Zemin çivisi ile güçlendirilmiş şevlerin gerilme-deformasyon esaslı yöntemler ile değerlendirilmesi
Evaluation of slope reinforced with soil nail by stress-strain based methods
Yazar: AKIN GÖKGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA KUBİLAY KELEŞOĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Sonlu farklar yöntemi = Finite differences method ; Zemin çivisi = Soil nail ; Şev kararlılığı = Slope stability

Özet:
Günümüzde şev yenilmelerini engellemek amacıyla zemin çivili destek sistemleri ekonomik avantajları ve imalat hızları nedeniyle oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür dayanma yapıları için yapılan tasarımlarda limit denge ve sonlu elemanlar analizleri kullanılarak hem güvenlik sayısı (FoS) hem de çivi kuvvetleri hesaplanmaktadır. Güvenlik sayısı hesaplarında kullanılan iki boyutlu limit denge analizlerinin (LEM) esası göçme yüzeyi üzerindeki zemin kütlesinin kuvvet veya moment dengesini hesaplamak olduğu için şev hareketleri hakkında herhangi bir bilgi vermemektedir. Bu nedenle son zamanlarda şev stabilite analizlerinde oldukça popüler olan mukavemet azaltma yöntemi (SRM) kullanılmaktadır. Bu yöntem, şevde yenilme meydana gelene kadar kayma mukavemeti parametrelerinin sistematik bir şekilde azaltılması tekniğine dayanır. Göçme durumunda meydana gelen kayma yüzeyi LEM'in aksine önceden belirlenmediği için gerçeğe daha uygundur. SRM analizi ile güvenlik sayılarının yanı sıra olası kayma yüzeyi, zemin kütlesi ve çivilerin deformasyonu hakkında bilgi edinilebilir. İlaveten şev geometrisi ve destek elemanları da ayrıntılı bir şekilde modellenebilir.
Zemin çivili sistemler genellikle püskürtme beton yüzeyine yerleştirilen çelik plaka ile bağlantı yapılarak uygulanmaktadır. LEM hesaplarında püskürtme betonunun ve çelik plakanın olası olumlu etkileri hesaba katılamaz. Ayrıca zemin çivisi elemanlarına öngerme uygulanmadığı için bu tip destek elemanlarının kullanıldığı uygulamalarda diğer iksa sistemlerine kıyasla daha yüksek deplasman değerleri gözlenir. Tüm bu etkileri gerçekçi bir şekilde hesaba katabilmek amacıyla problemi oluşturan betonarme, çelik ve doğal zemin/kaya malzemelerin gerilme–şekil değiştirme davranışının tanımlanabildiği sayısal yaklaşımlar sıklıkla kullanılmaktadır. FLAC3D sonlu farklar yazılımı problemi oluşturan malzemelerin ve inşaat aşamalarının rahatlıkla tanımlanabildiği bir araç olarak bilinmektedir. Gerçekçi ve saha ile uyumlu temsili bir sayısal model oluşturabilmek amacıyla zemin çivili sistemin tüm ana elemanları; çelik donatı, enjeksiyon harcı, püskürtme beton kaplaması ve çivi başlık plakası ayrıntılı olarak modellenmiştir. Hazırlanan sayısal modelin doğruluğu ve geçerliliği, literatürde çok iyi bilinen saha çalışmalarının sonuçlarıyla ve genel kabul görmüş birçok sayısal model çalışmalarıyla kıyaslanmıştır. Kıyaslama analizlerinde hesaplanan göçme yüzeyleri, güvenlik sayıları ve çivi kuvvetleri incelendiğinde literatürle kıyasla oldukça iyi sonuçlar elde edildiği görülmüştür.
Doktora çalışması kapsamında ilk olarak püskürtme beton kaplaması ve başlık plakası etkileşiminin şev stabilitesi üzerindeki etkisinin araştırılması hedeflenmiştir. Bu amaçla farklı şev açıları, yükseklikleri, çivi uzunlukları ve başlık plakası durumları için analizler yürütülmüştür. Sonuç olarak güvenlik sayıları, kayma yüzeyleri, deformasyon miktarları ve çivilere gelen kuvvetler incelenmiştir. Sonraki adımda zemin çivili duvarlarda servis yükleri altında çivilerin maruz kaldıkları maksimum eksenel kuvvetleri etkileyen parametreleri belirlemek için FLAC3D ile modelleme yapılarak birçok sayısal analiz yürütülmüştür. Zemin çivisi uzunlukları, çivi eğimleri, başlık plakası ebatları, püskürtme beton kaplama kalınlıkları, püskürtme beton kaplama rijitliği ve zemin parametreleri gibi birçok değişkenin dikkate alındığı üç boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlarla FHWA tarafından önerilen tasarım eğrisinin daha efektif kullanılmasına yönelik önerilerde bulunulmuştur. Son bölümünde, SRM ile analiz edilen zemin çivili ayrışmış kaya şevler için seçilen göçme kriterinin önemini ortaya koyan bir çalışma yürütülmüştür. Kaya şevler için yapılan stabilite analizleri çoğunlukla doğrusal olmayan Hoek-Brown göçme kriterinin doğrusal eş değer Mohr-Coulomb (MC) göçme kriteri olarak tanımlanmasını esas alan bir yaklaşımla gerçekleştirilir. Ancak kaya kütlelerinin doğrusal olmayan yenilme davranışı sergilediklerini ve MC göçme kriteri ile gerçekçi bir şekilde tanımlanmadığını ortaya koyan birçok güncel çalışma bulunmaktadır. Bu durumu incelemek üzere farklı ayrışma seviyelerine ve minerolojik özelliklere sahip zemin çivili şevler için SRM yaklaşımlarıyla analizler yürütülmüş ve göçme kriterinin sonuçlar üzerindeki göz ardı edilemez etkileri ortaya konulmuştur.
Elde edilen sonuçlara göre yüksek eğime sahip ya da kritik dengede olan şevler için yapılan analizlerde kaplama ve çivi başlık plakasının da dikkate alınması hesaplanan FoS değerleri, kayma düzlemleri ve çivi kuvvetleri bakımından etkilidir. Bu bakımdan SRM yaklaşımı LEM'e göre çok daha avantajlıdır. FHWA tarafından önerilen tasarım zarfının daha gerçekçi ve ekonomik sonuçlar verebilecek şekilde revize edilebileceği ortaya konulmuştur. Ayrıca normalize edilmiş maksimum çivi kuvvetlerini tahmin eden mevcut yöntemleri destekleyici ve daha etkili kullanımlarını sağlayan önerilerde bulunulmuştur. Zemin çivili ayrışmış kayaların stabilite analizlerinde seçilen göçme kriteri, FoS değeri ve göçme yüzeyi bakımından son derece önemlidir ve özellikle artan şev eğimiyle iki farklı yaklaşımla hesaplanan FoS değerleri arasındaki fark artmaktadır. Bu nedenle, elde edilen sonuçların tasarımcılar için önemli ipuçları içerdiği ve tasarım sürecine ait önemli konulara açıklık getirdiği düşünülmektedir.

Abstract:
In order to prevent slope failures, soil nailed support systems are widely used due to their economic advantages and construction speed. Both factor of safety (FoS) and nail forces are calculated by using limit equilibrium and finite element analyzes in design for this type of support systems. The most common method used to calculate the factor of safety of slopes is two-dimensional limit equilibrium analysis (LEM). Since the basis of the two-dimensional limit equilibrium analyzes (LEM) used in the the factor of safety calculations is to determine the force or moment balance of the soil mass on the failure surface, it does not provide any information about the slope movements. For this reason , strength reduction method (SRM) is very popular in slope stability analysis. This method is based on the technique of reducing the shear strength parameters systematically until slope failure occurs. Since the slip surface which occurs in failure is not predetermined, it is more realistic than LEM. SRM analysis not only provides information about possible slip surface but also the deformation of the soil mass and the soil nails, as well as factor of safety can be obtained. In addition, slope geometry and support elements can be modeled in detail by this method.
Soil nail are generally connected with the steel plate placed on a shotcrete surface. Possible positive effects of shotcrete and steel plate cannot be taken into account in calculations executed with LEM. In addition, since prestress loads are not applied to soil nails relatively higher displacements are likely to observed in such support systems. In order to take all these effects into account realistically; numerical analyses are frequently used where the stress-strain behavior of reinforced concrete, steel and natural soil/rock materials could be defined. FLAC3D finite difference software is a well-known tool that can effectively define the materials and construction stages of such a problem. In order to create a realistic and representative numerical model the key parts of the soil nail system i.e. steel reinforcement, injection, shotcrete and steel plate are modeled in detail. The accuracy and validity of the FLAC3D numerical model was demonstrated both with the results of well-known field tests and with many other generally accepted numerical model studies that exist in the literature. Based on the result of the validation analyses such as the failure surfaces, factor of safety values and the nail forces, it was seen that quite good results were obtained compared to the cases described in literature.
Within the scope of this research initially, both the influence and the interaction of the shotcrete and bearing plate on slope stability was investigated. For this purpose, analyzes were carried out for different slope angles, slope heights, nail lengths and plate head conditions. As a result factor of safety, failure surfaces, the magnitude of the displacements and the axial forces on soil nails were examined. Secondly, parametric analyzes were carried out to determine the factors that influence the maximum axial forces on soil nails. Three-dimensional analyzes were carried out, taking into account the variables such as length and the inclination of the soil nails, head plate size, shotcrete thicknesses, shotcrete stiffness and soil parameters. With the results obtained in this study, insights were made for more effective use of the design curve proposed by FHWA. In the last part of this thesis, a study was also carried out to reveal the importance of the failure criterion for soil nailed weathered rock slopes analyzed by the strength reduction method. Stability analyzes of rock slopes are generally carried out by using the nonlinear Hoek-Brown failure criterion to be defined as the linear equivalent Mohr-Coulomb failure criterion. However, there are many recent research that rock masses exhibit nonlinear behavior and are not defined realistically by the Mohr-Coulomb failure criterion. In order to understand the discrepancy between two failure criterion, analyzes were carried out with SRM for soil nailed slopes with different weathering levels and mineralogical properties where the influence of the failure criterion on the results were clearly revealed.
Based on the obtained results, as the shotcrete and nail head plate is modelled in the finite difference analyzes; FoS values failure surfaces and nail forces are greatly influenced particularly for steep slopes and critically safe slopes. In this respect, SRM is much more advantageous than LEM. It has been shown that the design envelope proposed by FHWA can be modified to yield more realistic and economic results. In addition, suggestions were made to support and more effective use of existing methods that predict normalized maximum nail forces. The failure criterion in the stability analysis of soil nailed weathered rocks is extremely important in terms of FoS value and failure surface, and the differences between the calculated FoS values with two different approaches increase particularly for steep slopes.Thus, the results of this study are thought to provide some guidelines for designers, and to bring insight into the key topics related to the design process.