Zemin İyileştirme Yöntemleri (Yüzeysel ve Derin İyileştirme)
Taşıma gücü, oturma, sıvılaşma, geçirimlilik, stabilite, kabarma ve çökme sorunları olan zeminin tespit edilmesiyle başlayan süreçte, zemin iyileştirme yapılması kararına varıldıktan sonra zemin iyileştirme yöntemi seçilmesinde çok fazla seçenek mevcuttur. Her proje için özel inşaat teknikleri uygulanması da gerekebilir. Ayrıca zemin iyileştirme ile zor şartlarda yapılacak yapılarda bile ekonomik çözümler üretilebilir. Tüm bu zemin iyileştirme yöntemlerini, yapılış derinliklerine göre derin ve yüzeysel olarak, uygulama şekillerine göre mekanik, hidrolik, fiziksel, kimyasal, biyoteknik ve donatılandırma olarak, uygulandığı zemin tipine göre killi zeminler için, kumlu zeminler için ve tüm zeminler için olarak, uygulama ilkesine göre güçlendirme (reinforcement), iyileştirme (improvement) ve işlem görme (treatment) olarak, uygulama alanlarına göre tünellerde, su altı yapılarında, tarihi yapılarda ve diğer üst ve altyapı projelerinde uygulanan olarak, çeşitli gruplara ayırmak mümkündür.
Derin zemin iyileştirmenin gerekli olmadığı durumlarda uygulanan yöntemlere yüzeysel zemin iyileştirme denir. Yüzeysel zemin iyileştirme genelde üstyapı yüklerinin çok fazla olmadığı yapılarda veya demiryolu ve karayolu gibi yol inşaatlarında kullanılırlar.
Donatılı iyileştirme; zeminlerin içerisine çeşitli malzemelerin çeşitli yollarla yerleştirilmesi sonucu mevcut zeminin mühendislik özelliklerinin güçlendirilmesi (reinforcement) işlemidir. Donatılı zeminler, zeminlerin metal çubuklar ile donatılı olarak iyileştirildiği ilk proje, 1966 yılında Fransa’da donatılı istinat duvarı yapımıdır. Daha sonra A.B.D.’de metal çubuklarla ilk donatılı duvar inşa edilmiştir. Metal çubuklarla zemin donatılandırma uygulaması zeminin doğal rutubeti ile metalin korozyona uğraması ve işlevini kaybetmesi gibi sorunlar doğurabilmektedir.
Yerüstü sularının, zeminin su muhtevasını ve dolayısıyla zemin mühendislik özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilecek yoğunlukta olması durumunda, kanallar, hendekler, kaplamalar, düzlemeler ve pompalar gibi araç ve uygulamalar yardımıyla yüzeysel olarak suyun uzaklaştırılmasına yüzeysel drenaj denir.
Yüzeysel kompaksiyon, sonradan dolgu yapılmış veya hazırda bulunan tabi zeminlere, çeşitli mekanik yöntemlerle müdahele edilerek, zemin içerisinde bulunan hava boşluklarının, boşluk oranının azaltılması ve zeminin bazı parametrelerinin çok derinlerde olmadan yüzeysel olarak iyileştirilmesi işlemidir.
Zeminler çok farklı yöntemlerle birçok farklı şekillerde iyileştirilebilmektedir. İlk ilkel zemin iyileştirme uygulamaları teknolojinin el verdiği oranda yüzeysel olarak uygulanmış olsa da proje gereksinimleri ve teknolojik gelişimler doğrultusunda çok derinlerde de zeminler iyileştirilebilmektedir. Geçmişten günümüze projelerin gereksinimlerine paralel hızlı, uygulanabilir ve ekonomik çözümler üretme çabası ile birçok derin iyileştirme yöntemi ortaya çıkmıştır. Bazı yöntemlerden çok verim alınmış ve çok fazla kullanımı sonucu tecrübeler ve öngörüler artmış, yöntemler çok fazla geliştirilmiştir. Bazıları ise teknik zorunluluklar sebebi ile tercih edilmiş, uygulanabilir, hızlı ve ekonomiklik açısından yeterli görülmeyip zorunlu kalınmadıkça tercih edilmemiştir.
Patlatma ile zemin iyileştirilmesi; yönteminde belirli derinliklere su jeti veya vibrasyon yöntemleri ile inilir ve inilen derinliklerde amonit, dinamit, TNT (trinitrotoluen) gibi patlayıcı maddeler patlatılır ve dinamik etki ile ortaya çıkan şok dalgaları, titreşimler ve sıvılaşmalar sonucu zemin boşlukları azaltılarak kompaksiyon yapılmış olur.
Mikrobik yöntemler; kalsiyum karbonat çökelmesi de denilebilir. Kalsit çökelmesi sıcaklık, basınç değişimleri veya mikroorganizmaların hareketleri ile fiziksel olarak oluşabilmektedir. Bazı tür bakterilerin meydana getirdiği kalsit tortularının beton, granit, zemin malzemeleri vb. üzerinde bağlayıcı olarak rol alabildiği gözlenmiştir.
Kum kolonlar (SCP); Titreşimli boruların zemin malzemesi içerisine sokulup, zeminin sıkıştırılırken kum eklenmesi ile iyileştirilmesi ilk olarak Japonya’da, yumuşak zeminlerin mühendislik özelliklerini iyileştirmek için kullanılmıştır. Boru içerisinde sıkışma sonucu oluşan boşluklara kum dökülerek ve sıkıştırılarak sıkı kum kolonları oluşturmuş olur.
Jet grouting yöntemi; büyük çoğunlukla çimento bazlı enjeksiyon karışımlarının kullanıldığı bir yöntemdir. Jet grouting, çok yönlü, tüm zemin türlerinde ve tüm dane çaplarında uygulanabilir. Zemine çok yüksek basınçlarda (700 kg/cm²) jet karışımı enjekte edilir ve karışımın zemini bıçak gibi kesip, zemin doğal yapısını bozarak kazığa benzer yeni bir malzeme (soil-crete) rijit kolonları oluşturması sağlanır.
İyileştirme kazıkları; kazıklar genel olarak yapı temellerine bağlanarak derin temel oluşturmada kullanılır. Fakat bazen de yapı temeli ile bağlantı oluşturulmadan bağımsız olarak uygulanır ve zeminlerin mühendislik özelliklerinin iyileştirilmesinde değerlendirilirler. Kazıklar temel olarak yapım yöntemlerine göre önceden dökme (çakma) kazıklar ve yerinde dökme kazıklar olmak üzere ikiye ayrılırlar.
Isıl işlemler; zemini ısıl işlemlere tabi tutularak mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi yöntemidir. Zeminin fiziksel özelliklerine ısıtılarak veya soğutularak müdahele edilebilir. Fakat burada önemli olan zemin içerisinde bulunan suyu çeşitli yöntemlerle geçici olarak soğutma ve dondurma işlemi yapılır. Zemin mühendislik özellikleri kısa süreliğine değiştirilir, işlemin sonlandırılması ile zemin eski haline tekrar döner. Buradaki amaç gerekli işlemin yapılmasına destek olmaktır, zeminde kalıcı bir iyileşme sağlamaz.
Hidro – patlatma yöntemi; ile zemin özelliklerinin iyileştirilmesi ilk olarak kumlu ve killi balçıktan oluşan nehir yataklarında uygulanmıştır. Yöntemin uygulanmasında önce sondaj kuyuları açılır, bu kuyular yardımıyla zeminin derinliklerine su pompalanır ve zeminin çökelmesi sağlanır. Tüm bunların ardından zemin malzemesinin derinliklerindeki sondaj kuyularına patlayıcılar yerleştirilir, patlayıcıların infilak etmesi sonucu zemin kompaksiyonu sağlanır.
Enjeksiyon yöntemleri; zemin içerisine yerleştilmelerine göre permeasyon (sızdırma – emdirme) enjeksiyonu, çatlatma enjeksiyonu ve kompaksiyon enjeksiyonu teknikleri olmak üzere üç çeşittir.
Elektrik sinyali ile kompaksiyon; bu yöntemde yüksek elektrik voltajı ile şok dalgaları yaratılır ve granüler zeminler bu şok dalgaları vasıtası ile sıkıştırılabilir. Yüksek maliyetlerinden dolayı proje yöneticileri tarafından çok rağbet görmemektedir.
Biyomühendislik teknikleri; biyolojik çalışmaları ve botanik bilgileri temel alarak koruma uygulamaları, toprak işlerinde zemin stabilizasyonu, hidrolik yapılar, nehir setleri, sel yatakları ve doğal peyzaj gibi diğer özelliklerinde kullanmaktır. Zemin malzemesi içerisindeki suyu kullanan bitkiler zeminin emme gücünü artırıp kayma mukavemetinin artmasını sağlar. Bitki örtüsü ve mekanik sistemler beraber çalışarak erozyona karşı direnç sağlar ve şev duraylılığı artırılabilir.
Yeraltı su seviyesinin zemin su muhtevasını ve dolayısıyla zemin mühendislik özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilecek kadar yüksek olması durumunda yatay ve düşey drenler, kuyular, pompalar gibi araçlar yardımıyla suyun uzaklaştırılmasına derin drenaj denir.
Derin karıştırma; kazıklı sistemlerde çıkan zemin malzemesinin uzaklaştırılması gerekliliği, kazık yapımı için kullanılan (çelik, beton vs.) malzemelerin fazladan maliyet getirmesi ve imalat süresinin kazık uygulamalarında daha uzun sürmesinden dolayı, bu yöntem alternatif olarak geliştirilmiştir. Derin karıştırma yönteminin zemin kayma mukavemetinin artırılması, oturma sorununun aşılması, geçirimliliğin azaltılması ve zararlı maddelere karşı dayanıklılığın artırılması etkileri vardır.
Dinamik kompaksiyon; mobil vinç yardımıyla belirli bir yükseklikten belirli bir ağırlığın zemin malzemesi üzerine düşürülerek zemin boşluk oranının azaltılması işlemidir.
