ARAZİ DENEYLERİ

Doğru deney veya deneyleri seçmek, deney kalitesini belli bir seviyede tutmak iyi bir geoteknik arazi karakterizasyonu anahtarıdır. Zira, kötü bir sondaj, yanlış ve kötü bir numune alma ve yanlış ve kötü deneyler ile doğru bir karakterizasyon yapmak mümkün değildir. Bu doğrultuda beş bölümden oluşan TS ISO 22476 arazi deneyleri ile doğru kapsamda önemli bilgiler vermektedir. Tablo 12 ve 13’te arazi inceleme yöntemlerinin uygulanabilirliğine basitleştirilmiş genel bakış verilmiştir (TS EN 1997-2).

 

Bölüm kapsamında Türkiye’de çok uygulanan ve önemli zemin karakterizasyon araçları olan SPT, CPT ve presiyometre deneylerinde dikkat edilecek hususlar aktarılmıştır.

 

 

 

 

 

 

 

 

Tablo 12. Arazi inceleme yöntemlerinin uygulanabilirliğine basitleştirilmiş genel bakış  (TS EN 1997-2, Table 2.1)

Arazi İnceleme Yöntemleri a)     Muhtemel elde edilebilir sonuçlar Numune Alma Arazi deneyleri Yeraltı suyu ölçümleri Zemin Kaya CPT & CPTU PMT c RDT Esnek Dilatometre SPT d DPL/DPM DPH/DPSH WST FVT DMT PLT Açık sistem Kapalı sistem Kategori A Kategori B Kategori C Kategori A Kategori B Kategori C Temel Bilgiler                                       Zemin tipi C1 F1 C1 F1 C1 F2 − − − C2 F2 C3 F3 − C3 F3 C2 F1 C3 F3 C3 F3 − − C2 F2 − − − Kaya tipi − − − R1 R1 R2 R3e) R3 R2 − − − − − − − − − − Tabakaların yayılımı b) C1 F1 C1 F1 C3 F3 R1 R1 R2 C1 F1 R3 C3 F3 R3 C3 F3 C2 F2 C1 F2 C1 F2 F2 − C2 F1 − − − Yeraltı su seviyesi − − − − − − C2 − − − − − − − − − − R2 C1 F2 R1 C1 F1 Boşluk suyu basıncı − − − − − − C2 F2 F3 − − − − − − − − − R2 C1 F2 R1 C1 F1 Geoteknik özellikler         Tane boyutu C1 F1 C1 F1   R1 R1 R2 − − − − C2 F1 − − − − − − − − Su içeriği C1 F1 C2 F1 C3 F3 R1 R1 − − − − − C2 F2 − − − − − − − − Atterberg limitleri F1 F1 − − − − − − − − F2 − − − − − − − − Yoğunluk C2 F1 C3 F3 − R1 R1 − C2 F2 − − − C2 F2 C2 C2 − − C2 F2 − − − Kayma mukavemeti C2 F1 − − R1 − − C2F1 C1 F1 − − C2 F3 C2 F3 C2 F3 C2 F1 C2 F1 R2 C1 F1 − − Sıkışabilirlik C2 F1 − − R1 − − C1 F2 C1 F1 R1 F1 C2 F2 C2 F2 C2 F2 C2 − C2 F1 C1 F1 − − Permeabilite C2 F1 − − R1 − − C3 F2 F3 − − − − − − − − − C2 F3 C2 F2 Kimyasal Deneyler C1 F1 C1 F1 − R1 R1 − − − − − C2 F2 − − − − − − − − a) Terim için 3. ve 4. bölüme bakınız b) Yatay ve düşey doğrultuda c) Basınç ölçer tipine bağlı olacak d) Numune alındığı varsayılarak e) Yalnızca yumuşak kaya   R1 Kaya için yüksek                           R2 Kaya için orta                             R3 Kaya için düşük C1 Kaba zemin için yüksek *)            C2 Kaba zemin için orta                 C3 Kaba zemin için düşük F1 İnce zemin için yüksek *)              F2 İnce zemin için orta                   F3 İnce zemin için düşük − Uygulanabilir değil   *) Ana zemin gurupları “kaba” ve “ince” ISO 14688-1’e göredir. NOT: Zemin koşulları (zemin tipi ve yeraltı suyu koşulları gibi) ve planlanan tasarıma bağlı olarak araştırma yöntemi farklılık gösterebilir ve bu tablodan sapabilir.

 

Tablo 13. Arazi deneylerinin kısaltmaları (Tablo 14 için)

CPT  CPTU PMT DMT DP DPL    DPM

Koni penetrasyon deneyi Boşluk suyu basıncı ölçümlü CPT Presiyometre deneyi Düz dilatometre deneyi Dinamik sonda Hafif dinamik sonda Orta dinamik sonda

DPH  DPSH-A DPSH-B FDT FVT PLT RDT

Ağır dinamik sonda Süper ağır dinamik sonda, A tipi Süper ağır dinamik sonda, B tipi Esnek dilatometre deneyi Arazi vane deneyi Plaka yükleme deneyi Kaya dilatometre deneyi

 

5.2. SPT Deneyi

Standart Penetrasyon Deneyi (SPT) ile; sondaj kuyusunun tabanındaki zeminin boylamasına ortadan ikiye ayrılabilen numune alıcının dinamik penetrasyonuna karşı gösterdiği direncin belirlenmesi ve zemini tanımlamak amacıyla örselenmiş numune alınması (SPT numunesi) amaçlanır. Çakıllı zeminler ve yumuşak kayaçlarda, dolu gövdeli konik uç da kullanılabilir (SPT(C)).

 

Şahmerdan düzeneği kütlesi 115 kg’ı geçmeyecek şeklide; şahmerdan, kılavuz mili, dövme başlığı (örs) ve düşme sisteminden oluşur ve aşağıdaki koşulları sağlamalıdır (TS EN ISO 22476-3):

• (63,5 ± 0,5) kg’lık şahmerdanın düşürülmesi sırasında, en düşük direnci sağlamak için kullanılan uygun kılavuz mili,
• Tijde gereksiz titreşimler meydana getirmeyen ve şahmerdan serbest bırakıldığında ihmal edilebilir bir hızla sabit (760 ± 10) mm yükseklikten serbest düşüşünü sağlayacak şekilde otomatik bırakma mekanizması,
• Çelik dövme başlığı veya rijit darbe bloğu tijin üst tarafına bağlanmalıdır. Bu başlık veya blok, emniyetli tip şahmerdanda olduğu gibi, düzeneğin iç kısmından oluşabilir.

Tij, ilerleme sırasında burkulmayacak şekilde rijit olmalıdır. 10,0 kg/m’den daha büyük kütleli tij kullanılmamalıdır. Sadece düz tijler kullanılmalıdır. Tijler manşonlu olması halinde gevşek bırakılmamalı (boru anahtar ile tatlıca sıkılmalı) ve tij rijitliğinden çok farklı olmamalıdır. Deneyde kullanılan tijler eğik olmamalıdır (tijdeki müsaade edilen kalıcı azami eksenden sapma; tij boyu/eksenden sapma < 1/1200 dür).

 

SPT deneyi esnasında, şahmerdan ve kılavuz mili arasındaki sürtünme (şahmerdan düzeneği tasarımı ve düzeneğin düşeyliği), şahmerdanın darbe esnasında dövme başlığına teması süresince oluşan mekanizma (şahmerdan temas yüzey durumu, dövme başlığı temas yüzey durumu, tij ve ek yeri durumu) sebebiyle teorik hesaplanan enerji ile dövme başlığı altında tije transfer edilen enerji farklılık arz etmektedir.  Bu sebeple, N darbe sayısı, Geoteknik Arazi Karakterizasyonu (GAK) kapsamında indeks parametresi olarak kullanılabilmesi için Şahmerdan düzeneğinin karakteristik enerji oranı (Er) bilinmelidir. Dövme başlığının hemen altındaki Er değerinin kalibrasyon belgesi mevcut olmalıdır

 

SPT deneyi esnasında ölçüm aleti ile teçhiz edilen tije dalganın seyahati boyunca oluşan tij serisinden ve ucundan yansıyan sinyaller analiz edilerek transfer edilen enerji hesaplanır. E(t) ve teorik olarak hesaplanan şahmerdanın potansiyel enerjisi ile oranlanarak tije transfer edilen enerji yüzdesi (E_r) bulunur (Şekil 20, Şekil 21, Tablo 4).

SPT Tüpü : Çarıklı	SPT Tüpü : Konik Uçlu

Şekil 19. Çarıklı ve konik uçlu SPT tüpleri (Geogrup A.Ş.’den ve izin alınarak kullanılmıştır)

 

                

Açıklama 1 Dövme başlığı 2 Tijin ölçme aletli bölümü 3 Tij 4 Birim deformasyon ölçer (strain gauge) 5 İvme ölçer 6 Zemin F Kuvvet dr Tijin çapı

 

Er : Transfer edilen enerji oranı E(t)’ : Darbe sonrası, (t’) anına kadar ölçüm aletli tije iletilen darbe enerjisi Eteori : Teorik hesaplanan enerji ℎ : Şahmerdanın düşme yüksekliği, m : Şahmerdanın kütlesi, g : Yerçekimi ivmesi,

 

Şekil 20. SPT enerji ölçüm düzeneği şematik gösterimi ve E_r hesabı (TS EN ISO 22476-3, EK-B)

 

 

SPT’de kullanılan çarıklı ve konik uçlu tüpler Şekil 19’dadır. Bu uçlar düzeltme sırasında dikkate alınmalıdır. Bir sondaj sırasında sürekli enerji ölçümü yapılmış SPT deneyinin sonuçlarının değerlendirilmesi Tablo 14’te gösterilmiştir.

 

 

Şekil 21. SPT enerji ölçümü ve araçları (Geogrup A.Ş.’den izin alınarak kullanılmıştır)

 

Tablo 14. Bir sondaj sırasında sürekli enerji ölçümü yapılmış SPT deneyinin sonuçlarının değerlendirilmesi (LiquefACT, İÜC, 2017)

5.3. Presiyometre Deneyleri

Presiyometre deneyi hiçbir arazi deneyinde bulunmayan, istenilen derinlikte zeminin gerilme-deformasyon eğrisini vermek gibi eşsiz bir avantaja sahiptir. Bununla birlikte, bu deneyde kullanılan alet tipleri ve aletlerin zemin içine yerleştirilme şekillerine göre elde edilen sonuçlar farklı olmaktadır (Şekil 22). İtmeli (Pushed-in Pressuremeter, PIP), önceden delmeli (Pre-Mored Pressuremeter, PBP; Menard tipi) ve kendinden delmeli (Self-Boring Pressuremeter, SBP) tipleri bulunan bu deneyin en çok tercih edileni Menard tipidir. Türkiye’deki presiyometre deney cihazlarının tamamı Menard-G tipi olup, basınç kontrollüdür. Bu cihazın deformasyon kontrollü olması için servo-kontrol ünitesinin de bulunması gereklidir. Ancak bu durumda döngüler (loop) yapılması mümkün olmaktadır.

Menard tipi presiyometre deneyi ile basınç (p) – hacim (V) ilişkisi elde edilmektedir. Tipik bir eğri Şekil 23’te verilmiştir. Ancak Menard tipi deney en çok hata yapılan deneylerden birisidir ve değerlendirmesinde sorunlar bulunmaktadır. Deney sırasındaki hatalar, genellikle bilinçsizlik ve özensizliktendir ve şu şekilde listelenebilir:

• Membran ve basınç kaybı kalibrasyonunun yapılmaması ya da yanlış yapılması
• Sondaj delik çapının presiyometre delik çapından büyük seçilmesi veya presiyometre deliğinin uygun matkap (auger) çapı ile açılmaması
• Kumlu, siltli birimlerde, suyun etkisiyle delik çapının dökülmeler nedeniyle büyümesi
• Killerde, sondaj deliğinin büyük seçildiği durumlarda, deney yapılacak kısmın hareket ederek delik çapını küçültmesi (Bu durumda örselenmiş zeminin modül ve mukavemet bilgileri verilmektedir)
• Kendini tutan zeminlerde sondaj sırasında değil de sondaj tamamlandıktan sonra (aynı gün veya birkaç gün sonra) aşağıdan yukarı doğru deneylerin yapılması (Bu durumda örselenmiş, belki de göçme durumuna ulaşmış zeminin modül ve mukavemet bilgileri verilmektedir)

 

Şekil 22. Aynı zeminde üç değişik tip presiyometre ile elde edilen eğriler (Cambride In-situ Ltd.)

 

Menard tipi deneyini tercih edenler pressiyometre elastisite modülü (Em) ve limit basınç (pL) ile ilgilenmektedirler (Şekil 23a). Ancak bu deneyin eğrisini p-DV/V şeklinde sunmak zeminin alışılagelmiş gerilme-deformasyon eğrisini (Şekil 23b) algılamak ve zeminin davranışı ve/veya deneyin kalitesi hakkında karar vermek için yararlı olacaktır. Menard tipi deneyde alet ile kuyu duvarın arasındaki boşluk (Şekil 24a) büyüdükçe p_L’yi doğru elde etmek mümkün olmamaktadır. Zira, uygulamada kullanılan klasik cihazların kapasitesi 700 cm3’tür ve zemini göçmeye götürecek basınç, çevresindeki boşluğu doldurmak için kullanılmaktadır. Eğer hem delik büyük hem de zemin deliğe doğru hareketlenmişse bu sefer de elastisite modülü yanlış elde edilmektedir. Halbuki bu problemler ve ölçüm hatalarına Şekil 25’te gösterilen kendinden delmeli, 6 farklı kol deformasyon ölçümü yapan, boşluk suyu basıncı ölçümlü, deformasyon kontrollü aletle yapılan bir deneyde rastlanmaz. Kendinden delmeli presiyometrenin genel olarak avantajları şu şekilde sıralanabilir:

• Minimum örselenmeye neden olan yerinde yapılan bir deney olduğu için güvenilir sonuçlar vermektedir.
• İstenilen derinlikte gerilme-deformasyon eğrisi elde edilen tek arazi deneyidir.
• Başka bir deneyin veremediği birçok zemin parametresi elde edilmektedir.
• Büyük bir zemin hacmi test edilebilmektedir. Tipik yükseklik olan 50 cm, kuyu duvarındaki deformasyonun 10 katı kadardır. Bu açıdan bakıldığında 38 mm çapındaki numuneyle yapılan 1000 adet üç eksenli deneye karşılık gelmektedir.
• Deformasyon kontrollü olduğu için istenilen yükleme hızında deney yapılabilmektedir.
• Data toplama sistemi ile deney eğrisinin takibi mümkündür ve yüksek deney tekrarlanabilirliği bulunmaktadır.
• Kompleks geoteknik problemlerde sonlu elemanlar modellerinin kalibrasyonu için idealdir.
• Özellikle yatay yüklü kazıkların performansını tahmin etmede çok uygundur. Bununla birlikte, darbeli kırmataş kolon, itme-çakma kazık, fore kazıkların modellenmesinde iyi sonuçlar vermektedir.
• Boşluk suyu basıncı ölçmesi ve deformasyon kontrolüne sahip olması nedeniyle yerinde permeabilite deneyi (akım ölçer ünitesi ilave edilerek) ve konsolidasyon deneyi yapılabilmektedir.

 

Arm (kol) olarak adlandırılan deformasyon ölçme mekanizması Kesici uç bağlantı yeri Boşluk suyu basıncı ölçme noktası

Kesici uç Boşluk suyu basıncı ölçme noktası

Şekil 25. Kendinden delmeli (6-kollu) presiyometre (Self-Boring Pressuremeter, SBP) cihazı

(Cambride In-situ Ltd.)

5.4. CPT Deneyleri

Geoteknik Arazi Karakterizasyonu (GAK) amacına uygun olarak CPT deneyinde de beklenen doğruluk seviyesi, CPT sınıfını ve test tipini (ekipman, ölçülecek parametre, loglama sıklığını) belirlemektedir. Uygulamalarda CPT ekipmanı ve metodu tercihi Tablo 15’te özetlenen kriterlere uygun olarak yapılmalıdır.

 

CPT deneyi kapsamında test tipleri TS EN ISO 22476-1 ‘de;

• TE1; Uç dirneci (q_c) ve Çevre Sürtünmesi (f_s)
• TE2; Uç dirneci (q_c) ve Çevre Sürtünmesi (f_s) ve Boşluksuyu Basıncı (u)

olarak tanımlanmaktadır. TE2 (CPTu) tipinde u₂ boşluksuyu basıncı standart olarak ölçülmekte ve ayrıca TE2 alt kategorisi olarak u_{1 ve} u₃ filtre pozisyonlarında da deney gerçekleştirilebilmektedir (Şekil 26).

 

u1 u2 u3 1 2 3133   1 – Sürtünme kılıfı 2 – Konik penetrometre 3 – Konik uç

Şekil 26.  TE2 (CPTu) CPT deneyinde boşluk suyu basıncı ölçen filtrelerin (u₁, u₂, u₃) pozisyonları ve CPT konik uç yük hücrelerinden görünüş  (TS EN ISO 22476-1)

 

CPT Sınıfları aşağıda tanımlanmıştır:

• CPT/SINIF-1, yumuşak ve çok yumuşak zemin koşullarında tercih edilmelidir.  Sınıf 1, yumuşak/gevşek ve sert/sıkı birimlerin birarada bulunduğu zemin koşullarında uygun değildir.  Ancak sıkı birimler ön delgi ile geçilerek kullanılabilinir.  Sınıf 1 deneyler sadece CPTu ile yapılabilir.
• CPT/SINIF-2, yumuşak/gevşek ve sert/sıkı birimlerin birarada bulunduğu karışık tabakalanmış zeminlerde profil tayini ve tanımlanması amacıyla tercih edilmelidir.  Zemin mühendislik özelliklerinin belirlenmesi mümkün olmakla berarber yumuşak tabakalarda ihtiyatlı olarak kullanılmalıdır.
• CPT/SINIF-3, yumuşak/gevşek ve sert/sıkı birimlerin birarada bulunduğu karışık tabakalanmış zeminlerde profil tayini ve tanımlanması amacıyla tercih edilmelidir.  Zemin mühendislik özelliklerinin belirlenmesi açısından çok katı/sert ve çok sıkı tabakalar için uygundur.  Katı kil veya silt ve gevşek kumlar için sadece temsili değerlendirme imkanı vereceği dikkate alınarak kullanılmalıdır.

Tablo 15.  CPT sınıfı ve test tipi tasnifi (TS EN ISO 22476-1, Tablo 2)

 

• CPT/SINIF-4, yumuşak/gevşek ve sert/sıkı birimlerin birarada bulunduğu karışık tabakalanmış zeminlerde kaba profil tayini ve tanımlanması amacıyla tercih edilmelidir.  Zemin mühendislik özelliklerinin belirlenmesi açısından uygun değildir.  Deney TE1 tipi CPT ile eğim ölçümü olmaksızın yapılabilir.

Zemin sondalarından en çok rağbet gören ve insan hatasından en uzak olanıdır. Eğer cihazın düzenli kalibrasyonu ve bakımları (Tablo 16) yapılıyorsa, CPTu deneylerinde poroz disklerinin su/gliserin ile doygunlaştırılması doğru bir şeklide gerçekleştiriliyorsa ve en önemlisi ağırlığı (ya da zemine ankre olma durumu) uygun olan bir ekipman ile itiliyorsa sonuçları çok tatmin edici bir deneye dönüşmektedir. Suya doygun yumuşak kil ve siltler ile gevşek siltli kum ve kumlarda önemli ve güvenilir veri sağlamaktadırlar. Birçok sıvılaşma kaynaklı oturma ve sıvılaşma hasar değerlendirmesi için geliştirilen yöntemler artık CPT’ye dayalıdır. Uygun CPT sınıfı kullanılarak, yumuşak zeminlerin karakterizasyonu için çok kullanışlı data elde edilebilmekte (Şekil 27) ve taşıma gücü hesaplarında eşsiz avantaj sağlamaktadır. Ayrıca, sıvılaşma hesaplarında CPT verileri önemli bir tercih sebebi olmaktadır. Ülkemizde sıvılaşma potansiyeli olan yerlerde zemin karakterizasyonu ve sismik kaynak deplasmanların hesabı ve yapılardaki sıvılaşma kaynaklı deplasmanların ve olası hasar değerlendirmesi için CPT deneyi yapılması için uğraş verilmesi gerekmektedir. 

Tablo 16. CPT deneyinin bakım rutinleri için kontrol şeması  (TS EN ISO 22476-1, Figure A.1)

Kontrol rutini	Deney başı	Deney sonu	Her 6 ayda
İtme pistonlarının düşeyliliği	n	-	-
Derinlik sensörü	-	-	n
Tij	n	-	-
Aşınma	n	n	-
Hidrolik Kaçak ve sızıntı	n	n	-
Sıfır değeri	n	n	-
Kalibrasyon	-	-	n*
Filtre elemanları	n	n	-
Penetrasyon hızı	-	-	n
Güvenlik (acil durum) fonksiyonları	-	-	n
* ve uzun dönem süren testlerden sonra