ZAYIF ZEMİNLERİN İYİLEŞTİRİLMESİ VE SON YILLARDA YAYGIN OLARAK UYGULANAN BAZI ZEMİN İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ

Transkript

1 (Sondaj Dünyası, Sayı:3) ZAYIF ZEMİNLERİN İYİLEŞTİRİLMESİ VE SON YILLARDA YAYGIN OLARAK UYGULANAN BAZI ZEMİN İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ Adil ÖZDEMİR, Mehmet ÖZDEMİR, ÖZET Yirminci yüzyılda başlayan ve günümüzde de süren hızlı nüfus artışı, kentleşme ve sanayileşme, gelişmiş ülkelerdekine benzer şekilde Türkiye'de de yapı alanlarının hızla tükenmesine neden olmuştur. Buna bağlı olarak her geçen gün yeni yapılaşma alanlarının açılması zorunlu hale gelmiştir. Bu yeni açılan alanların arasında, zaman zaman jeoteknik açıdan yapılaşmaya uygun olmadığı kanıtlanmış, bir başka deyişle taşıma gücü zayıf olan temel zemini özellikleri gösteren alanların da yapılaşmaya açıldığı görülmüştür. Zayıf temel zeminlerinde karşılaşılan düşük taşıma gücü ve yüksek deformasyon sorunları temel zeminini iyileştirme konusunda yeni yöntem ve tekniklerin geliştirilmesini ve uygulamasını gerekli kılmıştır. Bu çalışmada, önce zemin iyileştirmesinin tanımı ve gerekçesine değinilmiş, daha sonra iyileştirme gerektiren zemin tipleri ele alınarak günümüzde yaygın kullanım alanı olan zemin iyileştirme yöntemleri irdelenmiştir. 1. ZEMİN İYİLEŞTİRME Günümüzde ihtiyaçların artması ve kullanılabilir iyi temel zemini özelliği gösteren yerlerin azalması, uygun olmayan zeminler üzerinde mühendislik yapılarının inşasını zorunlu hale getirmiştir. Büyüyen ve gelişen şehirlerde yeni imara açılacak yerler, sanayi bölgeleri ve entegre üretim yapan fabrikalar için ihtiyaca cevap verecek büyük alanların bulunması her geçen gün azalmaktadır. Bunun sonucu olarak, zayıf temel zemini özelliği gösteren alanlar istenmese de kullanıma açılmaktadır. Zayıf zeminler üzerine kurulan yapılaşma beraberinde birçok mühendislik problemini de gündeme getirmiştir. Sorunların çözümlenmesi için konu ile ilgili yeni yöntem ve teknikler geliştirilmiş ve uygulanmaya başlanmıştır. Ülkemizde de artık bu yöntemler sık ve yaygın olarak kullanım alanı bulmaktadır. Her zaman için mühendislik yapılarını zemin içinde ya da zemin üstünde yapma zorunluluğumuz vardır. İnşa edilecek olan bu yapılardan oluşan ve zemine aktarılan gerilmeleri, zeminin zararlı deformasyonlar oluşturmadan güvenle taşıması istenir. Fakat, yapı temel zeminleri her zaman istenilen bu özellikleri sağlamayabilir. Bu gibi durumlarda aşağıdaki önlemler

2 alınarak iyileştirme yapılması gerekebilir. 1. Mevcut zemine göre yapı temellerini projelendirmek, 2. Zayıf zemini kaldırarak yerine taşıma gücü yüksek olan zeminler yerleştirmek, 3. Taşıma gücü zayıf olan zemini uygun bir yöntemle geçerek temelleri sağlam tabakada inşa etmek, 4. Zemin özelliklerini arazide yapılacak işlemlerle iyileştirmek. Temel zemini taşıma gücü ve oturmalar açısından zayıf ise ilk akla gelen çözüm temel sistemini bu duruma göre projelendirmektir. Genelde bu tür zeminler üzerine radye jeneral temel oluşturularak yapı yüklerinin yumuşak zemin tabakaları üzerine üniform yayılması sağlanabilir. Bu temel sistemi ile yükler taşıtılamıyor ise kazıklı temel uygulamasına geçilebilir. Zayıf tabaka kalınlığının az olması halinde bu tabakalar kazılarak uzaklaştırılır, yerine taşıma gücü yüksek zeminler kontrollü dolgu yapım tekniklerine uygun olarak yerleştirilir ve yeni temel zemini oluşturulur. Temel sistemi bu tabaka üzerine yapılır. Zayıf zemin kalınlığının az olması durumunda uygulanabilecek diğer bir yöntem de; yine bu tabakanın kazılarak uzaklaştırılması ve sağlam tabakaya erişilmesidir. Temel bu tabaka üzerine inşa edilir veya beton ayaklarla yükler bu sağlam tabakaya aktarılır. Kalınlığın fazla olması veya kazık temel inşa edilmemesi halinde zayıf zemin olarak değerlendirilen turbalık veya yumuşak zeminler üzerine kontrollü dolgu yapılır. Dolgu ağırlığı veya patlayıcı maddeler yardımı ile zayıf zemin yana itilir, kontrollü dolgu üzerine temel uygulaması yapılır. Temel zemini taşıma gücü ve oturmalar açısından uygun değil ise bu tip zeminlerin yerinde iyileştirilmesi yöntemine de gidilebilir. Günümüzde yerinde zemin iyileştirme yöntemleri çok sık ve yaygın olarak kullanılmaktadır. 2. İYİLEŞTİRME UYGULAMASI GEREKTİREN ZEMİNLER Zayıf zemini olarak karşımıza çıkan zeminler aşağıda belirtilmiş ve özellikleri kısaca anlatılmıştır. Turbalık ve bataklık zeminler Yumuşak killer Gevşek kumlar Yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu yumuşak kalın alüvyonlar Turbalık ve bataklık zeminler, ihtiva ettikleri bitkisel maddelerin çürümesi ile büyük şekil değişimi yapabilecek özelliklerdedir. Ayrıca, bu tip zeminlerin taşıma güçleri de yok denecek kadar azdır. Bu özellikleri ile karşılaşılması hiç istenmeyen bir zemin grubudur. Zorunluluk halinde temel zemini olarak kullanılacak ise mutlaka iyileştirilmesi gerekmektedir. Yumuşak killer de taşıma gücü çok düşük olan ve küçük büyüklükte yükler altında bile büyük deformasyonlar yapabilecek yapıda bir zemin grubudur. İyileştirme yöntemleri ile temel zemini olarak

3 kullanılabilir hale getirilmesi zorunludur. Gevşek kumlar ve yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu yumuşak kalın alüvyon zeminler ise, orta büyüklükte yükler taşıyabilir ve bu yük altındaki deformasyonlar değerleri de sınırlı kalabilir. Bu tip zeminlerden tekrarlı yükler (deprem, titreşimli ağır makinelerin çalışması, trafik yükü, geçici patlamalar, dalgalar v.b.) etkisi altında dayanım kaybına bağlı olarak taşıma gücünde azalma ve aşırı deformasyon beklenebilir. Özellikle yeraltı su seviyesi altındaki gevşek kumlarda tekrarlı yükler sonucunda sıvılaşma davranışı gözlenir. Bu davranış biçiminde dayanım değeri sıfıra düşer ve şekil değiştirmeler aşın derecede artarak toptan göçmeler meydana gelir. 3. ZEMİN İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ ve SON YILLARDA YAYGIN OLARAK UYGULANAN BAZI İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ İnsanların yaşantısını derinden etkileyen deprem gerçeği, son derece önemli olan yaşam ortamlarının güvenli oluşturulmasını gerektirmektedir. Deprem-Zemin-Yapı arasındaki üçlü ilişki, özellikle zemin teknolojisinin doğru uygulanması ile olumlu sonuç verebilir. Çünkü; 1) Depremin özellikleri; Depremin yeri, zamanı vb. gibi özellikleri önceden tam olarak bilinemediğinden deprem anında insan herhangi bir şey yapamaz, 2) Zeminin özellikleri; İnsan yerleşim yerini dikkatle seçer veya zemini iyileştirerek ortamını dayanıklı hale getirebilir, 3) Yapının özellikleri; Depremi dikkate alan, bilimin gereklerine uygun yapılar ile can ve mal kaybını önleyebilir. Yıkıcı etkileri ile istenmeyen deprem, önemsememe, ihmal ve bilgisizliği affetmiyor, tedbir alınmaz ise faturası ağır oluyor. Göz ile görülmeyen, zeminin içinin tanınması için mutlaka araştırılması gerekir. Bu araştırma; jeolojik ve jeofizik etütler ve zeminlerden sondaj ile alınan numunelerin deneye tabi tutulması ve laboratuar deneylerinden belirlenen jeoteknik parametrelerin elde edilmesini kapsamaktadır. Zeminin kimliği olan bu parametrelere göre, bozuk-zayıf-kötü-gevşek diye anılan sorunlu bölümlere bazı iyileştirme yöntemleri uygulanabilir. Bu sayede bozuk zemini duraylı kazabilmek veya üzerine yapı tarzı bir şeyler yüklemek mümkün olabilir. Zemin parametreleri, yerleştirilecek yapının proje yükü ve depremsellik durumuna göre, ideal zemin iyileştirme yöntemi seçilir. Uygulama sonrasında, sıkılık, dayanım, geçirimlilik, süreklilik, yüklemeçekme gibi testler ile kontrol çalışmalarına tabi tutularak, iyileştirme başarısı izlenir. Uzun zamandır uygulanan konsolidasyon-yerdeğiştirme esaslı vibrasyonlu sıkıştırma, taşkolon, enjeksiyon, kontrollü kazı-dolgu, dinamik sıkıştırma, vibrobeton kolon, ağaç/prekast kazık-forekazık gibi bilinen klasik yöntemlere son yıllarda daha ekonomik ve çabuk yapılabilen jet grouting gibi iyileştirme yöntemleri de katılmıştır. Taşıma gücünün artırılması için diğer bir yöntem zeminin kurutulmasıdır. Bilinen pompaj ile drenajkurutma işleri, son yıllarda fitil dren, well point gibi yeraltısuyu seviyesi değiştirme işlemlerini de kullanılmaya başlanılmıştır. Yanal geçirimsizlik için ise, jet grouting perdesi ve kesişen kazık uygulaması seriliği ve güvenilirliği ile tercih edilmektedir. Teknik gerekçelerin yanı sıra, iyileştirilecek zeminin bulunduğu ortamın boyutu, üzerindeki yapının önemi, yerdeğişirme(mobilizasyon) maliyeti, kullanılacak malzemelerin temin koşulları, işin süresi ve maliyeti gibi diğer faktörler ve işverenin tutumu seçilecek iyileştirme yöntemini belirler. Yanlış

4 yönlendirme sonucu yetersiz iyileştirilen zeminin problemi çözmediği olmuştur, o zaman hukukiteknik bilirkişi yorumu ile tekrar ilave işler veya yeni bir yöntemle iyileştirilme sağlanmış fakat çok daha pahalıya mal olduğu görülmüştür. Bu konuda en sağlıklı yol, zeminin çok iyi araştırılması ve değişik yöntemlerin fizibilitesini iyi yorumlamak, hatta tasarım-projelendirme sürecinde uzman katılımı-denetimi sağlamak ve nihayet uygulamada kontrolü elden bırakmamak son derece önemlidir. Kısaca, zayıf zeminin iyileştirilmesi ile amaç; taşıma gücünün artırılması, duraylılığın sağlanması, zemin büyütmesi ve sıvılaşmayı kapsayan deprem yüklerine karşı sağlamlaştırma, zeminin kurutulması, korozyon ve erozyonun önlenmesi gibi sayılabilir. Sürekli gelişen zemin teknolojileri kaliteli, güvenli ve ekonomik çözümleri alt yapı sektörüne dolayısıyla insanlara sunmaktadır. Önemli olan doğru teknoloji ile yeterli uygulamayı sağlamaktır. Son yıllarda yaygın olarak uygulanan yerinde zemin iyileştirme yöntemleri şunlardır; 1. Enjeksiyon 2. Jet-grouting 3. Forekazıklar ve Minikazıklar 4. Taş kolonlar şeklindedir. Zeminin iyileştirilmesi ile mevcut zeminin, 1.Kayma dayanımı artar, 2.Gerilme-deformasyon modülü artar, 3.Sıkışabilirliği azalır, 4.Şişme ve büzülme potansiyeli kontrol altına alınır, 5.Geçirimliliği azalır, 6.Çevre koşullarına bağlı olarak fiziksel ve kimyasal değişimleri önlenir, 7. Sıvılaşma potansiyeli azalır ENJEKSİYON En eski ve en çok kullanılan zemin iyileştirme yöntemlerindendir. Daha çok taneli zeminlerde uygulanır. Kimyasal veya bentonit-çimento enjeksiyonu olarak genellikle örtü enjeksiyonu şeklinde uygulanır. İyi tasarım ve sıkı kontrollü uygulama ile zemin iyileştirmesi başarılabilir. Geçirimsizlik içinde çok yararlanılan bu uygulama, insan gücü katılımının en fazla olduğu yorucu fakat ekonomik bir zemin iyileştirme yöntemidir. Projede belirlenen yere, teknik bilgiler vasıtasıyla hazırlanan enjeksiyon karışımı basılır. Bunun için; İlk olarak delici makine ile açılan kuyu içine bırakılan tij+matkap ucundan zemine enjeksiyon karışımı basılır. Projeye göre tatbik noktası üzerinde kuyuya packer yerleştirilerek, enjeksiyon karışımının zemine girmesi sağlanır. Zemin enjeksiyon karışımına doyunca, packer daha yukarı alınarak enjeksiyon karışımının daha üst seviyelere verilmesi sağlanabilir. Su/çimento oranı 3/1 gibi ince karışım olarak başlanabilir, sonra 1/1 ve 1/3 gibi kaba karışıma gerekirse kum ilave edilerek, zeminin dolmasına gayret edilir. Bahsedilen tek kademeli packerli aşağıdan yukarıya metodunun yanı sıra çift

5 packerli uygulama da yapılabilir. Yukarıdan aşağıya kademeli yöntemle zemini iyileştirerek daha derinlere inmek mümkündür. Zeminin doymasına enjeksiyon refüsü denir ve karışım geri dönerek, enjeksiyon istasyonuna alınır. İnce karışım ile başlayarak kaba karışıma geçmek, refüden sonra da ince karışım tatbiki ile enjeksiyonu tamamlamak tercih edilir. Şekil.1 de enjeksiyon uygulama aşamaları verilmiştir. Şekil.1. Enjeksiyon uygulama aşamaları 3.2. JET-GROUTING Killi zeminde konsolidasyon, siltli-kumlu-çakıllı zeminlerde iyileştirme sağlayan bar gibi yüksek basınçlı çimento enjeksiyonunun zemine tatbiki ile jet grouting kolonu oluşturulabilir. Jet grouting işlemi iki safhadan oluşmaktadır: a) Delme işlemi; Ø 10 cm kalığındaki delici ekipmanı, makine gücü ve basınçlı su yardımı ile zemine-proje kotuna kadar sokmaktır. Bunun için döner delgi sistemi ile kil matkabı, üç konili matkaplar ve dayanıklı tijler kullanılmaktadır. b) Enjeksiyon Uygulaması; Delgi tamamlandığında 1/1 'lik karışımdan oluşan çimento şerbeti, oldukça yüksek basınç( bar) ile zemine verilirken, delici takımın zaman ayarlayıcı(timer) yardımı ile dönerek yukarıya doğru çekilmesinden ibarettir. Böylece yüksek hızlı enjeksiyon karışımı zemini yırtarak, dairesel bir kolonun zeminde oluşmasını sağlar. Çimento ve zeminin karışmasından

6 oluşan soilcrete olarak adlandırılan nispeten yüksek dayanımlı bu kolon, aynı zamanda zeminin sıkıştırılarak konsolide olması da sağlar. Şekil.2 de jet grouting kolonu imalat aşamaları verilmiştir. Şekil.2. Jet grouting kolonu imalat aşamaları 3.3. FOREKAZIK ve MİNİKAZIKLAR Forekazıklar, kendini tutabilen ve tutamayan zeminlerde, temelin sismik hareketlerden etkilenmesini önlemek için imal edilen geniş çaplı yerinde dökme kazıklardır. Deprem sırasında oluşacak temel hareketini azaltmanın en etkin yöntemlerinden biri olan ve derin temel olarak tanımlanan forekazıklar, kolon şeklindeki donatılı beton elemanlarından oluşur. Forekazıklar; delgi teknikleri kullanılarak zeminde oluşturulan Ø cm çap aralığındaki deliğin içerisine donatı yerleştirilerek betonla doldurulması ile imal edilen kazıklardır. Forekazıklar, zeminde yanal ötelenme ve buna bağlı olarak komşu zeminde sıkışma yaratmayan kazıklardır(şekil.3). Şekil.3. Forekazık imalat aşamaları 1- Bentonit bulamacı koruması altında delgi 2- Bentonit blamacı ile sıvanmış kazık kuyusunun bitirilmesi 3- Bentonit bulamaçlı kuyuya donatının indirilmesi 4- Bentonit bulamaçlı kuyuya beton dökülmesi, bulamacın kuyu dışarısına atılması

7 5- Bitmiş kazık Minikazıklar, Ø15-35 cm çaplarındaki küçük çaplı kazıklardır. Minikazık imalatında, genellikle forekazıklar gibi önce delme işlemi yapılır. Daha sonra deliğe donatı indirilir, deliğe kırma taş dökülür ve çimento enjeksiyonu yapılır. Böylece, kazık yerinde imal edilmiş olur TAŞKOLONLAR Taşkolonlar, genellikle yumuşak ve orta yumuşak killi zeminlerde kullanılmaktadır. Bu yöntemin amacı, zemin üzerine gelen yükleri taşkolon ile zeminin ortaklaşa taşımasıdır. Taşkolonlar, hem taşıma gücüne hem de oturmanın azalmasına katkıda bulunurlar. Ayrıca, düşey dren gibi çalışıp oturma hızlarını artırırlar. Kohezyonu az, fakat ince taneli(killi-siltli) zeminlerde sıvılaşmaya karşı da önerilmektedir. Alüvyon ve değişken zeminlerde vibrokompaksiyon ile birlikte uygulanmaktadır. Taş malzeme, zemin içerisine dik olarak, 0, m çapında ve 20 metreye kadar derinliklere çeşitli yöntemlerle yerleştirilir ve sıkıştırılır. Genel olarak mm arası kırma taş malzeme yaygın olarak kullanılmasına karşın, doğal kaba çakıl agrega veya kum-çakıl karışımları da kullanılmaktadır. Yumuşak killerde boru çakma ve doldurarak çekme yöntemi uygulanmaktadır. Diğer zeminlerde ise, genel olarak tonaj yöntemi uygulanmakta olup, kolonların ucunun sert zemine girmesi istenmektedir(şekil.4). Şekil.4. Taşkolon imalat işlemi 5. SONUÇ ve ÖNERİLER 1. Geçen son 20 yıllık zaman diliminde, mühendislik konuları içerisinde meydana gelen önemli konulardan biriside zemin iyileştirmedir. Bunun nedeni ise, sağlam zemin bölgelerinin giderek azalması, taşıma gücü zayıf olan zeminlerin üzerine yapı yapma zorunluluğu, artan nüfus ve gelişen teknoloji ile birlikte büyük yapıların inşası ve bu yapıların meydana getirdiği büyük gerilmeleri zeminin taşıyamayacak olmasından kaynaklanmaktadır. 2. Zemin iyileştirme çalışmalarının esasını, mevcut zeminde uygulanacak ilave çalışmalar ile yeterli

8 taşıma gücünün sağlanmasıdır. 3. Zayıf zeminleri iyileştirme yöntemleri, ancak doğru teşhis ve doğru yöntem ile uygun nitelikte malzeme kullanılması durumunda olumlu sonuçlar vermektedir. Bunun için mevcut zeminin taşıma gücünün belirlenmesi, uygulanacak yükün ve titreşimlerin hesaplanması gerekmektedir. Böylece iyileştirme yapılarak gerekli taşıma gücü sağlanarak, sürekli ve ekonomik çözümler geliştirilebilmektedir. 4. Ülkemizde, yerinde dökme kazıklar(minikazık-forekazık) yanı sıra jet-grouting gibi gelişen zemin iyileştirme yöntemlerinin son yıllarda zemin/jeoteknik mühendisliği uygulamalarında önemli yer bulduğu görülmektedir. 5. YARARLANILAN KAYNAKLAR AKBULUT, S., 1999; Enjeksiyon Tekniği ile Granüler Zeminlerin Geoteknik Özelliklerinin İyileştirilmesi. İstanbul Teknik Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Doktora Tezi. 178 s. (Yayımlanmamış) ASKAY, A., 2002; Soil Improvement Case Studies Using Jet Grouts. Doku Eylül University. Graduate School of Natural and Applied Sciences. M. Sc. Thesis. p. 81. (Unpublicated) BÜLBÜL, E., 1999; Zayıf Zeminlerin İyileştirilmesinde Alternatif Geoteknik Yöntemlerin Uygulanması. Dumlupınar Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 141 s. (Yayımlanmamış) EKER, F.Ş., 1999; Jet Grouting Technique and Case Studies. Boğaziçi University. Institute for Graduate Studies in Science and Engineering. M. Sc. Thesis. p.196. (Unpublicated) GÖKÇE, E., 2004; Zayıf Zeminlerin İyileştirilmesinde Bazı Yeni Uygulamalar. Jeofizik Bülteni. Sayı: , s (Yayımlanmamış) GÜMÜŞ, G., 2002; Jet Grouting Technique and Strenght Properties of Jet Grout Columns. Boğaziçi University. Institute for Graduate Studies in Science and Engineering. M. Sc. Thesis. p.129. (Unpublicated) HACIALİOĞLU, E., 1999; Yüksek Basınçlı Enjeksiyon(Jet-grouting) Yöntemi ile Zemin İyileştirilmesi. İstanbul Teknik Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 135 s. (Yayımlanmamış) İNCEER, Ş., 1994; Kum Drenleri ile Zemin Islahı. Karadeniz Teknik Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 78 s. (Yayımlanmamış) KARAKAYALI, Ş., 2002; Zemin Islahı, Adana ve Çevresindeki Uygulamalar. Çukurova Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 155 s. (Yayımlanmamış) KAYA, Z., 2001; Temel Zemini İyileştirme Yöntemleri ve Uygulamaya Yönelik İki Proje Çalışması. Erciyes Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 193 s. (Yayımlanmamış) KUNTZER. C., 1996; Grouting of Rock and Soil. AA. Balkema, Roterdam Brookfield. MAHMUTOĞLU, B., 2003; Development of A Computer-Based Decision Support System for Jet Grouting. Gaziantep University. Graduate School of Natural and Applied Sciences. M. Sc. Thesis. p. 95. (Unpublicated) MOSELEY, M.P., 1993; Ground Improvement, Blackie A&P, Maryland, USA OSMANOĞLU, U., 1999; Yumuşak ve Gevşek Zeminlerin İyileştirilmesi; Yüksek Basınçlı Enjeksiyon Kolonları ve Taşkolonlar. İstanbul Teknik Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 185 s. (Yayımlanmamış) ÜSTÜNDAĞ, B., 2002; Yerinde Dökme Kazık ve Jet Grout Yöntemi ile Zemin İyileştirme Uygulamaları. Anadolu Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi. 132 s. (Yayımlanmamış)