Dolgu yükü altındaki zeminlerde konsolidasyonun sınırlandırılması
Limitation of the consolidation on soil under the embankment load
Yazar: İBRAHİM KUŞKU
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN DALĞIÇ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Kil = Clay ; Konsolidasyon = Consolidation ; Zemin iyileştirme = Soil improvement

Özet:
Zemin iyileştirme çalışmaları gün geçtikçe artan bir ihtiyaç olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmalarda, proje yükleri etkisinde, taşıma gücü ve oturma davranışındaki yetersizlikler sıklıkla öne çıkan önemli iki zemin davranışıdır. Özellikle büyük ölçekli projelerde, sınır koşullarını aşan düzeyde oturma miktarı ve süresi, uygulanabilirlik ile yapım süresini önemli derecede etkileyebilecek, iyileştirilmesi gereken zemin davranışı niteliğindedir. Jeoteknik araştırmalar sonucu, gerekli proje kriterlerini sağlamadığı belirlenen zeminde, iyileştirme yönteminin seçimi ise, güvenlik ve uygulanabilirlik başta olmak üzere, seçenekler arası maliyet farklarına da bağlıdır. Ayrıca, alternatifler arası maliyet farkı, uygulama alanı boyutuyla orantılı olarak artmaktadır. Jeoteknik çalışmalar sırasında alansal büyüklük ise, problemin tanımlanması ile iyileştirme yönteminin sonuçlarının değerlendirilmesi sürecinde, zorluklara ve belirsizliklere neden olmaktadır. Bu doğrultuda, birçok araştırmada, arazi veya laboratuvar deneylerinin sonuçları kullanılarak yapılan değerlendirmelerin arazi ölçümleriyle ilişkisi ele alınmakta ve değerlendirmelerde kullanılan parametre ile yöntemler için alternatifler üzerine çalışmalar yürütülmektedir.

Artan gerilme koşullarına bağlı konsolidasyon oturması, jeoteknik çalışmalarda her zaman için değerlendirmeye alınan bir konudur. Bu oturmayı kontrol eden parametreler ise, yük artış miktarı, zemin katmanının kalınlığı, sıkıştırılabilirlik ve geçirimlilik özellikleri olarak sıralanabilir. Parametrelerde değişikliğe neden olan, sonuçları proje kriterlerinin karşılanmasını sağlayan uygulanabilir müdahaleler ise, zemin iyileştirme yöntemi olarak tanımlanabilir.  Bu çalışmada, dolgu yükü altında konsolidasyonun sınırlandırılmasına yönelik, konsolide olabilir zeminin ortamdan uzaklaştırılmasını en aza indirecek, böylelikle proje maliyetlerini önemli ölçüde düşürecek bir iyileştirme yöntemi geliştirilmiştir. Yöntemde, gerekli ölçüde zemin katmanının ortamdan uzaklaştırılması ve yerli yerinde bırakılan zemin katmanında proje kriterleri içerisinde belirlenen düzeyde bir oturmanın sağlanması hedeflenmektedir.

Sabiha Gökçen Havalimanı ilave pist ve yardımcı alanlarının, 44.27 m yüksekliğe varan mühendislik dolgusu yapılarak inşa edildiği saha, çalışma alanı olarak seçilmiştir. Mühendislik dolgusu oluşturulan alanda, genel olarak kil boyu malzemeden oluşan, yapay dolgu ve Sultanbeyli Formasyonu Orhanlı kil üyesi yayılım göstermektedir. Bu birimlerin yayılımı ve jeoteknik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla, 190 adet zemin araştırma sondajı ile 214 adet araştırma çukuru verisi değerlendirilmiştir. Birimlerin, fiziksel, mekanik ve geçirimlilik özelliklerinin yanında, 60 farklı lokasyonda, 49 farklı derinlikten alınan örnekler üzerinde yapılan 131 adet ödometre deneyi kullanılarak, konsolidasyon davranışını kontrol eden özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir.
Birçok araştırmada değinildiği üzere, arazi deneylerine ait sonuçlarla yapılan değerlendirmeler, laboratuvar deneyi sonuçlarıyla yapılanlara göre daha doğru sonuçlar ortaya çıkartmaktadır. Bu doğrultuda, çalışma kapsamında, Sultanbeyli Formasyonu Orhanlı kil üyesi üzerinde ön yükleme yapılarak birimin konsolidasyon davranışı, laboratuvar deneyi sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve arazi deneyi sonuçlarının konsolidasyon yüzdesi tahmininde önemli farklılıklar ortaya çıkardığı belirlenmiştir. Çalışmada, ayrıca, dolgu yükü ve hareketli yüklerin, konsolidasyon davranışı üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir.

Çalışma alanı olarak seçilen proje sahası 4,130,188 m2dir. Bu denli büyük bir proje sahasında, mevcut bilgisayar yazılımlarıyla alanın tümünün gerekli hassasiyette modellenmesi mümkün değildir. Bu nedenle, analizler için gerekli verinin elde edilmesinin yanında, analizlerden elde edilen sonuçların alansal bazda çıktılarının oluşturulabileceği bir yöntem olan, alansal değerlendirme yöntemi çalışma kapsamında sunulmuştur. Analiz sonuçlarının, çalışma alanındaki yayılımı ise bu yönteme göre oluşturulan hesap noktaları ve haritalarla değerlendirilmiştir. İyileştirme yapılmaması durumunda, Sultanbeyli Formasyonu Orhanlı üyesi kil düzeylerinde en büyük oturma miktarı 0.57 m, yapay dolguda ise 2.45 m'dir. Bu durumda, Orhanlı üyesi kil düzeyleri, %95 konsolidasyon oranına 4 yılda ulaşacaktır. Çalışma kapsamında geliştirilen iyileştirme yöntemiyle yapılan hesaplamalarda, yapay dolguda limit konsolidasyon oturması miktarı 0.016 m olarak seçilmiş ve ortalama 2.21 m yüksekliğinde kazı yapılması gerektiği hesaplanmıştır. İyileştirme sonrası için, Orhanlı kil üyesi ve yapay dolgu birlikte değerlendirildiğinde, en büyük toplam konsolidasyon oturması miktarı 0.5 m hesaplanmış ve proje imalat süreci içerisinde %95 konsolidasyon oranına ulaşılacağı belirlenmiştir. İyileştirme yöntemiyle belirlenen kazılar sonrasında yapılan mühendislik dolgusu nedeniyle gerçekleşen oturma miktarları, oturma kolonu ve oturma plakası ölçümleriyle denetlenmiştir. Arazi ölçümleri ve hesaplanan oturma miktarları arasında iyi düzeyde ilişki belirlenmiştir. Bu sonuç önerilen yöntemin, konsolidasyon oturmasını istenilen düzeyde sınırlandırmakta başarılı olduğunu göstermektedir. Çalışma kapsamında sunulan iyileştirme yönteminin uygulanmasıyla, yapay dolgunun %100'ünün alandan uzaklaştırılmasını öneren avan proje çalışmalarının aksine, yapay dolgu hacminin %41'lik bir bölümü alandan uzaklaştırılarak, proje maliyetinde önemli düzeyde tasarruf sağlanmıştır.

Abstract:
Soil improvement studies encountered as an increasing need day by day. In these studies, due to the influence of applied project loads, deficiencies in bearing capacity and settlement are the two important soil behaviors that frequently come to the fore. Especially in large-scale projects, the amount and duration of settlement exceeding the project criteria is a soil behavior, which can significantly affect applicability and construction time that needs to be improved. As a result of geotechnical investigations, the selection of the improvement method on the ground that does not meet the required project criteria also depends on the cost differences between the alternatives, regarding safety and applicability. Moreover, the cost differences between alternative approaches increase in proportion to the dimensions of the application field. The size of the area during geotechnical studies, causes difficulties and uncertainties in the process of defining the problem and evaluating the results of the improvement method. Accordingly, in many studies, the relationship between the evaluations made by using the results of the field and laboratory tests and the field measurements, and studies are carried out on the parameters and alternatives for the methods used in the assessments.

Consolidation settlement due to increasing stress conditions is an issue that is always considered in geotechnical assessments. The parameters controlling these settlements are the amount of load increase, thickness of soil layers, compressibility and permeability properties. Applicable actions that cause changes in the parameters and those results ensure that the project criteria are met can be defined as the soil improvement method. In this study, an improvement method has been developed to minimize the removal of the compressible soil from the project area to limit the consolidation rate under embankment load, which significantly decrease the project costs. In the method, it has been aimed to remove the soil layer from the area to the necessary extent and to ensure the settlement at the limit determined within the project criteria in the remained soil.

Engineering embankment with a height of 44.27 m was selected as the study area in Sabiha Gökçen Airport additional runway and auxiliary fields. Below the embankment area artificial fill and Orhanlı member of Sultanbeyli formation exist both mostly composed of clay-sized particles. In order to identify the distribution and geotechnical characteristics of these units, data obtained from 190 boreholes and 214 trial pits were evaluated. In addition to the investigated physical, mechanical and permeability properties of these units, the properties controlling the consolidation behavior were investigated in detail using 131 oedometer tests utilized on samples taken from 60 different locations and 49 different depths.

As mentioned in many studies, evaluations depending on the data obtained from field tests reveal more accurate results than the evaluations considering laboratory test data. In this context, the consolidation behavior of the Orhanlı member of the Sultanbeyli Formation was compared with the results of the laboratory tests by preloading on this unit, and it was determined that the field test results revealed significant differences in the consolidation ratio estimation. In this study, moreover, the effect of the embankment load and dynamic loads on the consolidation behavior was assessed.

The study area is 4,130,188 m2. In such a large area, it is not possible to model and analyze all the area with the necessary precision with the existing computer softwares. Therefore, besides obtaining the necessary data for the analyzes, the field evaluation method, which can generate areal based outputs is presented within this study. The distribution of the analysis results for the study area was assessed by the calculation points and maps generated utilizing this method. In case of the lack of any improvement studies, the largest consolidation settlement amount for the clay levels of Sultanbeyli Formation Orhanlı clay member is 0.57 m, and consolidation settlement on the artificial filling is 2.45 m. In this case, the Orhanlı member reaches 95% consolidation rate in 4 years. In the calculations made by the improvement method developed within the scope of the study, the limit of consolidation settlement in the artificial fill was chosen as 0.016 m and it was calculated that an average excavation height of 2.21 m was required. After the soil improvement, the highest total consolidation settlement was calculated as 0.5 m and 95% consolidation rate would be achieved during the project manufacturing process when Orhanlı clay member and artificial fill were evaluated together. The amount of settlement due to the embankment generated after the excavations defined by reinforcement method was verified with settlement column and settlement plate measurements. A good correlation was obtained between field measurements and calculated settlement degrees. This high correlation shows that the proposed method is successful in hindering the consolidation settlements at desired levels. By the application of proposed improvement technique in this study,  instead of removing 100% of the artificial fill from the embankment area as suggested by the preliminary design stage , only 41% of the artificial fill was removed which made a significant decrease in the project costs.