Öngermeli ankrajlı kesişen kazıklı iksa sistemi: Bir vaka analizi ve nümerik olarak incelenmesi
Prestressed anchored secant pile wall: A case study and numerical analysis
Yazar: GİZEM UÇAR
Danışman: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Derin kazı = Deep excavation

Özet:
Derin kazılar geoteknik mühendisliğinin en önemli inceleme alanlarından biridir. Yatay ve düşey destek elemanlardan oluşan derin kazı sistemleri çok bodrumlu ve çok katlı yapıların inşası sırasında hem yapılacak yapılar hem de çevredeki yapılar için güvenli bir çalışma alanı yaratabilmek amacıyla kullanılmaktadır. Sisteme etkiyen toprak ve su basınçları ile sürşarj yüklerinin yatay ve düşey destek elemanları ile zemine güvenli bir şekilde aktarılması sağlanmaktadır. Bu tez kapsamında, kesişen kazıklı öngermeli ankrajlı destek sistemi incelenmiştir. Tezin konusu çok bodrumlu ve çok katlı bir yapının inşası için gereken derin kazı destek sisteminin tasarlanması, kazı sırasında karşılaşılan problemler sonucu projede yapılan revizyonlar ve iksa sistemindeki yanal deplasmanlara etki eden parametrelerin araştırılmasıdır.
Bu tez kapsamında Plaxis 2D 2020 sonlu elemanlar programı kullanılarak bir vaka analizi yapılmıştır. Geçirimsiz bir perde yaratmak amacıyla kesişen kazıklı iksa sistemi tercih edilmiştir. Bu derin kazının zemin etütleri, parametrelerin seçilmesi ve inşaat aşaması da dahil tüm bölümleri detaylıca incelenmiştir. Daha sonra Plaxis sonlu elemanlar programı kullanılarak sistemin son revizyonu modellenmiş ve çeşitli parametrelerin iksa sisteminde meydana gelen yanal deplasmanlara olan etkileri yapılan analizler ile araştırılmıştır. 
Tezin ilk bölümünde derin kazılara duyulan gereksinim ve geoteknik mühendisliğindeki yerine değinilmiş, ayrıca teze konu edilen proje ve yapılan çalışmalar hakkında bilgi verilmiştir.
İkinci bölümde derin kazı destek sistemleri tasarlanırken dikkat edilmesi gereken hususlar ve derin kazı tasarımı yapılmadan önce gerçekleştirilmesi gereken çalışmalara değinilmiştir. Derin kazılar getirdiği avantajların yanı sıra bazı problemlere de sebep olabilmektedir. Planlanan kazı gerçekleştirilmeden önce çalışılacak saha hakkında doğru ve yeterli bilgiye sahip olmak, güvenli ve ekonomik bir kazının olmazsa olmaz şartlarından birisidir. Derin kazı sırasında karşılaşılabilecek sorunlar ve çözümleri ile kazı öncesi yapılması gereken çalışmalardan bu bölümde bahsedilmektedir.
Üçüncü bölümde geoteknik mühendisliği problemlerinde oldukça önemli bir tasarım unsuru olan yanal toprak basınçları detaylı bir şekilde incelenmiştir. Destek sistemine etkiyen yanal toprak basınçlarının hesaplanmasına yönelik geliştirilen teorilere ve başlıca toprak basıncı diyagramlarına bu bölümde yer verilmiştir.
Dördüncü bölümde uygulamada ve literatürde başlıca bilinen ve uygulanan düşey ve yatay destek elemanları hakkında bilgiler verilmiştir. Teze konu olan kazıklı duvarlar ile öngermeli ankrajlara daha detaylı olarak değinilmiştir. Kazıkların tipleri, yapım yöntemleri ile öngermeli ankrajların sınıflandırılması, ankraj elemanlarının detaylı açıklamaları, kritik kayma düzleminin belirlenmesi, serbest ve kök boylarının hesabı hakkında kapsamlı bir literatür çalışması yapılmıştır.
Beşinci bölümde iksa sistemlerinde aletsel gözlemin önemi ve amacı üzerinde durulmuştur. Derin kazının her aşamasında belirli aralıklarla oluşan deformasyonların takip edilmesi, kazıdan kaynaklanan deformasyonlar sonucu inşa edilen yapının, çevre yapıların veya civardaki altyapıların zarar görüp görmediğinin hızlı şekilde tespit edilmesi oldukça önemlidir. Aletsel gözlem ile kazı boyunca oluşabilecek herhangi bir sorunun önceden tespit edilip gerekli önlemlerin alınması hızlı ve ekonomik şekilde sağlanır. Tez kapsamında incelenen kazı alanındaki deplasmanların takibi yaygın olarak kullanılan inklinometrelerle gerçekleştirildiği için bu bölümde inklinometrelere detaylı olarak yer verilmiştir.
Altıncı bölümde Plaxis 2D 2020 sonlu elemanlar programı tanıtılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi karmaşık birçok mühendislik problemini daha basite indirgeyerek çözmeyi sağlamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında ele alınan derin kazı Plaxis 2D sonlu elemanlar programı kullanılarak modellenmiştir. Vaka analizinin modellenmesinde kullanılan hardening soil ve Mohr-Coulomb modelleri hakkında detaylı bilgiler verilerek sisteme tanıtılan zemin ve yapı elemanlarından detaylı olarak bahsedilmiştir.
Yedinci bölümde teze konu olan proje tanıtılmış ve kazı öncesi yapılan zemin etüt çalışmalarından bahsedilmiştir. İmalat öncesi tasarım ve hesap kabülleri verilmiş, daha sonra proje aşamasında karşılaşılan sorunlar sonucu projede gerçekleştirilen revizyonlar anlatılmıştır. Kazı aşamalarının tamamında alınan inklinometre okumalarından da yine bu bölümde bahsedilmiştir. Daha sonra bu modelde iksa sistemindeki deplasmanların incelenmesi amacıyla farklı parametreler ile nümerik çalışmalar yapılmıştır. Hem hardening soil hem de Mohr-Coulomb bünye modelinde ortak olan elastisite modülü, içsel sürtünme açısı ve kohezyon parametrelerinin yanal deplasmanlar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca ankraj kök boyu, ankraj açısı, ankraj yatay mesafesi, germe kuvveti ve halat çapının da yanal deplasmanlar üzerindeki etkisi sistem geometrisindeki diğer özellikler sabit tutularak araştırılmış, elde edilen sonuçlar grafikler ile sunulmuştur.
Tezin son bölümünde tez kapsamında yapılan çalışmalar özetlenerek yapılacak başka çalışmalarda yararlanılması amacıyla sonuç ve önerilere yer verilmektedir. Kazı öncesi çalışmaların önemi ile kazı boyunca gerçekleştirilen aletsel gözlemlerin tasarımın kalite kontrolü ve gerekmesi durumunda hızlı ve güvenli olarak revizyon yapılmasına imkân sağladığından bahsedilmiştir. Farklı zemin parametrelerinin ve ankraj özelliklerinin iksa sisteminde oluşan yanal deplasmanlar üzerindeki etkileri yapılan analizler sonucu irdelenmiştir.

Abstract:
Deep excavations are one of the most important investigation area of geotechnical engineering. Deep excavation systems which consisted by lateral and vertical support elements are using in order to create a safe working area for construction site and neighbor structures during the construction period of high-rise buildings or the structures that has more basement floors. Transmitting of earth and water pressures and surcharge loads that effecting on the support system are carried out by lateral and vertical support elements from support system to ground safely. Lateral earth pressures are vital element of many deep excavation design as well as being part of geotechnical engineering. The earth pressures that stem from behind of the retaining wall need to be calculated accurately in order to provide safety and affordable construction of deep excavations. Hence, comprehensive informations must be taken, adequate proportion of geotechnical investigations have to be done, underground water level must be defined. The safe and affordable support system ought to be chosen through considering all these requirements described above. Secant pile with prestressed ground anchor support system is investigated in this thesis. The subjects of this thesis are requirements of the design of the deep excavation support system, encountered problems during the construction period and the investigation of parameters which effected to the lateral displacements on the support system for the construction of high-rise building or the structures has more basement. Moreover, the significance of to using instrumental monitoring regularly during the construction period is also included to scope of this thesis. In addition, the inclinometer readings compared with the design limits during the investigated construction of deep excavation.
In this thesis, one of case study has investigated by using Plaxis 2D 2020 finite elements program. Secant pile support system has preferred in order to create an impermeable wall. Soil investigation of this deep excavation, selection of parameters and also all sections including construction period of this deep excavation are investigated detailed. Then, the last revision of the system has been modelled by using Plaxis finite elements program and various parameters that could be effect to the lateral displacements existing on the support system are investigated with analyses.  
In the first section of this thesis, necessity of the deep excavation and importance for geotechnical engineering are explained. Also, information given regarding the background studies and the subject matter project. 
In the second section of this thesis, points to take into consideration during the design of deep excavation support system and the studies which need to be completed before deep excavation design period are mentioned. Deep excavations could be caused such problems as well as to have the edge over. The negative consequences such as stability problems, land upheavel and some the problems caused by displacements has been investigated through making a broader literature review and the measurements given in this section. Before the planned excavation carried out, to taking correct and adequate information regarding the working site is the one of indispensable thing of the safe and economic excavation. Therefore, being well-versed in excavation area and it's topography, doing enough geotechnical investigations are vitally required for the design of deep excavations. Encountered problems during the construction period and solutions for them and the studies which need to be carried out before the excavation are mentioned in this section.
In the third section of this thesis, the lateral earth pressure which being very important design element on geotechnical engineering problems is investigated detailed. Earth pressure stemming from behind of the retaining wall need to be defined accurately in order to safe and affordable design of retaining walls. Developed theories for the calculating of lateral earth pressure to effecting vertical support system and main earth pressure diagrams are figured in this section.
In the fourth section of this thesis, information regarding the lateral and vertical support system elements that mainly known in practices and literature are given. The method of statement of vertical support elements such as micropiles, sheet piles, diaphragm walls and bored piles are discussed. In addition, behaviour of lateral support system elements such as struts, soil nails and prestressed anchors are researched. Hereby, subject matter secant pile and prestressed ground anchors are defined much detailed. A comprehensive literature study has performed regarding the types of piles, method of statements and classification of prestressed ground anchors, detailed explanation of anchor elements, determination of potential failure surface and free and bonded length calculations.
In the fifth section of this thesis, importance and purposes of instrumental monitoring discoursed. It's important that to realizing constructed structure or neighbor structures or infrastructures around the site are been effected or not from the sum of displacements due to the excavation. In addition, monitoring to displacements that occurred at certain intervals for every period of deep excavation is very important. By the instrumental monitoring, the problems which could be encountered at during the construction period can determine and the corrective actions and solutions could be taken earlier as quickly and economic. Monitoring of displacements has performed by inclinometer (as a common usage) on the investigated subject matter area in this thesis. Therefore, inclinometers mentioned as comprehensive is in this section. 
In the sixth section of this thesis, Plaxis 2D 2020 finite elements program is presented. The finite elements method is providing the solution of many complicated engineering problems by popularizing. The subject matter deep excavation is modelled by Plaxis 2D finite elements program. Unidimensional models are usually enough for much simple structures, while two or three-dimensional models are using to solve much complicated problems such as retaining walls and deep excavations. Soil and structure elements are been explained in detail with giving information regarding the hardening soil and Mohr-Coulomb models to forming of case study.
In the seventh section of this thesis, subject matter project presented and soil investigation studies mentioned. Supported excavation system in which constructed for foundation of the structure that contained seven basement, one ground floor and seven-story is investigated in this chosen project as a case study. In this section of this thesis, firstly, investigated project has been introduced and drilling data's, site and laboratory test results are given. Secondly, it is decided that prestressed ground anchor with secant piles are suitable for support system with concerning all these informations. Finally, Hardening Soil and Mohr-Coulomb models which offered in geotechnical report are chosen as design parameters. Pre-construction design and calculation assumptions are given, then revisions which obtained from encountered problems during the design phase are explained. The all inclinometer readings that taken from every period of excavation are also mentioned in this section. Furthermore, numerical studies are performed with different parameters in order to investigation of displacements on the support system in this model. The effect of common elasticity module between hardening soil and Mohr-Coulomb models, internal friction angle and cohesion parameter on lateral displacements are investigated. Moreover, anchor bonded length, anchor angle, horizontal anchor spacing, prestressing load and tendon diameter effects on lateral displacements are investigated by taking all different properties of system as constant and the results were given with graphs. 
In the last section of this thesis, all studies are summarized and conclusions and recommendations are given in order to be sample on another studies. It's mentioned that how pre-excavation studies and instrumental monitoring during the construction period are important for providing the quality control of the design and giving chance to making revision quickly and safely in case of any requirement. Effect of the chosen parameters on the lateral displacements existing on support system are investigated accordingly the results taken from analyses.