Fore Kazik

Zemin Mekani i ve Temel Mühendisli i Onikinci Ulusal Kongresi 16-17 Ekim 2008, Selçuk Üniversitesi, Konya

GEOSENTET K DONATILI ST NAT DUVARLARININ JETGROUTING VE FORE KAZIK S STEMLER YLE BERABER UYGULANMASI A CASE STUDY IN WHICH JET-GROUTING AND PILING SYSTEMS HAVE BEEN USED TO SUPPORT A GEOSYNTHETICALLY REINFORCED RETAINING WALL Bora BERK1

Osman PEKARUN 2

Arif ÇINAR 3

Kaan DO ANI IK4

ABSTRACT The expansion of big cities towards isolated places such as old/uncontrolled fill sites has created the need of soil replacement or soil improvement. Due to high costs of excavation in populated big cities, soil improvement has become increasingly cost effective. A case study has been presented where flexible (Jet-grouted fill zone) and inflexible (3 Dimensional Pile Zone) soil improvement systems have been used to support a Geosyntetically Reinforced Earth Wall (GRW), for a construction site in Maslak, Istanbul. The advantages jet-grouting system to improve the vertical deformation and slope stability characteristics of the uncontrolled fill similar to VERT System (Vertical Earth Reinforcement System utilizing cemented soil columns) has been presented. In the same site, a 3 Dimensional Piled Retaining Wall has been used to support a 15 m earth load of which the upper 8.5 m portion is a GRW. The uncontrolled fill in the back side of the 3D Piled Wall has been improved by jet-grout columns. The combined use of a “Stress-Strain” analysis using FEM Software (such as SAP2000 and PLAXIS) and “Limit Equilibrium” slope stability analysis (such as STABLE6) is important to design such complex flexible/inflexible systems. Key words; Uncontrolled fill, soil improvement, jet-grouting, GDI wall, Vert system.

ÖZET Artan nüfus ve geni leyen yerle im yerleri, eski ve kontrolsüz s lm dolgu sahalar n “yer de tirme” veya “zemin slah ” metodlar yla iyile tirilmesini gerekli k lmaktad r. ehir merkezlerinde yap lacak hafriyat ve döküm i lerinin büyük maliyet olu turmas , zemin güçlendirme i lerinin daha cazip hale gelmesini sa lam r. Bu çal mada, stanbul Maslak bölgesinde yap lan, Geosentetik Donat stinat duvar (GD ) ve bu yap destekleyen JetGrouting ve Fore Kaz k sistemi ile olu turulan zemin güçlendirme projesi bir vaka analizi 1 2 3 4

. Yük. Müh. ,BERK, B., Geobos Zemin Güçlendirme Sistemleri Ltd. ti., [email protected] . Yük. Müh. ,PEKARUN, O., Geobos Zemin Güçlendirme Sistemleri Ltd. ti., [email protected] . Müh. ,ÇINAR, A., Geobos Zemin Güçlendirme Sistemleri Ltd. ti., [email protected] . Müh. , DO ANI IK, K., Geobos Zemin Güçlendirme Sistemleri Ltd. ti., [email protected]

1

olarak sunulmu tur. Jet-Grouting sistemiyle VERT sistemine benzer ekilde, dolgu birimin dü ey deformasyon ve ev stabilitesi parametreleri iyile tirilirken, 3 boyutlu Fore Kaz k iksa sistemi ile de 15 m yüksekli indeki toprak yükleri her hangi bir yatay iksa eleman kullanmadan kar lanm r. 3 boyutlu Fore Kaz k sistemi içerisinde yer alan kontrolsüz dolgular, Jet-Grouting yöntemi ile iyile tirilerek sistemin rijitli i artt lm r. Fore Kaz k, Jet-Grouting ve GD Duvar uygulamalar n ayn sistem içerisinde kombine davran , ilgili bilgisayar programlar kullan larak “Gerilme - Deformasyon (Plaxis, Sap2000)” ve “Limit Denge (Stable v.6)” metodlar yla analiz edilmi tir. Anahtar kelimeler; Kontrolsüz dolgular, zemin iyile tirme, jet-grouting, GDI duvar, Vert sistemi.

1. G Geosentetik donat istinat (GD ) duvarlar n özellikle yol yakla m yap lar , köprüler, derin temel sistemleri ve istinat yap lar gibi rijit yap elemanlar ile birlikte kullan lmas son llarda s kça rastlan r hale gelmi tir. Esnek yap ya sahip donat lar n, statik ve deprem ko ullar nda deformasyon tölerans n ve eksenel mukavemetlerinin yüksek olmas , ekonomik ve süratli imalatlara olanak tan mas en büyük tercih sebeplerindendir. stanbul Maslak bölgesinde yap lmakta olan Mashattan Vadi Konutlar aat kapsam nda, yüksekli i 15 m’ye varan vas fs z, evli dolgular üzerine çevre duvar ve ba lant yollar yap lmas planlanmaktad r. Geli igüzel istiflenmi ve serbest dü me sonucu olu turulmu yüksek evlerin slah edilmesi ve üzerine istinat yap n yap lmas için birimlerin kald lmas veya slah edilmesi gerekmektedir. Vas fs z dolgular n hafredilmesi, i verene yans yacak yüksek maliyet ve ev stabilitesini tehlikeye atacak hareketlerin olu mas aç ndan tercih edilmemektedir. aat sahas nda ayn birimler üzerinde yap lan ve yüksekli i 8 m olan betonarme istinat duvarlar k sa süre içinde farkl oturma ve dönmeye maruz kalm ve stabilitesinin bozulmas ile ta k vasf kaybetmi tir. Bahsi geçen sebeplerden dolay yap durdurulan betonarme istinat yap lar n yerine, sahadan ç kan hafriyat n de erlendirilebilece i, emniyetli, ekonomik ve estetik yap ya sahip donat istinat duvar çe idi olan GD duvarlar n yap lmas na karar verilmi tir. Yatay toprak itkilerini kar lamak amac yla yap lan GD duvarlar , bir “Mekanik Olarak Stabilize Edilmi Zemin” (Mechanically Stabilized Earth-MSE) uygulamas r. Bu uygulamada s lm dolgu zemine kademeli olarak konan mekanik elemanlar ile bir çe it zemin güçlendirmesi yap r. Bu sayede, zeminlerin yatay yüklere kar kendi kendilerini ta mas sa lan r. Daha geni anlamda MSE, bir çe it “Donat Zemin” uygulamas r. Bu projede yüksek dolgu birimlerin bulundu u bölgelerde donat duvar yap lmas için vas fs z birimlerin Jet-Grouting yöntemiyle iyile tirilmesi ve duvar alt nda kalan birimlerin yatay toprak itkisini kar lamas amac yla “kaset tarz ” Fore Kaz k yap lmas planlanm r. Böylece vas fs z dolgular n tamam n kald lmas sonucu olu acak yüksek maliyet ve ev yüzeylerinde olu acak kaymalar önlenecektir. Bu kapsamda, gerçekle tirilen imalatlara ait projelendirme, uygulama ve gözlem detaylar yer almaktad r.

2

2. UYGULAMA SAHASI VE ZEM N PROF stanbul li ilçesi Ayaza a mevkiinde yer alan Vadi Konutlar Projesi kapsam nda yüksek çevre duvarlar ve bunlar n üzerinde yer alacak ba lant yollar n yap planlanm r. Toplam uzunlu u 250 m olan yol güzergah geli igüzel yerle tirilmi , yüksekli i 15 m olan, bloklu dolgu ve aç k ev yüzeylerine rastlamaktad r. evlerin topuk bölgesi do al zemin yüzeyini olu turmaktad r. Do al zemin kotundan itibaren 2-5 m aras nda eski dolgu ve alt nda ayr Kilta -Kumta (grovak) birimler yer almaktad r. Grovak birim e imli sahan n baz bölgelerinde yüzeyde görülebilmektedir. Sahada yer alt suyuna rastlanmam r.

3. GEOSENTET K DONATILI ST NAT DUVAR TASARIMI Yüksekli i 4 m’den büyük duvarlarda yanal toprak itkilerinin betonarme ve ta istinat yap lar yla kar lanmas , de ik alternatiflere k yasla daha zor ve gayri ekonomik olmaktad r. Bunun için özellikle son 20 y lda “esnek duvar” kavram do uran geosentetik donat istinat duvarlar s kça kullan r hale gelmi tir. Bu projede emniyet, ekonomi ve estetik bak ndan çokça tercih edilen GD duvar yap lmas uygun görülmü tür. MSE stinat Duvarlar n tasar , “Limit Equilibrium” olarak da bilinen “D ” ve “ ç” Göçme Mekanizmalar na göre geometrik boyutlar n ve donat ihtiyaçlar n belirlenmesine dayan r. Donat uzunlu unu genelde D Stabilite hesaplar belirledi i için, D Stabilite hesaplar çsel Stabilite hesaplar ndan önce yapmak daha do rudur. D Stabilite hesaplar klasik rijit istinat duvarlar nda da (betonarme ve ta duvar) geçerli olan göçme mekanizmalar na göre yap r. Bunlar; Kayma Zemin Emniyet Gerilmesi Dönme Global ev Stabilitesi çsel stabilite hesaplamalar nda donat n kopmas , donat n zeminden s yr lmas ve donat n uzamas gibi kriterler de erlendirilir. Duvar imalat nda kullan lacak donat tipi, yo unlu u ve dolgu malzemesinin mühendislik parametreleri içsel stabilite bak ndan en önemli kriterlerdendir. aat sahas nda yap lmas planlanan yol güzergah boyunca yer alan dolgu birimler üzerinde, duvar yükünden kaynaklanan ortalama 150 kPa gerilme olu aca hesaplanm r. Kontrolsüz dolgu ve evlerin üzerine duvar yap lmas ta ma kapasitesi, kayma ve global ev stabilitesi problemi olu turacakt r. Bu problemlerin çözümü için vas fs z dolgu birimlerin Jet-Grouting yöntemiyle iyile tirilmesi ve evlerin Fore Kaz k ile tutulmas amaçlanm r. Yol güzergah boyunca de ik kesitlerde kar la lan problemlere göre 3 tip tasar m kesiti olu turulmu ve hesaplamalar bu kesitler üzerinde yap lm r. Yol güzergah boyunca yap lmas planlanan imalatlara ait boykesit ekil 1’deki gibidir.

3

P1

P2

P3

79.2 Geo-Blok 3. Teras

69.7 Yol

66.8

Geo-Blok 2. Teras

62.0

59.2

70.7 Yol

66.0

65.0 61.1

Geo-Blok 1. Teras

58.4

100 Fore Kaz k

60 Jet Grout

ekil 1. Yol Güzergah Boyunca Yap lacak malatlara Ait Boykesit De ik bilgisayar yaz mlar kullan larak yap lan stabilite hesaplar nda mevcut ve iyile tirilmi zeminleri temsilen kullan lan zemin parametreleri Tablo 1’de görülmektedir.

Zemin Cinsi Dolgu Geotekstil Bölgesi Jet-Grouting Bölgesi Ayr Grovak (4)

Tablo 1. Zemin Çe itlerine Ait Parametreler Hesap Modeli(4) E (MPA)(4) (kN/m3) Hardening Soil 19 30 Hardening Soil 19 50 Hardening Soil 21 150 Hardening Soil 21 15

Sonlu Elemanlar Metodunu kullanarak “Gerilme – Deformasyon” davran

c (kN/m2) 2 50 50 10

(º) 28 32 28 32

modelleyen Plaxis program nda kullan lan de erler.

3.1. Jet-Grouting ve GD Duvar Kesiti Bu kesit, dolgu yüksekli inin 5 m’ye ula ve dere yata n bulundu u bölgede kullan lm r. Bu k mda GD duvar yüksekli i 5 m ile 7 m aras nda de mektedir. Planlanan yükseklikteki duvarlardan kaynaklanan dü ey gerilmelerin ve ev yüzeyinde olu acak kayma gerilmelerinin kar lanmas amac yla, bu bölgedeki vas fs z dolgular n de ik karelajlarda yap lacak, 60 cm çap nda Jet-Grouting kolonlar ile iyile tirilmesi planlanm r. Jet-Grouting imalat ile vas fs z dolgu birimlerin dü ey yöndeki rijitli i artt lacak ve yatay yönde olu acak kesme kuvvetleri Jet-Grouting kolonlar ile kar lanacakt r. Bu kesitte yap lacak Jet-Grout GD duvar n global stabiliteye etkisi STABLE v.6 bilgisayar program kullan larak irdelenmi tir ( ekil 2).

4

Geo-Blok Duvar

2/1 evli Bölge

Jet-Grouting Bölgesi

ekil 2. Kesit-1 çin Global ev Stabilitesi Analiz Sonucu 3.2. Çok Terasl GD Duvar Kesiti GD duvar taban n grovak birime oturdu u bölgedir. Bu kesitte duvar yüksekli i 15 m’ye varmaktad r. Yüksek duvar kesitlerinde duvar ön cephe eleman olan bloklar üzerine birikecek gerilmelerin ve global stabiliteye katk sa layacak donat boyunun azalt lmas için, belirli yüksekliklerde duvar aks n geri çekilmesi suretiyle teraslar yap lmas uygulamada kça rastlan lan tasar m alternatiflerindendir. ncelenen kesitte duvar her kademede 80 cm geri çekilerek 3 teras olu turulmu , iç stabilite, d stabilite ve dinamik analizler yap lm r ekil 3). Her geotekstil kademesi için yap lan bu analizler sonucunda, kesitte kullan lacak donat çe idi, yo unlu u ve uzunlu u belirlenmi tir. TA YAPI MASHATTAN KONUTLARI GEO-BLOKLU ST NAT PROJES "KES T 2" Saha çi Yolu +76.70

+70.10 +69.70

Tabii Zemin S

+65.00

+60.60 Zemin Kotu

ekil 3. Çok Terasl GD Duvar kesiti

5

3.3. Fore Kaz k, Jet-Grouting ve GD Duvar Kombine Kesiti Bu kesitte fazla kaz yap lmamas ve sükunette olan evlerin stabilitesini bozmamak amac yla donat duvar taban kotu vas fs z ve yer yer bloklu dolgu birimlere gelecek ekilde tasarlanm r. Saha d na daha sonra yap lacak olan imar yolu nedeniyle, mevcut ta duvar larak GD duvar taban kotundan itibaren 6 m daha kaz yap lacakt r. Duvar at ndaki birimlerin iyile tirilmesi ve daha sonra yap lacak kaz dan dolay olu acak toprak itkilerinin kar lanmas için bu kesitte 3 boyutlu “kaset tarz ” 100 cm çap ndaki Fore Kaz kl sistem ve aralar nda Jet-Grouting Kolonlar n yap lmas uygun görülmü tür. Fore kaz klar n aras na Jet-Grout kolonlar yap larak VERT (Vertical Earth Reinforecement System) sistemine benzer ekilde yatay toprak itkilerinin kar lanmas ve kaz klar n etraf ndaki vas fs z dolgular n güçlendirilmesi hedeflenmektedir ( ekil 4). TA YAPI MASHATTAN KONUTLARI GEO-BLOK FORE KAZIKLI ST NAT PROJES "KES T-3"

79.20

120/70 Ba

k Kiri i

Yakla k Dolgu S

Örgülü Geotextil Donat

60 Jet-Grout Kolonu 70.0 100 Fore Kaz k 60 Jet-Grout Kolonu

Ta Duvar

Yol Kotu

64.0

100 Fore Kaz k

ST NAT S STEM T

K KES

ST NAT S STEM PLAN GÖRÜNÜMÜ

ekil 4. Kombine Kesit Ve Yerle im Plan Fore kaz kl sistemin 3 boyutlu davran temsilen SAP2000 bilgisayar program na betonarme kaz k ve ba k elemanlar , donat duvar ve zeminden kaynakl yatay ve dü ey yükler ve zemini temsilen yaylar tan mlanm r ( ekil 5). Dolgu zemini temsilen tan mlanan yaylar, bu birimin yatay yatak katsay na e it kabul edilmi tir. Mevcut dolgunun yatay yatak katsay ve dolay yla kaz klara atanacak yay katsay lar artt rmak amac yla dolgu zeminin, de ik karelaj ve boylarda yap lacak Jet-Grouting kolonlar ile slah edilmesi planlanm r. Yap lacak imalatlarla; 1. Dolgu birimlerde uygulanmas sak ncal olan öngermeli ankraj ve pasif ankraj gibi yatay iksa sistemleri yerine, 15 m yüksekli indeki toprak yükü 3 boyutlu kaz kl perde ile tutulacak. 2. GD duvar aks na dik yönde imal edilecek kaz klar yatay iksa görevi üstlenecek. 3. Kaz klar üzerine yap lacak GD duvar ile 3 boyutlu sistem daha rijit bir yap kazanacak.

6

4. Kaz klar aras na yap lacak Jet-Grouting kolonlar ile dü ey yönde rijitlik yarat lacak böylece dü ey yüklerden kaynaklanan oturmalar azalt lacak. 5. mal edilecek Jet-Grouting kolonlar ile yatay yönde hareketi s rlayan daha yüksek deformasyon niteliklerine sahip (yüksek yay sabitleri) birimler olu turulacakt r. Kombine sistemin “Gerilme – Deformasyon” davran , SAP2000 yaz na ek olarak, zemin ve betonarme elemanlar birlikte modelleyebilen Plaxis v.7.2 yaz ile 2 boyutta “Düzlem Deformasyon” (2D – Plane Strain) modellenmi tir. Bu analizde Jet-Grouting yöntemi ile iyile tirilen zemini ve geosentetik donat zemini temsilen fiktif kohezyona sahip tabakalar tan mlanm r. Hesaplamalarda 8 m’lik GD duvar, Fore Kaz klar ve Jet-Grouting kolonlar gerçekle uyumlu ekilde yap m s ras na “staged construction” göre tan mlanm r. Tüm zemin tabakalar n davran “Pekle en Zemin” (Hardening Soil) modeli ile temsil edilmi tir. Analizler sonucunda elde edilen deforme olmu (Deformed Mesh) kesit ve yatay deplasman de eri ekil 6’te sunulmu tur. Sonlu Elemanlar, “Limit Equilibrium” prensiplerine dayanan hesap teknikleri ile yap lan tasar n kontrol edilmesi aç ndan çok de erli bir araç olup, özellikle duvar deformasyonlar , lokal gerilme birikmeleri ve global sistem davran aç ndan önemli bilgiler vermektedir.

ekil 5. SAP2000 Program nda Sistemin 3 Boyutlu Görünü ü

7

ekil 6. Plaxis v.7.2 Program nda Sistem Kesitinin Görünü ü

4. MALAT VE KAL TE KONTROL DENEYLER Projelendirme sonras nda yap kararla lan tüm imalatlar Jet-Grouting ve GD Duvar Kesitinden (Kesit-1) ba lamak üzere e zamanl olarak imal edilmi tir ( ekil 7-8-9-10).

ekil 7. Jet-Grouting malat Görüntüsü

ekil 8. GD Duvar malat Görüntüsü

8

ekil 9. Fore Kaz k malat Görüntüsü

ekil 10. Genel malat Görüntüsü

Yap lan çal malarda imalatlar n projesinde hedeflenen kriterlere uygunlu unu test etmek için saha ve laboratuvarda çe itli deney ve gözlemler yap lm r. Jet-Grouting imalat na ba lamadan önce saha içerisinde 5 adet farkl parametrelere sahip deneme kolonu imal edilmi tir. Prizini almas için beklenen kolonlar, bir hafta sonras nda aç larak çap kontrolü yap lm r. Yap lan ölçümlerde kolon çaplar n 60-75 cm aras nda de ti i dolay yla hedeflenen çap n tüm kolonlarda olu turuldu u görülmü tür. Geotekstil donat duvar in aas s ras nda dikkat edilmesi gereken hususlardan en önemlisi kullan lan dolgu malzemesinin granülometrisi, k vam ve s rma yüzdesidir. Uygulama sahas nda kullan lan dolgu malzemesi üzerinde yap lan Kum Konisi ve Standart Proktor deneyi sonucunda ortalama de erler, malzeme Kuru Birim Hacim A rl , k = 1,7 g/cm3, Optimum Su çeri i, opt = %11 ve S rma Yüzdesi, R = %96 olarak bulunmu tur. Dolgu malzemesinden al nan numuneler üzerinde zemin laboratuar nda yap lan Atterberg Limitleri Deneyi sonucunda Likit Limit, LL = %29 ve Plastisite Indisi, PI = %11 bulunmu tur. Ayn numuneler üzerinde yap lan Elek Analizi sonucunda 200 Nolu elekten geçen malzeme oran , -No200 = % 35 bulunmu tur. Uygulama sahas ve laboratuarda yap lan deneyler sonucunda kullan lan dolgu malzemesinin artnamelerde önerilen s rlar (Güler E., 2006) içerisinde kald belirlenmi tir.

5. SONUÇLAR VE DE ERLEND RMELER

9

Bu çal mada, yüksek dolgu birimlerin yer ald bölgelerde yap lmas planlanan istinat yap lar için geli tirilen kombine bir sistemin tasar m yöntemi ve uygulamas na yer verilmi tir. Yatay yönde zemin güçlendirme mant na dayal Donat Duvar ile dü ey yönde zemin güçlendirme mant na dayal Fore Kaz k ve Jet-Grouting uygulamalar birlikte kullan larak; Farkl oturma ve dönme problemleri nedeniyle yap na son verilen rijit betonarme istinat duvarlar n yerine, iyile tirilmi zeminlere oturan, esnek geotekstilli donat duvar yap larak vas fs z dolgu ve evler güvenli hale getirilmi tir. Dolgu birimlerde yap lamayan öngermeli ve pasif ankraj yerine 15 m yüksekli indeki toprak yükü yatay iksas z Fore Kaz kl sistemle kar lanm r. Vas fs z dolgular n hafredilerek in aat sahas ndan uzakla lmas yerine, yerinde iyile tirilmesi ve duvar arka dolgusu olarak kullan lmas sonucu proje maliyetinde % 30 oran nda ekonomi sa lanm r. aat sahas nda 3 farkl imalat e zamanl yürütülerek zamandan tasarruf sa lanm r. GD duvar cephe elemanlar kullan larak, estetik bir görüntü elde edilmi tir. De ik rijitlikte olan, çekme, bas nç ve kesme gerilmeleri alt nda farkl davranan sistemlerin tasar nda birkaç de ik analiz metoduyla sistemin irdelenmesi önemlidir. Bu amaçla “Deformasyon – Gerilme” ve “Limit Denge” analizleri yap p k yaslamalar yap lmal r. Farkl yüklemeler alt nda, yatay ve dü ey yönde kombine olarak çal an elemanlar n davran do ru tasarlan p, yetkin firmalar taraf ndan uygulanmal r. KAYNAKLAR Briaud J. L., Nicholson P., (2000) “Behavior of Full Scale VERT Wall in Sand”, Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering, Vol.126. Güler E., (2006) “Geosentetik Donat Geosentetikçiler Konferans , stanbul.

stinat Duvar Bir artname Tasla ”, kinci Ulusal

Ingold, T.S. (1982), Reinforced Earth, Thomas Telford, London. Mitchell, J.K. and Christopher, B.R., (1990) “North American Practice in Reinforced Soil Systems” Proceedings of a Conference, Design and Performance of Earth Retaining Structures,, ASCE Geotech. Pub. No. 25, pp 322-346. Seed, H.B. and Whitman, R.V.,(1970) “Design of Earth Retaining Structures for Dynamic Loads”, Proc. ASCE Speciality Conference on Lateral Stresses and Earth Retaining Structures, Cornell University, Ithaca, NY, 103-147. Segrestin, P. And Bastick, M.J. (1988) “Seismic Design of Reinforced Earth Retaining Walls: The Contribution of Finite Element Analysis”, Proc. Int.Symposium on Theory and Practice of Earth Reinforcement, Kyushu, Japan, 577-582.

10