Zeminlerin İyileştirilmesi Kutay Özaydın Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Ondördüncü Ulusal Kongresi 4-5 Ekim 2012
Zemin İyileştirmesi: İnşaat mühendisliği uygulamalarında proje sahası zemin koşullarının mühendislik tasarımları ve yapım yöntemleri seçimi üzerinde önemli etkileri olduğu bilinmektedir. Bazı inşaat alanlarında karşılaşılan zemin koşulları projenin yapılabilirliğini tayin edecek boyutlarda sorunlar yaratabilmektedir. Bu durumlarda arazi zemin koşullarının iyileştirilmesi mühendislik seçenekleri arasında yer almaktadır.
Zeminlerin İyileştirmesi ile ilgili Bazı Temel Tanımlar Zemin iyileştirmesi, zeminlerin belirli özelliklerinin, amaçlanan bir mühendislik uygulamasına yönelik olarak, değişik fiziksel, kimyasal veya biyolojik yöntemler kullanılarak iyileştirilmesi olarak tarif edilebilir. Zeminlerin/Arazinin İyileştirilmesi yerine ıslahı, stabilizasyonu ve modifikasyonu gibi benzeri terimler zemin mühendisliği uygulamalarında çoğu durumlarda eşanlamlı olarak kullanılmaktadır.
Bir proje sahasında elverişsiz zemin koşulları ile karşılaşıldığı zaman çözüm seçenekleri: İnşaat alanının değiştirilmesi Zeminlerin değiştirilmesi Tasarımın zemin koşullarına uyumlu duruma getirilmesi ZEMİNLERİN İYİLEŞTİRİLMESİ
Zeminlerin İyileştirmesinde hedeflenen başlıca amaçlar aşağıdaki şekilde özetlenebilir: Geleneksel (Temel) Amaçlar: Mukavemet taşıma gücü artışı Yük altında sıkışmaların(oturmaların) azaltılması Gerilmeler altında şekil değiştirmelerin azaltılması Şişme-büzülme potansiyelinin azaltılması Çevresel etkiler(donma/çözülme, ıslanma/kuruma) sonucu olumsuz fiziksel ve kimyasal değişimlerin önlenmesidurabilitenin artırılması Su geçirgenliği, su basınçları oluşumu ve sızıntı suyu kontrolu Erozyon direncinin artırılması Depremler ve tekrarlı yükler altında sıvılaşma, mukavemet ve rijitlik kaybı potansiyelinin azaltılması Temel zemini ve dolgu malzemelerinde değişkenliğin azaltılması Yüzey bozulmalara karşı direncin artırılması
Diğer amaçlar / Çevre Geotekniği Uygulamaları Atık malzemelerin değerlendirilmesi, Yüzeysel su kaynaklarının korunması için yüzey stabilizasyonu, Yeraltı sularının akım yönleri ve kalitesinin korunması Atıkların depolanması Zeminlerden inşaat malzemesi olarak yararlanma
Zemin İyileştirme Yöntemlerinin Sınıflandırılması Mekanik Yöntemler - değişik kompaksiyon(sıkıştırma) tekniklerinin uygulanması Hidrolik Yöntemler - zemin suyunun çıkarılması, kontrolu/yönlendirilmesi Fiziksel ve Kimyasal Yöntemler - ısıtma/dondurma, katkı malzemeleri eklenmesi, enjeksiyon teknikleri Donatılı Zemin zemin içinde donatı elemanları kullanılması
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 Uzun süreli performans/durabilite kriterleri Civar yapılara ve çevreye etkileri İyileştirme sürecinin değişmezliği/tersine dönme olasılığı Yapım kalite kontrolu ve performans ölçümleri Atıkların değerlendirilmesi olasılığı
Zemin İyileştirme Uygulamaları I) Zemin Yapılarında - Toprak Dolgularda Zeminlerin İyileştirilmesi Karışım özelliklerinin ayarlanması Sıkıştırma(kompaksiyon) Katkı malzemeleri kullanımı Donatılı zemin uygulamaları
II) Arazi Zemin Tabakalarının Özelliklerinin Yerinde(In-Situ) İyileştirilmesi Yerinde sıkıştırma teknikleri Zemin suyunun atılması Enjeksiyon teknikleri Zemin içinde rijit kolonlar oluşturulması (jet grout kolon, taş kolon vb.) Termal teknikler(ısıtma/dondurma) Katkı malzemeleri ile derin karıştırma teknikleri
Toprak Dolgu Yapımı ve Arazide Kompaksiyon Arazide kompaksiyonu etkileyen parametreler aşağıdaki gibi sıralabilir: Zemin cinsi ve su muhtevası Tabaka serilme kalınlığı Silindir özellikleri(cinsi,ağırlığı,uyguladığı basınç,titreşim frekansı,vb.) Uygulanan kompaksiyon enerjisi(silindir geçiş sayısı ve hızı)
Arazide Kompaksiyon Kontrolu : Toprak dolgu imalatı sırasında sürekli olarak dolgunun sıkıştırılmış yoğunluğunun ve su muhtevasının yerinde kontrolu gerekmektedir. Sıkıştırılmış Zeminlerin Özellikleri : İmal edilen toprak dolguların proje gereksinimlerine uygun mukavemet, şekil değiştirme, şişme/büzülme, hidrolik iletkenlik(permeabilite) mühendislik tasarım özelliklerine sahip olması gerekmektedir.
Katkı Malzemeleri İle Zeminlerin Stabilizasyonu Katkı malzemeleri ile iyileştirmede stabilizasyon mekanizmaları Bağlayıcılık (pozzolonik reaksiyonlarçimentolanma) Stabil yapı oluşturulması (filler) Özelliklerin değiştirilmesi (plastisiteyi düşürme vb.) Su ve atmosferik koşullarla etkileşimin kontrolu olarak sayılabilir.
Katkı malzemeleri ile zemin iyleştirmesinde hedeflenen amaçlar Mukavemet artışı, Şekil değiştirmelerin sınırlanması, Geçirimlilik kontrolu, Islanma/kuruma ve donma/çözülme çevrimlerinde zemin özelliklerinin bozulmasının engellenmesi (durabilite artışı), Zemin yüzeylerinin bozulmalara karşı korunması olarak sayılabilir
Zemin Tabakalarının Özelliklerinin Yerinde İyileştirilmesi Kohezyonsuz Zeminlerde, temel amaç olan sıkılık derecesinin artırılmasının en etkin bir şekilde zemine titreşimler uygulanarak sağlandığı bilinmektedir. Kohezyonlu zeminlerde ise zemin içindeki su oranının azaltılması özelliklerin iyileştirilmesinde en önemli unsur olmaktadır.
Kohezyonsuz Zemin Tabakalarının İyileştirilmesi Zemin Yüzeyinde Titreşimli Silindirleme(çok sınırlı bir derinliğe kadar etkili) Zemin Yüzeyinde Şiddetli Darbeler Uygulanması (dinamik kompaksiyon) Tabaka Derinliği Boyunca Titreşimler Uygulanması (vibroflotasyon, vibrokompaksiyon, sıkıştırma kazıkları) Zemin İçinde Sarsıntı Yaratılması (patlayıcılar kullanarak)
Dinamik Kompaksiyon Bu yöntem, büyük bir kütlenin (W=10-40ton) zemin yüzeyine belirli bir yükseklikten (H=10-40m) düşürülmesi ile sağlanan dinamik etkinin, aralıkları önceden belirlenmiş noktalara bir çok kere uygulanması ile zemin içinde titreşim dalgaları yayılmasının sağlanması sonucu zeminin sıkıştırılması işlemidir.
Dinamik Kompaksiyon
İyileştirme (Etki)derinliği D = n ( W H ) 0.50 Enerji gereksinimi ise, AE = (N W H P) / x 2 Zemin cinsi Enerji (kj/m 3) Kumlu zemin 220-250 Suya doygun olmayan siltli/killi zemin 250-300 Kontrolsuz dolgu 600-1100
Dinamik Kompaksiyon Uygulama Örneği TCDD Derince Limanı, Bunge Gıda Depolama Tesisi nde Dinamik Kompaksiyon Uygulaması yapılmıştır. 220.000 ton kaya dolgu ile 15.000 m 2 denizden dolgu ile alan elde edilmiştir. 32 m çapında ve 33 m yüksekliğinde 15.000 ton/adet kapasiteli 3 adet silo ve 45.000 ton kapasiteli yatay depo inşa edilmiştir.
12 ton 22m den düşürülerek toplam 16.000 darbe ile zemin iyileştirmesi yapılmıştır.
Vibro Flotasyon / Vibro Kompaksiyon Teknikleri Bu yöntemde, içinde dış merkezli bir ağırlığın döndüğü titreşimli bir sondavibroflot(çap 40-50cm, uzunluk 3-5m) kendi ağırlığı ve titreşim etkisi ile zemine penetre ederken (su jetleri de penetrasyonu kolaylaştırmak için kullanılabilir) aletten zemine yayılan vibrasyon enerjisinin etkisi ile çevre zeminde sıkışma sağlanır.
Vibrofloatasyon ile zemin iyileştirmesi
Vibro displacement: vibroflotun titreşim ve basınçlı hava etkisi ile(kuru) açtığı çukura tepeden veya dipten besleme ile granüler malzeme yerleştirilerek sıkıştırılır
Vibro replacement : vibroflot titreşim ve su jeti yardımı ile(ıslak) penetre ederken kesilen zemin su sirkülasyonu ile dışarı atılır, yerine granüler malzeme yerleştirilerek sıkıştırılır.
Sıkıştırma Kazıkları Temiz kumlarda iyi sonuç veren bu yöntemde, alt ucunda menteşeli bir plaka olan bir çelik boru titreşim ve baskı ile zemine sokulduktan sonra içerisine kum doldurulur ve boru geri çekilirken içindeki kuma basınçlı hava uygulanır. Boru zemine penetre ederken etrafındaki zemin sıkışır, geri dolgu da boru geri çekilirken boşluğa doğru çevre zemin hareketine engel olur.
Sıkıştırma Kazıkları Uygulaması
Kohezyonlu Zemin Tabakalarının Yerinde İyileştirilmesi İyileştirme Yöntemleri: a)zeminin su muhtevasını azaltmaya ve konsolide etmeye yönelik olarak Yeraltı su seviyesinin indirilmesi ve drenaj önlemleri Önyükleme ile zeminin konsolide edilmesi Elektro-osmotik konsolidasyon b) Zeminin iç yapısını stabilite etmeye yönelik olarak Enjeksiyon Teknikleri Zeminin dondurulması(geçici önlem) Elektrokinetik stabilizasyon c) Zemin içinde rijit kolonlar oluşturulması Taş kolonlar Jet grout kolonları Derin karıştırma- kireç veya çimento ile
Önyükleme İle Zemin İyileştirmesi Bu yöntemde, proje sahasındaki zemin tabakaları üzerinde kalıcı yapı inşasından önce geçici bir yükleme yapılarak zeminin konsolide olması sağlanır Şekil 6. Önyükleme İle Zemin İyileştirmesi Şekil 7. Düşey drenler ile Önyükleme
Elektro Kinetik Stabilizasyon ve Elektro Osmotik Konsolidasyon Elektro osmotik konsolidasyon: Zemin içinde elektrik akımı ile hareket eden suyun dışarı atılması ile meydana gelen konsolidasyon Elektro kinetik stabilizasyon: Zemin içinde elektriksel akım ile hareket eden su ile birlikte sürüklenen katyonların daneler arası düğüm noktalarında oluşturduğu bir tür çimentolaşma etkisi ile zemin iç yapısının stabilizasyonu
Enjeksiyon Teknikleri Zemin içine suspansiyon veya solüsyon halinde değişik maddelerin(enjeksiyonların) püskürtülmesi ile zemin özelliklerinde iyileşme sağlanabilmektedir. Permasyon enjeksiyonu- enjekte edilen maddenin zemin boşlukları içine nüfuz ederek yayılması ve sertleştiği zaman zemin kütlesini bütün olarak iyileştirmesi- suspansiyon enjeksiyonlarında askıdaki katı danelerin zemin boşluklarına girecek kadar küçük boyutta olması gereklidir. Kompaksiyon enjeksiyonu- püskürtülen maddenin uygulanan basınç ile zemin danelerini yer değiştirmeye zorlayarak zeminin sıkışmasının sağlanmasıdır. Hidro çatlatma enjeksiyonu- zeminlerde ve özellikle çatlaklı kayalarda çatlakların ve boşlukların basınç altında genişletilmesi ve enjeksiyon maddesi ile doldurulması
Zeminin Dondurulması Bu yöntemde zemin içinde soğutulmuş tuzlu su veya sıvı nitrojen sirküle edilerek zeminin belirli bölgeleri geçici olarak dondurulmaktadır.
Uygulama Örnekleri: Geçici olarak kazı kenarlarının desteklenmesi(aynı anda su akımının durdurulması), Şaftlar, tüneller gibi yeraltı kazılarının etrafının geçici olarak desteklenmesi Su akımının önlenmesi gibi uygulamalarda kullanılmaktadır.
Zemin İçinde Rijit Kolonlar Oluşturulması İyileştirilecek zemin tabakası içinde rijit kolonlar oluşturulması durumunda zemine etkiyecek dış yüklerin önemli bir kısmının bu elemanlar tarafından taşınabileceği ve aralarındaki zeminin daha az yükleneceği görüşünü esas alan bu yaklaşımda, zeminde rijit kolonlar oluşturulması için farklı yöntemler kullanılabilmektedir.
Zemin ile içinde oluşturulan rijit kolonlar arasında yük paylaşım oranı, kolon/zemin rijitlik oranı ve kolon alanı/ zemin alanı (yer değiştirme oranı) tarafından kontrol edilmektedir. Kolon oluşturulması sırasında çevre zeminin yer değiştirmeye zorlanması(pasif yanal basınç durumu yaratılması) önemli bir avantaj olmaktadır. Kohezyonsuz zeminlerde kolonların yeterince sık yerleştirildiği durumlarda(yüksek yer değiştirme oranlarında) zeminin yanal yer değiştirmeye zorlanması ile kolonlar arası zeminde de sıkışma sağlanacağı tabiidir.
Yöntem seçiminde, arazide karşılaşılan zemin koşullarında, kolonların homojen geometride (hedeflenen çap ve boyda) ve amaçlanan rijitlikte yapılabilmesi güvencesi ile kolon/zemin arası yük aktarım mekanizmasının güvenirliliği önemli faktörler olarak dikkate alınmalıdır.
Jet Grout Kolonları Dışarıda hazırlanmış çimento şerbetinin, yüksek basınç altında ince püskürtme memelerinden zemin içine püskürtülerek, çevredeki zemin ile karıştırılması suretiyle kolonlar oluşturulmasıdır.
Jet grout kolon imalatı 1. Delme Aşaması: Öngörülen kolon alt ucu kotuna kadar rotari usulü çalışan delici bir makine ile ve sirkülasyon suyu kullanılarak delme işlemi yapılır. 2. Püskürtme Aşaması: Delme tijinin ucundaki memelerden basınçlı enjeksiyon püskürtülürken, tij belirli bir devir ile döndürülerek ve sabit bir hızda yukarı doğru çekilerek çimento şerbetinin zeminle karışması ile aşağıdan yukarıya doğru kolonlar oluşturulur.
Taş Kolonlar İle Zemin İyileştirilmesi Bu yöntemde, Zemin içinde açılan kuyu şeklinde bir boşluğun içine aşağıdan yukarıya doğru kademeler halinde granüler malzeme yerleştirilerek sıkıştırılması suretiyle rijit kolonlar oluşturulur.
Taş kolon imalatı 1. 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. 2. 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.
Taş kolon imalatı
Derin Karıştırma Teknikleri Özel karıştırma aletleri kullanılarak, yumuşak killi zeminlerde, zemin ile kireç veya çimentonun yerinde karıştırılması ile zemin içinde kolonlar oluşturulabilmektedir.
İyileştirme Mekanizması Sönmemiş kireç veya çimento karıştırıldığı zeminden su çekerek (zeminin su muhtevasında azalmaya yol açma) zemin ile pozzolonik reaksiyonlara girerek rijit kolonlar oluşturulmasına olanak sağlamaktadır. Zemin ve katkı malzemesi(çimento veya kireç) arasında kimyasal reaksiyonlar meydana gelmesi yöntemin başarısı için gerekli olmaktadır.
Zemin İyileştirme Uygulamalarının Denetimi Zemin iyileştirme uygulamalarının projesine uygun yapılıp yapılmadığının yerinde gözlem ve deneyler ile denetlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bütün iyileştirme projelerinde uygulamanın uzman mühendisler veya firmalar tarafından denetlenmesi gerekmektedir. Zemin iyileştirme çalışmalarının denetimi genel olarak arazi deneyleri ile yapılmalıdır. Örneğin, Sıkıştırma işlerinde önceki ve iyileştirme sonrası erişilen sıkılık arazi deneyleri ile kontrol edilmelidir.
Deneme İmalatları Orta ve büyük ölçekli işlerde sahanın uygun bir yerinde deneme imalatları, ölçümler ve değerlendirmeler yapılarak tasarımda hedeflenen iyileştirme düzeyine ulaşılıp ulaşılmadığının belirlenmesi ve tasarımda gerekli revizyonlara gidilmesi yararlı olmaktadır. Deneme çalışmalarında arazi deneyleri ve yerinde ölçümler yapılarak tasarım varsayımları kontrol edilebilir.
Sonuçlar Elverişsiz zemin koşullarına sahip inşaat alanlarında güvenli ve ekonomik yapılaşma için zemin iyileştirmesi tekniklerinden yararlanma olasılığı araştırılmalıdır. Zemin iyileştirmesi tasarımlarında zeminin hangi özelliklerinin hangi oranda iyileştirilmesinin amaçlandığı açık bir şekilde belirlenmeli ve uygulanacak yöntemin bu sağlayacak iyileştirme mekanizmaları içerip içermediği iyice irdelenmelidir. Uygulanacak zemin iyileştirme tekniğinin seçiminde arazi zemin koşullarında uygulanabilirlik ve hedeflenen amaçlara ulaşabilirlik öncelikli olarak dikkate alınmalıdır. Bu bağlamda gerekli malzeme, ekipman ve uzman uygulayıcılara ulaşılabilinir olması önemle dikkate alınmalıdır.
Sonuçlar Uygulanacak zemin iyileştirme tekniğinin seçiminde arazi zemin koşullarında uygulanabilirlik ve hedeflenen amaçlara ulaşabilirlik öncelikli olarak dikkate alınmalıdır. Bu bağlamda gerekli malzeme, ekipman ve uzman uygulayıcılara ulaşılabilinir olması önemle dikkate alınmalıdır.
Sonuçlar Uygulanan zemin iyileştirme tekniklerinin tasarım varsayımlarının ve imalat ürünlerinin kalitesinin yerinde kontrolu mümkün olmalıdır. Yüklenici firmasının tasarım, arazi kontrol sisteminin kurulması ve izlenme programının oluşturulmasında sorumluluk üstlenmesi çok yerinde olacaktır.