Mekanik olarak stabilize edilmiş zemin duvarlarının statik yükler altındaki davranışlarının incelenmesi
Analysis of mechanically stabilized earth (MSE) walls under static loadings
Yazar: EZGİ ERGÜL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. BERRAK TEYMÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Geosentetikler; tarihi çok eskiye dayanmayan, günümüzde geoteknik problemlere çözüm amaçlı olarak kullanılan, sahada uygulaması hızlı ve kolay, benzerlerine göre çok daha ucuz düzlemsel ürünlerdir. Çekme dayanımına sahip olmayan doğal zeminlere çekme mukavemeti kazandırmasının yanı sıra son zamanlarda yapıları taşıma amaçlı da kullanılmaya başlanmıştır. Bu kullanım alanları doğrultusunda geosentetikler; filtrasyon, drenaj, ayırma, güçlendirme, koruma ve yalıtım olmak üzere birçok farklı formda çeşitli projelerde kullanılmaktadır.Günümüzde 600'ün üzerinde çeşitli fonksiyonlara ve kullanım alanlarına sahip olan geosentetikler en temel şekilde malzemenin geçirimli ya da geçirimsiz oluşuna göre sınıflandırılmaktadır. Geçirimli geosentetikleri geotekstiller ve geotekstil benzeri ürünler, geçirsiz geosentetikleri ise geomembranlar ve geomembran benzeri ürünler temsil etmektedir. Bununla beraber fiziksel özellikleri sebebiyle en çok tercih edilen geosentetikler; geotekstil, geogrid, geonet, geomembran ve geokompozitler olarak sınıflandırabiliriz.Geogridler, çekme bölgelerindeki gerilmeyi taşımak için çeşitli polimerlerden imal edilmiş, yüksek dayanıma sahip, zemin tabakalarını bir bütün olarak çalıştıran geosentetik donatılardır. Hammaddeleri açısından polietilen, polipropilen ve polyester olmak üzere üç gruba ayrılan geogridler kullanım amaçlarına göre ise tek yönlü ve çift yönlü olmak üzere iki grupta toplanabilirler. İçlerinde en çok tercih edilenleri; tek yönlü polipropilen (PP), çift yönlü polipropilen (PP), yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE), polyester (PET) ve dört yönlü (quaxial) geogridlerdir. Çift yönlü PP geogrid sırasıyla ısıtma, delme, boyuna ve enine germe ve çekme işlemleri sonucunda oluşturulmaktadır. Her iki yönde de çekme mukavemetine sahip olması nedeniyle taşıma kapasitesini arttırma, çatlama ve göçmeyi önleme gibi durumlarda kullanılmaktadır. Tek HDPE üretimi polipropilen üretimiyle aynıdır. Yüksek çekme mukavemeti ve düşük sürtünme deformasyonuna sahip fakat tek yönde çekmeye çalışmaktadır. Dik şevlerde ve dayanma yapılarında sıklıkla kullanılmaktadır.Geosentetik donatıların uygulama alanlardan biri de mekanik olarak stabilize edilmiş zemin (MSE) duvarlarıdır. 1970'lerden bu yana özellikle Avrupa ve Amerika'da sıklıkla uygulanmakta olan MSE duvarları kabaca iyileştirilmiş zeminlerle oluşturulan yapılar olarak tanımlanmaktadır. Bu tez çalışmasında üzerine köprü ayağı oturtulan MSE duvarının, statik yükler altındaki davranışları plaxis sonlu elemanlar programı ile analiz edilmiştir. MSE yapısını oluştururken çift yönlü PP ve tek yönlü HDPE olmak üzere iki farklı geogrid donatısı kullanılmıştır. Duvar yüksekliği (H) 3-6 m, iki grid arasındaki mesafenin (A) ise 10-50 cm arasında değişken kabul edilmiştir. Grid aralığının 20 cm'in üzerine çıktığı durumlar için yüzey elemanları ile geogrid donatı etkileşimini sürdürebilmek adına 2 m uzunluğunda ara gridler kullanılmıştır. Ayrıca MSE yapısı üzerine oturtulan 2.5 m genişliğindeki köprü ayağından gelen yük 200 kN ve 80 kN/m olmak üzere iki farklı tipte sisteme etkitilmiştir. Geogrid donatısı, duvar yüksekliği, grid mesafesi ve yük tipi gibi değişkenlerin kendi içlerinde oluşturulan farklı kombinasyonları ile ortaya çıkan MSE yapılarının her biri Plaxis programı ile çözdürülmüş ve sistemde belirlemiş noktalarda deplasman ve gerilme değerleri okunmuştur. Her sistem için ayrı çizelgeler oluşturulmuş ve seçilen noktadaki yatay ve düşey yöndeki birim şekil değiştirme ve gerilme değerlerinin duvar yüksekliği (H) ve grid mesafesine (A) bağlı olarak çizilmiştir.Çizilen grafiklere göre sabit bir grid aralığında duvar yüksekliği arttıkça yatay ve düşey yöndeki deplasmanların arttığı gözlenmiştir. Ayrıca MSE duvarı için tek yönlü geogrid donatısının yetersiz olduğu, çift yönlü geogrid donatısına göre sistemde daha fazla deformasyon oluşmasına neden olduğu için bu tarz yapılarda kullanılmasının uygun olmadığı gözlenmiştir.Bu tez çalışmasında, köprü ayaklarından gelen yük tekil ve yayılı olmak üzere iki farklı tipte etkitilmiş ve aynı düzlemdeki gerilmelerin aynı oranda iletildiği görülmüştür. Ayrıca çizilen grafiklere bakıldığında 10 cm olarak belirlenmiş grid aralığında her ne kadar düşük deformasyonlar gözlenmiş olsa da sahada uygulama zorluğu ve bazı grafiklerdeki tutarsız değerleri dolayısıyla MSE duvarı için yetersiz kalacağı düşünülmüştür.Duvar yüksekliğinin sabit, grid aralığının değişken olduğu grafikler incelendiğinde, deplasman değerlerinde bir dalgalanma olduğu görülmektedir. 30 ve 50 cm grid aralığına sahip duvarların diğerlerine oranla daha düşük deformasyonlara sahip olduğu farkedilmiştir. Bu da 20 cm'in üzerindeki grid aralıklarına sahip duvarlarda geogrid ve duvar yüzey elemanı arasındaki etkileşimi sağlamak adına 2 m uzunluğunda iki ana grid arasına serilen ara gridlerin, x ve y yönünde oluşan deformasyonları önemli ölçüde azalttığını göstermektedir. Ana geogrid ve ara geogridler arasında 10 cm boşluk kalacak şekilde yerleştirildiklerinde duvarda oluşacak deplasmanların minimum seviyeye ineceği kanıtlanmıştır. Bu durum aynı zamanda 40 cm geogrid aralığı kullanılan duvarlarda ana grid ile ara grid arasında 20 cm boşluk bırakılması ile yüksek deformasyon oluşumlarının sebebini açıklamış olmaktadır.

Abstract:
Thee synthetic and planary elements, produced in factories by processing polymeric materials, and used with materials like soil or rocks are called geosynthetics. Geosynthetics are planary products which do not have a long history, used as a solution to geotechnical problems for their easy and rapid applications in the field and cost-effective nature. In addition to providing tensile strength to soil, lately they have been used as supports underneath. In parallel to these usage areas, geosynthetics are utilized in various projects for filtration, drainage, separation, reinforcement, protection and isolation purposes.Geosynthetics are used with surface elements and backfill materials in reinforced earth. Reinforced earth is applicable in various constructions; such as retaining walls, highway constructions, water structures, solid waste landfills, bridge abutments, sea walls and silos.Having more than 600 different usage areas and functions, geosynthetics are basicly classified as being permeable or non-permeable. Permeable geosynthetics consist of geotextiles and products that are similar to geotextiles, while non-permeable geosynthetics are named as geomembranes and products that are similar to geomembranes.Therefore, the most preferred geosynthetics due to their physical nature can be classified as geotextiles, geogrids, geonets, geomembranes and geocomposites.Geotextiles are grouped into two woven or non-woven. Woven geotextiles are produced in traditional weaving looms. They bear high tensile strength which means higher strength for lowest levels of extension. Non-woven geotextiles are produced by forming fibers into pads through mechanical needle punching method. Since their tensile strength is low, they are generally used in filtration or separation.Geomembranes are non-permeable surface covers, made of asphalt, polymer and their mixture, used for isolation. They are most widely applied in solid waste landfill sites and water retention structures due to its non-permeable nature. Since long-term isolation performance is required in such projects, geomembranes are made of high density polyethylene (HDPE). In addition, geomembranes are highly tolerable to UV rays and easy to apply in the field.Geocomposites are formed through the congregation of two or more geosynthetic materials. Those are generally geogrids and non-woven geotextiles. The geogrid used in the mixture is for reinforcement, while non-woven geotextile provides separation and filtration.Geogrids are high strength reinforcements, made of various polymers in order to bear the stresses in tensile regions, providing soil layers to perform as one. Being tied to the soil with surface elements; they operate as a composite material and they transfers huge forces to the soil by friction. Thanks to the geogrid fittings, they can endure loads which the soil itself cannot carry. Those specialities allow geogrids to be used densely in highway constructions, slope stability and soil reinforcements under infrastructure. The most important ability of geogrids is their spacing, which refers to a suitable width of the material through which the soil can penetrate. Connection endurances are as important as geogrid strip endurance. This allows a passive endurance in horizontal strips which lies perpendicular to vertical strips. This is how the geogrid is tied to the soil.In terms of material, geogrids can be grouped in three; polyethylene, polypropylene and polyester, while they can be grouped in two for their usage; being uniaxial or biaxial. The most preferred kinds are; uniaxial polypropylene (PP), biaxial polypropylene (PP), high density polyethylene (HDPE), polyester (PET) and quaxial geogrids.Biaxial PP geogrids are generally formed by heating, piercing, stretching and shrinkage in length and width. Due to its tensile strength for each axis, it is used for enhancing bearing capacity, and preventing fracture and collapse. Production of uniaxial HDPE is similar to polypropylene. It has high tensile strength and low friction deformation but works uniaxial. It is widely used in steep slopes and soil retaining structures.One of the usage areas of geosynthetic reinforcements is in Mechanically Stabilized Earth (MSEs) Walls. MSE Walls, which are applied frequently around Europe and U.S. from the beginning of 1970?s, can be roughly described as structures formed by reinforced earth. When the performance and cost effectiveness of Mechanically Stabilized Earth Walls, after the years of development in earth reinforcement, are taken into consideration, the advantages of their applications on bridge abutments become more clear. Starting from 1970?s, 30% of the highway constructions with MSE systems consist of MSE Walls and pile supported bridge abutments. MSE Walls and pile supported bridge abutments are used in almost every state in U.S., as well as Canada, Mexico, Europe, Asia and South America. There are more than a hundred MSE bridge abutments, and thirty pile supported bridge abutments in New York and England. The first Mechanically Stabilized Earth Wall was built in Strasbourg, France in 1969. The first MSE bridge abutment in U.S. was built in Nevada in 1975. After 1975, there are more than two hundred and twenty MSE bridge abutment applications in U.S.. Beginning from 1977, more than eighty MSE bridge abutments were built by NYS (New York State) Highways. Separately, usage of MSE bridge abutments were confirmed by transportation administration of twenty states. Also, even though the usage of MSE bridge abutments are scarce in Turkey, there are MSE bridge abutment applications in Nuruosmaniye and Örencik districts of Sakarya.MSE Walls have several advantages compared to reinforced concrete structures and retaining walls. MSE Walls are more cost effective compared to concrete structures, due to their lesser requirement of processed materials, rapid construction and competition between firms as patent holders of various construction materials. MSE walls are more economic than walls that are higher than 3 meters or concrete retaining walls which require special foundation formations. The most important advantages of MSE walls are their elasticity and absorbation of deformations caused by inferior soil conditions. In addition, it is proven that MSE walls can tolerate higher levels of seismic loads than concrete structures, according to the tests conducted in seismic regions. Aesthetically, MSE walls can be coated by various shapes and textures with precast concrete surface elements.There are two types of bridge abutments applied with MSE walls. These are MSE bridge abutments and MSE pile supported bridge abutments. In ?MSE bridge abutments?, the bridge beams are directly carried by MSE wall. In ?Pile supported bridge abutments?, the bridge abutments are supported by piles and MSE wall.Previous studies show that MSE bridge abutments built on medium condensed granuler soil can tolerate settlements between 5.08 to 10.16 cm. After the construction of the bridge deck, a maximum of quarter inch (0.64 cm) of settlement is expected. However, it is tested that the system can tolerate settlements above 15.24 cm, which can occur due to details that can be added to the bridge and the escalation of superstructure. Therefore, for the MSE bridge abutments, a 0.64 cm settlement on granuler filling is taken as common rule, and that is accepted as the settlement amount of the filling that is needed to be prepared before the construction of the bridge deck.In this thesis, behaviors of MSE bridge abutments under static loads have been analyzed, using Plaxis Finite Elements Method software. Mohr-Coulomb Model has been used throughout the study. Two different types of geogrid reinforcements; Biaxial PP (type 1) and uniaxial HDPE (type 2), has been applied. Wall heights (H) of 3 to 6 meters and distance between grids (A) to be 10 to 50 cm havebeen considered. In cases, where grid distance has become more than 20 cm, half grids of 2 m long have been used in order to maintain the interaction among surface elements and geogrid reinforcements. In addition, 2.5 m width bridge abutment loads of 200 kN/m and 80 kN/m have been affected on the MSE structure system. Each of the MSE structures formed by various combinations of the variables such as; geogrid reinforcement type, wall height, grid distance and load type, have been calculated and solved through Plaxis software, and displacement and stresses for pre-specified points in the system have been calculated. Charts for each system solution have been formed, and graphs for the designated point B have been formed according to strain and stresses in vertical and horizontal axis with respect to wall height (H) and grid distance (A).As a result of the drawn graphs, as the wall height has increased and grid distance kept constant, the increase in the vertical and horizontal displacement has been observed. Also, it has become clear that the uniaxial geogrid reinforcement results inefficient for the MSE wall and structures of that kind, since it caused more deformation in the system than biaxial geogrid did.From the studies as the content of this thesis, the loads coming from the bridge abutments have been affected as point load and distributed load, and it has been observed that the stresses on the same plane were conveyed evenly. In addition, as a result of the graphs, it has become clear that even though low amount of deformations were observed with 10 cm grid distance, it has been considered insufficient for MSE wall and ruled off due to some inconvenient graphical results and difficulties of application in the field.When the graphs for constant wall height and variable grid distance have been analyzed, a fluctuation in the displacement values was observed. It has been noticed that, walls with 30 cm and 50 cm grid distances had lower deformations than others. This has led to the point that, 2 m length half grids used between two main grids in order to maintain the interaction among the surface elements and geogrid reinforcements have significantly reduced the deformations in x and y-axes. It has been proven that, when the half grids and the main grids were placed with 10 cm of distance, the displacement reached a minimum level. These have also explained the reasons of maximum deformation when 20 cm of distance have been left between half grids and main grids in the MSE walls with 40 cm geogrid distance.