Kazıklı radye temellerin statik düşey yükler etkisi altında modellenmesi
Modelling of piled raft foundations under static vertical loads
Yazar: MESUT GÖR
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN SUHA AKSOY
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Cam elyaf kompozitler = Glass fiber composites ; Direkt kesme = Direct shear ; Kazık taşıma gücü = Pile bearing capacity ; Kazıklı temeller = Piled foundations ; Kohezyonsuz zemin = Cohesionless soil ; Kumlu zeminler = Sand soil ; Zemin gerilmesi = Soil stress ; Çakma kazık = Driven pile ; İç gerilmeler = Internal stresses ; İç sürtünme açısı = Internal friction angle

Özet:
Bu çalışmada, laboratuvar ortamında yapılan model deneyleri yardımıyla cam elyaf takviyeli plastik (fiber reinforced plastic, FRP) ve çelikten üretilmiş kazıklı radye temellerin taşıma gücü, oturmaları ve zemin kütlesi içerisinde farklı derinliklerde meydana gelen gerilme değişimleri elde edilmiştir. Elde edilen bu sonuçlar ile teorik ve PLAXIS sonlu elemanlar programı yardımıyla modelleme yapılarak bulunan sonuçlar karşılaştırılmıştır.
     Kazıklı temeller Romalılardan beri kullanılan bir temel sistemidir. Ahşap kazıkların kullanıldığı bu temeller yüzlerce yıl geçmesine rağmen hala hizmet etmektedirler. Ahşap temellerin tercih edilmesinin en önemli sebebi ahşabın su altında neredeyse sonsuz ömürlü olmasıdır. Ahşap kazıkların kullanımı son yıllarda çevresel ve ekonomik nedenlerle azalmıştır. Günümüzde çakma kazıklar genellikle çelik kullanılarak imal edilmektedir. Ancak çelik pahalı bir malzeme olup yer altı suyunun zararlı madde içermesi halinde ve deniz içerisinde çabuk tahrip olmaktadır. Bu tahribat, oksijenin varlığına bağlıdır. Bu nedenle bu tür kazıkların ömürleri kumlu zeminlerde genellikle kısa olmaktadır.
     Doğal kaynakların sonsuz olmadığı ve dikkatlice kullanılmadığı takdirde bir gün bu doğal kaynakların tükeneceği bilinmektedir. Katı atıkların depolanması ise her geçen gün çevresel ve ekonomik sorunlar doğurmaktadır.  Bu nedenle, kaynak israfını önlemek ve ortaya çıkabilecek enerji krizleri ile baş edebilmek için atıkların geri dönüştürülmesi, tekrar kullanılması çevre ve ekonomi için çok önemlidir. Tüm bu hususlar göz önüne alındığında plastik malzemesinin, atık, geri dönüşümlü, ekonomik ve deniz suyu gibi olumsuz koşullar altında bile çok uzun ömürlü olması nedeniyle kazık imalatında gittikçe artan miktarlarda kullanılması kaçınılmazdır. Plastikler, kimyasal yapıları nedeni ile esnek (kırılmaz) yapıya sahiptir. Ancak plastiklerin mekanik dayanımları düşüktür. Bu nedenle plastikler, mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla son yıllarda cam elyaf ve benzeri malzemeler ile takviye edilmektedir. Cam takviyeli plastik (FRP), takviye malzemesi (cam elyafı) ve taşıyıcı matriks'in (reçine) birlikte kalıplanması ile elde edilmektedir. Bu işlem, çok farklı metotlarla yapılabilse de, prensip, cam elyafının, taşıyıcı reçine ile uygun bir şekilde ıslatılmasıdır. Polyester reçineler, kimyasal bir reaksiyon ile polimerize edilerek, sert, çözülmeyen, ergimeyen bir madde haline dönüştürülmekte ve kalıplandığı şekli almaktadır.
     Son yıllarda tüm dünyada plastik malzemesinin giderek artan bir hızda zemin problemlerinin çözümünde kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Örneğin; geogrid, palplanş perde, ankraj ve kazık malzemesi olarak plastikler kullanılmaktadır. Plastik çeliğe göre oldukça ucuz bir malzemedir. Donatılı plastik olarak isimlendirilen FRP benzeri ürünlerden elde edilen profiller, yeterli dayanıma sahip oldukları için uç kazığı olarak kullanılabilirler. Bunun yanında çeliğe göre daha yüksek bir sürtünme katsayısına sahip oldukları için sürtünme kazığı olarak da kullanılabilmektedirler. 
     Çelik kazık olarak genellikle boru kesitler kullanılmaktadır. Çelik ile zeminin arasındaki sürtünme genellikle çok düşüktür. Bu nedenle çelik kazıklar çoğu zaman bitüm gibi maddeler ile kaplanarak kullanılır. Plastik kazığın çakılması sırasında yüzeyinin pürüzleneceği bilinmektedir. Ayrıca FRP'nin işleme maliyetinin düşük olması ve kolay şekil verilebilmesi gibi sebeplerle istenilen yüzey dokusunda imal edilebileceği için zemin ile sürtünmesi çeliğe kıyasla yüksek olacaktır. 
     Üst zemin tabakasının taşıma gücünün yetersiz olması durumunda genellikle yükler, kazıklı temeller vasıtasıyla alttaki sağlam zemin tabakalarına aktarılarak taşınmaktadır. Yapılan bu çalışmada, gevşek bir üst zemin tabakası ve sıkı bir alt zemin tabakası bir kum tankının içinde modellenmiştir. Gevşek zemin tabakası içerisine yerleştirilmiş çakma kazıkların alttaki sıkı zemin tabakasına soketlenmesi sağlanmıştır. Kazıklı radyenin taşıma gücünün ve oturmalarının üstteki gevşek tabakanın sıkılığının değişiminden nasıl etkileneceği belirlenmiştir. Kazık sayısındaki değişimin ve kazıklar arasındaki mesafenin etkisi de göz önüne alınmıştır. Zemin içerisinde farklı noktalara yerleştirilen mini basınç ölçerler (transduser) yardımıyla gerilme değişimleri belirlenmiştir. Kazık malzemesinin çelik ve FRP olması durumları için deneyler tekrarlanmıştır.
     Deneysel çalışmalar sonucunda, kazık sayısı arttıkça (9'dan 25'e) ve buna bağı olarak kazıklar arası mesafe azaldıkça (6D'den 3D'ye) çelik ve FRP kazıklar için grup kazık taşıma gücünde sırası ile %133 ve %148 artış meydana gelmiştir. Zeminin relatif sıkılığı (Dr=%10'dan Dr=%65'e) arttıkça grup taşıma gücünde çelik ve FRP kazıklar için sırası ile %56 ve %68 artış olmuştur. FRP'den imal edilmiş kazık gruplarının çelikten imal edilmiş kazık gruplarına oranla taşıma gücünün %10-30 daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Kazıklar arası mesafe azaldıkça ve zeminin relatif sıkılığı arttıkça oturmalarda azalmaların olduğu görülmüştür. Ayrıca zemin kütlesi içerisindeki farklı noktalardan ölçülen gerilmeler incelendiğinde kazık ucundan ve temel merkezinden uzaklaştıkça gerilmelerin azaldığı gözlemlenmiştir.
     Deney bulguları sonlu elemanlar programı yardımıyla yeniden çözümlenerek elde edilen nümerik sonuçlar ile deneysel ve teorik denklemlerden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In this study, bearing capacity, settlements and stress distributions in different depths   of soil mass obtained for steel and fiber reinforced plastic (FRP) piled raft foundations with model experiments in laboratory. After laboratory modeling experiments numerical modeling was carried out by using PLAXIS finite element analysis program. These obtained laboratory experimet results were compared with numerical and theoretical results.
     Pile foundations have been used since Roman times. Roman buildings featuring timber foundations are still in use today. Timbers have enormous lives especially in water, but ecologic and economic factors have restricted the use of timber piles. Nowadays steel piles are generally used as driven piles. However, steel is an expensive material and it is sensitive to underground and seawater conditions, mainly in sandy soils where they are easily vulnerable to corrosion depending on oxygen saturation of water.
     It is a fact that natural resources will come to end unless used consciously. Solid waste storage is a major problem today, and recycling has become one of the most vital measures to safeguard environmental and economical safety. One of the prominent recyclable materials is plastic; it is as well cheap and durable especially at harsh environmental conditions such as when exposed to seawater. Although ductile, plastics have the disadvantage of having their strength generally low. Thus, plastics in recent years have started to get reinforced with other materials such as glass fibers, allowing FRP to have a higher strength than ordinary plastics.
     Recently, plastics, which are cheaper than steel, have been used to deal with soil problems. Geogrids, sheet piles, anchorages and piles are examples of the usage of plastics in such issues. Additionally, FRP piles can be used as end bearing piles due to their high strength. Since they have a higher friction coefficient than steel, they can also be used as friction piles.
     Steel pipes are generally used as steel piles. However, the friction coefficient between soil and steel is very low, which encouraged the development and implementation of steel piles coated with bituminous materials. Since it is easy to produce FRP profiles with different surface textures, FRP pile surface friction can be enhanced.
     When top soil layer has insufficient bearing capacity, pile foundations used for transmit loads to the stiff soil layers. In this study, loose top layer and stiff bottom layer are modeling in a sand box. Driven piles were inserted along loose layer and socketed into the stiff layer. Influence of relative density of loose layer on the bearing capacity and settlements of piled raft foundations were determined. Also, effect of number of piles and space between piles were investigated. Behavior of FRP and steel piles will be compared. Stress distributions were obtained with transducers in different depths of soil mass. The experiments were repeated for steel and FRP piled raft foundations.     
     The results of experimental studies have shown that as the number of piles increased (from 9 to 25) and the space between the piles decreased (from 6D to 3D), the group pile bearing capacity for steel and FRP piles increased by 133% and 148%, respectively. As the relative stiffness of the soil increased (from Dr=10% to Dr=65%), the group bearing capacity for steel and FRP piles increased by 56% and 68%, respectively. The bearing capacity of the pile groups made of FRP were determined to be 10-30% higher than that of the pile groups made of steel. Decreases were seen in settlements as the space between the piles decreased and the relative stiffness of the soil increased. In addition, given the stresses measured from different points in the soil mass, it was seen that the stresses decreased when it is moved away from the pile tip and the foundation center.
     Laboratory experiment results were analyzed by using finite element program and numerical, theorical and laboratory results were compared.