ANTALYA ZEMİNLERİNDE CPT (KONİK PENETRASYON DENEYİ) UYGULAMALARI

Transkript

1 ANTALYA ZEMİNLERİNDE CPT (KONİK PENETRASYON DENEYİ) UYGULAMALARI Nihat DİPOVA ve Bülent CANGİR Akdeniz Ünv. İnş. Müh. Böl. Antalya ÖZET Zeminlerde örnek alma ve örnek hazırlama aşamalarındaki örselenme nedeni ile, zemin etüdlerinde çoğunlukla yerinde (in-situ) deney yöntemleri tercih edilmektedir. Konik penetrasyon deneyi (CPT) ise bu deneyler içinde; sondaj gerektirmemesi, direk ölçüm yapılabilmesi, CPT verileri ile zemin tanımlamasının ve temel tasarımlarının yapılabilir olması nedenleri ile özellikle yumuşak kil ve gevşek kumlarda tercih edilmektedir. Uygulama hızının yüksekliği ve derinlikte sürekli veri toplaması diğer avantajlarıdır. Ülkemizde 70 li yıllarda kullanılmaya başlanan yöntem, 90 lı yıllarda yaygınlaşmış bir yerinde test seçeneği haline gelmiştir. Antalya'nın doğusundaki Lara ve Yamansaz bölgesi ile batıdaki Hurma (Konyaaltı) bölgesi zayıf zeminlerden oluşan genç kıyı ovalarıdır. Lara kıyı şeridi kıyı akıntıları ile oluşmuş bir kıyı okudur. Kum ve ince taneli çakıl malzemelerden oluşur. Kıyı okunu oluşturan ince kum malzeme denizden esen rüzgarlarla içerilere taşınarak kıyı kumullarını oluşturmuştur. Gevşek kum karakterindedir. Kıyı oku ve kıyı kumullarının arkasındaki alanda ise lagün oluşumu gerçekleşmiş ve turba malzeme oluşmuştur. Gerek kumullar gerekse turba zeminde sondaj ve örnekleme yöntemi zorlukları nedeni ile CPT yöntemi alternatif çözüm olmaktadır. Hurma bölgesinde ise kıyı oku olarak çakıl bulunmaktadır. Bu çakıl bariyeri ile kayalıklar arasında lagün çökeli yumuşak killer bulunmaktadır. Yumuşak killerde de CPT deneyi uygulanmaktadır. Bu çalışmada; CPT yönteminin tarihsel gelişimi, kullanılan cihaz seçenekleri, deney ekipmanları, deneyin yapılışı, zemin tanımlaması ve mühendislik parametresi türetme konularında bilgiler verilmiştir. Antalya zeminleri deneye elverişliliği açısından irdelenmiş ve mevcut uygulamalardan örnek profiller sunulmuştur. Antalya da elde edilen verilerin, literatürde daha büyük veri tabanları kullanılarak elde edilen korelasyonlarla karşılaştırılması amaçlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Antalya, CPT, Konik Penetrasyon Deneyi, Zemin etüdü.

2 CPT (CONE PENETRATION TEST) APPLICATIONS IN ANTALYA SOILS ABSTRACT Disturbance during sampling and sample preparation stages of soils, in-situ test methods are preferred generally in site investigation studies. Of these methods, Cone Penetration Test (CPT) is the best one for soft clays and loose sands, because no pre-drilling is needed, direct measurement is possible, soil classification and foundation design can be made easily in this method. High application speed and continuous data collection are the other advantages. In Turkey this method is used after 70 s and in the 90 s it became a common in-situ test method. Lara-Yamansaz region in the east of Antalya and Hurma (Konyaaltı) in the west are young coastal plains consisting of weak soils. Lara beach is a beach barrier formed by coastal currents and consists of sand and fine gravel. Fine sand is transported by wind and constitute coastal dunes. So sandy soils are loose. At the back of the coastal dunes a lagoon was formed and organic materials (peat) were deposited. For both loose sand and peat sampling and laboratory testing is very difficult and CPT method presents an alternative solution. At the Hurma region, between gravelly beach barrier and rocky hills there are soft silty clays of lagoon origin. For soft clays CPT is used. In this study, some information is given about historical development of CPT, device types, test equipment, application of the test, soil classification and engineering parameter derivation methods. Antalya soils are evaluated for applicability of the test and sample CPT profiles is shown from Antalya. CPT data from Antalya CPT data base was correlated with the correlation charts obtained from other big data bases. Keywords: Antalya, CPT, Cone Penetration Test, Site Investigation. 1. GİRİŞ Sondaj-örnek alma-laboratuvar testi dizgesinden oluşan klasik etüd yöntemleri ile karşılaştırıldığında CPT tatbik hızı ve düzenli veri elde etme özellikleri ile tercih edilmektedir. Özellikle kohezyonsuz zeminlerde, aşırı konsolide ve yumuşak killerde örnek alınması sırasında oluşan örselenme, laboratuvarda kayma dayanımı ve sıkışma parametrelerinin elde edilmesini güçleştirmektedir. CPT ile yerinde ölçüm bu tür sorunları ortadan kaldırmaktadır. CPT nin bir diğer avantajı ise çeşitli temel tasarımlarının dolaysız yoldan yapılmasına olanak tanımasıdır. Standard penetrasyon deneyi (SPT) ve laboratuvar testlerinden oluşan zemin etüd yöntemi tüm dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bazı temel mühendisliği projelerinde SPT ve CPT verileri arasında veya laboratuvarda elde edilen parametrelerle arazi verileri arasında dönüşüm ihtiyacı duyulmaktadır. Bu nedenle dünyada ve ülkemizde veri tabanı çalışmaları yapılarak veriler arasındaki ilişkiler belirlenmiştir [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Bu çalışma kapsamında ise Antalya zeminleri için bir veri tabanı oluşturmanın ilk adımlarını atmak, mevcut veri tabanı ilişkileri ile uyumluluğunu test etmek ve Türkiye veri tabanına katkı sağlamak amaçlanmıştır.

3 2. KONİK PENETRASYON DENEYİ Konik bir penetrometrenin tijler aracılığı ile zemine sokulması prensibine dayanan ilk deney yöntemleri 20. yüzyılın başlarında kullanılmıştır. Bugünkü anlamda Konik penetrasyon test (CPT) ise İsveç Demiryolları İşletmesi tarafından 1917 de geliştirilmiştir. CPT, 1927 de Danimarka da, 1934 den sonra da Hollanda da geliştirilerek kullanılmıştır. Hollanda daki yumuşak delta çökelleri için uygunluğu nedeni ile bu ülkede gelişme olanağı bulmuş ve kuma çakma kazıkların kazık kapasitesinin dolaysız hesaplanmasında kullanılmıştır li yıllardan sonra kıta Avrupa sından İngiltere, ABD ve dünyanın diğer bölgelerine yayılmıştır. Türkiye de 1970 li yıllarda kullanılmaya başlamış [7] ve 1990 lı yıllarda yaygınlaşmıştır. CPT ekipmanı bir yükleme ünitesi, penetrometre, tijler ve ölçme-kaydetme aygıtlarından oluşur (Şekil 1). Yük kapasitelerine göre; hafif, orta ve ağır olmak üzere 3 kategoriye ayrılır. Hafif modeller 2,0-2,5 ton, orta modeller 5-10 ton ve ağır modeller 17,5-20,0 ton yükleme kapasitesine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. (A) (B) Şekil 1. A) Konik penetrasyon düzeneğinin şematik gösterimi, B) Deneyin uygulanması. Statik sondalama ile CPT penetrometresi ortalama 2 cm/sn hızla zemine itilmektedir. Penetrometre, konik uçlu, uç açısı 60, çapı 35.5 mm, sürtünme çevre yüksekliği 134 mm olan direnç ölçerdir. Zemin uç direnci (q c ) 1000 mm 2 lik uç alanında, çevre sürtünmesi direnci (f s ) mm 2 lik yanal yüzeyde ölçülür. Deney sırasında 1 m boyunda çelik borular (tij) ve bunun içinde çalışan çelik çubuklar kullanılmaktadır. Deney okumaları genellikle her 20 cm de bir yapılmakla birlikte, herhangi bir derinlikte okuma yapmak mümkündür. Deneylerde mekanik ve elektronik penetrometre kullanılabilir. Mekanik penetrometre kullanımında yük değerleri operatör tarafından manometreden okunur. Elektronik tipte ise

4 cihaz yük değerlerini direkt olarak okur ve bir bilgisayara kaydeder. Deneyden zemin uç direnci (q c ), çevre sürtünmesi (q s ) ve sürtünme oranı (FR) elde edilir. 3. CPT VERİLERİ İLE GEOTEKNİK DEĞERLENDİRMELER CPT deneyi ile elde edilen q c, f s ve FR parametreleri kullanılarak zeminlerin tanımlanması ve sınıflaması mümkün olmaktadır. Deney sırasında derinliğe bağlı sürekli kayıt yapılması nedeni ile bu verilerle sürekli ve ayrıntılı bir şekilde zemin sınıflaması yapılabilmektedir. Normal konsolide kumlar için CPT uç direnci (q c ) ve düşey efektif örtü basıncı (σ vo ) kullanılarak efektif içsel sürtünme açısı (φ ) bulunabilmektedir [8]. Killer için drenajsız kayma mukavemeti (c u ) aşağıdaki eşitlik ile belirlenmektedir Burada: c u = Drenajsız kayma dayanımı q c = Uç direnci σ vo = Örtü basıncı N k = Koni faktörü c q σ c vo u = (1) N K Nk faktörü normal konsolide ve aşırı konsolide killer için zemin özelliklerine bağlı olarak değişmektedir. Kohezyonsuz zeminlerde CPT verileri kullanılarak M (constrained modül), E (Young modülü) ve G (Makaslama modülü) belirlenebilmektedir. Killerde hacimsel sıkışma katsayısı (m v ) ise aşağıdaki eşitlik ile bulunmaktadır [9]. 1 m v = α. q (2) M c Burada: m v = Hacimsel sıkışma katsayısı α M = Dönüşüm katsayısı (α M =2 8) q c = Uç direnci 4. ANTALYA DA CPT UYGULAMALARI Antalya'nın doğusundaki Lara ve Yamansaz bölgesi ile batıdaki Hurma bölgesi zayıf zeminlerden oluşan genç kıyı ovalarıdır. Bu bölgelerde yapılan yapılarda zemin kaynaklı yapı hasarlarına yaygın olarak karşılaşılmaktadır. Zemin profilinin değişken yapı sunmasına ek olarak zemin sorunları için asıl önemli gerekçe zemin etüdlerinde zeminin yeterli hassasiyette tanımlanamamasıdır. Bu anlamda sondaj ve laboratuvar çalışmalarını CPT ile desteklemek faydalı olmaktadır. Lara kıyı şeridi kıyı akıntıları ile oluşmuş bir kıyı okudur. Kıyı okunu oluşturan ince kum malzeme denizden esen rüzgarlarla içerilere taşınarak kıyı kumullarını oluşturmuştur. Gevşek kum karakterinde zemin yaygındır. Kıyı oku ve kıyı kumullarının arkasındaki alanda ise lagün oluşumu gerçekleşmiş ve turba malzeme oluşmuştur [10]. Gerek kumullar

5 gerekse turba zemin sondaj ve örnekleme yöntemi zorlukları nedeni ile bazı uygulamalarda CPT yöntemi tercih edilmektedir. Şekil 2 de Lara kıyı bölgesinde yapılan CPT deneylerinden tipik bir log sunulmaktadır. Şekil 2. Lara kıyı bölgesinden tipik bir CPT logu. Hurma bölgesinde ise kıyı oku olarak çakıl bulunmaktadır. Bu çakıl bariyeri ile kayalıklar arasında lagün çökeli yumuşak killer bulunmaktadır. Oluşumunda geçirdiği lagünel çökelim evreleri nedeni ile ovanın özellikle orta bölümleri yumuşak siltli kil ağırlıklıdır. Saz Ovası ve Hurma Köyü çevresinde yamaç sürüntüsü ve taşkın malzemelerinden oluşan alüvyon yelpazeleri bulunmaktadır. Bu yelpazeler sığ olup bunun altında yeniden lagünel çökeller olan kil ağırlıklı birimler devam etmektedir. Alüvyonun kalınlığı değişkenlik göstermektedir. Ancak kalınlığın 20 ile 80 m arasında değiştiği bilinmektedir [10]. Yumuşak siltli kil ve arakatman olarak gözlemlenen ince kum birimlerinden oluşan zemin profilinin hassas olarak belirlenmesinde CPT yöntemi sondaj verilerini bütünleyici ve destekleyici olmaktadır. Yer yer drenajsız kayma dayanımı 0,3 kg/cm 2 düzeyine düşen

6 killerde yerinde ölçüm yapılması avantaj sağlamaktadır. Şekil 3 te Konyaaltı bölgesinde yapılan tipik bir CPT logu verilmektedir. Şekil 3. Konyaaltı bölgesinden tipik bir CPT logu. 5. ANTALYA CPT VERİ TABANI Çalışmanın bu bölümünde Antalya da gerçekleştirilen zemin etüdleri kapsamında yapılan CPT, sondaj ve laboratuvar deney sonuçlarını içeren bir veri tabanının değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Veri tabanında kullanılan verilerden Lara bölgesindeki kum birimde yapılan CPT testleri elektronik tip penetrometre ile, Konyaaltı bölgesindeki killi birimlerde yapılan testler ise mekanik penetrometre ile yapılmıştır. Verilerinden faydalanılan sondajlar ise ülkemizde yaygın olarak kullanılan sulu sistem rotary makinalarla yapılmıştır. Sondajlar sırasında yapılan SPT (Standard Penetrasyon Testi) ise halka şahmerdan,

7 kedibaşına iki defa sarılı halat ve ayrık numune alıcı kullanılarak yapılmıştır. SPT darbe sayıları için enerji oranı ortalama % 45 olarak kabul edilmiştir. Drenajsız kayma dayanımı belirlenmesi CPT verilerinin kullanımında önemli yer tutmaktadır. S u değeri CPT uç direnci, toprak örtü basıncı ve koni faktörü (N k ) sabiti kullanılarak bulunmaktadır (Bkz eşitlik 1). Şekil 4 te Antalya verileri ile (q c -P) ile S u arasındaki ilişki verilmektedir. Burada eğilim çizgisinin eğimi N k yı vermektedir. Bu ilişkiye göre N k =18,93 olarak belirlenmiştir. N k değerinin plastisite indisi ile değiştiği de bilinmektedir. Şekil 5 te koni faktörünün (N k ) plastisite indisi ile değişimi verilmektedir. qc-p (kpa) y = 18,931x R 2 = 0, Su (kpa) Şekil 4. Drenajsız kayma dayanımı ile CPT uç direnci (q c ) arasındaki ilişki Antalya Baligh vd. (1980) Aas vd. (1988) Doğrusal (Antalya) N k Plastisite İndisi (%) Şekil 5. Koni faktörünün (N k ) plastisite indisi ile değişimi Killi zeminlerde hacimsel sıkışma katsayısının (m v ) belirlenmesinde de CPT verileri kullanılmaktadır. Eşitlik 2 de verilen [9] yöntemine göre α Μ değerlerinin 2 ile 8 arasında değiştiği belirtilmektedir. Plastisite özelliği ve uç mukavemetine göre bu aralık daraltılabilmektedir. Kaplan vd. [11] α Μ değerinin q c <0,75 MPa için q c ile azalan ilişkide

8 olduğu, q c >0,75 MPa için ise 2,7-4,7 aralığında sabit devam ettiği sonucuna varmıştır. Şekil 6 da Antalya veri tabanından alınan sınırlı veri için α Μ değerinin 1-3,5 arasında değerler aldığı görülmektedir. Şekil 7 de ise α Μ değeri ile sürtünme oranı arasındaki ilişki verilmektedir. α değeri 0α değeri Uç Direnci, q c (Kg/cm 2 ) Şekil 6. Konyaaltı killerinde α Μ değeri ile CPT uç direnci arasındaki ilişki Sürtünme Oranı, F R (%) Şekil 7. Konyaaltı killerinde α Μ değeri ile sürtünme oranı arasındaki ilişki. Standard penetrasyon deneyi (SPT) tüm dünyada yaygın olarak zemin etüdlerinde kullanılmaktadır. Bazı temel mühendisliği projelerinde SPT ve CPT verileri arasında dönüşüm ihtiyacı duyulmaktadır. Bu nedenle q c /N dönüşüm yöntemleri geliştirilmiştir. Şekil 8 de CPT uç direnci ve SPT/N arasındaki ilişki verilmektedir. Literatür bilgileri ile karşılaştırma olanağı sağlaması amacı ile diğer veri tabanları ile birlikte sunulmuştur. Şekil 9 da ise uç direnci atmosfer basıncı ile normalize edilerek (q c /P a )/N oranı ile ortalama tane boyu D 50 arasındaki ilişki sunulmaktadır. Şekilde Antalya veri tabanına ait veriler köşeli noktalarla gösterilmekte, geri planda ise Robertson vd [1] ve Anognostopoulos vd [6] verileri bulunmaktadır. Antalya dan elde edilen veriler sınırlı tane boyu aralığında olmakla birlikte, diğer araştırmacıların, (q c /p a )/N oranının artan ortalama tane boyutu ile arttığı ilişkisi ile uyumludur.

9 100 SPT darbe sayısı, N 10 Antalya Nixon (1982) Robertson and Campanella (1983) İyisan ve Ansal (1996) CPT Uç direnci, q c, (kg/cm 2 ) Şekil 8. SPT darbe sayısı (N) ile CPT uç direnci (q c ) arasındaki ilişki Antalya (q c /Pa)/N ,001 0,01 0, D 50 (mm) Şekil 9. (q c /p a )/N oranı ile ortalama tane boyutu arasındaki ilişki. 6. SONUÇLAR Bu çalışma kapsamında CPT yönteminin tarihsel gelişimi açıklanmış, kullanılan cihaz seçenekleri, deney ekipmanları tanıtılmış, deneyin yapılışı, zemin tanımlaması ve mühendislik parametresi türetme konularında bilgiler verilmiştir. Antalya zeminleri deneye elverişliliği açısından irdelenmiş ve mevcut uygulamalardan örnek profiller sunulmuştur. Antalya zeminleri için bir veri tabanı oluşturmanın ilk adımlarını atmak, mevcut veri tabanı ilişkileri ile uyumluluğunu test etmek ve Türkiye veri tabanına katkı sağlamak amacıyla Antalyada yapılan CPT çalışmaları değerlendirilmiştir. Antalya da elde edilen verilerin, literatürde daha büyük veri tabanları kullanılarak elde edilen ilişkilerle karşılaştırılması yapılmıştır.

10 Yapılan değerlendirmeler ve karşılaştırmalar sonucunda Antalya zeminlerinde yapılan testlerden elde edilen veriler arasındaki ilişkilerin literatürdeki ilişkilerle uyumlu olduğu görülmüştür. Drenajsız kayma dayanımı belirlenirken koni faktörü aralığında, hacimsel sıkışma katsayısı belirlenirken α Μ değerinin 1,0-3,5 arasında olduğu belirlenmiştir. İri taneli zeminlerde SPT-CPT dönüşümleri için literatürdeki korelasyon yöntemlerinin Antalya zeminleri için de kullanılabileceği düşünülmektedir. Ancak regresyon analizlerinde dağılımın geniş olduğu, regresyon katsayılarının düşük kaldığı gözlenmiştir. Bunun bir nedeni veri sayısının az olmasıdır. Diğer bir gerekçe ise Antalya kıyı düzlüklerindeki zeminlerin jeolojik kökeninde gizlidir. Farklı dönemlerde farklı mekanizmalarla çökelen ve farklı mineralojik yapıdaki zeminleri tek bir grafikte göstermek yerine zeminleri oluşum mekanizması ve mineralojik kökene göre alt grupla ayırarak korelasyonlar yapmak daha yerinde olacaktır. Bunun için ise veri tabanının genişlemesi gerekmektedir. KAYNAKLAR [1] Robertson, P.K., Campanella, R.G., Wightman, A., SPT CPT correlations, Journal of Geotechnical Engineering 109 (7), [2] F.Kulhawy, ve P.Mayne, 1990, Manual on estimating soil properties, Report EL Electric Power Res. Inst., Palo Alto, 306p. [3] Y.Özkan, Wasti.Y., T.Balkir, 1990, Arazi deneyleri korelasyonları ve zemin parametreleri tahmini, Zemin, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Bülteni, Cilt 1, pp [4] R.İyisan ve A.Ansal, 1996, Arazi penetrasyon deney sonuçlarının karşılaştırılması, ZMTM Türk Milli Komitesi 6. Kongresi, 9 Eylül Üniversitesi, Cilt 1, pp , İzmir. [5] C.Emrem ve H.T.Durgunoğlu, 2000, Türkiye CPT veri tabanı ve mevcut amprik bağıntılarla karşılaştırma, ZMTM Türk Milli Komitesi 8. Kongresi, İstanbul teknik Üniversitesi, pp , İstanbul. [6] A. Anagnostopoulos, G. Koukis, N. Sabatakakis and G. Tsiambaos, 2003, Empirical correlations of soil parameters based on Cone Penetration Tests (CPT) for Greek soils, Geotechnical and Geological Engineering, 21 (4), [7] H.T.Durgunoğlu and E.Toğrol, 1974, Penetration testing in Turkey, Proceedings of ESOPT-1, Vol. 1, 137. [8] H.T.Durgunoğlu and J.K.Mitchell, 1975, Static Penetration Resistance of Soils. I: Analysis, Proc., ASCE Spec.Conf.on In-situ Measurement of Soil Parameters, Vol.1, ASCE, New York, N.Y., [9] G.Sanglerat, 1972, The Penetrometer and Soil Exploration, Developments in Geotechnical Engineering 1. Elsevier Publishing: New York. [10] N.Dipova, 2002, Antalya kıyı düzlüklerinin oluşumu ve geoteknik özellikleri, IV. Kıyı Mühendisliği Ulusal Sempozyumu, Ekim 2002, Antalya, Bildiriler Kitabı, sayfa [11] N.Kaplan, AG.Çakan, O.Erol, 2004, Plastik Killerde Ödometre Deformasyon Modülünün CPT Uç Direncinden Tahmini ZMTM Türk Milli Komitesi 10. Kongresi, İstanbul Teknik Üniversitesi, pp , İstanbul. [12] I.Nixon, 1982, Standard Penetration Test, Proceedings 2 nd European Symposium on Penetration Testing, Amsterdam, v.1, pp [13] M.M.Baligh, V.Vivatrat, C.C.Ladd, 1980, Cone penetration in soil profiling. ASCE, J. Geotech. Engr. Div. 1980;106: