T.C. İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ZEMİNİN KIRMATAŞ KOLONLARI İLE İYİLEŞTİRİLMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Hüseyin MUNGAN Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği Programı : Geoteknik Tez Danışmanı : Yrd.Doç.Dr.Ersin AREL NİSAN 2016 T.C. İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ZEMİNİN KIRMATAŞ KOLONLARI İLE İYİLEŞTİRİLMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Hüseyin MUNGAN 1309211001 Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 11.04.2016 Tezin Savunulduğu Tarih : 21.04.2016 Tez Danışmanı : Yrd.Doç.Dr.Ersin AREL Jüri Üyeleri : Prof.Dr.Akın ÖNALP Doç.Dr.Aydın KAVAK NİSAN 2016 ÖNSÖZ İstanbul Kültür Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Geoteknik Programında yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmanın konusu darbeli kırmataş kolonların zemin ortamındaki performanslarının değerlendirilmesidir. Tez çalışmamın her aşamasında, yardımlarını hiçbir zaman esirgemeyen ve yüksek lisans eğitimim boyunca her zaman yol gösteren değerli danışman hocam Yrd.Doç.Dr.Ersin AREL’ e şükranlarımı sunarım. Tez çalışmam aşamasında, danışman hocamla birlikte yardımlarını esirgemeyen ve öğrencisi olmaktan gurur duyduğum değerli hocam, Prof.Dr.Akın ÖNALP’ e şükranlarımı sunarım. Tez çalışma aşamasında, özellikle analizlerde yardımlarından ötürü Yük.Müh.İlhan Burak DURAN’ a teşekkürlerimi sunarım. Çalışmamın analiz kısmında, veri paylaşımından ötürü Sentez İnşaat çalışanlarından Yük.Müh.Lale ÖNER’ e ve Yük.Müh.Ece KURT BAL’ a teşekkürlerimi sunarım. Üniversite eğitimi süresince, maddi ve manevi desteklerinden ötürü aileme teşekkür ederim. Nisan 2016 Hüseyin MUNGAN i İÇİNDEKİLER KISALTMALAR ................................................................................................................ İV TABLO LİSTESİ .................................................................................................................. V ŞEKİL LİSTESİ .................................................................................................................. Vİ SEMBOL LİSTESİ ........................................................................................................... Vİİİ ÖZET ................................................................................................................................ Xİİİ ABSTRACT ...................................................................................................................... XİV 1. GİRİŞ .................................................................................................................................1 1.1. Tezin Amacı .................................................................................................................1 2. ZEMİNİN RİJİT KOLONLARLA İYİLEŞTİRİLMESİ .....................................................1 2.1. Zeminin Taş Kolonlar ve Darbeli Kırmataş Kolonlarla İyileştirilmesi...........................2 2.1.1. Önceki Çalışmalar ................................................................................................2 2.1.2. Taş Kolonlar ..........................................................................................................9 2.1.2.1. Taş Kolon Yapım Yöntemleri ..........................................................................9 2.1.2.1.1. Titreşimli Kompaksiyon (Vibro Compaction) ............................................9 2.1.2.1.2. Titreşimli İttirme (Vibro-Replacement) .................................................. 10 2.1.2.1.2.1. Titreşimli İttirme Islak Yöntem (Üstten Beslemeli) ........................... 11 2.1.2.1.2.2. Titreşimli İttirme Kuru Yöntem (Alttan Beslemeli) ........................... 12 2.1.2.1.3. Titreşimli Kum Kazık Yöntemi (Vibro Composer) .................................. 12 2.1.2.2. Taş Kolonlarda Birim Hücre Kavramı ........................................................... 13 2.1.2.3. Taş Kolonlarda Göçme Mekanizması ............................................................ 16 2.1.2.3.1. Tekil Taş Kolonlarda Göçme Mekanizması ............................................. 16 2.1.2.3.2. Grup Taş Kolonlarda Göçme Türleri ....................................................... 18 2.1.2.4. Taş Kolonlarda Taşıma Gücü ........................................................................ 21 2.1.2.4.1. Tekil Taş Kolonlarda Taşıma Gücü ......................................................... 21 2.1.2.4.2. Kısa Tekil Taş Kolonlarda Taşıma Gücü ................................................. 26 2.1.2.4.3. Hint Standartına Göre Tekil Taş Kolonlarda Taşıma Yükü’nün Bulunması .............................................................................................................. 28 2.1.2.4.3.1. Radyal Genişlemeden Dolayı Oluşan Emniyetli Taşıma Yükü .......... 28 2.1.2.4.3.2. Sürşarj Yüklemesinden Dolayı Oluşan Yanal Gerilme Artışının Neden Olduğu Emniyetli Taşıma Yükü .......................................................................... 29 2.1.2.4.3.3. Zeminin Emniyetli Taşıma Yükü ...................................................... 29 2.1.2.4.4. Grup Taş Kolonlarda Taşıma Gücü ......................................................... 30 2.1.2.5. Taş Kolonlarda Oturma Hesabı...................................................................... 32 2.1.2.5.1. Greenwood ve Thomson Yöntemi ........................................................... 32 2.1.2.5.2. Van Impe ve De Beer Yöntemi ............................................................... 33 2.1.2.5.3. Van Impe ve Madhav Yöntemi................................................................ 34 2.1.2.5.4. Priebe Yöntemi ....................................................................................... 35 2.1.3. Darbeli Kırmataş Kolonlar (DKK) ....................................................................... 39 2.1.3.1. DKK’ larda Kayma Direnci Açısı .................................................................. 39 2.1.3.2. DKK Yapım Yöntemleri ............................................................................... 40 ii 2.1.3.2.1. DKK Kuyu Yöntemi ............................................................................... 40 ® 2.1.3.2.2. Geopier Yöntemi (GP3) ........................................................................ 41 ® 2.1.3.2.3. Impact Yöntemi ..................................................................................... 42 ® 2.1.3.2.4. Rampact Yöntemi ................................................................................. 44 2.1.3.3. DKK’larda Taşıma Gücü Hesabı ................................................................... 45 2.1.3.3.1. Tekil Darbeli Kırmataş Kolonlarda Yanal Şişme Yenilmesi .................... 46 2.1.3.3.2. Tekil Darbeli Kırmataş Kolonlarda Kayma Yenilmesi ............................ 47 2.1.3.3.3. DKK ile İyileştirilen Zeminde Kayma Yenilmesi .................................... 49 2.1.3.3.4. DKK ile İyileşen Zeminlerde Uç Bölgesinde Kayma Yenilmesi .............. 49 2.1.3.4. DKK’ larda Oturma Hesabı ........................................................................... 52 2.1.3.4.1. Üst Bölge Oturması ................................................................................. 53 2.1.3.4.2. Alt Bölge Oturması ................................................................................. 56 2.1.3.5. DKK’larda Kalite Kontrol ............................................................................. 57 2.1.3.5.1. Akış Oranı Testi ...................................................................................... 57 2.1.3.5.2. Artan Kırmataş Hacim Testi .................................................................... 57 2.1.3.5.3. Kullanılan Kırmataş Hacim Testi ............................................................ 58 2.1.3.5.4. Uç Dengeleme Testi (BST) ..................................................................... 58 2.1.3.5.5. Dinamik Koni Penetrasyon Testi (DCP) .................................................. 58 2.1.3.5.6. DKK Yükleme Testi ............................................................................... 58 2.1.3.6. DKK’ ların Taş Kolonlardan Üstünlükleri ..................................................... 59 3. DARBELİ KIRMATAŞ KOLONLARDA HESAPLAMALAR ....................................... 59 3.1. DKK’ larda Oturma Kontrolü ..................................................................................... 60 ® 3.1.1. Temeller Altındaki Geopier DKK’ larda Oturma Miktarı ................................... 60 3.1.2. Granüler Tabaka Altındaki DKK’ larda Oturma Bulunuşu ................................... 64 3.2. DKK’ larda Şaft Uzunluğu Bulunuşu ......................................................................... 64 4. DARBELİ KIRMATAŞ KOLONLARIN SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE MODELLENMESİ............................................................................................................... 66 4.1. Proje Özellikleri ......................................................................................................... 66 4.2. Sonlu Elemanlar Yöntemi .......................................................................................... 68 4.2.1. DKK’sız Ortamda Temeldeki Oturmalar .............................................................. 68 4.2.2. Kompozit Zemin Ortamında Temeldeki Oturmalar .............................................. 71 4.2.3. DKK’ lı Ortamda Temeldeki Oturmalar ............................................................... 74 5. SONUÇ VE ÖNERİLER .................................................................................................. 77 KAYNAKLAR .................................................................................................................... 78 EK - A .................................................................................................................................. 82 iii KISALTMALAR BST : Uç Dengeleme Testi DCP : Dinamik Koni Penetrasyon Testi DSM : Derin Karıştırma Kolonları DKK : Darbeli Kırmataş Kolonlar GS : Güvenlik Sayısı JG : Jet Grout SPT : Standart Penetrasyon Deneyi SPT-N : Standart Penetrasyon Deneyi Darbe Sayısı TK : Taş Kolonlar iv TABLO LİSTESİ Tablo 2.1. Taş Kolonlu Zeminde Oturma ................................................................................4 Tablo 2.2. Kolonların Rijitliklerinin Karşılaştırılması .............................................................7 Tablo 2.3. Kolonların Oturmalarının Karşılaştırılması ............................................................8 ® Tablo 2.4. Impact DKK, Delme Kazık ve Jet Grout Yöntemlerinin Örnek Bir Projede Kıyaslanması ........................................................................................................................ 43 ® Tablo 3.1. 0,76 m Çap İçin Geopier DKK Tasarım Parametreleri........................................ 62 Tablo 4.1. Jeotermal Enerji Santrali Projesi Zemin ve DKK Özellikleri ................................ 67 Tablo 4.2. Analizlerde Kullanılan Zemin Parametreleri ........................................................ 70 Tablo 4.3. Analizde Kullanılan Yayılı Temel Özellikleri ...................................................... 70 Tablo 4.4. Kompozit Ortamda Zemin Parametreleri .............................................................. 72 Tablo 4.5. DKK Parametreleri .............................................................................................. 75 Tablo A.1. Oturma Miktarları ............................................................................................... 89 v ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1 Zemin İyileştirme Yöntemlerinin Zemin Tipleri ve Dane Çaplarına Göre Ayrılması ...............................................................................................................................2 Şekil 2.2 Yük-Oturma Eğrisi ..................................................................................................3 Şekil 2.3 Summer Washington’da Temel Altına DKK Uygulaması ........................................5 Şekil 2.4 Salem Oregon’da Temel Altına DKK Uygulaması ..................................................5 Şekil 2.5 Baeverton, Oregon’da Temel Altına DKK Uygulaması ............................................6 Şekil 2.6 Titreşimli Kompaksiyon Yöntemi .......................................................................... 10 Şekil 2.7 Temel Altında Taşkolon Yerleşim Planı ................................................................. 10 Şekil 2.8 Titreşimli İttirme ve Titreşimli Sıkıştırma Yöntemleri Zemin Tipine Göre Uygulanabilirliği .................................................................................................................. 11 Şekil 2.9 Titreşimli İttirme (Islak Yöntem) Taş Kolon Uygulaması ....................................... 11 Şekil 2.10 Titreşimli İttirme Kuru Yöntem Taş Kolon Uygulaması ....................................... 12 Şekil 2.11 Titreşimli Kum Kazık Yöntemi ............................................................................ 13 Şekil 2.12 Birim Hücre Kavramı........................................................................................... 13 Şekil 2.13 Taş Kolon Zemin Yük Paylaşımı ......................................................................... 14 Şekil 2.14 Gerilme Yoğunlaşma Oranı Değişimi................................................................... 16 Şekil 2.15 Taş Kolonlarda Göçme Türleri ............................................................................. 17 Şekil 2.16 Kritik Yanal Şişme Yenilmesi Derinliği Değişimi ................................................ 17 Şekil 2.17 Tabakalı Zeminde Göçme Türleri......................................................................... 18 Şekil 2.18 Grup taş Kolonlarda Yenilme ............................................................................... 19 Şekil 2.19 Grup Taş Kolonlarda Yenilme Tipleri .................................................................. 20 Şekil 2.20 Tekil Taş Kolonda Şişme Göçmesi ...................................................................... 21 Şekil 2.21 Boşluk Genleşme Faktörleri ................................................................................. 23 Şekil 2.22 Tekil Taş Kolonda Yenilme ................................................................................. 24 Şekil 2.23 Taşıma Gücü Katsayıları ...................................................................................... 27 Şekil 2.24 Grup Taş Kolonlarda Taşıma Gücü ...................................................................... 31 Şekil 2.25 Oturma Miktarı Bulunuşu .................................................................................... 32 Şekil 2.26 Taş Kolon Etki Alanı (A) ve Taş Kolon Alanı (Ac) .............................................. 33 Şekil 2.27 Oturma Miktarı Bulunuşu .................................................................................... 34 Şekil 2.28 İyileştirme Sonrası Oturma Miktarı Bulunuşu ...................................................... 35 Şekil 2.29 Birim Hücre ......................................................................................................... 36 Şekil 2.30 Priebe Metodu İyileştirme Katsayısı Bulunuşu ..................................................... 37 Şekil 2.31 Tekil Temel İçin Priebe Metodu Oturma Oranı Bulunuşu ..................................... 37 Şekil 2.32 Şerit Temel İçin Priebe Metodu Oturma Oranı Bulunuşu ..................................... 38 Şekil 2.33 Grup Taş Kolonlarda Oturma ............................................................................... 38 Şekil 2.34 DKK ‘larda Kayma Direnci Açısı Değişimi ......................................................... 39 Şekil 2.35 DKK Kuyu Yöntemi ............................................................................................ 40 Şekil 2.36 Geopier Sistemi Ekipmanları ............................................................................... 41 ® Şekil 2.37 Geopier Yöntemi................................................................................................ 41 ® Şekil 2.38 Impact Sistemi ................................................................................................... 42 vi ® Şekil 2.39 Impact Yöntemi ................................................................................................. 43 Şekil 2.40 DKK Yöntemlerinin Zemin Tipine Göre Uygulanabilirliği .................................. 44 Şekil 2.41 Taşıma Gücünün Aşılması Durumu ..................................................................... 45 Şekil 2.42 DKK ile İyileştirilmiş Zeminde Yenilme Durumları ............................................. 45 Şekil 2.43 Drenajsız Durum İçin Taşıma Gücü Tahmini ....................................................... 50 Şekil 2.44 Drenajlı Durum İçin Taşıma Gücü Tahmini ......................................................... 51 Şekil 2.45 Granüler Tabaka Altında DKK Davranışı ............................................................. 51 Şekil 2.46 DKK’larda Oturma Analizi .................................................................................. 52 Şekil 2.47 Temel Tiplerine Göre Alt ve Üst Bölge Kalınlığı ................................................. 53 Şekil 2.48 DKK Üst Oturma Analizi ..................................................................................... 54 Şekil 2.49 Elastik Oturma Hesabı ......................................................................................... 55 Şekil 2.50 Taş Kolon Yükleme Düzeneği ............................................................................. 59 Şekil 3.1 DKK’ larda Şaft Uzunluğu Bulunuşu ..................................................................... 65 Şekil 4.1 Zemin Tabakaları ve SPT-N Sayıları ...................................................................... 67 Şekil 4.2 Plaxis 2D Programında Zemin Tabakalarının Modellenmesi .................................. 68 Şekil 4.3 Yayılı Temelin Modellenmesi ................................................................................ 69 Şekil 4.4 DKK’sız Ortamda Yayılı Temeldeki Toplam Oturma ............................................ 71 Şekil 4.5 Kompozit Zemin Ortamı ........................................................................................ 72 Şekil 4.6 Kompozit Ortamda Yayılı Temeldeki Oturma ........................................................ 74 Şekil 4.7 DKK’ lı Modelleme .............................................................................................. 74 Şekil 4.8 DKK’ lı Ortamda Yayılı Temeldeki Oturma ........................................................ 75 Şekil 4.9 Oturmaların Karşılaştırılması ................................................................................. 76 Şekil A.1 Yüzeysel Temel Örneği ......................................................................................... 83 Şekil A.2 Şaft Uzunluğu Kontrolü ........................................................................................ 86 Şekil A.3 Granüler Tabaka Altında DKK Tasarımı ............................................................... 87 vii SEMBOL LİSTESİ A : Birim hücre etki alanı A : Taş kolon kesit alanı c Ag : Tekil DKK taban alanı Am : Zemin alanı A : Zeminin net alanı net a : Taş kolonlarda alan oranı r A : Tekil DKK zemin içinde kalan yanal alanı s AT : Temelin alanı B : Temel genişliği c : Zeminin kohezyonu c1 : Taş Kolonun kohezyonu c  : Efektif kohezyon ccomp : Kompozit malzemenin kohezyonu cc : Sıkışma indisi cu : Drenajsız kayma direnci d : DKK yarıçapı D : DKK kolon çapı D0 : Temel çapı De : Eşdeğer dairenin efektif çapı Df : Temel gömme derinliği Dr : Bağıl birim hacim ağırlık ds : DKK yapıldıktan sonra oluşan çap dtaban : Artan kırmataş konisinin taban çapı viii D : Ortalama çap 50 E : Elastisite modülü Ecomp : Kompozit bölgenin elastisite modülü E : İyileştirilmiş zeminin elastisite modülü m Eg : Taş kolonun elastisite modülü E : Zeminin elastisite modülü s E : Drenajsız elastisite modülü u E : Kiriş modülü 50 E oed : Ödometre modülü Eur : Yükleme boşalma modülü e0 : Zeminin ilk boşluk oranı Fc ́ve Fq΄ : Boşluk genleşme faktörleri fs : Kolon gövdesi boyunca ortalama birim çeper sürtünme direnci G : Kayma modülü H : Tabaka kalınlığı h : Derinlik HLZ : DKK alt bölge tabaka kalınlığı HUZ : DKK üst bölge tabaka kalınlığı Hs : DKK şaft uzunluğu hy : Göçme derinliği I : Westergaard gerilme artış faktörü Ir : Rijitlik endeksi k : Geçirimlilik katsayısı kg : DKK rijitlik modülü km : Zeminin rijitlik modülü ix K : Sükunet durumundaki yatay toprak basıncı katsayısı 0 Kpcol : Taş kolonun pasif toprak basıncı katsayısı Kp : Zeminin pasif toprak basıncı katsayısı L : Temel boyu ve taş kolon boyu N : Taş kolon adeti Nc : Taşıma gücü katsayısı Nq : Taşıma gücü katsayısı Nγ : Taşıma gücü katsayısı n : Oturma iyileştirme faktörü ns : Gerilme yoğunlaşma oranı r : Taş kolon yarıçapı Ra : DKK alan oranı Rs : DKK rijitlik oranı St : Taş kolonla iyileştirilme yapıldıktan sonraki oturma Sc : Taş kolonla iyileştirilme yapılmadan önceki oturma S : Konsolidasyon oturması S1 : Priebe metodu iyileştirme sonrası toplam oturma S : Priebe metodu iyileştirme yapılmadan önceki toplam oturma ST : DKK’ larda toplam oturma SUZ : DKK’ larda üst bölge oturması SLZ : DKK’ larda alt bölge oturması s : Kolon aralığı t : Dolgu kalınlığı μc : Taş kolon gerilme yoğunlaşma faktörü μs : Zeminin gerilme yoğunlaşma faktörü q : Dış yayılı yük x q : DKK ile iyileştirilmiş tabakanın alt ucundaki sınır gerilme bottom q : Emniyetli taşıma gücü a Q : Taş kolonun emniyetli taşıma yükü a Q : Taş kolonun radyal genişlemesinden dolayı oluşan emniyetli taşıma a1 yükü Q : Sürşarj yüklemesinden dolayı oluşan yanal gerilme artışının neden a 2 olduğu emniyetli taşıma yükü Q : Zeminin emniyetli taşıma yükü a3 Q : Tekil DKK sınır yükü d qd : Tekil DKK’ daki sınır taşıma gücü Qg : DKK kolon uç direnci Qg  : Şaft direnci qg : Tekil DKK’ ya gelen gerilme qm : Zemine gelen gerilme Q ®cell : Tekil Geopier DKK’ nın taşıma yükü Qmax : Üst yapıdan temele gelen maksimum düşey yük Qs : DKK çevre sürtünme direnci Vartan kırmataş : Artan kırmataş hacmi zc : Kritik derinlik σ : Toplam gerilme σ3 : Yanal çevre gerilmesi σc : Taş kolona gelen gerilme σh : Yatay gerilme σ : Sukünet durumundaki yatay gerilme h0 σ0 ΄ : Düşey efektif gerilme σort : Şişme yenilmesi bölgesindeki ortalama gerilme xi σ : Toplam radyal gerilme r0 σ : Limit radyal gerilme rL σ : Zemine gelen gerilme s σ : Düşey gerilme v Δσ : Gerilme artışı δp : Taş kolonda kayma yüzeyi açısı δ : Taş kolonla iyileştirilmiş zeminde kayma yüzeyi açısı ρ : Zeminin birim hacim ağırlığı ρ : Zeminin doygun birim hacim ağırlığı sat  : Efektif kayma direnci açısı comp : Kompozit malzemenin kayma direnci açısı c : Taş kolonun kayma direnci açısı s : Zeminin kayma direnci açısı β : Göçme yüzeyi kırılma açısı ν : Zeminin poisson oranı ν : Efektif durumdaki zeminin poisson oranı νu : Drenajsız durumda zeminin poisson oranı νur : Yükleme boşalma durumunda zeminin poisson oranı ψ : Zeminin kabarma açısı τ : Kayma direnci xii Enstitü : Fen Bilimleri Dalı : İnşaat Mühendisliği Programı : Geoteknik Tez Danışmanı : Yrd.Doç.Dr.Ersin AREL Tez Türü ve Tarihi : Yüksek Lisans - Nisan 2016 ÖZET ZEMİNİN KIRMATAŞ KOLONLARI İLE İYİLEŞTİRİLMESİ Hüseyin MUNGAN İstanbul Kültür Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Geoteknik Bilim Dalı Programında yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmanın amacı; aşırı oturmaların görüldüğü zemin ortamlarında darbeli kırmataş kolonların göstereceği performansların incelenmesidir. Zeminde rijitliği artırmak için yapılan darbeli kırmataş kolonlar, toplam ve farklı oturmaları azaltmaktadır. Bu çalışmada, Plaxis sonlu elemanlar programı kullanılarak, DKK’ lar modellenerek, DKK’lı ve DKK’sız ortamda oturma miktarları karşılaştırılarak sonuçlar incelenmiştir. İlk aşamada, 17 m genişliğindeki yayılı temelin yumuşak zemin ortamında 52,55 cm oturma yaptığı görülmüştür. İkinci aşamada, darbeli kırmataş kolonların etkilediği zemin ortamında kompozit zemin modeli esas alınarak, DKK ve zemin parametrelerini kapsayan ortak kompozit bölge tanımlanarak, yayılı temelde 16,87 cm oturma oluştuğu görülmüştür. Üçüncü aşamada, yayılı temel altına 1,7 m aralıklarla kare yerleşim planına göre DKK’ lar tanımlanarak, yayılı temelde 26,04 cm oturma oluştuğu görülmüştür. Darbeli kırmataş kolonların, aşırı oturmaların görüldüğü yumuşak zemin ortamlarında, oturmaları önemli derecede azalttığı analizlerde görülmüştür. Anahtar Kelimeler : Darbeli Kırmataş Kolonlar, Sonlu Elemanlar, Oturma xiii University : Istanbul Kültür University Institute : Institute of Sciences Department : Civil Engineering Programme : Geotechnical Engineering Supervisor : Assist.Prof.Dr.Ersin AREL Degree Awarded and Date : MA – April 2016 ABSTRACT GROUND IMPROVEMENT WITH AGGREGATE PIERS Hüseyin MUNGAN The essential aim of this thesis that has been prepared in Geotechnical Engineering program of Civil Engineering Department at Istanbul Kültür University, is to analyze the performance of the Rammed Aggregate Piers in the situations that it performs the inserted in soft soils. Rammed Aggregate Piers increase the stiffness of soil, decreasing both total and differential settlements, while increasing the bearing capacity. The study has been performed with the principal aim of comparing the settlements of the untreated soil to that of the soil having been treated by Rammed Aggregate Piers . The software Plaxis 2D which uses the Finite Element method has been employed to analyse the problem. In my study, every work has been done to compare two conditions with each other. These conditions are done both with Rammed Aggregate Piers and without Rammed Agregate Piers. To do this, amount of settlements of Rammed Aggregate Piers is considered and Plaxis FEM program is implemented. A comprehensive literature survey to understand the mechanics of the process was implemented prior to the calculation stage. In the first step a footing of 17 m length was placed on the untreated soil and was found to settle 52,55 cm. The second approach was attempted by assuming the soil-column system as a composite material. This produced a settlement of 16,87 cm. Rammed Aggregate Piers were inserted in the third step in a square pattern with a spacing of 1,7 m, which reduced the settlement to 26,04 cm. As a result of the study, it was confirmed that the use of Rammed Aggregate Piers significantly decreases settlement in soft soils. Key Words: Rammed Aggregate Piers, FEM, Settlement. xiv 1. GİRİŞ 1.1. Tezin Amacı Bu tezin amacı, zemin iyileştirme yöntemlerinden biri olan taş kolonlar ve bunların özel bir tipi olan darbeli kırmataş kolonlara (DKK) ait genel özellikler, yapım yöntemleri, olumlu ve olumsuz yönleri belirtilerek, bunların analiz ve tasarımının sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak yapılmasıdır. DKK’sız ortamda, kompozit zemin ortamında ve DKK’ lı durumda temelde oluşacak oturmaların 3 farklı model üzerinde değerlendirmesi yapılmıştır. 2. ZEMİNİN RİJİT KOLONLARLA İYİLEŞTİRİLMESİ Zemin ortamında projelendirme yapılırken, ortamda yetersiz temel taşıma gücü ve aşırı oturmalar görülebilmektedir. Bu durumlarda, mevcut zeminin veya inşaat alanının değiştirilmesi, derin temellerle projelendirme ve zemin iyileştirme yöntemlerine başvurulmaktadır. Zemin iyileştirme yöntemleri, zemin parametrelerinin iyileştirilmesi, güvenli taşıma gücünün aşılmaması ve kabul edilebilir oturmalarla, zemin koşullarının projede öngörülen hale getirilmesi amacıyla yapılan işlemlere ve yöntemlere denir. Zemin iyileştirme yöntemleri derin temellere göre daha ekonomik olduğu için tercih edilmektedir. Bu işlemlerde kullanılacak yöntemler zeminin cinsine ve dane çapı dağılımına göre değişmektedir. Şekil 2.1’ de dane çapı dağılımı ve zemin tipine göre (kil, silt, kum ve çakıl) zemin iyileştirme yöntemlerinin uygulanabilirliği gösterilmektedir. Ülkemizde son yıllarda sık kullanılmaya başlayan zemin iyileştirme yöntemlerinden rijit kolonlar, elverişsiz zemin ortamlarının rijitliğini artırarak aşırı oturmaları, sıvılaşmayı önlemek ve heyelan risklerini azaltmak amacıyla zeminlere uygulanan yöntemler arasındadır. Zeminin rijitliğini artırmak için zeminde yapılan kolonlar şu şekilde belirtilebilir:  Jet Grout (JG)  Derin Karıştırma Kolonları (DSM)  Kum Kazıkları  Kireç Kazıkları  Taş Kolonlar (TK)  Darbeli Kırmataş Kolonlar (DKK) 1 Dane Çapı (mm) Şekil 2.1 Zemin İyileştirme Yöntemlerinin Zemin Tipleri ve Dane Çaplarına Göre Ayrılması (Mitchell ve Katti, 1981) 2.1. Zeminin Taş Kolonlar ve Darbeli Kırmataş Kolonlarla İyileştirilmesi 2.1.1. Önceki Çalışmalar İngiltere Canvey adasında, ıslak titreşimli ittirme yöntemine göre uygulanan, kayma direnci açısı 38˚ olan ve boyutları 20-40 mm arasında değişen nehirden alınmış kırmataşlarla yapılan taş kolonların arazide yükleme deneyi yapılarak davranışları incelenmiştir (Hughes vd., 1975). İnceleme sonucunda, 10 m uzunluğunda taş kolonda yükleme deneyi sonucunda kritik derinlikte (2,25 m) sınır yanal gerilmenin aşılmasından ötürü şişme ile yanal göçme gözlemlenmiştir. Sınır yanal gerilmeyi teorik hesaplamalarla ve arazide Menard Presiyometre deneyiyle hesaplayarak, sınır yanal gerilmeyi belirlemede güvenilir olduğu belirtilmiştir. Kolon çapının taş kolonun taşıma kapasitesinde ve oturma miktarında etkili olduğu saptanmıştır. Santa Barbara Atıksu Arıtma Tesisi için zemine titreşimli kompaksiyon yöntemiyle, boyutları 12-100 mm arasında değişen kırmataşlar kullanılarak, 9-15 m boylarında, 0,50-0,75 m çapında yapılacak bina oturum yerlerine göre üçgen ve kare yerleşim planına uyacak şekilde taş kolonlar yapılmıştır (Mitchell vd., 1985). Taş kolonlu ve taş kolonsuz temelde yükleme 2 Elekten Geçen (%) deneyi sonucu oturma miktarları karşılaştırılarak, taş kolonlu zeminde oturmaların %30-40 oranında azaldığı tespit edilmiştir (Şekil 2.2). Arazide yerinde ölçülen temeldeki oturmalar 25-60 mm arasında iken sonlu elemanlarla analiz yapılarak bulunan oturmalar ise 64 mm olarak tespit edilmiştir. Yük (kg/birim taş kolon) 0 0 454 907 1360 Tasarım Yükü Taş Kolonla İyileştirme 12,7 25,4 Taş Kolonsuz 38,1 Şekil 2.2 Yük-Oturma Eğrisi (Mitchell vd., 1985) ABD’de çeşitli projelerde kısa taş kolonların oturmalar üzerine etkisi incelendiğinde, iyileştirilmemiş zemin ve temel altına yerleştirilen kısa taş kolonlarla iyileştirilmiş zemindeki oturmalar karşılaştırılmasıyla, Tablo 2.1.’den görüldüğü gibi kısa taş kolonların oturmaları azalttığı belirtilmiştir (Lawton ve Fox, 1994). 3 Oturma (cm) Tablo 2.1. Taş Kolonlu Zeminde Oturma (Lawton ve Fox, 1994) Taşıma Gücü Proje Temel Tipi Oturma (mm) (kPa) Zemin Taş Kolonlu Zemin Kütüphane 3,66 m x 3,66 m kare temel 266 33-102 18 Silo Tankı 4,57 m x 4,57 m kare temel 144 48-104 13 Konut 0,91 m çapında dairesel temel 244 58-79 5 Endüstriyel Yapı 1,52 m x 1,52 m kare temel 193 150-230 23 1,07 m x 2,13 m dikdörtgen Ofis 352 41-112 13 temel Hastane 12.2 m çapında dairesel temel 317 61-109 10 Hastane 2,74 m çapında dairesel temel 242 30-104 13 15,2 m x 30,5 m dikdörtgen Kule 144 20-89 10 temel Kule 3,66 m çapında kare temel 332 61-66 10 Otopark 4,27 m çapında kare temel 318 124-188 38 Poorooshasb ve Meyerhof, (1997) taş kolonlarda zemin ve taş kolon parametrelerinin değişiminin taş kolonlarda etkilerini incelemişlerdir. Yumuşak kil özellikleri, elastisite modülü 1000 kPa ve poisson oranı 0,2 olan zemine 100 cm çapında ve 10 m uzunluğundaki grup taş kolonlarda, taş kolon aralığı arttıkça oturmaların artacağı, taş kolon kayma direnci açısı arttıkça da oturmaların azalacağını belirtmişlerdir. Taş kolon aralıklarının ve taş kolon kayma direnci açısının taş kolondaki yük, rijitlik ve oturmaları etkilediğini belirtmişlerdir. A.B.D.Washington’da bir otopark inşaatı için projede öngörülen 23 m uzunluğunda temelaltı ® çelik kazıklara alternatif olarak darbeli kırmataş kolon (DKK) yöntemlerinden Impact yöntemiyle 2,1-2,7 m arasında temel desteklenerek maliyette %50 düşüş elde edilmiştir. DKK’ ların 4 cm’ den az oturma yaparak ortamın taşıma gücünü 270 kPa’ a kadar artırdığı belirtilmiştir (Wissmann vd., 2000). Fox ve Edil, (2000) üç farklı projede DKK kolonlarının performansını incelemişlerdir. İlk proje 1997 yılında A.B.D. Washington, Summer kasabasında üç katlı ahşap bir yapı için CPT verilerinden zemin profili çıkartılarak 18,3 m’ den daha uzun derin temel yapılması planlanmışken projedeki mühendislerin önerisiyle temel altına 76,2 cm çapında ve 5 m uzunluğunda maksimum dane boyutu 50 mm olan DKK yaparak taşıma gücünü 215 kPa ve oturmaların 2,5 mm den daha az olarak projelendirmişlerdir (Şekil 2.3). 4 Zemin Tipi Yumuşak Siltli Kum Siltli, yarı plastik Çok Yumuşak Turba Siltli Kum Killi Kum Siltli Kum Şekil 2.3 Summer Washington’da Temel Altına DKK Uygulaması (Fox ve Edil, 2000) 2 A.B.D. Salem, Oregon’da Şekil 2.4’ te zemin profili görülen 11,150 m alanda kare yerleşim planına göre 2,5 m aralıklarla 4,2 m uzunluğunda DKK yapılarak farklı oturmaların azaldığını belirtmişlerdir. Zemin Tipi Alüvyon Dolgu Organik Silt Y Aumlüvuyşoank dTolugrub a Alüvyon dolgu Yumuşak Kil Şekil 2.4 Salem Oregon’da Temel Altına DKK Uygulaması (Fox ve Edil, 2000) 5 Derinlik (m) Derinlik (m) A.B.D. Beaverton, Oregon’da Şekil 2.5’ te zemin profili görülen 4 katlı ofis için temeli yumuşak zemine oturan dolgu altına yapılan DKK uygulamasında taşıma gücünün 338 kPa olduğu ve oturmaların 20 mm’ den az olduğunu saptamışlardır. Bu üç farklı örnekte derin temel uygulaması yerine DKK yapılarak maliyetten %-20-30 oranında tasarruf elde edilmiş ve taşıma güçleri ve oturmalar izin verilen sınırlar içinde oluştuğunu belirtmişlerdir. Zemin Tipi Siltli Çakıl Yumuşak Turba Organik Silt Silt Şekil 2.5 Baeverton, Oregon’da Temel Altına DKK Uygulaması (Fox ve Edil, 2000) Düzceer ve Gökalp (2002), Gürcistan Poti Limanına yapılacak tanklarda titreşimli kompaksiyon yöntemine göre, taş kolonlar yapılmadan önce SPT değerlerinin 2-20, yapıldıktan sonra ise 18-30 arasında değiştiğini belirtmişlerdir. Tank çevresinde oturmaların, Priebe, (1995) ve sonlu elemanlara göre hesap yapılarak birbirleriyle uyumluluk gösterdiğini ve taş kolon yapımından sonra oturmaların azaldığını belirtmişlerdir. ® White vd., (2002) taş kolonlar ile Geopier DKK sistemiyle yapılan darbeli kırmataş kolonları ® karşılaştırmışlardır. Geopier DKK sistemi diğer taş kolonların yapılış şeklinden farklı olarak belli dane boyutundaki çakılların vurularak kademeli olarak sıkıştırılmasıyla yapılan taş kolon ® yöntemidir. İyileştirilmiş zeminde SPT sayılarının Geopier DKK sisteminde daha yüksek ® sonuçlar verdiğini, taş kolonlarda daha yüksek oturmaların oluştuğunu, Geopier DKK ile yapılan sistemde taş kolon rijitliğinin 2-9 katı arasında değiştiğini ve yükleme durumunda ® Geopier DKK sistemdeki yanal gerilmenin taş kolonunkinden 2 kat yüksek olduğunu belirtmişlerdir. 6 Derinlik (m) ® Wissmann vd., (2002) Geopier DKK yöntemiyle yapılan iyileştirme sonrasında zemin ve taş kolonları kompozit olarak değerlendirerek kayma direnci parametrelerini taş kolon ve zeminin kayma direnci parametrelerini kapsayacak şekilde ele almışlardır. Amerika’da bir demiryolu dolgusunda, iyileştirme yapılmadan önce kısa dönem için göçmeye karşı güvenlik ® sayısının 1,2 olduğunu, Geopier DKK sistemiyle yapılan iyileştirme sonrasında göçme için güvenlik sayılarının kısa dönem için 1,2-1,3 aralığına yükseldiğini belirtmişlerdir. Alonso vd., (2011) taş kolonların oturmalarının zamana bağlı olarak inceleyerek oturmaya etki eden parametrelerin güvenirlik analiz yöntemini incelemişlerdir. Genel anlamda taş kolonların oturmalarına, zamana bağlı olarak etki eden en önemli parametrenin zeminin radyal konsolidasyon katsayısı olduğunu belirtmişlerdir. Kısa zaman aralığında, oturmaya etki eden faktörün taş kolon çapı olduğunu, zaman aralığı artıkça taş kolon çapının oturmaya etkisinin azaldığını, uzun dönemde ise ise oturmaya etki eden en önemli faktörün zeminin radyal konsolidasyon katsayısı olduğunu belirtmişlerdir. Kurt, (2011) Lüleburgaz Sarımsaklı mevkiinde yapmış olduğu çalışmada, zemin ortamında gerçekleştirilen SPT ve CPT deney sonuçlarıyla, 50 cm çapında ve 6,50 m boyunda olmak ® üzere, 4 adet Impact DKK ve 4 adet taş kolonu araziye uygulamıştır. Uygulama sonucunda 8 adet yükleme deneyi yapılmış ve bunlar Plaxis 2D programıyla da analiz edilerek sonuçlar karşılaştırılmıştır. Ayrıca, yükleme deney sonuçlarına göre öngörülen gerilme, oturma miktarına bölünerek farklı yöntemlerle imal edilen taş kolonların rijitlikleri karşılaştırılmıştır. Tablo 2.2.’de görüldüğü gibi titreşimli ittirme yöntemiyle imal edilen taş kolon rijitliğinin, ® titreşimli sıkıştırma ile yapılan taş kolon rijitliğine oranının 4 olduğunu belirtmiştir. Impact yöntemiyle imal edilen DKK’ların rijitliğinin, titreşimli ittirme ile imal edilen taş kolonların rijitliğe oranı 2,2-8,8 oranında değişmekte olduğunu belirtmiştir. Tablo 2.2. Kolonların Rijitliklerinin Karşılaştırılması (Kurt, 2011) Kolon Çapı Kolon Boyu Oturma 3 Kolon Tipi Yük (ton) Rijitlik MN/m (cm) (m) (mm) ® Impact Yöntemiye 50 6,5 8 3-5 88-190 Yapılan DKK Titreşimli İttirme İle Yapılan Taş 50 6,5 8 29-32 10-40 Kolon Titreşimli Sıkıştırma İle 50 6,5 8 85-92 10 Yapılan Taş Kolon ® Tablo 2.3.’ te ise taş kolonlar ile Impact DKK’ lar arasında yapılan 8 adet arazi yükleme deney sonuçlarındaki oturmalar ile Plaxis 2D programında modellenen kolonların yaptıkları 7 oturmalar karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlara göre titreşimli sıkıştırma imal edilen taş kolonlardaki oturmaların, titreşimli ittirme ile imal edilen taş kolonların oturmalarına oranı 2 ® olduğunu, titreşimli sıkıştırma imal edilen taş kolonlardaki oturmaların Impact yöntemiye imal edilen DKK lar’ daki oturmalara oranının 5 olduğunu belirtmiştir. Tablo 2.3. Kolonların Oturmalarının Karşılaştırılması (Kurt, 2011) Arazide Plaxis 2D ile Kolon Ölçülen Kolon Uygulanan Hesaplanan Kolon Tipi Çapı Oturma Boyu (m) Yük (ton) Oturmalar (cm) Miktarları (mm) (mm) 1.Deney 6,18 ® Impact 2.Deney 7,97 Yöntemiyle 18 11,4 3.Deney 9,77 Yapılan DKK 4.Deney 10 Titreşimli İttirme 1.Deney Kuru Yöntemiyle 50 6,5 42,8 10,5 47,7 Yapılan 2.Deney 48,9 Titreşimli 1.Deney 85 Sıkıştırma 8 82 Yöntemiyle 2.Deney 92 Yapılan Zhang vd., (2013), taş kolonlarda parametre değişimlerinin oturmalara ne derece etkili olduklarını incelemişlerdir. Yapılan analiz sonuçlarına göre, ortamda gerilme oranı (taş kolona gelen yük / zemine gelen yük) artıkça oturmaların arttığını, zeminin kayma direnci açısı, kohezyonu ve taş kolonların elastisite modülü arttıkça oturmaların azaldığını belirtmişlerdir. Jeludin vd., (2015) Laboratuvar ortamında, titreşimli ittirme yöntemine göre yapılan tekil ve grup taş kolonların yük altındaki davranışlarını incelemişlerdir. 40 mm çapındaki tekil taş kolonlar ile 18 mm çapındaki 5 adet grup taş kolonları, 300 mm çapında 400 mm yüksekliğindeki kaolin kil tank içerisine yerleştirerek, farklı L/D (kolon yüksekliği / kolon çapı), oranına göre yük altındaki davranışlarını incelemişlerdir. Yüzen taş kolonlar, aynı oturma miktarında rijit tabana oturan kolonların daha fazla gerilme aldığını ve aynı alan oranına sahip (Taş kolon taban alanı / birim hücre etki alanı), yüzen grup taş kolonların tekil taş kolonlara göre daha az oturma yaptıklarını belirtmişlerdir. Çekinmez ve Erol, (2015) laboratuvar ortamında, 41 cm çapında ve 38 cm yüksekliğinde tank içerisinde konsolide olmuş kaolin tipi kil içerisinde eşkenar üçgen dizilimine göre, 3 cm çapında 7 cm mesafeli ve 31 adet taş kolonun davranışlarını farklı basınçlar altında incelemişlerdir. Düşük drenajsız kayma direncine (cu), sahip killerde oturma azaltım oranı (taş kolon yapıldıktan sonraki oturma / taş kolon yapılmadan önceki oturma), daha efektif sonuçlar verdiğini ve yüksek drenajsız kayma direncine sahip killerde ise oturma azaltım oranı farklı basınçlar altında sabit olarak kaldığını belirtmişlerdir. Taş kolon uzunluğu artıkça oturmaların daha da azalacağını belirtmişlerdir. 8 2.1.2. Taş Kolonlar İlk defa 1930’ lu yıllarda Almanya’da ortaya çıkmış olup, Türkiye’de son 10 yıl içerisinde kullanılmaya başlanmıştır. Yumuşak killi, üniform kumlu ve siltli kumlu zeminlerde, zeminleri iyileştirmek için kullanılmaktadır. Bunların hassaslık derecesi 4’ ten büyük olan killi ve siltli zeminlerde kullanılması pek uygun olmamaktadır. Ülkemizde ilk defa taş kolon uygulaması zemin iyileştirme kapsamında kullanılmış olup, dane boyutu 10-100 mm arasında değişen ince dane oranı %5’ ten az olan ve ortamla kimyasal reaksiyona girmeyen doğal kırmataş malzemesi olarak kullanılmıştır (Durgunoğlu vd., 1992). Taş kolonlar zemin rijitliğini artırmak için yapılan diğer yöntemlere göre daha hızlı ve ekonomik olan zemin iyileştirme yöntemidir. Zemine gelen üstyapı yüklerinin bir kısmını karşılar ve ortamda taşıma gücünü ve kayma direncini artırır. Ayrıca toplam ve farklı oturmaları azaltır. Zeminde geçirimliliği artırarak dren gibi çalışır ve konsolidasyon süresini kısaltır. Deprem sırasında oluşan fazla boşluksuyu basınçlarını sönümler ve sıvılaşma riskinide azaltır (Selçuk, 2009). Drenajsız kayma direncinin 25 kPa’dan düşük olduğu yumuşak zeminlerde yüksek yoğunlukta taşların zaman içerisinde düşük yoğunluktaki kil içine dağılması durumu görülmektedir. Bu duruma taş göçü denilmektedir. Taş göçü durumunda, zemin taş kolonları yutabilmekte ve sıvılaşma riskinide artırabilmektedir. Bunu önlemek için taş kolonlar, çimento enjeksiyonu ile takviye edilmelidirler (Önalp ve Sert, 2010). Farklı tekniklerle yapılan taş kolon yöntemleri, titreşimli kompaksiyon, titreşimli ittirme ve titreşimli kum kazık yöntemleri olarak sınıflandırılırlar. 2.1.2.1. Taş Kolon Yapım Yöntemleri 2.1.2.1.1. Titreşimli Kompaksiyon (Vibro Compaction) İlk defa 1930’lu yıllarda Almanya’da ortaya çıkmış olup, 1940 yılında Amerika’da yapının taşıma gücünü artırmak ve oturmaları azaltmak amacıyla kullanılmıştır. Bu yöntem ince dane yüzdesinin %15-20’den az olduğu ortamlarda, bağıl birim hacim ağırlığın (Dr), %50’den az olduğu ve Standart Penetrasyon Sayısı’nın (SPT), 20’den düşük olduğu iri daneli zeminlerde kullanılmaktadır. Zemine 0,45 m çaplı basınçlı su veya hava verilerek sonda 1-2 m/dak hızla zemine istenilen derinliğe kadar indirilir. Su basıncı veya hava burada kesilir, vibratör çalıştırılır, daha sonra çakıllar sondanın üst kısmından verilerek, sondanın yukarıya doğru kademeli olarak 0,5 m çekilmesiyle birlikte sıkıştırılarak zemin içinde taş kolon oluşturulur (Şekil 2.6). Zemin ortamında, bağıl birim hacim ağırlığı %55-%90 oranına kadar artırabilmektedir. 9 Şekil 2.6 Titreşimli Kompaksiyon Yöntemi Taş kolonlar 100 cm çapa kadar yapılabilmekte olup, taş kolonlar arası merkezden merkeze açıklık 1,5- 3,6 m arasında değişmektedir. Bu yöntemde taş kolonların yerleşimi tekil, sürekli ve yayılı temeller için kare (Şekil 2.7a) veya üçgen şeklinde (Şekil 2.7b) daha uygun olurken, daha geniş açıklıklı temellerde ise altıgen yerleşim de yapılabilmektedir. (a) Kare Yerleşim Planı (b) Üçgen Yerleşim Planı Şekil 2.7 Temel Altında Taşkolon Yerleşim Planı 2.1.2.1.2. Titreşimli İttirme (Vibro-Replacement) Bu yöntemde titreşimli sonda zemine istenilen derinliğe kadar indirilmekte, sıkıştırma işlemi zemine verilecek taş ya da kumların sondanın yan boşluklarına ittirilmesiyle yapılan taş kolon oluşturma yöntemidir. Taş kolon oluşturulduktan sonra üzeri bir dolguyla kapatılabilmektedir. İnce daneli zeminlerde sıkıştırmaya başlanılmadan önce 1 m’ lik granüler dolgu yapılması öngörülmektedir. Y.A.S.S. altında yumuşak killerde etkili olmamaktadır. Titreşimli ittirme yöntemi, ıslak yöntem ve kuru yöntem olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Şekil 2.8‘ de titreşimli kompaksiyon ve titreşimli ittirme yöntemlerinin dane çapları aralıklarına göre uygulanabilirliği verilmiştir. Buna göre titreşimli ittirme (Vibro- 10 Replacement) killi ve siltli zeminlerde etkili olurken titreşimli kompaksiyon (Vibro Compaction) ise daha çok kumlu ve çakıllı zeminlerde etkili olmaktadır. Şekil 2.8 Titreşimli İttirme ve Titreşimli Sıkıştırma Yöntemleri Zemin Tipine Göre Uygulanabilirliği (Moseley ve Kirsch, 2004) 2.1.2.1.2.1. Titreşimli İttirme Islak Yöntem (Üstten Beslemeli) Bu yöntemde delik zeminde istenilen derinliğe kadar su jeti probuyla örselenip açılmaktadır. Prob üstünden 12-75 mm boyutlarındaki kırmataşlar 0,3-1,2 m aralıklarla elektrikli vibratörlerle zemin içine itilmektedir (Şekil 2.9). Bu yöntem genellikle geçirimliliği az olan yumuşak killi zeminlerde, kohezyon değeri 15-20 kPa arasında değişen zeminlerde etkili olmaktadır (Greenwood ve Kirsch, 1983). Bu yöntemin olumsuz yanı işlemde çok su kullanılmasıdır. Bu sebeple yeterli miktarda su bulunmalıdır. Taş kolon yapımıyla beraber su jetine kil ve silt karışabilmektedir. Kil ve siltlerin taş kolonların arasına sızması önlenmelidir. Şekil 2.9 Titreşimli İttirme (Islak Yöntem) Taş Kolon Uygulaması 11 2.1.2.1.2.2. Titreşimli İttirme Kuru Yöntem (Alttan Beslemeli) Bu yöntemde prob istenilen derinliğe indirilerek zemini kuru olarak örselemektedir. Zeminde örselenerek delik açıldıktan sonra probtan kırmataş malzemeleri indirilerek, probun çekilmesiyle birlikte vibratörle malzemeler kademeli olarak yerleştirilmektedir (Şekil 2.10). Bu yöntem drenajsız kayma direnci 30-60 kPa arasında değişen zeminlerde etkili olmaktadır (Greenwood ve Kirsch, 1983). Yöntemde su kullanılmadığı için ıslak yönteme göre daha temiz ve çevrecidir. Probun zemine yapışmaması için hava jeti verilerek çıkartılabilir. Jeludin vd. (2015), tekil ve grup taş kolonları üstten beslemeli ve alttan beslemeli titreşimli ittirme yöntemine göre yapılan yük altındaki davranışlarını laboratuvar ortamında incelemişlerdir. Alttan beslemeli titreşimli ittirme yöntemiyle yapılan taş kolonların aynı yük altında üstten beslemeli titreşimli ittirme yöntemiyle yapılan taş kolonlardan daha az oturma yaptıklarını gözlemlemişlerdir. Şekil 2.10 Titreşimli İttirme Kuru Yöntem Taş Kolon Uygulaması 2.1.2.1.3. Titreşimli Kum Kazık Yöntemi (Vibro Composer) Japonya’da yaygın olarak kullanılan bu yöntem, yumuşak killi zeminlerin olduğu ve yeraltı su seviyesinin yüksek seviyelerde olduğu yerlerde kullanılan bir yöntemdir. Şekil 2.11’ de görüldüğü gibi, titreşimli olarak zemine istenilen seviyeye indirilen içi boş sondaya kum doldurulduktan sonra sonda ucundaki kapak açılarak, sonda yukarıya doğru çekilirken, titreşimli şekilde kum zemine sıkıştırılarak, kolon oluşturulmaktadır. 12 Şekil 2.11 Titreşimli Kum Kazık Yöntemi (Aboshi ve Suematsu, 1985) 2.1.2.2. Taş Kolonlarda Birim Hücre Kavramı Birim hücre kavramı Şekil 2.12’ de görüldüğü gibi zemin ve taş kolonu birlikte kapsayan kolonun etki alanını düzgün altıgen olarak oluşturan, ve bu düzgün altıgenle aynı alana sahip olan De eşdeğer çaplı daireyi ele almaktadır. Taş kolon zeminde ve rijit bir tabakaya oturduğu varsayılmaktadır. Birim hücre kavramına göre rijit kolonlarla iyileştirilen zeminde dış toplam yük (σ), uygulanırsa bunun bir kısmını taş kolon (σc), bir kısmınıda zemin (σs), karşılamaktadır. Şekil 2.12 Birim Hücre Kavramı (Barksdale ve Bachus, 1983) 13 Burada, D : Taş kolon çapı, D : Eşdeğer dairenin efektif çapı, e L : Birim hücrenin boyu, σ : Taş kolona gelen gerilme, c σ : Zemine gelen gerilme, s dir. Efektif daire çapı, üçgen ve kare yerleşim planına göre değişmektedir. De 1,05s (Üçgen yerleşim) ....................................................................... (2.1) De 1,13s Kare yerleşim ............................................................................ (2.2) Burada, s taş kolonların merkezi arasındaki uzaklıktır. Şekil 2.13’ de bu iki gerilme oranına (σc/σs), gerilme yoğunlaşma oranı (ns), denir (Formül 2.3). Bu yönteme göre taş kolonlar ve zemin eşit miktarda oturma yapmaktadır. σc σ σs Şekil 2.13 Taş Kolon Zemin Yük Paylaşımı (Bergado vd., 1996) σ ns  c ......................................................................................................... (2.3) σs Yük paylaşımı toplam gerilme cinsinden yazdığımızda Formül 2.4 elde edilir. 14 A A σ = σ c + σ s = σ a + σ (1- a ) ............................................................ (2.4) c s c r s r A A Burada, A : Taş kolon kesit alanı, c A : Birim hücredeki zeminin alanı, s A : Birim hücre etki alanı, ar : Alan oranı olup, taş kolon taban alanının birim hücre etki alanına oranı, olarak tanımlanmaktadır. 2 a r = 0,907 D/ s , (Üçgen yerleşim planı için) 2 a r = 0,783 D/ s , (Kare yerleşim planı için) Formül 2.3 ve Formül 2.4’ ü birleştirdiğimiz zaman, Formül 2.5 ve 2.6 elde edilir. n σ  s σ c  μcσ ........................................................................... (2.5) 1 ns 1a r σ σs   μsσ ............................................................................. (2.6) 1 ns 1a r Burada, μc : Taş kolon gerilme yoğunlaşma faktörü, μs : Zeminin gerilme yoğunlaşma faktörü, olarak belirtilir. Munfakh, (1984) taş kolonlar hemen yapıldıktan sonra, gerilme yoğunlaşma oranının 2,5-3,5 arasında olduğunu konsolidasyon süreci tamamlandığında ise 4-5 aralığına yükseldiğini belirtmiştir. Choobbasti vd., (2011) gerilme yoğunlaşma oranının taş kolonlar arası mesafeye göre değişmekte olduğunu belirtmiştir (Şekil 2.14). 15 Taş Kolonlar Arası Mesafe (s) m Şekil 2.14 Gerilme Yoğunlaşma Oranı Değişimi (Choobbasti vd., 2011) 2.1.2.3. Taş Kolonlarda Göçme Mekanizması 2.1.2.3.1. Tekil Taş Kolonlarda Göçme Mekanizması Taş kolonlarda göçme mekanizması incelendiğinde, uzun sağlam tabakaya oturan ya da yüzen ve kritik derinliği geçen taş kolonlarda (kritik derinlik: kolon çapının 4 katından fazla olan derinlik) yenilme durumu şişme göçmesi şeklinde gözlenmektedir (Şekil 2.15a). Madhav, (2007) kritik yanal göçme derinliğini ((L/D)cr), taş kolon gerecinin kayma direnci açısına bağlı olarak (c), G/cu oranı cinsinden Şekil 2.16’ daki gibi ifade etmiştir. Bae vd., (2002) kritik yanal göçme derinliğinin 1,6D - 2,8D aralığında olduğu belirtmişlerdir. Rijit sağlam tabakaya oturan ve kritik derinlikten kısa olan taş kolonlarda yenilme genel göçme şeklinde oluşur (Şekil 2.15b). Rijit tabakaya oturmayan, kritik derinlik boyundan kısa ve yüzen taş kolonlarda ise zımbalama tipi göçme görülmektedir (Şekil 2.15c). 16 Gerilme Yoğunlaşma Oranı (ns) Şekil 2.15 Taş Kolonlarda Göçme Türleri (Barksdale ve Bachus, 1983) Tabakalı zeminde göçme durumu incelendiğinde, Şekil 2.17a ’da görülmek üzere rijit bir tabakaya oturan taş kolonda zayıf tabakanın üst bölgede olması durumunda göçme genel göçme olarak üst zayıf tabakada belirecektir. Şekil 2.17b ve 2.17c ‘lerde görülmek üzere üzere rijit bir tabakaya oturan taş kolonda zayıf zemin tabakasının kritik derinliğin altında bir bölgede olmasına bağlı olarak H/D (tabaka kalınlığı/kolon çapı), oranına göre göçme kabarma /şişme şeklinde zayıf tabaka içinde oluşmaktadır. Bu bölgede H/D1olduğu zaman kabarma miktarı az fakat H/D2 olduğu zaman kabarma miktarı daha belirgin olmaktadır. G/cu = 50  (˚) c Şekil 2.16 Kritik Yanal Şişme Yenilmesi Derinliği Değişimi (Madhav, 2007) 17 (L/D)cr Burada, L : Taş kolon boyu, D : Taş kolon çapı,  : Taş kolon kayma direnci açısı, c G : Zeminin kayma modülü, dür. Şekil 2.17 Tabakalı Zeminde Göçme Türleri (Barksdale ve Bachus, 1983) 2.1.2.3.2. Grup Taş Kolonlarda Göçme Türleri Wood vd. (2000), taş kolonlarda grup göçme türlerini laboratuvar ortamında incelemişlerdir. 760 mm çapındaki tank içine ince dane oranı % 60, kohezyon değeri 23 kPa olan, kaolin konularak kuvars mineralli, ortalama çapı (D50), 0,21 mm, kayma direnci açısı 30˚ olan kum ve bağıl birim hacim ağırlığı %50 olan çapları 5,5 ve 8,75 mm arasında değişen çeşitli aralıklarla kare yerleşim planına göre grup halinde yüzen kum kolonlar yapmışlardır. 300 mm çapında bir plaka ile 30 mm deformasyon oluşuncaya kadar yüklemeye devam etmişlerdir. Şekil 2.18’ de farklı L/D0, ar ve D değerlerine sahip grup taş kolonlardaki yenilme durumları görülmektedir. Şekil 2.18c ve 2.18d’ de uzun A kolonlarında Şekil 2.19a’ daki gibi şişme yenilmesi görülmektedir. Şekil 2.18b’ de ise B kolonunda düşey yükün yatay yükten fazla olmasından ötürü Şekil 2.19b’ deki gibi yenilme durumu kayma yüzeyi oluşarak görülmektedir. Şekil 2.18d’ de ise ince ve birbirine daha yakın kazık gruplarında yatay itkilerin artması sonucu Şekil 2.19e’ deki gibi kazık grupları yatay yüklenmiş kazık davranışı göstermektedir. 18 Şekil 2.18a ve 2.18b’ de kısa kazıklarda Şekil 2.19c’ deki gibi kolonlar farklı oranlarda zemine batma eğilimi gösterirken Şekil 2.18c ve 2.18d’ de ise uzun kolonlar Şekil 2.19d’deki gibi farklı oturmaları kontrol eden davranışları göstermiştir. Gerçek Kolon Çizgisi (a) (b) (c) (d) Şekil 2.18 Grup taş Kolonlarda Yenilme (Wood vd., 2000) a L/ D0 = 2, a r = %24, D = 5,5 mm; b L/ D0 = 2, a r = %30, D = 8,75 mm ; c L/ D0 = 3,4, a r = %24, D = 8,75 mm; d L/ D0 = 3,2, a r = %24, D = 5,5 mm Burada, L : Taş kolon boyutu, D0 : Temelin çapı, ( D0 = 100 mm) D : Taş kolonun çapı, dır. 19 (a) (b) Şişme Kayma Yüzeyi (c) (d) Kısa Kolonlarda Farklı Oturmalar Uzun kolonlar farklı oturrmaları kontrol eder (e) Yanal Yüklenmiş Kazık Davran ışı Şekil 2.19 Grup Taş Kolonlarda Yenilme Tipleri (Wood vd., 2000) Hint standartında, (2003) grup halinde yapılacak taş kolonlar arası mesafenin şantiye şartlarına bağlı olarak; üst yapı yükleri, kolon faktörleri ve izin verilebilir oturma durumlarına göre değişmekte olduğu belirtilmiştir. Bu standarta göre, taş kolonlar yapılırken kolon çapının 2-3 katı kadar kolonlararası mesafe bırakılmaktadır. Tan vd. (2014), grup taş kolonlarda, sonlu elemanlar üzerinde yaptıkları çalışmalarda, grup taş kolonlarda alan oranı artıkça, taş kolonlar arasındaki plastik yenilme bölgesinin alanında azalmalar olacağını belirtmişlerdir. Yüksek alan oranlarında yük transferinin daha iyi olacağı ve buda oturmaların azaldığı optimum taş kolon boylarını artıracağı tespitini yapmışlardır. 20 2.1.2.4. Taş Kolonlarda Taşıma Gücü 2.1.2.4.1. Tekil Taş Kolonlarda Taşıma Gücü Tekil bir taş kolonun killi bir zeminde emniyetli taşıma gücü (qa), Formül 2.7’ deki gibi bulunmaktadır : 25 c q  u ................................................................................................... (2.7) a GS Burada, GS yaklaşık olarak 3 alınmaktadır (Mitchell, 1982). Tekil bir taş kolona gelen yükleme sonucunda eğer taş kolon yeteri kadar uzunsa (çapın 4 katı kadar) üst yapı yüklemelerinden ötürü taş kolonda yanal şişme göçme türü görülmektedir (Şekil 2.20). Bundan dolayı yanal çevre gerilmesi (σ3), pasif direnç olarak çalışarak, kolonun sınır taşıma gücü (qd), kolonun pasif toprak basıncı katsayısı (Kp), ile Formül 2.8’ deki gibi ifade edilir.  1 sin  q  σ K  σ c  ......................................................................... (2.8) d 3 p 3  1 sinc  Şekil 2.20 Tekil Taş Kolonda Şişme Göçmesi (Barksdale ve Bachus, 1983) 21 Hughes ve Withers, (1974) tekil taş kolonlarda, şişme yenilmesini presiyometre deneyindeki yanal şişmeyle ifade ederek, çevre gerilmesini Formül 2.9’ daki gibi bulmuşlardır.  E  σ3  σ s r0  cu 1 ln  .................................................................. (2.9)  2 cu 1 ν Burada, σr0 : Toplam radyal gerilme, Es : Zeminin elastisite modülü, ν : Zeminin poisson oranı, olarak tanımlanır. Tekil taş kolonun sınır taşıma gücü Formül 2.10’ daki gibi bulunur.   E   1 sin  qd  σ3 Kp  σr0  cu 1 ln s c    ........................... (2.10)    2 cu 1 ν    1 sinc  Vesic, (1972) sınır çevre gerilmesini, sürtünmeli kohezyonlu içi boş silindirik genel gerilme teorisine göre ifade etmiştir. İçi boş olan silindirin sonsuz uzun olduğu varsayarak, zemininde elastik yada plastik olduğunu varsaymaktadır. Sınır yanal gerilme, Formül 2.11’ deki gibi bulunmaktadır. Carvajal vd., (2013) titreşimli kompaksiyonla yapılan taş kolonlarda içi boş silindirik genel gerilme teorisine göre siltli kumlu ve killi zeminlerde arazi yükleme deney sonucuna göre, teorik hesaplamalarla ve sonlu elemanlar yöntemine göre analiz ederek aşırı boşluk suyu basınçlarının oluşumunu incelemişlerdir. Bu çalışmaya göre taş kolonlar yapıldıktan sonra, taş kolon yatay eksen uzaklığına bağlı olarak arazide piyazometrelerle ölçüm sonucunda aşırı boşluksuyu basınçlarının oluştuğunu ve yatay gerilmelerin arttığını belirtmişlerdir. Taş kolonlar yapıldıktan 5 saat sonra arazide piyazometre ölçümlerine göre aşırı boşluk suyu basınçlarının sönümlendiğini ve ortamın rijitliğinin artığını belirtmişlerdir. Aşırı boşluk suyu basınçlarını arazide ölçerek, teorik hesaplamalar sonucu ve sonlu elemanlar yöntemine görede analiz edilerek sonuçların birbirine uyumlu olduğunu belirtmişlerdir. σ3  cu Fc΄σort Fq΄................................................................................... (2.11) 22 Burada, σ : Şişme yenilmesi bölgesindeki ortalama gerilme, ort Fc ́ve Fq΄ : Boşluk genleşme faktörleri, dir. Boşluk genleşme faktörleri Şekil 2.21‘ daki zeminin kayma direnci açısına (s), bağlı olarak bulunur. Fq΄ Fc΄ s ( ˚ ) s ( ˚ ) Şekil 2.21 Boşluk Genleşme Faktörleri (Vesic, 1972) Burada, Rijitlik endeksi ( Ir ), Formül 2.12’ deki gibi bulunmaktadır. E Ir  s ........................................................................ (2.12) 2 1 νcσort tans  23 Burada, Es : Kolon çevresindeki zeminin elastisite modülü, c : Kolon etrafındaki zeminin kohezyonu, σ : Şişme yenilmesi bölgesindeki ortalama gerilme, ort  : Zeminin kayma direnci açısı, s olarak ifade edilir. Çevre gerilmesi Formül 2.11 cinsinden ifade edildiğinde taş kolonun sınır taşıma gücü Formül 2.13’ teki gibi bulunmaktadır. 1 sin q  c Fc ́ σ Fq ́ c ................................................................ (2.13) d ort 1 sinc Brauns, (1978) tekil taş kolonda, drenajsız ortamda taşıma gücünü üç eksenli basınç gerilmesi cinsinden Şekil 2.22 ‘deki gibi ifade etmiştir. qd cu L D Şekil 2.22 Tekil Taş Kolonda Yenilme (Brauns, 1978) 24 Burada, q : Yayılı yükü, σ : Toplam radyal gerilme, r0 h y : Göçme derinliği, L : Taş kolonun toplam uzunluğu, δp : Taş kolonda kayma yüzeyi açısı, δ : Taş kolonla iyileştirilmiş zeminde kayma yüzeyi açısı, D : Taş kolonun çapı, olarak ifade edilir. Taş kolonda, kayma yüzeyi açısı taş kolon kayma direnci açısı cinsinden Formül 2.14’ deki gibi bulunur. δp  45  c / 2 ........................................................................................ (2.14) Göçme derinliği, Formül 2.15’ deki gibi bulunur. hy  D tanδp ............................................................................................. (2.15) Toplam radyal gerime Formül 2.16’ daki gibi bulunur.  2 c   tanδp  σr0  u q   1  ................................................................... (2.16)  sin2δ   tanδ  Sınır taşıma gücü Formül 2.17’ deki gibi bulunur.  2 c  tanδp  qd  q  u 1  tan 2δp .......................................................... (2.17)  sin2δ  tanδ  Burada, taş kolonla iyileştirilmiş zemindeki kayma yüzeyi açısı (δ), Formül 2.18’ deki gibi bulunur. 25 tanδ  tan2δ 1  2tanδp .............................................................................. (2.18) 2.1.2.4.2. Kısa Tekil Taş Kolonlarda Taşıma Gücü Kısa tekil taş kolonlar kolon çapının 3-4 katından daha kısa olan kolonlar olarak ele alınmaktadır. Uzun taş kolonlardaki gibi şişme yenilmesi görülmemektedir. Kısa taş kolonlarda alttaki zemin tipine göre genel, yerel ve zımbalama tipi göçme durumları görülmektedir. Madhav ve Vitkar, (1978) sürtünmesiz zeminde hendekler açarak bunları granüler malzeme doldurup şerit temel gibi çözüm yaparak, Formül 2.19’ daki gibi sınır taşıma gücünü bulmuşlardır. ρ B qd  N  cu Nc Df ρ Nq ............................................................. (2.19) 2 Burada, ρ : Zeminin birim hacim ağırlığı, B : Taş kolon üzerindeki yayılı yükün genişliği, D : Temel gömme derinliği, f olmaktadır. Nc, Nq ve Nγ : Taşıma gücü katsayıları olup, Şekil 2.23’ teki gibi bulunmaktadır. 26 Nγ Nc D/B D/B Nc Nq D/B D/B Şekil 2.23 Taşıma Gücü Katsayıları (Madhav ve Vitkar, 1978) Burada, c : Taş kolonun kayma direnci açısı, D : Taş kolonların çapı, c1 : Taş kolonun kohezyon değeri, c : Zeminin kohezyon değeri, dir. 27 2.1.2.4.3. Hint Standartına Göre Tekil Taş Kolonlarda Taşıma Yükü’nün Bulunması Hint Standartında tekil taş kolonların emniyetli taşıma yükü (Qa), Formül 2.20’ deki gibi 3 bileşene ayrılmaktadır. Qa  Qa1  Qa2 Qa3 ................................................................................ (2.20) Burada, Qa1 : Taş kolonun radyal genişlemesinden dolayı oluşan emniyetli taşıma yüküdür. Qa2 : Sürşarj yüklemesinden dolayı oluşan yanal gerilme artışının neden olduğu emniyetli taşıma yüküdür. Qa3 : Zeminin emniyetli taşıma yüküdür. 2.1.2.4.3.1. Radyal Genişlemeden Dolayı Oluşan Emniyetli Taşıma Yükü (Qa1) Tekil taş kolonda radyal genişlemeden dolayı oluşan emniyetli taşıma yükü Formül 2.21 ‘deki gibi bulunmaktadır. Qa1  qd π D2 / 4 / GS .......................................................................... (2.21) GS yaklaşık olarak 2 alınmaktadır. qd  σ3 x Kp ............................................................................................. (2.22) Formül 2.22’ de 3 : Yanal çevre gerilme, σ3 = σh0 + 4cu σh0 : Sükunet durumunda yanal gerilme, σh0 = σ0 ́K0 K0 : Sükunet durumundaki yatay toprak basıncı katsayısı, (K0 = 1-sins ) σ0 ΄ : Düşey efektif gerilme, σ0 ́=  2D olarak alınır. olarak belirtilir. 28 2.1.2.4.3.2. Sürşarj Yüklemesinden Dolayı Oluşan Yanal Gerilme Artışının Neden Olduğu Emniyetli Taşıma Yükü (Qa2) Tekil taş kolonda sürşarj yüklemesinden dolayı oluşan yanal gerilme artışının neden olduğu emniyetli taşıma yükü Formül 2.23’ teki gibi bulunmaktadır. Qa 2  Kp Δσr0 Ac  / 2 ............................................................................ (2.23) Burada, σr0 : Sürşarj etkisinden ötürü radyal gerilmedeki artış gerilmesi, σr 0 = qa / 3 x (1+2K0) 2.1.2.4.3.3. Zeminin Emniyetli Taşıma Yükü (Qa3) Zeminin emniyetli taşıma yükü Formül 2.24’ teki gibi bulunmaktadır. Qa3  qa Anet ............................................................................................ (2.24) qa : Zemindeki emniyetli taşıma gücü, qa = cuNc / 2,5 olarak bulunmaktadır. Anet : Zeminin net alanıdır. (Efektif alandan, taş kolon taban alanının çıkarılmasıyla bulunur.) 2 Taş kolonların üçgen yerleşim planı için efektif alan 0,866 s olarak bulunurken, kare 2 yerleşim planı için 1,0 s olarak bulunmaktadır. Burada s kolon merkezleri arasındaki mesafedir. A 2net = 0,866 s -  D2 / 4 Üçgen yerleşim planı içindir. A 2 2net = 1 s -  D / 4 Kare yerleşim planı içindir. 29 2.1.2.4.4. Grup Taş Kolonlarda Taşıma Gücü Grup taş kolonlarda, taşıma gücü hesabı yapılırken, Şekil 2.24’ te kare ve şerit temel yerleşim planına göre ele alındığında, göçme yüzeyi üçgen şeklinde olmaktadır. Grup taş kolonlarda iyileştirilen zeminler taş kolonla birlikte tek kompozit bir yapı alınarak ilgili parametreler Formül 2.25 ve Formül 2.26’ ya göre revize edilir. tancomp = c a r tanc ............................................................................... (2.25) ccomp  1a r  c ...................................................................................... (2.26) Burada, tanavr : Kompozit malzemenin kayma direnci açısının tanjantı, c : Taş kolon gerilme yoğunlaşma faktörü, (Formül 2.5’ deki gibi bulunur.) cavr : Kompozit malzemenin kohezyonu, c : Zeminin kohezyonu, olarak belirtilir. Grup taş kolonlarda sınır taşıma gücü sınır yanal gerilme ve kompozit malzemenin kayma direncine bağlı olarak Formül 2.27’ deki gibi bulunur. 2 qd  σ3  tanβ  2 cavr tanβ ................................................................. (2.27) Burada, β : Göçme yüzeyi kırılma açısıdır. Formül 2.28’ deki gibi bulunur. β  (45 + avr / 2) ......................................................................................... (2.28) Sınır yanal gerilme, Formül 2.29’ daki gibi bulunmaktadır. 30 ρsat B tanβσ   2c ............................................................................... (2.29) 3 u 2 Burada, ρsat : Doygun birim hacim ağırlık, B : Temel genişliği, olarak belirtilir. Bu yaklaşımda, kolonlarda şişme yenilmesi olmadığı varsayılarak, drenajsız kayma direncinin 30-40 kPa olduğu katı killer için geçerlidir (Bergado vd., 1994). Kare Yerleşim Planı Şerit Yerleşim Planı Göçme Yüzeyi Şekil 2.24 Grup Taş Kolonlarda Taşıma Gücü (Barksdale ve Bachus, 1983) 31 2.1.2.5. Taş Kolonlarda Oturma Hesabı 2.1.2.5.1. Greenwood ve Thomson (1984) Yöntemi Taş kolon yapıldıktan sonra ne kadar oturma miktarı yapacağını Greenwood ve Thomson (1984) yarı ampirik olarak Şekil 2.25’ te belirtmiştir. Şekil 2.25’ e göre yatayda A/Ac oranı ile drenajsız kayma direnci’nin kesiştiği yerden düşey düzlemde oturma iyileştirme faktörü (n), bulunarak oturma miktarı bulunur. n c (kPa) u A/ A c Şekil 2.25 Oturma Miktarı Bulunuşu (Greenwood ve Thomson, 1984) Burada, n : Oturma iyileştirme faktörü olup, taş kolon yapılmadan önceki oturmanın taş kolon yapıldıktan sonraki oturmaya oranı, olarak belirtilir. A ve Ac’nin nasıl bulunacağı Şekil 2.26 ‘da verilmiştir. Taş kolon taban alanı (Ac), genelde daire olurken, birim hücre etki alanı (A), üçgen yerleşim planına göre yapılınca düzgün altıgen, kare yerleşim planına göre yapılınca kare olmaktadır. Ac/A oranı Formül 2.30’daki gibi bulunmaktadır. 2 a r  Ac / A  k r / s ................................................................................ (2.30) 32 Burada, r : Taş kolon yarıçapı, s : Taş kolonların merkezleri arasındaki uzaklık, olarak belirtilir. k : Etki katsayısı olup, kare yerleşim planı için  , üçgen yerleşim planı için 2 / 3 alınır. Taş Kolon Alanı Ac Kare Yerleşim Planı Üçgen Yerleşim Planı Birim Hücre Etki Alanı A Şekil 2.26 Taş Kolon Etki Alanı (A) ve Taş Kolon Alanı (Ac) (Kosho, 2000) 2.1.2.5.2. Van Impe ve De Beer (1983) Yöntemi Bu yöntemde yumuşak bir kilde tekil bir taş kolon ele alınarak, taş kolon yapıldıktan sonra (St), ve yapılmadan önceki oturma (Sc), oranını, taş kolonun kayma direnci açısı ve zeminin poisson oranı (ν =1/3), cinsiden Şekil 2.27’ deki gibi ifade etmiştir. Şekil 2.27’ de Yatay eksende Ac/A oranı girilerek, taş kolon kayma direnci açısı kesiştiği noktadan düşey eksene geçilerek St / Sc oranı bulunmaktadır. Alan oranı, Formül 2.30’ daki gibi bulunmaktadır. 33 q/Es= 0,05 ν = 1/3 q/Es= 0,01 c St / Sc (%) Alan Oranı (ar) Şekil 2.27 Oturma Miktarı Bulunuşu (Van Impe ve De Beer, 1983) Burada, q : Dış yayılı yük, Es : Zeminin elastisite modülü, olarak belirtilir. 2.1.2.5.3. Van Impe ve Madhav (1992) Yöntemi Taş kolonlarla iyileştirilmiş, kompozit zeminde iyileştirmeden sonra ve iyileştirme öncesi oturma miktarını Van Impe ve Madhav, (1992) zemin kabarma açısı ve taş kolonun kayma direnci açısı cinsinden, taş kolon uzaklığına bağlı olarak Şekil 2.28’ deki gibi ifade etmiştir. 34 St / Sc r / D Şekil 2.28 İyileştirme Sonrası Oturma Miktarı Bulunuşu (Van Impe ve Madhav, 1992) Burada, r : Taş kolonun merkezinden uzaklığı D : Taş kolonun çapı,  : Zeminin kabarma açısı, olarak belirtilir. 2.1.2.5.4. Priebe (1995) Yöntemi Priebe, (1995) taş kolonlar için geliştirdiği oturma hesabı metodu için Şekil 2.29’ da görülmek üzere birim hücre prensibini kullanarak şu varsayımları ele almıştır : 1) Taş kolon rijit tabaka üzerine oturmaktadır. 2) Taş kolon rijit ve plastik olup sıkışmazdır. 35 3) Taş kolonla zemin eşit miktarda oturma yapmaktadır. 4) Dış yayılı yükün bir kısmını taş kolon karşılamakta, bir kısmınıda zemin karşılamaktadır. 5) Kolon rijit bir tabakaya oturduğu varsayılarak, zemindeki değişim taş kolonun yatay deformasyonundan kaynaklanmaktadır. σc σs L De Şekil 2.29 Birim Hücre (Barksdale ve Bachus, 1983) Tekil kolon için oturma hesaplanması yapılırken, iyileştirme faktörü’nden (n), yararlanılır. İyileştirme faktörü, taş kolon alanı birim hücre etki alanına göre ve taş kolunun kayma direnci açısına göre değişmektedir. İyileştirme Faktörü iyileştirme yapılmadan önceki oturmanın iyileştirme yapıldıktan sonraki oturmaya oranı olarak ifade edilir. Alan oranı Formül 2.31’ deki gibi bulunur. 2 Ac  r a r   k   ......................................................................................... (2.31) A  s  Burada, Ac : Taş kolon taban alanı, A : Toplam etki alanı, r : Taş kolon yarıçapı, s : Taş kolon merkezleri arası mesafe, olarak belirtilir. 36 k, katsayısı kare yerleşim planına göre  , üçgen yerleşim planına göre 2 / 3 alınır. Şekil 2.30’ da A/Ac oranına göre ve c’ ye göre iyileştirme katsayısının değişimi gösterilmektedir. Bu yöntemde, taş kolon yapımı sırasında zeminin örselenmesinden ötürü, kolon etrafındaki zeminin sıvı gibi davrandığı varsayılarak, yatay toprak basıncı katsayısı K=1, ve zeminin poisson oranıda 1/3 olarak kabul edilir. ν = 1/3 A / A c Şekil 2.30 Priebe Metodu İyileştirme Katsayısı Bulunuşu (Priebe, 1995) Grup taş kolonlar olması halinde grup taş kolonlardaki oturmayı Priebe (1995), tekil temel için ve şerit temel için oturma oran değişimi, kolon sayısı, kolon sıra sayısı ve kolon boyu- kolon çapı (L/D), oranına göre değişimi Şekil 2.31 ve Şekil 2.32’ de görülmektedir. L/D Şekil 2.31 Tekil Temel İçin Priebe Metodu Oturma Oranı Bulunuşu (Priebe, 1995) 37 𝐒 İyileştirme Faktörü (n) Oturma Oranı ( 𝟏 ) 𝐒∞ Taş Kolon Sayısı L/D Şekil 2.32 Şerit Temel İçin Priebe Metodu Oturma Oranı Bulunuşu (Priebe, 1995) Burada, S1 : İyileştirme sonrası toplam oturma, S : İyileştirme yapılmadan önceki toplam oturma, olarak belirtilir. Tan vd., (2014) Sonlu elemanlar yöntemine göre, grup taş kolonlar üzerinde yapmış oldukları çalışmalarda, grup taş kolonların 50, 100 ve 150 kPa yük altında farklı uzunluklardaki oturma iyileştirme faktörü alan oranı cinsinden Şekil 2.33’ teki gibi belirtmişlerdir. n ar Şekil 2.33 Grup Taş Kolonlarda Oturma (Tan vd., 2014) 38 𝐒 Oturma Oranı ( 𝟏 ) 𝐒∞Taş Kolon Sıra Sayısı 2.1.3. Darbeli Kırmataş Kolonlar (DKK) Darbeli kırmataş kolon yöntemi Amerika’da 1980’ li yıllarda Dr. Fox tarafından geliştirilen, Türkiye’ de ise son 10 yıl içerisinde kullanılması yaygınlaşan bir zemin iyileştirme yöntemidir. Diğer taş kolon yapım yöntemlerinden farklı olarak, granüler malzeme vurularak sıkıştırılır ve rijit bir kolon elde edilir. Bu yöntemde zemin ortamının taşıma gücünü artırarak, oturmaların azaltılması, deprem sırasında sıvılaşma riskinin azaltılması, dren gibi çalışarak konsolidasyon süresinin kısaltılması, yamaç ve şevlerde stabilitenin sağlanması, yüzeysel temellerin desteklenmesinde, döşeme plaklarının desteklenmesinde, dolguların, duvarların ve tankların stabilite çözümlerinde kullanılırlar. ® ® DKK, yöntemlerinden günümüzde en çok olarak kullanılan yöntemler, Geopier ve Impact ® DKK yöntemleridir. Diğer yöntemler DKK Kuyu yöntemi ve Rampact yöntemleridir. 2.1.3.1. DKK’ larda Kayma Direnci Açısı DKK elemanlarının granüler malzemesinin (kırmataşlar) kayma direnci açısı değişimini Fox ve Cowell, (1998) 30 inc (76,2 cm) çapındaki DKK kolonunda, laboratuvar ortamında kesme deneyinde değişimini incelemişlerdir. Şekil 2.34’ te görülmek üzere kırmataşların kötü ve iyi derecelenmesine göre kayma direnci açılarının değişimi 49-52˚ arasında değişmektedir. c= 52˚ c= 49˚ Normal Gerilme (σ) kPa Şekil 2.34 DKK ‘larda Kayma Direnci Açısı Değişimi (Fox ve Cowell, 1998) 39 Kayma Gerilmesi (τ) kPa White, (2001) Iowa Üniversitesinde DKK ‘ların kayma direnci açısını üç eksenli basınç deneyinde incelemiştir. Sıkıştırılan kırmataşlar üzerinde yapılan üç eksenli basınç deneyine kayma direnci açısını 51˚ olarak bulmuştur. Sıkıştırma sırasında yüksek enerjiler ele edildiği için ve yanal gerilmeler artığından dolayı kayma direnci açısı yüksek bulunmuştur. 2.1.3.2. DKK Yapım Yöntemleri 2.1.3.2.1. DKK Kuyu Yöntemi Bu yöntem Datye ve Nagaraju, (1975) tarafından geliştirilmiş olup, açılan kuyuya kırmataşlar konulup, 15-20 kN ağırlığındaki bir tokmağın, 1-1,5 m yüksekten kırmataşlara vurularak, sıkıştıran yöntemdir (Şekil 2.35). Bu yöntem titreşimli ittirme ve titreşimli sıkıştırma yöntemlerine göre daha ekonomik ve daha yüksek taşıma kapasitesi sunmaktadır. Ancak bu yöntem kuyu derinliğinin 12-15 m’ den fazla olduğu zaman çok yavaş olup ekonomik çözümler vermemektedir. Şekil 2.35 DKK Kuyu Yöntemi (Datye ve Nagaraju, 1975) 40 ® 2.1.3.2.2. Geopier Yöntemi (GP3) ® Geopier yöntemi Şekil 2.36’ da görülmek üzere, muhafaza borusu (a), burgu makinası (b), yükleyici (c) ve tokmak olmak üzere 4 ekipmandan oluşmaktadır. Bu yöntem elverişsiz zemin koşullarının olduğu iyileştirmeye uygun, yumuşak, katı killi ve siltli zeminler, gevşek ve sıkı kumlu zeminler ve organik siltli turba zeminlerde özellikle mevcut zeminin kazılıp yerine daha iyi zemin dolgularının yapılabileceği durumlar için uygun yöntemdir. Şekil 2.36 Geopier Sistemi Ekipmanları ® Geopier yönteminde Şekil 2.37’de görülmek üzere, zeminde istenilen derinliğe kadar 76 cm delgi ile sondaj açılır (1), iyi derecelenmiş 5-15 cm dane boyutlu 46 cm kalınlığında granüler malzeme yerleştirilip (2), bir plaka ile vurularak, (3) kademeli olarak 30 cm kalınlığında oluşacak şekilde zemin yüzeyine kadar tabakalarla sıkıştırılır.(4) Kolon boyları 2-8 m arasında değişmekte olup, 8,5 m’ ye kadar kolon boyları yapılmaktadır. Kırmataş malzemesi olarak, geri dönüşümlü beton agregaları kullanılabilmektedir. Orta yumuşaklıkta zeminlerde granüler malzeme olarak kumda kullanılabilmektedir. Ortamda taşıma gücünü 480 kPa’a kadar artırabilmektedir. Günde ortalama 30-50 kolon yapılabilmektedir. Sıkıştırmadan dolayı kolon çevresinde yanal gerilmeleri artırır. ® Şekil 2.37 Geopier Yöntemi 41 ® 2.1.3.2.3. Impact Yöntemi ® Impact yöntemi Şekil 2.38’de verildiği gibi (a) Impact makinesi, (b) yükleyici hazne (c) ve (d) mandrel olmak üzere 4 ekipmandan oluşmaktadır. Bu yöntem elverişsiz zemin koşullarının olduğu iyileştirmeye uygun, yumuşak, katı killi ve siltli zeminler, gevşek ve sıkı kumlu zeminler ve organik siltli turba zeminlerde özellikle mevcut zeminin kazılıp yerine daha iyi zemin dolgularının yapılabileceği durumlar için uygun yöntemdir. ® Şekil 2.38 Impact Sistemi ® ® Geopier yönteminden sonra geliştirilen Impact yönteminde zemine 36 cm çaplı mandrel istenilen derinliğe indirilerek, içine iyi derecelenmiş doğal kırmataşlar doldurulur, daha sonra mandrel 1 m yukarı kaldırılır 67 cm aşağıya indirilerek, tokmakla kırmataşlar sıkıştırılır. Sıkıştırma sonucunda 36 cm olan çap değeri 50 cm olarak 33 cm’ lik tabaka kalınlığı elde edilir. Kademeli olarak bu işlem zemin yüzeyine kadar devam eder, her kademede 50 cm’lik kolon çapları ve 33 cm’lik tabaka kalınlığı oluşur (Şekil 2.39). Çok yumuşak killi zeminlerde granüler malzeme arasına betonda enjekte edilebilir. Bu yöntemde kullanılan kırmataş malzemelerinin boyutları minimum 13 mm maksimum 38 mm arasında değişmektedir. Kolon boyutları minimum 3 m, maksimum 18 m’ ye kadar olabilmektedir. Yapım sırasında, muhafaza borusu gerektirmeyen bir yöntem olup, yeraltı su seviyesinin altındaki bölgelerde de uygulanabilmektedir. Günde ortalama 40-100 kolon yapılabilmektedir. Hızlı yapılan bu yöntem derin temel sistemlerine göre %20-50 daha ekonomiktir. 42 ® Şekil 2.39 Impact Yöntemi ® Tablo 2.4.’ de örnek bir projede Delme Kazık, Jet Grout ve Impact DKK yöntemleri ® kıyaslanmıştır. Kıyaslanma sonucunda Impact DKK sistemlerinin diğer yöntemlerle aynı tasarım yükünde, daha az zamanda imal edilip daha ekonomik sonuçlar verdiği görülmektedir. ® Tablo 2.4. Impact DKK, Delme Kazık ve Jet Grout Yöntemlerinin Örnek Bir Projede Kıyaslanması (Geopier Foundation Company) ® Impact Delme Kazık Jet Grout DKK Çap (cm) 80 60 50 Boy (m) 36 30 14 Tekil Elemanın Emniyetli Taşıma 100 ton 36 ton 22 ton Yükü 2 2 2 Tasarım Gerilmesi 10 t/m 10 t/m 10 t/m Oturma Miktarı 5-10 mm 3-4 cm 5-6 cm Karelaj (m) 3,2 x 3,2 1,9 x 1,9 1,5 x 1,5 Kullanılan Malzeme Beton ve Çelik Çimento Kırmataş Proje Süresi 50 gün 40 gün 30 gün Toplam Metraj 3600 metre 8400 metre 6300 metre Proje Bedeli % 100 % 52 % 36 43 ® 2.1.3.2.4. Rampact Yöntemi ® Rampact sistemi Türkiye’de henüz kullanılmamakla birlikte, diğer yöntemlere göre daha kısa kolonlar elde edilen yöntemdir. Günde ortalama 40-60 kolon yapılabilmektedir. Kolon boyları 8 m’ ye kadar olabilmektedir. Mandrel 4-7 m derinliğe kadar, zemine indirildikten sonra, mandrele yukarıdan kırmataş malzemeleri dökülerek, mandrel yukarıya doğru çekildikten sonra, granüler malzeme yukarıya doğru çekilerek, kuyu içine dolan granüler malzemeler bir tokmakla sıkıştırılarak DKK elde edilir. Kolon etrafında yanal gerilmeleri artırır, sığ temel altına ve döşeme plak temellerinin altına uygun olarak yapılmaktadır. ® ® ® Şekil 2.40’ da görüldüğü gibi, Geopier , Impact ve Rampact DKK yöntemlerinin zemin cinslerine göre uygulanabilirliği görülmektedir. 12 9 6 3 Kum Silt Kil Organik Zemin Tipi Şekil 2.40 DKK Yöntemlerinin Zemin Tipine Göre Uygulanabilirliği (Geopier Technical Workshop, 2014) 44 Derinlik (m) 2.1.3.3. DKK’larda Taşıma Gücü Hesabı Darbeli kırmataş kolonların (DKK) taşıma gücü irdelenirken, esas amaç zeminde oturmaları azaltmaktır. Şekil 2.41’ de DKK tarafından iyileştirilmemiş bir zeminde, taşıma gücünün aşılması durumunda göçme durumu görülmektedir. Şekil 2.41 Taşıma Gücünün Aşılması Durumu (Wissmann, 1999) DKK’larla iyileştirilmiş bir zemin ortamında tekil kolonda ve grup halindeki kolonlarda taşıma gücünün aşılması durumu Şekil 2.42’ de gösterilmiştir. (a) Tekil Kolonda Şişme (b) Tekil Kolon Ucunda Göçmesi Yenilmesi Kayma Göçmesi Yenilmesi (c) DKK Elemanlarının (d) DKK Elemanlarının Kayma Yenilmesi Ucunda Kayma Yenilmesi Şekil 2.42 DKK ile İyileştirilmiş Zeminde Yenilme Durumları (Wissmann, 1999) 45 2.1.3.3.1. Tekil Darbeli Kırmataş Kolonlarda Yanal Şişme Yenilmesi Tekil darbeli kırmataş kolonlarda (DKK) tekil taş kolonun yanal şişme yenilmesi Şekil 2.42a’ da ki gibi olmaktadır. Hughes ve Withers, (1974) kohezyonlu zemin için yanal şişmeden dolayı sınır taşıma gücü durumunu Formül 2.32’ deki gibi belirtmiştir. qd  σrL tan 2 45c / 2 .......................................................................... (2.32) Burada, σ : Kolonu çevreleyen sınır radyal gerilme, rL  : DKK kayma direnci açısı, c dır. Kolonu çevreleyen sınır radyal gerilme, Formül 2.33’ deki gibi bulunmaktadır.   E   σ  σ s .................................................... (2.33) rL r0  cu 1 ln      2 c  u 1 ν   Burada, σr0 : DKK yapıldıktan sonraki toplam radyal gerilme olup, kritik derinliğe (zc), kadarki pasif yanal gerilme ile boşluksuyu basıncının toplamına eşittir. Es : DKK’ larla iyileştirilmiş zeminin elastisite modülü, ν : DKK ve zemini kapsayan ortamın poisson oranı, olarak belirtilir. Formül 2.33’ de Es / cu = 200 ve ν = 0,5 kabulü yapıldığı zaman, Formül 2.34’ deki gibi sadeleştirilir: σ  2 σ ́ 5,2 c .................................................................................... (2.34) rL 0 u 46 Burada, σ0΄ : Kritik derinliğe kadarki düşey efektif gerilme, dir. Yanal şişme yenilmesinin en fazla olarak belireceği kritik derinlik (zc), DKK’ ların kayma direnci açısı, çapına ve temel gömme derinliğine bağlı olarak Formül 2.35’ deki gibi bulunur. zc  Df  D tan 45c / 2 .................................................................. (2.35) Formül 2.32 ve Formül 2.34 birleştirildiği zaman ve DKK kayma direnci açısı 50˚ alınınca, sınır taşıma gücü Formül 2.36’ daki gibi bulunmaktadır. qd  1 5,1 σ0 ́ 39,3cu ................................................................................. (2.36) 2.1.3.3.2. Tekil Darbeli Kırmataş Kolonlarda Kayma Yenilmesi Tekil darbeli kırmataş kolonlarda, kayma yenilmesi Şekil 2.42b’ deki gibidir. DKK ağırlığı ihmal edilerek, tekil DKK uygulanan toplam sınır yük (Qd), uç direnci (Qg), ve çevre sürtünme direnci (Qs), olmak üzere Formül 2.37’ deki gibi iki bileşene ayrılmaktadır. Q d  Qg  Qs ............................................................................................. (2.37) Formül 2.37’ yi daha ayrıntılı olarak ifade edersek, qd Ag  qg Ag  fs As ........................................................................... (2.38) elde edilir. Burada, Ag : Tekil DKK taban alanı, qg : Tekil DKK sınır uç direnci, fs : Kolon gövdesi boyunca ortalama birim çeper sürtünme direnci, 47 A : Tekil DKK zemin içinde kalan yanal alanı, s olarak ifade edilir. Formül 2.38 tekrar revize edilip düzenlendiğinde, sınır taşıma gücü Formül 2.39’ daki gibi elde edilir. Sınır taşıma gücü 1,5 gibi bir güvenlik sayısına bölünerek emniyetli taşıma gücü bulunur. qd  fs As  / Ag  qg  4 fs Ds Hs / D 2  q g ...................................... (2.39) Burada, H : DKK şaft uzunluğu, s Ds : DKK elemanları çekiçle sıkıştırıldıktan sonra oluşan şaft gövdesindeki çap değeri, D : DKK elemanları çekiçle vurulmadan önceki nominal kolon çapı, olarak ifade edilir. DKK şaft gövdesindeki yarıçap (ds), DKK nominal kolon yarıçapından (d), 3 inc (7,62 cm) daha fazladır. DKK uç taşıma gücü Terzahgi-Buisman ifadesiyle Formül 2.40’ daki gibi bulunur. qg  c Nc  0,5 Ds ρ N  σ0 ́Nq ........................................................... (2.40) Drenajsız durum için, Kolon gövdesi boyunca ortalama birim çeper sürtünme direnci ve ortalama drenajsız kayma direnci yaklaşık olarak birbirine eşit alınabilir. Bu durumda DKK uç taşıma gücü Formül 2.41’ daki gibi ifade edilir. qg  cu Nc ................................................................................................ (2.41) Burada Nc değeri çakma ve delme kazıklar için 9 alınırken, Formül 2.39 ve Formül 2.41 birleştirildiği zaman sınır taşıma gücü Formül 2.42’ deki gibi bulunur. qd  4 cu Ds H 2 s / D  9 cu ...................................................................... (2.42) 48 Drenajlı durum için, Kolon gövdesi boyunca ortalama birim çeper sürtünme direnci ortalama efektif düşey gerilme ve zeminin kayma direnci açısının tanjantı cinsinden Formül 2.43’ deki gibi ifade edilir.  Hs     fs  σ 2 s0ort ́tan s  Kp  Df   ρ tan s  tan 45  ................... (2.43)  2   2  Burada, 2 Kp : Zeminin pasif toprak basıncı katsayısı, (Kp = tan (45+s / 2)) olarak ifade edilir. 2.1.3.3.3. DKK ile İyileştirilen Zeminde Kayma Yenilmesi Darbeli kırmataş kolonlarla iyileştirilen zeminlerde kayma yenilme durumu Şekil 2.42c’ deki gibi görülmektedir. Göçme yüzeyi boyunca oluşacak kayma direnci, zeminin sürtünme direnci ve DKK sürtünme direncine bağlıdır. Kayma direnci parametreleri zemin ve DKK elemanınıda kapsayacak şekilde kompozit kayma direnci parametreleri Formül 2.44 ve 2.45’ daki gibi elde edilmektedir (Priebe, 1978).   tan1comp Ra x ns tan  c   1Ra x ns  tan   ....................... (2.44) s ccomp  1Ra x ns  c ............................................................................... (2.45) Burada, Ra : Alan oranı, (Formül 3.3’ teki gibi bulunur.) olarak ifade edilir. Alan oranının, 0,4 katsayısıyla çarpılıp alınmasının daha güvenli olacağı belirtilmektedir. Taşıma gücü Formül 2.40’ taki gibi Terzaghi-Buisman’ daki yöntemle hesaplanabilmektedir. Bu formülde Ds çap değeri yerine, B temel genişliği alınır. 2.1.3.3.4. DKK ile İyileşen Zeminlerde Uç Bölgesinde Kayma Yenilmesi Darbeli kırmataş kolonlarla iyileştirilen zeminlerde uç bölgesinde kayma yenilme durumu Şekil 2.42d’ deki gibi görülmektedir. DKK ile iyileştirilen zeminlerde gerilmenin 2:1 oranında dağılacağı ve alt ucundaki yenilme sınır taşıma gücü Formül 2.46 ‘daki gibi dir. 49  B x L  qbottom  qd   ...................................................... (2.46)   B Hs  x L  H s   Burada, qd : DKK alt bölge sınır taşıma gücü, qbottom : DKK ile iyileştirilmiş tabakanın alt ucundaki taşıma gücü, B ve L : Temel boyutları, H : DKK şaft uzunluğu, s olarak ifade edilir. DKK’larda taşıma gücü tahmini drenajlı ve drenajsız durum için Şekil 2.43 ve Şekil 2.44’ teki gibi zeminin kayma direnci açısı ve drenajsız kayma direncine bakılarak güvenli taşıma gücü tahmin edilebilmektedir. c (kPa)u Şekil 2.43 Drenajsız Durum İçin Taşıma Gücü Tahmini (Wissman, 1999) 50 Güvenli Taşıma Gücü (kPa)  (°) s Şekil 2.44 Drenajlı Durum İçin Taşıma Gücü Tahmini (Wissman, 1999) DKK’ grup halinde yapıldığında, üst yapı yükleri çok yüksek mertebede olduğunda, istenilen tasarım gerilmesi altında, öngörülen oturmaları elde edebilmek için DKK’ lar üzerine belli kalınlıkta granüler tabaka yapılabilmektedir. Üst yapılar bu granüler tabaka üzerine oturtularak, üst yapı yükleri rijit kolonlara daha güvenli şekilde aktarabilinmektedir. Granüler tabaka yapımı aynı zamanda toplam ve farklı oturmaları da kontrol edebilmekte ve zemin ortamında üniform oturma sağlayabilmektedir (Şekil 2.45). Şekil 2.45 Granüler Tabaka Altında DKK Davranışı 51 Güvenli Taşıma Gücü (kPa) Şekil 2.45‘ te granüler tabaka altında DKK’ ların yük aktarım mekanizması görülmektedir. Granüler tabaka yapılırken, granüler tabaka kalınlığı (t), Formül 2.47’ deki ifadeyle kontrol edilmektedir. tanβ x sD t  .................................................................................... (2.47) 2 Burada, β granüler tabakanın taş kolon üzerinde yenilme açısıdır. β genellikle 45˚ alınır. 2.1.3.4. DKK’ larda Oturma Hesabı Darbeli kırmataş kolonlarda oturma analizi yapılırken toplam oturma (ST), üst bölge oturması (SUZ), ve alt bölge oturması (SLZ), olarak üzere iki bileşene ayrılmaktadır (Formül 2.48). Üst bölge oturması iyileştirme yapılmış bölgenin oturması olup, alt bölge oturmasıda geleneksel oturma yaklaşımlarına göre bulunmaktadır (Şekil 2.46). ST  SUZ  SLZ ......................................................................................... (2.48) HUZ HLZ Şekil 2.46 DKK’larda Oturma Analizi (Fox ve Cowell, 1998) 52 Burada, B : Temel genişliği, 2B : Tekil temelde oturma analizi için etki derinliği, H : Üst bölge tabaka kalınlığı, UZ H : Alt bölge tabaka kalınlığı, LZ olarak ifade edilir. Şekil 2.47’ de görülmek üzere kare yada dikdörtgen temel için ve şerit temeller için oturma analizi için alt ve üst bölge toplam kalınlığının alınacak miktarı gösterilmiştir. Kare yada dikdörtgen temel için bu kalınlık temel genişliğinin, 2 katı iken (2B) şerit temellerde ise bu kalınlık temel genişliğinin 5 katı (5B) olarak alınır. Kare yada Dikdörtgen Şerit Temel Temel Şekil 2.47 Temel Tiplerine Göre Alt ve Üst Bölge Kalınlığı (Geopier Technical Workshop, 2014) 2.1.3.4.1. Üst Bölge Oturması Üst bölge oturmasında zemin ile kolonlar birlikte kompozit bir malzeme varsayılarak, aynı miktarda oturma yaptığı kabul edilmektedir. Birim hücre prensibine göre kolonlar zeminden daha fazla yük gerilmesi alacaktır. Şekil 2.48’ de kolon ve zeminlere gelen yük gerilmelerini ayrı ayrı kolonun ve zeminin rijitlik modülüne bölünmesiyle üst bölge oturması hesaplanmaktadır. Bu hesaplama yapılırken, Winkler hipotezine göre, kolunun ve zeminin ayrı rijitlikte yay olarak çalıştığı kabul edilmektedir. Böylece gerçekleşecek oturma Formül 2.49’ daki gibi hesaplanmaktadır. 53 SUZ  qg / k g  qm / km .......................................................................... (2.49) Burada, qg : Tekil DKK’ ya gelen gerilme, q : Zemine gelen gerilme, m k g ve k : Taş kolon ve zeminin rijitlik modülleri, m olarak ifade edilir. k k m m kg Şekil 2.48 DKK Üst Oturma Analizi (Fox vd., 1998) İyileştirilmiş bölgede (üst bölge) oturma analizi yapılması için öncelikle kuvvetler dengesinden net gerilme hesaplanmaktadır (Formül 2.50). ΣFv  q A  qgAg – qmAm  0 ............................................................. (2.50) Burada, q : Üst yapı gerilmesi, A : Temel alanı, 54 Ag : Taş kolon taban alanı, A : Zemin alanı, m olarak belirtilir. Taş kolona gelen net gerilme Formül 2.51’ deki gibi bulunur,  Rs  qg  q   .......................................................................... (2.51) Rs x Ra  Ra 1 Burada, Rs : Rijitlik oranı olup, DKK elemanın rijitliğinin zeminin rijitliğine oranıdır. olarak ifade edilir. Üst Bölge oturma hesabında, elastik oturma hesabı yapılırken Şekil 2.49’ da görüldüğü gibi farklı elastisite modüllerine sahip taş kolon (Eg), ve zemin (Em), için birlikte çalıştığı varsayılarak Formül 2.52’ deki gibi kompozit bir elastisite modülü (Ecomp), hesaplanır. Taş Kolon Zemin Şekil 2.49 Elastik Oturma Hesabı Ecomp  1Ra Em  Ra Eg .................................................................. (2.52) Üst bölgede, elastik oturma Formül 2.53’ teki gibi hesaplanır. SUZ  q I HUZ  / Ecomp ........................................................................... (2.53) 55 Burada, q : Temel taban basıncı, I : Etki faktörü, olarak belirtilir. 2.1.3.4.2. Alt Bölge Oturması Alt bölge oturması hesabı yapılırken, geleneksel oturma hesaplarından yararlanılır. Bu bölgede yük artışından ötürü zeminin elastik oturma ve konsolidasyon oturması yapıldığı belirtilir. Alt bölge, elastik oturma hesabı yapılırken Formül 2.54’ deki bağıntı kullanılarak elastik oturma bulunur. q I HLZ  SLZ  ........................................................................................ (2.54) E Burada, E : DKK alt bölgesindeki zeminin elastisite modülü, olarak belirtilir. Alt bölge için, konsolidasyon oturması normal konsolide zemin için Formül 2.55’ deki gibi hesaplanmaktadır.  1  σ ΄ σ  SLZ  cc   HLZ log 0   ........................................................ (2.55) 1 e0   σ0΄  Burada, cc : Sıkışma indisi, e0 : Zeminin ilk boşluk oranı, σ0΄ : Düşey efektif gerilme, σ : Alt bölge tabakasındaki gerilme artışı, olarak ifade edilir. 56 2.1.3.5. DKK’larda Kalite Kontrol DKK’larda yapılan kolonların imalata uygunluğunu belirlemek için bir takım kalite kontrol testleri yapılmaktadır. Bunlar; akış oranı testi, artan kırmataş hacim testi, kullanılan kırmataş hacim testi ve DKK yükleme testleridir (Wismann vd., 1999). Bu yöntemlere ilave olarak, uç dengeleme testi ve dinamik koni penetrasyon testi yapılmaktadır. 2.1.3.5.1. Akış Oranı Testi Zemin örsenelip delindikten sonra mandrelin istenilen zemin kotuna indirirken, içinden boşalan kırmataşların geçiş hızı testi amacıyla yapılmaktadır. Geçiş hızı mandrel kaldırılırken, 5 saniye için 30 cm kırmataş geçişi olmalıdır. Eğer geçiş hızı az yada mandrel içinde kırmataş sıkışmış ise akış hızlandırıcı kullanılabilmektedir. 2.1.3.5.2. Artan Kırmataş Hacim Testi Zemin örselenip delindikten sonra mandrel tarafından açılan delikte kullanılıp geriye kalan agregaların hacim kontrolü için yapılan testtir. Artan kırmataş hacmi zemine boşalan kırmataş konisinin hacmi olarak Formül 2.56’ daki gibi bulunmaktadır. 2 π h d taban  Vartan kırmataş  ............................................................................ (2.56) 12 Burada, d taban : Artan kırmataş konisinin taban çapı, h : Artan kırmataş konisinin yüksekliği, dir. 57 2.1.3.5.3. Kullanılan Kırmataş Hacim Testi Kullanılan kırmataş hacmi, DKK yapımında mandrele konulan kullanılan kırmataş taş hacmi ile DKK yapımından sonra kullanılmayan kırmataş hacmi farkına eşittir. 2.1.3.5.4. Uç Dengeleme Testi (BST) Uç Dengeleme testi ilk yapılan DKK katmanındaki sıkışmanın kontrolü için yapılan bir testtir. İlk uç katman yapılırken, belli bir yükseklik düzeyi referans seçilir ve 10 saniye boyunca sıkıştırma yapılır. Bu sıkışmanın 10 saniye içinde 1-2 inc (2,54- 5,08 cm) olması gerektiğini belirtmektedir. 2.1.3.5.5. Dinamik Koni Penetrasyon Testi (DCP) Dinamik Koni Penetrasyon testi, 20 mm çapında 60˚ açıya sahip, konik ucun 575 mm yükseklikten, elle 8 kg ağırlığındaki tokmağın kaldırıp düşürülmesiyle, batan miktarı darbe cinsinden (mm/darbe) veren arazi deney yöntemidir. Taş kolonlarda, 1,75 inc (4,445 cm) için vuruş sayısının 15’ ten fazla olması gerektiğini belirtmektedir. Eğer bu vuruş sayısı 15’ ten küçük ise, agregalar sıkıştırma sırasında daha fazla vurularak sıkıştırılmalı, agregaların nem kontrolü yapılmalı yada başka agrega çeşidi kullanılmalıdır. Bu test tekil taş kolonun 1/3’ünden fazlasını kapsayacak şekilde yapılmalı ayrıca proje başında 5 ardışık test yapılarak bu sonuçlar kıyaslanmalıdır. 2.1.3.5.6. DKK Yükleme Testi Yükleme testi, zemin ortamının karmaşık olmasından ötürü, gerçek arazide DKK’ların göstereceği performansları yerinde anlamak, taşıma güçlerini, yük altında yapacakları oturmaları ve kolon rijitliğini belirlemek amacıyla yapılmaktadır. Yükleme yapılırken ASTM D-1143 deney kuralları uygulanmaktadır. Yüklenecek DKK, tasarımda öngörülen gerilmenin %150’sine kadar yüklenmelidir. Yükleme sırasında taş kolon üzerindeki yük tasarım yükünün %112’nin dışında yükleme sırasında, oturma hızı 0,0254 cm/saat altında ise yükleme okumaları minimum 15 dakika maksimum 1 saat içinde okuma alınarak bir sonraki yük kademesine geçilecektir. Kolon üzerindeki yük tasarım yükünün %112’si ise ve oturma hızı 0,0254 cm/saat ise yükleme okumaları minimum 15 dakika maksimum 4 saat içinde okuma alınarak bir sonraki yükleme kademesine geçilecektir. Şekil 2.50’de yükleme sırasında yükleri ölçmek, plaka ve kolon altında okumaları almak için taban plakasına bağlanan demir çubuklar (tell-tale) görülmektedir. 58 Şekil 2.50 Taş Kolon Yükleme Düzeneği (Kurt, 2011) 2.1.3.6. DKK’ ların Taş Kolonlardan Üstünlükleri 1) Taş kolonlar doğal zeminden 2-5 kat, DKK ise doğal zeminden 10-40 kat daha rijittir. DKK sistemleri taş kolon sistemlerine göre 3-7 kat daha rijittir. 2) DKK sistemi yöntemleri kuru ve temiz yapılan bir süreçtir. Sahada elektrik ve su gibi yöntemlere ihtiyaç duyulmaz. 3) DKK sistemleri taş kolonlara göre daha az maliyetlidir. 4) Temiz ve çevreci yöntem olup taş kolonlara göre daha hızlı imal edilebilmektedir. 5) DKK sistemleri düşey darbeleme etkisiyle taş kolonlardan daha yüksek kesme dayanımına, kayma direnci açısına ve rijitliğe sahip olmaktadır. 6) Taş kolonlarda sadece düşey yönde sıkışma olurken, DKK’ larda ise hem düşey hemde yatay yönde sıkışma oluşarak, ortamda yatay gerilmeleride arttırmaktadır. 3. DARBELİ KIRMATAŞ KOLONLARDA HESAPLAMALAR Darbeli kırmataş kolonların kullanım amaçları ortamda oturmaları azaltmak ve taşıma gücünü artırmaktır. Buna paralel olarak bu bölümde temeller ve granüler tabaka altına uygulanan DKK’ ların taşıma gücü ve oturma miktarları hesaplanarak, DKK’ lar yapılmadan önce ve yapıldıktan sonraki oturma miktarları karşılaştırılarak sayısal sonuçlar irdelenmiştir. DKK’ larda bir diğer önemli konu, şaft uzunluğu boyunca oluşan maksimum pasif yatay gerilmeyi karşılayabilmelidirler. Yatay gerime kontrolünden sonra, şaft uzunluğunun DKK’ lara gelen kolon yükünü karşılayabilecek uzunlukta olmalıdır. Hesaplar, örnek modeller üzerinde EK- A’ da yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. 59 3.1. DKK’ larda Oturma Kontrolü ® 3.1.1. Temeller Altındaki Geopier DKK’ larda Oturma Miktarı Darbeli kırmataş kolonlarda oturma hesabı irdelenirken, ilk önce temel altında DKK şaft uzunluğu boyunca ortalama SPT-N sayısı alınarak, Tablo 3.1.’ deki gibi SPT-N sayılarına ® göre ilgili Geopier DKK’ larla iyileştirilmiş ortamdaki zemin tipine göre izin verilebilir ® taşıma gücü tekil DKK taşıma gücü (Qcell), ve Geopier DKK rijitlik modülü (kg), seçilir. Şaft ® uzunluğu genel olarak 8-14 feet (2,4-4,2 m) arasında seçilir. Geopier DKK’ ların kolon çapı 0,76 m olarak alınır. Ortalama SPT-N sayısına göre Tablo 3.1.’ den tasarım parametreleri seçimi yapıldıktan sonra, Formül 3.1’ den temel altındaki taş kolon adeti bulunur. N Taş kolon adeti    Qmax  /  Qcell  .............................................................. (3.1) Burada, Qmax : Üst yapıdan temele gelen maksimum düşey yük, Qcell : Taş kolon ve temelin taşıma kapasitesi, olarak ifade edilir. Taş kolon adeti bulunduktan sonra temel taban alanı (AT), Formül 3.2’ deki gibi bulunur. A T  Qmax / qa ............................................................................................ (3.2) Burada, qa : Tablo 3.1.’den bulunan izin verilebilir taşıma gücü, olarak ifade edilir. Temel alanı bulunduktan sonra temel boyutları B ve L temel alanına göre kare yada dikdörtgen temel olacak şekilde irdelenir. Temel boyutları B ve L irdelendikten sonra, alan oranı Formül 3.3’ teki gibi bulunur. Ra  Ag / AT ............................................................................................... (3.3) 60 Burada, Ag : Toplam taş kolonların taban alanı, AT : Temelin taban alanı, dır. Alan oranı bulunduktan sonra, rijitlik oranı Formül 3.4’ deki gibi bulunur. Rs  kg / km ................................................................................................ (3.4) Burada, ® kg : Geopier DKK rijitlik modülü, km : DKK’ larla iyileştirilen zeminin rijitlik modülü, olarak ifade edilir. Rijitlik oranı (Rs), DKK’ lar için 5-45 aralığında değişmektedir. Alan oranı (Ra), ve rijitlik oranı (Rs), bulunduktan sonra taş kolona gelen gerilme (qg), Formül 3.5’ teki gibi bulunur.  Rs  qg = q  .................................................................................. (3.5) Rs x Ra-Ra+1   Oturma analizi yapılırken toplam tabaka kalınlığı tekil temeller için temel genişliğinin, (2B) katı alınırken, şerit temeller için ise temel genişliğinin (5B) katı derinlik olarak alınmaktadır. Oturma analizi için toplam tabaka kalınlığı, üst bölge tabaka kalınlığı ve alt bölge kalınlığı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Üst bölge kalınlığı Formül 3.6’ daki gibi bulunur. HUZ  Hs  D ............................................................................................. (3.6) 61 ® Tablo 3.1. 0,76 m Çap İçin Geopier DKK Tasarım Parametreleri (Geopier Technical Workshop, 2014) Kum ve Kumlu Silt Kil ve Silt Turba İzin Taş Kolon Taş İzin Verilen Taş İzin Verilen Taş Verilen Taş Kolon Taş Kolon ve Kolonların Temel Kolonların Temel Kolonların Temel ve Temelin ve Temelin SPT -N UCS (kPa) Temelin Rijitlik Tasarım Rijitlik Tasarım Rijitlik Tasarım Taşıma Taşıma Taşıma Modülü Taşıma Modülü Taşıma Modülü Taşıma Kapasitesi Kapasitesi Kapasitesi k g  Gücü q  k g  Gücü q  k g  Gücü q  a Q aa Q  kN 3 cell  kN Q3 cell  kN 3cell MN/m kPa MN/m kPa MN/m kPa 1-3 10-48 239 289 44,8 215 222 33,9 168 133 20,4 4-6 48-110 287 400 61,1 240 311 47,5 191 200 29,9 7-9 110-168 335 467 70,6 287 378 57 239 245 33,9 10-12 168-220 383 512 77,4 335 445 67,9 - - - 13-16 220-287 407 556 84,1 335 467 70,6 - - - 17-25 287-383 431 578 88,2 359 489 74,7 - - - 25 ve üstü 383 ve üstü 479 645 97,2 407 534 81,5 - - - 62 Burada, H : DKK şaft uzunluğu, (2,4 - 4,2 m arasında alınır.) s D ®: DKK çapı, (Geopier DKK için 0,76 m olarak alınır.) olarak ifade edilir. Alt bölge tabaka kalınlığı toplam tabaka kalınlığından (2B veya 5B), üst bölge tabaka kalınlığının çıkarılmasıyla bulunur. HLZ  2B veya 5B  HUZ ...................................................................... (3.7) Toplam oturma bulunurken, üst bölge oturması ve alt bölge oturması olarak iki bileşene ayrılmaktadır. ST  SUZ  SLZ ............................................................................................. (3.8) ® Üst bölge oturması, taş kolonlara gelen gerilmenin Geopier DKK rijitlik modülüne, bölünmesiyle Formül 3.9’ daki gibi bulunur. SUZ  qg / kg ............................................................................................... (3.9) Alt bölge oturması, geleneksel elastik oturma ve konsolidasyon oturma yöntemine göre bulunmaktadır. Elastik oturma, SLZ  q I HLZ  / E ................................................................................... (3.10) Konsolidasyon oturması, Normal konsolide zemin için Formül 3.11’ teki gibi hesaplanmaktadır.  1  σ ΄ σ  SLZ  c H log 0 c   LZ   ......................................................... (3.11) 1 e0   σ0΄  63 3.1.2. Granüler Tabaka Altındaki DKK’ larda Oturma Bulunuşu Ağır yükleme durumlarının olduğu elverişsiz zemin ortamlarında, üst yapı yüklemelerin DKK’ lara daha kontrollü aktarılması için ve oturmaların daha da azaltılması için DKK’ ların üstüne belli kalınlıkta granüler tabaka yapılır. Oturma miktarı bulunmadan önce yapılacak ilk ® işlem Geopier DKK’ ların olduğu zemin tabakasında ortalama SPT-N sayısı alınarak Tablo 3.1.’ den SPT-N sayısına göre gerekli parametre seçimleri yapılır. Parametre seçimleri yapıldıktan sonra DKK kolon aralıkları Formül 3.12’ deki gibi belirlenir. Q s  cell .................................................................................................... (3.12) q Kolon aralıkları bulunduktan sonra, DKK’ lar üzerindeki granüler tabaka kalınlığı Formül 3.13’ teki gibi bulunur. s D t  ...................................................................................................... (3.13) 2 Granüler tabaka kalınlığı bulunduktan sonra alan oranı Formül 3.14’ deki gibi bulunur. Ra  Ag / s 2 .............................................................................................. (3.14) Rijitlik oranı, Formül 3.4’ deki gibi bulunur. Alan oranı ve rijitlik oranı bulunduktan sonra, DKK gelen gerilme miktarı Formül 3.5’ deki gibi bulunur. Oturma analizi yapılırken granüler ® tabaka altındaki Geopier DKK’ Formül 3.9 ve 3.10 ele alınarak oturma miktarları bulunur. 3.2. DKK’ larda Şaft Uzunluğu Bulunuşu DKK’ larda şaft uzunluğu genel olarak 2,4 - 4,2 m arasında seçilebilir. Şaft uzunluğu seçildikten sonra öncelikli olarak DKK’ ların kolon uçlarına kadar olan pasif direnç bulunur. Maksimum pasif direnç 120 kPa’ dan fazla olmamalıdır. 120 kPa’ dan fazla pasif direnç oluşursa kritik derinliğe (zc), göre Şekil 3.2’deki gibi maksimum 120 kPa olacak şekilde revize edilir (Handy, 2001). 64 σ0 ,́ Kp zc 120 kPa Şekil 3.1 DKK’ larda Şaft Uzunluğu Bulunuşu (Geopier Foudation Co. Inc Technical Bulletin) Burada, z : Kritik derinliktir. Kritik derinlik maksimum pasif yatay gerilmenin 120 kPa olduğu c derinliktir. Kritik derinlik kolon ucuna kadar maksimum pasif yatay gerilme 120 kPa’ a eşit olacak şekilde Formül 3.15’ deki gibi bulunur. 120  ρ zc Kp ............................................................................................ (3.15) Burada, K : Yatay pasif toprak basıncı katsayısı, (Kp = tan 2 (45+ / 2) ) p s olarak ifade edilir. Yatay gerilme irdelemesi yapıldıktan sonra, şaft uzunluğu kontrolüne geçilir. Şaft uzunluğu ® kontrolü yapılırken ilk olarak Formül 3.5’ teki gibi Geopier DKK’ lara gelen gerilme ® ® bulunur. Geopier DKK’ lara gelen gerilme bulunduktan sonra, Geopier DKK kolon direnci Formül 3.16’ daki gibi bulunur. 2 Qg  qg π D / 2 ..................................................................................... (3.16) Kolon şaft uzunluğu kolon direncini (Qg), sağlayacak kadar uzunluğa sahip olmalıdır. Bunun kontrolü yapılırken, seçilen şaft uzunluğu boyuncaki ortalama yatay pasif gerilme (σhort), 65 bulunur. Ortalama pasif yatay gerilmeden, şaft direncine (Qg΄), geçilirken Formül 3.17 ele alınır. Qg ́ σhort π D tans ................................................................................ (3.17) Qg΄, şaft direnci bulunduktan sonra, kolon direnci (Qg), ile karşılaştırılır. Qg΄ Qg ise şaft uzunluğu yeterlidir. Qg΄ Qg ise şaft uzunluğu artırılarak tekrar şaft direnci bulunarak kolon direnciyle karşılaştırılır. DKK’ larda oturma miktarı ve şaft uzunluğu bulunuşunun sayısal örnekleri EK-A’ da gösterilmiştir. 4. DARBELİ KIRMATAŞ KOLONLARIN SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE MODELLENMESİ Bu bölümde Jeotermal Enerji Santrali projesinde yapılmış olan grup halindeki DKK’ ların Plaxis 2D sonlu elemanlar programında farklı yöntemlerle modellemesi yapılarak DKK’ lı ve DKK’ sız ortamda yayılı temel altındaki oturmaları karşılaştırılmıştır. 4.1. Proje Özellikleri Jeotermal Enerji Santrali projesinde Şekil 4.1.’ de görüldüğü gibi 4 farklı zemin tabakası ® görülmektedir. Impact yöntemine göre imal edilen 50 cm çapındaki DKK’ lar temel altına 1,7 m x 1,7 m mesafeli olarak kare yerleşim planına göre, şaft uzunluğu 17 m olacak şekilde zemine uygulanmıştır. DKK ve zemin özellikleri Tablo 4.1.’ de verilmiştir. 66 Şekil 4.1 Zemin Tabakaları ve SPT-N Sayıları Tablo 4.1. Jeotermal Enerji Santrali Projesi Zemin ve DKK Özellikleri Kalınlık ρ ρ Esat u E cu c Zemin 3   k  ν ν (m) (kN/m ) 3(kN/m ) (kPa) (kPa) u (kPa) (kPa) (m/gün) Siltli Kil-1 11,5 18 19 - 2773 40 - 0 - 0,5 -510 Killi Kum-1 5,5 19 20 - 16800 - - 35 0,3 - 1 Siltli Kil-2 5 18 19 - 6240 90 - 0 - 0,5 -510 Killi Kum-2 12 19 20 - 20000 - 10 33 0,35 - 1 DKK 17 22 - - 165000 - 0 45 0,25 - - Burada, Eu : Drenajsız elastisite modülü, νu : Drenajsız durumda poisson oranı, k : Geçirimlilik katsayısı, dır. 67 Proje verilerinde, DKK üstüne oturacak olan yayılı temelin boyutları, B = 17 m ve L = 19 m olup yayılı temel kalınlığı 60 cm dir. Üst yapıdan zemine gelen maksimum gerilme 100 kPa dır. Yeraltı su seviyesi zemin yüzeyinden itibaren 1,7 m derinliktedir. 4.2. Sonlu Elemanlar Yöntemi Çalışmada, düzlem deformasyon (Plane Strain) modeli kullanılarak analizler yapılmıştır. Analizlerde zeminin, gerilme deformasyon davranışını hiperbol olarak tanımlayıp, 3 farklı elastisite modülünü esas aldığından dolayı ve zeminin elastoplastik özelliğini daha iyi ifade etmesinden ötürü pekleşen zemin modeli, (Hardening Soil) esas alınarak tüm analizler drenajlı duruma göre yapılmıştır. Şekil 4.2’ de görülmek üzere, sınır koşullar yatay düzlemde, mimimum (xmin) 0 m, maksimum (xmax) 77 m, düşey düzlemde ise mimimum (ymin) 0 m, maksimum (ymax) 34 m, alınmıştır. Analiz yapılırken 3 farklı yöntem esas alınarak yayılı temeldeki toplam oturmalar karşılaştırılmıştır. Bu yöntemler, DKK’sız ortamda temeldeki oturmalar, DKK ile oluşan kompozit zemin modeline göre temeldeki oturmalar ve DKK’ lı ortamda temeldeki oturmalar olmak üzere üç farklı analiz sonuçları irdelenmiştir. YASS Şekil 4.2 Plaxis 2D Programında Zemin Tabakalarının Modellenmesi 4.2.1. DKK’sız Ortamda Temeldeki Oturmalar DKK’ sız ortamda analiz yapılırken, Bölüm 4.2’ deki sınır koşulları alınarak Şekil 4.3’ te görüldüğü gibi 17 m genişliğinde ve 60 cm kalınlığında yayılı temel zemin modelinin ortasına, sağ ve soldan 30 m açıklık kalacak şekilde, 100 kPa yayılı yük etkitilmiştir. Temel 68 ile zemin arasına arayüz bölgesi (interface) tanımlanmıştır. Analizlerde kullanılan zemin parametreleri ve yayılı temel parametreleri Tablo 4.2. ve Tablo 4.3.’ te verilmiştir. Şekil 4.3 Yayılı Temelin Modellenmesi Proje verilerinde, bazı zeminlerin drenajlı parametreleri bulunmadığından, analizlerde Siltli Kil-1 ve Siltli Kil-2 zemin tabakaları için kayma direnci değerleri (τ), Tablo 4.1.’ deki drenajsız kayma direncine eşit alınarak, Siltli Kil-1 için 40 kPa ve Siltli Kil-2 için 90 kPa alınmıştır. Bu değerlerle birlikte Siltli Kil-1 ve Siltli Kil-2 zeminlerinin tabaka ortalarına kadar efektif gerilme değerleri alınarak, Formül 4.1’ deki kayma direnci ifadesine göre efektif kohezyon değerleri bulunmuştur. τ  c σ0 tan ............................................................................................ (4.1) Siltli Kil-1 için,  = 25˚ kabul edilerek, 40  c  64 tan25, c 10 kPa olur. Siltli Kil-2 için, = 20˚ kabul edilerek, 90  c 182 tan20, c  23 kPa olur. 69 Tablo 4.2. Analizlerde Kullanılan Zemin Parametreleri Siltli Kil-1 Kili Kum-1 Siltli Kil-2 Killi Kum-2 Pekleşen Pekleşen Pekleşen Pekleşen Malzeme Modeli Zemin Zemin Zemin Zemin Drenaj Durumu Drenajlı Drenajlı Drenajlı Drenajlı 3 ρ (kN/m ) 18 19 18 19 3 ρ (kN/m ) 19 20 19 20 sat E (kPa) 50 2773 16800 6240 20000 E (kPa) oed 2773 16800 6240 20000 E (kPa) ur 8319 50400 18720 60000 νur 0,2 0,2 0,2 0,2 c (kPa) 10 5 23 10  () 25 35 20 33 ψ  0 5 0 3 Tablo 4.3. Analizde Kullanılan Yayılı Temel Özellikleri Malzeme 3 Malzeme Drenaj Durumu ρ (kN/m ) E (GPa) ν  Modeli Yayılı Temel Lineer Elastik Geçirimsiz 24 30 0,2 Burada, E : Kiriş modülü, 50 E : Ödometre modülü, oed E : Yükleme boşalma modülü, ur νur : Yükleme boşalma poison oranı, ψ Kabarma açısı, dır. Kademeli olarak modellenen yayılı temelde, 100 kPa yayılı yük altında Şekil 4.4’ te görüldüğü gibi toplamda 52,55 cm oturma görülmüştür. 70 Şekil 4.4 DKK’sız Ortamda Yayılı Temeldeki Toplam Oturma Şekil 4.9’ da görüldüğü gibi DKK’sız ortamda konsolidasyon oturması yaklaşık olarak 6500 gün sürmektedir. Üst yapı inşaatının tamamlanması 186 gün sürmektedir. Bu süre içinde yayılı temel 25,17 cm oturma yapmaktadır. Üst yapı inşaatı bittikten sonra temelde 27,38 cm oturma görülmektedir. 4.2.2. Kompozit Zemin Ortamında Temeldeki Oturmalar Kompozit zemin ortamında, Şekil 4.5’ de görüldüğü gibi temel altındaki DKK’ların belli sınırlar içerisinde etkidiği bölgede zeminin ve DKK’ nın parametrelerini birlikte kapsayan iyileştirilmiş kompozit zemin bölgesi tanımlanmıştır. İyileştirilmiş kompozit zemin bölgesindeki elastisite modülü, kohezyon ve kayma direnci açısı alan oranına göre, Formül 4.2, 4.3 ve 4.4’ teki gibi bulunarak kompozit zemin parametreleri elde edilerek Tablo 4.4.’ te gösterilmiştir. Siltli Kil-1, Kili Kum- 1, Siltli Kil- 2 ve Killi Kum- 2 değerleri Tablo 4.2.’ ye göre alınmıştır. 2 Ag π 0,5 / 2 Ra    0,068 s2 1,72 olarak elde edilir. Burada, Ag : DKK taban alanı, s : DKK arasındaki mesafe, dir. 71 q = 100 kPa YASS Siltli Kil-1 Siltli Kil-1 Ortak Killi Kum-1 Kili Kum-1 Ortak Siltli Kil-2 Ortak Siltli Kil-2 20, 4 m Killi Kum-2 Şekil 4.5 Kompozit Zemin Ortamı Tablo 4.4. Kompozit Ortamda Zemin Parametreleri Siltli Kil-1 Kili Kum-1 Siltli Kil-2 Ortak Ortak Ortak Pekleşen Pekleşen Pekleşen Malzeme Modeli Zemin Zemin Zemin Drenaj Durumu Drenajlı Drenajlı Drenajlı 3 ρ (kN/m ) 18 19 18 3 ρ (kN/m ) 19 20 19 sat Ecomp 50 (kPa) 13800 26880 17040 Ecomp oed (kPa) 13800 26880 17040 Ecomp ur (kPa) 41410 80630 51110 ν ur 0,2 0,2 0,2 c comp (kPa) 10 5 22 comp () 26 35,6 22 ψ  0 5 0 Ecomp  1RaEzemin Ra EDKK ................................................................... (4.2) ccomp  1Raczemin Ra cDKK .................................................................... (4.3) comp  1Razemin Ra  DKK ................................................................... (4.4) 72 19 m Kompozit Zemin Ortamı Burada, Ecomp : DKK ve zemini kapsayan bölgenin ortak elastisite modülü, ccomp : DKK ve zemini kapsayan bölgenin ortak kohezyonu, comp : DKK ve zemini kapsayan bölgenin ortak kayma direnci açısı, Ra : Alan oranı, dır. Siltli Kil-1 Ortak için, Ecomp  1RaEzemin Ra EDKK  10,068x27730,068 x165 000 13800 kPa olur. ccomp  1Raczemin Ra cDKK  10,068x100,068 x 5 10 kPa olur. comp  1Razemin Ra DKK  10,068x250,068 x 45  26 olur. Killi Kum-1 Ortak için, Ecomp  1RaEzemin Ra EDKK  10,068x168000,068 x165 000  26800 kPa olur. ccomp  1Raczemin Ra cDKK  10,068x50,068 x 5  5 kPa olur. comp  1Razemin Ra  DKK  10,068x350,068 x 45  35,6 olur. Siltli Kil-2 Ortak için, Ecomp  1RaEzemin Ra EDKK  10,068x62400,068 x165 000 17040 kPa olur. ccomp  1Raczemin Ra cDKK  10,068x230,068 x 5  22 kPa olur. comp  1Razemin Ra  DKK  10,068x200,068 x 45  22 olur. Kademeli olarak modellenen yayılı temelde, 100 kPa yayılı yük altında Şekil 4.6’ da görüldüğü gibi toplamda 16,87 cm oturma görülmüştür. 73 Şekil 4.6 Kompozit Ortamda Yayılı Temeldeki Oturma Şekil 4.9’ da görüldüğü gibi kompozit ortamda konsolidasyon oturması yaklaşık olarak 1500 gün sürmektedir. DKK’ ların yapılması ve üst yapı inşaatının tamamlanması 216 gün sürmektedir. Bu süre zarfında yayılı temel 12,4 cm oturma yapmaktadır. Üst yapı inşaatı bittikten sonra temelde 4,47 cm oturma görülmektedir. 4.2.3. DKK’ lı Ortamda Temeldeki Oturmalar Bu yöntemde Şekil 4.7’ de görüldüğü gibi yayılı temel altına 1,7 m aralıklarla 17 m uzunluğunda, DKK’ lar tanımlanmıştır. Plaxis 2D programında kazıklar arasında mesafe tanımlaması yapılabilen embedded beam row özelliği kullanılarak, Tablo 4.5.’ teki parametreler tanımlanmıştır. Siltli Kil-1, Killi Kum-1, Siltli Kil-2 ve Killi Kum-2 zemin parametreleri Tablo 4.2.’ deki gibi alınmıştır. q = 100 kPa YASS Siltli Kil-1 Killi Kum-1 Siltli Kil-2 15,3 m Killi Kum-2 Şekil 4.7 DKK’ lı Modelleme 74 17 m DKK uç direnci ve sürtünme direnci değerleri, bölüm 2.1.3.3.2. drenajsız durum için, sürtünme direnci (fs), drenajsız kayma direncine eşit alınarak, uç direnci (Qg), Formül 2.41’ e göre uygun alınarak Tablo 4.5.’te gösterilmiştir. Siltli Kil-1 bölgesinde ilk aşamada drenajsız kayma direnci 40 kPa olduğundan üst bölgede sürtünme direnci 40 kPa alınmıştır. Siltli Kil-2 bölgesinde ise, drenajsız kayma direnci 90 kPa olduğundan, alt bölgede sürtünme direnci 90 kPa alınmıştır. Ortalama olarak sürtünme direnci, fs  4090 / 2  65 kPa , birim genişlik için 65 kN/m alınmıştır. Uç direnci, 2 Qg  9 cu Ag  9 x 90 x π 0,5 / 2 160 kN elde edilir. Tablo 4.5. DKK Parametreleri 3 Sürtünme Direnci Uç Direnci Malzeme E (MPa) ρ (kN/m ) Çap (m) fs (kN/m) Qg (kN) DKK 165 22 0,5 65 160 Kademeli olarak modellenen yayılı temelde, 100 kPa yayılı yük altında Şekil 4.8’ de görüldüğü gibi toplamda 26,04 cm oturma görülmüştür. Şekil 4.8 DKK’ lı Ortamda Yayılı Temeldeki Oturma Şekil 4.9’ da görüldüğü gibi DKK’ lı ortamda konsolidasyon oturması yaklaşık olarak 4400 gün sürmektedir. DKK’ ların yapılması ve üst yapı inşaatının tamamlanması 216 gün 75 sürmektedir. Bu süre zarfında yayılı temelde 14,5 cm oturma görülmektedir. Üst yapı inşaatı bittikten sonra temelde 11,54 cm oturma görülmektedir. 60 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 DKK' lı DKK'sız Kompozit Zaman (Gün) Şekil 4.9 Oturmaların Karşılaştırılması 76 Oturma (cm) 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada Plaxis 2D sonlu elemanlar programında darbeli kırmataş kolonların grup halinde modellenmesi üzerinde ve uygulamadan örnek verilerek zeminde göstereceği performanslar irdelenmiştir. DKK’ lar yetersiz taşıma gücünün olduğu ve aşırı oturmaların görüldüğü zeminlere uygulanmaktadır. ® Bu çalışmada, grup halindeki Impact DKK’ ların araziye en yakın şekilde modellenmesi yapılarak 3 farklı durum üzerinde çalışılmıştır. İlk modelde yayılı temelin DKK’ sız ortamda drenajlı durumda (uzun vadede) yapacağı toplam oturma analiz edilmiştir. Analiz yapılırken kademeli olarak yayılı temel tanımlanıp, üst yapıdan 100 kPa yayılı yük zemine etkiletilerek, toplamda 52,55 cm konsolidasyon oturması saptanmıştır. Bu durum oturma açısından zemin ortamının çok elverişsiz olduğunu göstermektedir. İkinci modelde, kompozit zemin modeli esas alınarak, DKK’ ların temel altında etkilediği bölge sınırları içerisinde, zemin ve DKK parametrelerini kapsayan ortak elastisite modülü, kohezyon ve kayma direnci açısı değerleri tanımlanmıştır. Analiz yapılırken önce temel kazısının yapılması tanımlanarak, DKK’ ların etkidiği bölgede ortak kompozit bölge oluşturulmuştur. Yayılı temel tanımlanıp, üst yapıdan 100 kPa yayılı yük zemine etkiletilerek, analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda yayılı temelde toplam 16,87 cm oturma görülmüştür. İlk modele göre toplam oturmalar, %68 oranında azalmıştır. Ortam rijitliğinin artmasından ötürü, konsolidasyon oturmalarının %73’ ü üst yapı inşaatı yapılırken gerçekleşmiş ve konsolidasyon süresi %76 oranında azalmıştır. Üçüncü modelde DKK’ lar 1,7 m aralıklarla kare yerleşim planına uygun olarak temel altına 17 m uzunluğunda olacak şekilde tanımlanmıştır. Analiz yapılırken önce temel kazısının yapılması tanımlanarak, DKK’ lar 1,7 m aralıklarla temel altına tanımlamıştır. DKK’ lar tanımlandıktan sonra DKK’ ların üstüne yayılı temel tanımlanmıştır. Son aşamada 100 kPa üst yapı yükü zemine etkiletilerek, analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda yayılı temelde toplamda 26,04 cm oturma görülmüştür. İlk modele göre toplam oturmalar, %50 oranında azalmıştır. Ortam rijitliğinin artmasından ötürü konsolidasyon oturmalarının %55’ i üst yapı inşaatı yapılırken gerçekleşmiş ve konsolidasyon süresi %32 oranında azalmıştır. İkinci ve üçüncü model sonuçları analizlerde ele alınan zemin parametrelerinin farklı olmasından dolayı oturma açısından farklı sonuçlar göstermektedir. İkinci modelde kompozit zemin modeli esas alındığından ortak zemin parametreleri (E, c ve ), tanımlanarak, üçüncü modelin zemin parametrelerinden daha yüksektir. Bu sebepten ötürü ikinci modelde oturmalar daha az bulunmuştur. Analiz sonuçlarına göre DKK’ lar aşırı oturmaların olası görüldüğü zemin ortamlarında bu oturmaları azaltmaktadır. Darbeli kırmataş kolonların, tasarımı yapılırken zemin ortamında yapacağı oturma miktarı konusunda, tasarım ve gerçek arazideki göstereceği performansların uyuşması, tasarımda bulunan oturmaların arazideki gerçek oturmaların karşılaştırılması yapılmalıdır. Tasarım yapılırken beklenilen durumların arazideki uyumluluğu kontrol edilmelidir. 77 KAYNAKLAR Aboshi, H. and Suematsu, N., (1985) “Sand Compaction Pile Method’’ state-of-the-art paper. Proceedings of 3rd International Geotechnical Seminar on Soil Improvement Methods, Nanyang Technological Institute, Singapore. Alonso, J. A. and Jimenez, R., (2011) “ Reliability Analysis of Stone Columns for Ground Improvement’’, GeoRisk ASCE Bae, W.S., Shin, B.W. and An, B.C., (2002) ‘‘Behaviors of Foundation System Improved with Stone Columns’’ , Kitakyushu, Japan. Barksdale, R. D. and Bachus, R. C., (1983) “Design and Consruction of Stone Columns’’, vol.1.Report no. FHWA/RD-83/026, Federal Highway Administration, Washington, D.C. Bargado, D. T., Anderson, L. R., Muira, N., and Balasubramaniam, A. S., (1996) “Soft Ground Improvement in Lowland and Other Environments’’. ASCE, 427. Bergado, D. T., Alfaro, M. C., Chai, J. C. ve Balasubramaiami, A. S., (1994) “Improvement Techniques of Soft Ground in Subsiding and Lowland Environment” Balkema, Rotterdam, pp. 57 – 97. Brauns, J. (1978). “Initial Bearing Capacity of Stone Columns and Sand Piles.” Vol. I, Proc., Soil Reinforcing and Stabilizing Techniques in Engineering Practice, New South Wales Institute of Technology, Sydney, Australia, pp.497-512. Carvajal, E., Vukotić, G., Castro, J. and Wehr, W., (2013) “Comparison Between Theoretical Procedures and Field Test Results For The Evaluation Of Installation Effects Of Vibro-Stone Columns’’, Taylor and Francais Group, London, ISBN 978-1-138-00041-4 Çekinmez Z. ve Erol O., (2015) “Yüzer Tip Taş Kolonlarda Oturma Azaltım Oranı Üzerine Deneysel Bir Çalışma’’, 6. Geoteknik Sempozyumu 26-27 Kasım 2015, Çukurova Üniversitesi, Adana Choobbasti, A. J., Zahmatkesh A. and Noorzad R., (2011) “Performance of Stone Columns in Soft Clay: Numerical Evaluation’’, Geotech Geol. Eng. 29:675-684 DOI 10.1007/s10706-011-9409-x Datye, K.R. and Nagaraju S.S., (1975) “Installation and Testing of Rammed Stone Columns’’, Proceedings of the Indian Geotechnical Society Specialty Session, 5th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Bangalore, India, 101– 104. 78 Durgunoğlu, H.T., Kulaç, F., İkiz, S. ve Karadayılar, T., (1992) “Taş Kolonlar İle Zemin Islahı Üzerine Bir Uygulama’’ , Zemin Mekaniği Ve Temel Mühendisliği Dördüncü Ulusal Kongresi, İTÜ Düzceer, R. ve Gökalp A., (2002) “Akaryakıt Tank Temellerinin Taş Kolonlarla İyileştirilmesi’’, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği 9. Ulusal Kongresi, 21-22 Ekim 2002, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Fox, N. S. and Cowell, M.J., (1998) “Geopier Foundation ans Soil Reinforcement Manuel’’, Geopier Foundation Company Inc. Scootsadale. A.Z. Fox, N. S. and Edil, T.B., M.J., (2000) “Case Histories of Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement Construction over Peat and Highly Organic Soils’’, Soft Ground Stabilization, pp. 146-157 Greenwood DA, Kirsch, K., (1983) “Specialist Ground Treatment by Vibratory and Dynamics methods’’. In: Proceedings, International Conference on Piling and Ground Treatment, Thomas Telford, London, pp 17–45 Greenwood, D. A., and Thompson, G. H., (1984) “Ground Stabilization, Deep Compaction and Grouting ’’ . ICE Works Construction Guides , Thomas Telford Ltd. London Geopier Foundation Co. Inc Technical Bulletin Geopier Technical Workshop, April 3-5 2014, Phoneix, Arizona Handy, R L., (2001). Personal communication. March 1, 2001. Hsu, C. L. (2000). “Uplift Capacity of Geopier Foundations.” MS thesis. University of Utah. Hughes, J.M.O. and Withers, N.J., (1974) “Reinforcing Of Soft Cohesive Soils With Stone Columns’’, Ground Engineering, Vol. 7, No. 3, pp 42-49. Hughes, J.M.O., Withers, N.J. and Greenwood, D.A., (1975) “Afield Trial Of The Reinforcing Effect Of a Stone Column In Soil’’ , Geotechnique, 25(1), pp.31-44 Indian Standarts (IS 15284). “Design And Construction For Ground Improvement Guidelines Part 1 Stone Columns’’, 2003 Jeludin, N. M., Sivakumar, V., O’Kelly, B. C. and Mackinnon, Pa. A., (2015) “Experimental Observations of Settlement of Footings Supported on Soft Clay Reinforced with Granular Columns: Laboratory Model Study’’, DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943- 5606.0001377. © 2015 American Society of Civil Engineers. Kosho, A., (2000) “Ground Improvement Using the Vibro-Stone Column Technique’’, ALTEA & Geostudio2000, Rr. Maliq Muco L. 6, Durres, Albania 79 Kurt, E., (2011) “Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Elemanlarına ait Yükleme Testlerinin Sayısal Analizi ve Sonuçlarının Karşılaştırılması’’, Yüsek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lawton, E.C. and Fox, N. S., (1994). “Settlement of Structures Supported on Marginal Old Inadequate Soils Stiffened with Short Aggregate Piers’’ In-situ Deep Soil Improvement, Proc. ASCE National Convention, Atlanta, Georgia, 121-132 Madhav, M.R., (2007) “Granular Piles-Construction, Design and Behaviour’’, Sri Lankan Geotechnical Society with International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering under the ISSMGE Touring Lecture Programme 17th & 18th December 2007 at Hotel Galadari. Madhav, M.R. and Vitkar, P.P., (1978) “ Strip Footing on Weak Clay Stabilized with a Granular Trench or Pile’’Canadian Geotechnical Journal, 1978, 15(4): 605-609, 10.1139/t78- 066. Mitchell, J. K. and Huber, T. R., (1985) “Performance Of a Stone Column Foundation ’’ , Journal of Geotechnical Engineering, Vol.Ill, No. 2, February, 1985 Mitchell, J.K., (1982) “Soil improvement-State-of-the-Art, Proceedings’’, 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, ICSMFE, Stockholm, June, Vol. 4., pp. 509 565. Mitchell, J.K., and Katti, R.K., (1981) “Soil Improvement-State-of-the-Art Report’’,Proceedings of 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm, pp.261-31 Moseley, M. P., and Kirsch, K., (2004) “Ground Improvement, 2nd Edition, SponPress,Taylor and Francis Group, London and New York. Munfakh, G.A., (1984) “ Soil Reinorcement by Stone Columns-Varied Case Applications’’, Int. Cnf. On Insitu Soil and Rock Reinforcement, Paris , pp:157-162 Önalp, A. ve Sert S., Geoteknik Bilgisi III , Birsen Yayınevi 2010 Poorooshasb H. B. and Meyerhof, G. G., (1997) “Analysis of Behavior of Stone Columns and Lime Columns’’ , Computers and Geotechnics, Vol. 20, No. 1, pp. 47-70 Priebe, H. J., (1978), “Abschaetzung des Scherwiderstandes eines durch Stopfverdichtung verbesserten Baugrundes,” Die Bautechnik, (55), 8, 281-284. Priebe H.J., (1995) “The Design of Vibro Replacement’’, Ground Enginnering, pp:31-37 Selçuk, L., (2009) “Zemin Sıvılaşmasına Karşı Optimum Taş Kolon Tasarımının Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Modellenmesi’’, Ankara Üniversitesi Doktora Tezi, Ankara Tan, S., Ng, K. and Sun, J., (2014) “Column Group Analyses for Stone Column Reinforced Foundation From Soil Behaviour Fundamentals to Innovations in Geotechnical Engineering ’’, pp.597-608,doi: 10.1061/9780784413265.048 80 Van Impe, W.F, De Beer, E., (1983). “Improvement of Settlement Behavior of Soft Layers by Means of Stone Columns”, Proceedings of 8th ECSMFE, Helsinki Van Impe, W.F. and Madhav, M.R., (1992) “Analysis and Settlement of Dilating Stone Column Reinforced Soil’’, Austrian Geotechnical Journal, 137: 114-121 Vesic, A.S., (1972) “Expansion of Cavities in Infinite Soil Mass’’, Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, Vol.98(SM3), pp.365-290 White, D.J., (2001) “Personal Communication. September 13 White, D. J., Wissmann K. J., Barnes A. G. and Gaul A. J., (2002) “Embankment Support: A Comparison of Stone Column and Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement.” Presented at Transportation Research Board, 81st Annual Meeting, Washington, D.C., January 13-17. Wissmann, K. J., (1999) “Bearing Capacity of Geopier-Supported Foundation Systems’’ , Technical Bulletin No.2, Geopier Foundation Company, Inc., Mooresville, NC. Wissmann, K. J., FitzPatrick, B.T. and White, D. J., (2002) ”Improving Global Stability and Controlling Settlement with Geopier Soil Reşnforcing Elements’’, Proceedings of the 4th International Conference on Ground Improvement Techniques, Kuala Lumpur, Malaysia Wissmann, K. J., Fox, N. S. and Martin, P., (2000) “Rammed Aggregate Piers Defeat 75- Foot Long Driven Piles’’, Proceedings, Performance Confirmation of Constructed Geotechnical Faciliti es, ASCE Special Publication, No.194, Amherts, Massachusetts Wood, D. M., Hu, W. and Nash, F. T., (2000) “Group Effects In Stone Column Foundations: Model Tests’’ , Géotechnique 50, No. 6, 689-698 Zhang, L., Zhao, M., Shi, C. and Zhao H., (2013) “Settlement Calculation of Composite Foundation Reinforced with Stone Columns’’, International Journal Of Geomechanics ASCE, 13: pp.248-256. 81 EK - A 82 A.1. Darbeli Kırmataş Kolon Tasarım Örneği A.1.1. Yüzeysel Temel Altında DKK Tasarımı ® Şekil A.1’ de görülmek üzere yumuşak kil zemin üzerindeki tekil temel için Geopier DKK ® tasarımı yapılarak Geopier DKK’ larla iyileştirilmiş zemindeki oturma ile iyileştirilmemiş zemindeki oturma karşılaştırılmıştır. Şaft uzunluğu kontrolü yapılarak şaft uzunluğu belirlenmiştir. Şekil A.1 Yüzeysel Temel Örneği 83 A.1.1.1. DKK’ larla İyileştirilmemiş Zeminde Oturma Analizi 10 m yumuşak kil tabakasına oturan tekil temelde etki derinliği 2B kadar olup, kil tabakasının yarısı referans alınarak z = 6 m derinlik için efektif gerilme ve gerilme artış değeri bulunarak konsolidasyon oturma miktarı bulunmuştur. z = 6 m için efektif gerilme, σ 0 ́= 6 x 18 – 9,81 x 4 = 68,8 kPa dır. Temel taban basıncı, q = 6000 / 5x5 = 240kPa dır. Temel tabanından 5 m derinlik için gerilme artış değeri, I = 0,2 olarak alınır. Δσ  I x q  0, 2 x 240  48 kPa dır. Böylece konsolidasyon oturması,  1  σ0΄  σ  68,8 48S  cc   H log    0,03 x1 0 x log    0,069 m  6,9 cm dir. 1 e0   σ0΄   68,8  ® A.1.1.2. Geopier DKK’ larla İyileştirilmiş Zeminde Oturma Analizi 3 SPT-N = 5 için Tablo 3.1.’ den qa = 240 kPa, Qcell = 311 kN ve kg = 47,5 MN/m olarak seçilir. N  Qmax / Qcell  6000 / 311  20 adet DKK seçilir. Ra = Ag / AT =π x 0,76/22 x 20 / 5 x 5 = 0,36 dır. Rs  kg / km  47,5 / 3,84  1 2, 4 tür. Taş kolonlara gelen gerilme,  Rs   12,4  qg  q    240    583 kPa Rs x Ra Ra 1 12,4 x 0,360,361 olarak bulunur. 84 Üst bölge oturması, SUZ = qg / kg = 583 / 47,5 x 1000 = 0,0123 m = 1,23 cm dir. Üst bölge tabaka kalınlığı, HUZ  Hs  D  3  0,76  3,76 m dir. Alt bölge tabaka kalınlığı, HLZ    2B   HUZ    2 x 5 – 3,76 = 6,24 m dir. Etki derinliği, z  HUZ  HLZ / 2  3,76  6,24 / 2  6,88 m dir. Etki faktörü, I = 0,1 olarak alınır. Gerilme artışı, Δσ = q x I = 240 x 0,1 = 24 kPa dır. z = 7,88 m deki efektif gerilme, σ0 ́= 7,88 x 18 – 5,88 x 9,81 = 84,2 kPa dır. Alt bölge oturması,  1  σ ΄+ Δσ  84,2+ 24 SLZ  cc   H log 0 LZ  = 0,03 x 6,24 x log  = 0,0203 m = 2,03cm dir. 1 e0   σ0΄   84,2  Böylece toplam oturma, ST  SUZ  S LZ  1 ,23  2,03  3,26 cm dir. ® A.1.1.3. Geopier DKK’larda Şaft Uzunluğu Kontrolü Şaft uzunluğu kontrolü yapılırken, ilk olarak DKK şaft uzunluğu boyunca pasif direnç bulunur. Pasif direnç en fazla 120 kPa olmalıdır. 120 kPa’ dan fazla pasif direnç oluşursa maksimum pasif direnç 120 kPa olacak şekilde revize edilir ve şaft uzunluğu kontrolüne geçilir (Handy, 2001). Şaft uzunluğu 3 m olarak seçilmiştir. Kolon uçlarına kadar olan pasif yatay gerilmeyi bulmak için kolon ucuna kadarki düşey efektif gerilme bulunur. Kolon uçları için derinlik, z = 4 m dir. 85 z = 4 m için efektif gerilme, σ0 ́= 4 x 18 – 2 x 9,81 = 52,4 kPa dır. Pasif yatay gerilme, σh  σ0 ́x tan 2 45s / 2  52,4 x tan 2 45 25 / 2  1 29,1 kPa dır. Pasif yatay gerilme 120 kPa’ dan fazla olduğu için maksimum pasif yatay gerilme 120 kPa olacak şekilde revize edilir (Şekil A.2). 120 = σ0 ́x tan 2 45+25/2 , σ0 ́= 48,7 kPa dır. Efektif gerilmenin, σ ΄= 48,7 kPa olduğu kritik derinlik bulunur. 0 48,7   18 x zc   –  9,81 x zc  –  2  , zc   3,5 m bulunur. Şekil A.2 ’de görüldüğü gibi, şaft uzunluğu kolon direncini karşılayabilecek uzunlukta olmalıdır. Kolon üst başlığında oluşan yük (kolon direnci), 2 Qg  qg x Ag  583 x π x 0,76 / 2  264,5 kN olarak bulunur. Şekil A.2 Şaft Uzunluğu Kontrolü Yeterli şaft uzunluğu için Şekil A.2’ de görüldüğü gibi şaft direncinin (Qg΄ + Qg΄΄), kolon direncinden (Qg), eşit yada büyük olması gerekmektedir. Qg ́= 120+43 / 2 x π x 0,76 x tan25 x 3,5-1 = 227 kN dur. 86 Qg΄́ = 120 x π x 0,76 x tan25 x 0,5 = 67 kN dur. Qg ́ Qg΄́  227  67  294 kN  264,5 kN dur. Şaft direnci kolon direncinden büyük olduğu için yeterlidir. ® A.1.2. Granüler Tabaka Altında Geopier DKK Tasarım Örneği ® A.1.2.1. Geopier DKK’ lı Ortamda Oturma Analizi Şekil A.3’ te görülmek üzere, granüler tabaka altında anakaya üzerine oturan DKK’ ların, kolon aralıkları ve granüler tabaka kalınlığı belirlenerek oturma miktarı bulunmuştur. Şekil A.3 Granüler Tabaka Altında DKK Tasarımı SPT-N = 5 için, killi zeminde ilgili parametreler Tablo 3.1.‘ den bulunur: 3 Qcell = 311 kN , kg = 47,5 MN/m Kolon aralığı, Q s  cell 311   3,9 m dir. q 20 87 Granüler tabaka kalınlığı, s D 3,90,76 t   1,57 m dir. 2 2 Alan oranı, 2  0,76  π A  g 2 Ra      0,03 dür. s2 3,92 DKK’ lara gelen gerilme,  Rs   6  qg = q  =20 = 104 kPa Rs x Ra-Ra+1    6 x 0,03-0,03+1   olarak bulunur. Toplam oturma, ST = SUZ = qg / kg = 104 / 47,5 x 1000= 0,0022 m = 0,22 cm dir. A.1.2.2. DKK’ sız Ortamda Oturma Analizi Şekil A.3’ te görülmek üzere yumuşak kil tabakası üzerinde granüler tabaka altında (t =1,57 m) ve DKK olmayan zemin tabakasında konsolidasyon oturma miktarı bulunmuştur. Oturma miktarı bulunacak yumuşak kil tabakası kalınlığı 4,5 m dir. Oturma analizi için tabakanın yarısına kadar efektif gerime bulunur. z = 3,82 m derinlik için efektif gerilme, σ0 ́ 3,82 x1 8  68,8 kPa dır. Dış yayılı yük 20 kPa olarak, z = 3,82 m derinlikte aynı miktarda gerilme artışı yapacaktır. Bu sebeple gerilme artış miktarı Δσ = 20 kPa olarak alınır. 88 Konsolidasyon oturması,  1  σ 0΄  σ 68,8 20S  cc   H log    0,03 x 4,5 x log    0,015 m 1,5 cm dir. 1 e0   σ0΄   68,8  A.1.3. Oturma Miktarlarının Karşılaştırılması ® Yüzeysel temel altında ve granüler tabaka altında tasarımı yapılan Geopier DKK’ larda Tablo A.1.’ de görüldüğü gibi darbeli kırmataş kolonsuz (DKK’ sız) ve darbeli kırmataş kolonlu (DKK’ lı) ortamda oturma miktarları karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, DKK’ ların oturmaları önemli ölçüde azalttığı görülmektedir. Tablo A.1. Oturma Miktarları Sistem Ortam Oturma Miktarı (cm) DKK' lı 3,26 Yüzeysel Temel Altı DKK' sız 6,9 DKK' lı 0,22 Granüler Tabaka DKK' sız 1,5 89