Geofoam desteklı gömülü esnek borularda yapı-zemin etkileşiminin sayısal analizlerle incelenmesi
Investigation of structure-soil interaction in geofoam supported embedded flexible pipes through numerical analyses
Yazar: BABAK ROUZEGARI
Danışman: PROF. DR. SADIK ÖZTOPRAK ; DOÇ. DR. HAVVANUR KILIÇ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İsale hattı ile atık su ve yağmur suyu iletiminde kullanılan esnek boruların (HDPE, çelik vb.) nakliye ve döşeme kolaylığı, yüksek hidrolik kapasite ve yüksek sızdırmazlık gibi avantajlara sahip olmasına karşın zemin yükleri altında şekil değiştirmesi, karar vericileri rijit boru (beton) kullanmaya sevk etmektedir. Zira şekil değiştirme; borunun hidrolik özelliğini olumsuz etkileyerek su taşıma kapasitesini azaltmakta, bununla birlikte üzerindeki zemin tabakasında çökmeye neden olarak yol, kaldırım gibi üst yapıda bozulmalara yol açmaktadır. Bazı ülkelerde, büyük düşey yüklere maruz kalacak rijit borular döşenirken boru üzerinde zemine oranla sıkışabilir bir zon oluşturulması şeklinde bir yöntem benimsenmiştir. Böylelikle esneme kabiliyeti olmayan rijit boru üzerinde pozitif kemerlenme mekanizmasını harekete geçirecek oturmaların oluşması ve zeminden boruya aktarılacak düşey gerilmenin azalması sağlanmaktadır. Bu yöntem yapay hendek yöntemi (imperfect/induced trench method) olarak bilinmektedir. 1980'lerin sonundan itibaren bu yöntemde sıkışabilir malzeme olarak tabii malzemelerin (saman, odun yongası, talaş vb.) yerini petrol bazlı sentetik bir malzeme olan EPS almaya başlamıştır. Bununla birlikte, esnek boruların yüksek esneme yeteneğine sahip olması nedeniyle gömülürken yapay hendek yöntemine genellikle başvurulmamaktadır. 
Gömülü borularda, boru tipi, rijitliği ile EPS tipi ve yerleşim şeklinin belirlenmesi için tam ölçekli deneyler yapılmaktadır. Bu deneylerin sayısal analizlerle modellenmesi ise çok tipik bir uygulamadır. Sayısal analizlerde zemin için kullanılan bünye modelinin borunun ve EPS'nin neden olduğu deformasyonların boru çevresindeki iri taneli (kum-çakıl) zeminin davranışına nasıl etki ettiği ve zemin-yapı etkileşimini nasıl modellediği önem kazanmaktadır. Buradan yola çıkarak, bu tez çalışmasında boru etrafındaki kum-çakıl zemini modelleyebilmek için FLAC3D yazılımı içindeki Mohr-Coulomb (MC) bünye modeli, geliştirilen kodlarla (FISH script) yenilenmiştir. Bu yenileme ile iri taneli çevre zeminin rölatif sıkılığı ve üniformluk katsayısını da bir girdi olarak kabul eden; kayma modülü azalımını deplasmanlara bağlı, başlangıç kayma modülünün evrimleşmesini ise gerilme değişimine bağlı olarak modelleyebilen "Modifiye Mohr-Coulomb (MCC)" bünye modeline dönüştürülmüştür.  Geliştirilen zemin bünye modelinin ve geliştirilen sayısal modelin gerçek laboratuvar ve arazi deneyleri ile doğrulanması/kalibrasyonu başarı ile gerçekleştirilmiştir. Daha sonra parametrik analizlerle hem esnek hem de rijit borularda yapay hendek yani EPS Geofoam kullanılmasının etkilerini ortaya koyak mümkün olmuştur. 
Parametrik analizlerin sonuçlarına göre esnek borunun hemen üstüne EPS Geofoam yerleştirilmesi, boruya etkiyen düşey gerilmelerin azalmasını sağlamaktadır. Daha da önemlisi borunun deformasyonlarını olumlu yönde değiştirerek ovalleşmesini önlemektedir. EPS'nin ortama yerleştirilmesi kemerlenme faktörlerini hem rijit ve hem esnek borularda düşürüp 0.17 seviyelerine inebilmektedir. Ortamda oluşan kemerlenme (pozitif veya negatif) boru üst seviyesinin 5 çap (D) üstünden sonra gerilme dağılımına etkisi bulunmamaktadır. Tüm yoğunluklarda EPS kalınlığının artması boru üzerine etki eden gerilmelerin azalmasına sebep olmaktadır. Borulardaki esnemeler dikkate alındığında rijit boruları için en iyi EPS kalınlığı 0.2D ve 0.4D arasında görülürken esnek borularda 0.1D ve 0.2D arasında elde edilmektedir. Ayrıca esnek boruda EPS kalınlığının çok artması boruda dikey ovalleşmesine sebebiyet verebildiğine dikkat edilmesi gerekmektedir. Geliştirilen bünye modeli ile yapılacak analizlerle boru geometrisi ve rijitliğine bağlı olarak doğru kalınlıkta ve yoğunlukta EPS seçimi yapılabilecek ve böylece gevşek dolgu imalatının boruya zarar vermesinin engellenmesinin yanı sıra maliyetlerin düşürülmesiyle ülkeye önemli ekonomik katkı sağlanabilecektir.

Abstract:
Although flexible pipes (HDPE, steel, etc.) used for wastewater and stormwater transmission through pipelines have advantages such as ease of transportation and laying, high hydraulic capacity, and high impermeability, their deformation under ground loads prompts decision-makers to use rigid pipes (concrete). This is because deformation adversely affects the hydraulic properties of the pipeline, reducing its water-carrying capacity, and also causing the collapse of the ground layer above it, leading to deterioration in the superstructure like roads and pavements. In some countries, when laying rigid pipes that will be subjected to large vertical loads, a method has been adopted to create a highly compressible zone on the pipe compared to the surrounding ground. This activates the positive arching mechanism on the rigid pipe, causing settlement and reducing the vertical stress transferred from the ground to the pipe. This method is known as the imperfect/induced trench method. Since the late 1980s, EPS, a petroleum-based synthetic material, started to replace natural materials (straw, wood chips, sawdust, etc.) as the compressible material in this method. However, due to the high flexibility, the imperfect trench method is generally not used for burying flexible pipes.
For buried pipes, full-scale experiments are carried out to determine the pipe type, EPS type, and layout. Modeling these experiments by numerical analysis is a very typical application. In numerical analyses, it becomes important how the constitutive model used for the soil (taking into account the deformations caused by the pipe and EPS) affects the behavior of the coarse-grained (sand-gravel) soil around the pipe and how it models the soil-structure interaction. Based on this, in this thesis, the Mohr-Coulomb (MC) constitutive model in FLAC3D software was renewed with the developed codes (FISH script) to model the sand-gravel soil around the pipe. With this modification, it has been transformed into a "Modified Mohr-Coulomb (MCC)" constitutive model that accepts the relative stiffness and uniformity coefficient of the coarse-grained surrounding soil as an input and can model the shear modulus degradation depending on the displacements and the evolution of the initial shear modulus depending on the stress change. The validation/calibration of the developed soil constitutive model and the developed numerical model with real laboratory and field experiments was successfully performed. Then, through parametric analyses, it was possible to demonstrate the effects of using the imperfect trench method (using EPS Geofoam) in both flexible and rigid pipes.
According to the results of parametric analysis, placing EPS Geofoam just above the flexible pipe reduces the vertical stresses acting on the pipe. More importantly, it changes the deformations of the pipe positively and prevents its ovalization. Placing EPS in the medium can reduce the arching factors to 0.17 for both rigid and flexible pipes. Arching in the soil medium (positive or negative) has no effect on the stress distribution beyond 5 pipe diameters (D) above the pipe's crown level. The increase in EPS thickness at all densities causes the stresses acting on the pipe to decrease. Considering the deflections in the pipes, the best EPS thickness for rigid pipes is between 0.2D and 0.4D, while for flexible pipes it is between 0.1D and 0.2D. It should also be noted that too much increase in EPS thickness in the flexible pipe may cause vertical ovalization in the pipe. With the analysis to be made with the developed constitutive model, the correct thickness and density of EPS can be selected depending on the pipe geometry and stiffness, thus preventing the damage of loose filling to the pipe, as well as reducing costs and making a significant economic contribution to the country.