Farklı zemin türlerine soketlenen iksa yapılarının geoteknik ve maliyet analizleri
Geotechnical and cost analyses of retaining structures socketed into various soil types
Yazar: RECEP ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. AYKUT ŞENOL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM BİLİR MAHÇİÇEK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Derin kazı = Deep excavation ; Duvarlar = Walls ; Fore kazık = Bored pile ; Maliyet analizi = Cost analysis

Özet:
Dünya üzerinde nüfusun geometrik olarak artışına karşın, inşaat faaliyetinin ana unsuru olan inşaat alanlarının ve hammaddelerin sınırlı kalması, inşaat sektöründe bir arz-talep dengesizliği yaratmaktadır. Piyasada yeni dengenin oluşumu henüz korunamadan yeni dengesizlikler oluşakta ve kaynaklar giderek değerlenen bir hal almaktadır. Bunun yanında hammaddelerin hızla tükenmesi ve inşa faaliyetlerinde kullanılabilir alanların giderek kısıtlı hale gelmesi; inşaat sektörünün tüm paydaşlarını yeni arayışlara yöneltmektedir. Derin kazı yöntemleri; sınırlı taban alanlarının verimli kullanılmasını sağayarak yeni alanlar yaratmakta; giderek artan kaynak ve yer sorununa, artan nüfusa ve yapı ihtiyacına cevap verebilecek nitelikte, yeni çözümler getirmektedir. Derin kazıların yaygınlaşması ile birlikte, derin kazıların stabilitesini sağlayan iksa yöntemleri de gelişmektedir. Bu tür kazıların desteklenmesinde pek çok yöntem ve iksa çeşidi kullanılmasına karşın, kazıklı iksa ve diyafram duvarlar, başlıca iksa sistemleri olarak öne çıkmaktadır. Düşey destek elemanları olarak nitelendirilen fore kazıklı ve diyafram duvarlı iksalar, en yaygın olarak kullanılan öngermeli ankrajlar olmak üzere bir çok yatay destek elemanı tarafından desteklebilmektedir. Bu yatay ve düşey destek elemanları; farklı zemin koşullarında ve farklı geometrilerde tasarlanabilmekte, bu durum da birden fazla güvenli tasarım elde edilmesine imkan vermektedir. Güvenli yapılar tasarlamanın yanında, bu yapıların ekonomik olarak tasarlanmasının da mühendislerin mesleki sorumluluğunda olduğu göz önünde bulundurulursa; geoteknik açıdan uygun olan yapıların maliyetlerinin de ayrıca irdelenmesi gerekmektedir. Her ne kadar bir projenin tasarım ve maliyet aşamalarının birlikte yürütülmesi gerekse de, bu durum kimi zaman göz ardı edilmekte ve tasarım ve maliyet aşamaları ayrı kollardan ilerlemektedir. Bu durum ise, sektörde paydaşlar arasında bir kopukluğa neden olmakta ve bunun kaçınılmaz sonucu olarak verimsizlikleri beraberinde getirmektedir. 
Bu çalışmada, sektörün bütün paydaşları için bütünsel bir çerçeve ortaya koyulması, çeşitli zemin tabakalarına soketlenen derin kazı iksa sistemlerinin geoteknik açıdan çeşitli alternatiflerin araştırılması ve bu alternatiflerin maliyetlerinin irdelenmesi sonucunda minimum maliyetli tasarımlara ulaşılması amaçlanmıştır. Bu amacın yanında iksa sistemleri üzerinde; soketlendiği zemin koşulları, yeraltı suyu seviyesi, ankraj sıra sayısı, iksa kalınlığı ve tipi gibi pek çok değişkenin etkisinin incelenmesi de çalışmanın hedefleri arasında yer almıştır. 
Bu doğrultuda; kum zemin tabakası tarafından yanal toprak basıncına maruz kalan ve kum, kil ve kaya olmak üzere üç farklı tabakasına soketlenen fore kazıklı ve diyafram duvarlı iki iksa tipi; yatay ankraj aralıkları farklı olmak üzere 2, 3 ve 4 sıra ankrajlı olarak üç farklı ankraj sırasıyla, 60/65 cm ve 100 cm olarak iki farklı kalınlıkta her bir kombinasyon için ayrı olarak tasarlanmıştır. Ayrıca bu tasarımlar yapılırken; yeraltı su seviyesinin iksa geometrileri ve maliyetleri üzerindeki etkisinin gözlemlenebilmesi amacıyla, -4.00 m ve -15.00 m seviyelerinde bulunan ve sırasıyla sığ ve derin yeraltı su seviyesi koşullarını temsil eden iki ayrı durum da göz önünde bulundurulmuştur. Böylece toplamda 56 iksa projesi tasarlanmıştır. Projeler; geoteknik açıdan irdelendikten sonra, maliyetleri ayrıca hesaplanmıştır. Bu hesaplama yapılırken; piyasa koşullarında oluşan fiyatlar ile bakanlık ve resmi kurumlar tarafından yayınlanan birim fiyatlar kullanılarak iki ayrı maliyet çıkarılmış ve karşılaştırması yapılmıştır. Bu projelerin; aynı zemin durumunda farklı geometrilerde meydana gelen değişikliklerin analizinin yapılmasının ardından, zemin durumları arasında ve YASS farklılaşması sonucunda ortaya çıkan durum için de bir kıyas sunulmuştur. 
Çalışmadan elde edilen ilk bulgulardan biri; ortaya koyulan tezi destekler biçimde, piyasa fiyatlarının resmi kurum ve bakanlık fiyatlarından daha düşük olduğudur. Derin yeraltı su seviyesi koşullarında piyasa maliyetleri ile bakanlık/kurum fiyatları arasındaki oran 0.84±0.01 olurken, bu oran sığ YASS koşullarında 0.80±0.02 mertebesinde oluşmuştur. Ulaşılan ikinci bulgu ise; YASS'nin iksa sistemi üzerine etkimediği derin (15.00 m) YASS'nin, 4.00 m'de olması ve dolayısıyla iksa sistemi üzerine etkimesi durumunda maliyetler; kil zemin tabakasına soketlendiği durumda 1.80-2.10 katına çıkmakta, kum zemin tabakasına soketlendiği takdirde benzer şekilde 1.70-2.10 katına, kaya zemine soketlendiğinde ise 1.50 katına ulaşmaktadır. Çalışma sonucunda ulaşılan bir diğer sonuç ise; bu çalışma kapsamında, diyafram duvarlı iksaların kazıklı iksa sistemlerinden daha maliyetli olduğudur. Diyafram duvarlar değişen zemin durumlarına göre YASS'nin derinde olduğu durumda, ϕ65 cm çapında fore kazıklardan %54-%71, ϕ100 cm çapında fore kazıklardan ise %83-%99 daha maliyetlidir. YASS sığ (4.00 m) durumda olduğunda ise, maliyet farkları azalmakta, ϕ65 cm kalınlığı için fore kazıklı iksa sistemleri ile diyafram duvarlı sistemler arasındaki maliyet farkı %16-%30 mertebelerine düşmektedir. Aynı YASS'de, iksa kalınlığının 100 cm olması durumunda, aynı kalınlıkta iksalar kıyaslandığında, diyafram duvarların, zemin durumuna göre %42-%56 daha maliyetli olduğu görülmüştür. YASS'nin sığ durumda olması halinde, 65 cm kalınlığında diyafram duvarlar, fore kazıklı iksa sistemlerine en yakın alternatif olmaktadır. Fakat teçhizat durumu ve yerel mühendislik hizmetleri göz ardı edildiğinde, bazı durumlarda değişken olmakla birlikte, çoğunlukla ϕ65 cm çapında fore kazıklar, her iki YASS için de minimum maliyetli tasarım olarak öne çıkmıştır. Son olarak zemin türleri kıyaslandığında, en az maliyetin ve deplasmanların kaya tabakaya soketlenen iksa sistemlerinde olduğu, kil ve kum zemin arasında ise kayda değer bir farklılığın olmadığı sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
The world population is increasing rapidly, however, the lands and the resources are very limited. It creates an imbalance between the supply and the demand, and the situation is becoming more and more inevitable. In addition, the natural resources are consumed extremely quickly and the construction areas are used unplanned. Such a lack of the resource and the land leads all the partners of the construction industry to find new methods. 
The deep excavation method creates new construction areas by enabling the efficient use of the limited land and offer new solutions to the increasing resource and the area problems. With the widespread use of the deep excavation, shoring methods that ensure the stability of deep excavation are also developing. The deep excavations involve all the processes, including the excavations, the construction of retaining structures and foundation construction. The environmental and the financial factors such as local soil conditions, the groundwater table, the building areas, available or accessible equipment, the local engineering practices and the project budget that are the most important determination factor considered in the selection of the most appropriate excavation method and retaining structure. Although many construction methods and types of retaining structure are used to support deep excavations, bored pile and diaphragm walls stand out as the main retaining structures. The piles formed without or with a pile casing by a boring or an excavation in the ground and filling with reinforced or plain concrete are called bored pile. The bored pile walls can be constructed as widely-spaced, contiguous and secant pile wall. The diameter of a pile and spacing are determined in terms of the groundwater level, the soil profile, and the lateral earth pressures. The diaphragm walls formed by many individual panels are rigid retaining structures constructed to provide waterproofness and support for the lateral loads. The bored pile and the diaphragm walls that are considered as vertical structure elements can be supported by many horizontal structure elements such as the ground anchors. A prestressed grouted ground anchor is a structural element placed in the rock or the soil to transmit an applied tensile load to the ground. These horizontal and vertical support structure elements can be designed in different ground conditions. It allows more than one safe design to be obtained. On the other hand, it is also among the professional responsibilities of engineers to design these structures economically in addition to designing safe structures. Therefore, the costs of a geotechnically appropriate design should also be examined and the minimum cost designs should be obtained. Although the design and the cost stages of a project should be carried out together, it is often overlooked and the design and the cost stages proceed separately. That situation causes confusion among the departments in the sector and causes inefficiencies. 
In this thesis, it is aimed to present a technical and financial holistic framework to all the partners of the sector, in the hope of contributing to a solution to this confusion. For this purpose, the geotechnical and the cost analyses of retaining structures socketed into various soil types were investigated and the minimum cost designs were obtained. In addition to that, it was also among the objectives of the study to examine the effects of many variables such as soil conditions, groundwater level, number of anchor rows, wall thickness and type on the retaining structure design. 
Within the scope of the thesis, a specific sample area and excavation depth were selected in order to evaluate the geotechnical designs and costs of various shoring structures, shoring systems diversified with different variables were designed and their costs were analyzed. An excavation area with a depth of 13.00 m where construction activity will be carried out on an area of 22.00 m x 22.00 m was determined and shoring structures that ensure the stability of this excavation area were designed. Two types of retaining structure with the bored piles and the diaphragm wall that are exposed to the lateral soil pressure by the sand soil layer and socketed into three different layers were designed. The retaining walls were designed separately in two different thicknesses, 60/65 cm and 100 cm, and the designs were diversified by being designed with three different anchor rows of 2, 3 and 4 with different horizontal anchor spacing. In addition, the different groundwater levels were chosen to observe the effect of the groundwater level on the retaining structure geometries and costs. Therefore, two cases at 4.00 m and 15.00 m levels representing the shallow and the deep groundwater conditions, respectively, are considered. With all combinations, a total of 56 retaining structure projects were designed. After the projects were analysed using PLAXIS 2D program from a geotechnical point of view, the project costs were calculated. At the cost stage, two different costs were calculated and these costs are compared by using the prices formed in the market conditions and the unit prices published by the ministries and official institutions. After analysing the changes in different geometries in the same soil condition of these projects, a comparison is presented for the situation resulting from groundwater level differences. In addition, the situations in different soil layers were compared among themselves. 
One of the first findings to confirm the thesis is that the market prices are lower than the prices of official institutions and ministries. The ratio between market costs and the prices of ministries and institutions was 0.84±0.01 in the deep groundwater conditions, and the ratio was 0.80±0.02 in the shallow groundwater conditions. The second result obtained is that if the groundwater level is at 4.00m instead of 15.00m, which indicates the shallow groundwater level, the costs increase by 1.80-2.10 times when the retaining structure is socketed into the clay soil layer. If the retaining structures are socketed into the sand soil layer, the costs are similarly 1.70-2.10 times, and if the retaining structures are socketed into the rock layer, the costs reach 1.50 times. Another result is that the diaphragm walls are more costly than the bored piled walls within the scope of this research. The diaphragm walls are 54%-71% more expensive than ϕ65 cm diameter bored pile walls and 83%-99% more expensive than ϕ100 cm diameter bored pile walls in various soils where the groundwater level is deep. When the GWT is shallow (4.00m), the cost differences decrease. The cost difference between ϕ65 bored pile shoring systems and diaphragm wall systems for ϕ65 cm thickness falls to the order of 16%-30%. At this GWT, diaphragm walls were found to be 42%-56% more expensive if the thickness of retaining structure was 100 cm. If the GWT is shallow, 65 cm thick diaphragm walls are the best alternative for the bored pile walls compared to other options. However, ϕ65 cm diameter bored pile walls were mostly the minimum cost design for both groundwater levels, ignoring the equipment availability and the local engineering services. On the other hand, diaphragm walls may be considered as an alternative in some cases, given the availability of equipment and local engineering services. Finally, when the three soil types were compared, it was seen that the least cost and displacements occurred when the retaining structures were socketed into the rock layer. It has been concluded that there is no significant difference between clay and sand layers in terms of cost and displacements.