Ankraj, Zemin Çivisi ve Bulon Sistemleri

Ankraj, Zemin Çivisi ve Bulon Sistemleri

Kaya ve zemin ortamlarda yakın zamanlara kadar önemli sorun sistemin çekme gerilme ve kuvvetlerine direncini artıramama idi. Çekme kuvvetlerine dayanımlı ve zemine bu özelliği hızla sağlayan saplama ve ankrajlar tünellerden başlayarak geoteknik mühendisliğinde önemli gelişmelere yardımcı olmuştur. Ankraj ve saplamalar kazık sıralarım ve perdeleri destekleme, yüzeydeki zemini altındaki ana kayadan çekme reaksiyonu alarak tutma, kaya bloklarını yerine bağlama/tespit gibi çeşitli işlevleri yerine getirirler. Yamaç ve şevlerde çoğun anlamı karıştırılarak kullanılan ankraj, saplama ve çivi sözcükleri gerçekte oldukça farklı kavramları yansıtmaktadır. Saplama (rock bolt) sadece kayalarda uygulanan, genellikle mekanik işlevli, son yıllarda uygulanan biçimi ile açılan deliğe çakılıp ortamdaki olası ötelenme ve şekil değiştirmeleri içinden geçtiği süreksizlikleri birbirine yanaştırıp sürtünme kuvvetini artırarak önleyen, 33-47 mm çaplı, tek parçalı, içi boş bir açık çelik çubuktur. Bu çubuk deliğe itildikten sonra 30 MPa gibi bir su basıncı ile ya da ortamda belirecek hareketlerin etkisi ile yerine bağlanmaktadır (Şekil – 1).

Ankraj (ground anchorage) kafa, gövde ve kök olmak üzere üç parçadan oluşan, kökünün ortama çimento veya kimyasal enjeksiyonla tutturulması sonucu kafada çekme kuvvetlerinin gelişebildiği bir sistemdir. Hizmet süresine göre geçici veya sürekli olması için gerekli önlemler alındığı gibi, işlevine göre de serbest veya öngermeli olarak uygulanır. Ankraj kapasitesi kumlarda sıkılığa, daha da basitçe enjeksiyon basıncına; killerde ve kayalarda kök/gövde – ortam yapışmasına bağlıdır. Şekil 2 – Şekil 2,1 ’de bir zemin ankrajının basitleştirilmiş şeması verilmektedir. Ankraj kuyusu uygun eğimle açıldıktan sonra çelik çubuk veya çelik lifler içine yerleştirilerek kök bölgesi enjeksiyonla zemine bağlanır. Bu sırada kuyunun geri kalan bölgesi serbesttir. Ankraj öngermeli ise, bu aşamada gergi yükü uygulanır ve kafa yerine mekanik bir aygıtla tespit edilir. İkinci içitim çalışması serbest bölümün pastan korunmasına yöneliktir ve kapasiteye katkıda bulunmadığı kabul edilir. Tipik zemin ankrajları 4-12 m boylu ve 60-1000 kN kapasitelidir.

Şekil - 1
Şekil 2
Şekil 2-1

Kayada bu değerin 10000 kN a kadar yükseldiği bildirilmiştir. Ankraj uygulaması yüksek maliyetleri nedeniyle de konunun uzmanı firmalarca yapılmalıdır. Peru’da inşa edilmiş olan Tablachaca barajında yamaçlarda önemli hareketler belirdiğinde acil önlemler alınması gerekmiş, heyelanı hızla durdurma amacıyla önüne tutma kütlesi koyulup drenaj tünelleri açılırken Şekil 3’de gösterildiği gibi üç sıra ankraj uygulaması yapılmıştır. Bu uygulama önemli yapılarda alınacak önlemlerin ne denli yaygın olabildiğini gösterme açısından önem taşımaktadır. Benzer şekilde Karakaya Barajı gövdesine yakın yamaçta yüksek kapasiteli ankraj uygulaması yapılmıştır.

Şekil 3

Ankraj, Zemin Çivisi ve Bulon Sistemleri

Son on yıl içinde özel makinalarının devreye girmesi ile yaygın uygulama bulunan çivileme yöntemi (soil nailing) yapım ve işlev bakımından saplama ve ankrajlardan önemli farklılıklar gösterir. Çivi, Türkçe anlamından farklı olarak çapı bir betonarme demirinden 30 cm çaplı mini kazığa kadar değişebilen ve işlevi zemine ek kayma direnci sağlamak olan yabancı bir cisimdir. Bu basitliği nedeniyle yamaç ve şevlerde uygulandığında ankraj desteğine oranla daha düşük maliyetler getirir.

Çivilemenin ana amacı özellikle kazı sonucu gerilme boşalmasına tabi olan bir ortamda hareketleri minimuma indirmektir. Bu açıdan bakıldığında aynı amaca yönelik, örneğin donatılı zemin ile de arasında önemli farklar vardır. Donatılı zemin uygulaması gerilme almayan bir ortamda desteği aşağıdan yukarıya sağlayarak gerçekleştirilirken çivi, bir gerilme alanında sağladığı çekme dayanımı ile olası ötelenmeleri kontrole yöneliktir. Şekil 4′ de çivileme işlemi olarak nitelendirilebilecek diğer yöntemler özetlenmektedir.

Uygulama en basit şekilde zemine açılan delik içine betonarme demiri salınması ve boşluğun çimento enjeksiyonu ile doldurularak çivinin yerine basit bir plaka ile tutturulmasıdır. Kök kazığı olarak da bilinen mikro kazık yapımı aynı noktadan çıkarak farklı eğimde 10-30cm çaplı delik açılması, içlerine tek donatı indirildikten sonra enjeksiyonun tamamlanması biçiminde gerçekleştirilir (pali radice). Çivilerin hesaplama yöntemleri henüz geliştirilme aşamasında olup zemine sık aralıklarla çakılarak, delinerek bazen de itilerek, yerleştirilen cisimlerin zeminin kayma direncini yükseltmesi gözetilmektedir.

Fransa Ulaştırma Bakanlığı bünyesinde 1990’lı yıllarda bu amaçla CLOUTERRE adlı geniş bir araştırma programı yürütülmüştür. Çivilemenin zemine katkısı Şekil 5’de gösterilmektedir. Çivinin kaymanın eşiğinde bulunan ve с-ф dirençleri tümüyle uyanmış zemine katkısı kendi mekanik direnci ve sökülme direnci olarak gelir (T). Şekil 5-b’ de T’nin etkisi ile ilgili yapılabilecek kabuller gösterilmektedir. Buna göre yapılacak kabulün çivinin etkisini önemli ölçüde etkilemesi beklenir.

Çivileme yöntemleri literatürde Fransız, Alman, Davis, Geliştirilmiş Davis ve Kinematik olarak dört farklı yaklaşımla geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden bazıları TALREN, SNAIL, GOLDNAIL gibi yazılımlarla kullanıma açılmıştır. Foto 1’de yeni geliştirilmiş bir çivileme makinası gösterilmekte olup bu makina delme, çivi yerleştirme, enjeksiyon işlemlerini birlikte gerçekleştirmektedir.

Şekil  4
şekil 5
foto 1

Çivilerin etkisinin en olası biçiminin pasif direnç olduğu varsayıldığında şekil – 5 c’deki dağılım Winkler hipotezine göre kirişin aldığı yatak katsayısı etkisi ks tarafından yönetileceğinden zeminde belirecek kesme kuvveti Vs

formül 1

Biçiminde ifade edilebilir. Bu burada p: çivinin aldığı normal gerilme veya pasif dirençtir. En uygun biçimde Presiyometre deneyinde zemin için ölçülmüş sünme değeri olarak alınabilir. D: çivinin çapı Lo ise çivinin rijitliğinin göstergesi (4EI/ksD)1/4 olup bu değere transfer boyu da denmektedir. Maksimum kesme kuvveti alınabilecek maksimum momentle de kısıtlandığından,

formül 2

Değeri daha küçük çıkarsa bu değer maksimum kesme kuvveti olarak alınır. Başka bir ifade ile çivinin dayanacağı maksimum moment Mp ise, yükleme sonucu belirecek maksimum moment,

formül 3

Çivi tarafından 2 gibi bir güvenlik sayısı ile karşılanmalıdır. Tresca yenileme hipotezini kullanarak,

Formül 4

İle çivide kesme ve çekme kuvvetlerinin birlikte etkin olduğu kabul edilirse, kayma düzlemi ile alfa açısı yapan bir çivide,

formül 5
formül 6

Kuvvetleri belirecektir. Rc çivinin kesme dayanımını (σy/2), Rn = 2Rc ise çekmeye dayanımını temsil etmektedir. α yamaç yüzü ile çivi arasındaki açı, T çivideki çekme kuvveti, V ise çivide uyanan kesme kuvvetini göstermektedir.