Ayrışmış kayada zemin çivili duvar performansının incelenmesi
Investigation of soil nailed wall in weathered rock
Yazar: ANIL YENİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ERGENOKON SELÇUK ; DOÇ. DR. ÖMER ÜNDÜL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Zemin çivileri, zeminler veya ayrışmış kaya ortamlarında bulunan yamaç ve şevlerin geçici veya kalıcı stabilitesini sağlamak amacıyla belirli eğimlerde zemine yerleştirilen rijit donatı elemanlarıdır. Yatay veya yataya belirli bir açı yapan delgilerin tamamlanması ile kuyuya yerleştirilen rijit donatı elemanı; enjeksiyon sıvısı ile doldurularak, enjeksiyonlu çivi ile zemin arasında bir aderans gerilmesi oluşturur. Bu gerilmeyle, zemin-enjeksiyon etkileşim yüzeyi boyunca zemine doğru yük transferi meydana gelir. Sakarya-Taşkısığı mevkiine yapılacak olan bir sanayi tesisinin parsel sınırındaki yamacın daha dik konumda kazılarak arazi alanının arttırılması planlanmıştır. Bu planlama kapsamında daha önce yapılan çalışmalarla oluşturulacak şevin kendini tutamama durumundan dolayı ayrışmış kayalara uygun düşük maliyetli zemin çivili duvar destek sistemi olarak seçilmiştir. Bu çalışmada, zemin çivisi uygulaması esnasında ve tamamlanması sonrasında seçilen bu destek sisteminin performansı; iki adet inklinometre ve iki adet gerinim (uzama) ölçer sensörlerle donatılmış zemin çivisi çekme deneyleriyle iki farklı kesit üzerinde takip edilmiştir. Kesit 1-1' inklinometre ölçümlerinde yatay yer değiştirme değeri 2.30 mm ve bu kesitteki ileri derecede ve tümüyle ayrışmış kumtaşı biriminde yapılan zemin çivisi çekme deneyinde aderans gerilmesi değeri 190 kPa olarak ölçülmüştür. Kesit 2-2' inklinometre ölçümlerinde yatay yer değiştirme değeri 3.90 mm ve bu kesitteki orta derecede ayrışmış kumtaşı biriminde yapılan zemin çivisi çekme deneyinde aderans gerilmesi değeri 440 kPa olarak ölçülmüştür. Her iki zemin çivisi çekme deneyinde gerinim ölçer sensörlerle, tasarımda belirlenen çekme yükü etkisi altında çivi üzerine etkiyen gerilme dağılımı incelenmiştir. Buna göre, tasarım yükü altında çivi üzerine etkiyen gerilmelerin; tasarım aşaması tahmini aksine, kaplamaya daha yakın bölgede sönümlenmeye başladığı belirlenmiştir. Mohr-Coulomb bünye modeli kullanılarak yapılan sonlu eleman analizleri sonuçlarına göre Kesit 1-1' konumunda yatay deplasman değeri 2.22 cm olarak belirlenmişken; Kesit 2-2' konumunda yatay deplasman değeri 1.53 cm olarak belirlenmiştir. Orta derecede ayrışmış kumtaşı biriminde aderans gerilmesi değeri 200 kPa; ileri derecede ayrışmış kumtaşı biriminde aderans gerilmesi değeri 75 kPa olarak literatürden yararlanılarak seçilmiştir. Projeye esas tasarımda, olması gerekenden yüksek parametreler seçildiği; arazi ölçüm verileri ve yapılan sayısal analizler ile ortaya koyulmuştur. Bu kapsamda Mohr-Coulomb bünye modeli yerine kaya kütlelerinde daha yaygın olarak kullanılan Hoek-Brown bünye modeli kullanılarak hassaslık ve parametre analizleri yapılmıştır. Jeolojik Dayanım İndisi (GSI), güvenlik katsayısı (GS) ve yatay deplasman (ux) değerinin belirlenmesi açısından en önemli parametrelerden birisidir. GSI değerinin yeniden değerlendirilmesi yapılmış ve tasarım aşamasında belirlenenden daha farklı GSI değeri kullanılmıştır. Belirlenen yeni GSI değerinin arazi performansından elde edilen gözlem sonuçları ile uyumlu olması için hem karot sandık fotoğrafları hem de parametrik analizler göz önüne alınarak sahada elde edilen GSI değerlerine yaklaşılmaya çalışmıştır. Duvar performansının beklenenden daha yüksek olması nedeniyle yapısal elemanların geometrik parametrik analizi yapılmış; şev eğimi, çivi boyu, çivi aralığı ve çivi eğimi tasarım parametrelerinin güvenlik katsayısına ve yatay yer değiştirmeye etkisi incelenmiştir. 1-1' kesitinde; 65o şev eğimi, 6.00 m çivi boyu, 1.60 m çivi aralığı ve 15o çivi eğiminde tasarımda beklenen güvenlik katsayısı değeri 1.72 olarak hesaplanmışken; yapılan geri analizler sonrasında belirlenen yeni GSI değeriyle güvenlik katsayısı değeri 2.87 olarak belirlenmiştir. 2-2' kesitinde 85o şev eğimi, 4.00 m – 6.00 m çivi boyu, 1.40 m çivi aralığı ve 15o çivi eğiminde tasarımda beklenen güvenlik katsayısı değeri 1.70 olarak hesaplanmışken; yapılan geri analizler sonrasında belirlenen yeni GSI değeriyle güvenlik katsayısı değeri 2.43 olarak belirlenmiştir. Geometrik parametre analizlerinde, tüm varyasyonlarda yüksek güvenlik katsayısı değeri belirlenmiştir. Bu bağlamda, tasarımın optimum performansı için destek sistemindeki çivi boylarının 4.00 m, çivi aralıklarının 1.60 m ve çivi eğimlerinin 20o olması önerilmiştir. Şev eğiminin ise güvenlik katsayısına etkisi tahmin edilenden daha düşük olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, çivi boylarının kısaltılmasıyla benzer güvenlik katsayısında daha ekonomik bir tasarımın elde edilebileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Soil nails are rigid reinforcement elements placed on the ground at certain slopes to provide temporary or permanent slope stability in soils or weathered rock environments. Rigid reinforcement element placed in the well after the completion of drills at an angle to the horizontal or nearly horizontal; It contains injection fluid and causes an adherence stress between the injection nail and the ground. Load transfer towards the ground occurs along the soil-injection interaction surface as a result of this stress. Sakarya-Taşıksığı was planned in the field by excavating a steeper slope in an industrial land plan. In this planning system, due to the inability of the slope to be formed by previous studies, it was chosen as a low-cost ground nailed wall support system suitable for weathered rocks. In this study, the performance of this support system selected during and after the soil nail application; The soil nail tensile tests equipped with 2 inclinometers and 2 strain gauge sensors were followed on two different sections. The horizontal displacement value was measured as 2.30 mm in the section 1-1' inclinometer measurements, and the adherence stress value was measured as 190 kPa in the soil nail tensile test performed on the highly weathered sandstone unit in this section. In the section 2-2' inclinometer measurements, the horizontal displacement value was 3.90 mm and the adherence stress value was measured as 440 kPa in the soil nail tensile test performed on the moderately weathered sandstone unit in this section. In both soil nail tensile tests, the stress distribution acting on the nail under the influence of the tensile load determined in the design was investigated with tensile sensors. As a result, the stresses acting on the nail under the design load were determined; contrary to the design phase estimation, the damping began in the region closer to the pavement. According to the results of the finite element analysis using the Mohr-Coulomb body model, the horizontal displacement value was determined as 1.59 cm at the 1-1' position of the Section; The horizontal displacement value at the section 2-2' position was determined as 1.53 cm. The adherence stress value in the moderately weathered sandstone unit is 200 kPa; In the highly weathered sandstone unit, the adherence stress value was chosen as 75 kPa by using the literature. In the main design of the project, higher parameters than required were chosen; land measurement data and numerical analyzes made. In this context, sensitivity and parameter analyzes were carried out by using the Hoek-Brown structure model, which is more commonly used in rock masses, instead of the Mohr-Coulomb structure model. Geological Strength Index (GSI) is one of the most important parameters in terms of determining the coefficient of safety (GS) and horizontal displacement (ux). The GSI value was re-evaluated and a different GSI value than the one determined during the design phase was used. In order for the newly determined GSI value to be compatible with the observation results obtained from the field performance, it has been tried to approach the GSI values obtained in the field by considering both the core box photographs and parametric analyzes. Since the wall performance was higher than expected, geometric parametric analysis of the structural elements was made; The effects of slope inclination, nail length, nail spacing and nail slope design parameters on the safety factor and horizontal displacement were investigated. 1-1' section; While the expected safety coefficient value in the design was calculated as 1.72 at 65o slope inclination, 6.00 m nail length, 1.60 m nail spacing and 15o nail slope; The safety coefficient value was determined as 2.87 with the new GSI value determined after the back analysis. While the expected safety coefficient value in the design is calculated as 1.70 in the 2-2' section with a slope inclination of 85o, a nail length of 4.00 m – 6.00 m, a nail spacing of 1.40 m and a nail slope of 15o; With the new GSI value determined after the back analysis, the safety coefficient value was determined as 2.43. In the geometric parameter analyses, high safety coefficient values were determined in all variations. In this context, it is suggested that the nail lengths in the support system should be 4.00 m, the nail spacing should be 1.60 m and the nail slope should be 20o for the optimum performance of the design. It has been determined that the effect of the slope inclination on the safety factor is lower than expected. As a result, it has been revealed that a more economical design with a similar safety factor can be obtained by shortening the nail lengths.