2. Uluslararası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye DEMİRYOLLARINDA GEOSENTETİK MALZEME KULLANIMI-GEOGRİD KULLANILARAK BALAST/ALTBALAST TABAKA KALINLIKLARININ AZALTILMASI Zübeyde ÖZTÜRK a ve İsmail AY b a İTÜ İnşaat Fakültesi-Ulaştırma Anabilim Dalı, e-mail: ozturkzu@itu.edu.tr b * İstanbul Ulaşım A.Ş., e-mail: İsmail.ay@istanbul-ulasim.com.tr Özet Geosentetikler, bir inşaat projesi, yapı veya sistemin parçası olarak kullanılan polimer yapılı düzlemsel ürünlerdir. İnşaat mühendisliği açısından, yer kazanma, teknik üstünlük, inşaat süresini kısaltma ve çevresel yönlerden avantajlı olduğu bilinmekte olan geosentetikler günümüzde demiryollarında da çeşitli fonksiyonlarla kullanılmaktadır. Geosentetik malzemeler mühendislik alanında yaygın olarak alt yapı malzemesi olarak kullanılıyor olsa dahi, balast tabakasına katılarak demiryolu üst yapısında da faydalanılmaktadır. Geotekstil, geomembran ve geogrid türü geosentetikler demiryolu yapılarında; filtrasyon, drenaj, ayırma, güçlendirme ve yalıtım gibi amaçlarla kullanılmaktadır. Geotekstiller asli olarak ayırma, filtreleme görevinde kullanılırken aynı zamanda, güçlendirme, drenaj ve yalıtım yapılarında da koruyucu veya katkı olarak işlev görmektedir. Geomembranlar demiryolu altyapı ve tünel kesitlerinde su yalıtımını sağlamada önemli bir rol üstlenirken, geogrid malzemeler de stabilitenin sağlanmasında etkin olmaktadır. Demiryolu inşaatlarında drenaj yapısının oluşturulması, su yalıtımının sağlanması ve düzensiz oturmaların önlenmesi gibi problemlere çözüm olarak yaygın olarak kullanılan geotekstil ve geomembran malzemelerinin haricinde istinat yapıları ve demiryolu yapısında stabilizasyonu sağlamak üzere kullanılan geogridlerin balast ve alt balast tabaka kalınlıkları azaltmak üzere kullanılarak yapım maliyetlerini düşürebileceği öngörülmektedir. Bu çalışmada ülkemizde henüz uygulaması görülmemiş olsa da yabancı akademisyenler tarafından deneysel çalışmalarla balast tabakasının yaklaşık %25; alt balast tabakasının ise %50 e kadar inceltebileceğini ortaya konulan çalışmalara ve dünya genelinde bazı uygulamara yer verilerek demiryolu yapımında geogrid kullanımının katkıları değerlendirilecektir. Anahtar kelimeler: Demiryolu, Geosentetikler, Geogrid, Balast Abstract Geosynthetics are planar products used as parts of a construction project, structure, or system. In terms of civil engineering which is known to be advantageous by providing savings in space, technical superiority, construction time reduction and environmental aspects, geosynthetics are used in railways with the various of functions today. Geosynthetic materials in the field of engineering are widely used as a sub-structure material, even if the ballast layer is utilized by participating in the superstructure. Geotextile, geomembrane and geogrid type geosynthetics are used for such purposes in railway structures such as filtration, drainage, separation, reinforcement and insulation. Geotextiles are mainly used with separation, filtering task, but also offer as a support and protection for reinforcement, drainage. Sections of railway substructure and tunnel waterproofing geomembranes played a significant role in ensuring that and geogrid materials are effective in maintaining stability. Except for geotextile and geomembranes which are widely used for creation of the railway drainage construction, water insulation and used as a solution to problems such as the prevention of irregular settlements geogrids are used for retaining wall structures and reducing ballast and sub-balast layer thickness and building costs by the way.
In this study, experimental studies of foreign scholars which are about reducing ballast layer thickness up to %25 and sub-balast thickness up to %50 and geogrid contribution for the construction of the railway structures with some applications around the world will be mentioned. Keywords: Railway, Geosynthetics, Geogrid, Ballast 1. Giriş Geosentetikler, bir inşaat projesi, yapı veya sistemin parçası olarak kullanılan polimer yapılı düzlemsel ürünlerdir. İnşaat mühendisliği açısından, yer kazanma, teknik üstünlük, inşaat süresini kısaltma ve çevresel yönlerden avantajlı olduğu bilinmekte olan geosentetikler günümüzde demiryollarında da çeşitli fonksiyonlarla kullanılabilmektedir. Demiryollarında geosentetiklerin kullanımını alt yapı ve üst yapıda olmak üzere iki kapsamda incelemek mümkündür. Geosentetikler daha çok geoteknik mühendisliği ile ilişkilendirilerek alt yapı malzemesi olarak kullanılıyor olsa dahi, demiryolu üst yapısında da oldukça etkin görevler üstlenmesi mümkün görülmektedir. Demiryolu altyapısının en önemli sorunlarından biri drenajın sağlanması olarak görülmektedir. Balastlı demiryolu hatlarında, balast tabakası ile suyun drenajı sağlanıyor olsa da yetersiz kalabilmekte, alt balast tabakasının hem drenaj hem taşıyıcılık yönünden su yalıtımı ve drenaj malzemeleri ile desteklenmesi gerekebilmektedir. Öte yandan, günümüzde balastsız demiryolu kesitlerinde de aynı şekilde altyapıda drenajın ve su yalıtımının sağlanması için çoğunlukla geosentetiklere başvurulduğu gibi demiryolu kesitinde yer alan, üstyapı ve altyapı bölümlerini birbirinden veya birbiri arasında ayırmayı temin içinde geosentetikler kullanılmaktadır. Demiryollarında filtrasyon, drenaj, ayırma, güçlendirme ve yalıtım gibi amaçlarla, geotekstil, geomembran ve geogrid türü geosentetikler kullanılmaktadır. Demiryollarında geosentetik uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan geotekstiller asıl olarak ayırma, filtreleme görevinde kullanılırken aynı zamanda, güçlendirme, drenaj ve yalıtım yapılarında da koruyucu veya katkı olarak işlev görmektedir. Geogrid malzemeler güçlendirme çalışmalarında kullanılırken, geomembranlar da demiryolu altyapı ve tünel kesitlerinde su yalıtımı ihtiyacına önemli ölçüde karşılık vermektedir. 2. Geosentetiklerin Fonksiyonları Ve Demiryollarında Kullanımı ASTM(American Society for Testing Materials) in tanımına göre geosentetikler, bir inşaat projesi, yapı veya sistemin parçası olarak zemin, kaya, toprak veya diğer geoteknik mühendisliği ile ilgili bir malzeme ile beraber kullanılan, polimer yapılı düzlemsel ürünlerdir. Geotekstiller, geogridler, geomembranlar, geonetler, geokompozitler ve geosentetik kil kaplamaları ve diğer bazı ürünleri de kapsamına alan geosentetikler geleneksel malzemelerle birlikte kullanılmaktadır. 2
Geotekstil Geomembran Geogrid Geokompozit Geonet 2.1 Geosentetik malzemelerin fonksiyonları Şekil 1 Geosentetik Çeşitleri Geosentetik malzemeler üretim ile meydana geldiklerinden ihtiyaca bağlı olarak işlenip çeşitli fonksiyonlar kazandırılarak inşaat mühendisliği açısından özellikle geoteknik alanında birçok farklı amaçla kullanılmaktadır. Geosentetik malzemelerin fonksiyonları literatürde yaygın olarak şu şekilde gruplandırılmaktadır, a. Ayırma, ince daneli zemin ile kaba daneli zemin ara yüzeyine yerleştirildiğinde ayırma fonksiyonu görür. b. Filtreleme, bir filtre gibi davranarak, suyun geçişine izin verir ama buna karsın belirlenmiş en küçük dane çaplı zemini tutar ve sürüklenmesine izin vermezler. c. Drenaj, geotekstiller kendi düzlemi boyunca (bünyesindeki) sıvı veya gazı istenilen çıkışa doğru taşırken, geomembran kullanılarak istenilen yüzeyde kaliteli bir yalıtım elde etmek mümkün olmaktadır. d. Güçlendirme, noktasal yüklerin eşit olarak geniş bir alana yayarak ve oluşan gerilme kuvvetlerine direnerek, zemin kütlesini güçlendirirler. e. Yalıtım, Geomembranlar veya özel işlem sonrası geotekstiller, geçirimsiz bir tabaka oluşturmak için bitüm veya plastik yalıtım malzemeleriyle doygun hale getirilerek geçirimsiz yalıtım malzemesi olarak kullanılabilir. f. Koruma, Geotekstiller, deformasyonu ve gerilmeyi azaltarak ya da yayarak istenilen malzemeye koruma sağlarlar. 2.2. Geosentetik malzemelerin demiryolların kullanımı Dünya genelinde kullanılan başlıca geosentetik malzemeler, geotekstiller, geomembranlar ve geogridlerdir. Ayrıca bu malzemelerin birbirleri veya farklı malzemelerle birleştirilmesi neticesinde Geokompozit malzemeler elde edilmektedir. Farklı fonksiyonlara sahip bu malzemeler demiryollarında farklı amaçlar için veya birbirini tamamlayıcı olarak kullanılabilmektedir. 3
Şekil 2. Geosentetiklerin demiryolu yapısında kullanımı 2.2.1 Geotekstiller Geotekstiller demiryollarında en yaygın kullanım alanına sahip olan geosentetik malzemelerdir. Çoğunlukla geomembran ve geogrid tabakalarına koruyucu, yardımcı eleman olarak kullanılıyor olsa da, gerilmelerin eşit dağıtılmasını sağlayıp şekil bozulmalarını önleyerek güçlendirme fonksiyonuyla da kullanılmaktadır. Aynı zamanda iyi birer ayırıcı olan geotekstiller balast-altbalast-zemin tabakaları arasında kullanılarak bu farklı boyutlu taneciklerden oluşan tabakaların birbirine karışarak mekanik yapısının bozulmasını önlediği gibi su geçirgen özelliği ile drenaja yardımcı olmaktadırlar. Geotekstillerin kullanımı platform düzeltme işlemleri sırasında mekanize olarak yapılmaktadır ve bu şekilde bakım ve yenileme masraflarını azaltabildiğinden ve don zararı görüşmediğinden çok daha ekonomiktir. [3] 1997 yılı Temmuz ayında Alman Demiryolları İşletmesi tarafından kullanımda olan geotekstil malzemelerin uzun süreli davranışlarıyla ilgili bir inceleme yapıldığında geotekstil fiziği ve hidrolik açısından yapılan incelemeler, 1984 yılında yerleştirilmiş olan keçemsi malzemenin 13 yıl sonra hala fonksiyonunu güvenli bir şekilde yaptığı sonucunu göstermiştir. Kullanılmış olan keçemsi malzemede hafif mekanik bozulmalar görülüyor olsa da görevini yerine getirmesine engel olabilecek bir yıpranma gözlenmemektedir. Bir başka araştırma neticesinde de Kuzey Amerika demiryollarının zorlu çevre koşullarına rağmen uygun özelliklere sahip ve düzgün bir şekilde imalatı yapılan geotekstiller 18 yıl servis ömrü sonrasında bile çok yüksek dayanım gösterdiği görülmüştür. [4] 2.2.2 Geomembranlar Geomembran ürünler su geçirimsiz yapıları sayesinde inşaat mühendisliğinin birçok alanında yaygın olarak kullanıldığı gibi demiryolu inşaatlarında yıllar öncesinden yerini almış bulunmaktadır. Özellikle Yeni Avusturya tünel açma yöntemi (NATM) kullanılarak açılan tünellerde su yalıtımı geomembranlarla başarılı şekilde sağlanmaktadır. [2] Demiryolu altyapısında suyun zemine ve demiryolu kesitinden dışarı drene edilmesi ile su yalıtımının sağlanması istenildiğinden altyapıda geomembran kullanımı yaygın olarak görülmemektedir. Ancak günümüzde tünellerin su yalıtımı büyük çoğunlukla geomembranlar kaplanarak sağlanmaktadır. Tünellerde geçirimsizliğin tam anlamıyla sağlanması için kazılan tünel betonuna uygulanan püskürtme betonu üzerine koruyucu geotekstil tabakası ile birlikte uygulanan geomembran tabakasının bağlantıları ısıl kaynak ile yapılarak birleşim yerlerinin geçirimsizlik testlerinin mutlaka yapılması gerekmekte, demir imalatları ve tünel betonu dökümü esnasında geomembran tabakasının azami dikkatle muhafaza edilmesi gerekmektedir. 4
2.2.3 Geogridler Geogrid, aralarında geoteknik malzemenin kenetlenmesi için yeterli boşluklara sahip birbirine paralel ve bağlantılı ağ benzeri dayanıklı, polimer yapılı bir geosentetik malzemedir. [2] Zemin güçlendirmesi ve istinat yapılarında yaygın olarak tercih edilen bir malzeme olan geogridlerin dünya genelinde demiryolu alt yapısı ve balast tabakasında da kullanılarak çeşitli getirileri olduğu görülmüştür. Özellikle balast tabakası ve alt balast tabasına yerleştirilen geogridlerin dayanıklı yapısı ve tasarımı sayesinde mekanik direnimi arttırması sayesinde tabaka kalınlıklarında ciddi azalma sağlayabilmekte, böylelikle malzeme tasarrufunun yanı sıra imalat kolaylığı sağlamaktadır. 3. Geogrid Kullanılarak Balast Ve Alt-Balast Tabaka Kalınlıklarının Azaltılması Geogridler, ülkemizde henüz çok yaygın bir kullanıma sahip olmasalar da birçok Avrupa ülkesinde çeşitli zemin ve yük koşulları altındaki demiryolu yapılarında, balast ve alt-balast katmanlarını güçlendirmek için 20 yılı aşkın bir süredir başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Balast ve altbalast tabakası güçlendirmesi ile tabaka kalınlıklarında kayda değer bir azalma görülmekte, aynı kalınlıktaki tabakalarda geogridler ile zemin güvenlik derecesi attırılabilmektedir. Geogridler sayesinde etkili bir kilitleme mekanizması sağlanarak parçacıkların yanal hareketi minimize edilir. [1] Bu sayede zemin tanecikleri birbirine daha iyi kilitlenerek taşıma kapasiteleri artmaktadır. Şekil 3. Geogrid ve balast malzemesi arasındaki kilitlenme mekanizması 3.1 Balast, Alt-balast ve zemin güçlendirmesi Zemin ve balast tabakalarının içerisine geogrid tabaka oluşturulması bu tabakaların taşıma kapasitelerini arttırmaktadır. Tabakaların güçlendirilmesinde geogridlerin etkili olmasının püf noktası başarılı bir mekanik kilitleme mekanizması oluşturmasıdır. Geogridler mevcut açıklıklarından sızarak telleri arasında kilitlenen zemin parçacıklarının kenetlenmelerini kullanarak taşıma performanslarını artırır. Parçacıkların bu kenetlenmesi güçlü bir yatay kayma direnci oluşturur ve böylelikle zeminin taşımı gücü de arttırılmış olur. Oxford Üniversitesinde yumuşak kil zemin üzerinde yer alan daneli tabakayı güçlendirerek yapılan taşıma testleri neticesinde geogridler ile güçlendirilen daneli zeminlerin tabaka kalınlığının aynı yükler altında %50 ye kadar azaltılabileceği sonucuna varılmıştır. [1] Bir demiryolu kesiti yapısında geogrid alt-balast tabakasının altına yerleştirildiğinde, maruz kalınan dinamik ve statik yükleri daha geniş bir alana dağıtır ve böylece zemine etkiyen basıncı azaltmış olur. Bu yaklaşıma göre tasarımcı, alt-balast tabakasının altına geogrid yerleştirerek verilen demiryolu hattı kesitinde güvenlik katsayısını arttırabilir veya mevcut güvenlik katsayısını koruyarak balast ve altbalast tabakası kalınlıklarını azaltabilecektir.[5] 5
Şekil 4. Alt balast tabakasına geogrid yerleştirilerek aynı işlevi gören alternatif tabaka kalınlıkları[5] 3.2 Geogrid ile balast güçlendirmesi örnekleri 1990 ların ortalarında Hochstadt Probstzella arası demiryolu hattında polimer grid güçlendirmesinin etkilerini araştıran Alman demiryolu otoriteleri, zeminin zayıf olduğu bölgelere geogrid güçlendirme uyguladılar. Plakanın taşıma gücü test sonuçları incelendiğinde, balast tabakası kalınlığı 400 mm olan güçlendirilmiş bölgenin, 600 mm kalınlığında balast tabakasına sahip güçlendirilmemiş bölgenin taşıma değerlerine eşdeğer performans gösterdiği tespit edildi. Ayrıca 400 mm ve 600 mm balast tabakası kalınlığında ve geogrid ile güçlendirilmiş bölgelerden alınan neticelerle aynı kalınlıklarda güçlendirilmemiş bölgelerden alınan neticeler karşılaştırıldığında, güçlendirilmiş bölgelerin güçlendirilmemiş bölgelere nazaran taşıma kapasitelerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. [1] Şekil 5. Almanya Hochstadt Probstzella demiryolu projesinin çeşitli kesitleri için sahada yapılan deformasyon testlerinin sonuçları[1] 6
2008-2009 yıllarında Güney Teksas ta kullanımda olmayan 91 mil lik bir demiryolu hattının yeniden yapılması istenmiş, yapılan tetkikler sonucunda ilgili bölgede zeminin zayıf olduğu ve mevcut alt balast tabakasının kaybolduğu veya yıprandığı görülmüştür. Bu koşullar göz önünde bulundurularak normal yapım yöntemleri ile ilgili bölgede 12 inç (30 cm) lik yeni bir alt balast tabakasının teşkilinin gerektiği tespit edilmiştir. Ancak söz konusu bölgeye alt-balast malzemesi en yakın Meksika veya Arkansas bölgelerinden temin edilebileceği için oldukça yüksek bir maliyet ortaya çıktığından, alternatif bir yöntem olarak alt balast tabakasının altına geogrid yerleştirilerek bir tasarım yapılmış ve tabaka kalınlığı 6 inç (15 cm) e kadar indirilerek maliyette ciddi bir düşüş sağlanmıştır. [5] 4. Sonuç Demiryollarının güvenliği, konforu ve bakım maliyetlerinin düşük olmasının sağlanması için özenle yapılacak üstyapı çalışmalarının anlamlı olabilmesi için öncelikle altyapı çalışmalarının gereğince yapılması gerekmektedir. Bu kapsamda geosentetikler de yapılacak tüm çalışmalarda gerek yapının emniyetini sağlayarak uzun ömürlü olmasını sağlamak gerekse şartlar doğrultusunda yapım maliyeti düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. Petrol esaslı bir malzeme olduğundan ülkemiz demiryolları için çok avantajlı olmayabileceği düşünülse de balast malzemesinin az bulunduğu ve zorlu mevsim şartlarına sahip ülkelerde geosentetik malzeme kullanımının hızla arttığı görülmektedir. Ancak uzun vadeli düşünüldüğünde dünya genelindeki uygulamalardan, geosentetik kullanımının bakım masraflarını azaltacağı, imalatı hızlandıracağı ve yapı ömrünü uzatacağı görüldüğünden demiryolu yatırımları her geçen gün artan ülkemiz raylı sistem inşaatlarında da kullanımının yaygınlaştırılmasının fayda getirebileceği düşünülmektedir. Kaynaklar [1] Kwan, C.C.J., Geogrid Reinforcement of Railway Ballast, 2006 [2] Koerner, R.M., Designing with Geosynthetics, [3] Lichtberger, B., Demiryolu Cep Kitabı: Altyapı-Üstyapı-Bakım-Ekonomiklik, 2011 [4] Raymond, G.P., Railway Rehabilitation Geotextiles, GEOTEXTILE AND GEOMEMBRANES JOURNAL, vol. 17, 213-230,1999 [5] Penman, J., The use of Geogrids on Mainline and Intermodal Facility Projects, AREMA, 2011 7