PROBLEMLİ ZEMİNLERDE GEOTEKNİK ÇÖZÜMLER 1. GİRİŞMühendislik 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 sağlam-laştırılmaktadır. Zemin ıslahı veya iyileştirmesi yöntemiyle derin temel sistemlerinden çok daha ekonomik ve daha kısa sürede yapılabilen geotek-nik 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 YÖNTEMLERİDünyada 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)
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 kompak-siyon, 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 makalede hali hazırda inşaatı devam eden önemli bir mühendislik yapısında uygulaması yapılan taş kolonlar ile zemin iyileştirmesi yönteminden bahsedilecektir.
3. TAŞ KOLONLAR İLE ZEMİN İYİLEŞTİRİLMESİTaş 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 koşullarına 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 çıkartabilmektedir. 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 10-50 cm boyutlarında ve içerisindeki ince oranı %5-10 arasında olan malzemeler ile yapılması gerekmektedir. Uygulamada sahada bulunabilecek malzemeye göre tasarımlar yapılabilmektedir.
4. TAŞ KOLON UYGULAMASIİnşaat 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 statik durumda bina yükleri 7.0 -12.00 t/m2 mertebelerinde hesaplanmıştır.
Şekil 1 - Taş Kolon İmalatı 1. Aşama - Borunun Çakılması
Zemin yapısı yüzeydeki bitkisel topraktan sonra 7.00 m derinliğe kadar problemli, gri-yeşilimsi renkte, yumuşak-orta katı-katı siltli kil - killi şilt 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 şilt zeminden sonra orta sıkı- çok sıkı siltli kum zemin yer almaktadır. Kum zemin 7.00-20.00 m derinlikler arasındadır. Kum birimde SPT darbe sayıları genellikle 30-50+ arasında değişmektedir. Kum birimin altında derinlerde ise orta katı-sert, killi şilt - 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 plaka yükleme deneyi yapılmıştır. Plaka olarak 2.40 x 2.40 m boyutlarında ve 50 cm kalınlığında rijit bir betonarme plak yaptırılmıştır. Deneylerde 60 cm çapında 1.20 x 1.20 kare yerleşim ile (Alan oranı, ar=0.196) ve 80 cm çapında üçgen yerleşimle (Alan oranı, ar=0.27) yükleme deneyleri yapılmıştır. Yükleme deneylerinde 16 adet kare ve üçgen yerleşimli taş kolonlar imal edilmiştir.
Taş kolonlar ucu kapalı borunun zemine çakılması ve geri doldurulması yöntemi ile yapılmıştır. (Şekil 1-2-3) Taş kolonlar ortalama 7.0 m boyundadır. Zemin yapısı homojendir. Taş kolonların taban sıkı kumlara oturtulduğu imalat sırasında kazık çakma refü değerlerinden kontrol edilmiştir. Taş kolonlar daha sonra rijit bir temel ile 4 adet kazığın üstünde olacak şekilde yükleme deneyine tabi tutulmuşlardır.
Şekil 2 - Taş Kolon İmalatı 2. Aşama - Çakıl Doldurulması
Yükleme deneylerinde Georgia Teknoloji Enstitüsünce yayımlanan "Design and Construction of Stone Columns" Georgia Institute of Technology, Atlanta, US Department of Commerce (National Technical Information Service), 1983 referansında belirtilen kriter ve yük-zaman 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 deney düzeneği ve yükleme 5 gün süre ile bekletilmiş ve okuma alınmasına devam edilmiştir. Okumalar 4 farklı noktadan komparatörler ile yapılmış, ayrıca sabit bir noktadan topoğrafik deplasman okumaları alınmıştır.
Şekil 3 - Taş Kolon imalatı 3. Aşama - Borunun Vibrasyonla Geri Çekilmesi
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 sıkıştırılmıştır. Şekil 3'de gösterilen (3. aşama-boru çekme) vibrasyonla borunun geri çekilme zamanı ve titreşim gücü malzeme sıkıştırma oranında en önemli faktördür. Sahada ilk yapılan 20-30 adet kazıkta denemeler yapılmış ve imalat-sıkıştırma-iyileştirme oranı için en uygun yöntem tespit edilmiştir. Ayrıca sahada yapılan CPT deneyleri ile taş kolon uygulaması iyileştirmesi kontrol edilmektedir.
Şekil 4 - Taş Kolon Yükleme Deneyi
5. SONUÇÖnemli bir mühendislik yapısı temellerindeki zemin problemi taş kolon uygulaması ile çözülmüştür. Taş kolonlar sayesinde zemin taşıma kapasitesi yaklaşık 3 kat artırılmış, oturmalar %50 oranında azaltılmış ve oturmaların tamamlanma süresi kısaltılmıştır.
Taş kolonlar ile zemin ıslahı yöntemi, belli bir derinliğe kadar olan problemli zeminlerin radye temeller ile çözülmesini sağlamış, güvenlik, zaman ve ekonomik açıdan projeye çok önemli avantajlar sağlamıştır.