Zemin çivili duvarların üç boyutlu sayısal analizi ve makine öğrenmesi yaklaşımı
Three dimensional numerical analysis of soil nailed walls and machine learning approach
Yazar: SEMİHA POYRAZ
Danışman: DOÇ. DR. İSA VURAL
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Derin kazı çalışmalarında deplasmanları azaltmak ve stabiliteyi arttırmak için iksa yapılarına ihtiyaç duyulmaktadır. Zemin çivili duvarlar kazı çalışmalarında zeminin kayma mukavemetini arttırmak, deplasmanları azaltmak ve zemini kararlı hale getirmek için uygulanan iksa sistemleridir. Diğer iksa sistemlerinde olduğu gibi zemin çivili duvarlarla desteklenmiş kazı çukurları da doğası gereği üç boyutlu ortamlardır. Çalışma kapsamında zemin çivili duvarın gerçeğe en yakın şekilde temsil edilebilmesi amacıyla üç boyutlu araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla Tepe AVM projesi zemin çivili duvarın zemin, geometri, çivi uygulama koşulları ile uyumlu Plaxis 2D v.23 iki boyutlu ve Plaxis 3D v.23 üç boyutlu sonlu elemanlar model örnekleri oluşturulmuş ve inklinometre ölçüm sonuçları ile model doğruluğu sağlanmıştır.
Parametrik araştırmalar aşamasında öncelikle kazı çukuru boyutlarının deplasmanlar ve köşe etkisini temsil eden düzlem-gerinim oranı (PSR) üzerine etkisi ortaya koyulmuştur. Ardından Plaxis 3D v.23 yazılımı ile 336 adet düzlem-gerinim dilim model ve 336 adet üç boyutlu modeller oluşturulmuştur. Gerçekleştirilen parametrik analiz çalışmaları ile arka şev açısı (β), iksa duvar açısı (α), çivi boyu (L/H), kazı derinliği (H) ve köşeden uzaklık (xH) değişken koşulları altında zemin çivili duvarların deplasman ve güvenlik sayısı yönünden nasıl etkilendiği belirlenmiştir. Bununla birlikte zemin çivili duvarlarda düzlem-gerinim oranı (PSR) ve köşe etkisi belirlenmiştir. Aynı değişken koşullara bağlı olarak çivilere gelen maksimum eksenel kuvvetlerin köşeden uzaklaştıkça nasıl değiştiği tespit edilmiştir. 
Düzlem-gerinim ve üç boyutlu modellerde yapılan deplasman ve güvenlik sayısı sonuçları üzerinde Pearson korelasyon analizi yapılmıştır. Korelasyon analizleri ile her bir parametrenin ikili monotonik ilişkisinin gücü ve yönü saptanmıştır. Ardından makine öğrenmesi yöntemleri olan; yapay sinir ağları (ANN), sınıflama ve regresyon ağacı (CART), destek vektör regresyonu (SVR), ekstrem gradyan artırma (XGBoost) ve hafif gradyan artırma (LightGBM) tahmin modelleriyle %99 güvenilirliği kanıtlanmış deplasman, güvenlik sayısı ve çivi boyu tahmin çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışması ile zemin çivili duvarlarda deplasmanlar, güvenlik sayısı ve çivilere gelen maksimum eksenel kuvvetlerin (köşe etkisini de dikkate alarak) üç boyutlu koşullar altında davranışı belirlenmiştir. Zemin çivili duvarların tasarımlarında kılavuz oluşturabilecek bir çalışma ortaya koyulmuştur.

Anahtar Kelimeler: Zemin çivisi, Zemin çivili duvar, Plaxis 3D, Yanal deplasmanlar, Güvenlik sayısı, Sonlu elemanlar analizi, Köşe etkisi, PSR, Makine öğrenmesi

Abstract:
In deep excavations, shoring structures are needed to reduce displacements and increase stability. Soil nailed walls are shoring systems applied to increase the shear strength of the soil, reduce displacements and stabilize the ground in excavation works. As with other shoring systems, excavation pits supported by soil nailed walls are inherently three-dimensional environments. Within the scope of the study, three-dimensional research was carried out to represent the soil nailed wall as realistically as possible. For this purpose, Plaxis 2D v.23 two-dimensional and Plaxis 3D v.23 three-dimensional finite element model samples compatible with the soil, geometry and nail application conditions of the Tepe AVM project soil nailed wall were created and model accuracy was ensured using inclinometer measurement results.
In the parametric research phase, the effect of excavation pit dimensions on displacements and plane-strain ratio (PSR), which represents the corner effect, was first examined. Then, 336 plane-strain slice models and 336 three-dimensional models were created using Plaxis 3D v.23 software. The parametric analysis studies determined how the soil nailed wall were affected in terms of displacement and safety factor under the variable conditions of back slope angle (β), wall angle (α), nail length (L/H), excavation depth (H) and distance from the corner (xH). In addition, the plane-strain ratio (PSR) and corner effect were determined in the soil nailed walls. The variation of maximum axial forces on the nails as the distance from the corner increased depending on the same variable conditions was also identified. 
Pearson correlation analysis was performed on the displacement and safety factor results in plane-strain and three-dimensional models. The strength and direction of the binary monotonic relationships between each parameter were identified using correlation analysis.  Then, displacement, safety factor and nail length estimation studies with 99% reliability were carried out with machine learning methods, artificial neural networks (ANN), classification and regression tree (CART), support vector regression (SVR), extreme gradient boosting (XGBoost) and light gradient boosting (LightGBM) estimation models. In this thesis study, the behavior of displacements, safety factors, and maximum axial forces on the nails (considering the corner effect) in soil nailed walls under three-dimensional conditions was determined. This study offers guidance that can be used in the design of soil nailed walls.

Keywords: Soil nail, Soil nailed wall, Plaxis 3D, Lateral displacements, Safety number, Finite element analysis, Corner effect, PSR, Machine learning