ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ ZEMİNLERİN KOMPAKSİYONU
Zeminler Yapı temelleri altında taşıyıcı tabaka ve İnşaat malzemesi olarak bütün inşaat projelerinde karşımıza çıkmaktadır. Zeminlerin mühendislik özelliklerinin zemin cinsi yanında arazi koşullarına bağlı olarak Sıkılık derecesi, Su muhtevası, Konsolidasyon basıncı, Yükleme ve drenaj koşulları gibi geniş bir aralık içinde değişmektedir.
İstenilen zemin özelliklere sahip olmayan inşaat yerinin değiştirilmesi veya bu zeminlerin atılarak yerine elverişli zeminlerin kullanılması teknolojik ve ekonomik nedenlerle çoğu kez uygun çözümler olarak kabul edilmemektedir. Bu gibi durumlarda, Arazideki zemin tabakalarının özelliklerinin yerinde iyileştirilmeye çalışılması ve/veya Usulüne uygun olarak yerleştirilmiş ve sıkıştırılmış toprak dolgular inşası yoluna başvurulmaktadır.
Zemin özelliklerinin iyileştirilmesi için kullanılabilecek yöntemler iki ana grup içinde incelenebilir. Toprak dolgularda kullanılacak zeminlerin malzeme özelliklerinin iyileştirilmesi ve uygun dolgu hazırlama yöntemleri. Bu grup içinde düşünülebilecek başlıca yöntemler: Sıkıştırma (kompaksiyon) yöntemleri Katkı malzemeleri (kireç, çimento, baca külü, asfalt, kimyasal maddeler gibi) kullanılması ile zemin özelliklerinin iyileştirilmesi yöntemleri olmaktadır.
Tabii zemin tabakalarının özelliklerini yerinde iyileştirme amacı ile kullanılabilecek yöntemler ise ana gruplar olarak aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir: Mekanik Yöntemler - değişik sıkıştırma (kompaksiyon) teknikleri Hidrolik Yöntemler - yeraltı suyu kontrolu, drenaj, zemin suyunun uzaklaştırılması (konsolidasyon), önyükleme Fiziko- Kimyasal Yöntemler - katkı malzemeleri, enjeksiyon yöntemleri, elektrostabilizasyon, ısıl işlemler/ ısıtma-soğutma(dondurma).
Kompaksiyon İnşaat mühendisliğinde değişik amaçlar için toprak dolgu inşası çok sık başvurulan bir uygulamadır. En yaygın örnekleri arasında, İnşaat sahasının kotunu yükseltmek için yapılan dolgular, Karayolları ve havaalanları kaplama altı dolguları Toprak barajlar, su bentleri ve akarsu seddeleri gibi su yapıları için yapılan dolgular sayılabilir.
Toprak dolgu malzemesi, başka sahadan (ariyet sahası) kazılarak elde edilen zemin olacaktır. Kazıdan elde edilen bu zeminin, herhangi bir dikkat ve itina gösterilmeden gelişigüzel dolgu sahasına dökülmesi ve yayılması ile elde edilecek bir dolgu tabakası Yüksek porozite, permeabilite ve sıkışabilirliğe ve düşük mukavemete sahip olması yanında, Malzeme özellikleri, dolgu derinliği boyunca ve noktadan noktaya büyük farklılıklar gösteren heterojen bir görünümde olacaktır.
Usulüne göre yapılmış kontrolu bir toprak dolgu şu özelliklere sahip olmalıdır: Kendi ağırlığını ve uygulanan dış yükleri güvenlikle taşımaya yeterli mukavemete sahip olmalı Yük altındaki oturma ve deformasyonları müsaade edilebilir seviyelerin altında olmalı Aşırı şişme veya büzülme göstermemeli Mukavemet ve sıkışabilirlik özelliklerini kullanım ömrü boyunca koruyabilmeli Fonksiyonuna uygun permeabilite ve drenaj özelliklerine sahip olmalıdır.
Yukarıda sıralanan özelliklere sahip bir toprak dolgu inşa edebilmek için zemin mühendisinin kontrol edebileceği parametreler içinde en önemli olanları Malzemenin (zemin) cinsi ile Su muhtevası ve Sıkılık derecesi olmaktadır.
Zemine ait bu parametrelerin yerinde iyileştirilmesinde en önemli unsur, zeminin yeterince ve usulüne uygun olarak sıkıştırılmasıdır. Kompaksiyon - Zemin daneleri arasındaki hava boşluklarının mekanik araçlar yardımıyla azaltılarak zeminin sıkıştırılması işlemidir. Kompaksiyon miktarı kuru birim hacim ağırlık değerine bağlı olarak belirlenmektedir.
Kompaksiyon Etkisi Hava Su Zemin Hava Su Zemin Zemin Kompakte edilmiş zemin
Kompaksiyon Avantajları Kompaksiyon : Zemin mukavemetini artırır, Taşıma gücünü artırır, Oturma potansiyelini azaltır, İstenmeyen hacim değişikliklerini kontrol eder, Hidrolik geçirgenliği azaltır.
Kompaksiyonda Suyun Etkisi Zemin danelerinin birbirine yaklaşması ve sıkılaşmanın sağlanması ancak uygun statik ve dinamik yükler altında birbirlerine göre hareket edebilmeleri ile sağlanır. Danelerin birbirine göre hareket edebilme yetenekleri uygulanan yükün şiddeti (kompaksiyon enerjisi) ve zemin içindeki su miktarına bağlıdır. Zeminlerde kompaksiyon su muhtevasının bir fonksiyonudur. Zemin içindeki su miktarı danelerin birbirine göre hareket edebilmelerini etkilemektedir.
Su muhtevasının kompaksiyon özelliklerine etkisi siltli ve killi zeminlerde çok açık olarak görülmektedir. Kohezyonsuz zeminlerin sıkıştırılması ise (temiz kum ve çakıllar) su muhtevasından daha az etkilenmektedir. Çünkü iri daneli zeminlerde zemin içindeki su ve havanın zemini terk etmesi daha kolaydır. Yalnızca ince kumlarda zemin nemli ise sıkıştırma (tamamen kuru veya doygun zemine göre) kapiler gerilmelerin ortaya çıkması nedeniyle daha zor gerçekleşir.
Kompaksiyon süresince zemine eklenen suyun, zemin daneleri üzerinde iki farklı etkisi vardır. Suya doygunluk derecesi yüksek olduğunda: Zemin içindeki su miktarı danelerin birbirine yaklaşmasını engelleyecek kadar yüksek olduğunda kompaksiyon güçleşecektir. Zeminin su muhtevası yükseldikçe boşluklardaki havanın bir kısmı hapsedilmekte ve dışarı çıkamamaktadır. Dışarı çıkışı güçleşen bu hava hacimlerinde basınç artışları kompaksiyonun gerçekleşmesine engel olacaktır.
Suya doygunluk derecesi düşük olduğunda: Zemin içinde yeterli su bulunmadığında daneler arası sürtünme ve kapiler gerilmeler artmakta ve elektriksel kuvvetlerin net etkisi çekim kuvvetlerine dönüşmektedir. Zemin içinde yeterli su bulunduğunda ise daneler arası sürtünme ve kapiler gerilmeler azalarak daneler arası elektriksel itki kuvvetleri ortaya çıkmaktadır.
Kompaksiyon prensibi 2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
Kompaksiyon en iyi nasıl gerçekleşir? Artan su muhtevasının limit bir değerine (optimum su muhtevası) kadar kuru birim hacim ağırlık değeri artar (g dry ) Su muhtevasının bu limit değerinden daha büyük değerlerinde, su muhtevasındaki artış kuru birim hacim ağırlık değerini azaltmaktadır.
Kompaksiyon Eğrisi Kompaksiyon eğrisi kuru birim hacim ağırlık ve su muhtevasına bağlı olarak çizilir.(g k w) Eğrinin pik noktası optimum su muhtevasında (w opt ) elde edilen maksimum kuru birim hacim ağırlık (g d max ) değerini vermektedir. g W ( yaş ağırlık) gk veya g 1 w V ( kalıp hacmi) ws k ( suya doygunluk eğrilerinin denklemi) w w s s
Standart Proktor Deneyi Standart Proktor deneyi ilk defa Proktor tarafından 1930 yıllarda arazideki kompaksiyonu laboratuarda modelleyebilmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Amaç: maksimum kuru birim hacim ağırlık değerini verecek optimum su muhtevası değerinin bulunması.
Kompaksiyon - Laboratuar Ekipmanları ASTM D 698 Standart Proktor Deneyi 2.5 kg ağırlığındaki bir kütle 30.5 cm yükseklikten 3 tabaka halinde yerleştirilen zeminde her tabakaya 25 er kere düşürülerek gerçekleştiriliyor. Uygulanan enerji 590 kj/m 3
Deneyin Yapılışı 1. 4 No lu elek altına geçen yaklaşık 5 kg lık bir zemin alınır. Ağırlığı bilinen zemin bir kap içinde belirli bir miktar su eklenerek su muhtevası değeri artırılır. 2. Proktor kalıbının ağırlığı ölçülür. 3. Kompaksiyon için kalıba yaka (extension) takılır. 4. Zemin kalıba üç tabaka halinde yerleştirilir ve her tabaka Proktor çekici 25 kere zemin yüzüne düşürülerek sıkıştırılır. 5. Kalıptaki zemin örselenmeden yaka çıkarılır. 6. Sıkışmış zemin ve kalıbın toplam ağırlığı belirlenir. 7. Sıkıştırılmış zemin kalıptan çıkarılır ve 20-30 gr lık bir zemin alınarak zeminin su muhtevası belirlenir. 8. Sıkıştırılmış zemin kaba boşatılır ve bir miktar su eklenerek tekrar karıştırılır. Deney tekrarlanır.
1 3 2 4 5
Sonuçlar Farklı su muhtevalarına karşılık gelen birim hacim ağırlık değerleri grafik olarak çizilir. Maksimum kuru birim hacim ağırlık g d (max) ve optimum su muhtevası değerleri w opt bulunur.
Modifiye Proktor Deneyi Modifiye proktor deneyi daha büyük yük ve ekipmanlar tarafından arazide yapılan sıkıştırmayı laboratuarda modellemek amacıyla düzenlenmiştir. ASTM D 698 Modifiye Proktor 4.5 kg ağırlığındaki bir kütle 46 cm yükseklikten 5 tabaka halinde yerleştirilen zeminde her tabakaya 25 er kere düşürülerek gerçekleştiriliyor. Uygulanan enerji 2700 kj/m 3
Uygulanan Kompaksiyon Enerjisinin Etkisi E Ağır silindirlerin arazi kompaksiyonunda kullanılmaya başlanmasıyla, Standart Proktor Deneyi arazide daha iyi koşullarda uygulanmaya başlamıştır. Kompaksiyon gücü arttıkça, Kompaksiyon sonucu elde edilen maksimum kuru birim hacim ağırlık artar, Optimum su muhtevası daha düşük değerlere ulaşır. Birim hacim için kompaksiyon enerjisi Her tabakaya düşüş sayısı Tabaka sayısı Çekiç ağırlığı düşüş yüksekliği Kalıp hacmi
Uygulanan Kompaksiyon Enerjisinin Etkisi (devam...) Kompaksiyon enerjisini artırmakla aynı su muhtevasındaki zemini daha yüksek bir tabii birim hacim ağırlığa getirmek mümkündür. Enerjinin artmasıyla Maksimum kuru birim hacim ağırlık artmakta, Optimum su muhtevası azalmaktadır. Kompaksiyon eğrilerinin tepe noktalarının birleştirilmesi ile elde edilen eğriye Optimumlar Çizgisi adı verilir.
Zemin Cinsi ve Dane Dağılımının Kompaksiyona Etkisi İnce daneli zeminler optimuma ulaşmak için daha fazla suya ihtiyaç duyarlar, Kaba daneli zeminler ise optimum su muhtevasına daha az bir su ile ulaşırlar.
SIKIŞTIRILMIŞ ZEMİNLERİN ÖZELLİKLERİ KOHEZYONSUZ ZEMİNLER Kompaksiyon sonucu iri daneli zeminlerin sıkılık derecesi artmakta, bunun sonucu olarak da kayma mukavemetinde artışlar, yük altında sıkışmada(kompresibilitede) ise azalmalar meydana gelmektedir. Böylece iri daneli zeminler kompaksiyon sonucu daha yüksek taşıma gücüne sahip olmakta ve daha az oturmaya uğramaktadır.
Şekil de kumlu bir zeminde sıkılık derecesine bağlı olarak kayma mukavemeti açısının değişimi gösterilmiştir. Verilen φ açısı değişim aralığı birçok araştırmacının daneli zeminler üzerinde yaptığı çalışma sonuçlarının toplu olarak değerlendirilmesi sonucu elde edilmiştir. tan f V
SIKIŞTIRILMIŞ ZEMİNLERİN ÖZELLİKLERİ KOHEZYONLU ZEMİNLER Kohezyonlu zeminler kompaksiyonunda iyileşme miktarı sıkılık derecesi yanında, sıkıştırma su muhtevası ve sıkıştırma yöntemi gibi faktörlerin önemli etkisi olmaktadır. Öncelikle, kompaksiyon su muhtevası ve sıkıştırma yöntemi sıkıştırılmış kohezyonlu zeminlerin dane iç yapısını etkilemektedir. Optimum su muhtevasından daha düşük su muhtevalarında (kuru tarafta) sıkıştırılan kohezyonlu zeminlerin iç yapısı incelendiğinde, zemini oluşturan danelerin genellikle birbirlerine göre eğimli olduğu ve daneler arasında kenar-yüzey temasının hakim bulunduğu, Optimum su muhtevasından daha yüksek su muhtevalarında (ıslak tarafta) sıkıştırılan zeminlerin ise hemen hemen birbirlerine paralel uzanan danelerden oluştuğu gözlemektedir.
Kompaksiyon enerjisinin arttırılması ve yoğrulma etkisi gösteren kompaksiyon yöntemlerinin (keçi ayaklı silindir gibi) kullanılması da danelerin birbirine paralellik derecesini arttırıcı yönde etki yapmaktadır. 2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
Sıkıştırılmış bir toprak dolgunun mukavemeti, sıkıştırma koşulları yanında yüklenme durumundan da etkilenmektedir Arazideki bir dolgunun kullanılma ömrü içinde muhtemelen suya doygun hale gelebileceği gözden uzak tutulmamalıdır.
Sıkıştırılmış kohezyonlu zeminlerin hacim değiştirme özellikleri de (yük altında sıkışma ve su alınca şişme) kompaksiyon su muhtevasına bağlı olarak büyük değişiklikler göstermektedir. Optimumun kuru tarafında sıkıştırılan zeminler düşük basınçlar altında daha az deformasyon (oturma) göstermekle beraber, suya doygun hale gelme durumunda maruz kalacakları basınca bağlı olarak bunların göçme (ani büyük oturmalar) göstermesi ihtimali unutulmamalıdır. Şekilde zeminin örneğin 680 kpa basınca maruz kalacak olması durumunda göçme riskinin önlenmesi için optimuma göre yaklaşık % 1.5 tan daha düşük su muhtevalarında sıkıştırılmaması gerektiği gözlenmektedir.
Göçme tehlikesinin olmadığı basınçlar altında kuru tarafta sıkıştırılmış kohezyonlu zeminler ıslak tarafta sıkıştırılmışlara göre oldukça daha az deformasyon göstermektedir. Optimuma göre ıslak tarafta sıkıştırılmış kohezyonlu zeminler drenajsız durumda basınca maruz kaldıkları zaman ise boşluk suyu basıncı artışları ortaya çıkabilmektedir. Optimuma göre kuru tarafta sıkıştırılmış kohezyonlu zeminler, su ile temas haline gelme durumunda daha fazla şişme (hacim genişlemesinin engellenmesi durumunda ise daha yüksek şişme basınçları) gösterirken, optimumun ıslak tarafında sıkıştırılan kohezyonlu zeminler ise su kaybederek kuruma durumunda daha fazla hacim daralmasına (büzülmeye) uğramaktadır.
Sıkıştırılmış kohezyonlu zeminlerin permeabilitesi de kompaksiyon su muhtevasından etkilenmekte, optimumun kuru tarafında sıkıştırılmış zeminlerin permeabilitesi ıslak tarafta sıkıştırılmıştan daha yüksek olmaktadır. Özetle, sıkıştırılmış kohezyonlu zeminlerin mühendislik özellikleri sıkılık derecesi (birim hacim ağırlığı) yanında, belki ondan daha fazla kompaksiyon su muhtevasından etkilenmektedir. Dolayısıyla arazi kompaksiyon su muhtevasının uygulanacak proje yüklerine ve sıkıştırılmış toprak dolgudan beklenilen fonksiyona göre bilinçli olarak seçilmesinde büyük yarar bulunmaktadır.
Optimum Su muhtevasının Kuru ve Islak tarafında Sıkıştırılan Zeminler Özellik Karşılaştırma 1. Zemin İç yapısı Kuru taraf gelişigüzel, Islak taraf eğimli dane yapısı,kuru tarafın iç yapısı daha çabuk göçmeye müsait 2.Permeabilite Kuru taraf daha geçirgen 3. Sıkışabilirlik Düşük basınçlarda ıslak taraf,yüksek basınçlarda kuru taraf daha yüksek sıkışabilirliğe sahip. Kuru taraf basınç altında daha hızlı sıkışır ve şişmeye daha yatkındır.
Özellik Karşılaştırma 4. Mukavemet Kompaksiyon Su muhtevasında a-)drenajsız Kuru tarafta daha yüksek b-)drenajlı Kuru taraf biraz daha yüksek Suya doygun hale geldikten sonra a-)drenajsız Şişmeye izin verilmezse kuru taraf aksi halde ıslak taraf daha yüksek b-)drenajlı Hemen hemen aynı 5. Boşluk suyu basıncı Islak tarafta daha yüksek 6. Sensitivite Kuru taraf için daha yüksek
ARAZİDE KOMPAKSİYON Elde edilecek dolgunun mühendislik özelliklerini etkileyen en önemli malzeme özelliklerinden olan zeminin granülometrisinin şartnamede gösterilen aralıklar içinde kalması için, eleme ve/veya farklı zeminlerin mekanik olarak karıştırılması yoluna başvurulabilir. Kazılan zeminin tabii su muhtevasının zeminin optimum su muhtevasından çok farklı olması durumunda kurutma veya su ilave etme yoluyla su muhtevası ayarlanabilir.
Bu işlem sırasında, zeminin kazılması ve nakliyesi sırasında hava şartlarına bağlı olarak su muhtevasında meydana gelebilecek değişimler göz önüne alınmalıdır. Yüksek plastisiteli killerin arazi kompaksiyonu sırasında güçlüklerle karşılaşıldığı bilinmektedir. Böyle zeminlerin kullanılması zorunluluğu olan durumlarda, elde olunacak dolgunun özellikleri de göz önüne alınarak, bazı katkı maddeleri (kireç gibi) kullanarak zeminin plastisitesinin azaltılması mümkündür.
Zeminin dolgu sahasına yerleştirilmesi sırasında kalınlıkları belirli sınırlar altında kalacak şekilde tabakalar halinde serilmesi gerekmektedir. Zeminin cinsine, uygulanacak kompaksiyon enerjisine ve elde edilmesi istenilen sıkılık derecesine bağlı olarak seçilecek serilme kalınlığının genellikle 15-50 cm arasında kalmasına dikkat edilmelidir. Arazide kompaksiyon işleminin son aşaması ise tabakalar halinde serilen zeminin yerinde sıkıştırılması olmaktadır. Bu sıkıştırma işleminin en randımanlı ve ekonomik olarak gerçekleştirilebilmesi amacı ile değişik türde birçok arazi kompaksiyon makinesi geliştirilmiştir. Proje amaçlarına en uygun kompaksiyon makinesinin seçimi kompaksiyon işleminin başarı ile yürütülmesinde en önemli unsurlardan birini oluşturmaktadır.
KOMPAKSİYON MAKİNELERİ Düz Ayaklı Silindirler: Hemen hemen her çeşit zeminin sıkıştırılmasında kullanılan bu makineler zemin yüzeyi ile % 100 temas halinde olup zemine 400 kpa a kadar basınç uygulayabilir, en yaygın kullanılma alanları sıkıştırılmış dolguların yüzeyinin yeniden sıkıştırılması (proof rolling) ve asfalt kaplamaların sıkıştırılması olmaktadır. Lastik Tekerlekli Silindirler: Birbirine yakın çok sayıda lastik tekerleği olan ağır bir araçtan oluşan bir silindirler kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerin sıkıştırılmasında kullanılmaktadır. Zeminin yüzeyi ile temas alanı yaklaşık % 80 e kadar olabilmektedir.
Keçi Ayaklı Silindirler: Çelik bir silindirik gövde üzerinde ayak biçiminde çok sayıda çıkıntıdan (alanları 30-80 cm2) oluşan bu silindirlerde temas alanı % 8- % 12, uygulanan basınç 1400-7000 kpa arasında olup sıkıştırma basınç etkisi yanında yoğrulma etkisinden de yararlanarak sağlanır. Geçiş sayısı arttıkça tabaka kalınlığı boyunca aşağıdan yukarı doğru sıkışma gerçekleşir. Keçi ayaklı silindirler özellikle kohezyonlu zeminlerin sıkıştırılmasında kullanılır. 4- Titreşimli Silindirler: Kohezyonsuz zeminlerin en iyi titreşimli yükler altında sıkıştığı laboratuvarda ve arazide deneysel olarak gösterilmiştir. Titreşimli silindirler arazide kohezyonsuz zemin tabakalarının sıkıştırılmasında en etkili makinelerdir.
Düz Ayaklı Silindirler
Lastik tekerlekli silindirler
Keçi Ayaklı Silindirler
Standart Proktor Deneyi Modifiye Proktor Deneyi
Arazide Sıkışma (Kompaksiyon) Kontrolü Arazide kompaksiyon sonucu istenen sıkılığa ulaşılıp ulaşılmadığı Relatif kompaksiyon değeri ile ölçülür. Laboratuarda yapılan Standart veya Modifiye Proktor Deney sonuçlarından elde edilen maksimum kuru birim hacim ağırlık ve optimum su muhtevası değerlerine arazide ne kadar yaklaşıldığı esas alınır. % Relatif Kompaksiyon R g k arazi % 100 g k max lab Şartnamelerde genellikle zeminin standart proktor deneylerinden elde edilen değerler doğrultusunda %95 relatif kompaksiyon değerine ulaşılıncaya kadar sıkıştırılması istenir. Zemin su muhtevası ise (w opt %2) olmalıdır. R ~ (90 100%)
Arazide kompaksiyonun ölçülmesi Çok kullanılan yöntemler Kum konisi yöntemi Balon yöntemi Nükleer yöntem