Derin kazılarda duvar ve zemin deplasmanlarına etki eden faktörler
Factors affecting wall and ground displacement in deep excavations
Yazar: MERVE KAHRAMAN
Danışman: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Derin kazı = Deep excavation ; Kazı destekleme sistemleri = Excavation support systems ; Zemin iyileştirme = Soil improvement

Özet:
Derin kazılar ve derin kazı destek sistemleri geoteknik mühendisliğinin en önemli araştırma konularından biridir. Derin kazı inşaatı sırasında kazının göçmesini ve komşu yapılarda kazıdan kaynaklı oluşabilecek hasarı önlemek için derin kazı destek sistemleri kullanılmaktadır. Düşey ve yatay olarak oluşturulabilen destek sistemleri, geçici veya kalıcı olarak inşa edilebilirler. Kazı destek sistemlerinin analizi ve tasarımında duvar deplasmanlarının ve duvar arkası zemin oturmasının doğru tahminleri önemli tasarım kriterleridir. Bu nedenle, zeminin kazıya hareketini doğru bir şekilde ele almak ve zemin hareketinin büyüklüğünü ve modelini tahmin etmek için analiz ve parametrik çalışma önemlidir. Duvar deplasmanlarının ve duvar arkası zemin oturmalarının izin verilen sınırlar içinde kalması sağlanarak tasarım yapılmalıdır. Bu tez kapsamında, derin kazı destek sistemlerini etkilediği düşünülen bazı parametreler PLAXIS 2D sonlu elemanlar programı kullanılarak parametrik olarak incelenmiştir. Bu tezde katı kil zeminle yapılan parametrik çalışmaların bir kısmı, daha önceden aynı sistem kullanılarak sıkı kum ile yapılan sonuçlarla karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Karşılaştırmalı grafiklerde, farklı öngerme kuvvetlerinin, farklı kazık çaplarının maksimum duvar deplasmanı ve maksimum duvar arkası zemin oturmasına etkisi her soket boyu için ayrı ayrı ele alınmıştır. Ayrıca kazık boyunca ve duvar arkası mesafe boyunca öngerme kuvvetinin, kazık çapının, m değerinin, aşırı konsolidasyon oranının, sürşarjın ve ankraj eğiminin duvar deplasmanları ve duvar arkasındaki zemin oturmasına etkisi incelenmiştir. Bu tezin ilk bölümünde, derin kazıların kullanımına duyulan ihtiyaç ve derin kazıların desteklenmesinin önemine değinilmiş ayrıca bu tezin kapsamından bahsedilmiştir. İkinci bölümde, derin kazı destek sistemleri olan yatay ve düşey destek sistemleri hakkında bilgiler verilmiştir. Tez çalışmasında kullanılan kazıklı duvarlar ve öngermeli zemin ankrajlarına daha detaylı yer verilmiştir. Kazık türleri ve kazıklı duvar yapım yönteminden bahsedilmiştir. Öngermeli ankrajların sınıflandırılması, malzemeleri ve ankrajların tasarım esaslarından detaylı olarak bahsedilmektedir. Üçüncü bölümde, destek sistemlerine etki eden yanal toprak basınçları detaylı bir şekilde anlatılmaktadır. Yanal toprak basınçları ile ilgili olan başlıca teorilere ek olarak çok sıralı destekli sistemlerde ön tasarım hesapları için geliştirilen çeşitli toprak basıncı dağımlarına da yer verilmiştir. Dördüncü bölümde, duvar deplasmanları ve duvar arkası zemin oturmalarının nasıl oluştuğu, derin kazı destek sistemlerinin tasarım ve analiz yaklaşımları, deplasman ve oturmaların hesaplanmasında önerilen metotlar ve önceki çalışmalardan bahsedilmiştir. Beşinci bölümde sonlu elemanlar yöntemi hakkında bilgi verilerek Plaxis 2D sonlu elemanlar programı tanıtılmıştır. Ayrıca zemin bünye modellerinden Mohr-coulomb, Hardening soil ve Hardening soil small strain modellerinden bahsedilmiştir. Altıncı bölümde ise analizlerde kullanılan sistemin özelliklerinden bahsedilmektedir. Seçilen sistemde stabilite tahkiklerinin yapımı anlatılmaktadır. Sistemde kullanılan zemin parametrelerinin literatürdeki kaynaklardan nasıl seçildiği anlatılıp ayrıca analizlerde kullanılmak üzere hesaplanan ankraj ve kazık parametreleri belirlenmiştir. Yedinci bölümde parametrik çalışma kapsamında incelenen faktörlerin analiz sonuçları tablolarda gösterilmektedir. Ayrıca duvar deplasmanları ve duvar arkası zemin oturmaları ayrı ayrı grafıkler halinde verilmektedir. Tezin son bölümünde ise tez kapsamında yapılan çalışmalar ve elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. Katı kilde yapılan analizler sıkı kum ile karşılaştırıldığında, katı kilde duvar deplasmanlarının sıkı kuma göre daha fazla olduğu bulunmuştur. Duvar arkası zemin oturmaları ise iki zeminde birbirine yakın ve küçük mertebelerde çıkmıştır. Her iki zemin tipinde de kazık çapının artması deplasman ve oturmaları her zaman azaltmamaktadır. Bu durum, farklı öngerme kuvvetleri, farklı kazık çaplarına göre her soket boyu için bu tezde araştırılmaktadır. Deplasman ve oturmalara etki eden ve bu tezde araştırılan bazı parametreler literatürdeki sınırlı kaynaklarla uyumlu sonuçlar vermiştir.

Abstract:
In many densely populated cities, there is a need for space and most of the buildings are located close together, which increases the tendency to build high-rise buildings. Designs that focus on deep excavations are becoming indispensable for most projects in cities. Deep excavations are widely used in urban areas with underground such as subway stations, basements of high-rise buildings, underground parking lots, shopping malls. Deep excavation phases can cause significant wall deformations and ground movements while also changing the stress state in the soil. Particularly when the excavation is close to adjacent substructure, ground movements from excavation should be carefully monitored and controlled within permissible limits to prevent damage. In order to reduce deformations and ground movements caused by excavation, an appropriate vertical and/or horizontal support system should be designed along with appropriate construction methods. As excavation depth increases in problematic soils, difficulties may arise in the exploration, design and construction of deep excavations. Therefore, the design should be made considering the post-production performance of deep excavations. Deep excavation support systems aim to secure not only the construction site but also the surrounding structures such as existing buildings, roads and infrastructure facilities. Pile walls are thinner and relatively more flexible, unlike traditional retaining walls, which are generally more rigid and rely on their own weight to resist turning and sliding. Pile walls have been successfully used to limit damage from ground movement. In the design of the deep excavation support system, the amount of wall displacement, the amount of ground settlement behind the wall and the mode of movement are important factors to be considered. The specific limits given in the literature for deep excavation support systems will play an important role in the design of the support system. In the design of the support system, the surrounding structures should be carefully examined and care should be taken not to exceed the permissible limits for these structures. Additional movements that may occur on the ground should be taken into account in the process from digging the ground to the construction of the support system. Otherwise, the excavation may result in collapse and cause significant damage to the surrounding structures. Therefore, special care should be taken when applying numerical analysis that take into account both the geotechnical and structural aspect to provide guidance for the construction phase. There are many factors that affect the performance of deep excavation support systems. Wall displacements and ground movements are affected by many factors such as soil type, stiffness of the support system, the effect of the distances between the support systems, the prestressing force applied to the anchor, wall type, groundwater level, pile socket length, surcharge, anchor slope, excavation type. Some of these parameters have a significant impact on deep excavation design, while others have less impact. In this thesis, some parameters that are thought to be effective in the design of deep excavations are discussed. The effects of pile diameter, prestress, pile socket length, m coefficient, overconsolidation ratio coefficient, surcharge and anchor slope on wall displacement and ground movement behind the wall were investigated with PLAXIS 2D finite element program. In this thesis, parametric studies were carried out in a 12 m long deep excavation designed on stiff clay soil in a system using tangent anchored piles. The soil parameters used were selected in accordance with the stiff clay soil by using the sources in the literature. In the parametric study, while examining the effect of one parameter, analyzes were carried out by keeping all other parameters constant. In this thesis, some of the parametric studies carried out on stiff clay soil were examined with the results previously performed with dense sand using the same system. In the comparative graphics, the effects of different prestressing forces and different pile diameters on the maximum wall displacement and maximum back-wall soil movement are discussed separately for each socket length. Also, as an additional parametric study within the scope of this thesis, the effects of prestressing force, pile diameter, m value, over-consolidation ratio, surcharge and anchor slope on wall displacements and behind the wall ground settlement were investigated along the pile and the distance behind the wall. It is also important to ensure that the examined system remains within the allowable displacement limits. The main purpose of this study is to investigate the effects of different parameters on the deep excavation performance supported by an anchored tangential pile wall and to interpret these effects according to the analysis results. In the first part of this thesis, the requirement for the use of deep excavations and the importance of supporting deep excavations were mentioned, and the scope of this thesis was also mentioned. In the second chapter, information about horizontal and vertical support systems is given. Pile walls and prestressed ground anchors used in the thesis are explained in more detail. Pile types and pile wall construction method are mentioned. Classification of prestressed anchors, their materials and design principles of anchors are mentioned in detail. In the third chapter, the lateral earth pressures affecting the support systems are explained in detail. In addition to the main theories related to lateral earth pressures, various earth pressure distributions developed for preliminary design calculations in multi row supported systems are also included. In the fourth chapter, how the wall displacements and ground movements behind the wall occur, the design and analysis approaches of deep excavation support systems, the proposed methods for the calculation of displacements and settlements, and previous studies are mentioned. In the fifth chapter, information about the finite element method is given and the Plaxis 2D finite element program is introduced. In addition, Mohr-coulomb, Hardening soil and Hardening soil small strain models, which are constitutive models, are mentioned. In the sixth chapter, the system used in the analysis is introduced. The calculation of stability verifications in the selected system is explained. It was explained how the soil parameters used in the system were selected from the sources in the literature, and also the anchor and pile parameters calculated to be used in the analysis were determined. In the seventh chapter, the results of the analysis of the parameters examined within the scope of the parametric study are shown in the tables. Furthermore, the wall displacements and the soil settlements behind the wall are given in separate graphs. In the last part of this thesis, the studies carried out within the scope of the thesis and the results obtained are summarized. When the analyzes made in stiff clay are compared with dense sand, it was found that the wall displacements in stiff clay are higher than in dense sand. Behind the wall soil settlements of the two soils were close to each other and in small orders. In both soil types, increasing pile diameter does not always reduce displacement and settlements. This case is investigated in this thesis for different pile embedment depth and prestressed force according to pile diameters. Some parameters that affect displacement and settlements and investigated in this thesis gave results consistent with the limited resources in the literature.