Problemli Zeminlerde Geoteknik Çözümler

TMH

PROBLEMLİ ZEMİNLERDE GEOTEKNİK ÇÖZÜMLER Mustafa Serdar NALÇAKAN (*)

1. GİRİŞ Mühendislik yapılarının temel sistemlerinin tasarımında, zeminde oturma ve taşıma kapasitesi ile deprem durumunda sıvılaşma problemi olmaması durumunda genellikle yüzeysel temeller kullanılarak çözümler yapılmaktadır. Temel zeminlerinin problemli olması durumunda ise en basit çözüm derin temel sistemi (kazıklı temeller) seçilerek yapıların çözülmesidir. Son yıllarda gelişen makine teknolojisi ve mühendislik uygulamalarının (araştırma ve projelerin) artması problemli zeminlerde yeni çözümlerin bulunmasına neden olmuştur. Bu çözümler zemin ıslahı veya zemin iyileştirmesi yapılarak problemli zeminlerin ortadan kaldırılması olmuştur. 1970'li yıllardan beri üretilen bir çok yeni yöntemle problemli zeminler iyileştirilerek, zemindeki oturma problemi ortadan kaldırılmakta, taşıma kapasitesi güvenlik sayısı artırılmakta ve deprem durumunda sıvılaşan, mukavemeti azalan zeminler sağlamlaştırılmaktadır. Zemin ıslahı veya iyileştirmesi yöntemiyle derin temel sistemlerinden çok daha ekonomik ve daha kısa sürede yapılabilen geoteknik çözümler elde edilmektedir. Uygulamada en çok kullanılan geoteknik çözümler aşağıda sıralanmıştır. Araştırması devam eden veya ülkemizde henüz uygulamasına çok sık rastlanmayan yöntemler de bu listede yer almıştır. 2. ZEMİN İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİ Dünyada ve ülkemizde çok sık kullanılan zemin iyileştirme yöntemleri aşağıda sıralanmıştır. Bunlar; a. Taş Kolonlar b. Kum Kazıklar-Düşey Drenler c. Ön ve Fazla Yükleme c. Derin Karıştırma d. Vibrokompaksiyon-Vibroflotasyon e. Dinamik Kompaksiyon (Ağırlık düşürme) (*) Dr., ZMG İnşaat Ltd. Şti.

f. Kompaksiyon Enjeksiyonu g. Çatlatma-Girme-Deplasman Enjeksiyonu h. Jet Enjeksiyonu ı. Patlatma i. Geotekstil ve Geosentetikler ile Güçlendirme j. Kimyasal Enjeksiyon ve Diğerleri Her mühendislik yapısının zemin durumu ve problemi kendisine özgün bir problemdir. Farklı zemin yapısı ve yeraltı suyu durumu için farklı zemin iyileştirmesi yöntemleri önerilebilir. Belli bir zemin problemi için yukarıdaki zemin iyileştirme yöntemlerinin birisi veya birkaçı uygun olabilir, ancak yukarıdaki yöntemlerin hepsinin benzer zemin koşullarında uygulanması söz konusu değildir. Örneğin problemli kil bir zemin koşulunda dinamik kompaksiyon, kimyasal ve diğer enjeksiyon sistemleri, vibrokompaksiyon ve ağırlık düşürme yöntemleri çözüm olmayacaktır. Kum ve çakıllardan oluşan problemli bir zeminde ise ön yükleme, taş kolon yöntemleri uygun olmayabilecektir. Dolayısıyla her mühendislik yapısının zemin problemi tekil olarak incelenmeli, çok detaylı ve çok sayıda arazi ve laboratuvar deneyi yapılarak zemin yapısı ve yeraltı suyu durumu sıhhatli bir şekilde tespit edildikten sonra ıslah yöntemine karar verilmelidir. Zemin etüdünün önemi vurgulanırken laboratuvar deneyleri ile birlikte saha deneylerinin tercih edilmesi unutulmamalı ve zemin iyileştirmesi gereken bir projede kesinlikle CPT (Koni Penetrasyon Deneyi) deneylerinin yapılması tercih edilmelidir. Bu makaledehali hazırda inşaatı devam eden önemli bir mühendislik yapısında uygulaması yapılan taş kolonlar ile zemin iyileştirmesi yönteminden bahsedilecektir. 3. TAŞ KOLONLAR İLE ZEMİN İYİLEŞTİRİLMESİ Taş kolonlar ile problemli yumuşak ve gevşek zeminlerin iyileştirilmesi, son yıllarda yurtdışında çok uygulaması olan bir sistemdir. Ülkemizde de sınırlı sayıda projede uygulanmıştır. Taş kolonlar ile üstyapı proje yüklerine, saha ve zemin koşulla-

TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 430 - 2004/2

29

TMH rına bağlı olarak zeminin taşıma kapasitesi artırılmakta, oturma (konsolidasyon) süresi azaltılmakta ve deprem durumunda sıvılaşan veya mukavemeti kaybeden zeminler sağlamlaştırılmaktadır. Taş kolonlar genellikle yumuşak ve orta katı kil zeminlerde, problemli zemin tabakası kalınlığının genellikle 10.0 m’den az olduğu koşullarda tercih edilmektedir. Taş kolon uygulaması ile oturma problemleri genellikle %50-%60 oranında azaltılabilmekte, taşıma kapasitesi ise çok daha yüksek seviyelere çıkarılabilmektedir. Taş kolonlarının genellikle uçlarının sağlam bir taban zeminine oturtulması tavsiye edilmektedir. Yapım yöntemi olarak, - vibroflotasyon ataşmanları (su veya hava) ile kolonların oluşturulması - klasik foraj ile problemli zeminin dışarı atılarak yerine çakıl yerleştirilmesi ve sıkıştırılması - boru çakma veya itme ile zeminin sıkıştırılması ve kolonların oluşturulması imalatları yapılabilmektedir. Üstyapı proje yükleri ve zemin koşullarına bağlı olarak 60-100 cm çapında taş kolonlar üçgen veya kare yerleşim planında projelendirilmektedir. İmalatlarda kullanılan taşların temiz, genellikle 1050 cm boyutlarında ve içerisindeki ince oranı %5-10 arasında olan malzemeler ile yapılması gerekmektedir. Uygulamada sahada bulunabilecek malzemeye göre tasarımlar yapılabilmektedir.

likle 30-50+ arasında değişmektedir. Kum birimin altında derinlerde ise orta katı-sert, killi silt - siltli kil zeminlere girilmiştir. Yeraltı su seviyesi yüzeyden 1.00 m derinliktedir. Yüzeydeki yaklaşık 7.00 m kalınlığındaki kil zeminde oturma ve taşıma kapasitesi problemi mevcuttur. Problemlerin taş kolonlar ile çözülmesi yöntemi seçilmiştir. Taş kolon taşıma kapasitesi, iyileştirme oranı ve taş kolon aralığı tespit amacıyla sahada iki adet taş kolonlu , bir adet doğrudan zemin üzerine

4. TAŞ KOLON UYGULAMASI İnşaat faaliyetleri devam eden bir terminal binası oturum alanı yaklaşık 27000 m² mertebesindedir. Yapı mimari projelere bağlı olarak değişik kat yüksekliğine sahiptir. Üst yapı çözümleri sonucunda Şekil 1 - Taş Kolon İmalatı 1. Aşama - Borunun Çakılması statik durumda bina yükleri 7.0 - 12.00 t/m² mertebelerinde hesaplanmıştır. Zemin yapısı yüzeydeki bitkisel topraktan sonra 7.00 m derinliğe kadar problemli, gri-yeşilimsi renkte, yumuşak-orta katı-katı siltli kil - killi silt zeminlerden oluşmaktadır. Kil birim içerisinde yapılan SPT deneylerin darbe sayıları N= 3-25 aralığında değerler elde edilmiştir. Kil zemin bileşik zemin sınıflandırmasına göre genelde CL-CH karakterde olup plastisite indisi değeri 16-37 arasında değişmektedir. Siltli kil - killi silt zeminden sonra orta sıkı- çok sıkı siltli kum zemin yer almaktadır. Kum zemin 7.0020.00 m derinlikler arasındadır. Kum Şekil 2 - Taş Kolon İmalatı 2. Aşama – Çakıl Doldurulması birimde SPT darbe sayıları genel-

30

TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 430 - 2004/2

TMH süre ile bekletilmiş ve okuma alınmasına devam edilmiştir. Okumalar 4 farklı noktadan komparatörler ile yapılmış, ayrıca sabit bir noktadan topoğrafik deplasman okumaları alınmıştır. Yükleme deneyleri sonucunda taş kolon aralığı ve çapına karar verilmiş, elde edilen iyileştirme oranlarına göre imalatlara başlanmıştır. İmalatlar yerinde zemine borunun çakma işlemi sonrası yerleştirilen malzeme oranındaki artış yüzdesi ile sahada kontrol edilmektedir. Zemine teorik olarak kazık çapı ve boyu ile hesaplanandan %10-%20 oranında fazla malzeme Şekil 3 - Taş Kolon İmalatı sıkıştırılmıştır. Şekil 3’de gösterilen (3. 3. Aşama - Borunun Vibrasyonla Geri Çekilmesi aşama-boru çekme) vibrasyonla boruplaka yükleme deneyi yapılmıştır. Plaka olarak 2.40 nun geri çekilme zamanı ve titreşim gücü x 2.40 m boyutlarında ve 50 cm kalınlığında rijit bir malzeme sıkıştırma oranında en önemli faktördür. betonarme plak yaptırılmıştır. Deneylerde 60 cm Sahada ilk yapılan 20-30 adet kazıkta denemeler çapında 1.20 x 1.20 kare yerleşim ile (Alan oranı, yapılmış ve imalat-sıkıştırma-iyileştirme oranı için ar=0.196) ve 80 cm çapında üçgen yerleşimle en uygun yöntem tespit edilmiştir. Ayrıca sahada (Alan oranı, ar=0.27) yükleme deneyleri yapılmıştır. yapılan CPT deneyleri ile taş kolon uygulaması iyiYükleme deneylerinde 16 adet kare ve üçgen yer- leştirmesi kontrol edilmektedir. leşimli taş kolonlar imal edilmiştir. Taş kolonlar ucu kapalı borunun zemine çakılması 5. SONUÇ ve geri doldurulması yöntemi ile yapılmıştır. (Şekil 1-2-3) Taş kolonlar ortalama 7.0 m boyundadır. Önemli bir mühendislik yapısı temellerindeki zemin Zemin yapısı homojendir. Taş kolonların taban sıkı problemi taş kolon uygulaması ile çözülmüştür. kumlara oturtulduğu imalat sırasında kazık çakma Taş kolonlar sayesinde zemin taşıma kapasitesi refü değerlerinden kontrol edilmiştir. Taş kolonlar yaklaşık 3 kat artırılmış, oturmalar %50 oranında daha sonra rijit bir temel ile 4 adet kazığın üstünde azaltılmış ve oturmaların tamamlanma süresi kısalolacak şekilde yükleme deneyine tabi tutulmuşlar- tılmıştır. Taş kolonlar ile zemin ıslahı yöntemi, belli bir derindır. Yükleme deneylerinde Georgia Teknoloji liğe kadar olan problemli zeminlerin radye temeller Enstitüsünce yayımlanan “Design and Construction ile çözülmesini sağlamış, güvenlik, zaman ve ekoof Stone Columns” Georgia Institute of Technology, nomik açıdan projeye çok önemli avantajlar sağAtlanta, US Department of Commerce (National lamıştır. Technical Information Service), 1983 referansında belirtilen kriter ve yükzaman değerleri kullanılmıştır. Taş kolon yükleme deneyleri kademeli olarak yapılmıştır. 1 kademe proje yüklerine kadar kademeli yükleme yapılmıştır. Yük - zaman artış ve bekleme süreleri, ilgili referansta belirtilen kriterlere uygun olarak yapılmıştır. 2. kademe’de proje yüklerinin %150 si’ne kadar yükleme yapılmıştır. Son kademede göçme beklenen yüklere kadar yükleme yapılmış ve yük-deplasman eğrileri çıkarılmıştır. Son kademe yükleme bittikten sonra süreye bağlı olarak deplasmanların görülmesi açısından Şekil 4 - Taş Kolon Yükleme Deneyi deney düzeneği ve yükleme 5 gün TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 430 - 2004/2

31