Zemin İyileştirme Nedir? Teknikleri Nelerdir?

1. Zemin İyileştirme Nedir?

Zeminler yüzlerce yıldır mühendislik özellikleri iyileştirilerek yapılaşmaya dayanıklı hale getirilmektedir. Bununla birlikte son yıllarda  zemin davranışı ve geoteknik tehlikeler üzerine elde edilen gelişmiş bilgiler birçok zemin iyileştirme tekniklerinin gelişimine ve doğrulanmasına öncülük etmiştir.

Sismik olarak aktif ve aktif olmayan bölgelerde, zemin iyileştirme teknikleri var olan zemin koşullarının olumsuz bir performans sergileyeceğinin düşünüldüğü alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır, Olumsuz performans birçok biçimde ortaya çıkabilir, fakat genellikle kabul edilemez büyük zemin hareketleri olarak ifade edilirler. Hareketler yatay ve düşey bileşenlere sahip olabilirler ve deprem hareketi sırasında ve/veya sonrasında oluşabilirler.

Deprem harekelinin olmadığı durumlarda kabul edilmeyen hareketler genellikle yetersiz zemin dayanımı/mukavemeti ve/veya sertliği nedeniyle oluşulur. Sonuç olarak, çoğu zemin iyileştirme teknikleri zemin yapısının mukavemetini ve sertliğini arttırmak için uygulanırlar.

Zemin iyileştirme tekniklerine yapıların statik yükleri altında istenen performansı gösteremediği anlaşılan zeminlerde de sık ihtiyaç duyulmaktadır. Beliren problemler ve bunlardan kaynaklanan zararlar zayıf zemin koşullarında gerçekleştiğinden, başlangıç veya referans noktası arazinin, zemin ve yeraltı suyu koşullanılın genel bir değerlendirmesi olmalıdır. Tasarım ve projenin gereksinimleri kısmen iyi zemin koşullarında da iyileştirme işleri yapılmasına yol açabilir. İyileştirme gerektiren zayıf ve problemli zemin koşullarının ve iyileştirme yapılmasını öngören tasarım ve yapım gereksinimlerinin incelenmesinden sonra uluslararası alanda uygulanan tüm teknikler değerlendirilmelidir (Ergun ve diğ., 2005).

Zemin iyileştirmesinde uygulanabilecek yöntemler iki esasa dayanmaktadır:

1. Zemini, sismik kuvvetler altında zemin tabakasının dayanımını kaybederek göçmeye ya da aşırı şekil değiştirmeye maruz kalmasını engelleyecek şekilde iyileştirmek
2. Sismik yükler anında ortaya çıkan aşırı boşluk suyu basıncının hızla sönümlenmesini sağlamak.

Grouting (harçlama ya da harç enjeksiyonu) yaygın bir biçimde kullanılan zemin/kaya iyileştirme yöntemlerindendir. Amaç kayalann fısürlerini ve kum, çakıl ya da alüvyon türü zeminlerin boşluklarını doldurmak ve zemini daha yoğun ve sıkı hale getirmektir. Başarılı bir harç enjeksiyonunun ön koşullarından birisi de enjeksiyon öncesi ve sonrası yeterli ve ayrıntılı zemin araştırmalarının yapılmış olmasıdır (Çinioioğlu, 1997).

Bir proje kötü zemin koşullarına sahipse, olası alternatif çözümler aşağıdaki gibi olmaktadır:

• Varolan kötü zeminden kaçınma. Yeni yer seçimi.
• Yapının tasarımını değiştirme. Çeşitli temel türleri zeminin (kötü) etkisini ortadan kaldırmak için tasarlanabilir. Oturma nedeniyle zarara yol açmayacak çok sağlam bir yapı tasarımı sağlanabilir ya da farklı hareketleri/kuvvetleri karşılayacak olan veya dengelemesine izin veren çok fleksibıl inşaat yöntemi seçilebilir. Çözüm, genelde duraylılık, deformasyon ve/veya sızıntı gibi parametrelerle ilişkili gelişen geoteknik performansa bağlı olacaktır.
• Uygun olmayan zeminlerin kazınarak atılması.
• Varolan kaya ve zeminin iyileştirilmesi.

Benzer seçenekler, temeller, yollar, barajlar, vb. inşaatlar için ihtiyaç duyulan iyi kalite granüler malzemenin olmaması durumunda da hesaba katılmalıdır.

2. Zemin İyileştirme Teknikleri

Zemin/kaya iyileştirme teknikleri dört ana gurupta sınıflandırılabilir. Mekanik, hidrolik, fıziksel/kimyasal ve Katılma/Dâhil Edilme (inclusion ve confinement) yapılan iyileştirmelerdir.

2.1. Mekanik İyileştirme

Zeminin yoğunluğu kısa süreli dış mekanik kuvvetler uygulanarak arttırılabilir. Başka bir deyişle, mekanik yöntemle yer iyileştirilmesi dış kuvvetlerle zeminin yoğunlaştırılması anlamına gelmektedir. Çoğu pratik uygulamalarda, mekanik iyileştirme kompaksiyon ile aynı anlamda kullanılmaktadır. Klasik anlamıyla kompaksiyon, satüre olmamış bir zemini hava ile dolu boşluk hacmini azaltarak yoğunlaştırmak anlamına gelmektedir. Kompaksiyon ani ağır yükler ya da dinamik yüklerin uygulanması ile birlikte zemin partiküllerinin daha yakın olarak paketlenmesi olarak tanımlanabilir.

Bazı zemin temellerinin ya da kaya partiküllerinin sıkıştırılarak ezilmesi bu yoğunlaşmaya yardım etmektedir. Kompaksiyon partiküllerin yeniden düzenlenmesi sağlamak ve boşluk oranını azaltmak amacıyla zemine mekanik enerji uygulamaktır. Genellikle olası en düşük boşluk oranı elde etmek istenir ve bunun üç nedeni vardır:

1. Maksimum kayma mukavemeti yaklaşık olarak minimum boşluk oranında oluşur.
2. Büyük hava boşlukları hizmet sırasında yapının oturmasına yol açacak şekilde yapı yükleri kompaksiyon oluşmasına kılavuzluk ederler.
3. Eğer zeminde hava boşlukları varsa zeminin kayma mukavemetini azaltabilecek şekilde su ile dolmasını sonuçlayabilir.

Bazı doğal kohezyonsuz zeminler özellikle su altında birikmiş bazı üniform ince kumlar çok kararsız olan zayıf bir yapıya sahiptir. Bu zeminlere yüklenmeden (yapı yapılmadan) önce kompaksiyon (sıkıştırma) yapılmalıdır.

Kompaksiyon kuru yoğunluğa bağlı olarak değerlendirilir. Bu aşağıdaki parametrelerin bir fonksiyonudur:

1. su içeriği
2. zemine uygulanan kompaktif çaba
3. zeminin doğası

Kompaksiyon ile konsolidasyon ve stabilizasyon işlemleri arasında açık bir fark vardır. Uzman olmayanlar için stabilizasyon genel olarak deformasyonundaki bir azalma ve mukavemetteki bir artışa işaret edebilir. Yol mühendisliği ve zemin mekaniğinde kullanıldığında, genelde karışımlarla/katkı maddeleriyle oluşturulan fizikokimyasal reaksiyonlar ya da çevresel değişimlerle tetiklenen zemin iyileştirme anlamına gelir.

Konsolidasyon ise zemin kütlesinin hacminin, suyun çekilmesi ile azaltıldığı bir işlemdir. Klasik konsolidasyon teorisinde modellendiği gibi su fazından katı fazına stres transferini içermektedir. Bu genellikle satüre olmuş zeminlerde statik yüklerin ya da elektrik kuvvetlerin uzun süreli uygulanması ile başarılmaktadır.

2.2. Hidrolik İyileştirme

Serbest boşluk suyu drenler ya da kuyular yolu ile zeminden uzaklaştırılabilir. İri taneli zeminlerde, bu kuyular ve trençler ile pompalama yoluyla yeraltı su seviyesinin düşürülmesi ile başarılırken, ince taneli zeminlerde ise dış yükler (preloading) ve elektrik kuvvetler (elektrokinetik stabilizasyon) in uzun süreli uygulamamalarına ihtiyaç duyulur.

Geçirgen olmayan bariyerlerin (diyafram duvarlar, geomembranlar vb.) yapılması ve sızıntı kontrolü için basınçlı hava tekniklerinin kullanımı zemin iyileştirme tekniklerinin dışında teknikler olarak düşünülmektedir.

Zeminin suyunun alınması (dewatering) inşaat ve maden projelerinde aşağıda belirtilen bir ya da birçok nedenle yapılmaktadır:

• Kuru bir çalışma alanı sağlamak (bina temelleri, barajlar, tünellerde olduğu gibi)
• Yapay ya da doğal şevleri stabilize etmek.
• Temeller ya da istinat duvarları üzerindeki yatay basınçları azaltmak,
• Granüler zeminlerin kompresibilitesini azaltmak.
• Temellerin taşıma gücünü arttırmak.
• Komşu malzemelerin çalışabilirilik karakteristiklerini iyileştirmek.
• Yukarı doğru gradiyent nedeni ile sıvılaşmanm önlenmesi.
• Depremler sırasında oluşacak potansiyel sıvılaşmayı azaltmak.
• Yeraltı suyu nedeniyle zemin partikül hareketinin önlenmesi.
• Yüzey aşınmasının/erozyonunun önlenmesi.

2.3. Fiziksel ve Kimyasal İyileştirme

Yüzey tabakaları ya da zemin tabakaları için fiziksel olarak karışmış harçlarla stabilizasyon karışım iyileştirmesi olarak adlandırılabilir. Karıştırılan malzemeler; doğal zeminler, atık ya da ürün olarak endüstriyel malzemeler, çimentolar ve diğer kimyasallar olarak zeminle reaksiyona sokularak zemin iyileştirilmeye çalışılır. Yeri ısıtarak veya dondurarak zemin stabilitesi termal iyileştirme teknikleri olarak bilinir. Isıtma suyu buharlaştırırı ve zeminlerin mineral yapısında kalıcı değişimlere neden olur. Donma suyun kısmen ya da tamamen katılaşmasına ve partiküllerin birlikte bağ yapmasına neden olur.

Karıştırma ya da katkı maddeleriyle zemin iyileştirilmesinde amaç aşağıda verildiği gibidir:

• Mukavemeti arttırmak
• Deforme olabilirliği azaltmak
• Hacim stabilitesini sağlamak
• Permeabiliteyi azaltmak
• Aşındırma (erodibility) özelliğini azaltmak
• Değişkenliği kontrol etmek

Zemin/kaya iyileştirmelerine yönelik grouting yöntemleri; aşağıdaki biçimde sınıflandırılabilirler (Çinicioğlu, 1997):

2.4. Penetrasyon Enjeksiyonları

2.4.1. Permeasyon (Sızdırma) Enjeksiyonu

Zemin tanelerinin konumu bozulmadan harcın zemin taneleri arasındaki boşluklara girmesi sağlanır.

2.4.2. İntrüzyon Enjeksiyonu

Yarık ve çatlaklara enjeksiyonun girmesinin sağlanmasıdır.

2.5. Deplasman Enjeksiyonu

Bu enjeksiyon yöntemi zeminin yer değiştirerek sıkışmasına ve sıklaşmasına neden  olur. İki grup altında sınıflandırılır.

2.5.1. Kompaksiyon Enjeksiyonu

Bu yöntemde kontrollü uygulama ile sonuca ulaşılır.

2.5.2. Hidrolik Çatlama

Kontrolsüz uygulama ile zemin içine büyük hızla giren harç zayıf bölgelerde yapraklanmaya neden olur.

2.5. Jet Enjeksiyon (Jet Grouting)

Jet Grout Yöntemi dönen bir uçtan verilen yüksek hızlı su jeti uygulanması ile kesilen zemine yatay  ağızlıklardan harç püskürterek zeminin hem yer değiştirmesi hem de harçla karışmasını sağlayan yöntemdir. Yöntem bu nedenle yer değişimi/ malzeme değişimi  (deplasman/replasman) yöntemi olarak tanımlanabilir. Depremler sırasında, diğer faktörler zeminin olumsuz performasını etkilerler. Örneğin, boşluk suyu basıncının artması büyük deformasyonlara neden olabilir. Maliyet ve tür olarak çeşitli zemin iyileştirme teknikleri mevcuttur. Zeminin mühendislik özelliklerini iyileştirmek üzere kullanılan mekanizmalara göre en yaygın zemin iyileştirme yöntemleri dört temel kategoriye ayrılabilir:

• Yoğunluk arttırma teknikleri,
• Güçlendirme (reinforcement) teknikleri,
• Grouting/kanştırma teknikleri
• Drenaj teknikleri.

2.6. Katılma Dahil Edilme ile Zemin İyileştirme

Fiberler, çubuklar, ağlar şeritler gibi yapay unsurlar ile güçlendirme, zemin kütlesine bir mukavemet sağlamaktadır. Yerinde yapılan güçlendirmeler ankrajlar ve zemin çivileriyle başarılmaktadır. Zemin güçlendirme kavramı, özgün kullanımına göre güçlendirilmiş zemin tansiyon gerilmelerine karşı mümkün 0lan bir malzeme ile güçlendirme anlamına gelmektedir.

Güçlendirilmiş bir zemin kütlesinin temel amacı taşıma gücünü arttırarak stabilitesini geliştirmek ve oturmalar ile yatay deformasyonları azaltmaktır. Zemin güçlendirilmesinin daha geniş bir tanımı ayrıca, aşındırma/erozyon kontrolü ve ankraj ve kazıklar yardımıyla stres transferini sağlayan yöntemleri içermektedir.Zemin güçlendirmesi nispeten fleksibıl, genişleyebilir ve bazen sıkışabilir malzemelerle başarabilmektedir.

2.7. Sıkılaştırma Teknikleri

• A) Vibro-Teknikleri
  • A1) Vibro-Flotasyon Teknikleri
  • A2) Vibro-Çubuk Teknikleri
• B) Dinamik Kompaksiyon Teknikleri
• C) Blasting Teknikleri
• D) Kompaksiyon Grouting

2.8. Güçlendirme Teknikleri

• Taş Kolonlar
• Kompaksiyon Kazıklar

2.9. Grouting ve Karıştırma Teknikleri

Grouting Teknikleri

• A1) Permeasyon Grouting
• A2) Intruzyon Grouting

B) Karştırma Teknikleri

• B1) Zemin Karıştırma
• B2) Jet-Grouting

Kaynak: Zeminlerin Geoteknik ve Jeofizik Analizi-Ferhat ÖZCEP SYF,360-365