Darbeli Kırmataş Kolon Sistemleri ile Taş Kolon Sistemlerinin Karşılaştırmalı İncelenmesi

İnce dane oranı % 20’ den küçük olan kohezyonsuz zeminlerde kolon etrafındaki zeminin sıkışmasını, kohezyonlu zeminlerde ise zemin içerisinde nispeten rijit kolonların oluşturulmasını sağlayan Darbeli Kırmataş Kolon (DKK) ve Taş Kolon (TK) sistemleri, projenin türü ve çalışılan bölgenin zemin koşulları da göz önünde bulundurularak farklı imalat yöntemleri ile değişik çap ve boylarda uygulanabilmektedirler.

1. Darbeli Kırmataş Kolon (DKK) Sistemi Nedir?

DKK sistemleri, zeminin yerini alarak düşey darbeleme enerjisi ile kırmataşın sıkıştırılması işlemine dayanmaktadır. Proje ihtiyaçlarına göre çimento groutlu kırmataş karışımının da kullanıldığı birçok imalat yöntemi ile farklı şekillerde imal edilebilen bu sistemlerden bazıları aşağıda açıklanmıştır.

1.1. Geopier GP3TM Sistemi (Forajlı)

Oturmaya hassas yapıların desteklenmesi amacıyla verimli ve ekonomik bir Orta Derinlikte Temel çözümü sunan, iyi ile zayıf zeminlerin iyileştirilmesinde kullanılan darbeli kırmataş kolon (DKK) sistemidir. Burgu ile ön delgi yapılması ve düşey darbeleme enerjisi ile kırmataşın sıkıştırılması işlemine dayanan bu yöntem, toplam ve farklı oturmaların kontrol edilmesinde ve proje ihtiyaçları doğrultusunda zemin taşıma kapasitesinin arttırılmasında oldukça etkilidir.

1.2. Impact® Sistemi (Forajsız)

Bu yöntemde, itme kuvveti ve vibrasyonlu darbe ile tasarım derinliğine kadar indirilen mandrelin kırmataş ile doldurulmasıyla imalata başlanır. Daha sonra, mandrel yukarıya kaldırılır ve aşağı itme basıncıyla sıkıştırılmış bir tabaka oluşturulur ve anlatılan bu prosedür doğrultusunda kolonun üst kotuna kadar sıkıştırılmış tabakalar oluşturulur. Sıkıştırma; statik kuvvet ve vibratörün dinamik enerjisi ile gerçekleştirilir. Darbe tokmağı, kırmataşı düşey yönde ve çevredeki zemini de yatay yönde sıkıştırır. Bu çift yönlü sıkıştırma ile; zeminin sağlamlığı artar ve oturmalar kontrol altına alınır. Bu sistem için imalat aşamaları Şekil 1’de gösterilmiştir.

 

Screenshot 7 Taş Kolon Nedir? Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Sistemleri

2. Taş Kolon Sistemi Nedir?

Gevşek granüler zeminlerin sıkıştırılması ve yeraltı suyu altındaki kohezyonlu zeminlerin iyileştirilmesi amacıyla kullanılan taş kolon elemanları, farklı imalat yöntemleri ile değişik çap ve boylarda uygulanabilmekte olup, bu yöntemlerden bazılarını aşağıdaki gibi özetlemek mümkündür (Şekil 2). Bu imalat yöntemleri sıkıştırmanın yatay vibrasyon sağlayan işlem ile yapılmasına dayanmaktatır. Bazı taş kolon imalat yöntemlerinde ise yatay vibrasyonun dahi yapılmadığı görülmekte olup, bu dergide sunulan deneysel çalışma kapsamında ayrıca yatay vibrasyon yapılmadığı durum için de kolon rijitliği araştırılmıştır.

2.1. Vibro-Kompaksiyon

Temiz kohezyonsuz zeminlerin derinlik vibratörleri kullanılarak sıkılığın arttırılması amacıyla kullanılan bu yöntemde, titreşim ve su/hava jeti kullanılarak tasarım derinliğine indirilen probun geri çekilmesi ile imalata başlanır ve kompaksiyon tepeden veya geri dolgu ile tamamlanır.

2.2. Vibro-Yer Değiştirme

Üstten Beslemeli Sistem (Islak ve Kuru): Su jeti ya da basınçlı hava ve titreşim ile istenilen derinlikte kuyu açılması ile imalata başlanan bu yöntemde, taş kolon yüzeyden taş eklenerek oluşturulur. Bu yöntemde, yumuşak malzemeleri kaldırmak ve açılan çukurun stabilizasyonunu sağlamak amacıyla su jeti kullanılır.

 Alttan Beslemeli Sistem (Kuru): Basınçlı hava ve titreşim ile istenilen derinliğe indirilen probun uç kısmına taş aktarılarak, vibrasyonlu şekilde taş kolon oluşturulur. Bu yöntemde, zemine yanal yönde yer değiştirtmek ve probun zemin içerisinde ilerlemesini sağlamak amacıyla basınçlı hava kullanılır.

Screenshot 21 Taş Kolon Nedir? Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Sistemleri

Şekil 2. Taş kolon imalat sistemleri a) vibro-kompaksiyon sistemi b) vibro-yer değiştirme üstten beslemeli sistem (ıslak)
c) vibro-yer değiştirme üstten beslemeli sistem (kuru) d) vibro-yer değiştirme alttan beslemeli sistem (kuru)
(ICE manual of geotechnical engineering, 2012)

 

Taş Kolon ile Darbeli Kırmataş Kolon (DKK)’ un Örnek Bir Projede Karşılaştırılması

Iowa’da bir yol genişletme projesi* kapsamında inşa edilecek dolgu temel zemininin iyileştirilmesi amacıyla teşkili gerçekleştirilen Taş Kolon elemanları ile Darbeli Kırmataş Kolon elemanlarının performansı karşılaştırılmıştır.

Taş Kolon elemanları büyük çaplı ve uzun seçilmiş iken, Darbeli Kırmataş Kolon elemanları küçük çaplı ve kısa, ancak doğası gereği yüksek rijitlikte seçilmişlerdir. Dolgu inşaatı öncesinde tasarım parametrelerini belirleyebilmek için arazi testleri ve tam ölçekli yükleme testleri yapılmıştır. Ayrıca, dolgu inşaatı sırasında dolgu altında oluşacak oturmaları ölçebilmek amacıyla ölçüm plakaları yerleştirilmiştir.

İnşaat sahasında dolgu altında kalınlığı 2.0m ile 13.0m arasında değişen, sıkışabilen kil ve silt birim yer almaktadır. Sahada uygulama öncesi yapılan CPT deneyleri 0.65MPa – 1MPa uç drenci ile Rf = 2-3 gibi sürtünme oranları ile sonuçlanmıştır. Tablo 1’de Taş Kolon ve Darbeli Kırmataş Kolon elemanlarına ait imalat bilgileri ve uygulama sonrası durum özetlenmiş olup, Darbeli Kırmataş Kolon ile yapılan zemin iyileştirme uygulamasında çok daha az sayıda eleman ile daha yüksek çevre sürtünmesi değerleri elde edilmiştir.

Screenshot 6 Taş Kolon Nedir? Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Sistemleri

Tablo 1. Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon elemanlarına ait imalat bilgileri ve uygulama sonrası durum.

 

Sahada ayrıca Taş Kolon ve Darbeli Kırmataş Kolon üzerinde tam ölçekli yükleme deneyleri yapılmıştır. Yaklaşık aynı boylardaki kolonlar üzerinde uygulanan deneylerin sonuçları Şekil 1’ de karşılaştırmalı olarak gösterilmiş olup, Darbeli Kırmataş Kolon elemanında ölçülen oturmalar Taş Kolon elemanına göre sınırlı kalmaktadır.

sekil1 Taş Kolon Nedir? Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Sistemleri

Şekil 1. Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon elemanları için gerilme-oturma ilişkisi

sekil2 Taş Kolon Nedir? Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Sistemleri

Şekil 2. Darbeli Kırmataş Kolon (DKK) ve Taş Kolon için aynı gerilme altında ölçülen oturma miktarları

 Screenshot 1 Taş Kolon Nedir? Darbeli Kırmataş Kolon ve Taş Kolon Sistemleri

Şekil 3. Darbeli Kırmataş Kolon (DKK) ve Taş Kolon için aynı oturma miktarında ulaşılan gerilme değerleri

 

Sahada yapılan yükleme testleri incelendiğinde, aynı gerilme değerlerinde (180kPa) ölçülen oturmalar; Darbeli Kırmataş Kolon rijitliğinin Taş Kolon rijitliğinden 6.2 kat fazla olduğunu (Şekil 2) göstermektedir. 5.0mm oturma miktarı için Darbeli Kırmataş Kolon elemanlarında 300kPa gerilme değerlerine ulaşılabildiği, Taş Kolon elemanlarında ise bu değerin 130kPa ile sınırlı kaldığı (Şekil 3) söylenebilir. Ayrıca, dolgunun 6.0m’sinin inşaasını takiben yapılan oturma gözlemlerine göre Taş Kolon elemanlarına taşıtılan dolgunun oturması, Darbeli Kırmataş Kolon elemanlarına taşıtılan dolgunun oturmasından 3.2 kat fazladır.

Sonuç olarak, Darbeli Kırmataş Kolon ile yapılan zemin iyileştirmesi sonucu, zeminlerin düşey darbeleme sayesinde taş kolonlara göre yanal olarak daha fazla sıkışması sonucu, hem oturmalar azalmakta, hem de daha yüksek taşıma güçleri elde edilmektedir. Bu özellikleri ile Darbeli Kırmataş Kolon elemanları, vibroflotasyonla imal edilen Taş Kolon elemanlarına oranla çok daha elverişli görülmektedir.

____________________________________________________________________________________________________________________

* White, D.J., Wissmann, K.J., Barnes, A.G. and Gaul A.J., 2002. Embankment Support : A Comprasion of Stone Column and Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement, Transportation Researh Board, 81st Annual Meeting, Washington D.C.