Tabakalı zemin ortamında inşa edilen dairesel temellerin sayısal analizi
Numerical analysis of circular foundations built on a layered soil
Yazar: ÇAĞRI MURAT MERCAN
Danışman: PROF. DR. SEDAT SERT
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Geoteknik Bilimdalı' nda yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmada yüzeyde bulunan farklı kalınlıktaki yumuşak zeminler üzerine oturan dairesel temellerin yük altında davranışı iki boyutlu PLAXIS sonlu eleman yazılımı ile analiz edilmiştir.
Tezde birinci bölümde giriş sunulmakta, ikinci bölümde temellerin sınıflandırması yapılarak rüzgâr enerjisi santrali ve silo temelleri hakkında kısaca bilgi verilmektedir. Üçüncü bölümde yüzeysel temellerde taşıma gücünün teorik hesaplarının esasları farklı yöntemlere göre ortaya konmaktadır. Dördüncü bölümde sayısal yöntemler ve Plaxis yazılımı hakkında bilgiler verilmektedir. Beşinci bölümde Plaxis yazılımı ile yapılan analizlere ait sonuçlar ortaya konmaktadır. Son bölümde ise genel sonuçlar kısa bir özet halinde verilip konuya ilişkin öneriler sunulmaktadır.
Zeminler, çeşitli minerallerden oluşan kayaçların dış etkiler nedeniyle bozunarak ayrışması ve ortaya çıkan parçacıkların dış etkiler ile taşınarak çökelmesi, sıkışması sonucu meydana gelmektedir.
Adapazarı gibi alüvyal kökenli zeminlere sahip yerleşim merkezleri temel sistemlerinin yetersiz olduğu durumlarda depremler sırasında büyük zarar görebilmektedir. 1999 depremleri sırasında Adapazarı'nda birçok yapıda taşıma gücü aşılması ve oturma/devrilme problemleri ile karşılaşılmıştır. Bu depremlerde Adapazarı' nda karşılaşılan yıkım ve can kaybı sonrasında, bunlara gerekçe olarak "kötü" diye nitelendirilen zemin koşulları gösterilmiştir.
Takip eden süreçte Adapazari'nda yapılan zemin incelemelerinde kentin zemininin menderesli bir nehir tarafından oluşturulduğu ve farklı derinliklerde görece sağlam tabakaların varlığı ortaya konmuştur. Sancio ve ark. (2003) Adapazari kent merkezinin farklı yerlerinde yapılan 46 sondaj ve 135 sondalamanın (CPT: koni penetrasyon deneyi) sonuçlarına göre üst 15m için 4 ayrı tipte zemin profilinin olduğunu belirtmişlerdir.
Son yıllarda gelişen yapım teknikleri ve yapısal analiz yöntemleri ile kapsamlı ve özellikli yapılar inşa edilmeye başlanmıştır. Yapım teknikleri ve yapım teknolojisindeki gelişmeler ile kentlerde yapılaşma hızlı yayılmış ve buna bağlı olarak yapıların inşa edilmesi için uygun arazilerin bulunmasında sıkıntılar doğmuştur. Bunun yanında son yıllarda nüfusun özellikle bazı metropollerde giderek yoğunlaşması nedeniyle yeni inşaatların taşıma gücü ve oturma problemlerinin yaşandığı yerlere kayması da zorunlu olmaktadır.
Geoteknik mühendisliği literatüründe deneysel ve/veya sayısal yöntemler ile zayıf zeminlerin sağlam granüler dolgu tabakaları ile iyileştirilmeleri ile ilgili yaklaşımlara sıklıkla rastlanmaktadır.
Zeminlerin taşıma gücü ve oturma karakteristiklerinin belirlenmesindeki başlıca yaklaşımlardan klasik yaklaşım; basit geometriye sahip temeller için uygundur. Yarı-Ampirik yaklaşım daha karmaşık zemin koşulları için daha uygundur. Kinematik yöntemler, zeminin yük altındaki davranışını daha ayrıntılı olarak incelemek için kullanılır. Sayısal yöntemler, bilgisayar tabanlı modeller ve sonlu elemanlar yöntemi gibi matematiksel yöntemleri kullanarak taşıma kapasitesini hesaplar. Bu yaklaşım, karmaşık zemin yapıları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi detaylı analizlerde kullanılır. Yapay sinir ağı yaklaşımı büyük veri kümelerinde taşıma kapasitesini tahmin etmek için kullanılır.
Adapazarı kentinde güncel durumda silo gibi dairesel temeller gerektiren yapıların inşaatı da gündeme gelmektedir. Bu tez çalışmasında dairesel temeller üzerine araştırma yapılmıştır. Literatürde; temel çapının, temel gömme derinliğinin, görece zayıf zeminin üstte ve altta bulunmasının ve zeminlerin kayma dirençlerinin taşıma gücü ve göçme mekanizması oluşumunda etkileri olduğu belirtilmektedir. Çalışmada, problemli zeminlerin üst katmanlarda veya alt katmanlarda bulunması durumları göz önünde bulundurularak dairesel temellerin taşıma güçleri irdelenmektedir. Buna yönelik olarak geoteknik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan sonlu eleman yöntemi esaslı Plaxis 2D yazılımı kullanılarak farklı kombinasyonlar için analizler yürütülmüştür. Mevcut parametrelerin göçme mekanizması oluşumu üzerindeki etkileri de Plaxis yazılımı ile gerçekleştirilen analizlerden elde edilen sonuçlara göre ortaya konmaktadır. Temel çapı: 1 m, 2 m, 4 m, 6 m, 8 m, 10 m ve 20 m olarak modeller oluşturulmuş ve karşılaştırmalar yapılmıştır. Çalışma eksenel simetrik olduğu için geometride bu değerlerin yarısı olan 0.5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m, 5 m ve 10 m alınmıştır.
Temel ağırlığının sonuçlar üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için hesaplamalarda temel ağırlıksız olarak dikkate alınmıştır. Seçilen bölümlerde dairesel temellerin oturmaları grafiklendirilmiş, temelin merkezinde ve kenarında yer alan düşey yer değiştirmeler dikkatlice incelenmiş ve yorumlanmıştır.
Çalışma sonunda alttaki sağlam tabakanın yüzeye yakın veya uzak olmasından etkilenmeksizin hem kısa vadede (drenajsız durum) hem de uzun vadede (drenajlı durum) temel taşıma gücüne katkıda bulunamadığı ortaya konmuştur. Bu da 1999 depremlerinde ortaya çıkan durumu teyit etmiştir.
Mevcut durumda bu tip ortamlarda;
• Kazı-geri mühendislik dolgusu yapılması,
• Yapının bodrumlu inşa edilmesi ve
• Zemin iyileştirmesi/derin temel
seçeneklerinin yapı kat adedine bakılmaksızın değerlendirilmesi önerilmektedir.

Abstract:
In this study, prepared as a master's thesis at Sakarya University, Institute of Natural and Applied Sciences, Department of Civil Engineering, Department of Geotechnical Science, the load behavior of circular foundations resting on soft soils of different thicknesses on the surface was analyzed with the two-dimensional PLAXIS finite element software.
In the first part of the thesis, an introduction is presented, and in the second part, the foundations are classified, and brief information is given about wind power plants and silo foundations. The third chapter presents the principles of theoretical calculations of bearing capacity in shallow foundations according to different methods. The fourth section gives information about numerical methods and Plaxis software. The fifth section presents the results of the analyses made with Plaxis software. In the last section, general results are given in a summary, and suggestions on the subject are presented.
Soils are formed due to the decomposition of rocks consisting of various minerals due to external influences and the sedimentation and compression of the resulting grains by being transported by external effects.
Settlements with alluvial soils like Adapazari can suffer significant damage during earthquakes when their foundation systems are insufficient. During the 1999 earthquakes, many buildings in Adapazari were faced with exceeding the bearing capacity and settlement/toppling problems. After the destruction and loss of life, Adapazarı soils became notorious regarding soil conditions.
In the following soil investigations carried out in Adapazarı, it was revealed that the soils of the city were formed by a meandering river and the existence of relatively dense/very dense layers at different depths. Sancio et al. (2003) stated that, according to the results of 46 drillings and 135 probings (CPT: cone penetration test) made in different parts of Adapazarı city center, there were four different types of soil profiles for the upper 15 m.
In recent years, comprehensive and unique structures have started to be built with developing construction techniques and structural analysis methods. With the developments in construction techniques and construction technology, construction in cities has spread rapidly, and problems have arisen in finding suitable lands for the construction of buildings. At the same time, due to the increasing population concentration, especially in some metropolises, new construction must shift to places where carrying power and settlement problems are experienced.
In the geotechnical engineering literature, approaches related to improving weak soils are frequently encountered with experimental and/or numerical methods. 
The classical approach, one of the main approaches in determining the bearing capacity and settlement characteristics of soils, is suitable for foundations with simple geometry. The Semi-Empirical approach is more suitable for more complex soil conditions. Kinematic methods are used to study the behavior of soil under load in more detail. It calculates the bearing capacity using mathematical techniques such as numerical methods, computer-based models, and the finite element method. This approach is widely used for complex ground structures. The finite element method is used in detailed analysis. The artificial neural network approach is used to estimate bearing capacity in large data sets.
In the current situation in the city, the construction of structures that require circular foundations, such as silos, is also on the agenda. In this thesis, research was conducted on circular foundations.
Geotechnical engineering, which is the main responsibility of foundation design, plays a key role in civil engineering projects that include all structures that sit on the ground or are built in the ground, and is vital in the evaluation of natural disasters such as earthquakes, liquefaction, sinkhole formation, rockfalls and landslides. Regarding such a multifactorial issue, Terzaghi's development of the limit equilibrium theory has gained momentum in the history of geotechnical engineering studies. Following Terzaghi's development of his theory, other approaches such as Meyerhof, Brinch Hansen, and Vesic followed. In the future, the most important development after these studies is to ensure that the finite element method is used more effectively with computer technology. Thanks to these developments in technology, comparative studies of theories have begun to be made.
The literature states that the foundation diameter, the foundation embedment depth, the presence of relatively weak soil above and below, and the shear resistance of the soils affect the bearing capacity and formation of the collapse mechanism. In this study, the bearing capacity of circular foundations is examined, taking into account the presence of problematic soils in the upper or lower layers. For this purpose, analyses were carried out for different combinations using Plaxis 2D software based on the finite element method, which is widely used in geotechnical engineering. The effects of existing parameters on the formation of the collapse mechanism are also revealed according to the results obtained from the analyses carried out with Plaxis software. Models with foundation diameters of 1 m, 2 m, 4 m, 6 m, 8 m, 10 m and 20 m were created and comparisons were made. Since the study is axisymmetric, half of these values, 0.5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m, 5 m, and 10 m, were taken in the geometry.
In this thesis, solutions were made on the 2-dimensional axisymmetric model, since the basic shape to be solved is symmetrical around the z-direction and the deformations and stresses are independent of rotation.
In order to see the effect of the relatively soft ground thickness on the top, solutions were made by taking the thickness of the layer as well as 4m as well as 8m.
To eliminate the effect of the foundation weight on the results, the foundation was considered unweighted in the calculations. In the selected sections, the settlements of the circular foundations were graphed, and the vertical displacements at the center and edge of the foundation were carefully examined and interpreted.
While the increase in the load in the undrained state brings the foundation system closer to collapse, the deformations with drainage appear as consolidation settlement. In this case, there is no possibility of migration. In such cases, it is appropriate to examine the results in terms of seating limits.
It has been shown that the underlying solid layer cannot contribute to the foundation-bearing capacity in both the short and long term, regardless of whether it is close to or far from the surface. This confirmed the situation that emerged in the 1999 earthquakes.
Currently, in such environments, it is recommended to consider one of the following options, regardless of the number of floors of the building;
• Excavation-back engineering filling,
• Constructing the building with a basement and
• Soil improvement/deep foundation construction.