ZEMİN DONATILARI İLE GÜÇLENDİRİLMİŞ ŞEVLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ

Transkript

1 6. Geoteknik Sempozyumu Kasım 2015, Çukurova Üniversitesi, Adana ZEMİN DONATILARI İLE GÜÇLENDİRİLMİŞ ŞEVLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ EVALUATION OF REINFORCED SLOPES WITH SOIL REINFORCEMENTS Bertan ÖZDEMİR 1 Burak EVİRGEN * 2 Ahmet TUNCAN 3 M. İnanç ONUR 4 Mustafa TUNCAN 5 ABSTRACT The miscellaneous slope stability elements are used in geotechnical engineering especially within the scope of solving the deep excavation and road construction problems. Reinforced soil design, is preferred as alternative method to these elements, provides an application convenience besides being extremely economical. Accordingly, experimental studies were realized on the scaled slope models at laboratory conditions due to investigation the behaviour of reinforced slopes with geotextile, geogrid and steel strips. Deformation behaviours of unreinforced and reinforced slopes were examined under the case of static vertical loading on soil surface. At the end of the study, soil bearing capacity was increased, at the same time displacement values were tried to decrease by using geogrid, geotextile and steel strips. Experimental results were presented with comparing theoretical data. Keywords: Reinforced Soil, Steel Strip, Geogrid, Geotextile, Soil Stability ÖZET Geoteknik mühendisliğinde, özellikle derin kazı ve yol inşaatlarında karşılaşılan şev stabilitesi problemlerinin çözülebilmesi amacıyla çeşitli kazı destekleme unsurları kullanılmaktadır. Bu elemanlara alternatif olarak tercih edilen donatılı zemin tasarımı ise uygulama kolaylığı sağlamasının yanı sıra son derece ekonomik olmaktadır. Bu doğrultuda geotekstil, geogrid ve çelik donatı ile güçlendirilmiş şevlerin davranışlarını inceleyebilmek için; laboratuvar ortamında ölçekli şev modelleri üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Zemin yüzeyinden statik düşey yükleme durumunda, donatısız ve güçlendirilmiş şevlerin deformasyon davranışları incelenmiştir. Bu çalışma sonucunda, deplasmanlar geogrid, geotekstil ve çelik donatı kullanılarak azaltılmaya çalışılmış olup zemin taşıma gücünün arttırılması sağlanmıştır. Deneysel sonuçlar teorik verilerle karşılaştırılarak sunulmuştur. Anahtar kelimeler: Donatılı Zemin, Çelik Donatı, Geogrid, Geotekstil, Şev Stabilitesi 1 İnş. Müh., Anadolu Üniversitesi, eftal.bozdemir@gmail.com * 2 Araş. Gör., Anadolu Üniversitesi, burakevirgen@anadolu.edu.tr (Yazışma yapılacak yazar) 3 Prof. Dr., Anadolu Üniversitesi, atuncan@anadolu.edu.tr 4 Araş. Gör., Anadolu Üniversitesi, mionur@anadolu.edu.tr 5 Prof. Dr., Anadolu Üniversitesi, mtuncan@anadolu.edu.tr

2 1. GİRİŞ Donatılı zemin uygulamasındaki temel prensip; heterojen ve karmaşık yapısından dolayı birçok belirsizlik içeren zemin davranışının, çelikten üretilen donatı, polietilen esaslı geogrid veya polyester esaslı geotekstil kullanımı ile iyileştirilmesidir. Bu malzemelerin düşük özgül ağırlığına rağmen yüksek çekme ve eğilme dayanımına sahip olmaları, donatı kullanımı için ön plana çıkmalarını sağlamaktadır. Elemanların yüzeyleri ile zemin arasındaki aderanstan kaynaklanan sürtünme davranışı donatılı zeminlerdeki en önemli tasarım unsuru olarak belirtilebilir. Donatıların kesitleri oldukça küçük olduğundan yeterli derecede çekme dayanımına sahip olması gerekliliği de bir diğer önemli parametredir. Malzemelerin karakteristik özelliklerine zarar verebilecek; ağır metal, tuz ve kimyasal gibi zeminde bulunma olasılığı olan kirleticilere karşı korunması şarttır. Aksi takdirde tasarım aşamasında hesaplanan kesit boyutları zamanla zayıflayarak, yapıyı tehlikeye atabilecektir. Genel anlamda donatılı zemin; metal veya plastik şeritler, çubuklar, geotekstiller vd. malzemelerin içine yerleştirildiği zemindir. Donatılı zeminde, aynen betonarmede olduğu gibi, donatı ile zemin arasında sürtünme gerilmeleri oluşturarak, zemin güçlendirilir. Kullanılan zemin, genellikle kohezyonsuz (kum, çakıl) zemindir [1]. Geosentetikler; insan yapımı proje, yapı ve sistemlerde; zemin, kaya, toprak veya geoteknik mühendisliği ile ilgili diğer malzemelerle birlikte kullanılan polimerik malzemelerden üretilen düzlemsel bütünleyici ürünler olarak tanımlanmaktadır [2]. Geotekstil; zeminde kullanılan geçirgen ürünlerin genel adıdır. Hammaddesi genellikle petrol bazlı olan polyester, polietilen, polipropilen veya fiberglas olabilir. Geotekstiller dokuma, keçe veya örgü olabilir, özellikle karayolu ve toprak dolgularda kullanılmaktadır. Donatılar zeminin taşıma kapasitesini arttırma ve deplasmanları azaltma amaçlı kullanılmaktadır [3]. Literatürde, donatılı zemin ile ilgili tasarım, modelleme ve deneysel uygulamaları içeren çalışmalar bulunmaktadır. Metal şerit ve geotekstil kullanımı ile donatılı zemin yapılarının teşkilinde, tasarım kriterlerini ve sınır değerleri içeren bilgisayar programı geliştirilmiştir [4]. Söz konusu çalışmada donatılı toprak sisteminin gerekli projelendirme esasları, yeterli malzeme ve işçilik şartları sağlandığı takdirde ekonomik, estetik ve güvenli yapı inşası için verimli bir yöntem olduğu belirtilmiştir. Diğer bir çalışmada kullanım alanları ile işlevleri açısından mekanik ve hidrolik başlıkları altında iki ana grupta incelenen geosentetiklerin sağladığı avantajlar bakımından geleneksel yöntemlerle kıyaslandığında etkin çözümler sunduğu belirtilmiştir [5]. Geosentetiklerin kullanım alanlarının araştırıldığı çalışmada ise geosentetiklerin donatılı seddeler ve donatılı zemin duvarlarda kullanıldığında deprem etkilerini azalttığı ve sıvılaşmaya karsı etkili olduğu; donatılı zemin duvarlarda kullanıldığında dışsal ve içsel stabiliteyi attırdığı; kil zeminlerde fitil dren kullanımı ile konsolidasyonu hızlandırdığı ve demiryolu inşaatlarında da taşıma gücünü arttırdığı belirtilmiştir [6]. Donatılı kum zemin üzerine oturan sürekli temellerin oturma miktarını etkileyen faktörleri, laboratuvar ortamındaki deneysel modelde geogrid kullanımı ile incelenen çalışmada; deneyler ve istatistiki hesaplamalar sonucunda, sınır taşıma gücüne ulaşılması için gerekli otuma miktarının %52 değeri ile en yüksek oranda temel genişliğinden etkilendiğini belirtmiştir. Temel derinliğinin ise %30 oranı ile ikinci derecede etkili parametre olduğu bildirilmiştir [7]. Geogrid donatılı kum zemin üzerine inşa edilmiş sığ temellerin taşıma kapasitesinin incelendiği çalışmada, laboratuvar ortamındaki ölçekli düzenekte şerit temel kullanımı değerlendirilmiştir [8]. Dinamik etkilerin incelendiği çalışmada, modüler blok yüzey kaplama elemanı ile granüler dolgu malzemesi kullanılarak modellenen 6 metre yüksekliğindeki istinat duvarına, sonlu elemanlar programı ile 6 saniye süresince harmonik deprem etkisi 0.2 g ve 0.4 g olmak üzere iki farklı maksimum ivme değerleri ile etki ettirilmiştir. Analizlerde; donatılı bölge

3 dolgusu, mevcut doğal zemin ve temel zemini olmak üzere 3 farklı tipte zemin kullanılmıştır. İki farklı donatı çeşidi kullanılarak, 4.2 m boyundaki donatılar düşeyde 1m olarak eşit mesafede yerleştirilmiştir. Geosentetik donatı ve modüler blok yüzey kaplaması kullanılarak granüler dolgu ile gerekli şartlarda inşa edilen istinat duvarlarının dinamik yükler altında iyi performans sergilediği belirtilmiştir [9]. Ekonomik analiz içeren çalışmada ise 5.50m yükseklikteki betonarme konsol istinat duvarı ile yine aynı yükseklikteki şev stabilitesinin sağlanabilmesi amacı ile geotekstil ve geogrid kullanımı değerlendirilmiştir. Betonarme istinat duvarın maliyetinin, geotekstil donatılı duvardan yaklaşık %71 daha pahalı olduğu, yine aynı betonarme duvarın geogrid donatılı duvardan ise yaklaşık %24 daha pahalı olduğu belirtilmiştir [10]. Geosentetik donatılı istinat duvarlarında modüler beton birimlerin cephe kaplaması olarak kullanımını değerlendirilerek, sistemin Kuzey Amerika da performans, estetik, maliyet ve yararları sayesinde rağbet kazandığı belirtilmiştir [11]. Ayrıca, saha uygulamasındaki tasarım ve inşa aşamalarını açıklayan çalışmalar da bulunmaktadır. Uşak Kışladağ Altın Madeni projesindeki ana kırıcının rampası için 22.5m yüksekliğindeki kanat duvarlarının polimer şeritli donatılı zemin duvar ile inşasının detaylarının sunulduğu çalışmada, birinci derece deprem bölgesinde yer alan ve yüksek tonajlı kamyon yüklerini maruz kalacak söz konusu duvarlar 0.4 g yatay deprem ivmesi altında palyeli tasarlanmıştır [12]. Bu çalışmadan görüldüğü üzere, duvar boyunun palyelendirilerek farklı kademelerde çözüm yapılması hem donatılara gelecek yükü azaltmakta hem de daha ekonomik çözüm sunmaktadır. Bir başka çalışmada, büyük ölçekli bir satış merkezindeki araç girişini sağlamak amacı ile inşa edilen 4 m yüksekliğinde ve 104 m uzunluğundaki geotekstil donatılı istinat duvarı tasarım ve inşası açıklanmıştır [13]. Donatılı zemin yapılarının önceki depremlerdeki performansı ve statik ile sismik sayısal analizlerinin değerlendirildiği çalışmada Davutpaşa kavşağı ve bağlantı yolları inşası durum çalışması olarak sonlu elemanlar yazılımı ile incelenmiştir [14]. 2. DENEYSEL MODELLEME Bu çalışmada, teorik hesaplara göre geotekstil, geogrid ve çelik donatı elemanları kullanılarak laboratuvarda deneysel model geliştirilmiş ve bu modellere düşey yükler uygulanarak donatılı zemin davranışı belirlenmiştir. Çalışma kapsamında, 50 cm x 50 cm boyutlarındaki zemin hücresi içerisinde ölçekli şev modeli tasarlanmıştır. 20 cm yüksekliğinde ve 50 cm genişliğindeki şev modeli 90 derece eğimle dik olarak teşkil edilmiştir. Donatısız (D), geotekstil donatılı (TD), geogrid donatılı (GD) ve çelik donatılı (ÇD) olarak 4 farkı tip şev için deneyler gerçekleştirilmiştir [15] Malzeme Özellikleri Donatılı zemin uygulamasında, tasarlanan donatıların yerleştirilmesinin ardından uygun kum veya çakıl ağırlıklı (granüler) dolgu malzemesi sıkıştırılarak serilmiştir. Deneyler kapsamında %77.6 kum, %17.8 silt ve %4.6 kil içeren ve özgül ağırlık değeri 2.67 olan dolgu malzemesi (Şekil 1), % 6.0 optimum su muhtevasında sıkıştırılarak şevler oluşturulmuştur.

4 % Geçen Dane Çapı (mm) Şekil 1. Zemin Numunesinin Dane Boyut Dağılımı Teorik hesaplar doğrultusunda temin edilen donatıların (Şekil 2) özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Geogridler 40 mm x 40 mm karelajlara sahiptir. Galvanizli çelikler ise 240 mm uzunluğunda ve 10 mm genişliğinde üretilmiş olup yatayda 20 mm aralıklarla döşenmiştir. Çelik donatılar ve geotekstil düşeyde 20 mm aralıklarla, geogrid ise gerçek ölçekli hesaplamalara göre 16 mm aralıklarla yerleştirilmiştir. Tablo 1. Donatıların Mekanik Özellikleri Donatı Ürünü Geotekstil Geogrid Galvanize Çelik Birim Hacim Ağırlık 200 gr/m gr/m gr/m 3 Çekme Dayanımı (kpa) Kalınlık (mm) Şekil 2. Kullanılan Zemin Donatıları; sırasıyla geogrid, galvanizli çelik ve geotekstil Her bir kademede donatılar (geogrid ve çelik şeritler) yerleştirildikten sonra standart proktor deneyinde uygulanan sıkıştırma enerjisi, zemin hücresindeki şev alanına eşdeğer oranda arttırılarak zemin sıkıştırılmıştır. Donatılar 5 mm şev yüzeyinden çıkacak şekilde yerleştirilmiş ve çelik hasıra bağlanmıştır. Şev yüzeyine 0.5 su/çimento oranında hazırlanan beton karışımı hazırlanarak 1.5 cm kalınlığında kaplama betonu oluşturulmuştur. Böylece, donatıların birlikte hareket etmesi sağlanmıştır (Şekil 3). Geotekstilde ise, arazi uygulamasında yapıldığı gibi, yüzeyde bohçalama gerçekleştirilerek bütünlük sağlanmıştır.

5 Şekil 3. Geogrid ile şev yapımı 2.2. Deney Düzeneği Donatılı zemin modelinde şevin yüklenebilmesi amacıyla Şekil 4 te görülen yükleme çerçevesi üretilmiştir. Çerçevenin üst bölümünde bulunan 9 ton kapasiteli Enerpac piston ile düşey yük uygulanmıştır. 10 ton kapasiteli TML yük hücresi ile düşeyde 2 adet 50 mm kapasiteli CDP50 LVDT ve yatayda şev yüzeyinden 5 cm aşağıda 2 adet 25 mm kapasiteli CDP25 LVDT ile eş zamanlı veri toplanmıştır. Şekil 4. Yükleme Sistemi 2.3. Deney Sonuçları Sisteme uygulanan düşey yük sonucunda, zeminde meydana gelen oturma miktarları Şekil 5 te verilmiştir. Donatısız şevde maksimum 3.3 kn yük değerinde göçme gözlenirken, geotekstil donatılı, geogrid donatılı ve çelik donatılı şevlerde sırasıyla 25.5, 33.4 ve 32.0 kn maksimum yük değerleri elde edilmiştir. Bu yük değerlerine karşılık yine aynı sıra ile 6.3, 28.1, 21.1 ve 20.6 mm ortalama düşey deplasman değerleri elde edilmiştir.

6 35.0 D TD GD ÇD Yük (kn) Deplasman (mm) Şekil 5. Yük - Düşey Deplasman Eğrileri Uygulanan yüke bağlı olarak zeminde meydana gelen oturmanın ardından, yükün yatay bileşeni kaplama kısmına etki ederek duvarı devirmeye çalışmaktadır. Buna bağlı olarak zemin yüzeyi veya duvar yüzeyinde meydana gelen ortalama deplasman değerleri Şekil 6 da verilmiştir. Donatısız, geotekstil donatılı, geogrid donatılı ve çelik donatılı şevler için ortalama yatay deplasman değerleri sırasıyla 4.3 mm, 8.8 mm, 7.5 mm ve 5.6 mm olarak gözlenmiştir D TD GD ÇD Yük (kn) Deplasman (mm) Şekil 6. Yük - Yatay Deplasman Eğrileri En yüksek yük değerleri piston uygulama alanına bölünerek, maksimum gerilme miktarları hesaplanmıştır. Donatısız ve geotekstil donatılı şevler için 0.86 kg/cm 2 ile 6.6 kg/cm 2 değerleri elde edilirken, sistem kapasitesini zorlamamak amacıyla geogrid donatılı ve çelik donatılı şevlerdeki deneyler yaklaşık 8.7 kg/cm 2 gerilme değerinde bitirilmiştir. Bu oranda yüksek bir gerilme değerinin şev stabilitesinde karşılaştırma yapmak adına yeterli olduğu düşünülmektedir. Ayrıca 8.7 kg/cm 2 gerilme mertebesinde, geogrid ve çelik donatılı

7 şevlerde ölçek bazında gözlenen yatay deplasman değerleri, şevlerin daha fazla yük alamayacağını kanıtlamaktadır. Deney sonunda oluşan göçme modları Şekil 7 de verilmiştir. Referans modeli olan donatısız şevde göçme mekanizması düşük gerilme altında topuk dairesi yenilmesi (toe circle) şeklinde gerçekleşmiştir. Geotekstil donatılı şevde ise hem düşey hem de yatay yönde en yüksek deplasman değerleri elde edilmiş olup, kazı yüzeyinde kısmen rijit biçimde eksenden sapma görülmüştür. Geogrid ve çelik donatılı şevler düşeyde benzer özellik sergilemişlerdir. Yatayda ise en yüksek deplasman değerleri bu iki tip şevde görülürken, çelik donatılı şev daha rijit davranmıştır. a. b. c. d. e. f.

8 g. h. Şekil 7. Göçme mekanizmaları (üst ve yan görünüş); a-b. Donatısız şev, c-d. Geotekstil donatılı şev, e-f. Geogrid donatılı şev ve g-h. Çelik donatılı şev 3.SONUÇLAR Çalışma kapsamında, donatısız, geotekstil donatılı, geogrid donatılı ve çelik donatılı olmak üzere 4 farklı tip şev için ölçekli deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular aşağıda verilmiştir. Donatısız şev 0.86 kg/cm 2 gerilme altında topuk dairesi yenilmesi şeklinde göçmüştür. Geotekstil donatılı şevde yaklaşık 7.7 (6.6 kg/cm 2 ) kat daha yüksek gerilme değeri elde edilmiştir. Geogrid ve çelik donatılı şevlerde ise bu fark 10.1 (8.7 kg/cm 2 ) kat gibi ciddi mertebelere çıkmıştır. Donatısız şevde 4.3 mm olan yatay deplasman değerinin, zemin donatıları kullanımı ile göçme anında 8.8 mm mertebelerine kadar arttığı gözlenmiştir. Hem düşey hem de yatay yönde en yüksek deplasmanlar geotekstil donatılı şevlerde görülmüştür. Gerek uygulama kolaylığı gerekse maliyeti göz önünde bulundurulduğunda geogrid ve çelik donatılı zeminler diğer şev stabilitesi yöntemlerine göre elverişli çözüm sunmaktadır. KAYNAKLAR [1] Uzuner, B.A. (2007), Temel Mühendisliğine Giriş, Dördüncü Basım, Derya Kitabevi, Trabzon. [2] ASTM D (2014), Standard Terminology for Geosynthetics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, United States. [3] Das B.M. (1984), Principles of Foundation Engineering, Brooks / Cole Engineering Division, Monterey, California. [4] Alkaya, D. ve Yeşil, B., Metal şerit ve Geosentetik Donatı Kullanılarak Oluşturulan Donatılı Zemin (Toprakarme) Yapıların Spreadsheet Kullanarak Analizi, Akademik Bilişim, Uşak Üniversitesi, [5] Yılmaz, H.R. ve Eskişar, T., Geosentetik Ürünlerin Geoteknik Mühendisliği Sorunlarının Çözümünde Kullanımı ve Sağlanan Faydalar, 2. Geoteknik Sempozyumu, Kasım 2007, Çukurova Üniversitesi, Adana.

9 [6] Yılmaz, H.R. ve Aklık P., Geosentetiklerin Muhtelif Geoteknik Problemlerin Çözümlerinde Kullanım İmkânları Hakkında Bir Araştırma, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onbirinci Ulusal Kongresi, 7-8 Eylül 2006, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon. [7] Demiröz A. ve Tan, Ö., Donatılı Zeminler Üzerindeki Sürekli Temellerin Oturmasını Etkileyen Faktörlerin Araştırılması, Selçuk Üniversitesi Müh.-Mim. Fak. Derg., c.23, s.3, pp , [8] Yıldız, L. (2005), Donatıyla Güçlendirilmiş Şevli Zemine Oturan Yüzeysel Temel Analizi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. [9] Güler, E. ve Demirkan, M.M., Geosentetik Donatılı İstinat Duvarlarının Dinamik Yükler Altında Davranışı, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Dokuzuncu Ulusal Kongresi, Ekim 2002, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir. [10] Yılmaz, H.R. ve Aklık, P., Geotekstil veya Geogrid Kullanılarak Oluşturulan Dayanma Yapılarında Sağlanabilen Ekonomi Hakkında Bir İnceleme, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Dokuzuncu Ulusal Kongresi, Ekim 2002, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir. [11] Bathurst, R.J. and Simac, M.R., Geosynthetic Reinforced Segmental Retaining Wall Structures in North America, Keynote Lecture reprint: Proceedings of the Fifth International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products, September 1994, Singapore. [12] Özçelik, H., Maden Kırıcısı Kanat Duvarlarında Polimer Şeritli Donatılı Zemin Duvar Uygulaması, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onbirinci Ulusal Kongresi, 7-8 Eylül 2006, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon. [13] Richardson, G.N. (1995) Lessons Learned from The Failure of a Geotextile Reinforced Retaining Wall Facing, [14] Kaya, T., Özbatır, M. ve Durgunoğlu, H.T., Donatılı zemin duvar yapılarının depremde davranışı, [15] Özdemir, B., (2015), Evaluation of Reinforced Slopes With Soil Reinforcements, Anadolu Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Lisans Tezi.