Kazık taşıma kapasitesinin statik formüller nümerik analiz ve yükleme deneyleri kullanılarak belirlenmesi üzerine bir çalışma
A case study for the calculation of pile bearing capacity with reference to static formulas, numerical analysis and pile load tests
Yazar: ÖZKAN PULAT
Danışman: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
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
Dizin: Açık uçlu boru kazıklar = Open ended pipe piles ; Beton kazıklar = Concrete piles ; Fore kazık = Bored pile ; Granüler zeminler = Granular soils ; Kohezyonlu zemin = Cohesive soil ; Soketli kazıklar = Socketed piles ; Tekil kazık = Single pile ; Yanal zemin basıncı = Lateral earth pressures ; Yapı zemin etkileşimi = Building ground interaction ; Çakma kazık = Driven pile

Özet:
Tüm mühendislik yapıları, üzerlerindeki düşey ve hareketli yükleri temeller vasıtası ile zemine aktarır. Temeller projelendirilirken yapı yükleri, zeminin taşıma kapasitesi ve yapının işlevselliğini bozmayacak şekilde izin verilen maksimum farklı-uniform oturma kriterleri belirleyici olmaktadır. Temel sistemleri için en basit ve ekonomik çözüm yüzeysel temellerdir. Ancak bir önceki cümlede bahsedilen kriterlerden herhangi biri açısından bir kısıtlama varsa temelin içinde bulunduğu zemin iyileştirilmeli ya da derin temel uygulamasına geçilmelidir.
Zemin iyileştirme için çeşitli seçenekler mevcuttur ancak bu çalışmanın konusu değildir. İkinci seçenek olan derin temel uygulamalarında ise ilk akla gelen ve geniş uygulama alanı bulmuş olan kazıklı temellerdir. Kazıklar eski çağlardan beri, özelikle ahşap kazıklar, yapı temellerinde kötü zemin koşullarında kullanılmıştır. Günümüzde de gelişen makina ekipman teknolojisi ile birlikte kazıklar temel sitemi olarak farklı yapım ve malzeme türleri ile karşımıza çıkmaktadır.
Bu sebeple geoteknik mühendisliğinde kazıklı temellerin tasarımı önemli bir yere sahiptir. Bu tasarımda öncelikle tek bir kazık için nihai taşıma gücü değeri hesaplanır ve daha sonra kazık gruplarının kollektif taşıma gücü değerlendirilerek temel sistemi projelendirilir. Dolayısı ile kazıklı temellerin ilk hesap kademesi olan tekil kazığın nihai taşıma gücünün, sahadaki gerçek değere en yakın şekilde, doğru hesaplanması gerekir. Yapılan tez çalışmasında farklı yöntemlerle elde edilen nihai taşıma gücü yöntemleri incelenmiş ve bu yöntemler bir vaka üzerinde uygulanarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Tez çalışması beş ana bölümden oluşmaktadır. Bölümlerle ilgili açıklamalar kısaca aşağıda özetlenmiştir.
Bölüm 1 giriş bölümüdür ve genel hatları ile tezin konusu ve amacı aktarılmıştır. Tezin amacına yönelik olarak oluşturulan ana başlıklar hakkında bilgiler verilmiştir.
Bölüm 2 ve Bölüm 3 tezin amacına uygun olarak literatür araştırmalarının yapıldığı bölümlerdir. 
Bölüm 2' de temel sistemi olarak kullanılan kazıklar hakkında genel bilgiler verilmiştir. Kazıklar kullanılan malzeme türüne, yapım yöntemine, zemine yük aktarma şekillerine göre sınıflandırılmıştır. Yapılan sınıflandırmaya göre kazık türlerinin avantaj ve dezavantajları hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca bu bölümde kazık türünün seçiminde belirleyici olan kriterler aktarılmıştır.
Bölüm 3 kazıkların nihai taşıma gücü için hesap yöntemlerinin verildiği bölümdür. Bu bölümde literatürde verilen ve saha uygulamasında yer bulmuş taşıma gücü yöntemleri üzerinde durulmuştur. Sırası ile statik taşıma gücü formülleri, arazi testleri ile korelasyon katsayıları, statik yükleme testi, dinamik yükleme testi ve sonlu elemanlar yöntemleri detaylı olarak anlatılmıştır. Arazi deneyleri için Standart Penetrasyon, Koni Penetrasyon ve Menard Presiyometre testleri esas alınarak elde edilen korelasyonlar üzerinde durulmuştur.

Statik yükleme testinde uygulanan yükleme çeşitleri ve test sonucu elde edilen yük – deplasman grafiğinden nihai taşıma gücü tahminleri için farklı araştırmacılar tarafından önerilen sekiz yöntem detayları ile anlatılmıştır. Dinamik yükleme testi ve testin hesap metodunun dayanağı olan dalga mekaniği ile alakalı bilgiler verilmiştir. 
Son olarak sonlu elemanlar yöntemi genel hatları ile tanıtılmıştır. Tez kapsamında kullanılan PLAXIS 2D yazılımı ve yazılımda kullanılan tüm malzeme modelleri hakkında genel bilgiler verilmiştir. Hesaplamalarda kullanılan Mohr-Coulomb ve Hardening Soil zemin modelleri daha ayrıntılı olarak bu bölümde ele alınmıştır.
Bölüm 4, yüksek katlı bir yapı için gerçekleştirilen zemin etüt çalışmaları ve kazık yükleme testleri kullanılarak farklı çap ve boydaki kazıklar için nihai taşıma gücü değerlerinin yukarıdaki yöntemlerle hesaplandığı bölümdür. 1500 mm çapında 26 m -30 m - 36 m boyunda , 1200 mm çapında, 26 m - 32 m boyunda olmak üzere toplamda beş kazık için hesaplamalar ayrı ayrı yapılmıştır. Yukarıda verilen sıralamalara göre kazıklar K1, K2, K3, K4 ve K5 olarak numaralandırılmıştır. Aynı bölümde K4 ve K5 kazıkları üzerinde yapılan statik kazık yükleme testleri ve K1, K2 ve K3 kazıkları üzerinde yapılan dinamik yükleme test sonuçları değerlendirilmiştir.
Bölüm 5 yapılan hesaplamalar sonucunda elde edilen bulguların değerlendirildiği bölümdür. Yapılan çalışma sonucunda nihai taşıma gücü hesap yöntemlerinin birbirine kabul edilebilir yakınlıkta değerler verdiği görülmüştür. En yüksek çevre sürtünme direnci kireç taşı tabakasında hesaplanmıştır. 
Arazide yapılan SPT ve Menard Presiyometre testlerinden elde edilen taşıma gücü değerleri özellikle K4 ve K5 nolu kazıklarda statik formüller ile elde edilen değerlere (%89-%93) oldukça yakındır. K1, K2 ve K3 nolu kazıklarda ise ortalama %80 yakınlıkta taşıma gücü değerleri vermiştir.
Sahada yapılan iki adet statik yükleme testi için dört farklı taşıma gücü tahmin yöntemine göre hesaplamalar yapılmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda taşıma gücü değeri ortalama olarak K4 kazığı için 1237 ton ve K5 kazığı için 1593 ton olarak elde edilmiştir. Yükleme hızı dikkate alındığında bu değerler toplam gerilme yöntemi ile hesaplanan değerler ile, K1 kazığı için %84, K5 kazığı için %98 yakınlıktadır. K4 ve K5 kazıkları için en yakın nihai taşıma gücü tahmini Chin (1970) yönteminde elde edilmiştir. Ancak diğer üç yöntemde kabul edilebilir sınırlar içerisinde kalmıştır.
PLAXIS 2D Yazılımı ile statik yükleme testlerinin simüle edilmesi ile hesaplanan oturma değerleri K4 kazığı için test sonucu ile oldukça uyumludur. K5 kazığı için ise %45 yakınlıkta oturma değeri elde edilmiştir. Statik yükleme testinde oturmanın daha düşük çıkması foraj sırasında kuyu çeperlerinde meydana gelen lokal göçmeler sebebiyle artan kazık çapı ve buna bağlı birim çevre sürtünmesi olabileceği tahmin edilmektedir. 
PLAXS 2D analizleri sonucunda elde edilen yük – deplasman değerleri üzerinde Davisson (1972) yöntemi uygulanarak elde edilen nihai taşıma gücü değerleri, statik formüller ile hesaplanan efektif değerlere göre K1, K2 ve K3 kazıkları için ortalama olarak %83 yakınlıkta elde edilmiştir. Aynı değeler K4 ve K5 kazıkları için ise statik yükleme ile elde edilen ortalama değerlere %86 yakınlıktadır.
Dinamik yükleme testi yapılan K1, K2 ve K3 nolu kazıklar aynı zamanda proje kazıkları olduğu için bu kazıklar göçme yüküne kadar yüklenmemiştir. Servis yüklerinin 1.5 katına kadar yüklenen kazıklarda oturma değerleri, PLAXIS 2D ile aynı yüklerde elde edilen deplasmanlardan oldukça azdır.
Büyük ölçekli projelerde hesaplanan nihai taşıma gücü ve oturma değerlerinin arazide yapılacak kazık yükleme testleri ile doğrulanması tasarımın optimum yapılması açısından oldukça önemlidir. Dinamik yükleme testi zaman ve maliyet açısından daha avantajlı olmasına rağmen eşdeğer statik oturma hesaplamaları açısından belirsizlikler içermektedir. Dinamik yükleme testleri, daha kesin yük – deplasman eğrilerinin elde edildiği statik yükleme testleri ile birlikte, yapılacak statik yükleme testlerinin sayısının azaltılması için kullanılabilir.

Abstract:
All engineered structures transfer dead and live loads down to the ground via foundation systems. The limit states for the design of foundation systems are generally related to soil bearing capacity and relative settlement estimates. For foundation systems, the simplest and most economical solution is shallow foundations. However, for cases where the limiting criteria mentioned above are not met, soil improvement methods or deep foundation applications should be incorporated.
There are many options available for soil improvement, but that is not the subject of this study. In deep foundation applications, the first thing that comes to mind and has found wide application in the construction industry is pile foundations. Piles, especially wooden piles, have been used in building foundations in poor soil conditions since ancient times. Today, with the advancement of machine equipment technology, piles are commonly applied as foundation systems with different construction and material types.
Therefore, the design of pile foundations holds an important role in geotechnical engineering. In the design stage, the ultimate bearing capacity value for a single pile is calculated as a first step, and then the combined bearing capacity of pile groups is evaluated for the foundation system. Thus, it is necessary to accurately calculate the ultimate bearing capacity of a single pile, as close to the realistic value in the field. Different methods for estimating the ultimate bearing capacity have been examined in this document, and these methods have been applied to a case study for comparison purposes. This thesis study consists of five main sections. Brief summary regarding these sections are noted below.
Section 1 is the introduction, and the purpose of the study is briefly explained. A summary is provided regarding the main sections included in this study.
Sections 2 and 3 present literature reviews conducted in accordance with the thesis's purpose.
In Section 2, general information about piles that are a part of foundation systems is provided. Piles are classified according to the type of material used, construction method, and methods of transferring loads down to the ground. Information is provided about the advantages and disadvantages of pile types. Additionally, the criteria for the selection of pile type are conveyed in this section. 
Calculation methods for the ultimate bearing capacity of piles are provided in Section 3. Attention is paid to the bearing capacity methods given in the literature and applied in the field. Static bearing capacity formulas, correlation coefficients with field tests, static loading tests, dynamic loading tests, and finite element methods are explained in detail. Correlations obtained based on field tests such as Standard Penetration Test, Cone Penetration Test, and Menard Pressuremeter tests are covered.
 Various methods proposed by different researchers to estimate the ultimate bearing capacity from the load-displacement graph obtained during static loading tests are thoroughly explained. Information related to wave mechanics, which is the basis of the test method and calculation method of dynamic loading test, is provided. 
Finally, the finite element method is introduced in general terms. General information about the PLAXIS 2D software used in the thesis and all material models used in the software is provided. Mohr-Coulomb and Hardening Soil models used in calculations are discussed in more detail in this section.
Section 4 is dedicated to soil investigation studies, and pile loading tests for a high-rise building are carried out. The ultimate bearing capacity values for piles of different diameters and lengths are calculated using the methods mentioned above. Calculations were separately made for five piles with diameters of 1500 mm and lengths of 26 m, 30 m, and 36 m, and with a diameter of 1200 mm and lengths of 26 m and 32 m. Piles are numbered as K1, K2, K3, K4, and K5 according to the order given above. In the same section, static pile loading tests conducted on K4 and K5 piles and dynamic loading test results conducted on K1, K2, and K3 piles are evaluated.
Section 5 presents the evaluation of findings obtained from the calculations. It is seen that the ultimate bearing capacity calculation methods provide comparable results. The highest lateral friction resistance was calculated in the limestone layer. The bearing capacity values obtained from SPT and Menard Pressuremeter tests conducted in the field are quite close (89%-93%) to the values obtained from static formulas, especially for piles numbered K4 and K5. For piles K1, K2, and K3, the bearing capacity values were on average 80% of the field results.
Calculations were made according to four different bearing capacity estimation methods for two static loading tests conducted in the field. As a result of these calculations, the bearing capacity value was obtained as an average of 1237 tons for pile K4 and 1593 tons for pile K5. Considering the loading rate, these values are 84% for pile K1 and 98% for pile K5 close to the values calculated by the total stress method. The closest ultimate bearing capacity estimate for piles K4 and K5 was obtained in the Chin (1970) method. However, the other three methods provide reasonable estimates. 
Settlement values estimated by simulating static loading tests with PLAXIS 2D software are quite compatible with the test results for pile K4. For pile K5, the estimated settlement is 45% of the test results. This lower settlement in static loading tests is might be related to increase in pile diameter and unit lateral friction resulting from local collapses in the well walls during drilling. 
Based on the values obtained from PLAXIS 2D analyses, ultimate bearing capacity values obtained by applying the Davisson (1972) method on load-displacement values are on average 83% close to the effective values calculated by static formulas for piles K1, K2, and K3. For piles K4 and K5, the same values are 86% close to the average values obtained by static loading. 
As the piles K1, K2, and K3 are project piles (i.e not sacrifice piles), they were not fully loaded up to maximum settlement values.  For piles loaded up to 1.5 times the service loads, the settlement are measured to be lower than the displacements estimated with PLAXIS 2D.
Verifying the calculated ultimate bearing capacity and settlement values through field pile loading tests is essential for optimizing the design in large-scale projects. While dynamic loading tests offer advantages in terms of time and cost, they introduce uncertainties in equivalent static settlement calculations. Employing dynamic loading tests alongside static loading tests, which offer more precise load-displacement curves, can help minimize the number of static loading tests required.