün dönen mil başlığı 2.84 m Jet enj. uygulanan bölge 4.57 m 1.60 m Destek Kazık Başlığı 0.90 m 3.00 m Test-2 öncesi kazılmış alan Destek Kil 0.90 m aralıklı kazıklar Kazık Başlığı 0.30 m 0.28 m Kil 0.15 m Jet kolon kütlesi 4.57 m (a) Şekil Kazık grubunda yatay yükleme deneyi (Rollins vd., 2009) Temel takviyelerinde mevcut yapı altında teşkil edilecek jet kolon kütlesinin monolitik bir yapı oluşturması için kolon boy ve açılarının dikkatlice tasarlanması gerekmektedir. Şekil 2.12 de uygulamadan böyle bir örnek gösterilmektedir. Burada, 5 sıra kolondan oluşan takviye yapısında her sıranın boy ve açıları farklı olup, imalat aşamasında bu geometrinin oluşturulmasına özen gösterilmesi gerekmektedir. (b) 58

72 Uygulanan Yük (kn) 4000 Jet Enjeksiyon Uygulamaları İyileştirilmemiş Test-1 İyileştirilmemiş-Kazılmış-Test2 500 Deplasman (mm) Jet kolon kütlesi - Test Şekil Kazık grubunda yatay yük kapasitesindeki artış (Rollins vd., 2009) ±0.00 = Sondaj Seviyesi E D A B C Şekil Temel takviyesi uygulaması (Vogt, 2015) 59

73 İstinat Yapılarındaki Uygulamalar 2.3. İstinat Yapılarındaki Uygulamalar Geçici veya kalıcı istinat yapıları oluşturmak amacıyla iki ya da üç sıra kesişen jet enjeksiyon kolonları kullanılabilmektedir. Jet enjeksiyon kolonları ile Bölüm 2.2 de tariflenen şaft kazıları için silindirik kabuk iksa elemanları teşkil edilebildiği gibi, geniş ve uzun kazılarda geçirimsiz istinat yapısı da inşa edilebilmektedir. Silindirik ve duvar şekilde oluşturulan jet enjeksiyon dayanma yapılarının çalışma prensipleri birbirlerinden oldukça farklıdır. Silindirik Jet İksa Sistemleri Jet enjeksiyon yöntemi ile oluşturulan silindirik destek elemanları geometrinin getirdiği avantaj olan kemerlenme etkisi sonucu sadece basınç gerilmelerine maruz kalmaktadır. Bu tip istinat yapılarının performansı önemli ölçüde jet enjeksiyon kolonlarının mekanik özelliklerine, sürekliliğine, düşeyden sapma açısına, gerekli kalınlığın ve tam dairesel geometrinin kolonlar boyunca sağlanabilmesine bağlıdır. Jet enjeksiyonlu silindirik istinat yapısı ilk defa Milan metrosunda servis şaftı oluşturmak amacıyla kullanılmıştır (Balossi Restelli vd., 1986). Şekil 2.13 'te gösterildiği gibi bu uygulamada anahat tüneline ulaşmak amacıyla, 12.4 m çapında 22 m derinliğindeki şaft ve bu şaft tabanından bağlantı tüneli ile geçiş yapılmıştır. Kazıya çok yakın mesafedeki mevcut yapıların altında kazıdan kaynaklı deformasyonların minimize edilmesi amacıyla imal edilecek şaftın çevresinde öncelikli olarak 60 cm çapında merkezden merkeze 50 cm mesafede kesişen jet enjeksiyon kolonları oluşturulmuştur. Silindirik jet enjeksiyon iksa sisteminin oluşturulmasından sonra kademeli olarak şaft kazısı yapılmış ve şaftın çevresine 20 cm kalınlığında hasır çelik destekli püskürtme beton uygulanmıştır. İmalat sırasında şaft tabanına bir kaç metre kala yeraltı suyu seviyesi gözlemlenmiş, düşük enjeksiyon basınçları kullanılmasına rağmen jet enjeksiyon kolonlarında düşeylilik tam olarak sağlanamamıştır. Bu nedenle şaft tabanında jet tapası oluşturularak boşluklar kapatılmış ve tam geçirimsizlik sağlanabilmiştir. İmalat boyunca yapılan aletsel gözlemler ile mevcut yapılar altındaki maksimum oturmanın 1.5 mm nin altında kaldığı rapor edilmiştir. 60

74 Anahat tüneli Jet Enjeksiyon Uygulamaları Mevcut yapılar Jet enjeksiyon kolonları Bağlantı Tüneli Servis şaftı d = 12.4m (a) Jet enjeksiyon kolonları YASS Taban tapası Şekil Jet enjeksiyon ile oluşturulan şaft yapısı örneği (a) plan görünümü ve (b) kesit görünümü (Balossi Restelli vd., 1986) (b) Jet İstinat Duvarları Jet enjeksiyonlu kolonlar ile oluşturulan istinat duvarlarında yükleme konsol duvardakilere benzer olup, jet elemanları ağırlıklı olarak eğilme momentlerine ve buna bağlı olarak oluşan yüksek çekme gerilmelerine maruz kalmaktadır. Jet istinat yapılarının donatısız olarak imal edilmesi durumunda yüksek çekme gerilmeleri altında yenilmeler ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle, Şek te 61

75 İstinat Yapılarındaki Uygulamalar gösterildiği gibi jet kolonlar çekme gerilmelerini karşılayabilecek şekilde donatılandırılmakta, eğimli olarak imal edilmekte ve/veya ankrajlar ile desteklenmektedir. Donatı elemanları (a) (b) Ankrajlar Donatı elemanları (c) (d) Şekil Jet istinat yapıları: (a) düşey konsol tipi, (b) eğimli tip, (c) ankrajlı ve (d) masif tip (Croce vd., 2014) Jet istinat yapılarının performansının kolon şekline ve uygulama doğrultusundaki düşeyliliği ile sürekliliğine bağlı olmasından dolayı, tasarım aşamasında kolon boyutları ile ilgili konzervatif yaklaşımların ve kontrollü uygulamanın gerekliliği önemle vurgulanmaktadır. 62

76 Jet Enjeksiyon Uygulamaları Santoro ve Bianco (1995) tarafından raporlanan İtalya nın Roma şehrine yakın bir yeraltı otopark yapısının volkanik zemin içerisinde yapılacak 8 m derinliğindeki kazı için tek akışkanlı sistem kullanılarak 16 m boyunda, 70 cm çapında, merkezden merkeze 60 cm aralıklı kesişen ve donatılı çift sıra jet enjeksiyon kolonları ile gerçekleştirilmiştir. İstinat duvarı düşeyden 25 derece eğimli, ankrajlı jet enjeksiyon kolonları ile desteklenmiştir. Kolonlar başlık kirişi ile birbirlerine bağlanmıştır. Uygulama şematik olarak Şek te gösterilmiştir. 0.7 m Ankrajlı jet enjeksiyon kolonu Çelik tüpler 8.0 m Çelik tüpler 0.6 m 8.0 m (a) (b) Şekil Eğimli jet enjeksiyon istinat yapısı örneği (a) plan görünümü ve (b) kesit görünümü (Santoro ve Bianco, 1995) Ankraj destekli jet kolonlu istinat yapısına bir örnek Şek (a) da gösterilmektedir (Sondermann ve Toth, 2011). Bu uygulamada 4 5 katlı yapıların yakınında 13.3 m derinliğindeki yeraltı suyu seviyesi altında yapılan kazılarda, duvar geçirimsiz kil birimine soketlenerek 18 m boyunda teşkil edilmiştir. İstinat yapısı az eğimli kesişen kolonlar ile oluşturulmuş ve 4 sıra ankraj ile desteklenmiştir. Kolon çapları 1.2 m olarak üç akışkanlı sistemle imal edilmiştir. 63

77 İstinat Yapılarındaki Uygulamalar Garassino (1983) tarafından rapor edilen bir vakada ise mevcut bir binanın sınırında yapılan 8.5 m lik bir kazı, 0.7 m çaplı kesişen paralel iki sıra jet kolonları ile oluşturulan bir dayanma yapısı ile desteklenmiştir. Jet kolonlar 4 mm et kalınlığında 8 cm çaplı çelik borularla donatılandırılmış, iksa yapısı 2 sıra ankraj ve taban radyesi ile desteklenmiştir (Şek (b)). (a) (b) Şekil Ankrajlı jet enjeksiyon istinat yapısı uygulamaları ((a): Sonderman ve Toth, 2001 ve (b) Garassino, 1983) Kazı iksa projelerinde yeraltı suyunun tabandan sızma sorununun olmadığı ve taban tapasına gerek duyulmadığı uygulamalarda jet kolonlardan teşkil edilen desteklere (strut) örnek değişik uygulamalar Şek da gösterilmektedir (Otterbein vd., 2008). Şekil Kare şafta jet kolon destek uygulaması (Otterbein vd., 2008) 64

78 20.00 m Jet Enjeksiyon Uygulamaları 4.80 m 4.80 m Şekil Büyük ve küçük çaplı kolonlardan oluşturulmuş destek yapılarına bir örnek (Otterbein vd., 2008) m 2.25 m 8.00 m Diyafram Duvar Jet enjeksiyon Şekil Uzun bir istasyon yapısında kazı tabanında oluşturulmuş bir destek yapısı (Otterbein vd., 2008) Samsun da mevcut bir fabrika içerisinde yapılan bir test havuzu yapısının 6 m derinliğindeki kazısı için uygulanan jet kolon sistemi Şek de gösterilmektedir. İksa yapısı 12 m uzunluğunda konsol çalışan çift sıra 0.8 m çaplı kesişen kolonlardan oluşturulmuştur. Tabanda geçirimsizliği sağlamak amacıyla 2 m kalınlığında taban tapası teşkil edilmiştir. Havuz kazıları başarıyla tamamlanmıştır. 65

79 12.00 m 7.00 m İstinat Yapılarındaki Uygulamalar m m Kazı taban kotu ± (Yeraltı suyu seviyesi) Nihai kazı kotu /50 cm Jet enj. kolonları (çift sıra) Jet enjeksiyon taban tapası m Şekil Jet kolonlarla geçirimsiz iksa ve taban tapası uygulaması (İspir vd., 2013) 66

80 Jet Enjeksiyon Uygulamaları 2.4. Geçirimsizlik Yapısı Uygulamaları Jet enjeksiyon kolonları ile geçirimsizlik perdesi teşkili, imalatın dar alanlarda ve farklı açılarla imal edilebilmesi, her türlü zemin tipinde delgi yapılabilmesi ve istenen tabakalarda kolon oluşturulmasına imkan tanıması yönünden avantajlıdır. Kolon malzemelerinin (soilcrete) geçirimlilik katsayısı, orijinal zeminin geçirimlilik katsayısına bağlı olarak 10-5 ila 10-7 cm/sn aralığında değişmektedir. Yapımsal hatalardan kaynaklı olarak geçirimsizlik perdesinin sürekliliğinin ve kolonlar arasında gerekli kesişimin sağlanamaması durumunda, özellikle granüler zeminlerde, hedeflenen geçirimsizlik değerlerinden çok daha yüksek değerler elde edilmektedir (Croce vd., 2014). Uygulamada karşılaşılabilecek olası problemler aşağıda sıralanmıştır: - Düşey ve yatayda sapmalara bağlı perde boyunca süreksizlikler - Heterojen zemin tabakalarına bağlı çap değişimleri - Bloklar gibi doğal engeller nedeni ile istenen çapın oluşmaması - Yüksek hidrostatik basınçlar, yeraltı suyu akışı veya artezyen koşulları gibi nedenlerle taze jet grout kolonlarının yıkanması (özellikle 10 m den daha derin uygulamalarda). Baraj ve savak gibi hidrolik yapılarda, atık ve depo sahalarında kalıcı veya geçirgenliği yüksek granüler zeminler içerisinde gerçekleştirilen derin kazılarda geçici geçirimsizlik yapıları (su bariyeri) oluşturmak için kullanılan jet enjeksiyon perdeleri yaygın bir uygulamadır. Bu tip uygulamalarda jet enjeksiyon kolonları düşey perdeler (cut-off) ve/veya yatay radyeler (taban tapası) teşkili ile geçirimsizlik yapısı oluşturulmaktadır. Jet Enjeksiyonlu Geçirimsizlik Perdesi (Cut-off) Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdeleri Şek de gösterildiği gibi birçok farklı şekilde imal edilebilmektedir (Bell, 1993). Burada gösterilen perdelerden (a), (b) ve (c) tipleri bir veya daha fazla kesişen kolonlar ile; (d) tipi enjeksiyon sırasında kısmi rotasyon manevraları ile; (e) tipi doğrusal ve (f) ile (g) tipi ise V-şeklindeki jet enjeksiyon panelleri ile oluşturulmaktadır. Bu tiplerden en çok kesişen kolon 67

81 Geçirimsizlik Yapısı Uygulamaları uygulamaları (Şek (a), (b) ve (c)) yaygındır. Panel tipi olanlar ise proje gereksinimlerine bağlı olarak bazı özel durumlarda kullanılmaktadır. Kesişen jet enjeksiyon kolonlarından oluşan geçirimsizlik perdelerinde tasarım aşamasında kolonlar aralıklarının doğru belirlenmesi ve uygulamada yapım yöntemi ve sıralamasına uyulması önem arz etmektedir. Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdeleri betonarme ve toprak barajlar, batardolar, derivasyon savakları gibi birçok hidrolik yapı tabanında inşaat öncesinde veya servis süresinde uygulanmaktadır. Esnekliği, farklı jeolojik koşullarda ve geometrilerde uygulanabilirliği, ağır ekipmanlara gerek duyulmadan yapılabilirliği nedenleri ile mevcut barajlar altında jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi uygulamaları sıklıkla kullanılmaktadır. Farklı araştırmacılar tarafından rapor edilen baraj inşaatı öncesinde ve su kaçaklarını engellemek amaçlı mevcut barajların altında yapılan jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdelerinin tipik uygulamaları Şek de gösterilmektedir. Bu örneklerde, baraj inşaatı öncesinde yapılan geçirimsizlik perdeleri (Şek (a), (b) ve (c)) çekirdek tabanının merkezinden itibaren oluşturulmuştur. Öte yandan, mevcut baraj yapıları altında oluşturulan geçirimsizlik perdeleri (Şek (d), (e) ve (f)) ise projeye özgü alternatif çözümlemeler gerektirdiğinden baraj altında farklı lokasyonlarda imal edilmiştir. Bu örneklerden Şek (d) de gösterilen Bronbach Barajı nda baraj tepesinden itibaren jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi sırasıyla alüvyon ve çatlaklı kumtaşı birimleri geçilerek, geçirimsiz killi şist tabakasına soketlenmiştir. Oluşturulan bu perde, baraj inşaatı aşamasında yapılmış olan diyafram duvar ile birlikte baraj gövdesinde iki katlı su bariyeri oluşturmaktadır. Şekil 2.22 (f) de gösterilen Forcoletta Barajı nda ise jet kolonlar baraj inşaatı öncesinde memba tarafında oluşturulmuş enjeksiyon perdesinin performansını arttırmak amaçlı olarak mevcut perdenin yanında imal edilmiştir. İlave geçirimsizlik perdesinin yapımı sonrasında dolgunun memba tarafında yeni bir geçirimsizlik kaplaması yapılarak etkin bir sızdırmazlık bariyeri sağlanmıştır. Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdelerinde aşağıdaki problemlerin oluşması durumunda yeterli performans sağlanamayacağından, bu unsurlara tasarım ve uygulama aşamasında dikkat etmek gerekmektedir. 68

82 Jet Enjeksiyon Uygulamaları - Kolonlar arası gerekli kesişim miktarının sağlanması - Tasarıma esas perde şeklinin önceki kolon, zemin koşulları veya operatör kaynaklı hatalara sebebiyet vermeden oluşturulması - Heterojen ve eratik zemin koşulları Geçirimsizlik perdelerinin yanısıra, jet enjeksiyon kolonlar mevcut betonarme diyafram duvarlar arkasında sızıntı oluşturan boşlukların kapatılması ve onarılması amacıyla da kullanılmaktadır. Bu amaçla, Dubai Metrosu nda yapılan bir uygulama Şek te sunulmuştur (Ryjevski vd., 2009). S e S e (a) (d) S e (b) (e) S e (c) (f) S e Şekil Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi panel tipleri (Bell, 1993) (g) Jet enjeksiyonlu perdeler, su geçirimsizliği haricinde atık sahalardaki atık maddelerin çevreye sızmasını önleme amaçlı olarak da kullanılmaktadır. Burke ve Yoshida (2013) tarafından rapor edilen bir uygulamada, sızıntının oluştuğu bir boru hattında sızıntı bölgesinde eğik jet enjeksiyon kolonları ile boru kuşatılmış ve tehlikeli madde sızıntısı engellenmiştir. 69

83 Geçirimsizlik Yapısı Uygulamaları Jet Enjeksiyon Taban Tapası Jet tapalar, yeraltı suyu seviyesi altındaki kazıların tabanında kaldırma kuvvetine karşı yeterli güvenlik sayılarının sağlanması ve geçirimsizliği sağlamak amacıyla yapılmaktadır. Taban tapası çoğunlukla kazı öncesi yüzeyden yapılan boş forajlar ve tapa bölgesinde gerekli kalınlıkta kolonların oluşturulması şeklinde imal edilmektedir. Şekil 2.24 te farklı taban tapası tasarımları sunulmaktadır. (a) Çekirdek (d) Orjinal diyafram Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi Alüvyon Çatlaklı kumtaşı (b) Çekirdek Anakaya (e) Çekirdek Killi şist Enjeksiyon Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi Anakaya Orjinal kil bariyeri Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi (c) (f) Yeni kaplama Orjinal kaplama Enjeksiyon Jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi Anakaya Orjinal enjeksiyon perdesi Yeni jet enjeksiyonlu geçirimsizlik perdesi Anakaya Şekil Baraj altında geçirimsizlik perdesi uygulama örnekleri: (a) Codbeck Barajı (İngiltere), (b) Ertan Barajı (Çin), (c) Thika Barajı (Kenya), (d) Bronbach Barajı (Almanya), (e) Sose Barajı (Almanya) ve (f) Focoletta Barajı (İtalya) (Croce ve Modoni, 2006) 70

84 Jet Enjeksiyon Uygulamaları (a) (b) Şekil Mevcut betonarme diyafram duvar arkasında oluşan sızıntı problemlerinin önlenmesi amacıyla yapılan jet enjeksiyonlu çözümler (Ryjevski vd., 2009) Jet enjeksiyon Doğal zemin (a) (b) Ankrajlar Şekil Jet enjeksiyonlu taban tapası uygulamaları: (a) dikdörtgen tapa, (b) ters kemer şeklindeki tapa ve (c) ankrajlı tapa (Croce vd., 2014) (c) 2.5. Tünel Uygulamaları Jet enjeksiyonun yaygın olarak kullanıldığı bir başka alan da tünellerdir. Tünellerde kazı aşamasında destek elemanı ve/veya geçirimsizlik yapısı oluşturmak amacıyla jet enjeksiyon kazı öncesi yüzeyden veya kazı sırasında tünelin içinden uygulanabilmektedir. Bu bölümde her iki uygulama tekniği de ayrı altbaşlıklar altında değerlendirilmiş ve uygulama örnekleri sunulmuştur. 71

85 Tünel Uygulamaları Tünel Kazısı Öncesinde Yüzeyden Yapılan Jet Enjeksiyon Uygulamaları Delginin yapılabileceği derinlikteki tünellerde ve zemin koşullarında, kazı öncesinde yüzeyden yapılabilen jet enjeksiyon kolon uygulamalarında, zemin iyileştirmesi kazıdan bağımsız olarak yapılabildiğinden tünel kazısı süresi kısaltılabilmektedir (Arroyo vd., 2012). Yüzeyden yapılan bir jet enjeksiyonlu zemin iyileştirmesi Şek te şematik olarak gösterilmiştir. Boş foraj İyileştirilmiş zemin Şekil Tünellerde yüzeyden yapılan jet enjeksiyon uygulaması örneği (Croce vd., 2014) Farklı boylardaki jet kolonlar tünel uygulamaları için de geçerli olup Şek de bir tünel kesitinin jet kolonlarla güçlendirilmesinde kolon uygulama paternlerinin detayı ile ilgili bir örnek verilmiştir. 72

86 Jet Enjeksiyon Uygulamaları PLAN Birincil Kolon PLAN İkincil Kolon Üçüncül Kolon Ayırıcı Duvar KESİT Yer altı suyu seviyesi *Tüm birimler metredir. Şekil Tünel kesitinin jet kolonlarla güçlendirilmesi (Vogt, 2015) Tünel Kazısı Sırasında Tünel İçinden Yapılan Jet Enjeksiyon Uygulamaları Tünel uygulamalarında kullanılan jet kolonlar, ağır ekipman gerektirmediğinden ve yüksek basınçlı hava jetleri ile dar alanlarda iş güvenliğini tehdit edebilecek olası problemlerden kaçınmak amacıyla genellikle tek akışkanlı sistem ile oluşturulmaktadır. Tünel üzerinde yüksek örtü kalınlıklarının olduğu durumlarda ve/veya forajın zorlaştığı sağlam birimlerde yüzeyden penetrasyon mümkün olmamakta ve 73

87 Tünel Uygulamaları gerekli zemin iyileştirmesi tünelin içerisinden yapılmaktadır. Tünel içerisinden kazı sırasında yapılan jet enjeksiyon ile zemin iyileştirmesi kubbe anlamına gelen kanopi tekniği olarak adlandırılmaktadır. Şekil 2.27 de kanopi tekniği ile yapılan jet enjeksiyonlu tünel örnekleri sunulmuştur. (a) I II Jet enjeksiyon Kalıcı kaplama I II Geçici kaplama Zemin güçlendirmesi Jet enjeksiyon Çelik iksa + püskürtme beton Betonarme Betonarme Çelik iksa + püskürtme beton (b) Çelik minikazıklar Çelik iksa + püskürtme beton I II Fiberglas çubuk/tüpleri Betonarme I II Çelik minikazıklar Betonarme Fiberglas çubuk/tüpleri Çelik iksa+püskürtme beton Şekil Kanopi tekniği örnekleri: (a) jet enjeksiyonlu kolonlar ile güçlendirme ve (b) çelik minikazıklar ve fiberglas çubukları/tüpleri ile güçlendirme (Croce vd., 2014) Kanopi tekniği, jet enjeksiyon ve/veya çelik mikrokazıklar gibi birçok farklı zemin güçlendirme yönteminin değişik geometri ve doğrultuda uygulanarak bir bütün olarak kazı ilerleme adımları boyunca tünel çevresinin ve aynasının desteklenmesine dayanmaktadır. Zayıf zeminlerde ayna stabilitesinin sağlanması amacıyla fiberglas elemanlar veya jet enjeksiyon kullanılmakta, her ne kadar bu tip ayna iyileştirmeleri zaman alsa da, yüzeydeki oturmalar bu yöntem ile tolere edilebilir değerlere indirgenebilmektedir. Tünel kazısı 74

88 Jet Enjeksiyon Uygulamaları ilerledikçe, aynadaki güçlendirme elemanları kazı ile birlikte alınmakta ve eşzamanlı olarak ayna gerisinde çelik iksa ile püskürtme betondan oluşan geçici kaplama elemanları tünel çevresinde imal edilmektedir. Gerekli süre ve ilerleme adımı tamamlandığında kalıcı tünel iç kaplama elemanları yerleştirilmektedir. Tünelin gerekli durumlarda hangi zemin güçlendirmeleri ile açılacağı zemin tipine ve geçirimsizlik koşullarına doğrudan bağlıdır. Jet enjeksiyonlar istenilen düzende daha geniş çaplar ile oluşturulabildiği kumlu zeminler içerisinde açılan tünel tavanında kemer şeklinde destek elemanı oluşturulmak için kullanılmaktadır (Şek (a)). Jet enjeksiyonlu kemer yapısı uygun boyutlandırıldığında ve tünel tavanında yüksek boşluk suyu basıncının olmadığı durumlarda geçirimsizlik yapısı da oluşturabilmektedir. İnce daneli zeminlerde ise, tek akışkanlı sistemin yeterli olamamasından dolayı, tünel çevresinde jet enjeksiyon yerine çelik minikazıklar ve aynada kolay kazılabilirliğinden dolayı fiberglas elemanlar tercih edilmektedir (Şek (b)). Zorlu zemin koşullarında gerektiğinde her iki sistem de bir arada kullanılabilmektedir. Tercih edilen zemin güçlendirme tipinden bağımsız olarak kanopi tekniği, her ilerleme adımında kendini tekrar eden yapım aşamaları serisini takip etmektedir. İlerleme adımları genellikle 6 12 m arasında olup, her adım dört ana imalat aşamasını kapsamaktadır: (i) (ii) (iii) (iv) Tünel çevresinin güçlendirilmesi (Şek (a)) Ayna kazısı (Şek (b)) Tünel kazı adımının tamamlanması (Şek (c)) Tünel aynasının güçlendirilmesi (Şek (d)) Tünel destek sistemleri genel olarak tünel kazısı aşamasında karşılaşılan farklı zemin ve su koşullarına göre değişkenlik göstermektedir. Jet enjeksiyon elemanları ile gerçekleştirilen kanopi tekniğinde de stabilitenin sağlanması ve makul deformasyon limitlerinin aşılmaması; diğer tüm tünel uygulamalarında olduğu gibi tasarıma esas ilerleme adımlarının takibi, aletsel gözlem verileri doğrultusunda yapılan uygulamalar, gerekli destek/güçlendirme elemanlarının uygun aralıklarla imal edilmesi, bu elemanların tasarım boyutlarından az 75

89 Tünel Uygulamaları oluşturulmaması ile hedeflenen dayanım koşullarının sağlanması gibi birçok unsura bağlı olmakta ve tünellerin, uzman tünel mühendislerinin gözetimi altında açılması gerekliliği hayati önem taşımaktadır. (a) (d) (b) (c) Şekil Kanopi tekniği inşaat aşamaları: (a) tünel çevresinin güçlendirilmesi, (b) ayna kazısı, (c) tünel kazı adımının tamamlanması ve (d) tünel aynasının güçlendirilmesi (Croce vd., 2014) Candeias vd. (2007), Lizbon Metrosu nda mevcut metro hattı üzerinde aç-kapa istasyon yapısı inşa edilmesi amacı ile kullanılan üç akışkanlı sistem ile imal edilen jet enjeksiyon kolonlu tasarımı rapor etmişlerdir. Bu uygulamada, yüksek yeraltı suyu seviyesi altında alüvyon içerisindeki tünel ile aç-kapa yapısı bağlantısında, öncelikle mevcut tüneli korumak için tünel içi plastik beton ile doldurulmuştur. Buna ek olarak, Şek da gösterildiği gibi tünel portallerinde geçirimsizlik yapısı oluşturması ve aç-kapa kazısı öncesinde aynaya etki eden 76

90 Jet Enjeksiyon Uygulamaları hidrostatik ve yanal toprak basınçlarına dayanacak şekilde tasarlanmış jet enjeksiyon blokları yüzeyden başlanarak tünel üzerinde ve tabanında imal edilmiştir. Aç-kapa yapısının kazıklı duvarının uzantısı Aç-kapa yapısı geçici iksa sistemi fore kazıkları Tünel kaplaması ve tünelin iki yanında da bulunan aç-kapa yapısının duvar uzantıları arasında kalan kesime yapılan jet enjeksiyon kolonları Katı Kil Alüvyon Aç-kapa ve tünel kesişiminde tünel aynasının önünde tünelin altında yapılan jet enjeksiyon tapa Şekil Portal ve aç-kapa yapısı bağlantısının üç boyutlu görünümü (Candeias vd., 2007) TBM tünel ile inşa edilen metro inşaatlarında öncelikle diyafram duvarlardan teşkil edilen istasyon yapılarını tünel açma makinası delerek geçmektedir. Yeraltı suyunun yoğun olduğu granüler zemin koşullarında diyaframın kesilmesi aşamasında istasyon yapısını su basması riski vardır. Önlem olarak istasyonun giriş ve çıkışında jet kolonlardan geçirimsiz bir kütle oluşturulup diyafram duvarlarda sızdırmazlık contaları yerleştirilmektedir. Bu uygulamadan bir örnek Şek da gösterilmektedir. 77

91 Diğer Uygulamalar Diyafram Duvar İstasyon TBM Jet kolon bloğu Diyafram Duvar TBM İstasyon Jet kolon bloğu -Diyafram duvar kesme aşaması- Şekil TBM istasyon giriş/çıkışlarında uygulanan jet kolon blokları (Vogt, 2015) 2.6. Diğer Uygulamalar Jet enjeksiyon kolonlarının yaygın olarak kullanıldığı uygulama alanları önceki bölümlerde irdelenmiştir. Bu bölümde ise literatürden değişik örnekler sunulmaktadır. Şev Stabilitesinde Jet Enjeksiyon Uygulamaları Langbehn (1986), Sopena Manas vd. (2001) ile Pinto vd. (2012) şev stabilitesi amacıyla kullanılan jet enjeksiyon uygulamalarını rapor etmişlerdir. Bu uygulamalarda, genel olarak Şek (a) da şematik olarak gösterildiği gibi jet enjeksiyon kolonları kritik kayma düzlemini kesecek şekilde (kolon boyunun yarısı kayma düzlemi önünde ve diğer yarısı gerisinde kalacak şekilde) imal edilerek, kayma düzlemi üzerindeki kesme dayanımını arttırmak ve bir anlamda dikiş atmak amacı ile kullanılmıştır. 78

92 Jet Enjeksiyon Uygulamaları Sıvılaşma Önleyici Jet Enjeksiyon Uygulamaları Durgunoğlu vd. (2003), deprem sırasında tetiklenen sıvılaşma potansiyeline sahip gevşek kumlu zeminlerde, sıvılaşabilen zemin tabakası kalınlığında sık düzende imal edilen jet enjeksiyon kolonları ile sıvılaşma sırasında gelişen aşırı boşluk suyu basıncı artışlarının ve sıvılaşma sonrası deformasyonların minimize edilebildiğini belirtmiştir. Yılmaz vd. (2008) Aydın İli nde Küçükmenderes Nehri üzerinde yapılan Beydağ Barajı nın altında yer alan siltli kumlu birimlerden oluşan alüvyonun sıvılaşma tehlikesine karşılık olarak baraj tabanında jet enjeksiyon kolonlarının yapıldığını belirtmişlerdir. Benzer bir şekilde, Burke ve Yoshida (2013), ABD de yer alan Wickiup Barajı nın sismik iyileştirmeleri kapsamında Şek (b) de gösterildiği gibi baraj dolgusu altında sıvılaşabilir siltli ve volkanik küllü birimlerin iyileştirilmesi amacı ile jet enjeksiyon kolonlarının kullanıldığını rapor etmişlerdir. Kıyı Liman Yapılarında Jet Enjeksiyon Uygulamaları Günümüzde, kıyı liman yapıları altında jet enjeksiyon uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Şekil 2.31 (c) de şematik olarak gösterilen uygulama örneğinde masif jet enjeksiyon bloğu rıhtım temelinin güçlendirilmesi ve deniz tabanında kazının yapılabilmesi amacıyla kullanmıştır. 79

93 Diğer Uygulamalar (a) Jet enjeksiyon (b) Mansap tarafı jet enjeksiyon üstüne imal edilen banket Mevcut baraj Çakıllı kum Kum Volkanik küllü zemin Silt Sıkı siltli kum Silt Sıkı siltli kum Jet enjeksiyon Zemin yüzeyi (c) Ankraj Vinç rayı Palplanj Palplanj Kazık Jet enjeksiyon Şekil Farklı jet enjeksiyon uygulamaları: (a) şev stabilitesi amaçlı, (b) sıvılaşma önleyici ve (c) kıyı yapılarının korunması amaçlı (Burke ve Yoshida, 2013) 80

94 Jet Enjeksiyon Uygulamaları 2.7. Kaynaklar Alzamora, D., Wayne M. H. ve Han, J. (2000). Performance of SRW Supported by Geogrids and Jet-Grout Columns, Proc. of ASCE Speciality Conf. on Performance Confirmation of Constructed Geotechnical Facilities, Geotechnical Special Publication 94, syf: Arroyo, M., Gens, A., Croce, P. ve Modoni, G.; editör: Viggiani, G. (2012). Design of Jet Grouting for Tunnel Waterproofing, Proc. of the 7th International Symp. on the Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, TC28-IS Rome: Londra, UK, Taylor & Francis Group, syf: Balossi Restelli, A., Colombo, A., Gervaso, F. ve Lunardi, P. (1986). Tecnologie Speciali per il Preconsolidamento di Scavi Nelle Alluvioni di Milano in Occasione Della Costruzione Della Linea 3 Della Metropolitana, Proc. of the International Conf. Grandi Opere Sotterranee, Floransa, İtalya, syf: Bell, A. L.; editör: Moseley, M. P. (1993). Jet Grouting, Ground Improvement, Boca Raton, FL, Blacie, syf: Burke, G. K. ve Yoshida, H.; editörler: Kirsch, K. ve Bell, A. (2013). Jet Grouting, Ground Improvement, 3. Baskı, CRC Press: Tayloy & Francis Group, syf: Candeias, M. A. S., Brito, J. A. M., Fernandes, M. M. ve Lopes, P. G. (2007). Terreiro do Paço Metro Station A Jet Grouting Solution to Link the Preexisting Tunnel to the Cut and Cover Excavation, Ground Improvement 1(1): syf.: Croce, P. ve Modoni, G. (2006). Design of Jet Grouting Cutoffs, Ground Improvement 10(1): syf:

95 Croce, P. ve Modoni, G. (2010). Consolidamento Delle Fondazioni di Rilevati Stradali e Ferroviari, Rivista Italiana di Geotecnica 44(3): syf: Croce, P., Flora, A. ve Modoni, G. (2014). Jet Grouting Technology, Design and Control, CRC Press: Taylor & Francis Group. Durgunoğlu, H. T., Kulaç, H. F., Oruç, K., Yıldız, R., Sickling, J., Boys, I. E., Altugu, T. ve Emrem, C. (2003). A Case History of Ground Treatment with Jet Grouting against Liquefaction for a Cigarette Factory in Turkey, Grouting and Grout Treatment, Şubat 2003, syf: Durgunoğlu, H. T., Kulaç, H. F., İkiz, S., Sevim, O. ve Akcakal, O. (2012). Offshore Jet Grouting: A Case Study, Proc. of the ISSMGE-TC211 International Symp. on Ground Improvement, Brussels, Belgium, Mayıs 31 Haziran 1, 2012: syf: Garassino, A. L. (1983). Uso Delle Colonne in Terra Stabilizzata con Jet Grouting Come Elemento Provvisionale, Proc. of the 15th National Geotechnical Conf. 2, Spoleta, İtalya, Mayıs 4 6, 1983, Associazione Geotecnica Italiana, syf: Hamidi, B., Krzeminski, M., Berthies, D., Vincent, P. ve Yates, M. (2012). The Applıcatıon of Jet Grouting for the Construction of Sydney International Airport Runway End Safety Area, 4th International Conf. on Grouting and Deep Mixing, ASCE, syf: İspir, E. M., Yıldız, M. ve Çevik, A. (2013). Kapalı Alanlarda ve Tam Doygun Siltli Kumlu Zeminlerde Jet Kolonları ile Geçici İksa Sistemleri: Bir Uygulama Örneği, 5.Geoteknik Sempozyumu, Çukurova Üniv., Adana. Laguzzi, G. ve Pedemonte, S. (1991). Esperienze di Jet-Iniezione per L esecuzione ed il Consolidemento di Linee Ferroviarie nel Compartimento di Milano, Proc. of the Conf. Il Consolidemanto del Suolo e delle Rocce 82

96 Jet Enjeksiyon Uygulamaları Nelle Realizzazioni in Sotterraneo, Milano, İtalya, Mart 18 20, 1991, Societa Italiana Gallerie, 2(C): syf: Langbehn, W. K. (1986). The Jet Grouting Method: Application in Slope Stabilisation and Landslide Repair, Master of Engineering Report, Department of Civil Engineering, University of Berkeley (Kaliforniya), 156 syf. Otterbein, R., PaBlick, T. ve Trunk, U. (2008). Jet Grout Solutions for Excavations in Marine Sediments, 11th. Baltic Sea Geotechnical Conference, Gdansk, Polonya. Pinto, A., Tomasio, R., Pita, X. ve Pereria, A. (2012). Ground Treatment Solutions using Jet Grouting, ASCE Proc. of the 4th Int. Conf. on Grouting and Deep Mixing, syf: Rollins, K. M., Adsero, M. E. ve Brown, D. A. (2009). Jet Grouting to Increase Lateral Resistance of Pile Groups in Soft Clay, Int. Foundation Congress and Equipment Expo, ASCE. Ryjevski, M., Shramko, K. ve Baghirova, E. (2009). Jet Grouting Application for Dubai Metro Construction, Proc. of the World Tunnel Congress, Budapeşte, Macaristan, Mayıs, 2009, Bildiri O-10-19, 10 syf. Santoro, V. M. ve Bianco, B. (1995). Realizzazione di una Struttura in Gettiniezione per il Sostegno di uno Scavo in Depositi Piroclastici: Controllo di Qualita in Corco D opera, Proc. of the 19th National Geotechnical Conf., Pavia, İtalya, Eylül, 1995, Associazione Geotecnica Italiana, syf: Sondermann, W. ve Toth, P. S. (2001). State of the Art of the Jet Grouting shown on Different Applications, Proc. of the 4th Int. Conf. on Ground Improvement, Helsinki, Finlandiya, 7 9 Haziran, 2001, Finnish Geotechnical Society, syf:

97 Sopena Manas, L. M., Heras Meco, C. ve Luis Rojo, J. (2001). Stabilisation Works in a Singular Slope by Jet Grouting Ground Improvement, Proc. of the 4th Int. Conf. on Ground Improvement, Helsinki, Finlandiya, 7 9 Haziran, 2001, Finnish Geotechnical Society, syf: Vogt, N. (2015). Jet-Grouting, Development and Actual Design Practice in Germany, Ground Improvement Seminar Helsinki, Yılmaz, D., Babuçcu, F., Batmaz, S. ve Kavruk, F. (2008). Liquefaction Analysis and Soil Improvement in Beydağ Dam, Geotech. Geol Eng., 26, syf:

98 Tasarım Esasları Bölüm 3 TASARIM ESASLARI 3.1. Genel Jet enjeksiyon uygulamaları tekil kolonlar veya kesişen kolonlar ile teşkil edilen yapılardan oluşmaktadır. Jet kolonlarla teşkil edilen belli başlı yapılar aşağıda verilmektedir: i. Yapı temelleri ii. Dayanma yapıları iii. Tünel uygulamaları (kanopi yapıları) iv. Geçirimsizlik perdeleri v. Geçirimsiz taban tapaları vi. Temel takviye yapıları vii. Sıvılaşmaya karşı önlem yapıları Bu yapıların tasarımında ön projelendirme aşamasında öncelikle yapıyı oluşturacak kolonların geometrik özelliklerinin (çap, boy vb.) ve mekanik özelliklerinin (basınç dayanımı, çekme/eğilme dayanımları, deformasyon modülü, geçirimlilik katsayısı vb.) tahmini gerekli olmaktadır. Bu aşamadan sonra ise teşkil edilecek yapının stabilitesi ve performans kriterleri esas alınarak yapının bütününün tasarım aşamaları ele alınmaktadır. Tasarım aşamaları değişik ülkelerin teknik şartnamelerinde yer almaktadır (JJGA, 2005; DIN 4093: ; GI-ASCE, 2009; AGI, 2012). Tasarım aşamaları genel olarak aşağıdaki sıralama ile gerçekleştirilmektedir: 85

99 Genel 1. Zemin Etütleri ve Zemin Profilinin Belirlenmesi: Bu aşamada killi (kohezyonlu) ve kumlu (kohezyonsuz) tabakaların konumu ve özellikleri ayrıntılı olarak tanımlanmalıdır. 2. Zemin Koşullarının Jet Enjeksiyon Tekniğine Uygunluğunun Değerlendirilmesi: Aşırı konsolide sert killer, çimentolanmış yapıya sahip zeminler ve kayalar kolon teşkiline uygun olmayan zeminlerdir. Uygulama bölgesine erişim, çevredeki yapıların basınçlı uygulamaya hassasiyeti gibi dış koşullar da jet enjeksiyon uygulamalarını kısıtlayabilmektedir. 3. Enjeksiyon Sisteminin Seçimi: Zemin koşulları ve proje gereksinimleri dikkate alınarak tek, çift veya üç akışkanlı sistemlerden uygun olanı seçilmelidir. 4. Benzer Uygulamaların Araştırılması: Geçmiş deneyimler ve literatürde önerilen ampirik kriterler kullanılarak kolon çapı ve mekanik özellikleri öngörülebilmektedir. 5. Kolon Yerleşim Düzeninin Belirlenmesi: Oluşturulacak yapının (blok, aralıklı/kesişen kolon grupları, perde, kanopi, tapa vb.) kolon yerleşimi belirlenmelidir. 6. Analitik Çalışmalar: Yapının stabilite analizleri ve performans kriterleri hesapsal olarak değerlendirilmelidir. 7. Kalite Kontrol: Kalite kontrol ve saha ölçümleri kriterleri belirlenmelidir. 8. Deneme Kolonları ve Optimizasyon: Değişik uygulama parametreleri kullanılarak (nozül çapı/sayısı, su-çimento oranı, basınç, debi, rotasyon ve yükselme hızı vb.) deneme kolonlarının imalatı ve kolonların projede öngörülen çap ve mekanik özellikleri kriterlerini sağlayıp sağlamadığının teyidi yapılarak, uygulama optimize edilmektedir. Jet enjeksiyon yapıların tasarımında güvenlik sayılarının geçici yapılarda GS = aralığında, kalıcı yapılarda ise GS = 3.0 alınması öngörülmektedir. Uygulamada genellikle jet enjeksiyon yapılarının tasarımı ve kabul kriterleri işveren tarafından belirlenmekte, jet uygulamasının yüklenicisi ise imalatın projelendirmede öngörülen boyut ve mekanik özellikleri sağlamakla sorumlu olmaktadır. 86

100 Tasarım Esasları 3.2. Kolon Yerleşimi ve Geometrik Özellikler Croce vd. (2014) kesişen kolonlarda tasarıma esas perde kalınlığının (t), perdenin eşit çaplı (D) kolonların merkezden merkeze (s) aralıklı olarak (s < D) teşkili durumunda (Şek. 3.1 (a)) Bağıntı 3.1 den hesaplanmasını önermektedir. t = D 2 s 2 (3.1) Kolon çaplarının değişken olması durumunda ise (Şek. 3.1 (b)) perde kalınlığı (t) için Bağıntı 3.2 önerilmiştir. s = 1 D maks 2 [ 1 ( t ) D maks 2 + ( D 2 min ) D maks 2 t ( ) ] (3.2) D maks (a) t D s (b) D maks t D min s Şekil 3.1. (a) Eşit çaplı ve (b) değişken çaplı kesişen kolonların s aralıklarının ve t kalınlıklarının tanımlanması (Croce vd., 2014) 87

101 Kolon Yerleşimi ve Geometrik Özellikler Değişken çapta kolonlardan oluşan perdelerde tasarım perde kalınlığı (t) maksimum/minimum kolon çapları ile Şek. 3.2 de gösterildiği gibi ilişkilendirilebilmektedir (Croce vd., 2014) s Dmaks tτ D maks =0.1 tτ D maks =0.2 tτ D maks =0.3 tτ D maks =0.4 tτ D maks = D min Dmaks Şekil 3.2. Kesişen kolonların çap ve aralıklara göre değişkenliği (Croce vd., 2014) Çok sayıda kolonun bindirilmesi ile oluşturulan masif kütle teşkil edilen uygulamalarda Bağıntı 3.3 ile tanımlanan bir dolum oranı kavramı (F), önerilmektedir (Croce vd., 2014). F = A A un A 88 (3.3) Burada; A: toplam uygulama alanı ve A un : boşluk alanı olarak tanımlanmaktadır (Şek. 3.3). En yaygın olarak uygulanan eşkenar üçgen ve kare yerleşimler kıyaslandığında Şek. 3.3 te görülebileceği gibi aynı çap ve aralıktaki kolonlardan oluşturulan üçgen düzende hem bindirme miktarları daha az hem de dolum oranı daha yüksek olmaktadır. Bu değerlendirmelerden üçgen uygulamanın daha efektif ve ekonomik olduğu sonucuna varılabilmektedir.

102 Dolum Oranı, F Tasarım Esasları s s D A A un Dikdörtgen uygulama 0.80 Üçgen uygulama s D Şekil 3.3. Jet enjeksiyonlu elemanların eşkenar üçgen ve kare yerleşimlerdeki dolum oranı (Croce vd., 2014) Uygulamada kolonların düşey olarak imalatı hedeflenmektedir. Ancak kaçınılmaz olarak imalat aşamasında düşeyden sapmalar gündeme gelmektedir. Zemin yüzeyinde s 0 aralıkla teşkil edilen iki kolonun düşeyde β i ve azimut açısı α i ile saptığı bir durum Şek. 3.4 te gösterilmektedir. Eksenden sapmalar sonucu kolonlar arasındaki mesafe derinlikle açılmaktadır. Bu durum özellikle kesişen kolon uygulamalarında önem arz etmektedir. Şekil 3.4 teki geometri dikkate alındığında herhangi bir z derinlikte kolon eksenleri arasındaki mesafe, s(z), sapma açıları cinsinden Bağıntı 3.4 ile hesaplanabilmektedir. s(z) = s 0 + z. tan 2 β 1 + tan 2 β 2 2tanβ 1 tanβ 2. cos (α 1 α 2 ) (3.4) 89

103 Kolon Yerleşimi ve Geometrik Özellikler x s 0 α 1 α 2 y β 1 β 2 s(z 1 ) z 1 z Şekil 3.4. Eksenden sapmalar sonucu kolonların arasındaki mesafenin derinliğe bağlı değişimi, s(z) (Croce vd., 2014) Sapma nedeniyle gelişen en olumsuz koşul azimut açılarının α 1 α 2 = 180 olduğu durum olup, bu geometride Bağıntı 3.4 teki karekök terimi (tan β 1 + tan β 2 ) olarak hesaplanmaktadır. Jet kolonlarının eksenden sapma olasılığı ve kolon çapının derinlik boyunca değişken olması, tasarlanan yapının amacına ulaşamaması konusunu gündeme getirmektedir. Croce vd. (2014) sapma ve kolon çapındaki olası değişimlerin yapı üzerindeki etkilerini istatistiksel olarak yorumlamışlardır. Bu değerlendirmelerin sonuçları Şek. 3.5 te şematik olarak gösterilmektedir. Şekil 3.5 te sonuçları gösterilen değerlendirmelerde kolon çapındaki değişim katsayısı (coefficient of variation), COV (D) = 0.2 ve eksenden sapmanın standart deviasyonu σ(β i ) = 1 alınarak 10 m derinlikte oluşabilecek kolon dispozisyonları belirlenmiştir. Şekil 3.5 te üst kutucuklarda eksen sapmalarının oluşmadığı ve çapın sabit olduğu ideal durumdaki kolon paterni, alt kutucuklarda 90

104 Tasarım Esasları ise eksenden sapmalar ve çap değişimleri sonucu yüzeyden 10 m derinlikte oluşması beklenen farklı kolon yerleşimleri gösterilmektedir. Tekil kolon uygulaması Tek sıralı perde uygulaması (a) (b) Çift sıralı perde uygulaması Masif blok uygulaması Dairesel şaft uygulaması (c) (d) (e) Şekil 3.5. Farklı uygulamalarda kolon sapma ve çap değişimlerinin oluşturulan yapıya etkisi (a) tekil kolon, (b) tek sıralı perde, (c) çift sıralı perde, (d) masif blok ve (e) dairesel şaft (Croce vd., 2014) Bu değerlendirmeler sonucunda, Şek. 3.5(a) daki tekil kolon uygulamasındaki kolon aralığı ve çaptaki azalmaların taşıma gücü sorununun; Şek. 3.5 (b) ve (c) 91

105 Kolon Yerleşimi ve Geometrik Özellikler deki perde uygulamalarında geçirimsizlik performansında zafiyetlerin ortaya çıkması olasıdır. Şekil 3.5 (e) de şaftın ideal dairesel geometriden sapması ve kolonlar arasında boşluk oluşması silindirik şaftın performansını olumsuz yönde etkiliyebilecektir. Benzer şekilde masif blok uygulamasında (Şek. 3.5 (d)) oluşabilecek boşluklar özellikle geçirimsizlik performansını önemli ölçüde etkileyecektir Kolon Çapı Kolon çapının değişken olması tasarımda dikkate alınması gereken bir husustur. Genellikle henüz deneme kolonlarının yapılmadığı ön proje aşamasında kolon çapı ile ilgili bilgi mevcut olmayıp bu aşamada ortalama kolon çapı (karakteristik çap, D k ) jet uygulama parametreleri ve zemin cinsleri dikkate alınarak Bölüm de verilen yöntemlerle tahmin olunabilmektedir. Eğer ön proje aşamasında kolon çap ölçümleri mevcut ise bu değerler istatistiksel olarak yorumlanarak karakteristik kolon çapları (D k ) belirlenebilir. Her iki durumda da tasarımda kullanılacak kolon çapı, D d, için karakteristik kolon çapının (D k ) bir kısmi faktör ile azaltılması uygun görülmektedir (Bağıntı 3.5). D d = D k /γ D (3.5) Burada; γ D : kısmi azaltma faktörüdür. Zemin profilinin heterojenlik derecesine ve yapının türüne göre uygulanması gereken azaltma faktörü değerleri Tablo 3.1 de verilmektedir (Croce vd., 2014). Tablo 3.1. Tavsiye edilen çap azaltma faktörleri γ D (Croce vd., 2014) Uygulama Tekil kolonlar, ince yapılar Masif iyileştirmeler Mevcut γ D Deney Verileri Düşük Zemin Heterojenliği Orta Zemin Heterojenliği Yüksek Zemin Heterojenliği Az Çok Az Çok

106 Tasarım Esasları Eksenden Sapmalar Tasarımda yapının performansını etkileyebilecek ve yapının sürekliliğini engelleyebilecek eksen sapmaları dikkate alınmalıdır. Bu amaçla Şek. 3.4 te tanımlanan sapma açıları kullanılarak tasarımda en olumsuz durumu yansıtan α 1 α 2 = 180 koşulunun ve eksenden sapma açısının β i = alınması önerilmektedir (Croce vd., 2014) Kolon Malzemesinin Mekanik Özellikleri Jet enjeksiyon uygulamalarında kolon malzemesinin mekanik davranış modelinin lineer elastik ve tam plastik olduğu, çekme dayanımının ihmal edilebilir seviyede olacağı kabulü yapılmaktadır. Kolon malzemesinin dayanımı genellikle tek eksenli karot basınç dayanımı (q u ) cinsinden ifade edilmektedir. Özel uygulamalarda üç eksenli, basınç dayanımı deneylerinden elde edilen Mohr-Coulomb parametreleri (c MC ve φ MC ) de kullanılmaktadır. Yenilme öncesi davranışın lineer elastik olduğu varsayıldığında Young elastik modül, E, değeri Bağıntı 3.6 ile ifade edilebilmektedir. E = β E. q u (3.6) Bölüm 1 de Tablo 1.10 da önerildiği gibi β E değeri değişik zeminlerde genel olarak 200 < β E < 700 aralığında değişmektedir. Kolon malzemesinin karakteristik karot basınç dayanımı değerleri (q uk ) deneysel veri olmaması durumunda Bölüm te değişik tür zeminler için verilen muhtemel basınç dayanımı aralıkları kullanılarak tayin edilmektedir. Yeteri kadar deney sonucu elde edilmiş ise q uk değeri deney sonuçlarının istatistiksel bir değerlendirilmesi ile belirlenmekte, tasarımda kullanılacak basınç dayanımı (q ud ) değeri γ M kısmi faktörü uygulanarak Bağıntı 3.7 den elde edilmektedir. q ud = q uk Τ γ M (3.7) Kısmi faktör değerinin geçici yapılarda γ M = 1.5 kalıcı yapılarda ise γ M > 1.5 alınması önerilmektedir (Croce vd., 2014). 93

107 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı DIN 4093 (2012) Standardı nda tasarımda kullanılacak karot basıncının tanımlanmasına yönelik aşağıdaki kriterler önerilmiştir: i. Tek eksenli basınç dayanımı deneyleri boy/çap = 2 boyutlarında silindirik örnekler üzerinde yapılacaktır. ii. Deneme kolonları ve proje kolonları üzerinde yapılacak kabul ve kontrol deneylerinde elde edilen karot basınç değerlerinin (q u,saha ) tasarımda belirlenmiş olan karakteristik basınç dayanımı (q uk ) değerinden büyük olması şartı aranacaktır. iii. Her deney seti en az 4 örnek üzerinde yapılacak ve aşağıdaki koşulları sağlayacaktır: a. Minimum değer, q u,min > q uk b. Ortalama değer: α. q u,ort > q uk olup burada ; q uk < 4 MPa için α = 0.60 ve q uk = 12 MPa için α = 0.75 alınmaktadır. Ayrıca q u,ort < 4 MPa koşulunda ve %50q uk miktarındaki sabit gerilme altında DIN 4093 standardında tariflenen krip birim deformasyonlarının ΔƐ k < % 0.02 koşulunu sağlaması öngörülmektedir. Tasarımda kullanılacak basınç dayanımı değeri ise Bağıntı 3.8 de tanımlanmıştır. Burada; γ M = 1.5 olup, 0.85 azaltım faktörü uzun süreli yüklemelerin etkisini yansıtmak amacıyla uygulanmaktadır. q ud = 0.85 q uk Τ γ M (3.8) 3.4. Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Temel Sistemi Uygulamaları Zayıf zemin üzerinde inşa edilecek temellerde taşıma gücünü arttırmak ve/veya oturmaları azaltmak amacıyla jet enjeksiyon uygulamaları yapılmaktadır. Bu uygulamalar arasında kesişen veya birbirine çok yakın teşkil edilen kolonlardan oluşan blok temeller ile bir başlık radyesi altında aralıklı yerleştirilmiş kolonların oluşturduğu kazıklı temel benzeri sistemler en yaygın olanlardır. 94

108 Tasarım Esasları Jet Blok Temeller Yüzeysel bir tekil temel altında teşkil edilmiş tipik bir blok temel uygulaması Şek. 3.6 da gösterilmektedir. L B 2 B 1 Şekil 3.6. Tekil temel altında blok teşkili Bu uygulamalarda kazıklı temeller için Terzaghi Blok Analizi geçerli olmaktadır. Örneğin, yumuşak kil zeminde yapılan bir uygulamada bloğun taşıyabileceği nihai yük (Q lim ) Bağıntı (3.9) dan hesaplanmaktadır. Q lim = B 1. B 2. (N c. c u + γ. L) + 2. L. (B 1 + B 2 ). c u (3.9) Burada; c u : kilin drenajsız kayma dayanımı, N c : Terzaghi taşıma gücü faktörü ve γ: zeminin toplam birim hacim ağırlığıdır. Temel sisteminin değerlendirilmesinde üst yapı yüklerine, jet enjeksiyon bloğunun ağırlığı (Q jg = B 1. B 2. L. γ jg olup burada; γ jg : jet enjeksiyon kütlesinin toplam birim hacim ağırlığı) eklenerek nihai taşıma gücü değeri ile kıyaslanmalıdır. Taşıma gücü N c değerleri blok boyutlarının fonksiyonu olarak Tablo 3.2 den elde edilmektedir. 95

109 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Granüler zeminlerde benzer bir yaklaşımla şerit temeller için Bağıntı 3.10 geçerli olmaktadır. Burada; N γ ve N q : taşıma gücü faktörleri; K 0 : sükunetteki yanal toprak basıncı katsayısı olup K 0 = 1 sin φ ve φ : zeminin kayma direnci açısıdır. Q lim = B 1. B 2. (0.5γ. B 1. N γ + N q. γ. L) + 2. L. (B 1 + B 2 ). (0.5γ. L. K 0 tanφ ) (3.10) Temel geometrisi ve derinliği dikkate alınarak Bağıntı 3.10 daki N γ ve N q faktörlerine geleneksel Terzaghi taşıma gücü hesabındaki gerekli şekil, derinlik ve eğiklik faktörleri de uygulanebilmektedir. Güvenli tarafta kalmak koşulu ile taşıma gücü faktörlerinin lokal göçme ve zımbalanma türü yenilmeler için geçerli olan Şek. 3.7 de verilen abaktan alınması önerilmektedir. Tablo 3.2. Killi zeminlerde masif uygulamaların taşıma gücü faktörleri N c L/B 2 B 1 /B 2 = 1 B 1 /B 2 > Taşıma gücü analizlerine ek olarak blok üzerine oturan temelin konvansiyonel yöntemler kullanılarak oturma hesabının yapılması gereklidir. Bu hesaplarda jetenjeksiyon bloğu lineer elastik/tam plastik olarak modellenmelidir. Bergado vd. (1994) tarafından önerilen ve Şek. 3.8 de gösterilen basit bir hesap yöntemi bu amaçla kullanılabilir. Burada; Δh 1 :jet bloğunun elastik oturması ve Δh 2 : bloğun altındaki zeminin oturmasıdır. 96

110 Tasarım Esasları 140 Taşıma gücü faktörleri N γ ve N q N γ N q φ ( ) Şekil 3.7. Lokal göçme durumları göz önüne alınarak azaltılmış taşıma gücü faktörleri (Peck vd., 1953) Uygulanan Sürşarj, q h 1 Kolon Uzunluğu, L h 2 Şekil 3.8. Jet blok oturma hesabı (Bergado vd., 1994) 97

111 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Tekil Jet Kolonlu Radyeler Radye temeller altında taşıma gücü değerini arttırmak veya oturmaları azaltmak amacıyla tekil kolonlar yaygın olarak kullanılmaktadır (Sağlamer vd., 2001; Davie vd., 2003). Bu temel sisteminde kolonlar kazık gibi davranmaktadır. Ancak jet kolonların pürüzlülüğünün yüksek olması sürtünme yoluyla zemine yük aktarımını kazıklara oranla daha etkin kılmaktadır. Bu pürüzlülüğün katkısı Şek. 3.9 da gösterilmektedir (Garassino, 1997). Pürüzsüz kazıklarda kazık sürtünme direnci kazık/zemin temas yüzeyindeki sürtünme gerilmesinden oluşmakta, buna karşın jet kolonlarında bu direnç zeminin kayma direncine eşit olmaktadır. Q T Göçme mekanizması Kayma yüzeyi D ort Kolon gövdesi D b Şekil 3.9. Jet kolon çevresindeki pürüzlülüğün sürtünme mekanizmasına katkısı (Garassino, 1997) Tekil jet kolonunun nihai taşıma gücü, Q ULS, Bağıntı 3.11 ile ifade edilmektedir. Q ULS = P ULS + S ULS P ULS = p L. π. D b 2 4 (3.11a) (3.11b) S ULS = π D ort. τ L. dz (3.11c) L 98

112 τ L (MPa) p L (MPa) τ L (MPa) p L (MPa) Tasarım Esasları Burada; P ULS : kolonun nihai uç direnci, S ULS : kolonun nihai sürtünme direnci, p L : kolon ucundaki nihai birim taşıma gücü, τ L : kolon şaftı yüzeyindeki nihai birim sürtünme direnci ve D b : kolon taban çapıdır. Kolon geometrisi, D ort : ortalama çap ve L: boy ile tanımlanmıştır. Bustamente (2002) çeper sürtünmesi ve uç direncinin ayrı ayrı tespit edilebildiği enstrümente edilmiş tekil kolonlar üzerinde elde ettiği deneysel bulgulardan Şek da verilen abakları türetmiştir. Bu abaklarda kolonlarda mobilize olan birim sürtünme ve uç dirençlerinin nihai değerleri değişik zemin türleri için SPT ve CPT uç dirençlerine bağlı olarak verilmektedir Siltli Zemin 3.5 Siltli Zemin Killi Zemin 3.0 Killi Zemin q c (MPa) q c (MPa) (a) Çakıllı Zemin Kumlu Zemin 8 6 Çakıllı Zemin Kumlu Zemin q c (MPa) q c (MPa) SPT N SPT N (b) Şekil Jet kolonların (a) kohezyonlu ve (b) kohezyonsuz zeminlerde, kolon ve zemin arayüzündeki birim sürtünme direnci (τ L ) ve birim uç direnci (p L ) (Bustamente, 2002) 99 2

113 H Τ (0. 1D) Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Bilindiği gibi rijit jet kolonlarda nihai uç direncinin mobilize olması için yüksek deplasmanların gerçekleşmesi gerekmektedir. Şekil 3.11 de Modoni vd. (2012) tarafından derlenmiş kolonların yük-deplasman davranışı verilmektedir. Taşıma gücüne karşı güvenlik sayısı GS = 2.0 koşulunda (Q T Τ Q ULS = 0.5) kolonların düşey deplasmanları, H = ( )D aralığında oluşmaktadır. Örneğin, 100 cm çaplı bir kolona GS = 2 ye karşıt gelecek bir yükleme yapılması durumunda deplasmanların 3 mm ila 15 mm mertebesinde olması beklenmelidir. Q T Τ Q ULS Şekil Kohezyonsuz zeminlerde jet kolonlarda eksenel yükün iletimi (Modoni vd., 2012) Zmudzinski ve Motak (1995) kazıklar ve mini kazıklar için önerilmiş olan Polonya Standartlarını ve jet kolonlar üzerinde yapılmış yükleme deneyleri sonuçlarını kullanarak, kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde nihai birim sürtünme ve uç dirençlerini kohezyonlu zeminlerde likidite indeksi (LI) ve kohezyonsuz zeminlerde bağıl yoğunluk (D r ) cinsinden Tablo da vermektedirler. 100

114 Tasarım Esasları Tablo 3.3. Kohezyonsuz zeminlerde jet kolonların yanal yüzeylerindeki birim sürtünme dirençleri τ Lk karakteristik değerleri (Zmudzinski ve Motak, 1995) Zemin Tipi D r %20 %33 %50 %67 %80 %90 τ Lk (kpa) Çakıl, çakıllı kum İri ve orta taneli kum İnce ve siltli kum Tablo 3.4. Kohezyonlu zeminlerde jet kolonların yanal yüzeylerindeki birim sürtünme dirençleri τ Lk karakteristik değerleri (Zmudzinski ve Motak, 1995) Zemin Tipi LI < τ Lk (kpa) Nebati toprak, kumlu Sıkı toprak, kil Silt, kumlu silt Tablo 3.5. Kohezyonsuz zeminlerde jet kolonların birim uç dirençleri p L değerleri (Zmudzinski ve Motak, 1995) Zemin Tipi D r %20 %33 %67 %100 p L (kpa) Çakıl, çakıllı kum İri ve orta taneli kum İnce kum Siltli kum

115 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Tablo 3.6. Kohezyonlu zeminlerde jet kolonların birim uç dirençleri p L değerleri (Zmudzinski ve Motak, 1995) Zemin Tipi LI < p L (kpa) Nebati toprak, çakıllı, çakıl-kum-kil karışımı Topraklı kum, kumlu toprak, toprak, siltli toprak Sıkı kumlu toprak, sıkı toprak, sıkı siltli toprak, kumlu kil, kil, siltli kil Kumlu silt, silt Jet Kolonların Yatay Yükler Altındaki Davranışı Tekil jet kolonların yatay yük kapasitelerinin belirlenmesinde kazıklarda yaygın olarak kullanılan Broms teorisi kulanılmaktadır (Brom, 1964). Bu teoride hem kolon hem de zemin için rijit-tam plastik davranış modeli esas alınmakta ve kolon boyunca kolon zemin etkileşimi zemin dayanımı ve kolon çapı cinsinden Bağıntı 3.12 ile verilmektedir. p h (z) = { 9. c u(z). D kohezyonlu zeminler için 3. K p. γ. z. D kohezyonsuz zeminler için } (3.12) Burada; c u (z): derinlik boyunca drenajsız kayma dayanımı; D: kolon çapı; K p : pasif yanal toprak basıncı katsayısı ; γ: zemin birim hacim ağırlığı (doygun zeminlerde efektif birim hacim ağırlığı, γ, alınmalıdır) ve z: yüzeyden derinlik olarak tanımlanmıştır. Kolonların yatay yük kapasite değerleri de Broms teorisinde tanımlanan yanal zemin direnci dağılımına bağlı olarak limit denge prensibine göre hesaplanabilmektedir. Bu hesaplamalarda Broms teorisinde verilen abakların kullanımı da mümkündür. 102

116 Tasarım Esasları Kolonların olası yenilme mekanizmaları temel betonuna sabitlenmiş durumda kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde: (a) kısa, (b) orta ve (c) uzun kolonlar için Şek de gösterilmiştir (Croce vd., 2014). Kısa kolonlar rijit davranış gösterip deplasmanlar ötelenme şeklinde oluşmaktadır. Orta kolonlarda dönme ve tek noktada plastik mafsal oluşumu geçerlidir. Uzun kolonlarda ise iki mafsal oluşmaktadır. Orta ve uzun kolonlarda yatay yük kapasitesinin belirlenmesi için kolon kesitinin moment kapasitesinin bilinmesi gerekmektedir. Bu durumda kolonların donatılı olarak teşkili ve kolon donatı kesit geometrisine bağlı olarak (çelik boru, H profil vb.) konvansiyonel yöntemlerle moment kapasitesi hesaplanmalıdır. H p h (z) H p h (z) z p1 L L z c Kohezyonlu Zemin (a) H Kohezyonsuz Zemin p h (z) Kohezyonlu Zemin (b) Kohezyonsuz Zemin z p1 z p2 L Kohezyonlu Zemin (c) Kohezyonsuz Zemin Şekil Temele sabitlenmiş kolonlarda yenilme mekanizmaları: (a) kısa, (b) orta ve (c) uzun kolonlar (Croce vd., 2014) 103

117 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Tünellerde Kanopi Uygulamaları Kohezyonsuz zeminlerde açılan tünellerde geçici destek amaçlı inşa edilen tipik bir kanopi yapısı Şek te; inşaat aşamaları Şek te gösterilmiştir (Croce vd., 2014). Kanopi yapıları biribirinden ışınsal olarak sabit bir açıda sapan kesişen jet kolonlardan oluşmaktadır. Tasarımda kolon çapı (D), bindirme boyu (a), kolon boyu (y maks ) ile sapma açısı (β ) arasında geometrik olarak Şek teki koşulun sağlanması önerilmektedir. Uygulamada bindirme boylarının en az 2-3 m olması gereği vurgulanmaktadır. (a) (b) (c) Şekil Kanopi yapısı inşaat aşamaları (a) ilk açıklık, (b) kazı, püskürtme beton ve donatılandırma ve (c) aynı aşamaların iterasyonu (Croce vd., 2014) Şekil Tünellerde geçici destek amaçlı kanopi yapısı (Croce vd., 2014) 104

118 1.5D Tasarım Esasları y maks a 2-3m A β B β tan 1 D ( y maks a ) A B Şekil Kanopi yapılarında kolon yerleşiminde aranan geometrik koşullar (Croce vd., 2014) Jet Kolonlu Şaftlar Silindirik şaft kazılarında kesişen jet kolonlar destek yapısı olarak kullanılabilmektedir. Şaft geometrisi Şek da gösterilmektedir. Kazılar esnasında şaftın iç yüzeyine yerleştirien dairesel çelik profiller şaftın dayanma gücünü arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Şaft yapısının moment kapasitesini arttırmak amacıyla kolonlara düşey donatı yerleştirilmesi mümkün olabilmektedir. D şaft D Şekil Kesişen jet kolonlarla teşkil edilen şaftlar (Croce vd., 2014) 105

119 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Kazı sonrasında dairesel kesit yanal zemin basınçlarına maruz kalmaktadır. Bu üniform yayılı yanal zemin basıncı değeri, σ h, Bağıntı 3.13 ten hesaplanmaktadır. σ h = γzk 0 (3.13) Burada; γ: zeminin birim hacim ağırlığı, z: yüzeyden derinlik ve K 0 : sükunetteki yanal toprak basıncı katsayısıdır. Kesişen kolonlarda D: kolon çapı, s: merkezden merkeze kolon aralığı tanımlandığında efektif şaft kalınlığı, t = (D 2 s 2 ) olmaktadır. Tam dairesel ve boşluksuz bir kesit oluşturulduğu takdirde (t) kalınlığındaki şaft kesitinde sadece basınç gerilmeleri oluşacaktır. Şaftın çapının D şaft olması durumunda basınç gerilmesi değeri: σ c = σ h. (D şaft Τ 2) = γzk 0 (D şaft Τ 2) olarak belirlenmektedir. Kolonun karot basınç dayanımı q u olarak tanımlandığında kritik bir z lim derinliğinde kolon basınç dayanımı aşılmakta ve şaftın basınç gerilmeleri altında yenilmesi sözkonusu olmaktadır. Bu kritik derinlik Bağıntı 3.14 ten hesaplanmaktadır. z lim = 2q u D 2 s 2 K 0 γd şaft (3.14) Oluşturulan şaftın ring yapısında tam dairesel geometri teşkil edildiği koşulda tüm kesit basınç gerilmeleri altında olup moment tesirleri ihmal edilir seviyelerdedir. Sapmaların ve boşlukların oluştuğu ringlerde ise moment tesirlerinde önemli artışlar beklenmelidir. Croce vd. (2014) tam kesişen ve tam kesişim gerçekleşmeyen iki kesitteki moment tesirlerini Şek de karşılaştırmıştır. Şekil 3.17 de gösterildiği gibi 15 m derinlikte ringde sürekliliğin olmadığı bir durumda moment tesirleri ani olarak yükselmektedir. 106

120 Derinlik (m) Tasarım Esasları Eğilme Momenti (kn.m) Tam kesişen kolonlar Tam kesişmeyen kolonlar Şekil Ringdeki 15 m derinlikteki süreksizliğin yarattığı moment tesirleri (Croce vd., 2014) Taban Tapaları Granüler geçirimli zeminlerde yapılacak kazılarda önemli sorunlardan birisi kazı çukuruna sızacak suların bertaraf edilmesidir. Kazının yan yüzeylerinden sızacak sular teşkil edilecek geçirimsiz perdeler ile (palplanj, kesişen kazıklı veya diyafram duvarlar vb.) önlenebilmektedir. Tabandan sızacak suların önlenmesi için en etkili yöntemlerden birisi taban tapalarıdır. Tabandan sızacak sular taban kaynaması, ince danelerin yıkanarak kazı çevresinde oturmalara sebep olması, kazı çukuruna sızan suların pompajla yenilememesi gibi önemli sorunlar yaratabilmektedir. Taban tapaları yaygın olarak jet kolonlar ile teşkil edilmektedir. 107

121 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı Teşkil edilen taban tapaları geçirimsiz bir bariyer oluşturması ve yeraltı su basınçlarının yüzdürme etkisine karşı koyabilmesi kriterleri dikkate alınarak tasarlanmaktadır. Taban tapaları ayrıca iksa sisteminin stabilitesine bir rijit destek (strut) olarak da olumlu bir katkı yapmaktadır. Taban tapası uygulamasının tipik bir kesiti Şek de gösterilmektedir. Burada; h kazı : toplam kazı derinliği; h 1 : yeraltı suyu seviyesi altındaki kazı derinliği; h 3 : taban tapası kalınlığı; (h 2 h 3 ): tapa üzerinde bırakılan doğal zeminin kalınlığıdır. Genelleme amaçlı kesitte çekmeye çalışan ankrajlar gösterilmiş olup bu uygulama tapanın altındaki su basıncının kaldırma etkisinin ağırlık balansı ile karşılanamama koşulunda gerekli olmaktadır. Tapanın üzerinde bırakılan doğal zemin kütlesi ağırlık olarak su basınçlarına direnmektedir. Bu şekilde jet kütlesinin toplam metrajında bir azaltma sağladığından ekonomik bir yaklaşım olarak değerlendirilmektedir. h kazı Yeraltı suyu seviyesi h 1 Jet tapa İyileştirilmemiş zemin h 2 h 3 Ankrajlar Şekil Tipik bir taban tapası uygulama kesiti Jet kolonların oluşturduğu geçirimsiz kütle ile iksa perdesi arasındaki sürtünme direncinin güvenli tarafta kalmak koşulu ile ihmal edildiği durumda suyun kaldırma itkisine karşı güvenlik sayısı, GS up, Bağıntı 3.15 ten hesaplanmaktadır. 108

122 Tasarım Esasları GS up = γ jgh 3 + γ(h 2 h 3 ) + F i A γ w (h 1 + h 2 ) (3.15) Burada; (ΣF i /A): birim alandaki ankraj reaksiyonu katkısını ifade etmektedir. Ankraj uygulaması olmaması durumunda ve jet kolonların h 2 boyunda teşkil edilmesi durumunda (h 2 = h 3 ) Bağıntı 3.16 geçerli olmaktadır. GS up = γ jg γ w h 2 (h 1 + h 2 ) (3.16) Bu bağıntılarda; γ, γ jg, γ w : sırasıyla zeminin, jet kütlesinin ve suyun birim hacim ağırlıkları ve A: tapanın alanıdır. Tapa tasarımında güvenlik sayılarının GS up > 1 koşulu aranmakta, bazı şartnamelerde daha büyük değerler (1.1, 1.2 vb.) gerekliliği öngörülmektedir. Örneğin, Eurocode hidrostatik basınçları 1.1 katsayısı ile arttırmakta; bu etkiye direnen ağırlık yüklerini 0.9 faktörü ile azaltılmaktadır. Tapa tasarımında jet kütlenin birim hacim ağırlığı değeri de önemli bir parametre olup değişik zemin türlerinde inşa edilen jet kolonlarda farklı birim hacim ağırlıklar elde edilmektedir. Genellikle ince daneli zeminlerde göreceli olarak daha düşük, granüler zeminlerde daha yüksek birim hacim ağırlıkları rapor edilmektedir. Literatürde kolonların kuru birim hacim ağırlıklarının 16 ila 22 kn/m 3 aralığında değiştiği ifade edilmektedir. Uygulamada tek ve üç akışkanlı sistemlerle yapılan imalatlarda jet kütle birim hacim ağırlığının doğal zemin birim hacim ağırlığı mertebesinde alınması, çift akışkanlı sistemlerde ise doğal zemine oranla bir miktar düşük değerler alınması önerilmiştir (Croce vd., 2014). Geçirimsiz bir tapa oluşturulabilmesi için kolonların yeterli düzeyde birbirini keserek bindirilmesi ve monolitik bir kütle oluşturulması önemli bir proje kriteridir. Tasarımda kolon çapı (D), ve merkezden merkeze kolon aralıkları (s) iki önemli tasarım parametresidir. Geometrik olarak boşluksuz bir kütle yaratmak için (s/d) oranlarının Bağıntı 3.17 de verilen ve Şek da gösterilen kritere göre hesaplanabileceği ifade edilmektedir (Croce vd., 2014). 109

123 Jet Enjeksiyon Yapıları Tasarımı s 0.86 (eşkenar üçgen yerleşimi için) (3.17a) D s 0.71 (kare yerleşim için) (3.17b) D Eşkenar Üçgen Yerleşim Kare Yerleşim 60 s s Şekil Boşluksuz bir tapa için gerekli minimum (s/d) oranları Modoni vd. (2016) taban tapasında Şek de gösterilen üç farklı yenilme mekanizmasının oluşabileceğini ifade etmektedirler: i. Sistemin Topyekün Yüzmesi (Şek (a)): Su basıncının; zemin-iksa arasındaki sürtünme direnci ile dengelenememesi durumu. Bu durumda tüm yapının yukarı hareketi sözkonusudur. ii. Tapanın Yüzmesi (Şek (b)): Su basıncının, tapa ağırlığı ve tapa-iksa arasındaki sürtünme direncinin toplamı ile dengelenememesi durumu. Bu durumda tapanın yukarı hareketi sözkonusudur. iii. Tapanın Yapısal Olarak Yenilmesi (Şek (c)): Tapanın yeteri kadar kalın olmadığı durumda su basıncının yaratacağı moment tesirlerine direnememesi ve göçmesi. Modoni vd. (2016) her üç mekanizma için analiz yöntemlerini ve takip edilecek tasarım kriterlerini vermişlerdir. Zemin ile iksa yapısı arasında birim sürtünme direnci (τ t ) Bağıntı 3.18 den hesaplanabilmektedir. τ t = K s. tanφ a. σ (3.18) 110

124 Tasarım Esasları Burada; σ : düşey efektif gerilme, K s : yanal toprak basıncı katsayısı ve φ a : zemin iksa duvarı arayüzündeki sürtünme açısıdır. Yanal toprak basıncı katsayısı (K s ) deplasmanlara bağlı olarak aktif veya sükunetteki toprak basıncı katsayıları arasında bir değer, veya güvenli tarafta kalmak koşulu ile aktif katsayı mertebesinde alınabilir. Duvar-zemin sürtünme açısı (φ a ) değeri için ise kazıklar için önerilen kriterler kullanılabilir. (a) (b) (c) Şekil Taban tapasında gelişebilecek farklı yenilme mekanizmaları (Modoni vd., 2016) 3.5. Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı Deterministik yaklaşımla zeminin sıvılaşmaya karşı güvenlik durumu Seed ve Idriss (1971) tarafından Bağıntı 3.19 da verilen güvenlik sayısı (GS) kavramı ile tanımlanmıştır. GS = CRR (3.19) CSR Burada; CRR: devirsel direnç oranı, CSR: devirsel gerilme oranı olup Bağıntı 3.20 den hesaplanmaktadır. CSR = 0.65 a max g σ v0 σ v0 r d (3.20) Burada; a max (g): zeminde oluşan yatay ivmenin maksimum değeri, g: yerçekimi ivmesi, σ v0 ve σ v0 : incelenen derinlikte toplam ve efektif düşey gerilme ve r d : derinlik azaltma katsayısı olup Bağıntı 3.21 den hesap edilebilir. 111

125 Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı z < 9.15 m için z r d = { 9.15 m < z < 23 m için z } (3.21) Burada; z: incelenen derinliktir (m). Devirsel direnç oranı (CRR) ise zeminin SPT-N veya CPT uç direnci q c değerleri ile tayin edilmektedir. Seed ve De Alba (1986) tarafından önerilen devirsel gerilme oranı (CSR) ile zeminin devirsel direnç oranını temsil eden SPT-N değeri arasındaki ilişki Şek deki abakta verilmektedir. Buradaki (N 1 ) 60 değeri zemin örtü yükü için düzeltilmiş değerdir. Bu abakta; FC : zemindeki ince dane yüzdesi (< mm dane boyutu, % silt+kil) ve M w : depremin moment büyüklüğüdür (moment magnitude). Eğer incelenen derinlikteki bir kum biriminde CSR ve (N 1 ) 60 değerleri ile temsil edilen nokta Şek de tanımlanan sınır çizgilerinin sağında kalıyor ise zeminde sıvılaşma riski yoktur (GS > 1.0). Nokta sınır çizgisinin solunda kalıyor ise zeminde sıvılaşma riski vardır (GS < 1.0) ve önlem alınmalıdır. Doğal haldeki zeminin sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısının hesaplanması için değişik yöntemler önerilmiştir. Burada, Youd (1991) tarafından önerilen basit bir yöntem sunulmuştur. Bu yöntemde depremin yaratacağı devirsel gerilme oranı CSR, Bağıntı 3.20 de verilen eşitlikten hesaplanır. Zeminin (N 1 ) 60 değerinden Şek e girilerek sıvılaşmayı tetikleyecek CSR değeri okunur ve zeminin devirsel direnç oranı CRR olarak tanımlanır. Sonuç olarak zeminin sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısı Bağıntı 3.22 den hesaplanır. GS = Şekil 3.21 den bulunan CRR Denklem 3.20 den hesaplanan CSR (3.22) Örneğin; (N 1 ) 60 = 15 değerine sahip bir kum tabakasının bulunduğu bölge için Bağıntı 3.20 den hesaplanan CSR değeri 0.30 ise Şek (a) da CRR değeri 0.17 olarak belirlenir ve GS = 0.17 / 0.30 = 0.57 olarak hesaplanır. 112

126 Devirsel gerileme oranı, CSR Devirsel gerileme oranı, CSR Tasarım Esasları (a) Temiz kumlar ince malzeme % Sıvılaşma Bölgesi Sıvılaşma Olmayan Bölge M w = 7.5 depremleri 0 SPT (N 1 ) (a) (b) Siltli kumlar ince malzeme = %35 %15 % Sıvılaşma Bölgesi Sıvılaşma Olmayan Bölge M w = 7.5 depremleri 0 SPT (N 1 ) (b) Şekil SPT-N değerine bağlı sıvılaşma direnci (a) temiz kumlar ve, (b) siltli kumlar (Ferrito, 1997) Baez (1995) zemin içerisine yerleştirilen rijit kolonlarda deprem halinde zemin ile aynı birim kayma birim deformasyonları oluşacağı ve deprem kayma 113

127 Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı gerilmelerinin kolonları çevreleyen zemin ve rijit kolon tarafından paylaşılacağını ifade etmektedir. Bu durumda depremde oluşan kayma gerilmeleri, kolon ile zemin arasındaki rijitlik farkı nedeniyle nisbeten daha rijit olan kolonlar üzerinde yoğunlaşacaktır. Bu yaklaşımda Bağıntı 3.23 ve 3.24 geçerli olmaktadır. γ s = γ c (3.23) τ s G s = τ c G c (3.24) Burada; γ s : zemindeki kayma birim deformasyonu, γ c : kolondaki kayma birim deformasyonu, τ s : zemindeki kayma gerilmesi, τ c : kolondaki kayma gerilmesi, G s : zeminin kayma deformasyon modülü ve G c : kolonun kayma deformasyon modülüdür. Kuvvetler dengesi prensibine göre deprem durumunda kompozit sistemdeki (kolon + zemin) toplam kayma kuvveti, zemindeki ve kolondaki kayma kuvvetlerinin toplamına eşit olacaktır (Bağıntı 3.25). τ d A T τ s A s + τ c A c (3.25) Burada; τ d : depremin yarattığı kesme gerilmesi = 0.65(a max Τ g)σ v0 r d (Seed ve Idriss, 1971), A t : bir kolonun toplam etki alanı = A s + A c, A s : zemin alanı ve A c : kolon kesit alanıdır. Bu değerler kullanılarak alan oranı (a r ) ve kayma modülü oranı (G r ) ise Bağıntı 3.26 ve 3.27 ile tanımlanmaktadır. a r = A c Τ A (3.26) G r = G c Τ G s (3.27) Buna göre, zemindeki ve kolondaki kayma gerilmeleri alan oranı ve kayma modül oranı cinsinden Bağıntı 3.28 ve 3.29 daki gibi ifade edilebilmektedir. τ τ c = [a r + 1 (3.28) G (1 a r )] r 114

128 Tasarım Esasları τ s = τ c Τ G r (3.29) Bu bağıntılardan kayma gerilmelerinin kayma modülü oranı ile doğru orantılı olarak kolonlara aktarıldığı ve zemindeki kayma gerilmelerinin büyük ölçüde azaldığı, dolayısıyla sıvılaşmaya karşı kayda değer bir iyileşme oluştuğu yorumu yapılabilmektedir. Baez (1995) sıvılaşmaya karşı zeminde teşkil edilen kolonların deprem kayma gerilmelerindeki etkisini Bağıntı 3.30 da gösterildiği gibi iyileşme sonrası azaltılmış olan deprem kayma gerilmelerinin orijinal zemindeki kayma gerilmelerine oranı olarak tanımlanan K G azaltma faktörü ile ifade etmiştir. K G = τ s = CSR i τ d CSR (3.30) Burada; CSR i : iyileşme sonrası devirsel gerilme oranıdır. İyileşme sonrası yapılacak analizlerde Seed ve Idriss (1971) sıvılaşma abaklarına CSR i = K G CSR değerinden girilerek sıvılaşma potansiyeli belirlenmelidir. Baez (1995) yukarıda açıklanan yöntemi bir parametrik çalışma ile Şek de gösterilen tasarım abağına dönüştürmüştür. Bu abak orjinal olarak taş kolon uygulamaları için türetildiğinden modül oranları G r = 2 7 aralığı için verilmiştir. Aynı prensiplerin jet enjeksiyon kolonlarına uyarlanması durumunda modül oranları G r > 20 değerlerine ulaşılmaktadır. Özsoy ve Durgunoğlu (2003) bu uyarlamayı yapmışlar ve Şek deki abaktakinden daha yüksek modül oranları için Şek te gösterilen abağı türetmişlerdir. Açıklanan bu yaklaşımlarda zeminde ve zemin içerisinde teşkil edilen rijit kolonlarda sismik kayma birim deformasyonlarının uyumlu olması şartı öngörülmektedir. Ancak Rayamajhi vd. (2014, 2015 ve 2016) ve Boulanger (2012) jet enjeksiyon uygulamalarında modül oranının yüksek olması nedeniyle rijit kolonlarda zemine oranla daha küçük birim kayma deformasyonları oluşacağını nümerik analizlerle göstermişlerdir. Dolayısıyla yüksek modül oranlı sistemlerde kayma birim deformasyonlarında bir uyumsuzluk olacağını ifade 115

129 Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı etmişlerdir. Araştırmacılar deformasyonlardaki bu uyumsuzluk nedeniyle Özsoy ve Durgunoğlu (2003) tarafından türetilen ve Şek te gösterilen tasarım abağından elde edilen devirsel gerilme oranındaki azalımın gerçekleşmeyeceğini ve bu yaklaşımın güvensiz tarafta kalacağını vurgulamıştır CSR azaltma faktörü, K G G r = 2 G r = 3 G r = 4 G r = 5 G r = Alan oranı, a r Şekil Azaltım faktörü alan oranı rijitlik oranı ilişkisi (Baez, 1995) CSR azaltma faktörü, K G G r =10 G r =15 G r =20 G r =25 G r =30 G r =40 G r =50 G r =75 G r =100 G r =125 G r = Alan oranı, a r Şekil Azaltım faktörü alan oranı rijitlik oranı ilişkisi (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003) 116

130 Tasarım Esasları Rayamajhi vd. (2014) ve Boulanger (2012) sismik kayma birim deformasyon oranını (γ r : rijit kolondaki kayma birim deformasyonunun zemindeki kayma birim deformasyonuna oranı) tanımlayarak sonlu elemanlar analizi sonuçları ile iyileşme sonrası devirsel gerilme oranı değerindeki azalımı Şek te gösterildiği gibi modellemişlerdir. Buna göre, rijitlik oranı ve alan oranına bağlı olarak zemin ve kolon kayma birim deformasyonlarının uyumlu olması kabülünde azaltım faktörü (K G ) 0.1 mertebelerine kadar düşerken, uyumsuz olması durumunda bu değer arasında değişmektedir K G Analiz Sonuçları G r = G r =5 G r =10 G r =5 G r =10 G r =10 G r = G r =25 G r = Alan oranı, a r (%) Alan oranı, a r (%) (a) (b) Şekil Zemin ve kolon birim deformasyonlarının (a) uyumlu (γ s γ c ) olması (küçük modül oranı) ve (b) uyumsuz (γ s > γ c ) olması (yüksek modül oranı) durumlarında CSR değerindeki azaltma faktörleri (K G ) (Boulanger, 2012) Şekil 3.24 (a) ve (b) de verilen azaltma faktörleri analitik olarak da sırasıyla Bağıntı 3.31 ve 3.32 den de hesaplanabilmektedir. K G 1 K G = G r a r + (1 a r ) 1 K G = γ r G r a r + (1 a r ) (3.31) (3.32) 117

131 Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı Bu yaklaşımda örneğin a r = %20 ve G r = 25 durumu için CSR değerindeki azaltma faktörü: Uyumlu birim deformasyon kabulünde : K G = 0.20 (Şek (a)) Uyumsuz birim deformasyon kabulünde K G = 0.83 (Şek (b)) olarak elde edilmektedir. Rayamajhi vd. (2014) nümerik analizler sonuçlarına göre kayma birim deformasyon oranını modül oranı cinsinden Bağıntı 3.33 ile belirlenebileceğini ifade etmiştir. γ r = 1.04G r (3.33) Boulanger (2012) sonlu elemanlar analizleri ile birim deformasyon oranlarının (γ r ) modül oranına (G r ) bağlı olarak mertebelerini Şek te vermektedir. Şekil 3.25 te görüldüğü gibi jet kolonlar için geçerli modül oranı G r 25 koşulunda γ r 0.05 mertebesinde küçük deformasyon oranları elde edilmektedir. Bu durumda hesaplanacak CSR değerindeki azalım faktörü K G değerleri Şek te önerilen değerlerden mertebe farkıyla büyük olmaktadır. Sonuç olarak araştırmacılar uyumlu birim deformasyon kabulüne dayalı yaklaşımların taş kolonlar gibi göreceli olarak küçük modül oranları için geçerli olabileceğini, jet kolonlarda olduğu gibi uyumlu olmayan birim deformasyon koşullarında bu yaklaşımın güvensiz tarafta kalacağı gerekçesiyle ile gerçekçi sonuçlar vermeyeceğini ifade etmektedirler. Konu ile ilgili güncel literatür, birim deformasyon oranı etkisinin tasarım aşamasında mutlaka sonlu elemanlar analizleri ile desteklenmesi gerekliliğini vurgulamaktadır (Rayamajhi vd., 2014, 2015 ve 2016; Boulanger, 2012; Olgun, 2010 ve Martin vd., 2007). Boulanger (2012) sıvılaşmaya karşı önlem olarak belli bir karelajla uygulanan tekil kolonlar yerine Şek da gösterilen bindirmeli kolonlarda oluşan paneller ile teşkil edilen kafes sistemini önermektedir. Bu uygulama derin karıştırma yöntemi için önerilmiş olmakla birlikte, prensip olarak bindirmeli jet kolonlar için de geçerli olduğu yönünde değerlendirilmiştir. 118

132 Derinlik (m) Tasarım Esasları 0 γ r G r = 5 G r = 10 G r = 15 G r = 25 G r = 50 G r = Şekil Çap/boy (L/D) = 9 ve a r = %20 için γ r değerleri (Boulanger, 2012) Kafes sistemi uygulaması ile ilgili olarak literatürden örnekler Şek de gösterilmektedir. Şekil Panellerden oluşan kafes sistemi (Boulanger, 2012) 119

133 4.9 m 15 m 6.4 m 6.4 m 4.8 m 4.9 m Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı Memba tarafındaki geçirimsizlik perdesi İyileştirilmiş kısım İyileştirilmemiş kısım M8 Mütemadi temel M9 M10 M4 M5 M6 M7 0.9 m M1 M2 M3 Zemin-çimento kolonu (a) (b) Şekil Kafes sistemi uygulamalarından örnekler (a) Jackson Gölü Barajı Projesi (Pujol-Rius vd., 1989) ve (b) Kagoshima (Japonya) şehrinde bir bina temeli iyileştirmesi (Babasaki, 1991) Kafes sisteminde sıvılaşmaya karşı iyileşme aşağıdaki nedenlerle oluşmaktadır: i. Hücre içerisindeki zeminde depremin oluşturacağı kayma birim deformasyonları ve dolayısıyla boşluk suyu basıncındaki yükselmeler sınırlanmaktadır. ii. Kafes içerisinde hapsolmuş zemin ve panellerden oluşan kompozit malzemenin dayanımı artmakta ve sıkışabilirliği azalmaktadır. iii. Sıvılaşma sonrası oluşacak oturmalar önemli ölçüde azalmaktadır. iv. Kafes çevresindeki orijinal zeminde gelişen aşırı boşluk suyu basınçlarının yapı bölgesine nüfuz etmesi önlenmektedir. Ancak literatürde bu uygulamanın yerleşmiş ve yaygın olarak kabul görmüş bir tasarım yöntemi bulunmamaktadır. Kafes boyutlarının Şek de görüldüğü gibi 5 m 6 m mertebesinde olabileceği değerlendirilmiştir. Olgun vd. (2010) yaptıkları üç boyutlu dinamik sonlu elemanlar analizleri sonuçlarına göre kafes şeklindeki uygulamaların deprem yüzey yer hareketlerini önemli ölçüde azalttığını (~%40) ifade etmektedirler. Araştırmacıların analiz sonuçlarına dayalı bulguları Şek de gösterilmektedir. Şekil 3.28 de 120

134 İyileştirilmiş zemindeki maksimum yer ivmesinin iyileştirilmemiş zemindekine oranı 30 m İvme (g) İvme (g) Tasarım Esasları görüldüğü gibi kafes sistemi uygulamasında maksimum yer ivmesi %10, %24 ve %36 alan oranları için yaklaşık %10, %25 ve %40 mertebesinde azalmaktadır. Yer hareketlerindeki bu düşüşler üst yapı tesirlerinde de bir azalmaya neden olmaktadır. Araştırmacılar bu konuda araştırmaların devam ettiğini ifade etmişlerdir Yumuşak zemin profili İyileştirilmiş zemin profili N = 10 Zemin Sınıfı: E Zemin-çimento paneller a r = % Plan Görünümü 0.8 Sarsma tablası Numerik Analizler İyileştirme alan oranı, a r (%) Şekil Kafes uygulamasında maksimum yer ivmesindeki azalım mertebesi (Olgun vd., 2010) Boulanger (2012) yine sonlu elemanlar analizleri ile kafes sistemi uygulamalarında kayma birim deformasyonlarının uyumlu olduğu kabulünün (γ r = 1) tekil kolonlara kıyasla gerçeğe daha yakın sonuçlar verebileceğini ifade 121

135 Jet Kolonların Sıvılaşmaya Karşı Tasarımı etmektedirler. gösterilmiştir. Bu çalışmadan elde edilen analiz sonuçları Şek da K G Şekil 3.29 da %20 alan oranı koşulunda hesaplanan CSR değerindeki azalım faktörü (K G ) değerleri: - G r = 13.5 için uyumlu birim deformasyon kabulüne göre K G = 0.43, sonlu elemanlar analizi sonucunda K G = 0.51; - G r = 20.0 için uyumlu birim deformasyon kabulüne göre K G = 0.35, sonlu elemanlar analizi sonucunda K G = 0.35; - G r = 50.0 için uyumlu birim deformasyon kabulüne göre K G = 0.18, sonlu elemanlar analizi sonucunda K G = 0.27 olarak belirlenmektedir Sonuçlar Sonuçlar G r =13.5 G r =13.5 G 0.8 r =20.0 G r =20.0 G r =50.0 G r = γ r = 1 denklemi Bağıntı G r =13.5 G r = a r K G a r (a) (b) Şekil (a) γ r = 1 ve C G = 0.5 için K G değerleri ve (b) γ r ve C G değişkenlerine bağlı K G değerleri (Boulanger, 2012) Bu bulgular sonucunda kafes sistemi uygulamalarında uyumlu birim deformasyon kabulünün mertebe olarak sonlu elemanlar modellemesi ile makul mertebede tutarlı olduğu değerlendirilebilmektedir. Araştırmacı kafes sistemlerde K G faktörü için Bağıntı 3.34 ü önermiştir. Burada; C G : şekil faktörü olarak tanımlanmış olup kafes sistemler için yaklaşık C G = 0.5 alınmaktadır. K G = 1 γ r G r C G a r + (1 a r ) (3.34) 122

136 Tasarım Esasları 3.6. İyileştirilmiş Zeminde Kompozit Malzeme Parametreleri Bu yaklaşım ile jet kolonlar ile iyileştirilmiş zemin tek bir malzeme olarak temsil edilmektedir. İyileştirmenin zeminin tamamında alan yerdeğiştirme oranına (a r ) bağlı olarak etkili olacağı kabülü ile jet kolon ve zeminin iyileştirme öncesi dayanım parametrelerinin alan oranı değeri ile ağırlıkları belirlenerek kompozit malzeme parametreleri hesaplanmaktadır. Buna göre, jet kolon malzemesinin kohezyonlu olduğu varsayılarak (φ jg = 0, c jg = q u Τ 2 kabülü ile) kompozit malzemenin birim hacim ağırlığı (γ komp ), kohezyonu (c komp ), kayma direnci açısı (φ komp ) ve deformasyon modülü (E komp ) Bağıntı den hesaplanabilmektedir. γ komp = γ(1 a r ) + γ jg a r (3.35) c komp = c s (1 a r ) + c jg a r (3.36) φ komp = tan 1 [a r tan φ s ] (3.37) E komp = E s (1 a r ) + Ea r (3.38) Burada; γ, c s, φ s ve E s : sırasıyla zeminin birim hacim ağırlık, kohezyon, kayma direnci açısı ve deformasyon modülü değerleri; γ jg, c jg ve E: sırasıyla jet kolon malzemesinin birim hacim ağırlık, kohezyon (= q u 2 Τ ) ve deformasyon modülü değerleridir. 123

137 Kaynaklar 3.7. Kaynaklar AGI (2012). Jet Grouting Guidelines, Associazione Geotecnica Italiana: 69 syf [İtalyanca]. Babasaki, R., Suzuki, K., Suzuki, Y. ve Fujii, N. (1991). Cell Type Foundation Improved by Deep Cement Mixing Method against Liquefaction: Centrifugal Vibration Tests on Cell Type Foundation, 26th Soil Engineering Research Conference, Nagano, Japonya. Baez, J. I. (1995). A Design Model for the Reduction of Soil Liquefaction by Vibro-Stone Columns Ph.D. Dissertation, Univ.of South Caroline, LA, CA, 207 syf. Bergado, D. T., Chai, J. C., Balasubramaniam, A. S. (1994). Improvement Techniques of Soft Ground in Subsiding and Lowland Environment, A. A. Balkema, Rotterdam, Brookfield. Boulanger, R. W. (2012). Shear Reinforcement Effects for Liquefaction Mitigation PEER Annual Meeting Berkeley, CA, October 26-27, 2012 UC Davis. Bustamante, M. (2002). Les Colonnes de Jet Grouting, Report of the Seminar: Pathologies des Sols et des Foundations, Developpement/theseset-publications: 6 p [Fransızca]. Croce, P., Flora, A. ve Modoni, G. (2014). Jet Grouting Technology, Design and Control, CRC Press: Taylor & Francis Group. Davie, J., Pyial, M., Anver, A. ve Tekinturhan, B. (2003). Jet-Grout Columns Partially Support Naturaldraft Cooling Tower, Proceedings of the 12th Pan- American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering: Cambridge, MA: ASCE GeoInstitute: syf:

138 Tasarım Esasları DIN 4093 (2012). Design of Ground Improvement: Jet Grouting, Deep Mixing, or Grouting, Standard of the Deutsches Institut für Normung, 2012 ed.: Düsseldorf, Germany: 17 syf. Ferrito, J. M. (1997). Seismic Design Criteria for Soil Liquefaction Naval Facilities Engineering Service CenterTechnical Report TR-2077-SHR, California, ABD. Garassino, A. L. (1997). Design Procedures for Jet-Grouting, Seminar on Jet Grouting, Singapore, 7th April. GI-ASCE (2009). Jet Grouting Guideline, Geo Institute of ASCE, Grouting Committee Jet Grouting Task Force, American Society of Civil Engineers: 29 syf. JJGA (2005). Jet Grouting Technology: JSG Method, Column Jet Grouting Method, Technical Information of the Japanese Jet Grouting Association, 13th ed. (İngilizce tercümesi), October 2005: 80 syf. Martin, J. R. ve Olgun, C. G. (2007). Liquefaction Mitigation Using Jet- Grout Columns 1999 Kocaeli Earthquake Case History and Numerical Modeling, 4th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering June 25-28, 2007 Paper No Modoni, G., Bzówka, J., Juzwa, A., Mandolini, A. ve Valentino, F. (2012). Load Settlement Responses of Columnar Foundation Reinforcements. Proceedings of the ISSMGE TC211 International Symposium on Ground Improvement 3, Brussels, Belgium, May 31 June 1, 2012: syf: Modoni, G., Alessandro Flora, A., Lirer, S., Ochmański, M. ve Croce, P. (2016). Design of Jet Grouted Excavation Bottom Plugs, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, March

139 Kaynaklar Olgun, C. G. (2010). "Seismic Response of Columnar Reinforced Ground", International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics 10. Olgun, C. G. ve Martin, J. R. (2010). Seismic Performance of Soil-Mix Panel Reinforced Ground, 5th. Int. Conf. on Recent Advences in Geotechnical Earthquake Engnr. and Soil Dynamics, San Diego, Kaliforniya. Özsoy, B. ve Durgunoğlu, H. T. (2003). Sıvılaşma Etkilerinin Yüksek Kayma Modullü Zemin-Çimento Kaışımı Kolonlarla Azaltılması, 5. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, Mayıs 2003, İstanbul. Pujol-Rius, A., Griffin P., Neal, J. ve Taki, O. (1989). Foundation Stabilization of Jackson Lake Dam, 12th. ICSMFE, Brezilya. Rayamajhi, D., Nguyen, T. V., Ashford, S. A., Boulanger, R. W., Lu, J., Elgamal, A., ve Shao, L. (2014). Numerical Study of Shear Stress Distribution for Discrete Columns in Liquefiable Soils Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 140, Issue 3, Paper No Rayamajhi, D., Tamura, S., Khosravi, M., Boulanger, R. W., Wilson, D. W., Ashford, S. A., ve Olgun, C. G. (2015). Dynamic Centrifuge Test to Evaluate Reinforcing Mechanisms of Soil-Cement Columns in Liquefiable Sand Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 141, Issue 6, Paper No Rayamajhi, D., Ashford, S. A., Boulanger, R. W., ve Elgamal, A. (2016). Dense Granular Columns in Liquefiable Ground: I: Shear Reinforcement and Cyclic Stress Ratio Reduction Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 142, Issue 7, Paper No

140 Tasarım Esasları Sağlamer, A., Düzceer, R., Gökalp, A. ve Yılmaz, E. (2001). Recent Applications of Jet Grouting for Soil Improvement in Turkey, Proceedings of the 15th ICSMGE Istanbul, Turkey, August 27 31: syf: Seed, H. B. ve De Alba, P. (1986). Use of SPT and CPT Tests for Evaluating the Liquefaction Resistance of Sands Clemence, S.P. ed., Use of In-situ Tests in Geotechnical Engineering, New York, ASCE, syf: Seed, H. B. ve Idriss, I. M. (1971). A Simplified Procedure for Evaluating Soil Liquefaction Potential, JSMFD, ASCE, SM6. Youd, T. L. (1991). Mapping of Earthquake-induced Liquefaction for Seismic Zonation. Proceedings Fourth International Conference on Seismic Zonation, Stanford, CA. Żmudziński, Z. ve Motak, E. (1995). Ocena Obliczeniowa Nośności Pali Wykonywanych Metodą Wysokociśnieniowej Iniekcji Strumieniowej (Design Procedures for Calculation of Bearing Capacity of Jet Grouting Piles), Sesja naukowa, Gdańsk 127

141

142 Kalite Kontrol ve Denetim Bölüm 4 KALİTE KONTROL VE DENETİM 4.1. Genel Jet enjeksiyon ile yapılan zemin iyileştirme projelerinde kontrol ve denetim işlemleri aşağıda sıralanan belirsizlikler nedeniyle önem kazanmaktadır: (i) (ii) (iii) Tasarımda öngörülen boyut (çap) ve kolon mekanik özelliklerinin (drenajsız kayma dayanımı ve deformasyon modülü) imal edilen elemanlarda sağlanıp sağlanmadığı Kolon-zemin etkileşiminin tasarımda öngörülen davranışa uygun olup olmadığı Yapılan imalatın çevre yapılarda olumsuz etkilerinin olup olmadığı Bu belirsizliklerin risk oluşturmaması ve imalatın tasarımın amacına uygun olacak şekilde yapılabilmesi için aşağıda sıralanan kalite kontrol ve denetim ana kalemlerinin dikkatlice gerçekleştirilmesi öngörülmektedir: (i) (ii) (iii) (iv) (v) İmalatta kullanılacak malzeme özelliklerinin tasarımda öngörülen kriterlere uyması İnşaat aşamasında doğru yöntem ve ekipmanların kullanılması Kolon boyutlarının ve kolon malzemesinin mekanik özelliklerinin proje kriterlerine uygunluğu Jet kolonlardan teşkil edilen yapının performansının yeterliliği Jet imalatının çevre yapılara etkisi 129

143 Zemin Etütleri EN 12716: 2001 Standardı, jet enjeksiyon uygulamalarında tasarım ve inşaat aşamalarında öncelikle aşağıdaki verilerin elde edilmesini önermektedir: - Uygulama derinliği boyunca zemin profilinin ve profili oluşturan tabakaların geoteknik özelliklerinin ayrıntılı olarak tanımlanması - Hidrojeolojik koşulların belirlenmesi - Çevresel koşulların (çevre yapılar, gömülü alt yapılar, enerji hatları vb. sınırlamalar, sahaya ulaşım) tespiti - Taşırılan atık malzemenin (spoil) çevre kirliliğine etkisi - Temel takviyesi projelerinde, yapıda ve çevre yapılarda tolere edilebilecek deformasyonların belirlenmesi 4.2. Zemin Etütleri Jet enjeksiyon uygulamaları bir tür zemin iyileştirme metodu olması nedeniyle yöntemin başarısı ağırlıklı olarak zemin özelliklerine bağlıdır. Bu nedenle de projenin ilk aşamasında sahada kapsamlı bir zemin etüdünün yapılması zorunludur. Zemin etüdünün kapsamının uygulama alanının bir miktar dışına taşırılarak, zemin profilinin çevre zemin koşulları ile korelasyonu sağlanmalıdır. Zemin etütleri kapsamında aşağıda sıralanan özel zemin koşullarının varlığının özellikle vurgulanması gereklidir: - Sert kil tabaka veya mercekleri - Yüksek organik madde içerikli katmanlar - Şişen zeminler - Yüksek hassasiyetli veya akıcı killer - Çimentolanmış tabakalar veya mercekler - Yeraltı suyu seviyesi - Artezyen basınçlı veya kapalı akiferler - Agresif zemin veya yeraltı suyu - Granüler tabakaların sıkılığı - Bloklu zeminler - İri boşluklar ve yüksek geçirimli seviyeler - Kimyasal atıklar 130

144 Kalite Kontrol ve Denetim Zemin etütleri kapsamında gerçekleştirilen sondaj ve laboratuvar deneyleri programında zemin katmanlarının su içeriği, dane dağılımı, Atterberg limitleri, sıkılık/kıvam ve kayma dayanımı özelliklerinin belirlenmesi gereklidir. Ayrıca saha deneyleri (SPT, CPT vb.) yapılarak ve mevcut korelasyonlar kullanılarak (Erol ve Çekinmez, 2014) zemin özellikleri veri tabanı zenginleştirilmeli ve zemin profilindeki değişimler detaylandırılmalıdır Jet Enjeksiyon Uygulamalarında Kullanılan Malzemeler Standart jet enjeksiyon uygulamalarında kullanılan malzemeler ağırlıklı olarak su ve çimentodur. Gerek duyulması halinde katkı malzemeleri ve donatılar da kullanılmaktadır. Malzeme özelliklerinin standartlara uygunluğu üretici şirketler tarafından verilecek sertifikalarla doğrulanmalıdır. Kullanılan malzemelerin enjeksiyonlama ve priz alma aşamalarında aksamalara neden olmaması önem arz etmektedir Çimento Üretimde olan çimento çeşitleri Tablo 4.1 de verilmektedir. Değişik çimento çeşitleri Romen rakamları ile tanımlanmış olup her çeşit için priz süresi, hidrasyon ısısı, aerasyon ve sülfat/organik maddeye karşı dayanımları farklıdır. Jet enjeksiyon uygulamalarında genellikle 32.5 N mukavemet sınıfı Tip I Portlant çimentosu kullanılmaktadır. Düşük hidrasyon ısısı veya yüksek mukavemet koşulları arandığında yüksek fırın cüruflu veya Portlant puzolanlı çimentolar önerilmektedir (Croce vd., 2014). Çimento tipinin seçiminde en önemli faktör zemin veya zemin suyu içerisinde mevcut olan sülfat miktarıdır. Sülfat miktarına bağlı olarak kullanılacak en uygun çimento tipleri Tablo 4.2 de verilmektedir. 131

145 CEM II Tablo 4.1. Üretimde olan çimento çeşitleri (TS EN 197-1, 2002) Bileşim (kütlece (1) ) % olarak Ana Genel Çimento Tipleri Ana Bileşenler Minör ilave Tipler K S D (2) P Q V W T L LL bileşenler CEM I Portlant çimentosu CEM I Portlant-cüruflu CEM II/A-S çimento CEM II/B-S Portlant-Silis dumanlı çimento CEM II/A-D CEM II/A-P Portlant-Puzolanlı CEM II/B-P çimento CEM II/A-Q CEM II/B-Q CEM III Portlant-Uçucu Küllü Çimento Portlant-Kompoze Çimento (3) Yüksek Fırın Cüruflu Çimento CEM II/A-V CEM II/B-V CEM II/A-W CEM II/B-W CEM II/A-M CEM II/B-M CEM III/A CEM III/B CEM III/C

146 Ana Tipler Tablo 4.1. (devamı) Üretimde olan çimento çeşitleri (TS EN 197-1, 2002) Bileşim (kütlece (1) ) % olarak Genel Çimento Tipleri Ana Bileşenler K S D (2) P Q V W T L LL Minör ilave bileşenler CEM IV Puzolanik Çimento (3) CEM IV/A CEM IV/B CEM V Puzolanik Çimento (3) CEM V/A CEM V/B (1) Çizelgedeki değerler ana ve minör ilave bileşenlerin toplamı ile ilgilidir. (2) Silis dumanının oranı %10 ile sınırlandırılmıştır. (3) Portland kompoze çimento CEM II/A-M ve CEM II/B-M de, Puzolanik ÇimentCEM IV/A ve CEM IV/B de, Kompoze Çimento CEM V/A ve CEM V/B de klinkerin yanındaki diğer ana bileşenler çimentoya ait işaretler çimentoya ait işaretle beyan edilmelidir. K: Kilinker, S: yüksek fırın cürufu, D: Silis dumanı, P: doğal Puzolan, Q: doğal kalsine edilmiş Puzolan, V: Silisli uçucu kül, W: Kalkerli uçucu kül, T: pişmiş şist, L: toplam organik karbon içeriği kütlece %0.50 aşmayan kalker, LL: toplam organik karbon içeriği kütlece %0.20 aşmayan kalker. 133

147 Jet Enjeksiyon Uygulamalarında Kullanılan Malzemeler Tablo 4.2. Zemin ve su içerisindeki sülfat konsantrasyonuna bağlı olarak çimento tipi seçimi (USBR, 1981) Sülfata karşı duyarlılık derecesi Zemin içerisinde suda çözülebilen sülfat (SO4 gibi) yüzdesi Su içerisindeki sülfat (SO4 gibi) (ppm) Çimento tipi İhmal edilebilir I Pozitif II Şiddetli V (1) Çok şiddetli V+ Puzolan (2) (1) Beton içerisinde kullanıldığında sülfata karşı direnç gösterebildiği tasdiklenen Portlant-puzolan çimentosu (2) İlgili testler sonucunda Tip V çimento ile birlikte kullanıldığında betonun sülfat direncini iyileştirilebileceği tasdiklenen Puzolan Katkı Malzemeleri Katkı malzemeleri, su-çimento şerbetine gerek imalat aşamasında pompalama ve enjeksiyon operasyonlarını kolaylaştırmak, gerekse kolonun mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla karıştırma aşamasında ilave edilen kimyasallardır. Kimyasalların kolon imalat ve özelliklerinde sağlayacağı iyileşmeler için mevcut beton standartları referans verilmektedir (ASTM C33, 2013). Pompaj kolaylığı, enjeksiyon sıvısının duraylılığı için kusma önleyici (anti-bleed) bentonit kullanılması önerilmektedir. Bentonit su ile karıştırıldıktan sonra yaklaşık 12 saatlik bir bekleme süresi (ön hidrasyon) sonunda enjeksiyon sıvısına ilave edilmelidir. Üretici firma bentonitin kimyasal ve minerolojik yapısı ile ilgili sertifikaları sunmalıdır. Kontrol edilmesi gereken diğer özellikler ise: bentonitin dane dağılımı, kıvam limitleri, ph değeri, su içeriği, çöktürme süresi ve Marsh viskozite değeridir. Uçucu kül kullanımı kolonun dayanım ve duraylılığını arttırıcı yönde katkıda bulunmaktadır. Kullanılacak uçucu külün kendiliğinden çimentolanma veya 134

148 Kalite Kontrol ve Denetim Ca(OH) 2 ile birlikte puzolanik reaksiyona katkıda bulunma özelliklerine sahip olup olmadığı üretici sertifikalarında belirtilmelidir. Puzolanik reaksiyon özelliği uçucu külün silika ve alümina içeriğine, ince daneli özelliğine ve karbon içeriğine bağlı olup bu özellikleri malzeme sertifikalarında yer almalıdır. Diğer kimyasal katkı malzemelerinin (sodyum silikat, barit, hematit, klorid, magnezyum, alüminyum silikat vb.) özellikleri ve kolon malzemesi üzerinde ne tür katkı yapacakları yine tedarikçi firma sertifikalarında yer almalıdır Su Enjeksiyon şerbetinin hazırlanmasında kullanılacak suyun kimyasal kompozisyonunun çimentonun hidrasyon ve priz alma mekanizmalarını engellemeyecek nitelikte olması gerekmektedir. Kullanma ve içme suyu olarak şehir şebekelerinden elde edilecek sular karışımlarda kullanılabilmektedir. Kullanılacak su ile ilgili beton standartlarında tanımlanan özellikler jet enjeksiyon uygulamaları için de geçerlidir. Bu özellikler aşağıda sıralanmaktadır: - Isı < 60 o C - Sodyum/magnezyum klorür içeriği < %3 - Amonyum sülfat içeriği < %6 - Organik madde ve kil içeriği < 2 gr/litre Bu kriterlerden klor içeriği için verilen limitler korozyon kontrolü için geçerli olup, donatısız jet kolon imalatlarında gözardı edilebilmektedir Enjeksiyon Şerbetinin Hazırlanması Enjeksiyon şerbetleri çimento ve su siloları; mikserler, karıştırıcılar, pompa ve kompresörlerden oluşan tesislerde hazırlanmaktadır. Tüm bu ünitelerin monitöre yeteri kadar sıvı besleyecek kapasitede olması gerekmektedir. Tesiste karışım dozajlarını ayarlayan tüm ekipmanların sıklıkla kalibrasyonu yapılmalıdır. Hazırlanan enjeksiyon şerbetinin enjekte edilebilme, zemini aşındırabilme (erozyon), zeminle karışabilme yeterliliklerinin belirlenmesine yönelik bir seri 135

149 μ g (ns/m 2 ) μ g (centipoises) Jet Enjeksiyon Uygulamalarında Kullanılan Malzemeler deneyler yapılması gerekmektedir. Bu deneyler çimento içeriği, şerbetin yoğunluğu ve viskozitesi, priz alma süresi ve sertleşmiş çimentonun basınç dayanımının belirlenmesine yöneliktir. Deneyler periyodik olarak alınan örnekler üzerinde laboratuvarda gerçekleştirilmelidir. Şerbetin yoğunluğu ve viskozitesi jetin zemine nüfuz etmesini doğrudan etkilemektedir. Karışım dozunun kolon imalatına uygunluğu kalibre edilmiş piknometrelerle yapılan yoğunluk ölçümleri ile belirlenebilmektedir. Enjeksiyon şerbetinin viskozitesi periyodik olarak tekrarlanan Marş Hunisi deneyleri ile ölçülmektedir (ASTM D 6910, 2009). Hedef viskozite değerlerinin mertebeleri çimento/su oranının fonksiyonu olarak Şek. 4.1 de gösterilmektedir cτ w Şekil 4.1. Enjeksiyon sıvısının viskozite katsayısının (μ g ) çimento/su ağırlık oranına bağlı değişimi (Bell, 1993) Şerbetin su kaybı, kusma (bleeding), potansiyeli ASTM C940 (2010) standardında tanımlanan çöktürme deneyi ile belirlenebilmektedir. Bu deneyde çimento şerbeti ölçekli bir mezüre doldurulup zamana bağlı olarak çöken sediman yüksekliği ölçülmektedir. Hedef değerler çimento/su oranının fonksiyonu olarak Şek. 4.2 de gösterilmiştir. 136

150 Kusma hacmi Toplam suyun hacmi c Τ w Kalite Kontrol ve Denetim İlk durumdaki sabit kusma oranı Kusma kapasitesi Zaman (dakika) Şekil 4.2. Çimento/su oranına bağlı olarak çimento-su karışımlarının kusma miktarı (Bell, 1993) Su-çimento karışımlar üzerinde yapılan yaygın deneylerden birisi de sertleşen çimentonun tek eksenli basınç dayanımının belirlenmesidir. Dayanım değeri priz alma zamanına bağlı olduğundan bu deneyler değişik priz süreleri için tekrarlanmaktadır. Priz sürelerinin hızlıca belirlenmesi için Vikat İğne Testleri (ASTM C191a, 2001) kullanılmaktadır. Priz almanın geç gerçekleşmesi karışım dozlarının uygun olmadığına veya tesisin doğru çalışmadığına işaret etmektedir. Ayrıca tesisten gelen su-çimento karışımları silindirik kaplara alınıp, priz aldıktan sonra örnekler üzerinde tek eksenli basınç dayanımı deneyleri yapılmaktadır Delgi ve Enjeksiyon İşlemleri Uygulamada jet kolonların koordinatlarının projede öngörüldüğü şekilde topografik yöntemlerle noktasal olarak aplikasyonu yapılmalıdır. Düşey olarak imal edilecek kolonlarda sapmalar ve eğimli olarak imal edilecek kolonlarda açılar delgi tijlerinin başlığına monte edilen röperlerdeki topografik ölçümler veya lazerli sistemlerle kontrol edilebilmektedir. Sapmalar özellikle geçirimsiz perdeler, kanopi yapıları ve taban tapalarında önem arz etmektedir. Modern ekipmanlarda kullanılan elektronik basınç ve yük hücreleri ile deplasman ölçerler, imalat derinliği boyunca öngörülen imalat parametrelerinin 137

151 Delgi ve Enjeksiyon İşlemleri gerçekleşip gerçekleşmediğini bir log şeklinde verebilmekte, ve bu ölçümler elektronik olarak kaydedilebilmektedir. Bu loglardan bir örnek Şek. 4.3 te gösterilmektedir. Enj. Basıncı Enj. Debisi Su Basıncı Su Debisi Hava Basıncı Hava Debisi Zaman (sn) (bar) (lt/dk) (bar) (lt/dk) (bar) (lt/sn) Şekil 4.3. Üç akışkanlı bir uygulamadan log örneği (Croce vd., 2014) Jetleme esnasında kısmen enjeksiyon sıvısı kısmen de öğütülmüş zeminden oluşan ve yüzeye taşınan çamur kıvamındaki karışım atık/taşan malzeme (spoil) olarak tanımlanmaktadır. Taşan malzemenin (spoil) izlenmesi ve değerlendirilmesi önemli kontrol kriterlerinden biridir. Taşan malzemenin miktarı, sürekliliği ve niteliği imalatın kalitesi hakkında önemli bir veri tabanı oluşturmaktadır. Bu atık malzemenin miktarı imalat esnasında sürekli olarak kontrol edilmelidir. Atık malzemenin minimumda tutulması verimlilik açısından önemlidir. Diğer taraftan atık malzemenin yüzeye ulaşmaması kuyuda bir tıkanmanın veya göçmenin belirtisi olup, basınçların hızla yükselmesine zemin yüzeyinde kabarmaların oluşmasına neden olabilmektedir. Böyle durumlarda uygulama parametreleri değiştirilmeli veya delgi aşamasında muhafaza borusu kullanılmalıdır. Alternatif olarak delgi işleminin çimento veya polimerik sondaj sirkülasyon sıvıları ile yapılması önerilmektedir. 138

152 Kalite Kontrol ve Denetim Taşan malzemenin kuyu ağzından sürekli olarak gelmesi gereklidir. Kuyu ağzı dışından malzeme gelişi olduğu durumlar zeminin enjeksiyon malzemesi ile karışmayıp, basınç altında zemini hidrolik çatlatma ile parçaladığına ve kolon oluşmadığına işaret etmektedir. Taşan malzeme miktarı göreceli olarak çakıl zeminlerde az, ince daneli zeminlerde daha fazladır. Boşluklu iri çakıllarda malzeme gelişi çok azdır veya yoktur. Böyle tabakaların zemin etütleri aşamasında tespit edilerek taşan malzeme miktarının sebebi olduğu bilinmelidir. Taşan malzemenin birim ağırlığı periyodik olarak ölçülmelidir. Enjeksiyon malzemesinin birim ağırlığı genellikle zemin birim ağırlığından daha düşüktür. Taşan malzemenin birim ağırlığının enjeksiyon şerbetinin birim ağırlığı ile benzer mertebede olması jetleme işlemininin erozyon kabiliyetinin azaldığına işaret etmektedir. Etkin bir erozyonun gerçekleştiği durumlarda taşan malzemenin birim ağırlığı zemin ile çimento şerbetinin birim ağırlıkları arasında bir değerdir Kolon Çapı Tasarımda en önemli boyut jet kolon çapıdır. Servis kolonlarının teşkili öncesinde deneme kolonları inşa edilerek kolon çapları üzerinde ölçümler yapılmaktadır. Deneme kolonlarında imalat kontrol parametreleri (yükselme adımı, yükselme ve rotasyon hızı; nozül çapı ve sayısı; enjeksiyon, hava ve su basınçları ve debileri; su-çimento oranı vb.) değiştirilerek kolonlar inşa edilmektedir. Bu kolonlar numaralandırılıp, etrafındaki zeminler sıyrılmakta ve kolon çapları doğrudan ölçüm yöntemleri ile belirlenmektedir (Şek. 4.4). Sonuç olarak, değiştirilen her parametrenin kolon çapına etkisi yorumlanarak optimum imalat kontrol seti belirlenmektedir. Bu yaklaşımda aynı zemin koşulları ve imalat kontrol parametreleri ile eşdeğer kolon çapları elde edileceği kabulü yapılmaktadır. Kontrol parametrelerini ne şekilde değiştirildiğine bir örnek Tablo 4.3 te gösterilmektedir. 139

153 Kolon Çapı Şekil 4.4. Deneme kolonları örnekleri (Kimpitis, 2013) Yeraltı suyunun mevcut olması durumunda sıyırma kazıları esnasında pompaj, nokta kuyu vb. yöntemlerle su seviyesinin düşürülmesi gerekmektedir. Bilindiği gibi zeminlerin kayma dayanımı efektif gerilmelerin artmasına paralel olarak derinlikle artmaktadır. Dayanım artışı ile derinlik boyunca kolon çaplarında da bir azalma sözkonusu olmaktadır. Croce vd. (2004) Tablo 4.3 te yer alan deneme kolonlarında ölçülen çapların derinlikle değişimini Şek. 4.5 ve Şek. 4.6 da 140

154 Kalite Kontrol ve Denetim vermektedir. Bu şekillerde kolon çapının derinlikle azaldığı açıkça görülebilmektedir. Dolayısıyla yüzeye yakın ölçümler çapların iyimser bir yansıması olup uygulamada değişik yöntemler kullanılarak kolon çaplarının derinlikle değişimi belirlenmeli ve tasarımda gerekli revizyonlar yapılmalıdır. Kolon No Tablo 4.3. Bir uygulamada farklı deneme kolonlarındaki kontrol parametreleri (örnek) Enj. Basıncı (MPa) Debi (x10-3 m 3 /sn) Nozül Sayısı Nozül Çapı (mm) Dönüş hızı (rad/sn) Ort. Yükselme Hızı (mm/sn) Birim Uzunlukta Enj. Hacmi (m 3 /m) Ort. Kolon Çapı, D ort (m) Şekil 4.5. Deneme kolonların çaplarının derinlikle değişimine bir örnek (Croce vd., 2014) 141

155 Derinlik (m) Kolon Çapı DΤ D ort Kolon #1 Kolon #2 Kolon #3 Kolon #4 Kolon #5 Kolon #6 Kolon #7 9 Şekil 4.6. Kolon çapının ortalama çapa olan oranının derinliğe bağlı değişimi (Croce ve Flora, 1988) Çap ölçümleri için aşağıda özetlenen yöntemler kullanılmaktadır (Kimpritis 2013): Açılı Karot Alma Yöntemi Düşeyle açı teşkil edecek şekilde yapılan delgiler ve kolondan alınan karot boylarının belirlenmesi sonrası Şek. 4.7 de gösterildiği gibi kolon çapları belirlenebilmektedir. Bu işlemde delginin merkezden geçmemesi kolon çapının hatalı olarak yorumlanmasına neden olabilmektedir. Keller Kumpası Yöntemi Keller tarafından geliştirilen kumpas Şek. 4.8 de gösterilmektedir. Sistem bir hidrolik pompa (kriko) ve açılabilen aynı zamanda uzayabilen iki çubuktan oluşmaktadır. Sistemde iki hidrolik devre yer almaktadır. Birinci devre kanatlar kapalı iken sistemi taze/sertleşmemiş kolon içerisine itmektedir. İkinci devre ise kanatları açarak yatay konuma getirmekte ve sonrasında çubukları yatay yönde uzatmaktadır. Bu işlemler esnasında krikodaki basınçlar sürekli olarak kaydedilmektedir. Uzayan kanatlar zemin-kolon sınırına ulaştığında basınçta ani 142

156 Kalite Kontrol ve Denetim bir artış gözlemlenmekte ve kanat ucunun tabii zemine ulaştığına işaret etmektedir. Kanadın bu boyu kolon yarıçapı olarak rapor edilmektedir. Zemin yüzeyi Ort. Kolon Çapı Jet Enj. Çapı Zemin Tabakası 1 Karot Numunesi A Karot Numunesi B Zemin Tabakası 2 Zemin Tabakası 3 Ort. Kolon Çapı Kolon Merkezi Kolon Merkezi Karot Numunesi A Karot Numunesi B Şekil 4.7. Açılı delgiler ile kolon çapı belirlenmesi (Kimpritis, 2013) 143

157 Kolon Çapı (a) (b) Şekil 4.8. (a) Keller Kumpası ve (b) kumpasın yatay konumu (Racansky, 2008) Boyalı Çubuklar Yöntemi Kolon imal edilmeden, merkezden tahmin edilen yarı çap uzaklığında üç adet boyanmış metal çubuk delgiler içerisine yerleştirilmekte ve kolon imalatından sonra çıkarılmaktadır (Şek. 4.9). Jetin çubuklara ulaştığı bölgeler boyadaki aşınmalarla izlenmekte ve bu gözlemlerden yaklaşık kolon çapı belirlenmektedir. Sonik Loglama Yöntemi Bu yöntemde imal edilmiş ve prizini almış kolon merkezinde açılan bir delgi içerisine birer adet ses dalga yayıcı ve sinyal alıcı hücreler yerleştirilmektedir (Şek. 4.10). Yayılan ses dalgaları kolon sınırından yansıyarak sinyal alıcı hücresine Δt zaman sonra ulaşmaktadır. Alınan karot örnekleri üzerinde laboratuvarda yapılan deneylerle kolon malzemesinindeki dalga hızı (v) bilinmektedir. Bu verilerden kolon çapı Bağıntı 4.1 den hesaplanabilmektedir. Yerleştirilen hücreler değişik kotlara kaydırılarak kolon çapının derinlikle değişimi rapor edilebilmektedir (Croce vd., 2004). 144

158 z (mesafe) Kalite Kontrol ve Denetim D = (v. t) 2 z 2 (4.1) Teorik jet enjeksiyon kolonu Kolon imalatı öncesinde yerleştirilen boyalı metal çubuklar Şekil 4.9. Boyalı çubuklar yöntemi uygulaması (Croce vd., 2004) Sinyal Alıcı Hücre DΤ 2 L L Dalga Yayıcı Kaynak Hücre Şekil Sonik loglama yöntemi (Croce vd., 2014) Sismik Dalga Hızı ve Elektrik Rezistansı Tomografi Yöntemleri Bu yöntemlerde imal edilmiş bir deneme kolonu etrafında birden fazla delgiler içerisine sinyal alıcılar yerleştirilmektedir. Delgiler içerisine indirilen bir sinyal vericiden yayılan dalgalar alıcı sensörler tarafından kaydedilmektedir. Sinyaller 145

159 6m Kolonların Kalitesi ve Sürekliliği sismik yöntemde ortamın dalga hızı, elektrik yönteminde rezistans olarak kaydedilmektedir. Kolon etrafında 4 delgi içerisinde yapılan ölçümler sonucu elde edilen sismik dalga hızları tomografisi Şek de gösterilmektedir. Şekil 4.11 deki değişik tondaki gölgelerden kolonun teşkil edildiği alanı ve kolon içerisindeki değişik çimento miktarlarının tespiti mümkün olabilmektedir. S1 S3 S2 S2 S4 0 0 S1 S3 6.5m Hız (km/sn) Metre Geofon Ölçek 1:100 Şekil Tek kolon üzerinde yapılan sismik tomografi ölçümlerine bir örnek (Ciufegni vd., 2007) 4.6. Kolonların Kalitesi ve Sürekliliği S Hız (km/sn) Metre Geofon Ölçek 1:100 Kolon teşkilinde zaman zaman çimento ile karışmayan seviyeler ve süreksizlikler oluşabilmektedir. Orjinal zemin ve kolon girişimlerine bir örnek Şek de gösterilmektedir. Bu örnekteki 3 m çapındaki kolonda yapılan gözlemler sonucunda kolonun içerisinde %50 - %60 oranında orjinal kil zemin girişimleri tespit edilmiştir (Kimpritis, 2013). 146

160 Kalite Kontrol ve Denetim Şekil Kolon içerisinde orjinal zemin girişimleri (Kimpritis, 2013) Kolonların sürekliliği ve kalitesi deneme kolonlarında yapılan delgilerden karot alınması ile tespit edilmektedir. Şekil 4.13 te bindirmeli kolonlarda alınan karotların dökümantasyonu gösterilmiştir (Croce vd., 2014). Burada, merkezden en uzak noktada yapılan karotlu sondaj verileri (A3) bu lokasyondan birkaç metrelik uzaklıktaki kesimlerde kolon teşkil edilemediğine işaret etmektedir. Alınan karotların niteliğine bağlı olarak kolonun kalitesi CRI (Core Recovery Index) olarak tanımlanan bir parametre ile sınıflandırılmaktadır. Yoshitake vd. (2003) tarafından önerilen ve Şek te gösterilen bu sistemde Sınıf (1): Çok İyi ve Sınıf (6): Çok Zayıf olarak tanımlanmaktadır. Kolon kalitesinin belirlenmesine yönelik hızlı bir değerlendirme yapmak amacıyla karotsuz sondaj yöntemi de uygulanmaktadır. Bu yöntemde sondaj ekipmanının rotasyon ve ilerleme hızı, uygulanan tork ve sondaj sıvısı basınçları kaydedilerek göreceli olarak zayıf ve sağlam seviyeler ayırt edilebilmektedir. 147

161 Karot şekli 20 cm Kolonların Kalitesi ve Sürekliliği A1 A2 A3 A3 A2 A1 C:5.0 F:5.6 F:7.8 S:6.1 C:4.6 C:6.4 C:12.1 S:12.0 F:6.8 C:6.0 F:10.9 F:5.5 S:2.0 S:9.2 F:8.9 C:8.9 F:8.9 S:10.9 F:11.4 F:11.4 C:8.1 C:9.6 F:11.0 S:10.9 F:11.0 Karotsuz delgi İyileştirilmemiş zemin Karot alınamamıştır Karot alınmıştır C: 9.6 Karot q u (MPa); F: 11.4 Akışkan q u (MPa); S:2.0 Atık q u (MPa) Şekil Karot alınarak kolon kalitesinin izlenmesine bir örnek (Croce vd., 2004) CRI Seviye 1 2 İyi iyileştirme Zayıf iyileştirme 6 Kum Kil Karot koşulu Çatlaksız Az Katı çatlaklı Homojen Homojen Az miktarda kumlu Az miktarda kil Kırıklı bloklu Küçük Kil molozlu katmanlı Süreksiz Süreksiz Az katı Zemin gibi Şekil CRI sınıflama sistemi (Yoshitake vd., 2003) Hiçbir şey 148

162 Kalite Kontrol ve Denetim 4.7. Kolon Malzemelerinin Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Kolonların fiziksel ve mekanik özelikleri karot örnekleri üzerinde yapılan laboratuvar deneyleri ile belirlenmektedir. Karotlar üzerinde aşağıdaki deneyler yapılmaktadır: i. Su içeriği deneyi (ASTM D2216, 2010) ii. Kuru birim hacim ağırlık deneyi (ASTM D7263, 2009) iii. Tek eksenli basınç dayanımı deneyi (ASTM C39, 2012) Eğer tasarımda Mohr-Coulomb dayanım parametreleri (kohezyon ve sürtünme direnci açısı) esas alınmış ise üç eksenli basınç deneyi yapılmalıdır (ASTM D7012, 2010). Birim ağırlık deneyleri nükleer yöntemler ile de gerçekleştirilebilmektedir (ASTM D5195, 2008). Ölçülen özellikler genellikle değişkenlik gösterdiğinden tek bir değer ile yorum yapmak mümkün olamamaktadır ve elde edilecek yeterli sayıda deney sonuçları istatistiksel olarak değerlendirilerek karakteristik parametreler türetilmelidir Yükleme Deneyleri Konvansiyonel kazıklarda olduğu gibi düşey yük taşıyacak kolonlar üzerinde yükleme deneyleri yapılarak tekil kolon taşıma gücü değerinin belirlenmesi gereklidir. Bu amaçla yapılacak deneylerin düzeneği, yükleme prosedürleri ve yük-deplasman eğrilerinden taşıma gücü belirleme yöntemleri kazıklar için verilen standart ve yöntemlerle gerçekleştirilmektedir (ASTM D1143, D1143M e1, 2007). Jet kolonlar üzerinde yapılan yükleme deneyindeki basit bir deney düzeneği Şek te gösterilmektedir. Yükleme düzeneğinde teşkil edilen betonarme başlığın kolon çevresindeki zemin ile temasının önlenmesi gerekmektedir. 149

163 Uygulama Bölgesi Çevresinde Yapılacak Gözlemler Şekil Basit bir yükleme deneyi düzeneği (Croce vd., 2014) 4.9. Uygulama Bölgesi Çevresinde Yapılacak Gözlemler Jet enjeksiyon uygulamalarının çevreye negatif etkileri arasında taşan malzemenin çevreye dağılması/yayılması, operasyon esnasında gürültü kirliliği yaratması ve titreşim etkileri sayılabilir. Bu etkileri ölçümleme teknikleri Croce vd. (2004) tarafından ayrıntılı olarak verilmektedir. Çevreye etkilerin rahatsızlık verecek boyutta olması durumunda şantiyede gerekli düzenlemeler yapılarak önlem alınmalıdır. Jet enjeksiyon uygulamalarında çevredeki yapıları olumsuz etkileyebilecek en önemli ve yaygın olarak rastlanılan durum zeminde oluşan oturma ve/veya kabarmalardır. Bu deformasyonlar çevre yapıların stabilitesini ciddi boyutta olumsuz etkileyebilmektedir. Deformasyon kontrolü konvansiyonel topografik yöntemlerle yapılmaktadır. Periyodik ölçümler sonrası tespit edilen deformasyonlar kritik mertebelere ulaştığında şantiye imkanları ile gerekli önlemler alınmalıdır. 150