Eksenel yüklü tekil fore kazıkların oturması üzerine bir inceleme
An investigation about settlement analysis of axially loaded single piles
Yazar: MUSTAFA MERT
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TUĞRUL ÖZKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Fore kazık = Bored pile ; Statik yükleme = Static loading ; Tekil kazık = Single pile

Özet:
Geleneksel temel mühendisliği uygulamalarında sürekli temel ve radye temellerde oturmaları minimize etmek amacıyla kazıklar imal edilmektedir. Ancak kazıklarda oturma analizleri yeterince yaygınlaşmış değildir. Temel mühendisliğinde genel olarak kazık taşıma güçleri hesaplanmaktadır. Hesaplanan kazık taşıma gücü, kazıklara gelen yükten fazla ise kazık tasarımının doğru olduğu kabul edilir. Bir başka deyişle kazık taşıma kapasitesinin yeterli olması durumunda diğer etkenler göz önüne alınmaz. Sadece kazık kapasitelerini hesaba katarak yapılan tasarımlar güvenli ve ekonomik değildir. Bütün kazık tasarımlarında, kazık taşıma gücü hesaplarına ek olarak oturma analizleri de yapılmalıdır.
Tez çalışması kapsamında eksenel yüklü tekil sürtünme kazıkları için yeni bir oturma analiz yöntemi geliştirilmiştir. Yöntem bağıntılarının oluşturulması için 14 farklı kazık yükleme deneyi incelenmiştir. İncelenen test kazıkları farklı bölgelerde imal edilen sürtünme kazıklarından oluşmaktadır. Söz konusu test kazıkları; İskenderun, Bakü, İzmir, Basra, Bağdat, İstanbul'da yer almaktadır. İncelenen test kazıklarından 12 tanesi çapları 60 cm ile 200 cm arasında değişen dairesel fore kazık iken 2 tanesi dikdörtgen kesitli baret kazık tipindedir. İstanbul-Yenikapı ve İzmir bölgesinde incelenen 2 adet baret kazıktan birinin boyutları 280x100 cm iken diğer baret kazığın boyutu 280x120 cm'dir. İncelenen fore kazık yükleme deneylerinde test kazıkları, göçme durumuna kadar yüklenmiştir. Böylece yeni yöntem parametreleri fore kazığın hem elastik bölgedeki lineere yakın olan davranışını hem de göçme bölgesindeki hiperbolik davranışını modelleyebilmektedir. İncelenen kazıklar betonarme yerinde dökme (fore) kazık tipinde ve her biri sürtünme kazığıdır. Bu yüzden yeni yöntemin ülkemizde en yaygın kullanılan kazık tipi olan betonarme fore kazıklar için geçerli olduğu söylenebilir.
Çeşitli araştırmacılar tarafından tekil kazıkların oturma analizi için geliştirilen birçok farklı yöntem vardır. Bu yöntemler literatürde genel olarak 3 ana gruba ayrılmaktadır. Bunlardan birincisi yük-transfer yöntemleri, ikincisi elastik teoriye dayalı yöntemler ve üçüncüsü ise yaygın olarak kullanılan sonlu elemanlar yöntemini de içeren nümerik yöntemlerdir. Bu tez çalışması kapsamında elastik yöntemler ile yük-transfer yöntemleri üzerinde durulmuştur. Elastik yöntemlerden yaygın olarak bilinen 4 farklı yöntem incelenirken yük-transfer yöntemlerinden toplam 7 farklı yöntem incelenmiştir. Yük transfer yöntemleri genel olarak güncel yöntemlerden seçilmiştir. Güncel olan 4 farklı yük-transfer yöntemi ile de tez kapsamında incelenen 14 test kazığı üzerinde oturma analizleri yapılmıştır. Bu yöntemlere ilave olarak yaygın olarak bilinen 2 adet elastik teori yöntemi ile de kazık oturma analizleri yapılmıştır. Tez çalışmasının 5. bölümünde elastik teori ve yük-transfer yöntemleri ile yapılan oturma analizleri yer almaktadır. Yük-oturma analizleri sonucunda her bir yöntem ile tahmin edilen oturma değerleri hem birbirleri ile hem de deneylerden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. 
Tezin 6. bölümünde ise tez kapsamında geliştirilen yeni yöntem için 2 adet hiperbolik fonksiyonu sunulmuş ve hiperbolik fonksiyonlarda yer alan parametrelerin bağıntılarının nasıl elde edildiği açıklanmıştır. Yöntemdeki hiperbolik fonksiyonlar kazık yük-oturma grafiğini ikiye ayırarak belirlenmiştir. Bu fonksiyonlardan ilki yük-oturma grafiğinin başlangıç kısmını tanımlarken ikincisi yük-oturma grafiğinin bitiş kısmını tanımlamaktadır. Böylece yeni yöntem ile kazığın düşey yöndeki linner olmayan davranışını gerçeğe yakın bir şekilde modellenebilmektedir. Tanımlanan iki adet hiperbolik fonksiyonda yer alan 4 adet parametrenin bağıntıları tez kapsamında incelenen 14 farklı kazık yükleme deney sonuçları ile ilişkilendirilerek elde edilmiş ve bağıntı katsayıları her bir deney üzerinde hesaplanmıştır. Hesaplanan katsayılar genel olarak birbirine yakın elde edilmiştir. Yöntem katsayıları elde edilen bu katsayıların ağırlıklı ortalaması alınarak belirlenmiştir. Elde edilen bu katsayılar bağıntılarda yerine koyularak yöntemin akış şeması oluşturulmuştur. Yöntemde kritik olan durum ise yöntemde belirlenen iki hiperbolik fonksiyonun nerede birbirinden ayrılacağı sorunudur. Yeni yöntem için yapılan çalışmalarda bu ayrımın kazık toplam taşıma gücünün %70'ine karşılık gelen yük değerinde yapılacağı belirlenmiştir. Kazık toplam taşıma gücünün %70'ine kadar olan bölgede yük-oturma grafiğinin ilk kısmını modelleyen hiperbolik fonksiyon kullanılırken Kazık toplam taşıma gücünün %70'ine karşılık gelen yükten büyük olan yük değerlerinde ise yük-oturma grafiğinin bitiş kısmını modelleyen diğer hiperbolik fonksiyon kullanılmıştır. Ancak yeni yöntem hesaplarında belirlenen bağıntılarla bazı kazıklarda yapılan oturma analizlerinde kritik yüke karşılık gelen yük-oturma grafiğini ilk kısmındaki oturma (s_1) değeri grafiğin ikinci kısmındaki oturma değerinden büyük (s_2) elde edilmiştir. Bu durumlarda kritik yük (P_kr) değeri s_2 değerinin s_1 değerini geçeceği yüke kadar çıkarılmıştır. 6. Bölümün sonunda ise yeni yöntemin akış şemasına uygun şekilde incelenen 14 test kazığı üzerinde oturma analizleri yapılmış ve bu analizler hem deneyde ölçülen değerler ile hem de yük-trasfer yöntemleri ile elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır.   
Tezin 7. Bölümünde yer alan sonuç ve öneriler kısmında ise yapılan karşılaştırmalar ile ilgili değerlendirmeler yer almaktadır. Tez kapsamında geliştirilen yöntem ile yapılan oturma analizleri sonucunda elde edilen oturma değerlerinin genel olarak deney sonuçlarına yakın elde edildiği söylenebilir. Yeni yöntemin sağlamasının yapılması için literatürden alınan 9 yükleme deney datası üzerinde de yeni yöntem ile oturma analizi yapılmıştır. Bu deneylerden 7 tanesi dairesel fore kazıklar üzerinde uygulanırken 2 tanesi baret kazıklar üzerinde üstten yüklemeli olarak uygulanmıştır. Yeni yöntem ile tahmin edilen oturma değerlerinin deney sonuçlarına oldukça yakın çıktığı görülmüştür. 
İncelenen bütün kazıklardan elde edilen sonuçlar birbirleri ile boy/çap oranlarına göre de değerlendirilmiştir. Kritik yüklere karşılık gelen hesaplanan ve ölçülen oturma değerlerinin arasındaki yüzdesel farklar kazık boy/çap oranının 30 ile 60 değerleri arasında olduğu durumlarda daha az çıkmıştır. Kazık boy/çap oranının 30 ile 60 arasında olması durumunda yeni hiperbolik yöntemden elde edilen sonuçların daha uygun olduğu söylenebilir. 
Sonuç olarak tekil sürtünme kazıklarnın oturma analizi için geliştirilen yeni hiperbolik yöntemin normal (60-100cm) ve büyük çaplı (120-200cm) betonarme fore kazıklar üzerinde uygulanabilir olduğu söylenebilir. 
Yeni geliştirilen yöntemin incelenen diğer yük-transfer yöntemlerinden farkı uygulama alanının daha az kapsamlı olması ancak diğer yandan diğer yöntemlere göre uygulamasının daha pratik olmasıdır. Zemin birimleri oldukça heterojen bir yapıya sahipken diğer yöntemler bu birimler için deformasyon parametreleri belirleyerek hesaplar yapmaktadır ancak zemin kayma modülü ve elastisite modülünü doğru bir şekilde belirlemek oldukça güçtür. Bu yöntemin avantajı bu değerlere bağlı kalmadan sürtünme kazıkları için sabit deformasyon parametrelerini kazık boyutuna ve kazık toplam taşıma gücü değerine bağlayarak oturma analizi yapılmasına olanak sağlamasıdır. Dezavantajı ise bütün kazık ve zemin tipleri için geçerliliği olmamasıdır. Diğer yük-transfer yöntemlerine alternatif olarak betonarme fore kazık oturma analizini kontrol etmek amacı ile pratik ve uygulanabilir bir yöntemdir.

Abstract:
Very often, only bearing capacity calculations are done for the design of piled foundations. However, pile settlement calculations are of prime importance and are considered as a part of pile design. In practice, there are pile applications damaged due to large settlement, where the piles have sufficient capacity.
This study describes a new hyperbolic method based on load transfer method for settlement analysis of axially loaded single friction piles. The new method is obtained by examining 14 pile load tests. The examined test piles were loaded until the piles were failed, and they were chosen from friction bored piles having variable diameters from 0.6 to 2.0 m and located in different geographical regions which are Istanbul, Iskenderun, Baghdad, Basra, Baku and Izmir. Twelve of these test piles were circular bored piles, and two of them were barrette piles. Twelve of these test piles were instrumented. Osterberg cell test was applied to the 4 of these piles, and the top loading method was applied to the others. Pile loading tests are generally selected from the failure tests to develop the method proposed in the study and to assess the accuracy of the method. Load transfer mechanism and shaft resistance along the pile are obtained by strain gauges placed into the test piles which is an important procedure for evaluating load transfer mechanism and settlement analysis. From the mechanical point of view, the axial strain along the pile axis at various sections is measured by the strain gauges and axial load of the pile at the corresponding sections, and its variation along the pile axis can be evaluated by using the axial rigidity of the pile and the axial strain measured. 
There are several methods for settlement analysis of single piles developed by many researchers. In literature, these methods are examined in three main categories which are the load transfer method, the elastic theory method, and the numerical analysis method including finite element. In the scope of this thesis, load transfer method and elastic theory method are examined. While 4 widely used methods are examined from elastic theory method, 7 different method are examined from load transfer method in this study. Investigated load transfer methods are generally chosen from recent methods. Settlement analysis of 14 test piles are carried out by using 4 load transfer methods which are Fleming (1992), Bohn et. al. (2016), Zhang et. al. (2016) and Boonyatee and Lai (2017) methods. Bohn et al. (2016), Zhang et al. (2016), Boonyatee and Lai (2017), and Fleming (1992) have developed models based on the load transfer method for predicting variations of axial load and friction force along the pile axis. In all of these models, settlement of the tip and the shaft of the pile are calculated by using the parameters depending on the ultimate tip and the ultimate shaft resistance of the pile. Additionally, settlement analysis of 14 test piles are carried out by using elastic theory methods which are the methods developed by Poulos an dDavis (1968) and Randolph and Wroth (1978). 
In the method of Alku and Ozkan (2006), a relationship between pile load and settlement is proposed by simplifying the load–settlement curves and by considering the relationship in two separate sections to capture the nonlinear behavior of the process. A new hyperbolic method presented for the analysis of single pile behavior under axial loads is based on hyperbolic variation described by Alku and Ozkan (2006). While the method developed by Alku and Ozkan (2006) is related to the evaluation of the pile load test results, the new hyperbolic method is developed for settlement analysis of single piles. In fact, the new method can be regarded as an extension of the method by Alku and Ozkan (2006) which gives the ultimate load. However, the new method yields an entire load–settlement behavior of the pile including the ultimate load. In the new proposed method, two different relationships between load and settlement are assumed similar to that of the method by Alku and Ozkan (2006). 
In the 5th part of the thesis, 2 hyperbolic functions which is obtained by Alku and Ozkan (2006) are presented for the new method developed within the scope of the thesis and how the relations of the parameters in the hyperbolic functions are obtained. The relations of the 4 parameters (a_1,〖 a〗_2,〖 b〗_1,〖 b〗_2) in the two defined hyperbolic functions were obtained by correlating them with the results of 14 pile loading tests examined within the scope of the thesis. In the relations of these parameters obtained 3 coefficients are calculated for each test piles. The calculated coefficients are generally obtained close to each other. Coefficients of these relations were determined by taking the weighted average of these coefficients. The flow chart of the method is created by substituting these obtained coefficients in the relations. The critical situation in the method is where the two hyperbolic functions determined in the method will be separated from each other. It has been determined that this seperation will be made at the load value corresponding to 70% of the ultimate bearing capacity of the pile. While the hyperbolic function modeling the first part of the load-settlement graph is used for up to 70% of the total load-bearing capacity of the pile, the other hyperbolic function that models the end part of the load-settlement graph is used for the load values that are greater than 70% of the ultimate bearing capacity of the pile. However, the settlement in the first part (s_1) of the load-settlement graph corresponding to the critical load was obtained greater than the settlement in the second part (s_2) of the graph in the settlement analysis performed on some piles with the relations determined in the new method. In this case, critical load of the pile (P_kr) is increased until the s_2 value exceeds the s_1 value. At the end of the 6th Section, settlement analysis of 14 test piles are carried out by using new method and these analyzes were compared with both the values measured in the load tests and the values obtained by the examined methods which are based on load-transfer method. 
The new hyperbolic method does not depend on deformation parameters of soil such as elasticity and shear modulus of soil (E_s and G_s) and Poisson's ratio of soil (v_s), which can be accepted an advantage of this method, unlike the methods developed by Fleming (1992), Zhang et al. (2016), and Boonyatee and Lai (2017). It is well known that these parameters are very difficult to determine, especially if sufficient number of laboratory and field tests has not been conducted. The main variable of new method is the ultimate load of the pile and if it is evaluated properly the load–settlement relationship can be predicted with an acceptable accuracy being close to the measurements.
The results of the pile settlement analysis and those of the pile load tests demonstrate that the new hyperbolic method yields accurate results for the most bored friction piles. The load settlement plots obtained by the new method match appropriately with measured values. Comparison of the numerical results which are given in the tables and illustrated in the plots clearly indicates that settlements predicted by the new hyperbolic method are generally close to the measured values. Generally, the settlements in the failure region are difficult to predict to the settlements obtained in the pile load tests. However, it is shown that the prediction of the new hyperbolic method in the failure region of load–settlement plots is very close as given for some test piles, such as Iskenderun and Baku test piles. There is also good agreement between measured and calculated settlement values of test pile which is examined to validate the new hyperbolic method. In the last part of the study, to validate the proposed method, a total of 9 load test data chosen from the literature were simulated. While 7 of the 9 load test data belong to circular bored piles, 2 of them belog to barrette piles. Test piles are bored circular concrete piles having variable diameters from 0.65 to 1.65 m and located in different geographical regions. The dimensions of the simulated barrette piles are 0.8x2.5 m and 1.5x3.0 m. Ultimate load of each simulated test piles was evaluated by using the method developed by Alku and Ozkan (2006). Then load-settlement plots of the simulated test piles were obtained  by using the hyperbolic variations of the new method. According to comparisons between the measured values it can be said that the agreement between the prediction and measurement is generally very good.
The calculated settlement values obtained from all examined piles were evaluated according to their length/diameter ratio. Percentage differences between calculated and measured settlement values corresponding to critical loads were found less when the pile length / diameter ratio was between 30 and 60 values. If the pile length / diameter ratio is between 30 and 60, it can be said that the results obtained from the new hyperbolic method are more appropriate.   
The difference of the proposed new hyperbolic method from other load-transfer methods is that its application area is less comprehensive, but on the other hand, its application is more practical than other methods. The proposed new hyperbolic method is more practical than the other examined methods, and the number of variables that the new method uses on is less than other examined methods.
The numerical results show that the new hyperbolic method is suitable for both large and common diameter bored friction piles. However, the new method is not able to produce predictions having acceptable accuracy, which indicates the behavior of these piles cannot be captured by using the assumption, on which the new method is based.