Bir ankrajlı iksa sistemi geoteknik tasarımında malzeme modeli etkisinin incelenmesi ve aletsel ölçüm sonuçları ile karşılaştırılması
Evaluation of material models in geotechnical design of an anchored shoring system and comparision with instrumental measurements
Yazar: BURCU ŞEN
Danışman: PROF. DR. AYKUT ŞENOL ; PROF. DR. SABRİYE BANU İKİZLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Derin kazı = Deep excavation ; Fore kazık = Bored pile ; Zemin ankrajları = Soil anchors ; İksalı kazı = Braced excavation

Özet:
Tez çalışmasının ilk bölümünde sığ kazı ve derin kazı tanımları yapılmış, genel anlamda sığ kazılar ile derin kazılar arasındaki farklardan bahsedilmiştir. Kazı derinliğine bağlı olarak yapılan  sığ ve derin tanımlamalarının kazı güvenliği açısından yanlış yorumlanmaması adına, sığ kazı çalışmalarında meydana gelen kazaların sebeplerinin istatistiksel olarak değerlendirildiği bir çalışma örneği verilmiştir.
İkinci bölümde genel olarak derin kazı projelerinin tasarım süreci incelenmiştir. Bu doğrultuda ilk olarak derin kazı projelerinde yatay toprak yüklerini karşılamak amacıyla oluşturulan dayanma yapılarının tarihte bilinen ilk örnekleri, dayanma yapısı tasarımına dair ilk yazılı eserler ve geçmişte yapılan bu çalışmaların günümüzde yaygın olarak uygulanan sistemlerle benzerlikleri değerlendirilmiştir. Tasarım ve uygulama esaslarına yönelik oluşturumuş, ulusal ve uluslararası standart ve şartnamelere örnekler verilmiştir. Çalışma kapsamında incelenecek olan derin kazı projelerinin tasarım metodolojisi, herbir tasarım adımı akış diyagramı üzerinde gösterilerek açıklanmıştır. Literatürde yer alan çalışmalar incelenerek, tasarım adımları ve detayları özetlenmiştir. Derin kazı projesi tasarımının ilk adımı olan geoteknik araştırmalar kapsamında yapılan zemin sondajları, saha ve laboratuvar deneylerinin yapım yöntemleri, tarihsel gelişimleri, olumlu ve olumsuz tarafları özetlenmiştir. Kazı alanı topoğrafyası ve çevre koşullarının kazı davranışına olan etkisinden bahsedilmiştir. Sonrasında, kazı yöntemleri ile bu yöntemlerin sistem ve uygulama detayları incelenmiştir. Kazı yöntemi belirlenmesinde etkili olan koşullardan bahsedilmiştir. Dayanma yapısı tasarım analizlerine yönelik literatür çalışmaları yatay toprak basıncı teorileri öncelikli olmak üzere, genel stabilite analizleri ve gerilme-deformasyon analizleri başlıkları altında değerlendirilmiştir. Son olarak, derin kazı projelerinin aletsel gözlem çalışmaları kapsamında deformasyon ve gerilme ölçümlerinde yaygın olarak kullanılan yöntem ve ekipmanlara değinilmiştir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde ankrajlı kazı yöntemiyle yapılan derin kazı projelerinin tasarım ve uygulama esasları incelenmiştir. Aralıklı fore kazık, öngermeli ankraj ve göğüsleme kirişleriyle oluşturulan geçici iksa sistemleri ve iksa sistemlerinin yapısal elemanlarının tasarımına yönelik şartnamelerde yer alan kriterler özetlenmiştir. Bu bölümde ayrıca, ankraj bileşenleri, enjeksiyon yöntemine göre ankraj tipleri, ankrajların yenilme mekanizmalarına göre yapısal elemanlarının tasarım şartları ve ankraj deneylerine ait çalışmalara yer verilmiştir.
Tez çalışmasının dördüncü bölümünde İstanbul ilinde, ankrajlı kazı yöntemi ile gerçekleştirilen bir derin kazı projesi incelenmiştir. Çalışmanın ilk üç bölümünde detaylı olarak açıklanan tasarım metodolojisine uygun olacak şekilde, derin kazı projesinin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Kazı derinliğinin 8.55 m ile 14.45 m arasında değiştiği derin kazı projesinde geoteknik araştırmalar kapsamında derinlikleri 10 m ile 30 m arasında değişen toplam 5 adet zemin sondajı yapılmış, sondaj kuyularında SPT deneyleri yapılmıştır. Araştırma sahasından alınan örselenmiş ve örselenmemiş numuneler üzerinde laboratuvar deneyleri gerçekleştirilmiştir. Araştırma sahasında kazı derinliğinin en yüksek, çevre koşulları ve zemin tabakalanması açısından en kritik olan kesit belirlenmiştir. Tamamı çok katı kil ve sert kil zemin birimlerinden oluşan idealize zemin profili oluşturulmuştur. Gerçekleştirilen SPT deney sonuçları ve laboratuvar deneyleri birlikte değerlendirilmiş literatürde araştırmacılar tarafından önerilen bağıntılar kullanılarak zemin birimlerinin derinlikle artan drenajsız kayma mukavemeti ve drenajsız deformasyon modülleri belirlenmiştir. Belirlenen kısa dönem (drenajsız) davranışı temsil eden tasarım parametreleri ve zemin birimlerinin kıvam değerlerine göre herbir zemin tabakasının uzun dönem (drenajlı) davranışını temsil eden mukavemet ve rijitlik parametreleri belirlenmiştir. İksa sistemi ön tasarım modeli düşey eleman olarak 80.0 cm çapında 4.70 m gömme boyu olmak üzere toplam boyu 18.25 m olan aralıklı fore kazık ve yatay eleman olarak 8 m kök boyu, 5 m ile 12 m arasında değişen serbest boyu olan toplam 6 sıra ankrajdan meydana gelmektedir. Yapılan çalışmalar doğrultusunda ankraj tsarım yükü 300 kN olarak belirlenmiştir. Derin kazı tasarım analizleri kapsamında öncelikli olarak genel stabilite analizleri gerçekleştirilmiştir. Derin kazı projesinin uzun dönem (drenajlı) ve kısa dönem (drenajsız) koşullarının genel stabilite analizleri limit denge analiz yöntemini kullanan Rocscience SLIDE yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Basitleştirilmiş Bishop ve Spencer yöntemleriyle yapılan analizlerle, iksa sisteminin sahip olduğu toptan göçmeye karşı minimum güvenlik katsayıları ve kritik kayma yüzeyleri belirlenmiştir. Gerilme ve deformasyon analizleri ise sonlu elemanlar analiz yöntemini kullanan Plaxis 2D yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Zemin malzeme modellerinin etkisini incelemek amacıyla, Mohr-Coulomb, Hardening Soil ve Hardening Soil with Small-Strain Stiffness zemin modelleri ile hem drenajlı hem drenajsız analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda yatay ve düşey yöndeki deplasmanlar, fore kazık kesit tesirleri, ankraj yükleri, efektif-toplam gerilme ve boşluksuyu basıncı değerleri elde edilmiştir. Farklı zemin malzeme modelleri ve drenaj koşullarında gerçekleştirilen toplam 6 adet analiz sonucunda elde edilmiş, nihai kazı seviyesinde meydana gelen yatay yöndeki deplasman değerleri inklinometre ölçümleriyle elde edilen deplasman değerleriyle karşılaştırılmıştır. Hardening Soil ve Hardening Soil with Small-Strain Stiffness zemin modelleri ile gerçekleştirilen drenajlı analiz sonuçlarının gerçekleşen deplasman değerleriyle oldukça uyumlu olduğu anlaşılmıştır. Bu doğrultuda, kazı kademelerinde inklinometre ölçümleriyle elde edilen yatay yöndeki deplasman değerleri ve yük hücrelerinde ölçülen ankraj yükleri de analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Tez çalışmasında son olarak, mukavemet azaltma yöntemiyle Plaxis'de gerçekleştirilen genel stabilite emniyet hesabı sonucunda elde edilen kritik kayma yüzeyi ve güvenlik katsayısı değeri limit denge yöntemiyle SLIDE'da belirlenen değerlerle karşılaştırılmıştır.

Abstract:
The deep excavations are known as one of the oldest activities of the geotechnical engineering that has grown and developed in the needs of humanity. Starting from the first invented excavation tools and looking at the excavation machinery and equipment that are widely used today. It is obvious that engineering construction technology has covered ground from the past to the present. While the first excavation and retaining structure examples were made by trial-and-error method without taking into account the soil properties, it has been understood that the structure cannot be considered separately from the engineering properties of soils. Successful and unsuccessful excavation examples in the past have provided a guidance in the development of lateral earth pressure theories and understanding of excavation behavior. The excavation and retaining structure design, which is scientifically based on the lateral earth pressure theories, is now easily carried out with analysis methods developed for each different problem. In addition, the method of design, safety, applicability, design of structural elements and precautions to be taken under different conditions are comprehensively examined in various national and international standards. Today, in order to carry out safe deep excavation projects under difficult conditions that negatively affect the excavation behavior such as the increase in excavation depths, the necessity of deep excavation on weak-soft soils, excavation methods, structural systems and tools-equipment have been developed by many researchers. The development and change in the design of these deep excavation projects continue.
In the first part of the thesis, definitions of the shallow and the deep excavations were made, and the differences between them were generally mentioned. In order to interpret the definitions of the shallow and the deep excavations made depending on the excavation depth in terms of the excavation safety, an example evaluated is given. In Turkey, it has been stated that in excavations with a depth of excavation higher than 1.75 m, the retaining structures should be constructed to ensure excavation stability or it should be sloped according to appropriate slope angles if an open cut method is to be carried out.
In the second part, the design process of deep excavation projects was examined. The first known examples of the retaining structures built to against to lateral earth pressure in the deep excavation projects, the first written works on retaining structure design, the similarities of these studies done in the past and the systems widely applied today were evaluated. The method, historical developments, positive and negative aspects of the drilling and field-laboratory tests which are the first and most important step of the deep excavation project design were summarized.
As the Standard Penetration Test is the most frequently applied in-situ test in many projects within the scope of geotechnical investigations carried out in Turkey, the SPT results were examined to determine the geotechnical design parameters of cohesive soils in detail. The effects of the topography of the excavation site and the environmental conditions on the behavior of the excavation and new modeling systems that make easier the evaluation of the building-infrastructure systems in the excavation area were mentioned. Afterwards, the excavation methods and the system-application details of these methods were examined and the conditions that were effected in determining the excavation method were mentioned. Finally, the methods and equipment that were commonly used in the strain and stress measurements made within the scope of instrumental observation the studies of deep excavation projects during the construction process were mentioned.
In the third part of the study, the design and application principles of deep excavation projects made with the anchored excavation method were examined. The criteria included in the specifications for the design of the structural elements of the temporary shoring systems and shoring systems formed by spaced bored piles, the prestressed anchorages and the soldier beams were summarized.
In the fourth part of the thesis, a deep excavation project carried out with the anchored excavation method in the province of Istanbul has been examined. In the deep excavation project, where the excavation depth varies between 8.55m and 14.45m, within the scope of geotechnical research, a total of 5 soil drillings with depths ranging from 10.00m to 30.00m were made, and the SPT were carried out in the boreholes. The laboratory experiments were carried out on the sample. An idealized soil profile has been created and it was composed of very stiff clay and hard clay soil layers. The results of the SPT tests and laboratory tests were evaluated together, and the undrained shear strength and undrained deformation modules of soil units increasing with depth were determined by using the relations suggested by the researchers in the geotechnical literature. The strength and stiffness parameters representing the long-term (drained) behavior of each soil layer were determined in terms of the consistency values of the soil units together with the design parameters that represent the short-term (undrained) behavior. As a preliminary design model of the shoring system, it consists of the bored piles with a diameter of 0.80m and a total length of 18.25m which was include 4.70m embedment length as the vertical element and a total of 6 rows of anchors with a bond length of 8.00m and a free length varying between 5.00m and 12.00m as the horizontal element. In line with the studies carried out, the anchor design load was determined as 300 kN. Within the scope of deep excavation design analysis, firstly general (external) stability analyzes were done by use Rocscience SLIDE software using the limit equilibrium analysis method. The minimum safety factors and critical failure surfaces of the shoring system against global stability collapse were determined by the analyzes made with Simplified Bishop and Spencer methods. The stress and strain analyzes were performed using Plaxis 2D software. In order to examine the effect of soil material models, both drained and undrained analyzes were performed with Mohr-Coulomb, Hardening Soil and Hardening Soil with Small-Strain Stiffness soil models. As a result of the analysis, horizontal and vertical displacements, internal forces throughout bored piles, anchor loads, effective stress-total stress and pore water pressure values were obtained. The horizontal displacement values obtained as a result of a total of 6 analyzes performed under different soil material models and drainage conditions at the final excavation stage were compared with the displacement values obtained by inclinometer measurements. 
It has been understood that the results of the drained analysis performed with the Hardening Soil and Hardening Soil with Small-Strain Stiffness soil models are quite compatible with the actual displacement values. In this direction, the horizontal displacement values obtained by inclinometer measurements at the excavation stages and the anchor loads measured in the load cells were also compared with the analysis results.
Finally, within the scope of this thesis, the critical failure surfaces and safety factors obtained as a result of the general stability safety calculation performed in Plaxis with the strength reduction method were compared with the values determined in SLIDE by using limit equilibrium method.