Donatılı ve donatısız zemin güçlendirme yöntemlerinin karşılaştırılması / The comparison between reinforced and unreinforced soil stabilization methods

Abstract

Zayıf zeminin varlığı, yerleşim yerleri ve yol güzergahları gibi, pek çok yapısal anlamadaki faaliyetlerin seçilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Nüfusun ve teknolojinin hızla artması, beraberinde zemin güçlendirme metotlarına da belli bir ivme kazandırmıştır. Elverişsiz alanlarda yapı yapılması ve özellikle deprem bölgelerindeki zemin yetisizlikler gibi gerekliliklerde ön plana çıkan zemin güçlendirme metotlarının, günümüzde uygulanması kaçınılmazdır. Geçmişten günümüze hemen her bölgede değişik zemin güçlendirme metotları geliştirilmiş ve geliştirilmeye devam etmektedir. Mevcut zemin güçlendirme metotlarından biri olan sıkıştırma yöntemi en yaygın yöntemlerden biridir. Hemen her bölgede uygulanan bu yöntem, ekonomik ve daha yüzeyseldir. Bir başka yaygın uygulama şekli olan zemin değiştirme ile zemin iyileştirmesi, sıkıştırma yöntemine göre daha maliyetlidir. Özellikle son yıllarda enjeksiyon yöntemi oldukça ön plana çıkmaktadır. Birçok uygulama çeşidi olan bu yöntem, çeşitli enjeksiyon malzemelerinin zemine likit bir şekilde enjekte edilmesinin ardından, belli bir süre sonra enjeksiyon malzemesinin sertleşmesi esasına dayanmaktadır. Zeminin dondurulması, yakılması, elektro-osmoz gibi çeşitli metotlar ise maliyetlerinden, ihtiyaç duyulan ekipmandan dolayı yeterince uygulama alanı bulamamışlardır. Geosentetikler depolama, drenaj, ayırma, filtrasyon, donatı gibi uygulama alanlarında da uygulanabildiğinden dolayı giderek popülaritesini artırmaktadır. Henüz araştırma aşamasında olan fakat çevresel olduklarından dolayı ilgi uyandıran atık mermer tozu ile zemin güçlendirme ve biyoteknik zemin güçlendirme yöntemlerinin ise, zamanla daha yaygın kullanılabileceği düşünülmektedir. Birçok uygulama alanı bulunan geosentetikler, istinat duvarlarında da güçlendirme malzemesi olarak kullanılmaktadır. İstinat duvarlarının, kayma, devrilme, taşıma kapasitesi gibi dayanımlarında önemli bir direnç artışı sağlayan geosentetik güçlendirmeler ile ilgili çeşitli araştırmalar ve çalışmalar yapılmış, ve bazı standartlar bu araştırmada tartışılmıştır. Bu çalışmada, bu standartların değişebileceği fikri oluşmuştur. Zira, gereksiz güçlendirme uzunluklarının ekonomi ve uygulama açısından bu yöntemin yeterince uygulama alanı bulamamasına ve yapılan uygulamalarda fazla maliyete sebep olabileceği düşünülebilir. Yapılan araştırma ve çalışmalarda bazı standartların aşırı muhafazakar tarafta kaldıkları, bazen geosentetik güçlendirme uzunluklarının yarı yarıya fark ettiği bu çalışmada gözlenmiştir. Parametrik yaklaşım sonuçları, çeşitli standartlarla karşılaştırılmış ve gerekli geosentetik güçlendirme uzunluğunun dünya standartlarındaki değerlerden daha kısa olabileceği fikrine varılmıştır. Bu parametrik yaklaşımlar sonucu, geosentetiklerin daha ekonomik bir şekilde istinat yapılarında kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu konuya yönelik olarak geogrid güçlendirmeli istinat duvarlarının kayma, devrilme, taşıma kapasitesi kontrolleri, çekme yetisizliği ve eksantrisite etkisi incelenmiştir. Bu kontroller sonucu, bazı şartnamelerde verilen geogrid ve geosentetik güçlendirmeli istinat duvarlarında minimum güçlendirme uzunluklarının kısaltılmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. İstinat duvarlarının arkasında yeterli mesafenin olmadığı durumlarda bu yarar daha da ön plana çıkmaktadır. Geosentetik malzemelerin birim fiyatları göz önüne alındığında, stabiliteden ödün vermeyerek, optimum boyutlarda daha az bir malzemeyle güçlendirme yapılabileceği için, bu ekonomik faydanın göz ardı edilemeyeceği görülür. The improvement of weak or loose soils to improve their load bearing capacity and reduce their potential settlement characteristics has proved to be cost effective in achieving an economical substructure solution to many developments. The research undertaken in this thesis provides the most important ground improvement techniques. Considerable developments have undertaken recently not only in technical matters but also in plant and equipment, and rate of production in the consideration of ground improvement. It has been many developments in the last decade in which the increasing demand for in-situ deep soil mixing work in Europe and North America have been observed, which are reflected in this thesis. As far as the traditional approaches are concerned, the selection of the correct ground improvement technique at an early stage in design can have an important effect on foundation choice and can often lead to more economical solutions. These considerations are explained in this research which provides an overview of the development of each specific technology as well as details of plant and equipment required. These developments are reflected in the increasing degree of standardisation of the various methods in codes and similar technical recommendations that cover geotechnical design that are considered in this research study and the compressions are made between the techniques presented in this thesis. Theoretical considerations on design aspects together with fields of application and limitations of the methods are also provided including aspects of monitoring and process controls complete the description of the various ground improvement methods. The comparisons are made with the ground improvement methods, the distinctions are made between methods of compaction or densification and methods of soil reinforcement through the introduction of additional material into the ground. Research concentrated on the methods of static compaction by preloading with and without consolidation aid, the most common methods are described and illustrated, the vibratory compaction by depth vibrators, the vibro stone column methods, dynamic compaction with current plant and equipment, the important ground improvement method of permeation grouting is presented with an emphasis on recent advances in cement grouting, the chemicals injection, jet grouting is described, the compaction effect of grouting pressure and the reinforcing effect of the low strength grout material is introduced, similar soil improvement features to compaction grouting used to control building settlement is explained, the lime/cement stabilisation method, the in-situ deep soil mixing methods are described. The main problem associated with providing foundations which perform satisfactorily on poor ground is the effect of differential settlements. The main object of ground improvement therefore is to achieve a reduction and more uniform ground settlement due to the applied loads thus reducing differential movements to within acceptable limits. Settlements are usually caused by the vertical load delivered by the building and its foundation, which can result in consolidation, compaction and shear strain of the soils. In addition, the rates of settlement are closely related to soil drainage. Ground improvement therefore aims to consolidate and compact the soil and improve its shear resistance and make its drainage characteristics more uniform. This reduces the magnitude of differential settlement under loading and improves the load-bearing capacity of treated soil. Soil stabilization requires a high degree of uniform particle bonding. A review of grouting processes illustrates that penetration by cements in most soils is impractical, but injection that displaces soil fabric and mixing that destroys it allows cement to be introduced into the soil. These processes are mainly applicable to surface layers, allowing the construction of roads, car parking areas and hard standings on otherwise unsuitable soils. In addition to the more common use of soil reinforcement in embankments and road construction, benefit can be gained from increased tensile resistance of soils for foundations. For example, reinforcement can improve soil behaviour during surface rolling for soil strengthening. The behaviour of the soil can be improved by restraint from side spread by the introduction of horizontal reinforcement between the layers of material. The another goal of this study is to characterize the governing failure mechanism for the required minimum geogrid reinforcement length used in the reinforced soil retaining walls as well as to investigate the possibility of using the shorter reinforcement lengths than the world guidelines suggest. Effect of various parameters on the optimum reinforcement length for each failure consideration in the design is investigated by the parametric study. The overturning, sliding and bearing capacity failures as well as the pullout failure mechanisms are analyzed. Guidelines regarding the minimum reinforcement lengths are decreased. In some cases, there is no enough space behind the wall, therefore, this investigation becomes more crucial since as it is concluded in this study that it is infect possible to shorten the geogrid length required in the improvement zone of the reinforced retaining wall without decreasing the stability required.