Taş Kolon Nedir? Taş Kolon Yöntemiyle Zemin İyileştirmesi

1. Taş Kolon Nedir?

Taş kolonlar, zeminde konsolidasyonu, şev stabilitesini ve taşıma kapasitesini arttırılması, sıvılaşma, oturma gibi zemin problemlerinin çözümünde kullanılan bir zemin iyileştirme yöntemidir.  Taş kolon imalatında zemine 0,60-1,0 m çapında ve en fazla 20 m derinliğinde çeşitli yöntemlerle kuyular açılır. Kuyuya tabanından itibaren belirli aralıklarla granüler malzeme yerleştirilir ve her seferinde sıkıştırılarak rijit kolonlar elde edilir. Taş kolon yöntemi her türlü zeminde uygulanabilir.

En basit hali ile taş kolon uygulaması şu şekilde açıklanabilir:

1. Zemine dik bir şekilde belirli aralıklarla ve çaplarda delikler açılır.
2. Açılan deliklere kademe halinde belirli çaplardaki taş malzeme doldurulur.
3. Deliklere doldurulan malzeme vibrasyon veya darbe etkisi ile yatay ve düşey yönde sıkıştırılır.

Günümüzde bir çok kullanım alanı olan taş kolon uygulaması, deprem anında oluşan sismik kuvvet etkisindeki davranış olan sıvılaşma problemine karşı başarı ile uygulanan bir tekniktir. Öte yandan, zeminde konsolidasyonu, şev stabilitesini ve taşıma kapasitesini arttırmak, oturmaları azaltmak için de taş kolon uygulamasına başvurulabilir.

Taş kolonlar; gevşek, kohezyonsuz zeminler ve yumuşak, kohezyonlu zeminlerin iyileştirilmesi amacı ile farklı çap ve derinlikte uygulanmaktadır. Diğer zemin iyileştirme yöntemlerine göre uygulama süreci hızlı ve ekonomik olması tercih sebebidir. Peki bu taş kolon imalatı nasıl yapılır?

2. Taş Kolon İmalat Yöntemleri

Taş kolon uygulamasının imalat yöntemleri, zeminden beklenen iyileştirmeye ve uygulanacak zeminin özelliklerine göre seçilir.

Taş kolon imalat yöntemleri şu şekilde sıralanabilir:

1. Vibrokompaksiyon yöntemi ile taş kolon yapımı,
   1. Vibro yer değiştirme yöntemi ile,
   2. Vibro öteleme yöntemi ile,
2. Darbeli sıkıştırma (tokmaklama) metodu ile taş kolon yapımı.

2.1. Vibrokompaksiyon Yöntemi ile Taş Kolon İmalatı

Aynı zamanda vibroflotasyon olarak da bilinen vibrokompaksiyon yönteminde şu zamana kadar sıkıştırılmış en uzun mesafe 58 metredir. Vibrokompaksiyon, ince dane oranı %10’dan az olan, kohezyona sahip olmayan zeminleri sıkıştırma işlemidir. Vibrokompaksiyonun yardımcı elemanları, uzun ve ince çelik bir tüp olan vibroflot borusu ile zemini sıkıştırmaya yarayan vibratördür. Vibroflotun en önemli parçası olan vibratör 300 ile 450 mm arasında çapa sahip, 2 ile 5 m arasında değişen içi boş çelik silindirden oluşur. Vibratör hava jetleri veya su aracılığı ile zeminde istenilen derinliğe indirildikten sonra belirli aralıklarla geri çekilir. (Zemin Sıkıştırma Makineleri- Silindirler-Kompaktörler-Kompaksiyon Makineleri)

Vibrokompaksiyon uygulaması yukarıdan veya yerinde yapılan geri dolgu ile biter. Bu uygulama ile zeminde %70-80 arasında rölatif sıkılık elde edilir. Vibroflotun önemli parçaları yukarıdaki şekilde gösterilmiştir.

2.1.1. Vibro Yer Değiştirme Yöntemi (Islak Yöntem)

Vibro yer değiştirme yöntemi, istenilen sıkılığın olmadığı karışık kohezyonlu ve tabakalı zeminlerde uygulanır. Şekilde görüldüğü gibi önce sondanın kendi ağırlığı, titreşim ve yüksek basınçlı su jeti aracılığı ile istenilen derinlikte kuyu şeklinde delik açılır. Eğer zemin kendini tutamıyorsa kılıf geçirilir, taş kolon malzemesi 50-100 cm bölümler halinde kuyu içine dökülür. Ardından kuyu içine dökülen malzeme vibrasyon ile sıkıştırılır. Taş kolon imal edildikten sonra üst zemin silindir ile sıkıştırılarak düzeltilir.

2.1.2 Vibro Öteleme Yöntemi (Kuru Yöntem)

Vibro öteleme yönteminde ıslak yöntem olan vibro yer değiştirme yönteminden farklı olarak su jeti yerine hava jeti kullanılır. Taş kolon uygulanacak zemin içerisine sondanın kendi ağırlığı, titreşim ve hava jeti yardımı ile istenilen derinlikte kuyu şeklinde delikler açılır. Vibro yer değiştirme yönteminde olduğu gibi açılan deliğe istenilen çaptaki malzemeler tabakalar halinde dökülür. Ardından malzemenin kuyu içinde sıkıştırabilmesi için sonda tekrar kuyu içine girer. Düşey ve yatay yönde sıkıştırma sağlanır, böylece işlem tamamlanır.

Bu yöntemde kuyu açılma yöntemi öteleme olduğu için dışarı yönde zemin tanelerinin çıkışı mümkün değildir. Yukarıda vibro öteleme yöntemi ile taş kolon imalatı gösterilmiştir.

2.2 Darbeli Yöntem (Tokmaklama)

Darbeli yöntem ile taş kolon yapımına bir boru yardımı ile zeminde kuyu açılarak başlanır. Boru, kuyu kenarlarını kapattığından ötürü zeminin kendini tutamaması gibi bir durum söz konusu değildir. Açılan kuyuya diğer yöntemlerdeki gibi seçilen malzeme tabakalar halinde yerleştirilir. Ancak diğer yöntemlerden farklı olarak her dökülen malzeme tabakasının üstüne, zemin içindeki boru yavaşça çekilip tekrar düşürülerek zeminin sıkışması sağlanır. Bu sıkıştırma işlemine tokmaklama denir. Malzeme doldurmaların ardından yapılan darbeler ile malzemeler sıkıştırıldığında taş kolon işlemi tamamlanmış olur. Darbeli yöntem ile taş kolon
imalatı yukarıdaki şekilde gösterilmiştir.

2.3 Taş Kolon İmalat Yöntemlerinin Karşılaştırılması

Yukarıda bahsedilen taş kolon imalat yöntemleri, avantajlarına ve dezavantajlarına göre aşağıdaki şekilde karşılaştırılabilir:

1. Vibro yer değiştirme yöntemi killi ve siltli zeminler için uygundur.
2. Vibrokompaksiyon yöntemi kumlu ve siltli kumlu zeminler için uygundur.
3. Kendini tutabilen, kılıfa ihtiyaç duymayan zeminlerde uygulanan vibro yer değiştirme yönteminin imalatı darbeli yönteme göre daha hızlıdır.
4. Genel olarak kuru yöntem ıslak yönteme göre daha ekonomiktir.
5. Vibro yer değiştirme yönteminde fazla su kullanılması, imalat sonrasında suyu uzaklaştırmayı gerektirir.
6. Vibro öteleme ile taş kolon imalatı, vibro yer değiştirme ile taş kolon imalatından daha temiz ve ekonomik bir yöntemdir.
7. Vibro öteleme ile taş kolon imalatı, kuyu stabilitesini sağlamak için yeraltı suyunun derinlerde olduğu ve kendini tutabilen zemin koşullarının bulunduğu bölgelerde kullanılmaktadır.
8. Darbeli yöntem ile taş kolon imalatı, işçilik maliyetlerinin uygun olması nedeniyle işsizlik oranının fazla olduğu yerlerde daha uygundur.
9. Gelişmiş ülkelerde yaygın şekilde kullanılan darbeli yöntem ile taş kolon imalatı, vibroflatasyon metotlarına göre birçok avantaja sahiptir.

3. Taş Kolonların Özellikleri

3.1. Taş Kolonun Çapı

Taş kolon imalatında taş kolonun çapı, kuyu açılacak olan zeminin kayma mukavemetine, sıkılık ve gevşeklik durumuna, imalat yöntemine ve taş kolon imalatında kullanılacak malzemenin sıkıştırma enerjisine bağlı değişkenlik gösterir. Vibro yer değştirme ve vibro öteleme yöntemlerinin imalatında belirlenen çap genel olarak 100 cm’in üzerinde değildir.

Darbeli yöntem ile taş kolon imalatında ise çap yaklaışık olarak 80 cm’dir.

Geçmişten günümüze yapılan araştırmalar sonucu zeminin mukavemeti ile kolon çapı arasındaki ilişki yukarıdaki şekilde gösterilmiştir.

3.2. Taş Kolonun Boyu

Taş kolonlar yardımı ile zemin iyileştirme yönteminde, zeminin taşıma gücünün arttırılarak oturmaların azaltılması istenmektedir. Zeminin istenilen durumları sağlaması için de kolon boyunun sert, sağlam zemine kadar uzatılması gerekir. Bu durumu sağlayacak en ekonomik taş kolon boyu ise 6 ile 10 m arasında değişmektedir.

Eğer sağlam zemin taş kolonun erişemeyeceği kadar derinde ise taş kolonlar sağlam zemine ulaşmadan sonlandırılır. Bu şekilde bitirilen taş kolonlar uç mukavemetine sahip olmadığından ötürü yüzen kolon davranışına sahiptir.

3.3. Taş Kolon Malzemesinin Dane Çapı Dağılımı

Taş kolonda kullanılan malzemelerinin (çakıl veya taş) üniform olması arzu edilen bir durum değildir. Dolayısıyla taş kolonun imalatı için kullanılan malzemenin iyi derecelenmiş olması istenmektedir. Geçmişten günümüze kadar yapılan çalışmalar incelendiğinde taş kolonda malzeme çapının 1.3-1.7 cm arasında bir değer aldığı görülmüştür. Çin standardına göre üst sınır 8,0 cm, Greenwood’un belirlediği standarda göre 7,0 cm ve Terzaghi ve
arkadaşlarının belirlediği standarda göre ise 15,0 cm’ye kadar değer alabileceği görülmüştür. Fakat dünya genelindeki uygulamalar incelendiğinde taş kolon malzeme çapı 100 cm’yi pek geçmemiştir.

3.4. Taş Kolon İçsel Sürtünme Açısı

İçsel sürtünme açısı taş kolonlar için kullanılan malzemeye göre değişmekte olup genel olarak 40◦ ile 45◦ arasında değişmektedir. Uygulama açısından bakıldığında güvenlik faktörü de dikkate alındığından 38◦ olarak kullanılması tavsiye edilmektedir.

3.5. Taş Kolon Yerleşim Aralıkları

Zemin iyileştirme yöntemlerinden biri olan taş kolon uygulamaları eşkenar üçgen yerleşimi ve dikdörtgen yerleşim olmak üzere iki farklı şekilde yapılmaktadır. Bu yerleşim şekillerinden dikdörtgen yerleşim daha çok kullanılmaktadır. Dikdörtgen ve eşkenar üçgen yerleşiminin detaylı olarak gösterimi aşağıda gösterilmiştir.

4. Yük Transfer Mekanizmalarına Göre Taş Kolonlar

4.1. Uç Mukavemetli Taş Kolon

Zeminin sert, sağlam tabakasına ulaşan taş kolonlar genellikle uç mukavemetli taş kolonlar olarak isimlendirilir. Uç mukavemetine sahip taş kolonlar, zemin ile taş kolon arasında gerilmelere, radyal yönde basınçlara ve ara kesit sürtünmelerine sahiptir. Uç mukavemetine sahip tekil taş kolonlarla grup halindeki taş kolonların çalışma sistemi aynıdır ancak taşıma güçleri ile sınır koşuları birbirlerinden farklıdır. Grup taş kolonların çevresinde yer alan zeminin sahip olduğu çevre basıncı, tekil taş kolonun çevresinde yer alan çevre basıncından fazladır. Bu duruma bağlı olarak grup taş kolonların taşıma gücü tekil taş kolonun taşıma gücünden daha fazladır.

4.2. Yüzen Taş Kolon

Taş kolon uygulaması ile iyileştirilecek zeminin özellikleri çok önemlidir. Taş kolonun uygulanacağı zeminin sağlam, sert tabakası çok derinde (taş kolonun ulaşamayacağı derinlikte) ise taş kolon yapımına son verilir. Bu şekilde yarım kalan, sağlam zemine ulaşamadan bitirilen taş kolonlar, yüzen taş kolonlar olarak isimlendirilir. Bu tür taş kolonların çalışma mekanizmaları yüzen kazıklara benzetilmektedir. Genel itibarıyla yüzen taş kolonların çalışma şekli, yükleme sonunda kolonun yanal yönde genişleyerek oturması ile taş kolon ile zemin arasındaki kayma gerilmelerinin ve pasif basınçların oluşması ile açıklanabilir. Yüzen taş kolonlar sağlam zemine ulaşmadan durdurulduğu için uç mukavemetleri çok düşüktür. Bu neden ile yüzen taş kolonların mukavemetinin çoğunluğunu yan yüzeylerden alması beklenir. Yüzen taş kolonların derinliği çapın 3-4 katından fazladır zira bu derinliğin altında bir yüzen taş kolon sisteminin çalışması beklenemez. Yüzen taş kolonların çalışma mekanizması açıkladığımız gibi kolay gözükse bile oldukça karmaşıktır.

Kaynaklar:
TAŞ KOLONLARIN SONLU ELEMANLARA DAYALI DAVRANIŞ ANALİZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI-NESLİHAN ALTUN
Durgunoğlu T (1992) Taş Kolonlar ile Zemin Islahı Üzerine Bir Uygulama, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Dördüncü Ulusal Kongresi, 21-22 Ekim 2002, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2: 2-4.
Selçuk L (2009) Zemin Sıvılaşmasına Karşı Optimum Taş Kolon Tasarımının Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Modellenmesi
Ataman Ş (2011) Darbeli Taş Kolonlar (Geopier) ile İyileştirilmiş Zeminlerin Model
Deneylerle İncelenmesi