Turbada Derin Karıştırma (Deep Soil Mixing) Uygulaması ve Örnek Vaka

Yapımı devam etmekte olan bir güzergah projesinde yaklaşık olarak 500 metre uzunluğundaki bir kesimde yapılan temel araştırma sondajlarında, 70-80 metre derinliklere kadar doğal su muhtevasının %100'ün üzerinde olduğu ve bünyesinde yoğun organik içerik (kötü kokulu, bitki kökü kalıntılı, güncel kavkılı vb.) tespit edilen turba seviyeli killi zeminler izlenmiştir. Yapılan çalışmalarda, söz konusu zayıf zeminin rehabilite edilmesi, bu doğrultuda da ekonomik, güvenli ve uygulanabilir bir çözüm bulunması hedeflenmiştir.

Zemin Profili

Söz konusu birim çok yumuşak - yumuşak - orta katı ve yer yer de katı ve çok katı olup SPT-N değerleri 2 ile 19 arasında değişmekte ve yapılan laboratuvar deneyleri sonucunda zemin sınıfları ağırlıklı olarak PT, CH, MH olarak bulunmuştur. Turba içeren seviyelerden sonra 70-85 metre arasında ise SPT-N değerleri 14 - 41 arasında değişen çakıllı siltli kil birimi yer almaktadır. Çalışma alanında yapılan gözlemlerde güzergah üzerinde bazı noktalarda artezyen şeklinde su çıkışları izlenmiştir. Ayrıca temel araştırma sondajlarında da yüzeye çok yakın seviyelerde (~1-1.5 m) yeraltı suyu seviyesi tespit edilmiştir. Tüm bunlara ek olarak yapılan depremsellik araştırmalarında güzergaha oldukça yakın bir konumda aktif olduğu düşünülen bir fay segmenti tespit edilmiştir.

Değerlendirilen killi seviyelerin, teşkil edilecek dolgu sürşarj yükü veya yapı temel yükü dikkate alındığında, oldukça zayıf ve suya doygun olması, söz konusu tülde konsolidasyon oturması ve taşıma gücü gibi zemin davranışlarının oldukça kritik olabileceği anlamını taşımaktadır.

Derin Karıştırma (Deep Soil Mixing) Tekniği

Bu yöntemde zeminde delgi yapılmakta ve delgi sırasında zemin belirli bir dönme hızına sahip bıçaklar ile parçalanarak karıştırılmaktadır. Uygun derinliğe kadar inilir ve daha sonra yukarı çıkılır. İstenilen derinliğe inme ve bu derinliğe ulaştıktan sonra geri çekme evrelerinin birinde veya her ikisinde zemine enjeksiyon verilerek zemin ile tam karıştırma sağlanır. Bu imalat süreci ile tasarıma yönelik çapta bir kolon elde edilmesi hedeflenmektedir.

Turbalar ve yüksek plastisiteli zeminler için dönme sırasında kesme kuvveti uygulayabilen karıştırma bıçaklarına ihtiyaç duyulmaktadır. DSM makinesinin kapasitesi kil-silt içeriğini dağıtabilecek şekilde karıştırma sağlamalıdır.

İmalat sırasında belirlenmesi gereken parametreler şunlardır;

- Derinlik bilgisi (m)

- Karıştırma aletinin iniş hızı ve geri çekme hızı (cm/dk)

- Karıştırma aletinin dönüş hızı (dönüş/dk)

- Enjeksiyon akış hızı (lt/dk)

- Enjeksiyonun iletildiği basınç (bar, vb.)

- İletilen toplan enjeksiyon miktarı (lt)

- Su/çimento oranı (w/c oranı)

- Bıçak dönüş sayısı (BRN)

Organik içerikli zeminler inorganik zeminlere göre daha fazla bağlayıcıya ihtiyaç duymaktadır. Kumlu zeminlerde ise daha az bağlayıcıya ihtiyaç duyulur. Bununla birlikte organik zeminlerde daha çok katkı kullanmak her zaman için çözüm olmayabilir. Organik zeminlerde yapılacak imalatlarda şu hususlara dikkat edilmesi gerekmektedir.

- pH, organik asidin miktarı ve cinsi, hümik asit olup olmadığı belirlenmelidir.

- Artan organik içerik çoğu zaman daha fazla çimento miktarı gerektirir.

- Yaklaşık %10'dan daha yüksek organik içerikler çimentolanma ile önemli ölçüde olumsuz etkileşim göstermektedir.

- Çimento stabilizasyonu için zeminin pH değeri 5'ten büyük olmalıdır.

- Zeminin organik maddeleri hidratasyon ürünü olan kalsiyum hidroksit Ca(Oh)2 ile reaksiyona gire ve düşük pH değerine neden olur. Elde edilen düşük pH değeri hidrasyon sürecini geciktirebilir ve stabilize olmuş zeminlerin mukavemet kazanmasını etkileyebilir.

- Bu tür zeminlerde iyileştirmenin başarılı olması, uygun katkı maddesi seçimine bağlıdır.

- Organik zeminlerde yapılacak iyileştirmelerde CEMII ve CEMIII tipi bağlayıcıların etkili olabildiği görülmüştür.

- Organik zeminlerde mukavemet gelişimi daha yavaş olabileceği için 90 gün sonunda da mukavemet deneylerinin yapılması önerilmektedir.

- EuroStab (2013) kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda çimento ile birlikte uçucu kül, fırın cürufu kullanılması durumunda mukavemet artışının daha uzun bir sürece ihtiyaç duyduğı (birkaç ay) görülmüştür.

- Kolonların serbest basınç dayanımı değerleri w/c oranlarına bağlıdır, bu nedenle arazideki doğal su içeriği de dayanım hedefinin bir parçasıdır.

- Planlama için organik silt ve turba türü zeminlerde 300-400 kg/m3 çimento dozajı kullanılabilir.

Bıçak Dönüş Sayısı

DSM imalatı sırasında yapılan karıştırmanın seviyesi, karıştırma bıçağının dönme hızına ve iniş ve çıkış hızına bağlıdır. Aktarılan enerjiyi sayısallaştırmak için Blade Rotation Number, yani Bıçak Dönüş Sayısı (BRN) aşağıdaki parametrelere bağlı olarak hesaplanmaktadır.

Bir çok kaynak, uygun kolon oluşturmak için BRN sayısının T≥270-350 bu aralıkta değişmesi gerektiğini ifade etmektedir.

Bir araştırmacı ise killerin daha zor karışmasından dolayı BRN sayısının 500’den daha büyük olması gerektiğini ifade etmiştir. Konu ile ilgili detaylı araştırmalar devam etmektedir. İniş ve çıkış dönme hızları BRN değeri ile doğru orantılıyken, iniş ve çıkış hızları BRN değeri ile ters orantılıdır. BRN değeri arttıkça DSM kolonu daha homojen olmaktadır.

T: bıçak dönüş sayısı (BRN), (N/dk)

Nd ve Nu: iniş ve çıkış dönme hızı (N/dk)

Vd ve Vu: iniş ve çıkış hızlarıdır (m/dk)

M:  karıştırıcının 1 metre boyundaki bıçak sayısı

Tasarım Çalışmaları

Güzegahın bu kesiminde kırmızı kot siyah kotun yer yer 13 metre üzerine kadar çıkmakta, söz konusu aralığın geçilmesi için ise viyadük ya da dolgu teşkili alternatifleri çalışılmıştır. Ancak viyadük ayak temellerinin, fore kazığa göre daha derin olarak teşkil edilebilen baret temel olsa dahi zemin profilinde taşıyıcı sağlam birimlerin olmaması nedeniyle proje alanında dolgu teşkilinin daha güvenli olacağı kanaatine varılmıştır.

İyileştirme tasarımı için öncelikle, projenin yakın kesimlerinde halihazırda uygulanıyor olması ve teknik olarak uygun olabileceği düşüncesinden hareketle ıslak derin karıştırma (DSM) yöntemi denenmiştir. Projelendirilen DSM kolonlarının, D80 cm çapında , L=44 metre boyunda, S=1.8mx1.8m paterninde ve 6 MPa tek eksenli sıkışma dayanımına sahip olacak şekilde imal edilmesi planlanmıştır.

Uygulama sonrasında sahada yapılan derin karıştırma test kolonlarından yaklaşık olarak 16-17 metre derinliklerden itibaren uygun bütünlükte ve dayanımda karot elde edilemediği hatta bu derinlikten sonra plastik kil ve yoğun organik malzeme içeriğinden dolayı kolon dahi oluşmadığı tespit edilmiştir.

Test sondajlarında kolon oluşmamış seviyelerinden alınan örneklerde yapılan analizlerde, %13.21 - 41.44 arasında değişen organik madde tespit edilmiştir. Bu sonuçlar ve görsel tanımlama, enjeksiyon ile zeminin karışmadığını açıkça ortaya koymaktadır. Bu aşamada DSM kolonlarının daha uygun koşullarda imal edilmesi amacıyla, enjeksiyon basıncı, dönme hızı, ilerleme hızı vb. gibi parametreler kontrollü olarak değiştirilmiş ve sahada çok sayıda deneme kolonu yapılarak rehabilitasyona uygun olan reçete bulunmaya çalışılmıştır.

44 metre boyundaki test kolonlarında;

- iniş hızı 0.5 - 1 m/dk

- çıkış hızı 1 - 2 m/dk

- dönme hızı 20 - 40 rpm

- basınç 10 - 20 bar

- su/çimento oranı 0.6 - 0.8

- metrede çimento miktarı 150 - 200 kg

arasında değiştirilmiş ve 16 adet kolonda tüm varyasyonlar denenmiş olup bazı imalatlarda ayrıca katkı kullanılmıştır. Ancak mevcut imkanlar ve deneyimler çerçevesinde özellikle turbanın yer aldığı derinliklerde, çimento enjeksiyonu ile zeminin karışamadığı ve uygun kolon oluşmadığı sonucuna varılmıştır. Varyasyonlu ve farklı reçeteler doğrultusunda yapılan test kolonlarında yapılan sondajlarda uygun kolon oluşumunun 20 metrede kaldığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak elde edilen bu deneyimler doğrultusunda iyileştirme yöntemi olarak donatısız kazık uygun bulunmuş ve yapılan hesaplamalarla da güvenli olduğu ortaya konmuştur.

Sonuç ve Öneriler

- Bu çalışmanın amacı, bir projede uygulaması planlanan derin karıştırma yönteminin sonuçlarının tartışılması ve farklı yapım metotlarının değerlendirilmesidir.

- Çalışma alanında, yoğun organik malzeme içeren turba seviyelerinin izlendiği killi birimler hakim olup söz konusu seviyeler yaklaşık olarak 85 metreye kadar gözlenmektedir. Güzergah özellikleri ve standartları göz önüne alındığında, çok zayıf SPT-N darbe sayılarına sahip bu birimin iyileştirilmesi kaçınılmaz durumdadır.

- Her ne kadar lojistik avantajlar ve uygun sonuç vereceği ile ilgili ön çalışma sonuçları olsa da 44 metre boyundaki DSM kolonlarında istenen karışım ve buna bağlı olarak da iyileştirilmiş zemin profili elde edilememiştir.

- Karıştırma bıçağı, dönme hızı ve iniş, çıkış hızına bağlı olarak karışım kalitesini belirleyen bıçak dönüş sayısı (BRN), söz konusu çalışmanın farklı imalat metotlarını kapsayan tüm varyasyonlarında 240 mertebesindedir. Yapılan bazı literatür çalışmalarında, bu değerin 300’ün üstünde olması hatta zor karışabilen killerde 500’den de fazla olabileceği ifade edilmiştir.

- DSM uygulamasında çimento dozajı çok önemli olup turba türü zeminlerde bu parametre ön uygulamalarda 300-400 kg/m3 olarak düşünülebilir.

- Zemin iyileştirme tekniklerinde çalışma alanının genelini ya da geneline yakın bir kesimini temsil edecek noktalarda öncelikli olarak test kolonları imal edilmeli ve kolon sürekliliği ile dayanım testleri tamamlanmalıdır.

- Organik maddece zengin zeminlerin ya da yeraltısuyun bünyesinde olabilecek sülfat içeriğinin yapılacak laboratuvar deneyleriyle belirlenmesi, şayet sülfat içeriği tespit edilirse sülfata dayanıklı çimento kullanılması önerilmektedir. Bununla beraber, yapının önemine bağlı olarak sülfatla betonun gireceği tepkimelerin uzun vadeli olarak ortaya konması amacıyla daha detaylı ve kapsamlı laboratuvar deneylerinin yapılması da oldukça önemlidir.

Konu ile ilgili görüş, öneri ve deneyimlerinizi yorum bölümüne yazabilirsiniz.

Yararlanılan Kaynaklar:

Prof. Dr. İlknur Bozbey tarafından sunulan Derin Karıştırma Uygulamaları, çevrimiçi sunum (2021).

Anahtar Kelimeler: Derin karıştırma, DSM, deep soil mixing, zemin iyileştirme, turba, organik zeminler.