Temel Zeminlerinin Enjeksiyon Tekniğiyle İyileştirilmesi

ÖZET

Bu çalışma zeminlerin farklı enjeksiyon teknikleriyle iyileştirilmesine ve bu tekniklerin hem zemin hem de enjeksiyon parametreleri bakımından karşılaş­tırılmasına yöneliktir. Permeasyon, kompaksiyon, çatlatma ve ülkemizde de yaygın olarak kullanılan jet enjeksiyonu teknikleri, enjeksiyon malzemesinin zemin içerisine işleyiş mekanizması başta olmak üzere detaya inilmeksizin açıklanmaya çalışılmıştır.

GİRİŞ

Zemin enjeksiyonu, temel olarak akışkan malze­melerin basınç altında zemin içerisindeki boşluk­lara enjekte edilmesidir. Buradaki amaç zeminin ya da kaya kütlesinin mühendislik özelliklerini iyi­leştirmektir. Nitekim bu iyileştirme zeminin gerilme-deformasyon ve dayanım gibi mekanik özellikleri ile geçirimlilik gibi hidrojeolojik özellikleri değiştiri­lerek elde edilir.

Enjeksiyon teknolojisinin kökeni diğer zemin iyi­leştirme teknikleri gibi eskiye dayanmakla bera­ber bu teknoloji hem yeni enjeksiyon malzemeleri hem de bu malzemelerin zemin içerisine nüfuz ettirilmesi bakımından sürekli bir gelişim içerisinde­dir. Enjeksiyon tekniği, başlangıçta su sızıntılarını önlemek ve dayanım kontrolü için maden endüst­risinde ve baraj temellerinde sızdırmazlık perdesi oluşturulmasında uygulanmaya başlanmış, daha sonra inşaat mühendisliğinde de tünel kazımı esnasında gevşek zeminlerin ve parçalı kayaların stabilizasyonunda, sondaj ve numune alma esna­sında su problemlerinin çözümünde, zemin içeri­sindeki boşlukların doldurularak aşırı oturmaların engellenmesinde, hem mevcut hem de yeni inşaa edilecek yapıların zemin emniyet gerilmelerinin arttırılmasında ve özellikle de son 10-15 yıllık bir süreç içerisinde tünel kazımı dolayısıyla yüzeydeki veya yakın çevredeki yapılarda meydana gelebilecek zararlı oturmaların engellenmesinde ve deprem esnasında sıvılaşabilecek gevşek, suya doygun granüler zeminlerin sıvılaşma potansiyellerinin azaltılmasında kullanılmıştır.

Burada dikkatle üzerinde durulması gereken nokta, bütün bu uygulamalar için aynı enjeksiyon malze­mesinin ve enjeksiyon parametrelerinin kullanıla­mayacağıdır. Enjeksiyon malzemesi ve enjeksiyon parametreleri (enjeksiyon basıncı, enjeksiyon hızı, enjekte edilen hacim vs.) zemin koşullarına (dane çapı dağılımı, rölatif sıkılık, geostatik gerilmeler vs.) ve uygulama amacına yönelik olarak tasarlanmalı­dır. Dolayısıyla bu çalışmanın amacı farklı enjeksi­yon tekniklerini, uygulama bazında ve enjeksiyon parametreleri ile zemin koşullarıyla olan ilişkileri doğrultusunda karşılaştırmaktır.

ENJEKSİYON TEKNİKLERİ

Enjeksiyon teknikleri enjeksiyon malzemesinin zemin içerisine yerleştirilme biçimine bağlı olarak değişmektedir. Fakat enjeksiyon malzemesinin özelliğine bağlı olarak da (çimento enjeksiyonu veya kimyasal enjeksiyon) bir ayrım yapılabilir.

Zemin içerisine yerleştirilmesine göre temel enjek­siyon teknikleri Şekil 1 ‘de gösterilmiştir.

Emdirme (Permeasyon) Enjeksiyonu:

Bu enjeksiyon tekniğinde düşük vizkoziteli enjek­siyon malzemesi, zemin içerisindeki boşluklara, düşük basınçlarda nüfuz etmekte dolayısıyla zemi­nin hacmi ve yapısında bir değişiklik meydana getirmemektedir. Zemin içerisine enjekte edilen malzeme zamanla sertleşmekte ve böylece zemi­nin mekanik ve hidrojeolojik özelliklerini değiştir­mektedir.

Emdirme enjeksiyonunda hem süspansiyon türünde olan çimento şerbeti hem de koloit yapı­daki saf kimyasal çözeltiler kullanılabilir. Fakat zeminin geçirimliliği azaldıkça hem teknik hem de ekonomik zorluklar artmaktadır.

Zeminin geçirimlilik katsayısı, k, açısından baktığı­mızda silikat karışımlar için permeasyon limiti 10-³ cm/s , en pahalı reçine malzemeler içinse 10-⁴ cm/s civarındadır.

Tablo 1 aşağıdaki faktörleri göz önüne alarak per­measyon enjeksiyonu için genel bir çerçeve oluş­turmaktadır.

• Temel reolojik kategoriler ve enjeksiyon malze­ mesi türleri
• Enjekte edilecek zemine bağlı olarak uygulama alanları
• Geçirimlilik katsayısı ve özgül dane yüzeyi cinsin­den yaklaşık enjekte edilebilirlik sınırları
• Temel enjeksiyon teknikleri

Son yıllarda yeni çimento karışımları üzerinde çalışılmış ve normal portland çimentoları ile permeasyonu mümkün olmayan zeminler enjekte edilebilmeye başlanmıştır. Bu sayede daha ince daneli zeminlerin de iyileştirilmesi mümkün olmuş ve hem çevresel koruma hem de ekonomik açıdan olumlu sonuçlar elde edilmiştir.

Yukarıda sözü edilen bu karışımlar çok ince daneli çimentolar (microfine cements) ve değişik katkı malzemeleri kullanılarak elde edilmiştir. Bu sayede elde edilen karışımlar için segregasyon (karışım içe­risindeki çimento veya katkı malzemesi danelerinin zamanla çökmesi ve karışım suyundan ayrılması) ve filtrasyon oranları (karışım içerisindeki danelerin zemin tanecikleri tarafından tutulması ve enjeksiyo­nun engellenmesi) çok daha az, vizkozite paramet­relerinden olan akma değeri belli bir süre boyunca sabit ve daha düşük, uzun vadedeki dayanım daha yüksek ve geçirimlilik daha azdır.

Silikat bazlı çüzeltilerde de hem teknik hem de çev­resel açıdan bakıldığında yüksek kararlılıkta ve kris­tal yapıda yeni tip karışımlar elde edilmiştir.

Son 10-15 yıllık literatür taraması yapıldığında enjeksiyon malzemelerinin reolojik özellikleri (viz­kozite ve zamanla değişimi, statik ve basınç altın­daki segregasyon miktarı, filtrasyon oranı, ilk ve son priz zamanı), bu özelliklerin farklı dane çapı dağılımındaki zeminlere enjekte edilebilirliği nasıl etkilediği ve değişik pozolanik katkı maddelerinin bu özellikleri nasıl değiştirdiği hakkında birçok çalışma olduğu görülecektir. Dolayısıyla kritik olan husus zeminin geoteknik özelikleriyle enjeksiyon malzemesinin reolojik özelliklerinin tam olarak belirlenmesi ve bu özelliklerin birbirleriyle uyumlu olarak biraraya getirilmesidir.

Yüzeysel derinliklerde enjeksiyon işlemi tek aşa­mada yapılabilir. Bu durumda enjeksiyon kuyusu tasarım derinliğine kadar açılır ve enjeksiyon borusu yardımıyla yukarıya doğru enjeksiyon işlemi gerçekleştirilir. Alternatif olarak kuyu açılırken de enjeksiyon işlemi yapılabilir. Kuyu belli bir derinlikte açıldıktan sonra enjeksiyon borusu indirilir ve açılan derinlik boyunca enjeksiyon işlemi gerçekleştirilir. Bu durum tasarım derinliğine kadar tekrar ettirilir.

Kademeli enjeksiyon işlemi ise rölatif olarak yüksek enjeksiyon basınçlarının gerektiği daha derin zemin lerde ve daha efektif bir permeasyon için uygulanır. Burada enjeksiyon kuyusu belli bir derinliğe kadar açılır ve enjeksiyon yapılır. Enjeksiyon malzemesi sertleştikten sonra kuyu biraz daha derinleştirilir ve tekrar enjeksiyon yapılır (Şekil 2). Kademeli enjek­siyon derinliğin artması, enjeksiyon basıncının artı­rılmasını sağlar ve yüzeydeki sızıntıdan meydana gelebilecek enjeksiyon malzemesi kaybını engel­ler.

Herhangi bir zemin enjeksiyonu uygulamasında ve özellikle tüneller için enjeksiyon işleminin enjekte edilen malzeme hacmi cinsinden zamana bağlı kontrolü büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla her ne kadar uzun zaman önce kullanılmaya başlansa da Tube a’ Manchette tipi enjeksiyon borusu hala en uygun sistem olarak görülmektedir.

Tube a’ Manchette, üzerinde yaklaşık 8 mm çaplı küçük deliklerin bulunduğu bölmelerden oluşan ve çapı 37.5 ve 62.5 mm arasında değişen çelik bir borudur. Delikli bölmeler yaklaşık 30 cm ara­lıklı olup tek yönlü vana gibi çalışan lastik kılıflarla kapatılmışlardır (Şekil 3). Muhafaza borusu yardı­mıyla enjeksiyon kuyusu istenilen tasarım derinli­ğine kadar açıldıktan sonra tube a’ manchette kuyu içerisine indirilir. Daha sonra muhafaza borusu yukarı çekilir ve tube a’ manchette ile kuyu duvarı arasındaki boşluk zayıf dayanımlı bir enjeksiyon malzemesi olan kil-çimento veya bentonit karışı­mıyla doldurulur. Asıl enjeksiyon işlemi ise tube a’ manchette içerisine uç kısmı delikli ve U-tıkaçlarla kapalı olan küçük çaplı bir enjeksiyon borusu indi­rilerek gerçekleştirilir. Tıkaçlar tube a’ manchette üzerindeki delikli bölmelerden herhangi biri üzerine merkezlenebilir. Enjeksiyon işleminin başlamasıyla beraber lastik kılıf ve tube a’ manchette ile kuyu duvarı arasındaki zayıf enjeksiyon malzemesi yırtı­lana kadar enjeksiyon basıncı artacaktır. Lastik kılıf­ların tek yönlü çalışması enjeksiyon malzemesinin tube a’ manchette içerisine geri girmesini engelle­yecek, tube a’ manchette ile kuyu duvarı arasındaki zayıf enjeksiyon malzemesi de meydana gelebile­cek sızıntıları önleyecektir.

Tube a’ manchette kullanımı, aynı enjeksiyon deli­ğinden birden fazla enjeksiyonun değişik enjeksi­yon malzemeleriyle yapılabilmesini sağlamaktadır. Fakat yoğun şehir merkezlerinde veya çalışma alanı yetersizliğinde tube a’ manchette sisteminin yer yüzeyinden, kuyulardan veya tünel yüzeylerin­den kurulması uygun olmayabilir. Bu durumlarda tube a’ manchette sisteminin yeni geliştirilen yatay yönlü foraj (horizontal directional drilling) sistemi ile yerleştirilmesi söz konusudur.

Kompaksiyon Enjeksiyonu:

1980 yılında toplanan ASCE Enjeksiyon Komitesi, kompaksiyon enjeksiyonunu 25 mm’den daha az çökme değeri olan, yeterli plastisiteyi sağlayacak kadar silt ve içsel sürtünmeyi sağlayacak kadar da kum içeren katı enjeksiyon malzemesinin, zemin boşlukları içerisine girmeksizin enjeksiyon noktası etrafında giderek genişleyen bir kütle oluşturacak ve bu sayede etrafındaki gevşek zeminleri sıkıştı­racak şekilde yüksek basınçlarda enjekte edilmesi olarak tanımlamıştır (Şekil 4).

50 yıl kadar önce ABD’de uygulanmaya başlayan yöntem, çoğunlukla zayıf veya yumuşak zeminlerin sıkıştırılmasında, temel ve döşemelerin alttan des­teklenmesinde, yapı oturmalarının kontrol edilme­sinde, farklı oturmalar gösteren yapı temellerinin rehabilitasyonunda ve tekrar eski seviyelerine yük­seltilmesinde kullanılmıştır.

Kompaksiyon enjeksiyonu ile permeasyon enjeksi­yonu arasında hem enjeksiyon parametreleri hem de uygulanabilecek zeminler arasında büyük fark vardır. Kompaksiyon enjeksiyonunda çok katı bir enjeksiyon malzemesi ve çok yüksek basınç­lar (3.5 MPa’a kadar) gerekmektedir. Dolayısıyla zeminin orijinal yapısı bozulmakta ve bu sayede radyal olarak sıkıştırılabilmektedir. Ayrıca kompak­siyon enjeksiyonu tüm zeminlere uygulanabilirken permeasyon enjeksiyonunun uygulanabilirliği, burada zemin içerisindeki boşluklara nüfuz etme söz konusu olduğundan, hem zeminin dane çapı dağılımı hem de enjeksiyon malzemesinin dane çapı dağılımı tarafından belirlenmektedir.

Literatür çalışmaları göz önüne alındığında kom­paksiyon enjeksiyonunun başarılı sonuçlar vermesi enjeksiyon malzemesinin katı ve yüksek vizkozi-tede olmasına bağlıdır. Bu yüzden karışımlarda plastisiteyi gereğinden fazla artıracak silt ve gere­ğinden fazla mobilite sağlayacak bentonitin kulla­nılmaması öngörülmektedir. Karışımda kullanılacak kum için de tercih edilen dane çapı dağılım aralığı Şekil 5 ‘de gösterilmiştir.

Kompaksiyon enjeksiyonunun son 10 yıllık bir süreç içerisinde sıvılaşmayı önleyici bir teknik olarak da kullanılmaya başlandığını görmekteyiz. Gerçekten Boulanger ve Hayden (1995) kompaksiyon enjeksi­yonunun sıvılaşmayı önlemek için kullanıldığı geniş bir vaka analizleri özeti hazırlamışlardır. Vaka analiz­lerinde, bu enjeksiyon tekniğinin siltli kumlarla siltli zeminlerin SPT ve CPT direnç değerlerini önemli ölçüde artırdığı belirtilmiştir. Fakat şu da unutulma­malıdır ki kompaksiyon enjeksiyonu sonucu zemin içerisinde oluşturulan kütlenin uzun vadede de yeterli dayanımda olması gerekir. Ayrıca bu tekniğin çok yumuşak killerde uygulanması ekstra boşluk suyu basınçları oluşturacak bu da uzun vadede oturmalara yol açacaktır. Dolayısıyla bu hususların uygulama öncesinde enjeksiyon parametreleri ve enjeksiyon malzemelerinin tasarımı esnasında göz önünde bulundurulması gerekir.

Çatlatma Enjeksiyonu:

Çatlatma enjeksiyonu Avrupa’da ortaya çıkmakla beraber diğer enjeksiyon tekniklerine göre daha yenidir. Burada zeminin kontrollü bir şekilde, kararlı fakat düşük vizkoziteli çimento enjeksiyonu ile yüksek basınçlarda (4 MPa) çatlatılması söz konu­sudur. Bu enjeksiyon tekniği temel olarak permeasyon enjeksiyonunun mümkün olmadığı düşük geçirimliliğe sahip, ince daneli zeminlerin stabilizasyonunda uygulanmaktadır. Çatlatma enjeksiyo­nunun gelişimi tünel veya kazı aktiviteleri esnasında meydana gelen oturmaları önleme (kompense etme) çalışmalarına dayanmaktadır.

Çatlatma enjeksiyonu sonucunda zemin içeri­sinde ağaç dallarına benzer bir şekilde sertleşmiş çimento kanalları oluşmakta ve bu sayede zemin kontrollü bir şekilde ve bölgesel olarak sıkıştırıl­maktadır (Şekil 6). Çimento şerbeti başlangıçta yüksek basınçlarda enjekte edilmekte ve zeminin çatlamasıyla beraber oluşan çatlaklar çimento ile doldurulmaktadır. Oluşan çatlakların boyu, genişliği ve hacmi enjeksiyon basıncına ve mevcut geostatik gerilmelere bağlıdır.

Teorik olarak bakacak olursak, normal konsolide, homojen bir zemin içerisinde meydana gelecek ilk çatlaklar düşey doğrultuda (büyük asal gerilme doğrultusunda) olacak, bu sayede yatay gerilmeleri artıracak ve zemini sıkıştıracaktır (Raabe ve Esters, 1990). Eğertube a’ manchette sistemi ile aynı nok­tadan birden fazla enjeksiyon işlemi tekrarlanacak olursa asal gerilmelerin doğrultuları değişecek ve yatay yönde çatlaklar meydana gelmeye başlayacaktır. Bu da sonuç olarak (bazen ani bir şekilde) yer yüzeyinde ya da üst yapılarda kabarmaya neden olacaktır. Fakat pratikte, meydana gelecek çatlak­ların yönü zemin içerisinde mevcut çatlaklara, zayıf bölgelere veya fisürlere bağlı olarak değişmektedir (Rawlings vd., 1998).

Bu tip enjeksiyon türünün uygulanmasında datube a’ manchette kullanılmakta ve örneğin tünel kazımı esnasında meydana gelen oturmalara bağlı olarak aynı noktadan birden fazla gerektiğinde farklı enjek­siyon malzemeleriyle enjeksiyon yapılabilmektedir.

Literatürdeki vaka analizleri incelendiğinde çat­latma enjeksiyonunda kullanılan çimento şerbeti­nin su/çimento oranlarının nispeten daha yüksek olduğu ve karışıma mobilite vermek için başta bentonit olmak üzere değişik katkı malzemelerinin kullanıldığı görülmektedir. Bu açıdan kompaksiyon enjeksiyonundan ayrılmaktadır.

Jet Enjeksiyonu:

Bu enjeksiyon türünde tasarım derinliğine kadar, su kullanılarak delgi yapılmakta ve delgi için kullanılan tijlerin ucundaki nozullardan yüksek basınçlarda çimento şerbeti zemine jetlenmektedir. Bu jetleme esnasında tijler de belirli bir hızla döndürülmekte ve yine belirli bir hızla da zemin içinde aşağıdan yuka­rıya doğru çekilmektedir. Böylece, belirli bir çapta ve boyda zemin içinde silindirik bir kolon oluşturul­maktadır (Şekil 7). Jetleme esnasında kolon çapını artırabilmek için çimento jeti yanında hava ve su jetleri de kullanılabilmektedir. Buradaki mekaniz­madan anlaşılabildiği gibi jet enjeksiyonu aslında bir enjeksiyon tekniği değil bir karıştırma yöntemidir. Sonuçta zemin içerisinde beton-zemin karışımı yüksek dayanımlı ve geçirimliliği düşük kolonlar elde edilmektedir. Bu yönüyle jet enjeksiyonu diğer enjeksiyon türlerinden kesin olarak ayrılmaktadır.

Jet enjeksiyonu sonucu zemin içerisinde oluşturu­lan kolonlar, temeller, döşemeler ve dolgular altında taşıma gücü ve oturma kontrolü için kullanılabi­leceği gibi yumuşak zeminlerde açılan tünellerde tünel kesiti üzerinde taşıyıcı şemsiye, yine yumuşak killerdeki derin kazılarda kazı tabanı altında payanda elemanı olarak da kullanılabilir. Ayrıca Durgunoğlu (2004) bu enjeksiyon tekniğinin sıvılaşma riskinin azaltılması gayesiyle kullanımına ait bir metodoloji ve tasarım yöntemi de göstermiştir.

Ülkemizde de yaygın olarak kullanılan jet enjeksi­yonunun, bir zemin iyileştirme tekniği olarak dün­yanın birçok bölgesinde, özellikle de Japonya, Avrupa ve ABD’de uygulanıyor olmasına rağmen halen bir tasarım standardı bulunmamaktadır.

Uygulamanın maliyeti, jet enjeksiyonunun devam eden gelişimini kısmen düşürmüştür. Fakat Japonya’da çok yüksek çapta (5 m’ye kadar) kolonlar oluşturabilme metodu geliştirilmiş ve bu sayede enjeksiyon noktalarının sayısı azaltılarak maliyet düşürülmüştür. Bu teknoloji Japonya ve ABD’de SuperJet Enjeksiyonu (Şekil 8), Avrupa’da ise Soilcrete-DS (Toprakarme) Enjeksiyonu olarak bilinmektedir.

incelenmiştir. Değişik enjeksiyon tekniklerinde enjeksiyon malzemelerinin zemin içerisine işleyiş mekanizmalarının farklı olduğu vurgulanmış ve uygulanması gereken enjeksiyon tekniği ile tasa­rım parametrelerinin mevcut zemin koşullarına ve uygulama amacına göre seçilmesi gerektiği belir­tilmiştir.

REFERANSLAR

1. Bell, F.G., ‘Engineering Treatment of Soils’, E&FN SPON, London, 1993

2. Boulanger, R.W., and Hayden, R.F. (1995), ‘Aspects of Compaction Grouting of Liquefiable Soil’, Journal of Geotechnical Engineering , ASCE, Cilt 121,No.12.

3. Committee on Grouting of the Geotechnical Engineering Division, 1980, Preliminary Glossary of Terms Relating to Grouting, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Cilt 106, No. GT7, s. 803-815.

4. Durgunoğlu, H.T., ^‘Yüksek Modüllü Kolonların Temel Mühendisliğinde Kullanımı’, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onuncu Ulusal Kongresi, 2004.

5. Gallavresi, F., ‘Grouting Improvement of Foundation Soils’ Grouting, Soil Improvement and Geosynthetics, Geotechnical Special Publication, ASCE, 1992, Cilt 1, s. 1-39.

6. Raabe, E. W., Esters, K., ‘Soil Fracturing Techniques for Terminating Settlements and Restoring Levels of Buildings and Structures’, Ground Engineering, Mayıs 1990, s. 33-45.

7. Rawlings, C.G., Helliwell, E.E. ve Kilkenny, W.M. (1998). CIRIA Report CP/56 Mart 1998-Grouting for Ground Engineering.

8.Warner, J., ve Brown, D.R. (1974), ‘Planning and Performing Compaction Grouting’, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE,
Cilt 100, No. GT6, s. 653-666.

TMH – TÜRKIYE MÜHENDISLIK HABERLERI SAYI 430 – 2004/2

Yazıyı Pdf formatında indirmek için buraya tıklayınız!