ŞEV STABİLİZASYONUNDA GEOSENTETİKLERİN KULLANIM AVANTAJLARI VE BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÖRNEK TASARIM PROBLEMİ Seyfettin Umut Umu 1, Burak Işıkdağ 2 Özet Şev kaymalarında karşılaşılan iki büyük sorun şevlerde oluşan yüksek deformasyonlar ve şev güçlendirme sisteminin uygulanmasında karşılaşılan zorluklardır. Yer altı su seviyesi ve deformasyonu yüksek olabilecek bir şevin duraylılığının sağlanmasında kullanılacak istinat duvarı, bunlara karşı koyabilmek için büyük boyutlarda ve suya karşı dayanımı yüksek olacaktır. Dolayısıyla maliyet yükselecek, uzun dönemli deformasyonların artmasında ise istinat duvarının desteklenmesi ihtiyacı doğabilecektir. Geosentetikler, uzun dönemli duraylılıkları ve suya karşı gösterdikleri yüksek dayanımları ile inşaat mühendisliği uygulamalarında ve şev duraylılığının sağlanmasında kullanılan önemli malzemelerdir. Bu çalışmada, şevlerin uzun dönemli duraylılıklarında geosentetiklerin faydaları, tasarım ilkeleri, ülkemizde uygulamaları ve tasarım örneği anlatılmıştır. 30 eğimli doğal bir şev slide programı ile modellenmiş ve güvenlik sayısı (GS) hesaplanmıştır. Sonrasında, Şev dolgu ve yarmalarla geosentetik bohçalama ile güçlendirilmiş ve 75 eğime getirilmiş ve yol projesi yapılmıştır. Her iki duruma ait GS hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Şev, geosentetik, stabilizasyon, slide 5.0 THE ADVANTAGES OF USING GEOSYNTHETICS IN SLOPE STABILIZATION AND COMPUTER-AIDED A CASE STUDY Abstract The two major problems encountered in at slope failure are the high deformation occurs in the slope and the difficulties in application of the slope reinforcement system. The retaining wall that will be used to provide the stabilization of the slope that has high underground water level close to surface and high deformation level will be exposed the water and high slope deformations. So, the retaining wall must be water resistant and its size must be large and the construction cost will increase. Herein, geosynthetics with strength against the water and long-term stability are produced as important materials used in civil engineering and slope stabilization. In this study, the use of geosynthetics with benefits and design principles in the long-term stabilization of slopes and computer-aided design example and application was investigated. The natural slope that has got 30 has been modelled by using slide 5.0 and the factor of safety (FS) of it has been calculated. Then, the inclination of the slope is increased to 75 with excavation and filling and a road project has been built on the geosynthetics 1 Dr., Anadolu Üniversitesi, suumu@anadolu.edu.tr 2 Yrd. Doç. Dr., Anadolu Üniversitesi, bisikdag@anadolu.edu.tr
reinforced slope. Lastly, FS values of two different slopes have been calculated and compared each other. Keywords: Slope, geosynthetics, stabilization, slide 5.0 Giriş Şev ve toprak dolguların kaymaları günümüzde ve geçmişte en çok karşılaşılan, en çok can alan ve meydana gelme sayısı bakımından diğer doğal afetlere göre çok olan doğal afetlerin başında gelmektedir. Şevlerin veya toprak dolguların yıkılmasının önlenmesi can ve mal güvenliğinin yanı sıra, günümüzde artan nüfus karşısında inşaat alanlarının azlığı, yolların yetersizliği gibi konularda da önem kazanmaktadır. Şev duraylılığının sağlanmasında hâlihazırda birçok yöntem uygulanmaktadır. Bunların en temel amacı bir şevin göçmeden uzun süre boyunca istikrarlı olarak kalmasını sağlamaktır. Şev duraylılığının sağlanmasında istinat duvarları, beton veya kaya dolgu duvarlar, ankrajlar, püskürtme beton ile güçlendirme teknikleri, çivileme yöntemleri ve günümüzde kullanımı yaygınlaşan polimer kökenli geosentetik malzemelerin kullanımı gelmektedir. İnşaat yapılarının duraylı bir şekilde üstüne düşen bir görevi başarıyla tamamlaması uzun dönemli analizlerinin iyi yapılmasından geçmektedir. Yukarıda da saydığımız gibi stabilizasyonda kullanılan birçok yöntem bunu sağlamak amacıyla belirli bir mali yük altında tasarlanmaktadır. Ayrıca inşaat çalışmalarının kendilerine has özelliklerini yerine getirmede uygun çözümün bulunması en önemli yaklaşımdır. Yamaç ve şevlerde meydana gelen deformasyonlar tahmin edilenden çok fazla olabilmektedir. Rijit yapıların hem stabilite hem de drenaj amacıyla yapılması gereklidir. Ancak deformasyonların aşırı olması rijit olarak inşa edilen bu yapıların maliyetini arttırmakta ve uzun süreli kontrol durumunda etkileri düşmektedir. Bununla beraber, betonarme, konsol ve ağırlık tipi duvarlarda yanal direnç bakımından isteneni veremediği için ankraj, kazık sistemler gibi çeşitli yapısal önlemlerle desteklenmekte ve maliyet artmaktadır. Buradaki sorunlar yüzünden belirli miktarlarda deformasyona izin verecek yarı esnek yapıların şev ve yamaçlarda stabilite ve en önemlisi drenaj açısından kullanımları, rijit yapılar karşısında daha avantajlı olmaktadır. Bu tip yapılara, sandık, kafes, metal, plastik veya geosentetik donatılı duvarlar örnek olarak verilebilir (Benek, 2006; Güler, 2006; Laman vd., 2007; Öz, 2007)) Bu çalışmada, geosentetiklerin kullanım alanları, özellikleri, tasarım ilkeleri, faydaları ve ülkemizdeki uygulamaları incelenmiştir. Ayrıca Slide 5.0 paket programı kullanılarak yapay olarak oluşturulmuş karayolu yamaç probleminde güçlendirme yapılmadan ve geosentetik kullanılarak güçlendirme yapılmış durumlar karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, farklı şev analiz teknikleri de göz önüne alınarak değerlendirilmiştir. Geosentetiklerin Fonksiyonları ve Kullanım Alanları American Society of Testing and Materials ASTM, geosentetikleri, inşaat mühendisliği projesi, yapısı veya sisteminin bir parçası olarak zemin, kaya, toprak veya geoteknik mühendisliği ile ilgili herhangi bir malzeme ile birlikte kullanılan polimerik 95
malzemelerden üretilen düzlemsel ürün olarak tanımlamaktadır. Geosentetiklerin, geoteknik mühendisliğinde kullanılan başlıca türleri, geotekstiller, geogridler, geomembranlar ve geokompozitlerdir. Geosentetiklerin kullanım alanları ana başlıklar halinde aşağıdaki gibidir. Karayolu İnşaatlarında Demiryolu İnşaatlarında Toprak Dolgu Barajı İnşaatlarında Şev stabilitesine ihtiyaç duyulan yerlerde Erozyon Kontrolünde Dayanma yapılarının inşaatında Dinamik yüklerin önemli olduğu inşaatlarda Hidrolik İmalat Uygulamalarında Geosentetiklerin temel özellikleri göz önüne alındığında 6 adet çok önemli fonksiyonu vardır. Ayırma, Filtrasyon, Drenaj, Güçlendirme, Koruma, Yalıtım (Şekil 1) (Güler, 2006; Laman vd., 2007; Kotan, 2008) Şekil 1: Geosentetiklerin fonksiyonları (Aksoy, 1993; Yılmaz ve Eskişar, 2008) Ayırma Fonksiyonu Geotekstil, ince daneli zemin ile kaba daneli zemin ara yüzeyine yerleştirildiğinde ayırma fonksiyonu görür. Böylece, üst yapıdan gelen dinamik veya statik yükten dolayı oluşacak malzeme karışımını önlemiş olur. Geotekstiller, süreklilik, esneklik, deforme olabilme, permeabilite ve yüksek çekme dayanımı özelliklerinin sonucu olarak suyun doğal dolaşımına engel olmadan değişik geoteknik özelliklere sahip iki zemini birbirinden ayırır (Öztekin, 1992; Aksoy, 1993; Yılmaz ve Eskişar, 2008). 96
Filtrasyon Fonksiyonu Filtrasyon işlevi, geosentetik ürün aracılığıyla sıvı hareketini ve aynı zamanda kullanılan geosentetik ürünün üst yüzeyinde filtre edilecek malzemenin tutulmasını sağlamaktadır. Geotekstil, bir filtre gibi davranarak, suyun geçişine izin verir ama buna karsın belirlenmiş en küçük dane çaplı zemini tutar ve sürüklenmesine izin vermez. Geotekstil, su akımına karşı yerleştirilir. Filtrasyon işinde kullanılacak geotekstilin uygun maksimum gözenek açıklığı, yeterli su geçirgenliği, sıkışmadan az etkilenme ve yüksek poroziteye sahip olması istenir. Tıkanma riskini ve geotekstilin sıkışabilirliğini de göz önüne alarak güvenlik faktörü 10 veya 100 (önemli barajlarda) olarak alınır (Aksoy, 1993; Yılmaz ve Eskişar, 2008). Drenaj Fonksiyonu Geotekstilin kendi düzlemi boyunca sıvı veya gaz akışını sağlaması fonksiyonudur. Geotekstiller zeminlere nazaran daha çok geçirgendirler. Yeterli eğim altında, tünel, düşey dren uygulamaları, temel duvarları gibi suyun drene edilmesi gereken yerlerde faydalıdırlar. Drenaj amacı güdülen uygulamalarda kullanılacak geotekstil malzemenin, kendi düzleminde geçirgenliğinin yüksek, basınca karşı dayanıklı ve iyi filtre özelliği olmalıdır (Öztekin, 1992; Aksoy, 1993; Yılmaz ve Eskişar, 2008). Drenaj amacı ile kullanılacak geotekstiller, aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır: Kendi düzleminde yüksek geçirgenlik Basınca karsı yüksek dayanım İyi filtre özelliği Güçlendirme Fonksiyonu Geoteknik mühendisliği projelerinde, alan kısıtlamaları içerisindeki stabil şevler ve istinat yapılarının tasarım ve inşaatında ekonomik yönler büyük öneme sahiptir. Örneğin; yükseklik değişkenlerinin geometrik gereksinimleri belirleyeceği bir otoyol projesinde, mühendis, gerekli yapıların inşaatı için farklı alternatiflerle karşı karşıyadır. Geleneksel çözümler, ya beton bir istinat duvarı inşaatından ya da nispeten düz, donatısız şev yapılmasından yanadır. Tasarım açısından basit olmasına rağmen, beton duvar alternatifleri, genellikle yüksek inşaat ve malzeme maliyetine neden olmaktadır. Öte yandan, donatısız dolgulu düz şev açıları, tasarımın alan kısıtlamaları tarafından engellendiği için bu uygulamaları genellikle projede mümkün görülmemektedir. Dolayısıyla zeminlerin geosentetiklerle güçlendirilmesi fikri yeni, ekonomik ve pratik bir alternatif olarak düşünülmesi mühendislik uygulamalarında avantaj sağlayabilir. Bilindiği üzere zeminin çekme gerilmelerine karşı direnci zayıftır. Buna karşın geosentetiklerin çekme dayanımlarını yüksektir. Zemin kitleleri içerisine geosentetik ürünler dâhil edilmesi zemin kütlesinin mekanik özelliklerini iyileştirerek, hem zemin kütlesinin stabilitesini arttırır aynı zamanda gerilme kuvvetlerini geliştirerek bir güçlendirme işlevi sağlar. Zemin ve geosentetik güçlendirme birleştirildiğinde, güçlendirilmiş zemin, yüksek sıkışma ve gerilme mukavemetine sahip bir kompozit malzeme oluşturulmuş olur. Aslında geoteknik yapılarda, güçlendirme olarak uygulanmış herhangi bir geosentetiğin, uygulanmış gerilmelere direnme ya da kabul edilemez deformasyonlara engel olmak gibi ana görevi vardır. Bu süreç içerisinde, geosentetik, zemin dolgu malzemesi ile birleştiğinde, sürtünme, kenetlenme, yapışma veya hapsetme yoluyla gerilmiş bir eleman olarak davranır ve böylece zemin veya kullanıldığı kitlenin stabilitesini korur. 97
Koruma Fonksiyonu Geotekstil, deformasyonu ve gerilmeyi azaltarak ya da yayarak istenilen malzemeyi korur. Geosentetik ürünler (özellikle geotekstiller), sistem yapısında oluşabilecek hasarlara karşı diğer geosentetik ürünleri (özellikle geomembranlar) korumak amaçlı kullanılmaktadır. Atık depolama sistemleri ve sıvı muhafaza sistemlerinde (su göletleri, sulama havuzları gibi), geomembran delinmelerine karşı koruma sağlamak için geotekstil kullanımı, koruma fonksiyonu için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Koruma amaçlı kullanılacak geotekstiller için polimer tipi, birim alan yoğunluğu, imalat yöntemi ve yapı ömrü boyunca görevini sürdürebilmesi en önemli ölçütlerdir ve tasarımcının bu özellikleri mutlaka göz önünde bulundurması gerekir. Yalıtım Fonksiyonu Geotekstil, geçirimsiz bir tabaka oluşturmak için bitüm veya plastik yalıtım malzemeleriyle doygun hale getirilir. Bir çeşit membran görevi görür. Özellikle yeni kaplama yapılacak eski kaplamalı yolların üzerine serilir. Geotekstilin, yeterli miktarda bitümü tutma özelliği olması gerekir (Aksoy, 1993; Yılmaz ve Eskişar, 2008). Şevlerde Geosentetik Kullanımı ve Faydaları Şev duraylılığında geosentetikler ilk kez göçmüş bir şevin eski durumuna getirilmesi için uygulanmıştır (Şekil 2). Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi, geogridler veya geotekstiller çok katmanlı olarak inşaat esnasında veya yıkılmış şevlerin tekrar inşasında şev stabilitesini sağlamak amacıyla şevlere yerleştirilebilirler (Şekil 3). Birçok şev güçlendirme projesinde istinat duvarlarına alternatif olarak geosentetiklerin kullanımı günümüzde artarak devam etmektedir. Şekil 2: Geotekstil donatılı ilk duvar (Roven-Fransa,1971) (Kotan, 2008) Geosentetiklerin şevlerde kullanılması, kompaksiyona da katkı yapmaktadır. Bu uygulamada, dar geosentetik şeritleri (1 veya 2 m eninde) doldurulmuş şevin sırtına şev yüzündeki yanal baskıyı (hapsi) arttırmak amacıyla yerleştirilirler ve böylece kompaksiyonda 98
istenen yoğunluk elde edilebilir. Kompakte edilmiş şevlerde orta derecelerde güçlendirme yapılmasıyla bile erozyon kontrolü önlenmiş olur. Şevlerin ve dolguların duraylılığını (stabilitesini) geliştirmek amacıyla geosentetik malzemeler kullanılarak güçlendirme yapılabilir. Geosentetiklerin kullanıldığı şevlerde kayma yüzeyinin emniyet katsayısı, dolgu şevleri içinde değişik kotlarda geosentetik katmanlar oluşturularak arttırılmaktadır (Şekil 3). Bunun sonucunda donatısız şevlerde elde edilen eğimden daha fazla eğimde ve daha stabil şevlerin inşa edilmesi mümkün olmaktadır. Şevlerde ve dolgularda kullanılan en önemli güçlendirme malzemeleri geotekstiller, dokumalar, geogridler, çelik şeritler, çelik hasırlar, yüksek dayanımlı çelik çubuklardır. Geotekstiller, polimer lifleri kumaş şeklinde dokuyarak ve dokumasız biçimde ve sürekli bir levha oluşturacak şekilde birbirine eklemek suretiyle imal edilmektedir. Dokumalı geotekstiller dokumasız olanlardan daha sert ve sağlam olup, donatılı şev uygulamaları için daha faydalıdırlar. Geogridler, yüksek dayanımlı bir ağ oluşturmak üzere polimer plastik yapraklarının bir veya daha fazla yönde gerdirilmesi şeklinde üretilirler. Germe işlemi polimer malzemeyi daha sert ve sağlam yapmaktadır (Duncan and Wright, 2005). Şekil 3: Çok katmanlı geosentetik kullanımı ve şev güçlendirmesi (TenCate) Geotekstiller, şev duraylılığında kullanıldıklarında, özellikle şev donatısı olarak donatılı zemin prensipleri ile şevi tanımladığımız bazı öğelerin kritik durumlarına yakın değerlere kadar tasarım yapılmasına olanak sağlamaktadırlar. Bu durumlardan elde edilen kazançlar ile de ekonomik yaklaşımlar ortaya çıkmaktadır. Özellikle daha dik ve yüksek kazılar yapılabilmektedir (Şekil 4.). Aşağıda şevlerde ve şev yapılarında kullanılan geosentetiklerin sağladığı faydalar maddeler halinde sıralanmıştır (Yılmaz ve Eskişar, 2008) Şev tepesinde ve topukta daha fazla alan kullanımı Dolguda kullanılacak gereken hacmin azaltılması ve baraj dolgularda daha dik açılar sayesinde dolgu miktarının azaltılması 99
Kaliteli malzemenin bulunamamasına bağlı olarak gereksinimin azalması yani kullanılacak dolgu malzemesinin fiziksel ve mühendislik parametrelerine destek olarak daha düşük özellikli dolgu malzemesinin kullanımına izin vermesi. İstinat duvarı gibi, topuk elemanları gibi elemanların kullanımının azalması Karayolu seddelerinin genişletilebilmesi Stabilitesi bozulmuş veya göçmüş şevlerin düzenlenmesi ve stabilitelerinin tekrar sağlanması Çeşitli şekillerle estetik görüntülerin oluşturulabilmesi Geleneksel yöntemlere göre daha ekonomik çözümlerin oluşabilmesi Şekil 4: Geosentetiklerin şevlerde şev yapılarında kullanımı (Kotan, 2008) Geotekstillerin sahip oldukları teknolojik altyapı sayesinde(dayanım parametreleri ve fonksiyonları) arttırılan kohezyon aracılığıyla yüksek ve dik şevlerin oluşturulabilmesi ve göçmeye dayanımın arttırılması Kaya şev yüzeylerinin korunması ve kaya düşmelerine karşı kayaları tutabilmesi sayesinde can ve mal güvenliği Sanayi tesislerinde arsa çevresi şevlerinin dikleştirilerek özellikle açık stok, otopark ve düz yeşil alan ve eğlence-dinlenme(rekreasyon) alanlarının arttırılması Çöp gömme alanlarında geçici seddeleri daha dik yaparak değerli çöğ gömme hacmini maksimize etmek İnce daneli ve killi topraklarda dolgu yaparak dolgu ve hafriyat maliyetlerinin azaltılması Maliyetinin ucuzluğu (%20-50 arasında tasarruf sağlar), Şevlerin çok daha iyi sıkıştırılması ve dolayısıyla zamana bağlı oturma ve yüzeysel oynamalarında minimize edilmesi gibi konular geosentetiklerin ne kadar önemli teknolojik ve ekonomik elemanlar olduklarını göstermektedir. Şevlerin yüzeyleri tamamıyla esnek malzeme ile kaplandığından (erozyon matı vb.) olası konsolidasyon oturması beklenen zeminlerde daha rahat uyumludurlar ve sert cephe kaplamalarında olduğu gibi çatlamalara izin vermezler (Çakır ve Aytekin, 2005). 100
Geosentetiklerin şevlerde kullanımı aynı zamanda erozyon kontrolünü de sağlamaktadır. Şev yüzey açısının 45 dereceden düşük olduğu yerlerde soft armor (gevşekyumuşak koruma) adı verilen sistemler uygulanır. Bu sistemin fonksiyonu, şev yüzeyinin uzun dönemli erozyon kontrolüne karşı bitki yetişmesini sağlamaktır. Bu tip sistemler, geçici veya kalıcı ince tabakalı hücresel hapis erozyon örtüsü içerirler. Şev açısının 45 dereceden fazla olduğu yerlerde ise hard armor (katı-sert koruma) adı verilen daha dayanıklı sistemler uygulanır. Burada da yukarıda olduğu gibi uzun dönemli erozyon kontrolü sağlanır. Bu sistemler erozyon kontrolü anlamında bitkilendirme içerebilirler. Bu tip sistemler, kaynak yapılmış tel gözenek ya da sepet, istiflenmiş hücresel hapis panelleri gibi sistemler içerirler. Geosentetik Donatılı Şevlerin Modellensi ve Analizleri Güçlendirilmemiş şevlerin tasarım ilkelerinde kullanılan analizlerle güçlendirilmiş şevlerin tasarımları için kullanılan analizler birbirleriyle benzerlik gösterirler. Bu durumda güvenlik faktörü, uzun ve kısa dönemler ile olabilecek tüm göçme durumları için gerekli miktarda olmalıdır. Elbette analizler gelebilecek en kötü duruma göre yapılmalıdır. Aşağıdaki şekilde şev içerisinde oluşan çekme gerilmelerinin yönelimi gösterilmiştir (Şekil 5). Dolayısıyla güçlendirme yapılacak olan şevlerin bu model göz önüne alınarak çözümlenmesi gerekmektedir. Buradan da anlaşılacağı üzere, a şeklinde gösterilen idealleştirilmiş güçlendirme planı hesaplanmış olmasına rağmen, geotekstillerin yerleştirilmesi uygulanamaz olacağından dolayı b de olduğu gibi yatay yerleştirme söz konusudur (Shukla, 2002; Duncan and Wright, 2005). Şekil 5: Çekme gerilmelerinin yönelimi ve güçlendirme modeli a. idealleştirilmiş b. pratikte öngörülen Limit Denge Metodu Bu yöntem geosentetik donatılı şevlerin tasarımında en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Birçok çalışmada limit denge yönteminin çeşitleri kullanılmıştır. Bu yöntemde göçmenin, bilinen ya da tahmin edilen bir yüzeyde gerçekleştiği göz önüne alınır. Göçme anında, kayma direnci göçme düzlemi boyunca hareket halindedir ve şevin tamamı ve her bir parçası statik denge konumundadır. Zeminin kayma dayanımı Mohr-Coulomb dayanım ölçütleri kullanılarak hesaplanabilir. Geosentetik tabakalarının izin verilen gerilme dayanımı, mevcut kayma dayanımı hesaplanırken göz önüne alınır. Birçok kayma yüzeyi değerlendirilir ve en kritik durumda olan yüzey belirlenir. En küçük değere karşılık gelen güvenlik sayısı şevin güvenlik sayısı 101
olarak değerlendirilir. Bu değerin 1.3 den büyük olması gerekmektedir (Shukla, 2002; Duncan and Wright, 2005). Limit Analiz Metodu Limit analiz yöntemi, şev stabilite problemlerinin çözümünde doğru ve hassas sonuçlar için evrensel bir yöntemdir. Plastisite teorisine dayanmaktadır. Yükleme durumları karmaşık, homojen veya heterojen gibi geometrisi değişkenlik gösteren şevlerin analizinde uygulanabilen bir yöntemdir. Limit analiz yöntemleri hem karmaşık olup hem de malzemelerin gerçek gerilme-birim deformasyon özelliklerinin çok iyi tanımlanmasını zorunlu kıldıklarından, hesap yönteminin uygulanmasında çok dikkatli olunması gerekmektedir (Shukla, 2002; Duncan and Wright, 2005). Kayma Hattı Metodu Kayma çizgisi yöntemi, gerilme karakteristikleri metodunun uygulanması ve homojenize( türdeşleştirilmiş) edilmiş geosentetik güçlendirme zemin kompozitlerinin göçmesi olarak tanımlanan göçme ölçütlerinden türetilmiştir. Geosentetik güçlendirilmiş zemin kompozitleri için göçme ölçütlerinin türetilmesi Michalowski ve Zhao tarafından sunulmuştur. Geosentetik güçlendirilmiş zemin şevleri üzerindeki limit yükler Zhao tarafından tanımlanan kayma hattı yöntemi kullanılarak hesaplanabilir. Bu yaklaşımın, şevlerin analizinde çok geniş uygulama alanı vardır (Shukla, 2002; Duncan and Wright, 2005). Sonlu Elemanlar Metodu Sonlu elemanlar analizi genel olarak, gerilmelerin ve şekil değiştirmelerin hesaplandığı yarı elastik bir bütün mekanik yaklaşımı temeline oturmaktadır. İnşaat süreci boyunca geosentetik güçlendirilmiş zemin şevleri büyük deformasyonlar gösterdikleri için, uygun göçme ölçütleri ile gerilme-şekil değiştirme analizleri için lineer olmayan zemin modeli benimsemek uygun olmaktadır (Mohr-Coulomb ölçütleri vb.). Çeşitli derecelerdeki karmaşıklık için bazı modeller geliştirilmiştir. Bunlar ekstra parametrelere ihtiyaç duyarlar. Eğer kayma ve hacimsel şekil değiştirmelerin ölçümleri yeterli derecede yapılabilirse, bu parametreler üç eksenli testler ile belirlenebilirler. Sistemin bir parçası olan geosentetikler, uygun esaslar göz önüne alınarak modellenmeye ihtiyaç duyarlar (Shukla, 2002; Duncan and Wright, 2005). Tasarım Problemi Bu aşamada, güçlendirilmemiş ve geosentetik bohçalama sistemi ile güçlendirilmiş durumların karşılaştırılması amacıyla slide 5.0 paket programı kullanılarak sadece kum zeminden oluşan bir şev tasarımı oluşturulmuştur, tasarımın üç boyutlu görselleri aşağıda verilmiştir (Şekil 6). Güçlendirilmemiş durumda şevin eğimi 30 olarak düşünülmüştür. Sonrasında, şevin üstüne 20 m eninde yol projesi eklenmiş ve yol yükü şeve etkitilmiştir (25 kn/m), yoldan geçen araç yükü projeye dâhil edilmemiştir. Yol projesi eklendikten sonra şev açısı 75 ye çıkartılmış ve geosentetik bohçalama ile güçlendirilmiş durum ile güçlendirilmemiş durumların kıyaslanması yapılarak sonuçlar sunulmuştur. Şevde kullanılan malzemenin teknik özellikleri tablo 1 de verilmiştir. Şev stabilitesinin hesaplanmasında güvenlik sayısı kullanılsa da, her geoteknik senaryoda bu sayıya eşitlik durumu söz konusu değildir. Kapsamlı saha araştırmaları yapıldığında, belirsizlik 102
ŞEV STABİLİZASYONUNDA GEOSENTETİKLERİN KULLANIM AVANTAJLARI VE BİLGİSAYAR DESTEKLİ durumlarının önemli bir kısmının güvenlik hesaplarından çıkarıldığı görülür ve dolayısıyla hesaplanan küçük güvenlik sayısı kullanılır. Buna karşın, kapsamlı saha araştırmaları, yüksek kalite laboratuvar testleri yapılmamış ise, güvenlik sayısının içinde belirsizlik büyük bir seviyede yer almaktadır. Bu belirsizliklerin üstesinden gelebilmek için, şev performansının hesaplanmasında olasılık analizi değerlendirme yapmak için kullanılabilir. Şevin güçlendirilmesinde geosentetik bohçalama tekniği uygulanmıştır. Burada, 25 cm lik bohçalarla geosentetik malzeme ile yapay şev yatayla 75 açı yapacak şekilde oluşturulmuştur. Şekil 6: Örnek tasarım problemi üç boyutlu modelleri Tasarlanan şeve ait slide 5.0 paket programı ile hazırlanmış iki boyutlu stabilite analizlerinin modelleri ve geosentetik malzemenin teknik özellikleri aşağıda verilmiştir (Şekil 7 ve Tablo 2). Geosentetik malzemenin teknik özelliklerinin belirlenmesinde slide 5.0 tasarım programı kullanılmış ve standart değerler referans olarak alınmıştır. Tablo 1: Malzeme özellikleri ve istatistiksel veriler Malzeme γ (kn/m3) Kum 21 ϕ (içsel sürtünme açısı) c (kohezyon) Dağılım Ortalama Std. Sapma Rel. Min / Rel. Maks Dağılım Ortalama Std. Sapma Rel. Min / Rel. Maks Normal 3 0.5 3/3 LogNormal 30 4 30 / 30 Tablo 2: Proje kapsamında kullanılan geosentetik ürünün teknik özellikleri Güçlendirme Tipi Geotekstil Şerit Özellikleri Şerit Kaplaması % Çekme Dayanımı (kn/m) 100 40 Kayma Dayanım Modeli Yük Uygulama Yük Yönlendirme Ankraj Lineer Pasif Paralel ve Teğet Açıortay Şev Yüzü Sıyırma Dayanımı Adezyon kn/m2 Sürtünme Açısı 5 40 103
a. Doğal şev açısı: 30 b. Yapay şev açısı: 75 (güçlendirilmemiş) c. Yapay şev açısı: 75 (geosentetik bohçalama ile güçlendirilmiş) Şekil 7: Tasarım problemleri iki boyutlu analiz modelleri Tablo 3 de doğal, güçlendirilmemiş yapay ve güçlendirilmiş yapay şevin güvenlik sayısı ve göçme olasılığı değerleri (Probability of Failure PF) Ordinary/Fellenius, Bishop Simplified ve Janbu Simplified hesaplama yöntemleri göz önüne alınarak sunulmuştur. Ayrıca, tasarım problemlerine ait ve güvenlik sayısı güçlendirilmemiş durumlar için 1.2 den düşük olan ve güçlendirilmiş durum için tüm kayma düzlemlerinin görselleri Bishop Simplified yönteminin sonuçlarına göre aşağıdaki grafiklerde gösterilmiştir (Şekil 8). Tablo 3: Minimum güvenlik sayısı sonuçları 30 Doğal Şev 75 Güçlendirilmemiş Şev 75 Güçlendirilmiş Şev Yöntem GS (ort.) GO GS (ort.) GO GS (ort.) GO Ordinary/Fellenius 1.112 26 0.344 100 1.523 0.1 Bishop Simplified 1.151 18.68 0.381 100 1.646 0 Janbu Simplified 1.109 26.7 0.344 100 1.456 0.5 GS = Güvenlik sayısı, GO = Göçme olasılığı (%) Geosentetiklerin Şev Güçlendirmesinde Kurulumu ve Yerleştirilmesi Bu bölümde yer alan bilgiler ve şekiller TenCate internet sayfasından alınmıştır. Geosentetiklerin üretimi yapıldıktan sonra yerleştirme esnasına kadar geçen sürede doğru şekilde saklanmalar gereklidir. Uygulama safhasında, projenin değerlendirmesi 104
yapılmalıdır. Yanlış uygulamalar sonucunda istenen verimin alınamayacağı gibi, geosentetiğe zarar verilmesi durumunda inşaat maliyeti artar, inşaat süresi uzar ve istenmeyen durumlar oluşabilir. Geosentetik malzemenin, şevin hâlihazırda güçlendirmesine başlanacak kot yüksekliğine yönergelere uygun olarak yerleştirilmesi gerekir (Şekil 9). a. Doğal şev açısı: 30 b. Yapay şev açısı: 75 (güçlendirilmemiş) c. Yapay şev açısı: 75 (güçlendirilmiş) Şekil 8: Tasarım problemlerine ait kayma düzlemleri (Bishop simplified) Geosentetik malzeme istenen yere serildikten sonra, işçiler tarafından gerilerek kırışıkları ve potluk yapan yerleri düzeltilebilir. Bitişik geosentetik paneller, yerleştirme yönergelerinde aksi belirtilmediği sürece %100 kaplama sağlanması amacıyla bindirme yapılarak serilirler (Şekil 10). Geosentetik, birincil güçlendirme doğrultusunda güçlendirme 105
alanının tüm uzunluğu boyunca uzatılarak tek bir parça halinde yerleştirilmeli ve kurulumu yapılmalıdır. Şekil 9: Geosentetik malzemenin hesaplanan kot yüksekliğinde serilmesi Şekil 10: Geosentetiklerin bitişik olarak serilmesi Bir tabaka geosentetik malzeme serildikten sonra, takip eden zemin tabakası projede belirlendiği şekilde hazırlanmalı, yerleştirilmeli ve sıkıştırılmalıdır. Zemin tabakasının yerleştirilmesi tamamlandıktan sonra, sonraki geosentetik malzeme yerleştirilebilir. Bu işlem her bir geosentetik ve zemin malzemesi için tekrarlanarak devam eder. Geri dolgu malzemesinin hazırlanması ve yerleştirilmesi (Şekil 11). Geosentetik, sıkıştırma işlemi yapılmış dolgu zemin yüzeyine yatay olarak serilir ve daha sonraki dolgu tarafından örtülür. Dolgu malzemesinin yayılması projeye uygun olarak yapılmalıdır. Geri dolgu malzemesi, geosentetik malzemesinin kaymasını ve buruşmasını en düşük seviyede tutacak şekilde çeşitli şekillerde yerleştirilebilir, serilebilir ve sıkıştırılabilir. Elbette bu işlemler yapılırken, kullanılan araçlar, inşaat işleri geosentetik malzemeye zarar vermeyecek şekilde yapılmalıdır. Şev yüzüne yakın yerlerdeki (1 m içerisine kadar) bölümler elde kullanılan sıkıştırma aletleri ile sıkıştırılabilir. Lastik tekerlekli araçlarla yapılan sıkıştırma esnasında bu araçların geosentetik malzemeye zarar vermemesine özen gösterilmelidir. Aşağıdaki şekilde sıkıştırma araçları ve sıkıştırmanın nasıl yapıldığına ait çizelge verilmiştir (Şekil 12). Drenaj kurulum işlemin bir başka aşamasıdır. Zemin suyu sızıntısı ve/veya yüzey sularının akması güçlendirilmiş dolgu zeminin doygun hale geçmesine ve zemin dayanımının azalmasına güçlendirilmiş zemin kütlesinin duraylılığının bozulmasına neden olur. Eğer şev 106
ekstra güçlendirme elemanlarıyla zemin dayanımı azaltan bu etmenlere karşı tasarlanmadıysa, mühendislikte kullanılan drenaj sistemleri ile dolgu malzemesini doygun hale geçmesini engelleyici önlemler alınmalıdır. Şekil 11: Geri dolgu malzemesinin hazırlanması, serilmesi işlemleri Şekil 12: Şev dolgusunun sıkıştırılmasında kullanılan araçlar Son olarak, şev yüzeylerinin korunması gerekmektedir. 1 düşey 1 yatay eğimde veya daha az eğimli şevlerde, şev yüzeyinin korunması ve zemin danelerinin tutulması amacıyla hidro tohumlama ve kaplama yapılabilir. Böylece zeminin yeşillenmesi sağlanır. Eğer 1 yatay 1 düşey eğimden daha fazla eğimli bir şev oluşturulmuş ise, çimlendirme uygulaması oldukça zor olur ve şev yüzeyi yeni bir geosentetik malzeme, püskürtme beton, hatıl(kiriş), gabion duvar gibi uygulamalarla desteklenebilir (Şekil 13). Şekil 13: Şev yüzünün güçlendirilmesi 107
Sonuçlar Şev duraylılığı son dönemlerde önemle üzerinde durulması gereken konulardan birisidir. Uzun dönemli yüksek deformasyonlar şevlerde karşılaşılan en büyük sorundur. Stabilizasyon amacıyla yapılan yapıların veya oluşturulan sistemlerin ortak amacı şevin dayanımının arttırılması olarak görülebilir. Ancak zamanla artan deformasyon veya karşılaşılan problemler (aşırı yağış, deprem vb.) stabilizasyon sisteminin desteklenmesi ihtiyacını doğurabilir. Bu durumda şev stabilizasyonunda kullanılacak sistemin uygulanabilir olması, maliyetin limitler dâhilinde olması ve ayrıca yapım şartları, estetik görüntü, doğal bütünlük ve çevreye uyum gibi şartlarında göz önüne konulması gerekir. Tüm bunlar düşünüldüğünde geosentetik donatılı güçlendirme sistemleri teknolojinin de gelişmesiyle şevlerin güçlendirilmesinde uygun birer malzeme olarak kullanılmaktadır. Ayrıca mali bakımdan diğer şev güçlendirme tekniklerine göre avantajlıdırlar. Bu çalışmada, geosentetik bohçalama sistemi ile güçlendirilmiş ve yol projesi düşünülen doğal olmayan bir şevin güvenlik sayısı paket program kullanılarak hesaplanmış ve sonuçlar sunulmuştur. Güçlendirme yapılmış doğal olmayan şevin güvenlik sayısı, doğal haldeki şeve göre yaklaşık olarak %45, doğal olmayan güçlendirilmemiş duruma göre ise %330 oranında daha yüksek elde edilmiştir. Kaynakça Aksoy, İ.M. (1993). Modern yol inşaatında geotekstil ve geogrid uygulaması konularında araştırma. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İTÜ, İstanbul, Türkiye, 115s. ASTM D698. (2012). Standard test methods for laboratory compaction characteristics of soil using standard effort. DOI: 10.1520/D0698-12E02. Benek, B. (2006). Geotekstiller üzerine bir inceleme ve uygulama örnekleri. Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Müh. Böl., CBÜ, Manisa, Türkiye, 104s. Çakır, T. ve Aytekin, M. (2005). Donatılı zemin dayanma duvarlarının geleneksel dayanma duvarları ile maliyet açısından karşılaştırılması. Geoteknik Sempozyumu, Adana, Türkiye, 33-49. Duncan, J.M., and Wright, S.G. (2005). Soil strength and slope stability. John Wiley & Sons, ISBN-13: 978-0471691631, Hoboken, N.J., USA:312p. Kayabalı, K. (2006). Zemin şevlerinin duraylılığı. Gazi Kitabevi, ISBN: 975-6009-00-4, 299s.(Çeviri) Güler, E. (2006). Geosentetik donatılı istinat duvarı (geoduvar) bir şartname taslağı. İkinci Uluslararası Geosentetikler Konferansı, BÜ, İstanbul, 221-227. Kotan, D. (2008). Geotekstil donatılı zemin istinat duvarları ile yamaçlarda stabilitenin arttırılması. Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Müh. Böl., İTÜ, İstanbul, Türkiye, 181 s. Laman, M., Yıldız, L., Keskin, M.S. ve Uncuoğlu, E. (2007). Donatılı kum şeve oturan şerit temelin deneysel olarak incelenmesi. İMO Teknik Dergi, 18(88): 4197-4218 Öz, E. (2007). Şev stabilitesi ve mühendislik uygulamaları. Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Müh. Böl., EÜ, Kayseri, Türkiye, 171 s. Öztekin, A. (1992). Geotekstil Üzerine Bir İnceleme. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İTÜ, İstanbul, Türkiye, 106 s. Shukla, S.K. (2002). Geosynthetics and their applications. Published by Thomas Telford, ISBN: 978-0727731173, London, UK: 430p. TenCate, Mifari, Geosynthetics for soil improvement 21 Ekim 2009 tarihinde alınmıştır. http://www.tencate.com/amer/geosynthetics/products/default.aspx Yılmaz, H.R. ve Eskişar, T. (2007). Geosentetik ürünlerin geoteknik mühendisliği sorunlarının çözümünde kullanımı ve sağlanan faydalar. 2. Geoteknik Sempozyumu Bildiler Kitabı, Adana, Türkiye, 437-453. 108