Çekme yükü altında çalışan mikro kazıklar
Micro piles working under tension loads
Yazar: EMRE KORKMAZ
Danışman: PROF. DR. AYKUT ŞENOL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Modernleşme ve büyük kentlere göçlerin hızla artmasıyla birlikte artan nüfusla birlikte gelen ihtiyaçları karşılamak amacıyla geçmiş yıllara oranla büyük, yüksek ve geniş yapıların inşalarında süratli bir artış meydana gelmiştir. Yapıların büyümesi zemine aktarılacak yükün de büyümesi sonucu temel mühendisliğinde gelişmeleri doğurmuştur. Yapının üzerine yapılacağı zemin şartları çeşitlilik göstermekte, en uygun temel sistemi seçimi daha önemli hale gelmekle birlikte teknolojinin gelişimi de bu temel sistemlerinin inşa olanağını artırmaktadır. Yapının inşa edildiği zemin, taşıma gücü, oturma, sıvılaşma gibi problemler meydana gelmeden yapıdan aldığı taşıyabilecek karakteristik özelliklere sahipse yüzeysel temeller tercih edilirken, statik veya dinamik durumda bu problemlerden biriyle karşılaşılabilecek bir zemin üzerinde inşa edilen yapılarda derin temeller tercih edilmektedir. Bununla birlikte makine ve ekipman teknolojilerinin gelişimi sebebiyle derin temel sistemleri de gelişmiş, yapılaşmaya en müsait olmayan zeminlerin bile taşıyıcı olması sağlanmıştır. 
Derin kazı ve yapı malzemesi teknolojilerinin geliştiği günümüzde parsel alanının dar olduğu durumlarda dahi derin kazılarla çok katlı ve çok bodrumlu ancak daha hafif yapılar inşa edilebilmektedir. Dar alanlarda çalışma efektifliği, fore kazıklara oranla daha düşük maliyetli olması ve eski tarihi yapılar, endüstriyel binalar gibi hassas bölgelerde de rahatlıkla çalışabilmesi sebebiyle mikro kazık uygulamaları ülkemizde de son zamanlarda öne çıkmaktadır. Yer altı su seviyesinin yüksek olması, zemin parametrelerinin elverişsiz ve yapıların daha hafif olması sebebiyle temel altında geleneksel fore kazık uygulamaları yerine suyun kaldırma kuvvetine karşı çekmeye çalışan mikro kazık imalatları da önem kazanmıştır. Bununla birlikte mikro kazık uygulamalarının proje ekonomisini olumlu yönde etkilediği ve proje süresinde de rahatlık yarattığı dikkat çekmektedir.
Tasarım aşamasında üç önemli husus bulunmaktadır, bunlardan ilki yapı inşaat aşamalarının ve yapı ağırlığının belirlenmesidir. Akabinde su basıncı belirlenmeli ve alınan önlemler boyutlandırılmalıdır. Bununla birlikte her zemin mekaniği probleminde olduğu gibi zemin profili incelenmeli ve zemin profiline uygun çekme kazığı tasarımı yapılmalıdır. Bu doğrultuda vaka analizinde İzmir, İnciraltı mevkiinde bir proje sahasında çekmeye karşı çalışan mikro kazıklar incelenmiştir. Zemin profilinin yer yer bloklu alüvyon altında filiş tabakaları olarak özetlenebileceği proje sahasında yer altı suyu seviyesinin yüksek olduğu görülmektedir. Proje kapsamında imalatlar öncesinde öntasarım parametrelerini kontrol etmek için 220 mm çapında delgi yapılmış, delgi içerisine 47 mm çapında özel (yüksek mukevemetli çift korozyon koruma detaylı) donatı yerleştirilerek deney kazığı imalatı yapılmıştır. 7 m boyundaki mikro kazıklar için tasarım aşamasında planlanan kapasite 105 ton, deney yükü 170 ton olarak belirlenmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda çekme deneyi sonucunda meydana gelen maksimum uzama miktarının 13.6 mm olması beklenmekteyken 105 ton planlama yükünde 6 saat beklenmiş, uzamanın 13.0 mm olduğu görülmüştür.  Bununla birlikte yapılan deney sonucunda kaya tabakalarında mikro kazıkta meydana gelen sürtünme gerilmesi belirlenmiş ve 350 kPa olarak elde edilmiştir. İş öncesi zemin etüt çalışmaları kapsamında kayada yapılan tek eksenli basınç dayanım deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerden elde edilen değerler ile farklı araştırmacılaraın önerdiği hesap yöntemleri ile kayada elde edilecek ortalama sürtünme gerilmesi 690 kPa olarak bulunmuştur. Deney sonucu mikro kazık tasarımları için uygun görülen sürtünme gerilmesi 420 kPa olarak yorumlanmış ve nihai tasarım bu sürtünme gerilmesi kullanılarak yapılmıştır. Ayrıca üst yapı tasarım yükleri dikkate alınarak yüzme hesabına esas kritik durumlar karşılaştırılmış, karşılaştırma yapılırken temel ve devamında bodrum kat döşemelerinin inşa aşamaları boyunca susuzlaştırma (dewatering) sisteminin devrede olacağı dikkate alınmıştır.
Yapılan karşılaştırma bodrum katların inşası sonrası normal su basıncı dikkate alınarak yapılan hesabın daha kiritik olduğunu göstermiş olup, mikro kazık kapasiteleri bu durum dikkate alınarak hesaplanmıştır. Nihayetinde zımbalama hesapları da yapılmış, mikro kazık çekme kapasiteleri tekrar kontrol edilmiştir. Sahada yapılması planlanan diğer çekme deneyleri için yapılan imalatlar da yakından izlenmiş, çekme deneyleri takip edilmiştir. Deney sonucunda elde edilen uzama miktarı grafikleri düzenlenmiş ve sunulmuştur. Yapılan uygulama ve deneyler sonucunda da çekmeye karşı mikro kazık uygulamalarının yeterli, ekonomik ve proje süresi bakımından uygun olabileceği, bununla birlikte yapı yükleri, zemin profili ve yer altı su seviyesi dikkate alınarak yapılan mikro kazık tasarımının efektifliği görülmüştür.

Abstract:
From past to present, deep excavations have been needed in various places around the world. Due to the requirements of the infrastructures, deep excavations and shoring systems which are ones of the important subjects of the geotechnical engineering are provided the construction of the deep structures. Although the cost of the slope method is lower than the other deep excavation methods, it cannot be applicable in crowded areas due to the neighborhood structures, infrastructures, subway lines, etc. Therefore, the construction of the shoring system is inevitable in order to excavate deep foundation levels in crowded areas. 
There are two types of foundation in structure construction. The main purpose of the foundation is to secure a structure in safe and transfer structure load into the ground. Soil or rock layers must be capable of bearing proper structure loads without sinking and floatation. Generally, light structures are designed using shallow foundations. When adequate bearing capacity or tolerable settlements cannot be obtained with a shallow foundation, a deep foundation will be used instead of a shallow foundation.
Piles are basically cylinder of a strong materials such as concrete that is pushed into the soil to act as a steady support for structures built on top of it. Pile foundations can be used when a structure is too heavy or too light. When almost every civil engineer makes calculation on the bearing capacity of the soil, the problem that comes first is that the soil cannot bear the superstructure load. In cases where soil cannot carry the superstructure load, the superstructure load to be transported to the solid soil or rock layer by transportation elements. Due to the high ground water level, lack of information related to the soil parameters and the structures that are lighter, the micro piles which in tension against the lifting force of water have gained importance against to conventional bored pile. On the other hand, it is noteworthy that micro pile applications have a positive impact on the project economy and create comfort in the project period. There are three important consideration in the design phase, the first of which is the determination of building construction stages and weight of structure. Then the water pressure should be defined and the precautions taken should be dimensioned. However, as with any soil mechanics problem, the soil profile should be investigated and a suitable design of tension piles for the soil profile should be designed. 
Micropiles are small in diameter cast-in-place replacement piles, composed of steel reinforcement and placed or injected grout. They can withstand axial (compressive/tensile) and lateral loads and works as components in a composite soil/pile mass or as small-diameter substitutes for conventional piles. Micropiles are used as underpinning elements to enhance the bearing capacity of existing foundations and prevent excessive settlement. They can also be used as foundations for new structures and land stabilization. 
The recent development in the technology of deep excavation and construction materials enables the ability to built multi-layered structures with lightweight even in the narrow construction areas. Micro pile applications come forward in our country due to the fact that the efficiency of the application in narrow areas and its low cost where it is applicable in sensitive areas such as old historical buildings and industrial buildings. 
Micro piles are distinguished in providing innovative drilling and grouting techniques, which in return enhance load resistance. Reinforcement steel elements compromise to about 50 percent of the pile's volume and are considered to be the main load bearing element, while the grout serves to transfer the load to the surrounding soils.
In the scope of this thesis, the micro piles in tension at a project site in İzmir were examined as a case study. It is seen that ground water level is high in the project area where the ground profile can be summarized as the flysch layers under alluvial blocks from place to place. 
Within the scope of the project, a test pile has been constructed with 220 mm diameter drill and 47 mm diameter special reinforcement (high strength double corrosion protection detail) was placed into the drill in order to control the preliminary design parameters before the manufacturing. The planned capacity for micro-piles of 7 m in length is 105 tons and the test load is determined as 170 tons. As a result of the calculations from the findings of pile tension test, it was expected that the maximum elongation of the tensile test would be 13.6 mm while it was seen as 13.0 mm during the application of planned weight as 105 tons for six hours.  However, as a result of the test, the friction stress on the micro piles was determined and obtained as 350 kPa. 
Uniaxial compressive strength tests were performed on the rock within the scope of pre-work of subsurface exploration studies. The values obtained from these tests and the calculation methods suggested by the different researchers, the average friction stress on the rock were found to be 690 kPa. The friction stress obtained from the test result was interpreted as 420 kPa. Since the test could not be sustained until the reinforcement was failed. and the final design was made by using these data.
In addition, considering the design load coming from the superstructure, the critical conditions of the flotation calculation were compared and it is taken into account that the dewatering system was available during the construction of the basement floor slabs. The comparison showed that the calculation done by taking into account of the normal water pressure after the construction of the basement floors was more destructive and the micro pile capacities were calculated by taking this situation into consideration. Finally, punching calculations have performed, the capacity of the tension micro-piles was rechecked. Other tensile tests planned for the field were also closely monitored and tensile tests were followed. The graphs show the elongation amount obtained as a result of the test are organized and presented within the scope of the thesis.
After the tensile tests on the micro piles in the project, the tensile test results were compared with the friction values by the methods proposed by various researchers in the literature obtained in the rock layers. As a result of these comparisons, an empirical formula for uniaxial compressive strength in the rock was formed and proposed for the friction stresses obtained from rock type as in project area.
In addition, within the scope of the project, draft tension bored pile was designed and the situation of the bored pile instead of micro piles was compared to the Client before the start of the project. It was explained to the Client, bored pile applications were more difficult than the micro piles and micro pile applications were more advantageous in terms of both project duration and project economy.
As a result of the application and tests, it was seen that micro pile applications against tension can be adequate, economical and suitable for the duration of the project. In addition to this, the effectiveness of the micro-pile design, which is based on the structural loads, ground profile and ground water level has been observed.