Güncel killi dolgu zeminde gerçekleştirilen derin kazı İksa Sisteminin davranışı: Bir vaka analizi
Behaviour of a deep excavation Shoring System in current clayey fill: A case study
Yazar: BATUHAN AKGÜN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İnşaat mühendisliği ve geoteknik mühendisliği problemlerinde yapı – zemin etkileşimine dair en kapsamlı çalışmaların yürütüldüğü alanlardan birisi derin kazı projeleridir. Derin kazı projeleri kapsamında çevre yollara, altyapı hatlarına ve mevcut yapılara herhangi bir yapısal zarar vermemek için iksa sistemleri inşa edilir. Bu tez çalışmasında, İstanbul'un kuzey bölgesinde yer alan proje sahasında inşa edilecek yapılara ait kazı çukuru derinliği 14.0m'ye varan derin kazı projesi incelenmiştir. 
Zemin mekaniği ve geoteknik mühendisliği kapsamında toprak basınçları en eski ve en kapsamlı araştırma alanlarından biridir. Derin kazı projelerinin başarılı bir şekilde tamamlanmasında temel hususlardan biri ise söz konusu kuvvetlerin analizi ve yapılara etkilerinin belirlenmesidir. Bu kapsamda, sükunetteki toprak basıncı, aktif toprak basınçları, pasif toprak basınçları ve çok sıralı destekli iksa sistemlerinde toprak basıncı teorileri ile ilgili bilgilere yer verilmiştir.
Derin kazıların teşkil edilebilmesi için kullanılan kazı metotlarının belirlenmesinde dikkate alınan faktörler ve açık kazı metodu, destekli kazı metodu, top – down kazı metodu, öngermeli ankrajlı kazı metodu, zemin çivili kazı metodu, ada kazı ve anolu kazı metotlarının uygulama yöntemleri, avantajları ve dezavantajları irdelenmiştir.
Tez çalışması kapsamında sunulan vaka analizi özelinde proje koşulları ve ilgili yönetmelikler doğrultusunda imal edilebilecek iksa sistemi elemanları hakkında değerlendirmelerde bulunulmuştur. Derin kazı destek sistemi elemanlarının seçiminde kritik önem arz eden hususlar sunulmuştur. İksa sistemi düşey destek elemanlarından olan diyafram duvarlar ve kesişen kazıklar ve bu elemanları yatayda destekleyen öngermeli zemin ankrajlarıyla ilgili teorik bilgiler, yapım yöntemleri ve avantajları/dezavantajları ile ilgili bilgiler sunulmuştur.
Vaka analizi kapsamında ilk olarak çalışmaya konu olan proje ile ilgili genel bilgiler verilmiştir. İnceleme alanı eskiden madencilik faaliyetlerinin yürütüldüğü ve bu faaliyetlerin tamamlanmasını takiben çevrede depolanan yine madencilik faaliyetlerden çıkan zeminlerle (pasa) kontrolsüz bir şekilde doldurulmuştur. İnceleme alanında yer alan zemin/kaya tabakalarının mühendislik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla yapılan arazi ve laboratuvar deneylerinden bahsedilmiştir. Zemin araştırma çalışmalarından elde edilen veriler uyarınca, yapılara ilişkin temel kazısının saha yüzeyinden itibaren pasa birim ve sonrasında karşılaşılan yeşilimsi mavi renkli çok katı – sert kil birim içerisinde gerçekleştirilmesi öngörülmüştür. Madencilik faaliyetleri sırasında açılan çukurların uzun süre su ile dolu olduğu ve daha sonra pasa birim ile kontrolsüz bir şekilde doldurulduğu göz önüne alındığında özellikle pasa birimin suya doygun durumda olacağı ve temel kazısı sırasında ortaya çıkacak kazı aynalarının bu birim içerisinde açılan kesimlerine su basıncı etkiyeceği değerlendirilmiştir. Bu doğrultuda, genel olarak yakın dönem dolguları içerisinde teşkil edilecek temel kazısının pratik anlamda geçirimsiz olarak çevre yapılara ve yollara zarar vermeden güvenli bir şekilde yapılabilmesi için zemin koşulları ve yer altı su seviyesi göz önünde bulundurularak yatayda öngermeli ankrajlarla desteklenen kesişen kazıklardan oluşan bir iksa sistemi inşa edilmiştir. Pasa birimin kil birimlerin yoğrulmuş kayma mukavemetine sahip ve oldukça heterojen yapılı olduğu göz önüne alındığında söz konusu birimin mühendislik parametrelerinin arazi ve laboratuvar deneylerinden belirlenmesinin güç olduğu bilinmektedir. Bu sebepten dolayı, iksa sisteminin güvenliği için arazideki zeminin gerilme – şekil değiştirme ve mukavemet özelliklerinin doğru belirlenebilmesi amacıyla temel kazısı süresince periyodik olarak aletsel gözlemlerden alınan deplasman okumalarıyla sonlu elemanlar metodu ile analiz yapan Plaxis 2D'de hesap edilen deplasmanlar sürekli olarak karşılaştırılmıştır. Alınan okumalardaki deplasmanlara göre duyarlılık analizleri uyarınca her bir kazı kademesinde sistem kesitleri, kayma mukavemeti parametreleri ve deformasyon modülleri duyarlılık analizlerine bağlı değiştirilerek analiz modeli kalibrasyonu ve geri analizler gerçekleştirilmiş ve tasarım – uygulama kontrol edilip nihai kazı taban kotuna sorunsuz bir şekilde ulaşılmıştır. Tasarım ve uygulama aşamasında yapılan çalışmalar sınır koşulların projeye özgü olmasıyla birlikte derin kazı projelerinde geoteknik mühendislerinin kullanabilmesi için akış diyagramı (karar mekanizması) oluşturulmuştur.
Tez çalışmasının son bölümünde yapılan çalışmaya ilişkin genel bir değerlendirmede bulunulmuştur. Başlangıçta iksa sisteminde meydana gelmesi öngörülen yatay deplasmanın kazı derinliğine oranı ‰3 (4.2cm) olacak şekilde tasarım yapılmıştır. Ancak, aletsel gözlemlerden alınan okumalarda bu oranın ‰4'e (5.6cm) çıktığı görülmüştür. Yapılan model kalibrasyonu ile uyumlu deplasmanların belirlendiği ve iksa sistemi yapısal elemanlarının iç kuvvetleri güvenli bir şekilde taşıması, model ortamındaki maksimum deplasmanların göçme sınır durumuna ulaşmaması ve çevre yapılarda herhangi bir olumsuz tesir gözlenmemesinden dolayı ilave önlem alınmadan derin kazı tamamlanmıştır. Derin kazı sistemlerinde temel kazısı sırasında aletsel gözlemlerden alınan okumaların dikkate alınarak yapılan hesapların güncel tutulmasının önemi belirtilmiştir. Bu değerlendirmeler kapsamında bundan sonra yapılacak çalışmalara ışık tutulması amacıyla bazı önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Deep excavations are one of the most important study subjects of soil mechanics and geotechnical engineering. Excavations support systems are constructed to facilitate deep excavations. Excavation support systems, in other words, shoring systems which consisted by lateral and vertical support elements are used in order to prevent any structural damage to surrounding roads, infrastructure lines and existing structure. Within the scope of this thesis, a foundation excavation with a depth of 14.0 meters which is excavated for the building pit of the structure to be built in area which is located in the northern region of Istanbul was examined. 
The first part of thesis, general information related to the deep excavations has been provided. Subsequently, the purpose and scope of the thesis are elucidated. Furthermore, within this section, a thesis flowchart has been provided to aid comprehending the structure of the thesis.
In the following part, the lateral earth pressure which is one of the oldest and most comprehensive research topics in soil mechanics and geotechnical engineering is explained. Understanding soil behavior and managing soil – structure interaction is important in the field of geotechnical engineering applications, contributing significantly to structural safety and durability. Lateral earth pressures, as crucial component of soil – structure interaction, play a fundamental role in the analysis of lateral forces and their impact on retaining walls. This is particularly evident in the successful completion of geotechnical engineering projects, especially shoring systems. The lateral earth pressures required to be determined in the design of retaining walls or shoring systems depend on factors, such as the type and deformation of the wall, shear strength parameters of the soils, unit weight of the soils, and drainage conditions of the backfill. In this context, information regarding at-rest lateral earth pressure, active earth pressures, passive earth pressure theories and the earth pressure distribution of retaining walls has been provided.
In the third part of the thesis, the factors considered for determining deep excavation methods and construction methods, advantages and disadvantages of open excavation method, braced excavation method, top – down excavation method, anchored excavation method, soil nailing excavation method, island excavation method and zoned excavation method have been examined. The factors influencing the selection of appropriate excavation method include construction budget, construction period, project site area, and the condition of the surroundings structures. 
In the fourth part of the thesis, information related to the deep excavation support elements which are vertical and horizontal support elements. In this context, evaluations have been regarding the excavation support elements that could be constructed within the framework of project conditions and relevant regulations based on the case study within the scope of the thesis were done. Crucial considerations in the selection of deep excavation support system elements have been listed as soil profile, groundwater conditions, excavation depth and plan, displacement limit conditions, condition of the surroundings structures and construction period. Theoretical information on vertical support elements of the shoring system, such as diaphragm walls and secant piles, and their horizontal support through ground anchors, as well as details on construction methods and their advantages/disadvantages, have been presented.
In the case study part, according to the data obtained from soil investigations, it is envisaged that the foundation excavation will be caried out in mine tailings mostly composed of clayey soil starting from the field surface and then in a stiff clay soil layer and very stiff – hard clay soil layer. However, the project area was previously used for mining activities, and after the completion of these activities, it was filled in an uncontrolled way with the mine tailings. Because of these conditions, especially the mine tailings will be saturated with water and the water pressure on the sections of the excavation façade opened in this unit during the excavation was evaluated. A shoring system consisting of secant pile walls for a watertight system which is supported by ground anchors was designed. Within the scope of the design studies for the temporary shoring system to be built in the construction site, the loading conditions that are expected to affect the shoring system in the short term were defined and the internal forces which are expected to affect the shoring system were determined. In this context, critical sections of the project site are modelled in Plaxis 2D, which is a finite element program used for the two-dimensional analysis of deformation and stability in geotechnical engineering. As a result of the analyses, the structural components of the shoring system were dimensioned by considering the internal forces. It is known that it is difficult to determine the engineering parameters of the soil using field and laboratory tests in the deep excavation carried out in the remolded soil. To design a safe shoring system, the soil stress-strain and strength properties in the field must be accurately estimated. Otherwise, critical situations occur in the project site due to unforeseen geotechnical uncertainties. For this reason, it is important for the safety of the shoring system and the security of the surrounding structures to periodically observe whether the lateral wall displacements that will occur in the shoring system are within the calculated or permissible limits during the foundation excavation. The safety of the deep excavation was examined in accordance with geotechnical instrumentation and was constantly compared with the lateral wall displacements in the design calculations. Importance and purposes of the instrumental monitoring also have been provided in this section. According to the lateral wall displacements obtained, sensitivity analyses were performed using the Plaxis 2D finite element program, shear strength parameters and deformation modules were changed at each excavation stage, and the design was checked and followed by re-modelling and back-analysis. According to this, the final excavation level was reached by keeping the safety of the shoring system and lateral wall displacements were controlled. Back analysis and soil model calibraton are a crucial tool for geotechnical engineers, as it enables them to improve their understanding of soil behavior, refine their models and assumptions, and optimize designs for better performance and cost – effectiveness. The design and implementation studied conducted in this phase have presented a flowchart for geotechnical engineers to use in deep excavation projects, given that the project conditions and soil conditions are suitable. 
In the last part of the study, a general assessment of the conducted thesis has been provided. Initially, a design was made assuming that the ratio of horizontal displacement expected to occur in the shoring system to the excavation depth would be 3‰ (4.2cm). However, readings taken from instrumental monitoring revealed that this ratio turned out to be 4‰ (5.6cm). Compatible displacements were determined through model calibration, and the structural elements of the shoring system were found to be safely withstand internal forces. Consequently, the deep excavation was completed without taking any addtional measures, as maximum displacements in the analysis model did not reach the limit of collapse, and no adverse effects were observed on surrounding structures. The significance of keeping the analyses up to date based on data obtained from instrumental monitoring during the foundation excavation in the shoring systems have been emphasized. With the findings obtained, some suggestions that can be used in future studies are suggested.