Bir proje sahasında elverişsiz zemin koşulları ile karşılaşıldığı zaman çözüm seçenekleri: ZEMİN İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ Yrd. Doç. Dr. Selçuk Bildik İnşaat alanının değiştirilmesi Zeminlerin değiştirilmesi Tasarımın zemin koşullarına uyumlu duruma getirilmesi ZEMİNLERİN İYİLEŞTİRİLMESİ Nişantaşı Üniversitesi, İnşaat Müh. Bölümü selcuk.bildik@nisantasi.edu.tr İstanbul, 2017 Sorunlu zeminlerde inşaat mühendisinin yapacağı ilk çalışma, farklı yöntemler ile öngörülen tasarım kriterlere ulaşmaktır. Bunu yaparken, yapı tipi ne olursa olsun üst yapının güvenli, fonksiyonel ve ekonomik olması esastır. İÇİNDEKİLER OTURUM I GİRİŞ ÖN YÜKLEME VE DÜŞEY DRENLER TAŞ KOLONLAR OTURUM II DERİN KARIŞIM JET GROUT KOMPAKSİYON OTURUM III DONATILI ZEMİNLER KATKLI MADDELER ENJEKSİYON ZEMİN ÇİVİLERİ MİKRO KAZIKLAR Mevcut zeminin değiştirtilmesi veya proje yerinin değiştirilmesi Bu yöntem pek mantıklı ve ekonomik değil Giriş İnşaat mühendisinin görevi güvenli, fonksiyonel ve ekonomik yapılar tasarlamak ve inşa etmektir. İnşaat mühendisliği uygulamalarında, proje sahası zemin koşulları tasarım ve yapım yöntemleri üzerinde önemli etkiye sahiptir. Problemli zemin koşulları projenin yapılabilirliğini tayin edecek boyutlarda sorunlara yol açabilir. Bu durumlarda uygulanabilecek seçenekler arasında arazi zemin koşullarının iyileştirilmesi de yer almaktadır. Derin Temel Uygulaması Geleneksel bir çözüm yöntemi olan derin temel uygulaması ile yapı yükleri daha aşağıdaki sağlam zemin tabakalarına aktarılmaktadır. Bu yöntem ekonomik değil 1
Zemin İyileştirme Nedir? Zemin iyileştirmesi, zeminlerin belirli özelliklerinin, amaçlanan bir mühendislik uygulamasına yönelik olarak, değişik fiziksel, kimyasal veya biyolojik yöntemler kullanılarak iyileştirilmesi olarak tarif edilebilir. Zeminlerin İyileştirilmesi yerine zemin ıslahı, stabilizasyonu ve modifikasyonu gibi terimler de kullanılmaktadır. Zemin iyileştirmede temel ilke Zemin içerisindeki mevcut boşlukların mekanik araçlarla azaltılması (kompaksiyon) Zemin boşluklarının çeşitli bileşimdeki karışımlarla doldurulması (enjeksiyon, çimento, kireç vb.) Zemin içerisine değişik malzemeler kullanılarak güçlendirilmesi (taş kolon, jet grout, geosentetikler vb.) Neden zemin iyileştirme? Son yıllarda oldukça önem kazanmıştır. Hızlı kentleşmeden dolayı uygun yerleşim alanlarının hızla azalması, Yüksek arsa maliyetleri Yetersiz temel ortamının kullanılma zorunluluğu, Komşu yapıların güvenliğini koruma Yapıların giderek artan boyutlarının getirdiği büyük gerilme limitleri olarak sıralamak mümkündür. Özellikle büyük kent ve sanayi bölgelerinde yaşanan arsa sıkıntısı ve yüksek maliyetler nedeniyle taşıma gücü zayıf veya oturma yönünden sorunlu zeminlerde inşaat yapılmasını zorunlu hale getirmiştir. Zemin İyileştirme Yöntemleri Ground Reinforcement Taş Kolon Zemin Çivileri Mini kazıklar Jet Grout Zemin ankrajları Geosentetikler Derin Karışım Donatılı Zeminler Ground Improvement Yüzeysel kompaksiyon Derin kompaksiyon Ön yükleme/düşey drenler Elektro-osmoz Kompaksiyon enjeksiyonu Patlatma Ground Treatment Zemin-Çimento enjeksiyonu Kireçle stabilizasyon Bitümle Stabilizasyon Uçucu kül Drenaj Isıtma/Dondurma Shaefer, 1997 11 Zemin İyileştirme Mevcut zeminin farklı yöntemler kullanarak mühendislik özelliklerinin yerinde iyileştirmek Oturma ve stabilite açısından sorunsuz hale getirmek Yapıyı bu zeminin üzerine tasarlamak Derin temellere göre daha ekonomik bir çözümdür Zemin İyileştirme Yönteminin Seçimi Zemin cinsi, jeolojik ortam, yer altı suyu durumu Hedeflenen iyileştirmenin türü ve derecesi Gerekli malzeme, ekipman ve iş gücünün temini Projenin boyutları/iyileştirme maliyeti İnşaat takvimi ve iyileştirme süresi Civar yapılara ve çevreye etkileri Yapım kalite kontrolu ve performans ölçümleri 2
Zayıf veya sorunlu zemin nedir? Taşıma gücü düşük Sıkışabilirliği yüksek Sıvılaşma yeteneği fazla olan zeminlere zayıf zemin veya yumuşak zemin olarak da isimlendirilebilir. Hangi zeminler zayıf zemindir? Normal konsolide killer Az aşırı konsolide killer (A.K.O<3) Killi siltler Gevşek kumlu zeminler Rastgele yerleştirilmiş dolgular Zemin İyileştirme Yöntemleri ÖN YÜKLEME VE DÜŞEY DRENLER TAŞ KOLONLAR DERİN KARIŞIM JET GROUT KOMPAKSİYON DONATILI ZEMİNLER KATKLI MADDELERİ ENJEKSİYON ZEMİN ÇİVİLERİ MİKRO KAZIKLAR Zemin İyileştirmede amaç Zayıf bir zeminin taşıma kapasitesini arttırmak Toplam oturmayı azaltmak ve konsalidasyonu hızlandırmak Dolgu ve yarmaların stabilitesini arttırmak Zemini iksa duvarı gibi çalıştırmak İksa duvarlarını desteklemek Zeminin sıvılaşma potansiyelini azaltmak Geçirimliliği azaltmak 1. ÖN YÜKLEME VE DÜŞEY DRENLER Yumuşak kil zeminler (normal konsolide ve az aşırı konsolide killer) bu yöntem için uygundur. Yapının inşasında önce zeminin genellikle yayılı toprak yükü ile yüklenmesidir. Zemin üzerine yapı yükü (= proje yükü) ve ekstra yük sürşarj yüküne eşdeğer geçici bir toprak dolgu inşa edilir. Belli bir süre bekletilir ve sonra kaldırılır. Amaç: konsolidasyon oturmalarını hızlandırmak Zeminin iyileştirilmesi ile mevcut zeminin, Kayma mukavemeti artar, Gerilme-deformasyon modülü artar, Sıkışabilirliği azalır, Şişme ve büzülme potansiyeli kontrol altına alınır, Permeabilitesi azalır, Çevre koşullarına bağlı olarak fiziksel ve kimyasal değişimleri önlenir, Sıvılaşma potansiyeli azalır. Konsolidasyon nedir? Suya doygun kil zeminlerde boşluklardaki suyun yük etkisinde dışarı çıkması çok uzun bir zamanda gerçekleşir. Suyun dışarı çıkması ile daneler birbirine yaklaşır ve zemin konsolide olur. Kısaca sabit yük altında boşluklardaki suyun drene olmasıyla zamana bağlı olarak gelişen gelen oturmalara denir. 3
Ön yükleme yöntemi Amaç konsolidasyon oturmalarını en aza indirmektir. Ön yükleme ve sürşarj, konsolidasyon oturmalarına neden olur. Killi zeminin drenajsız kayma mukavemeti artışlarına sebep olur. Genellikle düşey drenlerle birlikte uygulanır. Düşey drenler ile oturmalar daha da hızlanır ve bekleme süresi kısalır. 22 Düşey drenler Bekleme süresini azaltmak için sürşarj yükleri çok fazla hesaplanmaktadır. Ayrıca ani yükleme nedeniyle stabilite problemleri ortaya çıkabilmektedir Oturma hızını arttırmak ve ön yükleme bekleme süresini azaltmak için düşey drenler kullanılır. Drenaj yolu kısaltılarak boşluk suyu basınçları hızla sönümlenir ve konsolidasyon hızlandırılmış olur. 23 Düşey dren çeşitleri Uzun yıllar kum drenler kullanılmıştır Son 30 yıldır plastik şerit vb. prefabrik düşey drenler kullanılmaktadır. Düşey drenlerin imalatı sırasında örselenme, permeabiliteyi azaltacağı için dikkat edilmelidir. Yöntemin uygulanması Yapının inşasından önce inşaat sahası geçici olarak bir toprak dolgu ile kaplanır Bir süre beklenerek temel zeminini oluşturan tabakaların bu dolgu ağırlığı altında konsolide olması sağlanır. Daha sonra bu dolgu kaldırılarak yerine yapı inşa edilir. Sonuçta, kil zemin ön konsolidasyona uğradığı için yapıdan aktarılan yükler altında meydana gelecek oturmalar da azalmış olacaktır. 4
Önemli!!! Ön yükleme sırasında temel zemininde kayma göçmeleri meydana gelebilir. Bu nedenle dolgu tabakası kademeli olarak inşa edilmeli ve her kademede belirli süre beklenmelidir. Konsolidasyonun tamamlanması için de yeterli süre beklenilmesi gerektiğine dikkat edilmelidir. Bu nedenle arazi ölçüm sistemi ile boşluk suyu basınçları ve oturmalar takip edilmeli 25 Düşey drenlerin tasarımı Birim hücre yöntemi Her bir düşey drenin birbirinden bağımsız çalıştığı ve düşey drenlerin silindir şeklinde olduğu kabul edilir. Zemin sadece yatay (radyal) drenaj ile konsolide olur. k h ve C h katsayıları kullanılır ve sabit kabul edilir. 26 t sr 27 30 5
31 34 Günümüzde ön yükleme yöntemi ve düşey drenler sonlu elemanlar yöntemine dayalı programlar yardımıyla gelişmiş zemin modelleri kullanılarak yapılmaktadır. 35 33 36 6
TAŞ KOLON YÖNTEMİ Uygulama Kuyu çapı: 0.60 1.0 m Derinlik: Maks. 20 m Kuyunun açılması: Çeşitli yöntemlerle kuyu açılır, granüler malzeme yerleştirilir ve sıkıştırılır. Vibro flotasyon, vibro kompaksiyon yöntemi veya genel foraj yöntemleri kullanılarak zemin delinir ve daha sonra malzeme doldurularak sıkıştırma işlemi yapılır. Malzeme: 20 75 mm arası kırma taş veya tabii kaba çakıl agrega veya kumçakıl karışımları da kullanılabilir. Yumuşak killerde boru çakma ve içi doldurularak çekme yöntemi yaygındır. Ancak taş malzemenin sıkıştırılması ve gradasyonu önemli konudur. 37 Taş kolonlar Her türlü zeminde uygulanabilir. Zemin içinde açılan kuyu şeklinde bir boşluğun içine aşağıdan yukarıya doğru kademeler halinde granüler malzeme yerleştirilerek sıkıştırılması suretiyle rijit kolonlar oluşturulur. Yöntemin Uygulanışı 41 Taş kolon imalatı Delme Aşaması: Zemin içinde vibroflot aleti, burgu vb, delgi aletleri kullanılarak veya ucu kapalı bir borunun çakılması ile istenilen kolon alt ucu derinliğine kadar kuyu şeklinde bir boşluk oluşturulur. Zemin özelliklerine göre bazı durumlarda muhafaza borusu kullanılması gerekebilir. Kuyu açılması sırasında çevre zeminin yer değiştirmeye zorlanması iyileştirme açısından tercih nedenidir. Kolon oluşturulması: Kuyu tabanından itibaren kademeler halinde granüler malzeme yerleştirilir ve sıkıştırılır. Bu aşamada kuyu çevresindeki zeminde gevşeme oluşmaması, sıkıştırma uygulanırken çevre zeminin yanal yer değiştirmeye zorlanması ve her geri dolgu kademesinin sabit ve kontrollu enerji uygulanarak sıkıştırılması önemli olmaktadır. 42 7
Kohezyonlu zeminlerde taş kolonlar Düşey dren gibi çalışır Konsolidasyon hızlanır, Taşıma kapasitesi artar, Mesela, taş kolon uygulaması ile ıslah edilmemiş zeminlere oranla oturmaları %50 azaltmak mümkündür. Killi zeminlerde taş kolonun taşıma kapasitesi 250 300 kn civarındadır 9 10m q = 7 12 kn/m2 Orta sıkı kum dolgu 46 Kohezyonlu Yöntemin Uygulanışı zeminlerde Taş kolonlar doğrudan temellerin altına yerleştirilir ve daha aşağıdaki granüler zeminlere veya daha sıkı kil gibi taşıyıcı tabakalara indirilirler Taşıyıcı tabaka yoksa, o zaman mukavemetin derinlikle artımı sağlanarak kullanılırlar. Boşluk suyu basıncının sönümlenmesi, taş kolonlar yardımıyla hızlanır. Böylece kolon çevresindeki konsolidasyon ile efektif gerilmelerde artış meydana gelir ve zeminin kayma mukavemeti parametreleri iyileşir. Kohezyonsuz zeminlerde taş kolon yöntemi Gevşek haldeki kumlu siltli zeminlerde uygulanır. Kohezyonsuz malzemeden oluşturulmuş rasgele dolgularda uygulanabilir. Bu yöntemle, temellerin hemen altında üniform ve iyi sıkıştırılmış bir zemin bölgesi oluşturulmaya çalışılır. Sıvılaşma riskini azaltmak için de taş kolon yöntemi kullanılır Titreşimli boru ve çubuklar 7m q = 70 120 kn/m2 Siltli kil Orta sıkı kum 45 Titreşimli boru ve çubuklar zemine sokularak zeminin sıkılaşması ve oturması sağlanır. Arazi üstten granüler malzeme ile doldurularak kolonlar oluşturulur. Genellikle paletli vinçlerin sarkıttığı üst vibratörler kullanılır. Kompaksiyon Kazıkları Zemine ucu kapalı çelik boruların çakılması ve içlerinin doldurularak çekilmesi esasına dayanır. Zeminin radyal olarak deplasmana uğrayarak sıkılaşması ve çakım sırasında vibrasyondan etkilenerek oturması sağlanır. İncesi fazla olan zeminlerde de uygulanabilir. Kum drenler ile karıştırılmamalıdır. 8
İmalat ve kuyunun açılması Tasarım Parametreleri Çap, kolon sayısı ve aralıkları Yükleme türü Zemin mukavemet ve rijitliği Kolon malzemesi İmalat yöntemi S: uygulama aralığı 1.5 3.0m arasında değişmektedir. D: 0.60m 1.0m arasında değişmektedir. 52 PRIBE YÖNTEMİ A: Toplam alan Ac: Kolon kesit alanı 50 53 PRIBE YÖNTEMİ 51 54 9
Değerlendirme yöntemleri İyileştirme yapılan zeminde projenin başarısı veya istenen kriterleri sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmelidir. Bu amaçla arazide yerinde yükleme deneyi yapılmalıdır Yükleme deneyi 59 Taş kolonların özel bir hali Darbeli Kırmataş Kolonlar Kazık taş kolon farkı 60 10