Ders : Zemin Yapıları - Giriş. Doç. Dr. Havvanur Kılıç

Transkript

1 Ders : Zemin Yapıları - Giriş Doç. Dr. Havvanur Kılıç 1

2 İletişim Bilgileri İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı

3 Kaynaklar 1. Sherard, J. L., Woodwaed, R.J., Gizienskki, S. F. And Clevenger, W, A. (1963) Earth and Earth-Rock Dams John Wiley and Sons, Inc. New York. 2. A Water Resources Technical Publication, (1973) Design of Small Dams United State Government Printing Office, Washington. 3. Manual (CECW-EG) (2004), General Design and Constructions for Earth and Earth-Rock-Fill Dams. Department of the Army U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC Edil, T. B (2003), Groundwater Seepage Notes University of Wisconsin-Madison.

4 HAFTALIK KONULAR VE İLGİLİ ÖN HAZIRLIK ÇALIŞMALARI Hafta Konular / Subjects Ön Hazırlık 1 Geoteknik araştırmaların planlanması,yürütülmesi ve raporlanması, Baraj tasarımı için arazi araştırmaları Textbook (1) (Ch. 4-5) 2 Torak dolgu barajlar, zonları ve seçimi, malzeme seçimi, tasarım örnekleri Textbook (1) (Ch. 8) 3 Toprak dolgu barajların temelleri ve hazırlanması, dolgu malzemelerinin kayma mukavemeti, Textbook (1) (Ch. 6-17) sıkışabilirlik ve permabilitesi 4 Toprak dolguların tasarım gereklilikleri (Sıkıştırma ve deneyler) Textbook (1) (Ch. 14) 5 Filtre tasarım kriterleri ve tasarım gereklilikleri Textbook (1) (Ch. 9) 6 Toprak dolgularda ve temel zemininde sızmanın belirlenmesi, Toprak dolgu barajlarda iç erozyon ve borulanma Textbook (1) (Ch. 10) 7 Dolgularda sızmanın, iç erozyon ve borulanmanın kontrol edilmesi Textbook (1) (Ch. 10) 8 Stabilite analizleri, analiz yöntemleri,, limit denge analiz yöntemleri, Tasarım için kayma mukavemeti parametrelerinin 9 Stabilite analizleri, analiz yöntemleri,, limit denge analiz yöntemleri, Tasarım için kayma mukavemeti Textbook (1) (Ch. 11) parametrelerinin 10 Stabilite analizleri, kararlı akım durumu ve ani su çekilmesi durumları için boşluk suyu basıncı parametreleri ve analizler, tasarım kriterleri, stabilite analizlerinde karşılaşılan olumsuzluklar Textbook (Ch. 11) 11 Deformasyonların analizi, Deformasyon tipleri, temel zemini deformasyonları ve dolgu Textbook (1) (Ch. 7) deformasyonları 12 Yanal toprak basınçları, Donatılı toprak dolgular, Zeminin güçlendirilmesi, genel tasarım gereklilikleri Textbook (2) (Ch. 7) Textbook (2) (Ch. 8) 13 Ara sınav 14 Geogrid, geotekstil ve metal şeritler ile donatılı toprak duvarlar- genel tasarım, iç ve dış stabilite Textbook (2) (Ch. 8) tahkikleri, örnekler 15 Donatılı şev tasarımı - genel tasarım kuralları stabilite tahkikleri, örnekler Textbook (2) (Ch. 8) 16 Final 1) Geotechnical Engineering of Dams, A.A.Balkema Publishers,Taylor and Francis Group plc, 2005, London, UK (2) Principles of Foundation Engineering, Seventh Edition, Cengage Learning, USA.

5 Zeminlerin İnşaat Mühendisliğinde Kullanımı 1. Temel zemini olarak Üst yapıdan aktarılan yükleri güvenle taşıması Deformasyonların belirli sınır değerleri aşmaması 2. İnşaat malzemesi olarak 5

6 Zemin Araştırmaları Arazide (inşaatın yapılacağı yerdeki) zemin özelliklerinin incelenmesi tasarım için gerekli malzeme parametrelerinin belirlenmesi arazi modelinin çıkarılması için yapılan araştırmaların tümüdür. İnşaat Mühendisliği yapılarının tasarımı, yapımı ve performanslarının değerlendirilmesi için zemin araştırmaların yapılması gereklidir. Zemin araştırmaları, kabaca yapım maliyetinin 0.5 ile % 1.0 i arasında değişir.

7 Zemin Araştırmaları Kapsamı Yapılacak işin niteliklerine (büyüklüğü, tipi, önemi) Zemin durumu ve değişkenliği gibi eldeki bilgilere Ayrılan süre ve maliyete göre bağlı olarak araştırmaların kapsamı belirlenir. Yeni yapılacak tasarımlar için araştırmalar Mevcut tasarımların iyileştirilmesinde araştırmalar Baraj, yol gibi tasarımlar

8 Zemin araştırması maliyet ilişkisi

9 Tipik Geoteknik Projeler Geo-Laboratuarı ~ deneyler için Zemin özellikleri Tasarım ofisi~ tasarım & analizler İnşaat Alanı - Zemin incelemeleri - Arazi deneyleri 9

10 Zemin Etüt Raporu Amaç: Arazi zemin koşullarının tanımlanması İçerik: 1) Arazi durumu: (topoğrafya, ulaşım imkanları, yapılaşma...) 2) Jeoloji : Genel jeoloji, inceleme alanı jeolojisi 3) Zemin Araştırmaları : Arazi araştırmaları (sondajlar, arazi deneyleri, numune alma, jeofizik araştırmalar) Laboratuar araştırmaları (sınıflandırma deneyleri, yük altında sıkışma davranışı, kayma mukavemeti) 4) Zemin profilleri: tabakalaşma, taban kayası derinliği 5) Yerüstü ve yeraltı suları: sellenme, YASS seviyesi 6) Stabilite bozuklukları

11 Geoteknik Değerlendirme 1) Zemin etüt raporu bulgularının özetlenmesi 2) Arazi zemin modelinin oluşturulması (basitleştirilmiş) 3) Zemin tabakaları için tasarımda kullanılacak geoteknik parametrelerin belirlenmesi (Mukavemet, sıkışabilirlik, geçirgenlik...) 4) Zemin yapı ilişkisinin incelenmesi (temel sistemleri seçenekleri, taşıma gücü, olası oturmalar, kazı ve iksa sistemleri) 5) Deprem durumunda zemin tabakalarının olası davranışı 6) Zemini iyileştirmeye yönelik tavsiyeler 7) İnşaat faaliyetlerine ilişkin tavsiyeler

12 Site Plan 60 m sondaj sondajg 50 m sondaj 40 m sondaj 30 m sondaj B A B Atrium Atr iu m A F t

13 Sondaj Loglarının Analizi SIVA Copyright ã 2001

14 A-A kesiti

15 Kohezyonsuz zemin

16 Siltli kum Kumlu siltli kil Kil Siltli kum 71.0 Kil E levation (ft) 70 E levatio n (ft) Siltli kum 60.0 Kil 60 wn LL PL Çok sıkı kum W a te r C o n te n t (%) S hear S trength (ksf)

17 17

18 18

19 Arazi Deneyleri

20 SPT Deneyi ASTM D 1586 ya göre belirli bir derinliğe ulaşan sondaj sırasında sondaj takımı dışarı çekilir ve örnek alıcı indirilir. Örnek alıcı N ağırlıklı bir tokmağın m den düşürülmesi ile çakılır ve üç kez mm ilerlemesi için gerekli vuruş sayısı belirlenir. Son iki aşamadaki toplam vuruş sayısı Standard Penetrasyon, SPT Değeri (N değeri) olarak adlandırılır. Deney bitirilince takım dışarı alınır, uç ve bağlantı elemanı çıkarılır, zemin örneği tüpten alınır ve cam kavanoza konulup laboratuara gönderilir. Deney genellikle 1.50 m aralıklarla uygulanmaktadır. Genelde mm arasındaki giriş için N>l00 ise deneye son verilmekte ve giriş derinliği yazılmaktadır.

21 Standart Penetrasyon Deneyi (SPT)

22 Standart Penetrasyon Deneyi (SPT)

23 Standart Penetrasyon Deneyi Yine de bir anlamı var Çoğunlukla granüler zeminlerde; Killerde güvenilmez N-değeri f, E parametrelerine korole edilir Sondaj çukurlarında 1.5 m aralıklarla yapılır Yarık kaşık numune alıcılarla örselenmiş numuneler alınır. zemin

24 SPT deneyi düzeltmeleri N 1,60 =N C N C R C S C B C E Burada, N= ölçülen SPT darbe sayısı C N =efektif gerilmeye göre düzeltme faktörü C R, C S, C B ve C E sırası ile tij boyuna göre, standart olmayan numune alıcı için, sondaj kuyusu çapına göre ve tokmak enerjisi oranına göre düzeltme faktörleri olup aşağıdaki Tablo dan belirlenebilir.

25 SPT Düzeltmeleri Faktör Değişken Düzeltme Tokmak enerjisi oranı (C E ) Donut tipi tokmak Safety tipi tokmak Otomotik tokmak Sondaj kuyusu çapı (C B ) 65mm-115mm 150mm 200mm Tij boyu (C R ) <3m 3-4m 4-6m 6-10m 10-30m >30m Numune alma yöntemi (C S ) Standart numune alıcı Standart olmayan numune alıcı >

26 SPT Düzeltmeleri N = 1 C E = NxC N ER 60 C N æ P ' ö a = ç ès v ø ER= enerji oranı s v deney yapılan derinlikteki düşey jeolojik efektif gerilme (kpa) dır. 0.5 C C (N 1 ) 60 = C E C N N N N 1.7 > 1.7 Pa = 95.6 ise C kpa N = 1.7 kullan Düzeltilmiş düşü sayısı Arazide ölçülen düşü sayısı Enerji düzeltmesi Jeolojik gerilme düzeltmesi

27 27

28 Jeolojik gerilme için düzeltme yok Killerde SPT korelasyonları N 60 c u (kpa) kıvam Görsel tanımlama Çok yumuşak Parmak batırılabilir > 25 mm Yumuşak Parmak 25 mm batırılabilir orta Parmak ortalama bir güç ile batırılabilir Katı Parmak ile 8 mm girinti Çok katı Tırnak ile kazınabilir >30 >200 sert Tırnakla bile kazılamaz Dikkatli kullan; Güvenli değil.

29 SPT Granüler Zeminlerde Korelasyon Jeolojik gerilme için düzeltme yapılmış (N) 1,60 D r (%) Sıkılık Çok gevşek Gevşek Orta Sıkı > Çok sıkı

30 30

31 31

32 Koni Penetrasyon Deneyi- CPT deneyi ASTM D 5778

33 Konik Penetrasyon Deneyi (CPT) Dinamik konik penetrasyon deneyi (DCPT) SPT ye benzer; çekiç itilir Yarık kaşık yerine konik uç kullanılır Statik konik penetrasyon deneyi (SCPT) Zemine 2 cm/s hızla itilir Sürekli ölçüm verir Düşü sayıları 1.5 m derinlik aralıkları ile alınır Kapalı uç; örnekleme yok

34 Dinamik Konik Penetrasyon Deneyi Basit ve kaba. SPT den veya sert zemindeki SCPT den daha iyi SPT kadar kaba; düşü sayısına bağlı korelasyonlar güvenilir İçi boş (yarık kaşık) SPT DCPT Dolu (\Numune yok)

35 Statik Konik Penetrasyon Deneyi 10 cm 2 en kesit Kılıf sürtünmesi (f s ) Konik dirneç (q c ) veya uç direnci (q T )

36 36

37 37

38 38

39 Piezocone (CPTU) Modern statik koni; boşluk suyu basıncını da ölçebilir. Boşluk suyu basıncı ölçümü için poroz taş Zemine itilir Kılavuzlarla piezokon

40 20 mm/s hızla itilir Sürekli ölçümler : q c, f s ve u.

41 SCPT Veri Yorumlama Bir sonraki slayt

42 42

43 SCPT (Piezocone) Veri Yorumlama Tipik Zemin Davranışı (Robertson et al., 1986; Robertson & Campanella, 1988) 1 Sensitif ince daneli 5 Killi silt - siltli kil 9 kum 2 Organik malzeme 6 Kumlu silt siltli kum 10 Gravelly sand to sand 3 Kil 7 Siltli kum - kumlu silt 11 çok katı ince daneli* 4 Siltli kil - kil 8 Kum - siltli kum 12 Sand to clayey sand* *Not: Aşırı konsolide veya çimentolanmış

44 Sounding - Shelby County, TN (U.S.A) 0 q t (MPa) Friction Ratio (%) u 2 (kpa) V s (m/sec) SM Silt Clayey Silt Dense Sand Dense Sand Depth BGS (m) Stiff Clay

45 SCPT korelasyonları Killerde, Kumlarda, c u q -s c vo = koni faktörü N k Normal konsolide killerde arasında Aşırı konsolide killerde arasında E = q c (kn/m 2 )

46 Koni Deneyi İle Kumlarda İçsel Sürtünme Açısının Bulunuşu

47 Koni Penetrasyon Deneyi (CPT)

48

49 Arazi Veyn Deneyi

50 Veyn deneyi Deney uygulaması Göçme yüzeyi

51 Arazi Veyn Deneyi burulma ölçümü sondaj çukuru Killer için, ve özellikle yumuşak killer Alet zemine sokulduktan sonra sabit hızla kanatlar döner ve burulma açısı belirlenir. \ drenajsız veyn h»2d Burulma miktarından è drenajsız kayma mukavemeti c u belirlenir d yumuşak kil Tipik olarak d = mm. veyn

52

53

54 Levha Dilatometre Deneyi

55 Dilatometre Deneyi 20 mm/s hızla ilerlenir. Her mm de. Şişen zar için Nitrojen tankı. c u, K 0, OCR, c v, k, E. Zemin tanımlaması (grafik yardımıyla). CPT ye benzer şekilde 60 mm dia. flexible steel membrane

56

57 Presyometre Deneyi

58 Presyometre Deneyi (Pressuremeter Test) Silindirik bir prob sondaj çukurunda esnetilir Tüm yerinde deneylerden daha gerçekçi Mukavemet, modül, K 0, c v verir Tüm zeminlerde Silindirik prob Kılavuz hücre pressuremeter

59

60

61 Cep Penetrometresi Killi zeminlerin serbest basınç mukavemetini ölçmek için basit bir alet(q u = 2 c u ) Araştırma çukurlarında deney numunlerinde uygulanır. Çok kaba Kil içine itilir..mukavemet okunur

62 Zemin Yapıları Uygulamaları zeminin bir yapı malzemesi olarak kullanıldığı uygulamalar Toprak dolgular Toprak dolgu barajlar Dolgu şevlerinin stabilitesi Tasarım kriterleri Dinamik yükler altında davranış Donatılı toprak dolgu duvarlar zemini desteklemek için yapılan yapılar İstinat yapıları Ankraj destekli kazılar Zemin çivisi destekli kazılar

63 Toprak Dolgu Barajlar Temel zemininde oturma ve taşıma gücü problemleri sızma problemleri borulanma kaynama 63

64 Parametrelerin seçimi ve tasarım Parametre seçimi Arazi yükleme koşulları Drenaj koşulları Deprem durumu Tasarım Amprik ilişkiler Limit denge analizleri Gerilme deformasyon analizleri ÇEKDİRDEK t = Drenjsız Kayma Mukavemeti t = Drenjsız Kayma Mukavemeti

65 Performansın İzlenmesi

66 Donatılı toprak duvarlar ~ zemini kuvvetlendirmek için geosentetikler veya metal şeritler kullanılır. 66

67 Zemin yapılarında su akımı Toprak dolgu barajlarda Betonarme baraj altı temel zemininde Derin kazılarda İstinat yapıları arkasında 67

68 68

69

70 Zemin yapılarında su akımı 70

71 Toprak dolgu barajlarda 71

72 Beton baraj altında 72

73 Derin kazılarda 73

74 İstinat yapıları arkasında 74

75 Sızmanın engellenmesi 75

76 Borulanma (Piping) Sıkıştırılmış dolgu veya temel zemini içindeki boşluklardan su sızarken akıma karşı koyan sürtünme kuvvetleri hidrolik yükün sönümlenmesini sağlar. Buna karşılık su akımı dolayısıyla ortaya çıkan sızma basıncı zemin danelerini sürükler. Erozyona karşı koyan kuvvetler, erozyona sebep olan kuvvetlerden az ise zemin danecikleri sürüklenir ve borulanma meydana gelir. 76

77 Filtre tasarım kriterleri Temel zemini türüne göre filtre tasarım kriterleri 77

78 Zeminlerde hidrolik geçirimlilik 78

79 Enstrümentasyon ~ toprak dolgu yapıların davranışının izlenmesi ~ yüklerin ölçülmesi, boşluk suyu basınçları, düşey ve yatay yer değiştirmeler, 79

80 Tipik güvenlik sayıları Tasarım Tipi Güvenlik Sayısı Göçme olasılığı Toprak işleri /500 İstinat yapıları /1500 Temeller /

81 Alibey Barajı, İstanbul 81

82 N B B9 Upstream Cofferdam Gr-A TT-2 Intermediate Fill TT-17 Gr-8 TT-13 A Alibey Stream 10 Gr-B TT-1 B18 TT-16 TT-15 Main Body Gr-9 TT-12 Gr-7 TT-11 TT-10 Gr-6 TT-9 Gr-10 S3 Gr-3 S1 TT-6 Gr-1 TT-5 TT-4 Gr-2 TT-3 S5 Gr-5 Intermediate Fill Test Embankment (1972) Gr-D TT-8 TT-7 Gr-C Downstream Cofferdam A m B23 Settlement Plates (TT) Groups of Piezometers (Gr) Inclinometers (S) B Figure 1 82

83 B22 B18 B23 B24 B m 20 m 40.0 m 30.0 m 20.0 m 10.0 m 0.0 m m m m TT2 PE-6A PH-10A PE-10A PE-8A PH-1A PH-2A PH-3A m m Yellow Clay Green Clay Blackish Clay Sand Drains f40/7.0m Sandy Silty Gravel Layer Rock TT m 10 m m m m m S3 S1 S m m TT12 TT6 TT7 P7-AH P8-AH P7-CH S. Drains f40/3.5m Sand Drains f40/5.0m P9-EH P7-FH Sand Lenses -400 m -300 m -200 m -100 m m 200 m 300 m Settlement Plate (TT) Piezometers (P) Inclinometers (S) 83

84 1 B22 2 B18 B 23 B24 B m m m m m m m m m m m Final Settlement Profile Embankment Level (m) B Time (year) Embankment Level (m) B Time (year) Settlement (m) TT2 TT16 Settlement (m) TT12 TT

85 Water Content (%) Undrained Shear Strength (kpa) Yellow clay Elevation (m) Green clay Blackish clay Sandy silty gravel Liquid Limit Plastic Limit Natural Water Content Ave. Nat. Water Content 1966 Vane Shear 1996 Pressuremeter 1996 SPT 85

86 s p ',s v ' (kpa) Vertical Hydraulic Conductivity (m/s) Permeability Change Index s v ' s p ' 4 0 Elevation (m) Elevation (m) CS CRS CS Field Test CSR 86

87 30 30 Excess Pressure Head (m) Elevation :+0.67 m Excess Pressure Head (m) Elevation :-5.48 m Time (10 3 day) Time (10 3 day) Excess Pressure Head (m) Elevation : m Field Measurements Numerical Analysis (Reference Water Level =+5 m) Numerical Analysis (Reference Water Level =+12 m) Time (10 3 day) 87

88 8 Lateral Deflection (cm) Lateral Deflection (cm) N - S E - W Elevation (m) t = 3200 d Measurement Numerical Analysis t = 3200 d Measurement 88

89 Bahar yarıyılı Zemin yapıları dersi ödev ve sınav programı

90 Sınavlar Vize Final I. Vize Ödevler Toprak dolgu barajların tasarımı ve stabilitesi ile ilgili Donatılı toprak duvarlar Yıl sonu sınavı 90

91 Ödev 1 Konu: Verilen toprak dolgu barajın tasarımı ve stabilitesi 1) Baraja ait tasarım kriterleri incelenecek a) Temel zemini tasarımı b) Toprak dolgu tasarımı c) Filtre tasarımı 2) Stabilitesi incelenecek a)temel zemini stabilitesi b) Dolgu şevlerinin stabilitesi c)temel zemininde sızma ve borulanma 91

92 Ödev 1-devam 1. Toprak dolgu baraj 2. Malzeme parametreleri-geometrisi hakkında araştırma 3. Hesaplar 92

93 Ödev 2 Konu: Geotekstil donatılı duvar tasarımı (nümerik çözüm) 1) Geometrisi belli olan bir duvarın tasarımı 2) İç ve dış stabilite tahkiklerinin yapılması Elle çözüm Nümerik çözüm 93

94 Bazı öneriler Derslere katılın Ödevlerinizi zamanında verin 94

95 Kaynaklar 1. Lambe, T. W. And Whitman, R. V. (1969) Soil Mechanics, John Wiley and Sons, Inc., New York. 2. Perloff, W. H. and Baron, W. (1976) Soil Mechanics-Principles and Applications, The Ronald Pres Company, New York. 3. Sherard, J. L., Woodwaed, R.J., Gizienskki, S. F. And Clevenger, W, A. (1963) Earth and Earth- Rock Dams John Wiley and Sons, Inc. New York. 4. A Water Resources Technical Publication, (1973) Design of Small Dams United State Government Printing Office, Washington. 5. Manual (CECW-EG) (2004), General Design and Constructions for Earth and Earth-Rock-Fill Dams. Department of the Army U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC Edil, T. B (2003), Groundwater Seepage Notes University of Wisconsin-Madison. 7. Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance by John Dunnicliff 1993 Wiley & Sons 8. Rock Slope Engineering by Hoek & Bray 3 rd Edition Can be downloaded from web. By searching Evert Hoek 9. US Corps of Engineers- Instrumentation of Embankments Dams and Levees (posted on course website) 10. Cedergren, H. R. (1977) Seepage, Drainage and Flow Nets, 2nd Ed., John Wiley and Sons, Inc., New York. 95