Kum zeminlerde, yatay yüklü baret kazıkların davranışının belirlenmesi
Determination of behaviour of barrette piles under lateral load in sand
Yazar: MURAT OKAR
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, 2018
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Yapı temellerinin, genel olarak iki koşulu sağlaması gereklidir. Birinci koşul, temelin göçmeden yapı yüklerini taşımasıdır (taşıma gücü koşulu). İkinci koşul, temelin yapı yüklerini aşırı oturmalara maruz kalmadan taşımasıdır (oturma koşulu). Yapı yüklerinin büyüklüğü ve zemin özelliklerinin elverişli olması durumunda, yüzeysel temel oluşturulur. Zeminin, yapısal yüklerden gelen gerilmelerini göçmeden ve aşırı oturmalar meydana gelmeden taşıyamaması durumunda, derin temeller tercih edilir.
Baret temeller, yapı yüklerini zeminin derin tabakalarına taşıtmak için kullanılan bir derin temel türüdür. Baret temellerin tasarımı derin temel çeşidi olan kazıklı temellerle aynıdır. Baret temel, özel kesitlere sahip olan fore kazık olarak düşünülebilir. Tasarımda, göçmeye karşı güvenliğin bulunduğu, ayrıca servis yüklerinin meydana getireceği oturmaların kabul edilebilir bir sınırı aşmadığı gösterilmelidir.
Günümüzde, yüksek yapılar, geniş açıklıklı köprüler, metro inşaatları, havalimanları, deniz limanları, stadyumlar gibi büyük yapıların inşaatlarına ihtiyaç gittikçe artmaktadır. Bu yapılarda, zemine aktarılan yükler oldukça yüksek mertebelerdedir. Bu durum, derin temel ihtiyacını arttırmıştır. 
Baret temeller fore kazıklara benzeyen fakat daha avantajlı olan derin temel tipidir. Aynı miktarda malzeme ile (demir ve beton) daha çok taşıma kapasitesi elde edilir.
Yapılardan gelen eksenel yüklerin yanı sıra, yanal yükerin etkileri de araştırılmalıdır. Baret temeller, yapıdan kaynaklanan eğik yükler, rüzgar, toprak basıncı, su basıncı, deprem, gemi çarpaması gibi yanal yükleri taşımak üzere teşkil edilir. Yapılan deneylerle, eksenel ve yatay yük etkisiyle ilgili çok sayıda önemli bilgi elde edilmiştir. Bu güne kadar eksenel yük altındaki kazıklı temellerin davranışı, yanal yük altındaki kazıklı temellere göre daha geniş şekilde incelenmiştir. Yanal yüklü kazıklı temel davranışını anlamak için daha fazla incelemeye gereksinim vardır. 
Bu tezde, kazıklı temeller ile ilgili bilgi verildikten sonra, tezin konusu olan baret temeller anlatılmıştır. Daha sonra tasarım yöntemi ile ilgili bilgi verilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar incelenmiş ve bunlardan bazıları anlatılmıştır. Yapılan çalışmaların deney düzenekleri ve elde edilen sonuçlar anlatılmıştır. Deneyde kullanılacak kum için yapılan laboratuvar deneyleri ile zeminin özellikleri belirlenmiştir. Baret kazık modelinin yanal yüklenmesi için deney düzeneği tasarlanmış ve tasarlanan deney düzeneğinin parçaları ve amaçları detaylı olarak anlatılmıştır. 
Bu çalışmada, baret temellere etki eden yanal yükün etkisi, sıkı kum ve gevşek kum zeminde incelenmiştir. Üç tip kazık tipi için deneyler tekrar edilmiştir. Deneyde kuru kum kullanılmıştır. 
Deplasman ölçer, birim deformasyon ölçer, ve yük hücresi kullanılarak, model kazığın deplasman miktarı, birim deformasyon miktarı ve kazığa gelen yük miktarı, bilgisayara aktarılmıştır. Veri kaydetme ünitesi (data logger) ile veriler bilgisayarda kaydedilmiştir. Bu cihazlar deney yapılmadan önce kontrol ve kalibre edilmiştir. 
Model kazığın üzerine yerleştirilen üç adet birim deformasyon ölçer ile elde edilen birim deformasyon miktarlarından momentler hesaplanmıştır. Böylece deney sırasında oluşan maksimum momentler elde edilmiştir. 
Deney, Plaxis 3D programı ile modellenmiştir.  Deneylerle elde edilen zemin ve profil özellikleri, program için kullanılmış ve analiz edilmiştir.
Plaxis 3D sonuçları ile model deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Yük-deformasyon davranışının Plaxis 3D ile bulunan sonuçlar ile uyumlu olduğu gözlenmiştir. Ancak Plaxis 3D programı ile elde edilen değerler daha yüksektir. Hem gevşek hem de sıkı kum zemin durumunda, bilgisayar analizleri kullanılarak elde edilen yanal yük taşıma kapasitesi değerleri deneysel taşıma kapasitesi değerlerinden daha büyüktür. 
Yapılan deneysel çalışmalar ve gerçekleştirilen üç boyutlu non-lineer sonlu eleman analizlerinden elde edilen sonuçlar yanal yük taşıma kapasitelerinin kazık en kesit geometrisinden etkilendiğini göstermektedir. 
Model kare kesit profil, fore kazık boyutlarına yakın seçilmiştir, diğer iki profil tipi baret temel kesitlidir. Sonuçta görülmüştür ki hem Plaxis 3D, hem laboratuvar deneylerinde baret kesitli modellerin taşıma kapasitesi ve moment kapasitesi + profil için daha yüksektir. Kare kesitli ve dikdörtgen kesitli model profillerde sonuçlar birbirine yakın çıkmıştır. 
Yanal yüklü baret kazıklı temellerde, kumun rölatif sıkılığının taşıma gücüne etkisi, kazığın rijitliğinin taşıma gücüne etkisinden daha fazla olduğu görülmüştür.

Abstract:
Generally, foundations should meet two conditions. First condition is that the foundations must carry structural loads without failure (ultimate bearing capacity). Foundation must be safe against overall shear failure. Second condition is that the foundation must carry the structural loads without excessive displacements. If the magnitude of structural forces and the soil properties are favorable, shallow foundation can be chosen. If shallow foundations cannot perform these two conditions, then deep foundations are preferred instead. Deep foundations are structural elements which transfer loads through compressible soil and weak soil to underlying stronger layers.
Barrettes are a type of deep foundation used to transport structural loads to deeper layers of soil. The design of barrettes are the same as deep foundation design. Basically, barrette piles can be considered as bored piles. While designing barrettes, it should be shown that barrette is safe against overall shear failure in the soil that supports it and barrettes should not undergo excessive settlements.
At the present time, there is a growing need for the construction of large scale, such as high towers, wide bridges, subway constructions, airports, seaports, stadiums. In these structures, structural loads can be high. This situation increased the need for deep foundations.
Barrettes are similar to bored piles. However, they have more advantages with the same amount of material (rebar and concrete) more bearing capacity is achieved.
Resistance of lateral stress and bending moments is better than circular piles of the same section and easily connecting to structures, so that one single pile is sufficient under each column or bearing unit. Another advantage is that barrettes have better mobilization of lateral friction than a circular pile of the same section. Besides, barrettes are preferred because of the ease of application.
In addition to the vertical loads from the structures, the effects of lateral loads must also be investigated. Barrettes are formed to carry lateral loads such as wind, earth pressure, water pressure, earthquake, ship impact. 
Many important information about vertical and lateral load effects were obtained by experiments. To this day, the behaviour of pile foundation under vertical loads have been investigated more broadly than piled foundations under lateral loads. Further investigation is needed to understand the behaviour of lateral loaded piles.
In this thesis, after giving information about pile foundation, barrettes which are the subject of the thesis, were explained. Then, brief information about design method was given. Testing apparatus and experimental results of studies are explained. Properties of soil which is used in experiment, were determined by the laboratory experiments. The test set-up for the lateral loaded barrette model piles has been designed and the parts of the system were described in detail. 
In this study, the effect of lateral load on the barrettes were investigated on 20% and 70% relative density. Experiments were repeated for three types of model piles. Sand was dried for the experiment. The experimental set-up is designed and manufactured. 
The profiles are manufactured as close as possible to dimensions obtained by reducing the actual pile sections by 1/40. After each model pile placed in the test box, sand placed as loose and dense. For this propose, a device is designed and provided for fixing the profiles in the loading system. Profiles are drilled about 14 mm thickness to the point where they are held and through this hole the shaft of the loading system passes. 
Sand is filled in the test box every 5 cm by sprinkler method. To do this, inside of the test box and glass are marked at every 5 cm. The weight of sand in each 5 cm layer is calculated, filled and compacted accordingly. After sand filling has been completed, the potentiometer is placed.
Potentiometer, strain gauge and load cell are used for measuring displacement amount of unit deformation and the amount of load. These data were transferred and recorded by the data logger. These all devices were checked and calibrated before main experiments. Moment values were calculated from the strains obtained by three strain gauges placed on the model pile. Thus, maximum moments during the experiment were obtained. 
The experiment was modelled with Plaxis 3D program. Plaxis 3D is a finite element software for three-dimensional analysis of deformation and stability in geotechnical engineering and rock mechanics. This software can be used for excavations, embankments, foundations, tunneling and mining. In recent years, the finite element modeling has been widely used in the design and analysis of soil mechanics and foundation engineering problems. 
The finite element modeling is a calculation method that can analyze a system's behavior by considering many factors that may affect its behaviour. The main advantage of this method, non-linear stress-deformation behaviour of the soil and this characteristic can be taken into account with material models defining non-linear behaviour characteristic. In this study, Mohr-Coulomb modelling was used for sand in Plaxis 3D. The Mohr-Coulomb model (MC) is a linear elastic and fully plastic model with failure criterion. While modelling sand, model parameters should be found by laboratory tests and should be able to be explained the material behaviour for the stress and deformation properties of the model. Soil and profile properties obtained by the experiments were used in the software and analyzed.
Plaxis 3D results were compared with the model experiment results. It was observed that the load-deformation behaviour is consistent with Plaxis 3D. However, the values obtained with Plaxis 3D software are higher. In the case of both loose and dense sand, the lateral bearing capacity values obtained by using computer analysis are greater than the experimental values. 
The results from experimented studies and three dimensional non-linear finite element are affected by pile cross sections. 
Model square cross-section profile is selected close to bored pile dimensions. Other two profiles represent barrette pile. As a result, it has been seen that both bearing capacity and moment bearing capacity of the barrette section models are higher for '+' profile both in Plaxis 3D and laboratory experiments. The results are similar in square sections and rectangular section. The effect of relative density on the bearing capacity is higher than the effect of stiffness of the pile on bearing capacity.