Çöp dolgusu üzerine inşa edilen çok katlı yapıda oturma kontrolü için çözüm önerileri ve kazıklı temel analizleri
Solution recommendations and pile foundation analysis for settlement control under multi-storey building on waste filling
Yazar: FURKAN BAYRAKTAR
Danışman: DOÇ. DR. MÜGE BALKAYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada oldukça sıkışabilir nitelikteki 4 m'lik çöp dolgusunu da içeren dört farklı zemin tabakasından oluşan ve deniz kenarında konumlanan proje alanında bulunan çok katlı bir yapının oturma analizleri iki boyutlu Plaxis sonlu elemanlar programı ile gerçekleştirilmiştir. Analizlerde, çok katlı bina yakınlarında bulunan yol ve tek katlı yapı da modellenmiştir. Bina yükleri ve alttaki kontrolsüz çöp dolgusunun konsolidasyonu nedeniyle yüksek oturma değerleri gözlemlenen sistemde oturma değerlerinin müsaade edilebilir sınırlar dahiline indirilebilmesi için çeşitli iyileştirme önerileri sunulmuştur. Öncelikle çöp dolgunun kazılıp yerine granüler dolgu yapılması sonucu oturma değerleri elde edilmiştir. Daha sonra belirli oranlarda uçucu kül ve kirecin çöp dolgusuna karıştırılması sonucu elde edilen iyileştirilmiş zemin parametreleri kullanılarak analizler tekrarlanmış ve bina yükleri altında incelenen sistemde meydana gelen oturma değerleri belirlenmiştir. Buna ilave olarak oturma problemi kazıklı temel sistemiyle önlenmeye çalışılmış ve bu amaçla çeşitli çap, boy ve aralıklarda kazıklar tasarlanmıştır. Tüm analizler iyileştirilmiş ve iyileştirilmemiş çöp dolgusu durumunda tekrarlanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. 

Literatürde, belirli oranlarda uçucu kül ve kirecin çöp dolgusuna karıştırılması sonucu dolgu alanlarındaki oturmanın önemli ölçüde azaldığı belirtilmiştir. Fatahi (2013) tarafıdan yapılan çalışmada farklı derinlikler boyunca iyileştirme uygulanan, farklı oranlardaki uçucu kül ve kireç ile karıştırılmış çöpün 20 yıl boyunca trafik yüküne maruz kalması sonucunda iyileştirilmemiş çöp dolguya göre oturma miktarlarınında yarı yarıya yakın bir iyileşme elde edilmiştir. Buradaki iyileşmeden esinlenerek kazıklı temel sistemine ihtiyaç duyulan çok katlı bir yapının altındaki çöp dolguda aynı şekilde uçucu kül ve kireç uygulandığında durumun ne olacağı merak edilmiştir. Bu amaçla çok katlı bir binanın kazıklı temel sisteminin oturmalarına bu iyileştirmenin etkisi araştırılmış ve ıslah edilmemiş atık ile %20 uçucu kül ve %6,7 kireçle stabilize edilmiş atık için elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Kazıklı temel sisteminin incelendiği analizlerde çok katlı yapının temel sistemi olarak 10 metreden 22 metreye kadar boya, 0,80 metre ve 1,00 metre çapa sahip olan kazıklar 2,5D, 3,0D ve 3,5D aralıklar ile yerleştirilmiştir. Kazıkların yanal sürtünme dirençleri ve uç dirençleri Excel üzerinde hesaplanıp Plaxis'e tanımlanmış ve konsolidasyon analizi yapılarak oturma değerleri elde edilmiştir. Buna ek olarak çöp dolgu zeminin kaldırılıp yerine granüler zemin konulmuştur ve elde edilen iyileşme değerlendirilmiştir. Çalışma sonuçları şu şekilde sıralanabilir:

Çöp dolgusunda herhangi bir iyileştirme yapılmadığı durumda, konsolide olan zeminin minimum boşluk suyu basıncına ulaştığı anda, incelenen çok katlı yapıdaki yaklaşık oturma miktarı 66,0 cm olarak hesaplanmıştır. Aynı çöp dolgu %20 uçucu kül ile %6,7 kireç kullanılarak iyileştirildiğinde minimum boşluk suyu basıncına ulaştığı andaki yaklaşık oturma miktarı 43,8 cm olarak hesaplanmıştır. Her iki durumda da gözlenen yüksek oturma değerlerini müsaade edilebilir sınırlar dahiline indirebilmek amacıyla ikinci bir alternatif olarak çöp dolgu tamamen kaldırılıp yerine granüler dolgu yapılmasının oturma değerlerindeki etkisi incelenmiştir. Bu durumda oturma değerlerinde önemli bir azalma meydana gelmiş ve 6,3 cm'lik bir oturma değeri elde edilmiştir. Ancak çöp dolgusunun granüler dolgu malzemesi ile değiştirilmesi oturma değerlerinde büyük bir iyileştirme sağlamasına rağmen yine de bu uygulama ile müsaade edilebilir sınırlar dahilinde bir oturma değeri elde edilememiştir. Bu durumda üçüncü bir alternatif olarak kazıklı temel tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan kazıklar için iyileşmiş ve iyileşmemiş zeminler ayrı ayrı analiz edilerek, kazıklı temel üzerindeki oturmaya sağladığı fayda test edilmiştir. Yapılan analizlerde, oturma sınırları içerisinde kalan kazık boylarında çöp dolgu zeminin iyileştirilmesinin oturma değerlerinde bir iyileşmeye yol açmadığı gözlemlenmemişken, oturmanın fazla olduğu, oturma problemini çözmek için yetersiz kalan kazık boyut ve aralıklarındaki yerleşim modellerinde bir iyileşme gözlemlenmiştir. Bu doğrultuda tüm veriler çizelge haline getirilerek en uygun ve ekonomik kazık modeli seçilmiştir. Seçilen bu kazık modeli 22 metre boyunda ve 1,00 metre çapındaki 3,5D aralıkla tasarlanan kazık modelidir. Bu kazık modelinde elde edilen oturma değeri sınır değer olan 32 mm koşulunu sağlayarak 32 mm olarak hesaplanmıştır. Bu oturma değerinin altında sonuçlara farklı kazık modelleri için ulaşılsa da, kazık adedi ve uygulama açısından en uygun çözüm tercih edilmiştir.

Abstract:
In this study, settlement analyzes of a multi-storey building located at the seaside, consisting of four different soil layers, including a highly compressible 4.0 m uncontrolled waste fill, were carried out with the two-dimensional Plaxis finite element program. In this analysis, the multi-storey building by the sea, the road and the single-storey building are modeled side by side. Although the area to be studied is a multi-storey structure, the surrounding structures are also modeled. In this way, it was desired to create a model closer to reality. 
In the system, where high settlement values are observed due to the building loads and the consolidation of the uncontrolled waste fill at the bottom, various improvement suggestions have been presented in order to reduce the settlement values within the permissible limits. These carefully selected improvement suggestions are listed below.
First of all, settlement values were obtained as a result of excavating the waste fill and replacing it with granular fill. The data obtained as a result of that solition are evaluated. Thereafter, the analyzes were repeated using the improved waste fill parameters obtained as a result of mixing fly ash and lime into the waste fill in certain proportions and the settlement values that occurred in the examined system under building loads were determined. In addition, the settlement problem was tried to be prevented with the pile foundation system. Accordingly, piles of various diameters, lengths and spacings were designed for this purpose. All analyzes were repeated by using improved waste fill and unimproved waste fill. After that the results were compared in detail. Significant results were obtained as a result of this comparison.
In the literature, it was stated that as a result of mixing fly ash and lime in certain proportions into the waste fill, the settlement in the waste material areas is significantly reduced. In the study conducted by Fatahi (2013), as a result of  10 years and 20 years of exposure to traffic load of the waste fill mixed with different proportions of fly ash and lime, which is applied at different depths, an improvement in the settlement amount of almost half was obtained compared to the unimproved waste fill. Inspired by the improvement of the waste soil that Fatahi analyzed, it was wondered what would happen if fly ash and lime were applied to the waste landfill under a high-rise building that needed a pile foundation system. For this purpose, the effect of this improvement on the settlements of the pile foundation system of a multi-storey building was investigated and the results obtained for the unimproved waste soil and the 20.0% fly ash and 6.7% lime stabilized waste soil were compared in detail. 
Fatahi examined several parameters while improving the  waste soil in the area where he worked. These parameters are mixing fly ash and lime with different percentages in the waste fill and also applying this improvement along various depths.
In the analyzes examining the pile foundation system, piles with a length of             10 meters to 22 meters, diameters of 0.80 meters and 1.00 meters and placed at 2.5D  (D: diameter of the pile), 3.0D and 3.5D intervals as the foundation system of        the multi-storey building was modeled. Frictional resistances and end resistances   of the piles were calculated on Excel and defined in finite element program Plaxis 2D, and settlement values were obtained by performing consolidation analysis. In addition, the waste fill was  removed and replaced with granular fill, and the improvement was evaluated. 
The results obtained from the analyzes on the Plaxis 2D in the study area can be listed as follows:
In the unimproved waste fill, the approximate settlement value in the examined multi-storey building was calculated as 66.0 cm when the consolidated soil reached the minimum pore water pressure. When the same waste fill was improved by using 20.0% fly ash and 6.7% lime, the approximate settlement value reached at the minimum pore water pressure was calculated as 43.8 cm. In both cases, in order      to reduce the high settlement values to decrease within the permissible limits,          as a second alternative, the effect of removing the landfill completely and replacing  it with granular fill on the settlement values was investigated. In this case, a significant decrease in settlement values occurred and a settlement value of 6,3 cm was obtained. However, although replacing the landfill with granular fill material provides a great improvement in the settlement values, a settlement value within the permissible limits could not be obtained with this application. 
Pile foundation design was made as a third alternative. The cases corresponding to the piles installed in the improved and unimproved waste materials were analyzed separately and its effect on the settlement of the pile foundation was tested. In          the analyzes performed, it was not observed that for the pile lengths leading             to settlement values within the permissible limits, improvement of the waste fill  did not lead to an improvement in the settlement values. However, the fly ash-lime stabilization led to an improvement in the settlement values for the pile sizes and spacings where the settlement was high and insufficient to solve the settlement problem. 
Consequently, all the data were tabulated and the most suitable and economical pile model was selected in these models were analyzed in finite element program Plaxis 2D. There is more than one model in which results close to the selected model are obtained. Based on the results of this study, the selected pile model is 22 meters long and 1.00 meters in diameter, designed with a 3.5D spacing. The settlement value obtained in this pile model was calculated as 32 mm, providing the limit value of 32 mm. In pile applications, increasing the pile diameter, if possible, in order to obtain more economical results is an significant approach that could be applied. Although results below, these settlement values are obtained for different pile models, the most suitable solution was preferred in terms of number of piles and application.
It was ensured that the settlements remained within the allowed limits. Thanks to this pile model chosen, it has become possible to construct a multi-storey structure on the waste landfill sites. It has been concluded that in cities with limited areas for urbanization, waste landfill sites areas can be brought into conditions suitable for construction urbanization.