HACETTEPE ÜNİVERSİTESİ JEOLOJİ MÜHENDİSİLİĞİ BÖLÜMÜ UYGULAMALI JEOLOJİ ANABİLİMDALI JEO 583 JEOTEKNİK SAHA İNCELEMESİ PRESİYOMETRE DENEYİ Hazırlayan Özgür SATICI Jeoloji Mühendisi (MBA) Ders Sorumlusu Prof. Dr. Reşat ULUSAY ARALIK 2004 ANKARA
PRESİYOMETRE DENEYİ Presiyometre deneyi arazide (in-situ) uygulanan, zemin ve/veya kayaçların mühendislik karakteristiklerinin tespit edilmesi amacıyla kullanılan kuyu için yanal yükleme deneylerinden biridir. Jeoteknik problemleri içine alan birçok konuda doğrudan ve dolaylı olarak faydalanılan bir yerinde deney yöntemidir 1. Presiyometre deney aleti; zeminin basınç-deformasyon ilişkilerini ölçmek amacıyla ilk defa Almanya da geliştirilmiş, daha sonra 1950 li yıllarda Lois MENARD tarafından gerçek anlamda bulunmuş ve kullanılmaya başlanmıştır. Deneyin amacı, zeminin basınçdeformasyon ilişkilerini ölçmek için sondaj makinesi yardımıyla yeryüzünde açılan silindirik deliğin içine bir balon yerleştirip içinde bulunduğu boşluğun yüzeyden verilen su basıncıyla genişletilmesi ve bu sayede çevresinde yarattığı deformasyonun (genleşmenin) ölçülmesidir 2. Ülkemizde presiyometre deneyleri ilk defa 1969 da DSİ nin (Devlet Su İşleri) Dr. Menard ın ürettiği G tipi presiyometre deney aletini alıp kullanmasıyla başlamıştır. SONDAJ DELİĞİ PROB 1 U.S Department of Transportation Federal Highway Administration, 1997, Training Course in Geotechnical and Foundation Engineering, Subsurface Investigations, p.p. 5-18 2 U.S Department of Transportation Federal Highway Administration, 1997, Training Course in Geotechnical and Foundation Engineering, Subsurface Investigations, p.p. 5-18
Presiyometre Çeşitleri: Teknolojinin gelişmesi beraberinde bu cihazlarında gelişimini sağlamıştır. İlk olarak kullanılmaya başlanan G tipi presiyometredir. Sonda da 3 hücre vardır, alt ve üst hücreler muhafaza hücreleri ortadaki hücre ise ölçüm amaçlıdır. Ölçüm hücreleri su, muhafaza hücreleri ise CO2 ile şişirilir. Yerini günümüzde kullanılan GC tipine bırakmıştır. Sondaj tek bir kılıf içine yerleştirilmiş ölçüm hücresinden oluşur. Ölçüm hücresinin altı ve üstü gaz ile şişirilir ve muhafaza görevini yerine getirir. Montajı kolaydır sıkı ve katı zeminlerde 50 metre derinliğe kadar kullanılabilir, maksimum 2500-4000 kpa basınç sağlayabilmektedir. Kullanılan bir diğer model ise E tipidir yumuşaktan sıkıya kadar pek çok zeminde kullanılabilir ve max. 2000-2500 kpa basınç sağlamaktadır. İçlerinde en büyük yanal basıncı verebilen GB tipi ise 3 hücreden oluşur ancak tüm hücreler su ile şişirilir. Ölçüm hücresi ve koruma hücrelerinin rezervuarları ayrıdır. Tüm sondaj boyunca üniform basınç sağlanmalıdır, hidrolik kayıplar ölçüm hücresinin basıncının ölçümünde hatalara neden olur. Arazi çalışmaları için karmaşık bir yapıdadır, sondajın montajı ve sızdırmazlığını sağlamak zaman alır. Asıl kullanım alanı kayaçlardır, 10.000 kpa ya kadar basıncı zemine iletebilmektedir 3. Görüldüğü gibi presiyometre cihazlarının sınıflaması bulunduğu ortama iletebildiği basınç miktarlarına göre yapılmaktadır. İhtiyaç duyulan basınç seviyesini de doğal olarak zeminin mühendislik parametreleri belirlemektedir. Yukarda bahsedilen bu türlerin dışında 1968 yılında Self Boring Pressuremeter (SBP) adı verilen kendi deliğini kendi delen presiyometre cihazları kullanılmaya başlanmıştır. Kendi deliğini delen presiyometrelerin de yük hücreli presiyometre ve camkometre adı verilen türleri vardır. Bu tür, Menard cihazlarının kullanımında kuyularda meydana gelen örselenmeleri önlemek amacıyla geliştirilmiştir. SBP nin bazı özel türleri ise şunlardır; PAF tipi PAFSOR tipi Cambridge tipi Günümüzde (Karayolları) en çok kullanılan Menard tipi presiyometre cihazıdır (MPT). 3 CLARKE B.G., 1995, Pressuremeters in Geotechnical Design, Blackie Academic and Professional, An Imprint of Chapman & Hall, p.p. 25-27
Uygulama Alanları: 1. Temel zemini etütlerinde a) zeminin dayanım parametreleri olan; Pa (akma basıncı), PL (limit basıncı), EM (elastisite modülü), c (kohezyon), (içsel sürtünme açısı), G (shear modülü veya rijidite modülü) değerleri tespit edilebilir. b) Zeminin taşıma gücü veya zemin emniyet gerilmesi bulunabilir. c) Zemine yapı tarafından aktarılacak yük biliniyorsa, bu yükler altında temel zeminde meydana gelebilecek oturmalar hesaplanabilir. 2. Bu deney ile yarma, dolgu ve her türlü taşıma ve kaldırma işlerine ait hafriyat sınırı tespit edilebilir. 3. Şev stabilite analizleri için gerekli olan parametreler üretilebilir, kayma zonları tespit edilebilir. 4. Galeri ve tünellerde belli bir kesit üzerinde açılan sondajlarda deney uygulanarak tünel etrafında meydana gelen deformasyonlar ve duvarlara gelen yükler hesaplanabilir. 5. Enjeksiyon öncesi ve sonrası deney uygulanarak enjeksiyonun etkinliği ölçülebilir. 6. Yüksek dolguların depolanması ve sıkıştırılması sonrası yük taşıması amaçlanıyorsa ne kadar yük altında stabilitesini koruyabileceği hesaplanabilir 4. Presiyometre Cihazının Ana Parçaları 5 : Presiyometre cihazı 4 ana parçadan oluşur: 1. Kontrol ünitesi: cihazın ana parçasıdır. Üzerinde sondaj kuyusuna indirilen proba aktarılan basınç miktarının ayrıntılı olarak gösterildiği ve buradan basınç okumalarının alındığı manamotreler vardır. Burada ayrıca gaz ve su basınç farklarının düzenlendiği bir dedantör mevcuttur. Deney esnasında uygulanan basınç altında zeminde oluşan hacim değişiklikleri volumetreden giden su miktarı ile ölçülebilir. Volumetredeki su hareketleri 0,5 cm 3 e kadar rahatlıkla gözlenebilir. Ek gösterge ilaveleri ile bu hassasiyetler artırılabilir. 2. Prob: Metalik bir silindirin içine geçirilmiş 2 lastik kılıf ile kaplanmasından oluşan prob, iki hücreden oluşur. Dıştaki hücre muhafaza hücresi, içteki (ortadaki) hücre ise merkez hücre olarak adlandırılır. Deney sırasında dıştaki koruyucu muhafaza hücresi kuru hava, CO2 veya nitrojen gazı gibi tüpten gelen gazlarla dolarken iç kısımdaki 4 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p.p. 27-30 5 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p.p. 45-47
merkez hücre ise su ile dolar. Bu iki hücre birbiri ile bağlantılı değildir. Hücreler volumetreye (hacim ölçer) ayrı ayrı bağlantılıdır ve aynı basınç değeri ile yüklenirler. 3. İletim hortumları: Prob ile kontrol ünitesi arasındaki bağlantıyı sağlarlar. İç içe iki ayrı boru halinde imal edilmişlerdir. İçteki boru merkez hücreye giden ve saf su ileten, dıştaki boru ise muhafaza hücresine gazı ileten borudur. Bu iki borunun aynı eksenli olmasının nedeni merkez hücreye suyu taşıyan borunun hacimsel deformasyonunu önlemektir. Her iki hücreye de aynı değerde basınç iletildiği hatırlanırsa muhafaza hücresine gazı ileten borunun içinde yer alan ve merkez hücreye suyu taşıyan borunun dış çeperlerinin de iç basınca denk gazla çevrilmesiyle hacimsel genleşme engellenmiş olur. Aslında muhafaza hücrelerinin de aynı işlevi (alt ve üst kısımlarda) aynı işlevi gördüğü söylenebilir. 4. Tüp: Sistemde dolaşan gazı ve basıncı sağlamak için kuru hava, azot veya karbondioksit gazı ile doludur. Cihazın Kalibrasyonu 6 : 1. Probun boşaltılması: Probun ve iletim hortumlarının içerisindeki suyun ve/veya havanın boşaltılması işlemidir. Su ve hava boşaltılırken basınç-derinlik dengelemelerine dikkat edilmeli (dedantörden) dış hortumun iç basıncının özellikle iç hortumun dış basıncının altına düşmemesine dikkat edilmelidir. 2. Basınç kaybı testi 7 : Prob malzemesi dayanımlı elastik bir malzemeden oluşmaktadır. Bu nedenle bu kısmında az da olsa bir direnci vardır. Bu dirence karşılık gelen basınç (manometre okumasının) miktarının, deneyin yapıldığı zemine verilen basınca dahil edilmemesi gereklidir. Bu nedenle prob henüz kuyu içine sokulmadan açık havada, prob toplam suyu bünyesine alana kadar (700 cm 3 su) basınç verilerek şişirilir. Bu miktara karşılık gelen basınç okuması daha sonra deney sırasında elde edilen basınç değerinden çıkarılarak hesaplamalara katılır. 3. Hacim kaybı testi 8 : İletim hortumları ve probun içinde meydana gelebilecek hacimsel bir genleşme deney sonuçlarının hatalı bulunmasına neden olabilir. Bu nedenle genişliği açılacak olan kuyunun cidarı kadar olan bir çelik boru içine prob boşken sokularak, prob sanki kuyu içine indirilmiş gibi test edilir. Prob çelik borunun cidarına 6 CLARKE B.G., 1995, Pressuremeters in Geotechnical Design, Blackie Academic and Professional, An Imprint of Chapman & Hall, p.p. 86-102 7 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p.p. 124-131 8 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p.p. 124-131
değene kadar rahatlıkla şişirilebilecektir. Çelik boru (kalibrasyon cihazı) içinde meydana gelen basınç artışlarına karşılık gelen hacimsel genleşme verileri kaydedilerek grafik kağıdına işlenir. Daha sonra prob deney kotuna indirilir ve deney sonunda çelik boru içinde elde edilen volumetre değerleri çıkarılarak cihaza ait hacimsel genleşme hesaplamalardan çıkarılmış olur. Hacim Kaybı Testi ZEMİN 4. Diferansiyel basınç farkı: Merkez hücre ve muhafaza hücreleri (su ve gaz ile dolu) aralarındaki basınç farklılıkları ve bunların deney sonuçlarına olan olumsuz etkileri önlenmelidir. Merkez hücre basıncı ile muhafaza hücreleri basınçları arasında derinliğe bağlı bir ilişki vardır. Eğer bu ilişki doğru olarak sağlanamaz ve derinliğe bağlı olarak dengelenemez ise iki durum söz konusu olabilir. İlkinde merkez hücre basıncı olması gerekenden daha azdır ve böylece muhafaza hücreleri içinde onların basıncının altında genleşmesine izin verilmez ve kuyu cidarına temas edemez. Diğer durumda ise merkez hücre basıncı olması gerekenden çok daha fazladır ve muhafaza hücre basınçlarını rahatlıkla yener. Böylelikle çok küçük basınç oynamalarında kuyu cidarına gereğinden çok basınç uygulayarak temas eder ve düşük basınçlar altında büyük volumetrik genleşmeler elde edilerek hata yapılmış olur. Bu hatalar diferansiyel basınç regülatörü düğmesi yardımıyla yapılmaktadır.
PROB DERİNLİĞİ (m) Muhafaza Hücersi Göstergesi ve Merkezi Hücre Göstergesi Farkı (Bar) 0 (Kalibrasyon testi için) -1,0 1-0,9 2-0,8 3-0,7 4-0,6 5-0,5 6-0,4 7-0,3 8-0,2 9-0,1 10 Eşit basınç 11 0,1 12 0,2 20 1,0 25 1,5 30 2,0 Prob derinliğinin fonksiyonu olarak diferansiyel basınç farkı göstergesi
DeneyinYapılışı 9 : Genellikle presiyometre deneyi sondaj işleminin bitiminden hemen sonra yapılmaktadır. Derinliğin bir fonksiyonu olarak direnç parametrelerinin kaydedilebilmesi için deneyin her 1 metre de 1 adet yapılması gerekmektedir. Ancak uygulamada bu genellikle 3 metrede bir olmaktadır. Deney derinliği üzerine gelecek olan üst yapı genişliğinin en az 2 katı derinliğe kadar deney uygulanmalıdır. Daha önceden kalibre edilmiş prob deneyin yapılması istenilen derinliğe indirilir ve yavaş yavaş şişirilmeye başlanır. Her kademede (1,2,3,.. bar) basınçlar sabitlendikten sonra 15,30,60 sn okumaları (basınç artışlarına karşılık gelen hacim değişimleri) kaydedilir. Boşluk hacminde meydana gelen bu artış kuyunun yalnızca radyal olarak deformasyonundan kaynaklanır. Deney ilgili derinlikte en az 10 kademelik basınç uygulanarak yapılır. Bir deney aşağı yukarı 10 dak. kadar sürer. Başlangıçta prob kuyu cidarına gelene kadar belirli bir hacme çok hızlı bir şekilde ulaşır, kuyu cidarına dayanması ile beraber kuyu çeperlerine belirli basınçlar uygulanarak hacim basınç okumaları kaydedilir. Bu okumalar, yani hacimdeki artış zemin/kaya yenilene kadar oldukça yavaş gelişir. Ancak belirli bir basınç seviyesinden sonra malzemenin türüne göre birden hacimdeki bu artış tekrar hızlanmaya başlar. İşte bu nokta malzemenin artık yenilmeye başladığı andır. Bu noktadan sonra bir veya iki okuma alarak suyun ve gazın dengeli bir şekilde sistemden deşarjı gereklidir. Yenilme noktasından sonra basınç artışı devam ederse prob kuyu içinde patlar. Deney sırasındaki hacim-basınç okumaları kayıt edilir. Gerekli düzeltmeler yapılır. Yatay eksen basınç (kg/cm 2 ), düşey eksen hacim (cm 3 ) değişimlerine karşılık gelir. Deney sırasında uygulanan basınç seviyesindeki 15,30,60 a karşılık gelen hacim okumalarının ortalaması alınır. Ancak uygulamada doğrudan 60 okuması dikkate alınmaktadır. Orjinden başlayan eğrinin basınç-hacim artışı prob kuyu cidarına temas edene kadar hızla exponansiyel artar ve bu nokta zeminin P0 basınç noktasıdır. bu noktadan sonra hafif bir eğrisellikle doğrusal olarak artmaya başlar. Eğrinin bu kısmı psödoelastik safhayı oluşturur. Bu noktadan sonra eğri yükselir ve PL (limit basınç) değerine ulaşınca eğri asimtotik olur. Bu safhayada plastik safha adı verilir. 9 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p.p. 136-147
Sonuçlarının Değerlendirilmesi 10 : Deney sırasında elde edilen veriler sonucunda basınç-birim deformasyon eğrisi çizilir. Çizilen eğrilerden ilk olarak Menard elastisite modülü/deformasyon modülü ve eğer zemin yenildiyse limit basınç değeri hesaplanır. Sonsuz elastik bir ortamda boşluk içinde radyal genişlemenin teorisi 1852 de Lame tarafından geliştirilmiştir. Buna gör Menard Elastisite Modülü E M 2 1 v v p c m ile ifade edilir. (1) v Bu ifade de vm ve p/v yerine ise v m,5 v0 v f p v E M 0 (2) p p v f 0 / f v 0 (3) yazılabilir. 1 v 0,5* v v * p p v 2 v (4) Yukarıdaki eşitlikte c 0 f f 0 / : poison oranını (zemin veya kaya koşulları ile drenaj durumuna bağlıdır ortalama 0,33 gibi bir değerle ifade edilir ve 0-0,5 arasında değerler alır) vc : probun ilk hacmini p0 : probun kuyu cidarına temasından sonraki basınç başlangıç safhasını (eğrinin ilk kırıldığı) pf : probun zemini yendiği ve artık eğrinin doğrusallıktan saparak asimtotik hal almaya başladığı basınç değerini v0 : probun kuyu cidarına temasından sonraki basınç başlangıç safhasına karşılık gelen volumetredeki hacim okumasına (eğrinin ilk kırıldığı an) vf : probun zemini yendiği ve artık eğrinin doğrusallıktan saparak asimtotik hal almaya başladığı andaki basınç okumasına karşılık gelen hacim değerini ifade eder. f Limit basınç değeri ise teorik olarak zeminde açılmış silindirik boşluğun ilk hacminin iki katına eşit olduğu hacim olarak tanımlanır * çeşitli yöntemler önerilmiştir. 0 2 v0 v c. Limit basıncı hesaplamak için Limit basınç değerinin bulunması deneyin yapıldığı birimin türüne göre zorlaşmasına rağmen birçok birim için (kum, kil, çakıl, ayrışmış kaya..vb.) limit basınç değeri deney sonucunda bulunabilir. Limit basınç değeri ve Menard elsatisite modülü değerleri çeşitli zemin/kaya türleri için belirli aralıklarda değişim gösterir. Bu değişim aralıklarının bilinmesi ve doğal olarak çaılşılan zemin/kaya ortamı hakkında da bilgiye sahip olunması dolayısıyla 10 U.S Department of Transportation Federal Highway Administration, 1997, Training Course in Geotechnical and Foundation Engineering, Subsurface Investigations, p.5-20
deney sırasında uygulanacak basınç ve ilerleme aralıkları (hassasiyeti) hakkında fikir verir. Bu da hem zaman kazanılmasını hem de deneyin daha sağlıklı yapılmasını sağlar. ZEMİN CİNSİ E (Bar) PL (BAR) Çamur Turba 2-5 0,2-1,5 Yumuşak Kil 5-30 0,5-3 Ortasert Kil 30-80 3-8 Sert sıkı Kil 80-400 6-20 Marn 50-600 6-40 Gevşek Siltli Kum 5-20 2-15 Kum ve Çakıl 80-400 12-50 Çökel Kumlar 75-400 10-50 Kireçtaşı 800-2000 30-100 Yeni dolgu 5-50 0,5-3 Eski dolgu 40-150 4-10 Dizayn Parametreleri Hesabı 11 : Presiyometre verilerinden zeminin taşıma gücüne geçiş yapmak ve bu değeri hesaplamak mümkündür. Zeminin taşıma gücüne presiyometre deneyi sonucunda elde edilen PL değeri yardımıyla ulaşılabilir. Presiyometre deneyi sonuçlarından dizayn parametrelerine geçmek için dolaylı ve doğrudan yöntemler olarak iki yöntem vardır. Deney sonuçlarını olduğu gibi kullanan doğrudan yöntem Menard tarafından geliştirilmiştir. Bu yöntem yerinde deney sonuçlarını kullanmanın en bilinen ve en çok kullanılan yoludur. Dolaylı yöntem ise deney sonuçlarından zemin davranışlarını analiz edebilmek için parametre üretmek içindir. Doğrudan yöntem Menard presiyometresi için daha kullanışlıdır. Zeminin nihai taşıma kapasitesinin limit basıncıyla ve oturmanın da presiyometre modülü (Menard elastisite modülü EM) ilişkili olduğunu kabul eder. Presiyometre taşıma kapasite faktörü k k q P u v ile ifade edilir. (5) L h Bu ifadeden q u ( P ) * k elde edilir. (6) L h v 11 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p.p. 239-246
BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p. 210-211
Bu ifadede qu nihai taşıma kapasitesi, v toplam düşey gerilme, h presiyometre deneyinde uygulanan toplam yatay gerilme olarak ifade edilir. k faktörü; zeminin türüne, temel derinliğine, temel tipine, yapım metoduna bağlı olarak değişir. k faktörü derinlikle artar ve belirli bir kritik derinliğin altında sabit olur. Bu kritik değer temel eşdeğer boyutunun bir fonksiyonudur. Be ile gösterilen temel eşdeğer boyutu 4xtemelalanı B e dir. (7) temelinçevresi Menardın oturma metoduda elastisite modülünü esas alır. Oturma s q v s xboyutfaktörü E 9 m burada q toplam taşıma gücüdür. Boyut faktörü temel boyutuna ve zemin türüne bağlıdır. Boyut faktörünün ayrıntılarına bu çalışmada değinilmemiş genel bir bilgi olarak verilmiştir. (8) Sığ temellerde oturmalar izotropik ve deviatorik gerilimlerin artmasıyla gelişir. (8) nolu ifade oturmanın bu iki bileşenini de içerirler. İzotropik bileşen temelin hemen altında anında maksimum değerine ulaşır. Deviatorik bileşen ise (D+0,5B) derinlikte maksimum seviyeye ulaşır (D: temel derinliği, B: temel genişliği). Menard ve Rousseau 1 m genişliğinde ve 1 m derinliğinde temellerde tam ölçekli bir takım deneyler yapmış ve izotropik ve deviatorik sıkılığa (stiffness) dayalı yarı ampirik bir eşitlik geliştirmişlerdir. Bu şekilde oturmayı şu şekilde ifade etmişlerdir. 2B 0 B v s ( q v ) d B 9Ed B0 9Ev Bo: referans genişlik genellikle 60 cm alınır. v, d: Temelin L/B oranına bağlı olan şekil faktörü :Zemin cinsine ve EM/ PL oranına bağlı olarak jeolojik faktör Ed ve Ev: Eşdeğer presiyometre modülü B :Temelin genişliği/çapı ve daima BBo olmalıdır. v:temel seviyesindeki düşey gerilme q :Yapıdan zemine gelen taban basıncı bu formül derinliği, genişliğinin iki katından daha fazla olan temeller için uygulanabilir.
KAYNAKÇA: CLARKE B.G., 1995, Pressuremeters in Geotechnical Design, Blackie Academic and Professional, An Imprint of Chapman & Hall, p. 364 U.S Department of Transportation Federal Highway Administration, 1997, Training Course in Geotechnical and Foundation Engineering, Subsurface Investigations, p. 305 BAGUELIN F., JÉZÉQUEL J. F., SHIELDS D. H., 1978, The Pressuremeters and Foundation Engineering, Trans Tech Publications, p. 618 BOWLES JOSEPH E., 5th Edition, Foundation Analysis and Design, The McGraw- Hill Companies, Inc., p.p. 194-197 TOMLINSON M. J., 6th Edition, Foundation Design and Construction, Longman, p.p. 12-14 WEB http://www.sgf.net/betsystem/orginal/bet2001_2eng.pdf http://www.lcpc.fr/fr/sources/blpc/pdf/bl233-037-en.pdf http://www.fes.co.uk/datasheets/cpt%20page/cones%20- %20PDF%20DATA%20Sheets/Cone%20pressuremeter.pdf http://www.cees.ou.edu/ugradreu final_pres2001_presentationsjamaal.ppt http://www.gmeconsultants.com/p-meter_flyer.pdf http://www-civil.eng.ox.ac.uk/publications/theses/schnaid.pdf http://www.swedgeo.se/publikationer/rapporter/pdf/sgi-r59-1.pdf