Suya doygun zeminlerde derin kazı destek yapılarının analizi
Analysis of deep excavation support structures in water-satured soils
Yazar: ÖMER TEKİN
Danışman: PROF. DR. ZEKİ GÜNDÜZ
İstanbul Aydın Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Derin kazıların desteklenmesi, geoteknik alanında çalışan inşaat mühendislerinin ilgilendiği konuların başında gelmektedir. Derin kazıların desteklenmesinde kullanılan iksa sistemleri, yanal toprak basınçlarını karşılamak üzere yapılan yapı türleridir. Yeterli güvenliğe sahip olmayan iksalarda göçmeler sonucu;  komşu yapılarda ve yollarda hasarlar meydana gelebilmektedir. İksa sistemlerinin güvenliği, yapılan kazıların stabilitesi açısından önem arz etmektedir. İksalarda oluşan yatay deformasyonlar; artan kazı derinliği ile artış göstermektedir. Yatay deformasyonlar, kazı stabilitesi ve güvenliği açısından oldukça önemlidir. Özellikle Suya doygun killi zemin ortamlarında yapılan derin kazılardaki iksalarda, göçme riski daha yüksektir. Bu nedenle derin kazıların desteklenmesi birçok çalışmanın konusu olmuştur. 

Derin kazıların desteklenmesinde genellikle fore kazıklar ile yapılan iksalar tercih edilmektedir. Kazı derinliğine bağlı olarak kazıklar ankrajlı veya konsol şeklinde yapılabilmektedir. Kazı derinliğinin fazla olduğu durumlarda ekonomik çözümler; ankrajlı veya karşılıklı destek  (strut) sistemleri ile yapılmaktadır. Kazı derinliğinin az olduğu durumlarda ise konsol şeklinde çalışan kazıklar ihtiyacı karşılayabilmektedir. 

Yanal toprak basınçları zemin özellikleri ile doğrudan ilişkilidir. Yer altı su seviyesi yüksek suya doygun killi zeminlerde oluşan yanal toprak basınçları diğer zeminlere kıyasla daha yüksektir.  

Kazıklardan oluşan iksa sistemini projelendirilmesinde etki eden başlıca unsurlar zemin özellikleri, kazı geometrisi, kullanılan kazığın malzemesi ve çapıdır. Projelendirme için dikkate alınan zemin parametreleri kohezyon (c), zeminin kayma direnci açısı (φ), birim hacim ağırlık (𝛾) ve yeraltı su seviyesidir. Suya doygun kohezyonlu zeminlerde fore kazıklarla yapılacak iksa sistemlerinin projelendirilmesinde mühendislere yardımcı olmak amacıyla tasarıma etki eden zemin parametreleri, kazı derinliği ve kazık çapı inceleme konusu yapılmıştır. Projelendirmede etkisi olduğu düşünülen suya doygun zemin özelliklerinin ve kazı derinliğinin; seçilecek kazık çapına olan etkileri sonlu elemanlar yöntemi ile araştırılmıştır. Bu amaçla modellemede Plaxis yazılımı kullanılmıştır. Modellemede suya doygun zeminlerin kohezyon (c) değerleri 30 ile 100 kPa aralığında, içsel sürtünme açıları (φ) 0° ile 10° aralığında, zeminin birim hacim ağırlığı (𝛾) n: 17 kn/m3ve d: 19 kn/m3 seçilmiştir. Kazı geometrisi olarak kazı derinlikleri 5.00 m. ile 18.00 m. aralığında seçilmiştir. İksa sisteminde kullanılacak kazık çapları ise; 0,4 m. ile 1,0 m. aralığında seçilerek analizler gerçekleştirilmiştir. Kazık için eğilme rijitliği (EI) 1,068*106 kN2/m alınarak kesişen kazık geometrisi kullanılarak gerekli analizler gerçekleştirilmiştir.

 Yapılan analizler ile elde edilen veriler incelendiğinde; suya doygun Suya doygun killi zeminlerde 10.00 m ve üzeri derinliklerde yapılacak kazılarda, yatay deplasmanların arttığı ve fore kazıklı iksa sistemleri için kazıklarda ankraj gerekliliğinin yoğunlaştığı görülmüştür. Araştırma sonucunda elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve uygulayıcı mühendislere projelendirmede ışık tutacak öneriler verilmiştir.

Abstract:
The support of deep excavations is one of the primary concerns of civil engineers working in the field of geotechnics. The safety of shoring systems is important for the stability of excavations. A number of problems are frequently encountered regarding excavation safety In iksas that do not have sufficient security, cave-ins occur.  Neighboring structures and roads may be damaged accordingly. Especially in deep excavations in soft soils, the risk of collapse is higher. Horizontal deformations occurring in deep excavations are very important for excavation stability and safety. Therefore, the support of deep excavations has been the subject of many studies.

The most preferred application method in shoring systems used to support deep excavations is the application with bored piles. Depending on the depth of the excavation, the piles used in shoring systems can be anchored or cantilevered. In cases where the excavation depth is high, economic solutions are realized with anchored or mutual support (strut) systems. In cases where the excavation depth is less, cantilevered piles can meet the need.

Shoring systems are types of structures constructed to meet lateral earth pressures. Lateral earth pressures are directly related to soil properties. Lateral earth pressures in water-saturated clay soils with high groundwater level are higher compared to other soils.

The main factors affecting the design of the shoring system consisting of piles are soil properties, excavation geometry, material and diameter of the pile used. The soil parameters considered for design are cohesion (c), internal friction angle (φ), unit volume weight (𝛾) and groundwater level. In order to assist engineers in the design of shoring systems to be constructed with bored piles in water-saturated cohesive soils, the soil parameters affecting the design, excavation depth and pile diameter were investigated. The effects of water-saturated soil properties and excavation depth, which are considered to have an effect on the design, on the selected pile diameter are investigated by finite element method. For this purpose, Plaxis software was used for modeling. In the modeling, the cohesion (c) values of the water-saturated soils were chosen between 30 and 100 kPa, the internal friction angles (φ) were chosen between 0° and 10°, the unit volume weight of the soil (𝛾) was chosen between (𝛾) n: 17 kn/m3 and d: 19 kn/m3 were selected. Excavation depths between 5.00 m. and 18.00 m. were selected as excavation geometry. Pile diameters to be used in the shoring system were selected between 0.4 m. and 1.0 m. and analyzed. The bending stiffness (EI) for the pile was taken as 1.068*106 kN2/m and necessary analyses were performed using the intersecting pile geometry.

When the data obtained from the analyses are analyzed, it is seen that the horizontal displacements increase in excavations to be carried out at depths of 10.00 m and above in water-saturated soft soils and the anchorage requirement in piles for bored pile shoring systems is intensified. The results obtained as a result of the research are evaluated and recommendations are given to the practicing engineers to shed light on project design.