BASİT YÖNTEMLERLE YANAL YÜKLENMİŞ TEKİL KAZIK VE KAZIK GRUPLARININ TASARLANMASI

Transkript

1 Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği Onbeşinci Ulusal Kongresi Ekim 2014,Orta Doğu TeknikÜniversitesi, Ankara BASİT YÖNTEMLERLE YANAL YÜKLENMİŞ TEKİL KAZIK VE KAZIK GRUPLARININ TASARLANMASI DESIGNING SINGLE PILES AND PILE GROUPS UNDER LATERAL LOADS USING SIMPLE METHODS Nedim PLASTO 1 Sami ARSOY 2 ABSTRACT Designing piles against lateral loads is a speciality task, requiring comprehensive analysis. However, for a preliminary design or for small jobs, simple methods can be employed. A literature review yielded two simple methods: the khmax method and the Characteristic Load Method - CLM. The aim of this study is to compare the load deflection behavior of laterally loaded single piles and pile groups obtained by these two simple methods in comparison to the reference p-y method along with the measured data. A discussion on which of these methods give more reliable results is presented. The advantages and the disadvantages of the methods used are also discussed. Keywords: Lateral Load, Load-Deflection, khmax approach, CLM, Pile Groups ÖZET Yanal yüklere karşı kazıkların tasarlanması uzmanlık işi olup kapsamlı analizler gerektirir. Ancak, ön tasarım yada küçük işler için, basit yöntemler kullanılabilir. Bu çalışmada, literatürde mevcut iki basit yöntem incelenmiştir: khmax yöntemi ve Characteristic Load Method - CLM. Bu çalışmanın amacı ise bu iki basit yöntemlerle elde edilen yanal yüklü tekil kazık ve kazık gruplarının yük eğilme davranışlarını incelemek ve aynı zamanda referans p-y yöntemi ile ölçülen veriler ile birlikte karşılaştırmaktır. Bu yöntemlerden hangisinin daha güvenilir sonuçlar verebileceğine yönelik bir tartışma sunulmuştur. Kullanılan yöntemlerin avantajları ve dezavantajları da tartışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Yanal Yük, Yük-Yer değiştirme, khmax yöntemi, CLM, Kazık Grubu 1.GİRİŞ Kazıklar yapılardan gelen kuvvetleri zeminin derinliklerine transfer eden geoteknik yapıları temsil etmektedirler. Kazıklar tek başına yada bir takviye yapısı ile bağlanarak grup olarak davranabilirler. Genellikle ağır yanal ve düşey yüklere maruz kalmakta olup yenilme ya da ¹ Lisansüstü öğrenci, Kocaeli Üniversitesi, nedim_plasto2002@hotmail.com ² Prof. Dr., Kocaeli Üniversitesi, sarsoy@kocaeli.edu.tr 373

2 aşırı yanal deformasyon olmadan hem düşey hem de yatay yüklere karşı direnmek için tasarlanmış olmalıdırlar. Yanal yüklenmiş bir kazık tasarlamak için yük-yer değiştirme tepkisini anlamak önemlidir. Kazıklar karmaşık geoteknik yapılara aittir. O yüzden kazık tasarımı ve boyutlandırılması için tamamen güvenilir bir yöntem yoktur. Bu nedenle, günümüzde kazık tasarlama ve inşaa etmek için muhafazakar ve çok dikkatli bir çalışma gerekmektedir. Belirtilmelidir ki sadece malzeme ve kazık boyutları önemli ölçüde kazık kapasitesi ve deformasyonlar üzerinde etkili olmamakta, aynı zamanda inşaat şekli ve özellikle de zemine gömülme karakteristiği de önemli olmaktadır. Tekil veya grup kazıklar genellikle eksenel ve yanal yüklere maruz kalmaktadırlar. Geçmişte çok sayıda çalışma ve analiz yapılmıştır. Ancak günümüze kadar, yatay yüklerin etkisi altında kazık tasarımı için yeterli ve güvenilir bir yöntem bulunamamıştır. Bu çalışmada ise yatay yüklerin etkisi altında kazık tasarımı için basit yöntemlerin kullanılabilirliliği irdelenecektir. 2. TASARIM YÖNTEMLERİ Tekil kazık üzerinde kabul edilebilir bir yanal yükü belirlemek için iki yaygın yaklaşım kullanılır. İlk yaklaşım, zeminin yenilmesine dayanan, yeterli bir güvenlik faktörü ile nihai yükü bölerek kazıklar üzerinde izin verilen yükü hesaplar. İkinci yaklaşım ise kabul edilebilir bir yanal deformasyon için izin verilebilir yatay yükü hesaplar. Bu çalışmada, kazık tasarımı için ikinci kıstas kullanılmıştır. Yanal yük altında tekil ve grup kazıkları analiz etmek için çeşitli yöntemler vardır. Bu çalışmada, sadece yaygın olarak kullanılan basit yöntemlerden bahsedilecektir. Analizlerde referans yöntem için p-y eğrisi yaklaşımı ve basit yöntemler için ise khmax yaklaşımı ve Characteristic Load Method (CLM) yaklaşımı kullanılmıştır. Bu yöntemleri kullanarak elde edilen sonuçların karşılaştırılması da sunulmuştur p-y yöntemi p-y yöntemi, yanal doğrultuda uygulanan yüklere karşı derin temelleri analiz etmeyi içerir ve bir çözüm bulmak için p-y eğrileri kullanılır. Bu p-y eğrileri kazık boyunca her bir derinlik noktasında yanal yük (p) ile yer değiştirme (y) arasındaki ilişkiyi temsil ederler. p-y yöntemi, Winkler'in yöntemine dayanmaktadır. Winkler'in zemin modeli (1867) yakın aralıkla yerleştirilmiş bağımsız ve sonsuz esnek yayları bir dizi ile zeminin yerine ikame etmektedir. Bununla birlikte, yaylar aşağıdaki denklem ile temsil edilebilir: Burada: k - p-y eğri tarafından tanımlanan doğrusal olmayan yay sertliğidir y - esnek yayının yer değiştirmesi p - yaya uygulanan kuvvettir. (1) Ancak, p-y yönteminin bazı sınırlamaları var olup p-y eğrileri birbirinden bağımsızdır. Bu nedenle, kazık uzunluğu boyunca zemininin sürekli doğası açıkça modellenmiş değildir. 374

3 Şekil 1. p-y eğrileri ile yanal yüklemeye maruz bir kazık modeli (Ensoft, Inc. 2004) 2.2. CLM yöntemi CLM yöntemi (Duncan and Ooi, 1994) farklı zemin koşullarında, serbest ve tutulu başlı kazıkları ve fore kazıklar için doğrusal olmayan p-y analizleri yapılarak geliştirilmiştir. CLM yöntemi p-y analizinden daha basittir ve aynı zamanda çözümleri p-y analiz sonuçlarına yaklaşmaktadır. Bu yöntem, kazıkların yanal deformasyonlarını, maksimum moment ve maksimum moment konumunu belirlemek için kullanılabilir. CLM yöntemi, boyutsuz değişkenler arasındaki ilişkiler sayesinde, yanal yüklü kazıkların doğrusal olmayan davranış bağlantısı boyutlu analizi için kullanılır. Genel olarak, CLM p-y analizi sonuçlarına dayandırılarak oluşturulan bir yöntemdir. Bu nedenle, CLM yönteminin sınırlamaları p-y eğrilerinin sınırlamaları ile hemen hemen aynıdır. Sadece tek tip zemin profili için geçerli olması CLM yöntemin başlıca sınırlamasıdır. Zemin koşullarının derinlikle değişebilir olduğu durumlarda, bir eşdeğer üniform zemin profili kullanmak gereklidir khmax yöntemi Yakın zamanda geliştirilmiş khmax yöntemi yatay yükler altında kazıkların için yük-deplasman ilişkisi tahmin etmektedir. Bu yöntem, Kumar (1993) ve Prakash ve Kumar (1996) tarafından önerilmiştir. Araştırmacılar, zeminlerin farklı gömülü ve farklı malzemelerden kazıklar üzerinde yanal yük testlerinin analizinde elde edilen sınırlı test verileri kullanmışlardır. khmax yöntemi ise hem sadeliği hem de bir tablo formatında hesaplama yapılabilmesi sayesinde, bize diyagramlar üzerinde elde edilen sonuçların net bir görünümünü sağlar. khmax yaklaşımı kullanarak, tekil kazık veya kazık grubunun yanal yük tepkisini hesaplamak için gerekli prosedür iki adıma ayrılabilir: khmax yaklaşımı ile alt ve üst sınır değerleri ve su seviyesi düzeltmesi. Ayrıca, farklı zemin koşulları için, khmax yöntemi üst ve alt eğrilerinin sınırı belirlenmektedir ve diğer yöntemlerle sonuçların karşılaştırılması hem de elde edilen sonuçların karşılaştırılması imkanı sağlar. 3.YANAL YÜK TESTLERİ Dış yükleri taşımak için çok sayıda kazık gerektiğinde, kazıklar gruplar halinde kullanılabilmektedir. Bir kazık grubu içindeki kazıkların arasındaki etkileşimler, dış yanal yüklere karşı kazık grubunun tepkilerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Bu çalışmada farklı zemin koşullarında tekil ve grup kazıkların yanal yük analizleri irdelenmektedir. 375

4 Karşılaştırma sonuçlarını gözlemlemek için Brown vd. (1988) ve Rollins vd. (1998) verileri örnek olarak kullanılmıştır. Çalışmanın tamamında üç adet kazık analizi vardır. Birinci analiz orta sıkı kum içine gömülü çelik kazık için, ikinci analiz sert kil içine gömülü çelik kazık için ve son olarak orta sıkı kum içine gömüllü 3x3 şeklinde ve 3D kazık aralığı ile bir kazık grubu için bir analiz gerçekleştirilmiştir. Kazık tipi, kazık çapı ve kazık uzunluğu hem de zemin tipi ve zemin özellikleri gibi yukarıda söz edilen testlerin tüm ayrıntıları aşağıdaki Çizelge 1'de gösterilmiştir. Çizelge 1. Farklı testler için kazık ve toprak özellikleri Test Numarası Özellikler Analiz 1. Analiz 2. Analiz3. Kazık tipi Tek kazık (Çelik boru) Tek kazık (Çelik boru) Grup Çelik boru (3x3, kazık aralığı 3D) Kazık çapı D (cm) 27,30 dış 25,4 iç 32,4 dış 30,5 iç 27,30 dış 25,4 iç Zemin tipi Kum Kil Kum Zemin özellikleri: γb (kn/m³) özgül ağırlık (⁰) - sürtünme açısı Su (kn/m²) - Drenajsız kayma mukavemeti γb = 10,36 = 39 γb = 8,64 = 0 Su = 76,6 γb = 10,36 = 39 Kazık uzunluğu (m) 10,7 7,95 10,7 khmax yöntemi kullanılarak, kazık grubu için üst ve alt eğrilerinin sınırı belirlenmesinde, kazık grupları için grup katsayıların analizlere dahil olması gerekir. Analiz 3'de, grup katsayılarını belirlemek için altı-kazık grubu için Reese vd. (2006) tarafından verilen ifadeler kullanıldı. Bu ifadelere göre belirlenen grup katsayının değeri olup tekil kazığın kh değerlerini belirlenen grup katsayının değerleri ile çarparak kazık grubu için üst ve alt eğrilerinin sınırı elde edilir. Elde edilen eğriler ve analizlerde kullanılan zemin profilleri, Analiz 1 için Şekil 2, Analiz 2 için Şekil 3 ve Analiz 3 için Şekil 4'te gösterilmiştir. Şekil 4'te gösterilen durumda, kazıklar takviye yapısı ile bağlanmıştır, ancak, CLM2.0 ve Grup 4.0 analizleri serbest başlı koşullar varsayılarak yapılmıştır. 4. SONUÇLAR Çalışma kapsamında toplam iki adet kuma gömülü yanal yüklü kazık yükleme testi ve bir adet sert kile gömülü yanal kazık yükleme testi üç farklı yöntem (p-y,clm ve khmax) kullanarak, 376

5 doğrusal olmayan yanal yük deplasman tepki tahmini için analiz edilmiştir. Bu üç yöntem kullanılarak ulaşılan çalışma sonuçları aşağıda sunulmuştur. Şekil 2. Analiz 1 için Tekil Kazıkta Programa göre Seçilen Zemin Özellikleri ile Yük Deformasyon Eğrilerinin Karşılaştırılması (Brown Test Verileri, 1988.) 377

6 Şekil 3. Analiz 2 için Tekil Kazıkta Programa göre Seçilen Zemin Özellikleri ile Yük Deformasyon Eğrilerinin Karşılaştırılması (Rollins Test Verileri, 1988.) 378

7 Şekil 4. Analiz 3 için Kazık Grubunda Programa göre Seçilen Zemin Özellikleri ile Yük Deformasyon Eğrilerinin Karşılaştırılması (Brown Test Verileri, 1988.) 379

8 Şekil 2'de khmax yöntemi, CLM yöntemi ve p-y yöntemini kullanılarak ve farklı sapmaları ölçülen yük ile ilgili olarak, tahmin edilen yüklerin deformasyonla değişiminin bir karşılaştırmasını göstermektedir. CLM 2.0 kullanılarak hesaplanan sonuçlar Lpile Plus 3.0 kullanılarak hesaplanan sonuçlar ile yakın bir uyum içinde olduğu görülebilir. Ancak ölçülen eğri, khmax yaklaşımın alt sınır eğrisi ile yakın bir uyum içindedir. Şekil 2'de ve 4'te sunulan sonuçlara göre ve diğer yöntemlerle karşılıklı yapılan gözlemler, khmax yaklaşımla tahmin kum içine gömülü kazıkların tepkisi, ölçülen eğri ile genel olarak daha yakındır veya ölçülen eğri khmax değerlerinin üst ve alt sınır aralığı arasında düşer. Şekil 3'de gösterilen durumda, zemin profili kum, silt ve kil sığ derinlikte içerir o yüzden uygun bir ortalama zemin profilinde ne olduğunu belirlemek çok zordur. Bu durumda, LpilePlus 3.0 ve CLM 2.0 sonuçları kullanılarak elde edilen eğriler ölçülen eğri ile yakın uyum içindedir. Ayrıca, ölçülen tepkisi khmax yaklaşımın tepkisinin alt sınır altında olduğu görülebilir. Bundan dolayı, yöntemin kazık etrafında derinlikle değişen zemin koşullarını eşit şekilde temsil etme yeteneği zayıftır. Şekil 4'te, grup kazıklar için ölçüm sonuçları gösterilmiştir. Belirtilmelidir ki kazık grup analizlerinde, CLM 2.0 ve khmax yaklaşımın yanı sıra, program Grup 4.0 kullanıldı. Şekil 4'te görüldüğü gibi, hesaplanan sonuçlar ölçüm sonuçları ile yakın uyum içinde olduğu görülebilir ve ölçülen eğri khmax değerlerinin üst ve alt sınır aralığı arasında düşer. khmax yöntemi, hesaplama ve öğrenme kolaylığının yanı sıra mühendislik kararları için değerli üst ve alt sınır eğrileri sağlar. Yöntem, bu bakımdan p-y yöntemi ve CLM yöntemi üzerinde büyük bir avantaja sahiptir. KAYNAKLAR Basu, D., R. Salgado, and M. Prezzi, (May 2008), ''Analysis of Laterally Loaded Piles in Multilayered Soil Deposits'',Publication FHWA/IN/JTRP-2007/23.Joint Transportation Research Program,Indiana Department of Transportation and Purdue University, West Lafayette, Indiana, pp Brown, D. A., Morrison, C., and Reese, L. C., (1988), Lateral Load Behavior of Pile Group in Sand, ASCE Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 114, No. 11, pp Clarke, A. and Duncan, M. (August 2001), Revision of the CLM Spreadsheet for LateralLoad Analyses of Deep Foundations,Report of research supported by thevirginiatech Center for Geotechnical Practice and Research Kumar, S and Lalvani, L. (May 31, 2004), Lateral Load Deflection Response of Drilled Shafts in Sand, Kumar, S. Lalvani, L. and Maher,O.(2006), Nonlinear response of single piles in sandsubjected to lateral loads using khmax approach,geotechnical and Geological Engineering (2006) 24: , 1DOI /s Prakash, S. and Kumar, S. (February, 1996), Nonlinear LateralPile Deflection Prediction insands, Journalof Geotechnical Engineering Prakash, S. and Chen, M.H. (March 9-12, 1998), Non-LinearLateral Pile DeflectionPrediction in Clays,Fourth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, St. Louis, Missouri. Rollins, K. M., Peterson, K. T., and Weaver, T. J. (1998), Lateral Load Behavior of Full- Scale Pile Group in Clay, ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,Vol. 124, No. 6, pp