Yumuşak zeminler üzerinde yer alan genişletilmiş yol dolgularının teorik ve nümerik analizi
Theoretical and numerical analysis of widened road embankments on soft soils
Yazar: ZÜLAL AKBAY ARAMA
Danışman: PROF. DR. SAFİYE FEYZA ÇİNİCİOĞLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
"Dolgu tasarımı" üst ve alt yapı elemanlarının her ikisinin de zeminlerden oluşması nedeni ile zemin-yapı etkileşimi konusunun karmaşık problemlerinden birisini oluşturmaktadır. Dolgu yapılarının tasarımı sürecinde temel zemini profilinde yumuşak zeminlerin bulunması çözüm yapılacak tekniklerin seçilmesini zorlaştırmaktadır. Yumuşak zeminler taşıma kapasiteleri düşük, deformasyon yetenekleri yüksek zeminlerdir. Bu sebeplerle yumuşak zeminlerin temel zemini profillerinde homojen veya belirli kalınlıkta bir tabaka olarak bulunması durumlarında, mühendislik açısından stabil ve kararlı bir yapıya ulaşılabilmesi için sistemsel davranış mekanizmasının önceden bilinmesi ve tasarım yönteminin buna göre seçilmesi gerekmektedir. 

Bu doktora çalışmasında, homojen yumuşak veya tabakalanmış temel zemini profiline sahip olan dolguların tasarım süreci; kritik durum zemin mekaniği, limit denge ve limit analiz metotlarının birlikte kullanıldığı yeni bir yöntemle ele alınmıştır. Söz konusu yöntemin ortaya çıkması için iki aşamalı bir çalışma süreci benimsenmiştir. Birinci aşamada tasarım yönteminde kullanılması gerekli olan metotların belirlenmesi ve dolgu-temel zemini bütünleşik sisteminin etkileşimli davranış değerlendirmelerinin yapılabilmesi bakımından sonlu elemanlar yöntemi ile çalışan bir program kullanılarak çok sayıda parametrik analiz yapılmıştır. Söz konusu parametrik analizlerle tek ve çift taraflı genişletmenin ve inşaat sürecinin temel zemini içindeki gerilme-deformasyon ilişkisini ve güvenlik seviyesini nasıl etkilediği araştırılmıştır. Bu doğrultuda malzeme parametrelerinin ve seçilen zemin modellerinin elde edilen sonuçlar üzerindeki etkileri farklı temel zemini tabakalanma profilleri için değerlendirilmiştir. 

İkinci aşamada ise çok yumuşak zeminler üzerine inşa edilen dolguların tek kademede istenilen yükseklikte inşa edilmesinin pek mümkün olmamasından ve özellikle de deniz dibi zeminler üzerine inşa edilen dolgularda ilk yükleme kademesinde göçmeye izin verilmesi yaklaşımından hareket ederek bu anlayışa dayalı ve kademeli yükleme yöntemi çerçevesinde kullanılabilecek özel ve yeni bir dolgu tasarım yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen yeni yöntem geleneksel göçme mekanizmalarının ana ilkelerine uymakla birlikte uygulanan hesap yöntemi akım ağları anlayışından esinlenerek geliştirilmiş bir yaklaşıma saiptir. Yöntemin teorik alt yapısı ise plastisite teorisi alt sınır teoremine ve limit denge anlayışına dayalıdır. Tezde sunulan çözüm drenajsız koşullar için gerçekleştirilmiş olup yapım süreci yükleme aşamalarındaki davranışı ve yükleme miktarlarını tanımlamaktadır. Yöntem tamamen yumuşak zeminden oluşan veya kabuk tabakası altında yumuşak zeminin bulunduğu farklı zemin profilleri için uygulanabilir niteliktedir. 

Yöntem uygulanırken, limit analiz çözümlemeleri sonucunda gerilme değerleri ve gerilme ekseni dönüşleri elde edilerek limit denge hesaplarıyla yüksekliği belirli bir dolgu altında yüklemelerden etkilenen kayma bölgesinin belirlenmesi veya belirli bir temel tabakalanma durumu için güvenli inşa yüksekliğinin hesaplanması, dolgu inşa prosedürlerinin hem taşıma gücü hem de deformasyonlar açısından şekillendirilmesi ve temel zemini ortamını tamamen tarayarak yapılaşma için güvenlik düzeyinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Yöntem, Cubzac-les-Ponts dolgusu üzerinde denenerek gerçek sonuçlar ile karşılaştırmalar yapılmıştır. Çok değişkenli parametrik çözümlemeler de çalışmaya dâhil edilerek sonuçları Slope/W ve Plaxis programları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar yöntemin uygulanabilir, pratik ve güvenilir olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Embankment are massive earth structures imposing heavy loads on underlying soils. Especially when they built on soft soils, excessive deformations and even failures are usually encountered due to high deformation and low bearing capacity of underlying foundations.  Moreover, as both the embankments and the foundations are mainly soils, the soil-structure interaction problem regarding this special case requires a perspective that takes care of the combined behavior of embankment-foundation system.  Of course, there are many attributes that influence the combined system behavior, that is, material and geometrical properties of the embankment and foundation soils, types and stratification of the underlying soils, methods of construction, applied drainage conditions and others. These considerations are usually needed to be considered during the design stage, but before starting a design process a general understanding of the behavior is essential. The first part of this dissertation deals with the possible variations in the behavior due to the role of above mentioned attributes affecting the combined system behavior.  A succession of parametrical analyses were conducted to understand the degree and direction of the influence of various factors such as type of stratification, adopted material models and parameters, loading program and drainage conditions. These analyses were also carried out in the scope of the embankment widening problem, considering both single-sided and double-sided applications. 

A theoretical approach based on the behavior envisaged by the accumulated know-how was adopted in the second part of the dissertation to develop a new design method for embankments built on a founding strata encompassing very soft soils in the vicinity affected by the stress increments from the embankment. The developed method is basically applicable for embankments built over soft marine deposits. As is known, it is not usually possible to build high embankments on very soft soils.  In such a case, stage construction technique which requires to adjust load increments to safe levels is referred. However, this may not be very practical especially in case of construction over very soft soils and in such a case, it may be preferred to apply loads which will cause failure in the first or early stages. This is conventionally preferred during embankment construction over soft marine deposits. The developed method uses this approach, starts construction with a specified amount of loading and makes use of densification at the bottom level to continue construction safely in the succeeding stages. The developed method is based on lower limit theorem of plasticity theory and limit design calculations are used to predict the depth and propagation of the collapsing foundation mass. This property is not usually found in limit state approaches and in this respect the proposed method carries an ability similar to finite element methods. The basic inspiration behind the development of the proposed method is the mechanism of the flow nets. The method is tested and the findings are verified against the well documented and thoroughly instrumented Cubzac-les-Ponts test embankment. The results of this comparison and also the results of the finite elements and limit state analyses conducted for the verification purposes indicated that the method is highly applicable.