Kazık Bütünlük/Süreklilik Deneyi (KBD), Zaman Alanında Analiz
(Sonic Integrity Test, SIT; Pulse Echo Test, PET; Pile Integrity Test, PIT)

Yüzeyden yapılan tetkik usûllerinden  düşük deformasyon seviyeli bir deney olan kazık bütünlük/süreklilik deneyi, kazıklardaki taşıma kapasitesine tesir edecek büyüklükte ana süreksizliklerin (kırık, çatlak, imalat kusurları, kesit daralması v.b.) tayininde ülkemizde ve dünyada çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Deney sonuçları (hız-zaman reflectogramı) ASTM D5882.16 “Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations” uyarınca standart değerlendirme usûlü (Pulse Echo Method) olarak zaman alanında değerlendirilmektedir.  Opsiyonel değerlendirme usûlü (Transient Response Method) olarak frekans alanında değerlendirme bir sonraki başlıkta “Bölüm Yük ölçer ile teçhiz edilmiş çekiç vasıtasıyla kazık bütünlük/süreklilik deneyi, frekans alanında analiz (sonic integrity test with instrumented hammer, SIT+; transient response method, TRM)” anlatılmaktadır.
İvmeölçer sinyali büyütülüp, özellikle zayıf taban sinyalleri bütün detay bilgileri korunarak dijital forma çevrilmektedir. Hız, ivme sinyalinin integrali alınarak hesaplanmaktadır. Hız-zaman grafikleri deney aletinin ekranında görüntülenmekte ve post-process için saklanmaktadır (Şekil 1).  Kazık Süreklilik Deney (Sonic Integrity Test, SIT) sinyalleri, kazık kesit değişimi, zemin özellikleri, beton kesafeti ve aynı zamanda kazıktaki boşluklar, betona zemin karışması ve kırıklar gibi kazığın özdirencini etkileyen hususlar ile ilgili bilgi ihtiva etmektedir.
 

    

Şekil 1 : Integrity test ekipmanlarından görünüş SIT/PET

 

Kazığa bir çekiçle vurulduğu zaman (kazık çakımı esnasında veya deney yapılırken) kazık üzerinde, bir basınç dalgası olarak modellenebilecek bir etki oluşmaktadır. Kazıktaki süreksizliklerden ve kazıkla zemin arasındaki yüzeyin pürüzlülüğünden (şaft sürtünmesi) mütevellit dalgada yansımalar ve kırılmalar meydana gelmektedir. Yoluna devam eden (kırılan) ve yansıyan dalgalar daha sonraki yansımalara binâen bütün dalgalar kazık uzunluğu boyunca birbirleriyle girişim halinde bulunacaklardır (Şekil 3.4). Snell kırılma ve yansıma kanuna münâsib gelişen bu olay; nümerik olarak bir boyutlu dalga teorisi (One Dimensional Stress Wave Theory) ile ifade edilmektedir (Şekil 4). Elde edilen sinyalin kazık sürekliliği açısından değerlendirilmesi ise;

• Kualitatif Değerlendirme;
  Kazık sürekliliği ile ilgili değerlendirmenin hız-zaman reflektogramlarının görsel değerlendirilmesi ile,

• Kuantitatif Değerlendirme;  
  Kazık-zemin etkileşiminin kütle ve yaylarla modellenmesi şeklinde veya sonlu elemanlar metodu kullanılarak numerik analiz ile,

yapılmaktadır. 
Sinyalin zaman alanında (time domain) kualitatif olarak görsel değerlendirilmesi “hız reflektogramındaki” değerlerin nisbi artışı ve azalışının ilerleyen bölümde tafsilatlı bir şeklide anlatılacağı şekilde sınır şartlarına göre değerlendirilerek yapılmaktadır.  

Şekil 2 : Nizami (A) ve kusur niteliğinde anomali ihtiva eden (B) kazık reflektogram örnek sinyalleri

 

Zaman alanında çizdirilen hız reflektogramı (Şekil 2) muntazam bir şekilde takdim edilmesi için asgari olarak, planlanan kazık boyu, sinyalden tahmin edilen taban sinyaline göre kazık boyu, analizlerde kullanılan dalga yayılma hızı, sinyal büyütme katsayısı ve filtreler grafik üzerinde belirtilmelidir (Şekil 9).  Bu parametrelere ilave olarak ideal grafik takdimi açısından kazık başındaki sinyal büyüklüğü ile kazık tabanından yansıyan sinyal büyüklüğünün mertebe olarak münâsib bir büyütme katsayısı (amplifikasyon katsayısı) kullanılarak eşitlemek önem arz etmektedir.  Ancak bu şekilde takdim ile sinyal doğru değerlendirilebilmektedir.  Bu şeklide düzenlenmiş grafikte kazık taban sinyalinden önce kazık başında elde edilen sinyal ile aynı istikamette bir pik oluşması kesit daralması (kazık empedansında azalma) aksi istikamette pik oluşması ise kesit genişlemesine (kazık empedansında artış) karşılık gelmektedir.  
Kazık bütünlük/süreklilik deneyleri görsel değerlendirme prensipleri itibari ile sistematik bir yaklaşım gerektirmektedir ve izafi bir deneydir.  Değerlendirme için hem reflektogram parametrelerinin kendi içinde izâfi bir yaklaşım hem de toplam deney kümesinde de reflektogramların birbirleri ile kıyaslamalı bir mühendislik yaklaşımı gerektirmektedir.  Bu prensip dahilinde istatistik olarak anlamlı bir grup oluşturabilecek kadar miktarda, benzer zemin şartlarında, benzer geometrik özelliklere ve benzer beton özellikleri ile kürlenme sürelerine sahip kazıklarda deney yapılmış olması gerekmektedir.  Grupta değerlendirmeye girebilecek nitelikteki reflektogramların ortalama grafiği, grubun nizami kazık karakteristik reflektogramı olarak belirlenerek tekil kazık reflektogramları bu karakteristik reflektogram ile kıyaslanarak izâfi olarak değerlendirme yapılabilmektedir.  Nihai değerlendirme zemin tabakalanma ve yeraltı suyu durumu bilgisi, kazık imalat bilgisi, beton döküm bilgisi (teorik sarfiyat, gerçekleşen sarfiyat hacim derinlik bilgisi), kazık yükleme durumu bilgisi, vs gibi bütün veriler geoteknik ve yapı mühendisi ortak görüşü kapsamında değerlendirilmektedir.
TNOWAVE Model kullanılarak 1 Boyutlu Model (Kazık mütemâdi ve zemin münferid bir model) analizi yapılabilmektedir.  Kazık şaftı ve tabanı için “Akma Gerilmesi / Yield Stress”, “Sıçrama Değeri / Quake Values”, “Akma Faktörü / Yield Factor”, “Sönümlenme Katsayısı / Damping Constant”, parametreleri zemin koşullarına göre belirlenmektedir. 

Şekil 3 : Pilewave yazılımı ile basınç dalgasının kesit daralması olan bir numune  kazık boyunca yayılımı esnasında zuhur eden kırılma ve yansımaların simülasyonu 

Dalga Teorisi ;

Dalga yayılımı, iç sönümlenmeye maruz kalmayan ve şaft sürtünmesi olmayan bir silindir çubuk ideal durumu için Graff (1975) çalışmasında detaylı anlatılmaktadır.  Kesit alanı (A), kütlesi (m) ve elastik modülü (E) olan çubuk başından zamana bağlı olarak yükleme F(t) halinde, Newton’un 2.Kanunu (F=m.a) uyarınca çubuğun sonsuz küçük bir parçasının (dx) hareket denklemi;

         Denklem 1

F	:	Tatbik edilen eksenel kuvvet (basınç=pozitif)
A	:	Kesit alanı
x	:	Lagrange koordinatları
u	:	Deplasman
ε	:	Birim deformasyon (strain)
t	:	Zaman
ρ	:	Kazık kesafeti
c	:	Dalga yayılma hızı

şeklinde ifade edilebilir.  Hooke kanunu uyarınca Kuvvet (F), birim deformasyon (ε) ilişkisi ile; 

         Denklem 2

Denklem 1 ve 2 uyarınca;

         Denklem 3

veya

         Denklem 4

olmak üzere

         Denklem 5

Diferansiyel denklemi elde edilir.
 

Şekil 4 : 1 Boyutlu Dalganın Yayılım Modeli ve TNOWave de Kullanılan Yay Modelleri (Middendorp, 2004)

 

Diferansiyel Denklem 5 in genel çözümü ile elde edilen deplasman ve zamana bağlı kısmî diferansiyel denklemi aşağıdaki gibi elde edilir;

         Denklem 6

Genel çözüm, aksi istikametlerde ve yayılma hızı (c) olmak üzere iki farklı dalganın yayılımından müteşekkildir.   (x ± ct) karakteristik sistemin sınır şartlarına bağlı çözümünden u^_↓ ve u^↑ sabitleri belirlenir. 
Partikül hızı (v) ve eksenel kuvvet (F) olmak üzere kısmî diferansiyel denklem yeniden düzenlenir ise;

 

         Denklem 7

Aşağı istikametteki hız (v^↓) ve kuvvet (F^↓) (x-ct) nin ve yukarı istikametteki hız (v^↑) ve (F^↑) ise (x+ct) nin fonksiyonudur.  Ayrıca, partikül hızı ve kuvvet, aşağı ve yukarı istikamette yayılan dalganın toplamı olarak da değerlendirilmektedir.  

         Denklem 8

Z, çubuğun empedansı olmak üzere istikametteki kuvvetin ve ilgili hızın nisbeti olarak tanımlanmaktadır: 

         Denklem 9

Kazık başında ve tabanında sınır şartları;
Kazık başında Şekil 5 gösterildiği gibi mobilize olan basınç dalgası aşağı istikamette yayılmaktadır ve sadece iki karakteristik kök arasındaki parça v=F/Z hızı ile hareket halindedir, çubuğun diğer bölümleri sükûnet halindedir.  Dalga kazık tabanına t=L/c zamanda ulaşmakta ve geri yansımaktadır.  Bu yansıma özelliği kazık tabanının sınır şartlarında serbest uç veya sabit uç olması durumu için farklılık arz etmektedir. 
 

Şekil 5 : Serbest uç ve sabit uç sınır şartlarındaki halde kazıkta dalganın yayılımı (Middendorp vd., 1997)

 

Serbest Uç

Serbest uç şartında tabanda herhangi bir direnç söz konusu olmadığı için t zamanında kuvvet sıfıra eşittir F(x=L,t) = 0.

         Denklem 10

Serbest uç şartlarında yayılan basınç dalgasının t=L/c anında tabanda yansıyan bileşeni eşit fakat vektörel olarak ters istikametlidir ve yansıyan dalga çekme dalgasıdır. Yayılan basınç dalgası ile tabanda eşit büyüklükteki yansıyan çekme dalgasının üst üste binmesi hasebiyle kuvvet (F) sıfırdır.  Yukarı ve aşağı istikametteki yayılan dalga hızları eşit büyüklükte ve vektörel olarak aynı istikametlidir ve yansıyan dalga hızı tabanda iki katına çıkmaktadır (Denklem 11);

         Denklem 11

Serbest uç şartlarında tabandan yansıyan çekme dalgasının t=2L/c anında kazık başında tekrar yansıyan bileşeni eşit fakat vektörel olarak ters istikametlidir ve tekrar yansıyan dalga basınç dalgasıdır. 

Sabit Uç

Sabit uç şartında tabanda rijit bir hal mevcut yani deplasman sıfır olması durumunda ve t zamanında hız sıfıra eşittir v(x=L,t) = 0.

         Denklem 12

Sabit uç şartlarında yayılan basınç dalgasının t=L/c anında tabanda yansıyan bileşeni eşit ve vektörel olarak aynı istikametlidir ve yansıyan dalga yine basınç dalgasıdır. Yayılan basınç dalgası ile tabanda eşit büyüklükteki yansıyan basınç dalgasının üst üste binmesi hasebiyle kuvvet (F) iki katına çıkmaktadır.  Yukarı ve aşağı istikametteki yayılan dalga hızları eşit büyüklükte fakat vektörel olarak zıt istikametlidir ve yansıyan dalga hızı tabanda sıfırdır (Denklem 12);
Sabit uç şartlarında tabandan yansıyan basınç dalgasının t=2L/c anında kazık başında tekrar yansıyan bileşeni eşit fakat vektörel olarak ters istikametlidir ve tekrar yansıyan dalga çekme dalgasıdır. 
Kazık başındaki deplasman ve hız şartları değerlendirildiğinde kazığın f tabiî frekansı  ve T periyodu ile titreştiği neticesine varılabilmektedir:

         Denklem 13

Kazık bütünlük/süreklilik deneyi uygulaması

 

Kazık bütünlük/süreklilik deneyinin (Sonic Integrity / Pulse Echo Test, SIT/PET) problemsiz yapılabilmesi ve analiz edilebilecek reflektogramlar elde edilebilmesi için, 

• ♦ Kazık başının rahat ulaşılabilir olması,
• ♦ Çatlaklardan arındırılmış (kırım yapılmış ve hava tutulmuş) olması,
• ♦ Varsa suyun uzaklaştırılmış (kuru mahal tesis edilmiş) olması,
• ♦ Kırımın proje mukavemetindeki beton seviyesine kadar yapılmış olması, 
• ♦ Kazık başı sathının yeterli düzlükte tıraşlanmış olması,

Gerekli şartlardandır (Şekil 4 ve Şekil 5). 
  

 

Şekil 6 : Deney hazırlıklarından genel görünüş

 

  

  

Şekil 7 : Deney çalışmalarından genel görünüş
 

Basınç dalgası yayılma hızı, beton mukavemeti ve kürlenme süresine bağlı literatürde birçok kuvvetli korelasyon bulunmaktadır (Amir, 1998). Deney başlangıcında bu yaklaşımdan yola çıkarak tahmin edilen dalga yayılma hızı (Şekil 6) ile kontrol deneylerine başlanmaktadır.  Kazık kalitesi ve boyundan nisbeten emin olunan 3-5 adet kazıkta hız kalibrasyonu maksatlı kontrol deneyleri korelasyonlardan tahmin edilen hız ile deney yapıp kazık boyuna göre iterative olarak hız değeri değiştirilerek 3-5 adet kazıkta yaklaşık ortalama dalga yıyılma hızına karar verilebilmektedir.  Kazık betonundaki heterojen yapı ve mukavemet özelliklerin çekirdekten dışa doğru ve kazık boyunca farklılık arz etmesi, hatta bu saçılıma ilave olarak betonlama esnasında alınan numunelerde yapılan tek eksenli basınç deney sonuçlarındaki standart sapma dalganın betonun içinde yayılma hızının tahmininin zorluk derecesini ifade etmektedir.  

Şekil 8 : Farklı beton sınıfına ve kürlenme süresine göre dalga yayılma hızı değişimi (Piletest,n.d., Amir, 1988)

 

Dalga yayılma hızı kazık tabanı yansıma sinyaline bağlı olarak hesapanan kazık boyunun belirlenmesinde lineer bir ilişkiye sahip olduğu ve binâenaleyh deneyden hesaplanan kazık boyunun takrîbî kazık boyu olduğu unutulmamalıdır.  Deneyin maksadı, kazığın taşıma kapasitesini etkileyebilecek büyüklükte kusur niteliğinde major bir anomali hasıl olup olmadığının tesbiti şeklindedir.  Deney sonucunda elde edilen kusur niteliğinde anomali bilgisi kazık performansı konusunda kuvvetli şüphe duyulabilmesine imkan vermektedir, ancak ASTM D 5882 uyarınca da kazığın tek başına bu sonuçla reddine karar verilmesi câiz değildir.  Kuvvetli şüphe duyulan kazıklarda ileri araştırma yöntemleri ile (kazılarak kazığın göz ile muayenesi, tam boy veya kısmî karot alınması, tek kuyu/çok kuyu ultrason deneyi, kazık yükleme deneyi vs) tetkik yapılması tavsiye edilmektedir.

Şekil 9 : Farklı cihazlarla elde edilen örnek kazık reflektogram sinyal örnek formatları 
 

Yük Ölçer ile Teçhiz Edilmiş Çekiç Vasıtasıyla Kazık Bütünlük/Süreklilik Deneyi, Frekans Alanında Analiz (F-KBD)
(Sonic Integrity Test with Instrumented Hammer, SIT+; Transient Response Method, TRM)

Frekans alanında (frequency domain) analiz edilen kazık bütünlük/süreklilik deneyi “Transient Response Method” zaman alanında analiz edilen kazık bütünlük/süreklilik deneyine “Pulse Echo Metoduna” benzer şekilde kazık başında bir çekiç darbesi ile basınç dalgası oluşturularak yapılmaktadır.  Ancak, darbe için kullanılan çekiç yük hücresi ile teçhiz edilmiş özel bir çekiçtir ve darbe ile kazık başında mobilize olan kuvvet (F) ve tatbik süresi (t) ölçülebilmektedir.  Literatürde kazık bütünlük/süreklilik deneyi frekans alanında analiz metodları birçok araştırmacı tarafından yayınlanmıştır (Finno ve Gassman, 1998., Middendorp vd., 1997., Olson, 2009).  Kuvvet ve hız ölçümleri Fast Fourier Transform (FFT) analizi ile frekans alanına dönüştürülür ve elde edilen hız spektrumu (V) kuvvet spektrumuna (F) bölünerek düşey ekseni (V/F) spectrum değerleri yatay eksen ise titreşim frekansı (Hz) olmak üzere “mobilite” grafiği (V/F) olarak isimlendirilen ilişki elde edilmektedir (Şekil 10). 
Mobilite grafiğinde maksimum ve minimum rezonans tepe noktaları P ve Q olmak üzere, kazık gövdesinin mobilitesi N, kazık gövdesinin rezonans durumunda salındığı aralıktaki P ve Q değerlerinin geometrik ortalaması olarak hesaplanmaktadır (Şekil 10).  Kazık gövdesinin mobilitesi (N) rezonans tepe noktalarının (P, Q) bir fonksiyonu olmak üzere teorik olarak kazık gövde empedansının (gövde direncinin) tersi olarak formüle edilebilmektedir.  Kazık gövdesinin empedansı ise beton kesafeti (ρ_c), basınç dalgasının betonda yayılma hızı (V_c) ve kesit alanının (A_c) çarpımı ile formülüze edilebilmektedir. 

Şekil 10 : Yük ölçer ile teçhiz edilmiş çekiç vasıtasıyla frekans alanında analiz edilen kazık bütünlük/süreklilik deneyinden el edilen ideal mobilite grafiği  ve değerlendirme parametreleri (Brown, v.d., 2010)
 

Mobilite grafiği değerlendirmesinde;

• Başlangıç eğimi; düşük birim deformasyon seviyelerinde kazığın eksenel rijitliğini temsil etmektedir.  Bu rijitlik benzer zemin şartlarında ve benzer kazık özelliklerinde yapılan diğer deneylerde elde edilen eğimlerden düşük ise bu kazıkta anomaly olarak değerlendirmektedir.

• Kazık boyunca empedansında herhangi bir farklılık olması durumunda yansıyan sinyaller mobilite grafiğinde rezonans tepe noktaları olarak zuhur etmektedir.  Tepe noktaları arasındaki frekans farkından (Df) basınç dalgasının betonda yayılma hızı, Vc tahmin edilmesi halinde kazık boyu, L ∆f=V_c⁄2L formülü ile hesaplanabilmektedir.  Kazık tabanından önce herhangi bir yansıma olması halinde geofon ile anomali arasındaki mesafe (Z) Denklem 14 ile tahmin edilebilmektedir.

         Denklem 14

Nihai olarak kazık gövdesinin mobilitesi (N, kesikli çizgi), beton kesafeti ve modülü tahmin edilebilir ise kazık ortalama kesit alanı hesaplanabilmektedir.  Eğer mobilite grafiğinden elde edilen N değeri hesaplanan değerden büyük ise kusur niteliğinde anomali değerlendirmesi yapılabilmektedir.  Anomali kesitte daralma ve/veya  kötü beton kalitesi sebebiyle zuhur edebilmektedir. 
Dalga yayılma hızı tahmini ile hesapanan kazık boyu lineer bir ilişkiye sahip olduğu ve binâenaleyh deneyden hesaplanan kazık boyunun takrîbî kazık boyu olduğu unutulmamalıdır.  Deneyin maksadı, kazığın taşıma kapasitesini etkileyebilecek büyüklükte kusur niteliğinde major bir anomali hasıl olup olmadığının tesbiti şeklindedir.  Deney sonucunda elde edilen kusur niteliğinde anomali bilgisi kazık performansı konusunda kuvvetli şüphe duyulabilmesine imkan vermektedir, ancak ASTM D 5882 uyarınca da kazığın tek başına bu sonuçla reddine karar verilmesi câiz değildir.  Kuvvetli şüphe duyulan kazıklarda ileri araştırma yöntemleri ile (kazılarak kazığın göz ile muayenesi, tam boy veya kısmî karot alınması, tek kuyu/çok kuyu ultrason deneyi, kazık yükleme deneyi vs) tetkik yapılması tavsiye edilmektedir.

 

KAYNAKLAR

 

Amir J.M., (1988). Wave speed in young concrete, Proceeding 3rd International Conference on Application of Stress-Wave Theory to piles, Ottawa.

ASTM D5882-16, (2016). Standard Test Method for Low Strain Impact Integrity Testing of Deep Foundations, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org

Brown, D.A., Turner, J.P., Castelli, R.J., (2010). Drilled Shafts: Construction Procedures and LRFD Design Methods, NHI Course No.132014, Geotechnical Engineering Circular No.10  Report No. FHWA NHI-10-016., US Department of Transportation, Federal Highway Administration (FHWA), 2010.

Finno, R., Gassman, S., (1998). Impulse Response Evaluation of Drilled Shafts. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering – Journal of Geotechnical Geoenvironmental Engineering 124. 10.1061 / (ASCE)1090-0241 (1998)124:10(965).

Middendorp, P., van Foeken,R.J., van Gorp, L.F.M., (1997). User’s Guide; Sonic Integrity Testing (SIT), Foundation Pile Diagnostic System, TNO Building and Construction Research, Delft-The Netherlands.

Middendorp, P., (2004). Thirty years of experience with the wave equation solution based on the method of characteristics,  7th International Conference on the Application of Stress Wave Theory to Piles, Kuala Lumur, Malaysia, 2004.