Laboratuvar, arazi ve jeofizik deney sonuçlarını kullanan zemin taşıma gücü hesap yöntemlerinin incelenmesi ve karşılaştırılması
Investigation and comparison of soil's ultimate bearing capacity methods using test results of laboratory, in-situ and geophysical experiments
Yazar: İLKAY TONYALI
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Zemin = Soil ; Zemin araştırmaları = Ground inspections ; Zemin direnci = Soil resistance ; Zemin etüdü = Soil exploration ; Zemin gerilmesi = Soil stress ; Zemin mekaniği = Soil mechanics ; Zemin özellikleri = Soil properties

Özet:
Geoteknik Mühendisliğinde, çeşitli üst yapı yüklerini güvenli şekilde zemine aktaran temellerin tasarımı son derece önemlidir. Bunun gerçekleştirilebilmesi için, zemin özelliklerinin derinlemesine incelenmesi gerekmektedir. Genellikle bu çalışmalar, laboratuvar ortamında ve/veya arazide gerçekleştirilmektedir. Son zamanlarda, jeofizik yöntemler de, zemin parametrelerinin belirlenmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Önceleri petrol mühendisliğinde kaynak belirlemede kullanılan bu yöntemler, teknolojik gelişmelerinde etkisiyle inşaat mühendisliği dalında da tercih edilmeye başlanmıştır. Dünya genelinde daha çok kayaçların fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemeye yönelik jeofizik çalışmalar mevcuttur. Ülkemizde ise zemin özelliklerini belirlemek amacıyla, birçok jeofizik çalışma bulunmakla beraber, bunların en dikkat çekicilerinden biri zeminlerin taşıma güçlerinin teminine yönelik olanlardır.Zeminlerin taşıma güçlerinin belirlenebilmesi için kullanılan en yaygın yöntemlerden biri laboratuvardan elde edilen zemin mukavemet parametrelerinin kullanıldığı klasik yöntemlerdir. Birçok araştırmacı tarafından geliştirilen taşıma gücü hesaplama yöntemi bulunmaktadır. Bu çalışmaların büyük çoğunluğu, Prandtl (1920) tarafından yapılan ağırlıksız bir metalin yapışma ve iç sürtünme özelliklerini inceleyen araştırmasına dayandırılmaktadır. Ancak, her durumda laboratuvar çalışmalarının uygulanabileceği örselenmemiş numune temini mümkün olmamaktadır. Bu nedenle, zemin mukavemetinin yerinde tespitini mümkün hale getiren arazi deneyleri geliştirilmiştir. Bu yöntemlerde temel prensip, zemin içinde çakılarak ya da itilerek devam ettirilen sondalara, zeminin gösterdiği direncin belirlenmesidir. Elde edilen bu direnç değerleri kullanılarak zeminlerin taşıma gücünü belirlemede çeşitli korelasyonlar bulunmaktadır. Yukarıda bahsedildiği üzere, son zamanlarda taşıma gücü tayinine yönelik jeofizik çalışmalar da yapılmaktadır. Özellikle, sismik yöntemler kullanılarak elde edilen kayma ve basınç dalgası hızları yardımıyla taşıma gücü analizleri gerçekleştirilmektedir.Temellerin oturacağı zeminlerin sağlaması gereken iki şarttan biri olan taşıma güçlerinin analizi, güvenli ve ekonomik yapısal tasarım için önemlidir. Bu sebeple, yukarıda bahsedilen yöntemler kullanılarak elde edilen değerlerin, mevcut durumla uyumlu olması gerekmektedir. Bu doğrultuda, Laboratuvar Deneyleri, Arazi Deneyleri ve Jeofizik Yöntemler kullanılarak elde dilen taşıma güçlerinin incelenmesi ve kıyaslanması, bu çalışmanın amacını teşkil etmektedir. Söz konusu çalışmada, zeminin taşıma gücünün belirlenmesi için genişliği 3m, uzunluğu 10m olan şerit temel sistemi gözönüne alınmıştır. Temel derinliği ise, inceleme yapılan derinliklere göre belirlenmiştir. Analizlere esas her türlü, yeraltı suyu etkisi, jeolojik yük etkisi, zemin özellik etkisi, deney ekipman etkisi v.b. dikkate alınarak veriler üzerinde gerekli düzeltmeler yapılmıştır. Bu veriler, klasik yöntemler, SPT-N'e göre analiz, presiyometre ile taşıma gücü hesabı ve sismik yöntemler ile taşıma gücü tayini başlıkları altında kullanılmıştır.Klasik yöntemler kapsamında laboratuvar sonuçları, Terzaghi ve Peck (1967), Meyerhof (1951,1963), Hansen (1970) ve Vesic (1973,1975) tarafından verilen formüllerde kullanılmıştır. Arazi deneylerinden olan Standart Penetrasyon Deneyi sonuçları, Terzaghi ve Peck (1967), Meyerhof (1974), Bowles (1996) ve Parry (1977) tarafından verilen ampirik formüller ile değerlendirilmiştir. Bir diğer arazi inceleme yöntemi Presiyometre deneyinden elde edilen prob limit değerleri ile incelenen zeminler için nihai taşıma güçleri belirlenmiştir. Sismik yöntemler için Imai ve Yoshimura (1976), Keçeli (1990, 2000), Türker (1998), Kurtuluş (2000), Tezcan ve diğ. (2006, 2010) tarafından geliştirilen analiz yöntemleri ile nihai taşıma güçleri belirlenmiştir.Türkiye'nin çeşitli inşaat sahalarında yapılan 50 adet zemin incelemesi sonucuna dayanarak elde edilen nihai taşıma güçleri arasındaki ilişkiler, öncelikle yöntem bazında değerlendirilmiştir. Ardından, bulunan sonuçlar ile yöntemler arasındaki tutarlılık incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda, klasik yöntemler ile elde edilen sonuçların kendi içinde oldukça benzer sonuçlar verdiği tespit edilmiştir.Bir diğer yöntem SPT-N değerine göre yapılan incelemelerde, Terzaghi ve Peck ile Meyerhof sonuçlarının, görece düşük SPT-N değerleri için yakın sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Ancak, 25 vuruş değerinin üzerindeki verilerde, Meyerhof taşıma gücü değerlerinin vuruş sayısına bağlı artarak Terzagi ve Peck sonuçlarından büyük olduğu gözlemlenmiştir. Yine SPT-N değerleri kullanılarak Bowles yöntemine göre yapılan analizlerde, nihai taşıma gücü değerlerinin bu iki yönteme göre yüksek değerler verdiği belirlenmiştir. En büyük taşıma gücü değerleri ise Parry yöntemi kullanılarak elde edilmiştir.Klasik yöntemlerle hesaplanan nihai taşıma gücü değerlerinin, özellikle Meyerhof tarafından verilen SPT deney sonuçları analizi ile son derece uyumlu olduğu görülmüştür. Presiyometre verileri ile yapılan hesaplamalarda elde edilen sonuçlar da, Meyerhof SPT-N analizleriyle oldukça uyumlu sonuçlar vermiştir.Sismik yöntemler kullanılarak bulunan nihai taşıma güçlerinin, kendi içinde ve diğer metotlar kullanılarak elde edilen değerlerle yeterince uyumlu olmadığı görülmüştür. Sismik yöntemler içinde, laboratuvar ve arazi deney sonuçlarıyla analiz yapan yöntemlere en yakın sonuçları, kayma dalgası hızlarını kullanarak hesaplama yapan Tezcan ve diğ.'nin geliştirdiği yöntemin verdiği gözlemlenmiştir. Ancak, bu nihai taşıma gücü değerlerinin, dikkate alınan %10'luk uyumluluk değerlerinin çoğunlukla dışında kaldığı görülmüştür. Bu nedenle, jeofizik yöntemlerle elde edilen taşıma gücü değerlerine göre yapısal analiz gerçekleştirmek yerine, bu verileri ön inceleme ve fizibilite aşamalarında değerlendirmenin faydalı olacağı kanaatine varılmıştır. Bu bağlamda jeofizik yöntemlerin, geniş çaplı arazi incelemelerinde geoteknik çalışmaları kolaylaştırmak ve maliyetleri düşürmek maksatlı kullanılmasının daha uygun olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In geotechnical engineering, the design of the basement, which delivers superstructure weight safely to the soil, is highly crucial. In order to do that, soil specifications must be deeply analyzed. Generally these researches are conducted in laboratory and/or in the field. Lately geophysical methods are also used in determination of soil parameters. Those methods were formerly used in petrol engineering to find sources, however now they are prefered in civil engineering with the help of technological developments. The geophysical studies aiming to find physical and mechanical properties of rock are more available around the world. In Turkey, although many geophysical studies are present to find soil properties, one of the most noteworthy studies is the one which is for the determination of soil bearing capacity.One of the most common ways to find the bearing capacity of soil is the classical method that uses the soil resistance parameters obtained from lab. There are many bearing capacity calculation methods developed by different researchers. Many of them are based on the study of Prandtl (1920) that inspects the adhesion and inner-friction angle properties of a metal. However it is not always possible to find an undisturbed soil sample. Therefore, in-situ testing that make on-site determination of soil strength possible were developed. The main principle in them is to determine the resistance of the soil by using drills which are pushed or driven into the soil. There are different correlations in determination of bearing capacity of soil with those resistance values. As stated above, some geophysical studies have been conducted on the determination of bearing capacity lately. Bearing capacity analysis is made with the help of shear and compressional wave velocity which are obtained by sysmic methods especially.The analysis of bearing capacity which is one of the two rules that foundation must provide is important to have an economic and safe design. For this reason, the values by conducting the methods above should be consistent with the current situation. The main reason of this study was to investigate and compare the bearing capacity data obtained from lab and in-situ tests and geophysical methods. In the study a strip of 3m width and 10m length was taken into account to determine the soil bearing capacity. Foundation depth was adjusted according to the depths have been studied. All aspects that have effect on the analysis are considered and the necessary adjustments were made. This information is used under soil bearing capacity calculation and sysmic methods for soil bearing capacity determination section with classical methods, SPT-N analysis and pressuremeter.The laboratory results were used in the formulas given by Terzaghi & Peck (1967), Meyerhof (1951, 1963), Hansen (1970) and Vesic (1973, 1975) within the scope of classical methods. The results of Standard Penetration Test, one of the in-situ tests, have been assessed in empirical formulas given by Terzaghi & Peck (1967), Meyerhof (1974), Bowles (1996) and Parry (1977). The ultimate bearing capacity values were calculated for the inspected soil with the results acquired by Pressuremeter method that is another in-situ investigation method. For the seismic methods, the ultimate bearing capacity has been decided by the analysis methods developed by Imai & Yoshimura (1976), Keçeli (1990, 2000), Türker (1998), Kurtuluş (2000), Tezcan et all. (2006, 2010).The relation between the ultimate bearing capacities obtained on the basis of the results of 50 soil investigations in the various construction sites in Turkey was firstly assessed methodically. Then the consistency between the results and methods was inspected. According to the investigations it was seen that the results of classical methods are consistent internally.According to the investigations driven by SPT-N values, Terzagi & Peck and Meyerhof have close results for the low SPT-N values. However, in the datas above 25 dropped number, Meyerhof?s bearing capacity values are dependent on hammer dropped number and bigger than Terzagi & Peck?s. The ultimate bearing capacity is bigger in Bowles method for the investigation with SPT-N values. And, the biggest bearing capacity is obtained by Parry method.It was noticed that the bearing capacity calculated with classical method is very consistent with SPT test result analysis given by Meyerhof. The calculations with pressuremeter datas are also very consistent.The ultimate bearing capacities found with seismic methods are not sufficiently agreeable with the results of other methods. The closest one to laboratory and in-situ tests in seismic methods is Tezcan et all. method that makes calculation by using shear wave velocity. However, it was seen that those bearing capacity values are mostly outside of 10% consistent values. Therefore, instead of performing a structural analysis depending on ultimate bearing capacity data obtained from geophysical methods, it is concluded that assessment of those data at the stage of preliminary investigations and feasibility studies. In this context, geophysical studies are thought to be more convenient for the purpose to facilitate geotechnical studies and reduce costs in large-scale field investigations.