Derin kazı projelerinde aletsel gözlemlerin önemi ve sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
Importance of geotechnical insturmentation in deep excavation projects and analyzsis with finite element method
Yazar: CANSU YILDIZ ÇELİK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
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:
Yerleşim alanlarında yüksek ve derin yapı inşa etme talebi, yer altı yapılarına ihtiyaç duyulması derin kazıların yapılmasını gerektirmiştir. Kazı güvenliğini sağlamak ve çevre yapılarda soruna yol açmamak için bu derin kazıların desteklenmesine ihtiyaç vardır. Derin kazıları desteklemek için çeşitli destek elemanlar kullanılmaktadır. Kazının güvenli ve çevrede soruna yol açmadan yapılması için destek elemanları yanında inşa yöntemi, geoteknik koşullar ve tasarım kriterleri de önemlidir. Buna göre bir derin kazı için destek elemanlarının seçimi, bunların boyutlandırılması ve yapılacak kazının geometrisinin tasarımda belirlenmesi gerekir.
Bir derin kazının güvenle desteklenmesi için iksa sisteminin uygulanacağı ortam koşulları dikkate alınarak projelendirilmesi gerekmektedir. Bu ortam koşullarında öngörülemeyen geoteknik belirsizliklerden dolayı sahada kritik durumlar meydana gelmektedir. Geoteknik belirsizlikler; zeminin tabakalı oluşu, tabakaların kendi içinde homojen olmaması ve doğrusal olmayan davranış göstermesi gibi tanımlanabilir. Bu belirsizlikler sonucunda iksa elemanları üzerine etkiyen kuvvetlerde farklılıklar gözlenebilir ve zemin tabakalarının yerinde dayanım parametreleri tasarımda öngörüldüğünden daha düşük olabilmektedir.
Aletsel gözlem sistemi ve bu sistemin elemanlarından elde edilen veriler tasarım kabullerinin doğrulamasında kullanılmaktadır. Bu sistem ile inşaat çalışmalarının kontrolü sağlanmakta, beklenenden farklı sonuçlar elde edilmesi durumunda ise gerekli kararlar alınmaktadır. Geoteknik mühendisliği uygulamalarında aletsel gözlem sistemi ile elde edilen veriler olası bir riski önlemek ve ekonomik tasarım gerçekleştirmek için fayda sağlamaktadır. Bu sistem içerisinde yer alan elemanlar sayesinde, kazı işleri sırasında, su seviyesi, basınç ve deplasman gibi değerler ölçülmektedir.
Bu çalışmanın amacı, arazi gözlemlerinin derin kazı uygulamalarındaki önemi ve faydasının gösterilmesidir. Bu çalışma kapsamında bir metro istasyonunun iksa sistemi ele alınmıştır. Söz konusu iksa sisteminin tasarım aşamasında öngörülen deplasman değerlerinin, uygulama aşamasında oluşan gerçek deplasman değerleri ile farklılıkları irdelenmiştir.
İksa sistemlerinde, her projenin çevre ve zemin koşullarına bağlı olarak izin verilebilir deplasman kriterleri bulunmaktadır. Çalışma kapsamında ele alınan metro istasyonunun derin kazı inşaatı sırasında, deplasman ölçer elemanlarından elde edilen veriler ile tasarımda öngörülen deplasman değerleri karşılaştırılmalı olarak takip edilmiştir. Bu deplasman ölçerlerden alınan veriler, kazı sırasında kritik değerlere ulaşmış ve uygulama projesine kazının güvenliğini sağlamak amacı ile müdahale gereksinimi duyulmuştur. Bu kapsamda saha gözlemleri yapılmış, arazi çalışmaları yeniden değerlendirilmiştir. Deplasman ölçerler ve öngörülen tasarım değerleri arasında tespit edilen uyumsuzlukların gerekçeleri irdelenmiş ve iki farklı varsayım ortaya konulmuştur.
Varsayımlar ayrı ayrı saha verileri ile değerlendirilmiş ve sahada gerçekleşen kritik durumu gerçeğe en yakın şekilde tarif eden yaklaşım üzerinde karar kılınmıştır. Belirlenen varsayım üzerinden, kazının güvenliğini sağlayacak şekilde 2 boyutlu sonlu elemanlar programı yardımıyla tasarım analizleri yeniden gözden geçirilmiş ve nihai hale getirilmiştir.
Yenilenen tasarıma uygun olarak, kontrollü bir şekilde saha çalışmalarına devam edilmiş ve nihai kazı seviyesine inilmesi sağlanmıştır. Nihai kazı kotuna ulaşılmasına rağmen, olası bir sorun ile karşılaşılmaması adına deplasman değerleri stabil hale gelene kadar gözlemlere devam edilmiştir.

Abstract:
The demand for building high and deep structures in residential areas has increased over the years and deep excavations are required to construct these buildings. These deep excavations must be supported in order to ensure excavation safety and prevent incidents in the surrounding structures. Construction method and geotechnical conditions are also important for the excavation to be carried out safely and without causing any problems in the environment. Accordingly, the selection of support elements for a deep excavation, their size and the geometry of the excavation should be determined in the design.
In order to support a deep excavation safely, deep excavation support systems should be designed considering the surrounding conditions and structures. Due to unpredictable geotechnical uncertainties in these environmental conditions, critical situations may occur in the field. Some geotechnical uncertainties can be such as layered soils, non-homogeneous and nonlinear behavior of the soil layers and groundwater table. As a result of these uncertainties, forces that affect the deep excavation support systems can be different than predicted in design. In addition to this,  strength parameters of soils that are obtained can be lower than expected.
Geotechnical monitoring system and the data obtained from the elements of this system are used to verify the design assumptions. With this system, control of the deep excavation works is ensured. Furthermore if critical condition occurs on the support systems, necessary decisions can be taken to ensure safety conditions. In geotechnical engineering applications, the data obtained by geotechnical monitoring system is beneficial for avoiding a possible risk and costructing economic on design. During excavation; water level, pressure and displacement can be measured by the instrumention the geotechnical monitoring system.
The data obtained from geotechnical monitoring systems can be used as confirmation of the design assumptions. It is ensured that construction works are kept under control with instrumental observation systems. In geotechnical engineering applications, the data obtained from these systems are useful for avoiding a possible risk and achieving on economic design. Elements included in this system are inclinometers (horizontal displacement transducers), extensometers (vertical displacement transducers), piezometers (water pressure transducers) and straingaugs (strain gauge)(Dunnicliff, 1993).
The aim of this study is to show the importance and benefit of monitoring methods in deep excavation applications. In this study, the deep excavation support systems of a subway station is discussed. Displacement values foreseen during the design phase of the deep excavation support systems are compared with the actual displacement values that one observed by the geotechnical monitoring system during the application of this system.
In shoring systems, permissible displacement criteria are determined depending on the environmental and ground conditions of each project. In each project, two different limit displacement values are defined as warning and critical levels. The warning level is a non-critical but significant displacement values are obtained. Where displacements reach the warning level, field data should be examined more frequently. A shoring system that reaches the warning level can switch to the warning level in an instant. The warning level is defined as the maximum acceptable displacement value. In a deep excavation that reaches the critical level, the application should be stopped and the calculations should be reviewed in the light of the measurements (Dunnicliff, 2012).
During the mentioned deep excavation construction of the subway station, the actual data obtained from geotechnical monitoring system and the data that foreseen during desing phase are compared. During this follow-up period, it was found that the readings of the inclinometer reached the warning level at the middle levels of the depth of the excavation system. Excavation depth is 27 m and depth reached to warning level is 16m-18m.
While the excavation has contiuned, actual data obtained from these displacement transducers reached warning level during excavation and there was a need to intervene in order to ensure the safety of the excavation. After intervention, field observations were continued and field studies were re-evaluated to understand the reasons behind discrepancies between actual obtained data and foreseen data. When fields studies and field observations are complete, two different assumptions were put forward.
When the values taken from the inclonometer are examined in the whole excavation depth, it is seen that the design values are consistent with the actual values except the region where the displacement increases. There was only an increase in displacement between 16m and 18m, which caused the system to reach the warning level. The purpose of selecting the approaches to be determined is to determine the cause of the displacement change between 16m and 18m depths.
The first approach is the assumption that the entire ground unit between the depth reaching the critical displacement level and the ground elevation goes into the residual state. In the second approach, it is assumed that only the critical displacement change is observed between 1 and 1.5 m, not the part from the ground level up to the depth of the warning level. 
Each assumptions were evaluated with the field conditions and the approach that most closely describes the critical situation in the field in mind. Afterward,  analyses were revised and finalised based on the decided assumption with the help of the 2D finite element method and construction continued accordingly.
Additionally; the structural elements of the support system is also examined. Even if support system is constructed in three stages, the results will be investigated if a single-stage support system is applied. The single-stage support system was selected as anchored, when the results of the analyzes were evaluated, it was observed that the horizontal displacement values in the support system exceeded the limit displacement condition. It was concluded that a single-stage and anchored system would not work well under these ground condition and single-staged support system was not considered.
The field works started accordingly to the renewed design and excavation is complete at the planned level. Although the planned excavation level was reached, the observations continued until the displacement values stabilized in order to avoid any potential problems.
As a result of with this study, during the construction of a deep excavations, geotechnical monitoring systems had the observation of displacements and if a critical value is reached neccessary precautions can be taken. It is essential to observe the deep excavation support systems is explained and how geotechnical monitoring systems helps the observation. Each data that obtained from this monitoring system can point out steps to be taken to ensure safety in building phase.