Yüklenmiş zeminlerde gerilme-deformasyon davranışının teorik tanımlanması ve modellenmesi
Stress-strain behaviour of soils under loading-theoretical development and modeling
Yazar: SADIK ÖZTOPRAK
Danışman: PROF.DR. S. FEYZA ÇİNİCİOĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2002
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deformasyon = Deformation ; Dolgu = Filling ; Gerilme = Stress ; Kil = Clay ; Yumuşak zemin = Soft soil

Özet:
ÖZET yüklenmiş zeminlerde gerilme-deformasyon davranışının teorik tanımlaması ve modellenmesi Yumuşak zeminler üzerindeki dolguların inşaatı birbirini takip eden yükleme ve bekleme devrelerinden oluşur. Yükleme devresinde zeminin sahip olduğu kayma mukavemeti aşılmayacak şekilde zemin yüklenir ve her yükleme devresini takip eden konsolidasyon devrelerinde de zemin konsolide olmaya bırakılarak hacimsel sıkılaşması dolayısıyla da mukavemetinin artması sağlanır. Dolgu altı temel zemininde meydana gelen göçme çoğunlukla dairesel veya benzer bir yüzey boyunca olduğundan dolgu inşaatlarında en çok kullanılan hesaplama yöntemi limit denge stabilite analizleridir. Limit denge stabilite analizlerinde, dolgunun ilk yükleme kademesinde başlangıç drenajsız kayma mukavemeti ve bekleme kademelerinin ardından yapılan yükleme kademelerinde ise ulaşılan drenajsız kayma mukavemeti kullanılarak hesaplar gerçekleştirilmektedir. Drenajsız kayma mukavemeti (c"), analizlerde güvenilir geoteknik ilkelere dayandırılsa bile tek bir deney tipinin sonuçlarından yararlanarak arazideki davranışı doğru tanımlayabilmek mümkün değildir. Buna ilaveten, limit denge stabilite analizleri deformasyonları hiç hesaba katmamaktadır. Deformasyonların hesaba katılmadığı bir analizin ise ne kadar gerçekçi olduğu tartışmalıdır. Bu yüzden de ya ekonomik olmayan tasarım (yüksek güvenlikli tasarım), ya da güvensiz tasarım gerçekleştirilmektedir. Günümüz uygulamasında mevcut tasarım yöntemleri kademeli yükleme uygulamasının her kademesindeki yükleme miktarını doğru tanımlamak için veya konsolidasyon sürelerini belirlemek için yetersizdir. Ayrıca ekonomik, politik ve/veya idari kaygılar tasarım aşamasında veya inşaat sırasında öngörülenden çok farklı bir programın uygulanmasını gerektirebilmekte veya buna sebep olabilmektedir. Bu durumda uygulamacıya yeni programa göre düzeltilebilir ve uyarlanabilir esnek bir tasarım yöntemi gereklidir. Değişimi sürekli takip eden ve tasarımı buna göre uyarlayan bir yöntem veya bir sistem günümüzde henüz mevcut değildir. İşte bu amaçla dolgu inşatı sırasında dolgu altı temel zemininin davranışı gerilme izleri ile sürekli takip ederek tanımlayan ve teorik modelleme getiren yeni bir gerilme izi yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen yöntem, arazi deformasyon datasını yorumlayıp kullanarak, dolgu inşaatı ile eş zamanlı olarak uygulamakta böylelikle gerilme izlerinin göçme durumuna göre hangi konumda olduğuna bakılarak yükleme kademelerinin miktarı (veya hızı) ve bekleme süreleri optimize edilebilmektedir. Geliştirilen yeni gerilme izi yöntemi tamamen arazideki gerilme ve deformasyon davranışına dayanmaktadır. Bu yüzden, yöntem dolgu altı temel zeminin davranışım gerçekçi olarak modellemektedir. Dolgu inşaatından önce oluşturulan aletsel gözlemleme sistemi ile dolgu altı temel zemininin sonlu elemanlara bölünmesi, zeminin her bölgesinde yatay ve düşey deplasmanlar ile boşluk suyu basıncı değerlerinin dolayısıyla deformasyonların ve gerilmelerin elde edilmesini sağlamaktadır. Dolgu altı temel zeminin istenilen noktasında hem XXXIVdeformasyonlar hem de gerilmelerin bağlantılı olduğu davranışlar tanımlanmakta, böylece ulaşılan deformasyon ve gerilme durumunun birlikte değerlendirilmesiyle zeminin göçme durumuna göre bulunduğu nokta elde edilmektedir. Yeni yöntem, kayma gerilmesi {q), normal gerilme (p) ve özgül hacim (v) uzayının çok iyi tanımlandığı Kritik Durum Zemin Mekaniği teorisini kullanmakta ve yöntemle elde edilen gerilme izleri q-p' gerilme düzlemlerinde ve v-p' sıkışma düzlemlerinde gösterilmektedir. Bu Doktora tezinde geliştirilen yöntem, birçok teori ve çözüm aracım biraraya getirerek dolgu yükü altındaki yumuşak zeminlerin davranışını belirlemek ve analizini yapmak için pratikte uygulanabilecek şekilde teorik bir modelleme ortaya koymaktadır. Doktora çalışmasında aletsel gözlemleme kullanılarak inşa edilen ve literatürde iyi raporlanmış iki dolgu üzerinde yöntemin uygulaması yapılmıştır. Bunlardan birincisi Fransa'da viskoplastik davranış gösteren çok yumuşak ve yumuşak killer üzerine çok kısa sürede kademeli olarak (6 günde 2.3 m.) inşa edilen Cubzac-les-Ponts dolgusu, diğeri ise İngiltere'de çok yumuşak turba ve yumuşak killer üzerine drenler kullanılarak çok uzun sürede kademeli olarak (274 günde 8.0 m.) inşa edilen Stanstead Abbotts dolgusudur. Bu iki farklı dolguda yeni yöntem çok iyi sonuç vermiştir. Anlamlı zemin davranışları elde edildiği gibi, gerilme izlerinin zemin davranışını çok iyi yansıttığı görülmüştür. Dolgu inşaatı sırasında kullanılmak üzere geliştirilen yöntem, dolgu inşaatlarının güvenilir ve ekonomik bir şekilde yapılmasının yanısıra esnek bir tasarım da sağlayacaktır. XXXV

Abstract:
SUMMARY STRESS-STRAIN BEHAVIOUR OF SOILS UNDER LOADING - THEORITTCAL DEVELOPMENT AND MODELLING The method of construction of embankments on soft soils is generally based on stage loading technique. During loading stages, the foundation soil is loaded according to its shear strength and during consolidation stage shear strength available in the soils, increases due to volumetric compression experienced by them. There is conclusive field evidence to show that embankments on soft soils fail along almost circular surfaces through the soil. For this reason limit equilibrium stability analyses are prefered for the analysis of embankments. Stability analyses depend on undrained shear strength parameter and take into account the variations in this unique parameter during consolidation periods. Nevertheless, these analyses don't consider the deformations, so that they are thought to be unrealistic. Over the last years there has been a considerable increase in the use of geotechnical instrumentation in conjunction with the application of major infrastructure projects. Embankment construction and tunneling are two main examples of construction works which necessitate geotechnical instrumentation. Embankment construction on soft clays is considered in this paper to develop the proposed method of interpretation of Field Instrumentation Data. This study presents a new stress path method which follows and interprets the stress- deformation behaviour of foundation soils continously during embankment construction. The domain of the representing soil behaviour is chosen as the three dimensional stress space of Critical State Theory. Using the deformation data and pore pressure measurements procured from soil instrumentation, the method controls the soil behaviour at every specific point by creating a mesh of finite elements in the considered soil body. So that, this real-time method supplies a realistic approach for the analysis of foundation soil behaviour. The proposed method is a method which enables the designer to follow the soil behaviour during construction and to change the design whenever and wherever necessary, but it is not a method of prediction. The method is applied for two different embankmekts. One of these embankments is Cubzac-Les-Ponts which is constructed by stage loading on very soft viscoplastic clays rapidly (2.3 m. in 6 days) and the other one is Stanstead Abbotts embankment which is also constructed by stage loading on very soft peat and soft clays in long time (8.0 m in 274 days). The proposed method gives representative results. It is seen that obtained stress paths define the behaviour of foundation soils. Along with the interpretation of the obtained stress paths which is based on the fundamental soil behaviour and takes into account the changes in the behaviour, the method ensures a safe and economical design which is itself a flexible design process. xxxvi