ÇUKUROVA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ DOKTORA TEZĠ Erdal UNCUOĞLU KOHEZYONSUZ ZEMĠNLERDEKĠ KAZIKLARIN YATAY YÜK VE MOMENT ETKĠSĠ ALTINDAKĠ DAVRANIġLARININ ANALĠZĠ ĠNġAAT MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI ADANA, 2009
ÇUKUROVA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ KOHEZYONSUZ ZEMĠNLERDEKĠ KAZIKLARIN YATAY YÜK VE MOMENT ETKĠSĠ ALTINDAKĠ DAVRANIġLARININ ANALĠZĠ Erdal UNCUOĞLU DOKTORA TEZĠ ĠNġAAT MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI Bu tez / / 2009 Tarihinde AĢağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu Ġle Kabul EdilmiĢtir. Ġmza:... Ġmza:... Ġmza:... Prof. Dr. Mustafa LAMAN Prof. Dr. M. Arslan TEKĠNSOY Prof. Dr. Hasan ÇETĠN DANIġMAN ÜYE ÜYE Ġmza:... Yrd. Doç. Dr. H. Bekir KARA ÜYE Ġmza:... Yrd. Doç. Dr. A. Azim YILDIZ ÜYE Bu tez Enstitümüz ĠnĢaat Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıģtır. Kod No: Prof. Dr. Ġlhami YEĞĠNGĠL Enstitü Müdürü Ġmza ve Mühür Bu ÇalıĢma Çukurova Üniversitesi Bilimsel AraĢtırma Projeleri Birimi Tarafından DesteklenmiĢtir. Proje No:MMF2006D2 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.
Sevgili eşim Evrim, biricik kızım Ilgın ve aileme
ÖZ DOKTORA TEZĠ KOHEZYONSUZ ZEMĠNLERDEKĠ KAZIKLARIN YATAY YÜK VE MOMENT ETKĠSĠ ALTINDAKĠ DAVRANIġLARININ ANALĠZĠ Erdal UNCUOĞLU ÇUKUROVA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ĠNġAAT MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI DanıĢman : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Yıl : 2009 Sayfa: 277 Jüri : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Prof. Dr. M. Arslan TEKĠNSOY Prof. Dr. Hasan ÇETĠN Yrd. Doç. Dr. H. Bekir KARA Yrd. Doç. Dr. A. Azim YILDIZ Bu çalıģmada; kum zemin içerisinde yer alan rijit kısa kazıkların zemin yüzeyi üzerinden belli bir yükseklikte uygulanan bir yanal yük etkisindeki davranıģları araģtırılmıģtır. ÇalıĢmalar kapsamında; çok sayıda küçük ölçekli laboratuar model deneyi gerçekleģtirilmiģ, problem üç boyutlu non-lineer sonlu elemanlar yöntemi ile modellenerek analiz edilmiģ ve mevcut analitik yaklaģımlar kullanılarak yanal yük taģıma kapasitesi değerleri hesaplanmıģtır. Yapılan model deney çalıģmaları ile yükleme hızı, kazık geometrisi ve zemin koģullarının yanal yük ve moment taģıma kapasitesi üzerindeki etkileri incelenmiģtir. Deneysel çalıģmalar sırasında araģtırma olanağının bulunmadığı dilatasyon açısı, zemin-kazık ara yüzey davranıģı ve zemin elastisite modülü değiģiminin davranıģ üzerindeki etkileri yapılan parametrik çalıģmalar ile sayısal olarak araģtırılmıģtır. Mevcut analitik yaklaģımlar ile problem çözülmüģ ve her bir yöntemden elde edilen yanal yük taģıma kapasitesi değerleri karģılaģtırılmıģtır. Deneysel çalıģmalar, sayısal analizler ve analitik yöntemlerden elde edilen sonuçlar, relatif sıkılık derecesinin, dilatasyon açısının, zemin elastisite modülünün ve zemin-kazık ara yüzey davranıģının yanal yük taģıma kapasitesini önemli derecede etkilediğini göstermektedir. Bununla birlikte; yükleme hızının, yanal yük ve moment taģıma kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olmadığı belirlenmiģtir. Mevcut analitik yöntemler kullanılarak hesaplanan yanal yük taģıma kapasitesi değerleri arasında önemli miktarda farklılıklar olduğu görülmüģtür. Anahtar kelimeler: yanal yük, kısa kazık, moment taģıma kapasitesi, sonlu elemanlar yöntemi, Plaxis 3D Foundation. I
ABSTRACT Ph.D. THESIS THE BEHAVIOUR OF THE PILES SUBJECTED TO LATERAL LOAD AND OVERTURNING MOMENT FOUNDED IN COHESIONLESS SOILS Erdal UNCUOĞLU DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF CUKUROVA Supervisor : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Year : 2009 Pages: 277 Jury : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Prof. Dr. M. Arslan TEKĠNSOY Prof. Dr. Hasan ÇETĠN Assist. Prof. Dr. H. Bekir KARA Assist. Prof. Dr. A. Azim YILDIZ In this study, the behaviour of short rigid piles founded in sand subjected to a lateral load applied at a certain height above sand surface has been investigated. The study comprises an extensive series of small scale laboratory model tests, three dimensional non-lineer finite element analyses and calculations made by existing design formulae. In the experimental studies; the effects of loading rate, pile geometry and soil conditions on the lateral load and moment carrying capacity have been explored. The parameters of which effects can not been investigated with the experimental studies such as dilatation angle, interface behaviour and elasticity modulus have been evaluated performing numerical analyses. The problem of laterally loaded pile has been solved with the existing analytical approaches. The lateral load capacities obtained from these calculations have been compared. The results obtained from experimental studies, numerical analyses and analytical approaches indicate that relative density, dilatation angle, elasticity modulus and interface behaviour have major importance on the lateral load capacity. However, the loading rate has a negligible effect on the lateral load and moment carrying capacity. The lateral load capacity values obtained from different analytical approaches are significantly different from each other. Key words: lateral load, short pile, moment carrying capacity, finite element method, Plaxis 3D Foundation. II
TEġEKKÜR Doktora çalıģmalarım süresince çalıģmalarıma yön veren, bilgi ve tecrübesini paylaģan, değerli katkılarını ve zamanını esirgemeyen, günlük yaģantısında güler yüzünü eksik etmeyen değerli hocam Prof. Dr. Mustafa LAMAN a sonsuz teģekkürlerimi sunarım. Değerli katkılarından dolayı Sayın Prof. Dr. M. Arslan TEKĠNSOY, Sayın Yrd. Doç. Dr. H. Bekir KARA, Sayın Yrd. Doç. Dr. A. Azim YILDIZ, Sayın Doç. Dr. Cafer KAYADELEN, Sayın Prof. Dr. Hasan ÇETĠN ve bölüm hocalarıma teģekkür ederim. Desteklerinden dolayı baģta Dr. M. Salih KESKĠN olmak üzere Murat ÖRNEK, Veysel GÜMÜġ, Ahmet DEMĠR, Burhan ÜNAL, Dr. Murat ÇOBANER, Selçuk BĠLDĠK, Baki BAĞRIAÇIK, G. Müge ĠNALKAÇ ve Gizem MISIR a teģekkür ederim. Deneysel çalıģmalarım sırasındaki yardımlarından dolayı, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dekanlık personeli Ahmet DURSUN a, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Atölye teknisyenlerine, ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü Laboratuar teknisyeni Ömer KÜTÜK e, bitirme öğrencilerinden baģta Gökhan YALÇIN ve Tolga YARDIMCI olmak üzere Haluk LAMAN ve M. Ferhat YĠĞĠT e ve bölüm personeli Süleyman EVLEKSĠZ e teģekkür ederim. Tez çalıģmamı maddi olarak destekleyen Çukurova Üniversitesi AraĢtırma Projeleri Birimi ne teģekkür ederim. Bana sonsuz destek olan, sıkıntılarımı paylaģan, güç ve moral veren sevgili eģim Evrim UNCUOĞLU na ve dünya tatlısı biricik kızım Ilgın UNCUOĞLU na teģekkür ederim. Hayatımın her aģamasında bana destek olan baģta annem Fatma UNCUOĞLU olmak üzere tüm aileme teģekkür ederim. III
ĠÇĠNDEKĠLER SAYFA NO ÖZ... I ABSTRACT... II TEġEKKÜR... III ĠÇĠNDEKĠLER... IV ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ... VIII ġekġller DĠZĠNĠ... XI SĠMGELER VE KISALTMALAR... XIX 1. GĠRĠġ... 1 2. ÖNCEKĠ ÇALIġMALAR... 9 2.1. Analitik YaklaĢımlar... 9 2.1.1. Brinch-Hansen (1961)... 13 2.1.2. Broms (1964)... 15 2.1.3. Meyerhof ve Ark. (1981)... 18 2.1.4. Prasad and Chari (1999)... 21 2.1.5. Zhang ve ark. (2005)... 24 2.2. Deneysel ÇalıĢmalar... 30 2.2.1. Arazi Deneyleri... 31 2.2.2. Model Deney ÇalıĢmaları... 36 2.2.2.1. Klasik Model Deney (1g) ÇalıĢmaları... 36 2.2.2.2. Centrifuge Model Deney (Ng) ÇalıĢmaları... 48 2.3. Sayısal Analiz ÇalıĢmaları... 57 3. DENEYSEL ÇALIġMALAR... 72 3.1. Deney Düzeneği... 72 3.1.1. Deney Kasası... 72 3.1.2. Model Kazıklar... 74 3.1.3. Yükleme Düzeneği... 75 3.1.4. Yük Hücresi... 76 3.1.5. Deplasman Transduserleri... 78 3.1.6. Veri Kaydetme Ünitesi (ADU)... 78 IV
3.1.7. TitreĢim Cihazı... 80 3.1.8. Model Kazık Sabitleme Aparatı... 81 3.1.9. ġev OluĢturma Düzeneği... 82 3.2. Kum Zemin... 84 3.2.1. Endeks Deneyler... 84 3.2.1.1. Elek Analizi... 84 3.2.1.2. Piknometre Deneyi... 86 3.2.1.3. Rölatif Sıkılık Deneyleri... 86 3.2.2. Kayma Mukavemeti Deneyleri... 88 3.2.2.1. Kesme Kutusu Deneyleri... 89 3.2.2.2. Üç Eksenli Basınç Deneyleri... 90 3.3. Deney Yöntemi... 92 3.3.1. Ölçüm Aletleri ve Yükleme Düzeneğinin Kalibrasyonu... 92 3.3.2. Deneylerin YapılıĢı... 100 4. DENEY SONUÇLARI... 104 4.1. Yükleme Hızı... 109 4.2. Kazık Geometrisi... 115 4.2.1. Kazık Gömülü Uzunluğu... 116 4.2.2. Kazık Çapı... 121 4.3. Kazık En Kesit ġekli... 127 4.4. Tabakalı Kum Zemin Durumu... 134 4.5. ġevli Zemin Yüzeyi Durumu... 139 4.6. Kazığın Ġmal Edildiği Malzeme... 145 5. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMĠ... 153 5.1. Sonlu Elemanlar Yönteminin Tanıtımı... 155 5.2. Zemin DavranıĢının Modellenmesi... 161 5.2.1. Mohr-Coulomb (MC) Malzeme Modeli... 164 5.2.2. Model Parametrelerinin Gerçek Zemin DavranıĢı ile ĠliĢkilendirilmesi 165 5.2.3. Mohr-Coulomb (MC) Malzeme Modeli Parametreleri... 166 5.2.3.1. Elastisite Modülü (E)... 166 5.2.3.2. Poisson Oranı ( )... 168 V
5.2.3.3. Kohezyon (c)... 168 5.2.3.4. Ġçsel Sürtünme Açısı ( )... 169 5.2.3.5. Dilatasyon Açısı ( )... 169 5.3. Kazık DavranıĢının Modellenmesi ve Lineer Elastik (LE) Malzeme Modeli... 169 5.4. Ara Yüzey DavranıĢı... 170 5.5. Plaxis 3D Foundation Programı... 172 5.5.1. ÇalıĢma Düzlemlerinin OluĢturulması... 172 5.5.2. Kazık Elemanın OluĢturulması... 173 5.5.3. Yükün Uygulanması... 174 5.5.4. Zemin Profilinin Elde Edilmesi... 175 5.5.5. Malzeme Özelliklerinin Tanımlanması... 176 5.5.6. Sınır KoĢulları... 176 5.5.7. Sonlu Elemanlar Ağının OluĢturulması... 177 5.5.8. BaĢlangıç Gerilme Durumunun Tanımlanması... 179 5.5.9. Sayısal Analiz... 180 6. SONLU ELEMANLAR ANALĠZĠ... 182 6.1. Mesh Analizi... 183 6.2. Parametrik ÇalıĢma... 189 6.2.1. Elastisite Modülünün Etkisi... 190 6.2.2. Dilatasyon Açısının Etkisi... 194 6.2.3. Ara Yüzey Elemanının Etkisi... 198 6.3. Sayısal Analizler... 202 6.3.1. Kazık Gömülü Uzunluğu... 203 6.3.2. Kazık Çapı... 208 6.3.3. Kesit Geometrisi... 212 6.3.4. Tabakalı Zemin Durumu... 217 6.3.5. Kazık Malzemesi... 222 6.3.6. ġevli Durum... 229 7. SONUÇLARIN KARġILAġTIRILMASI... 235 7.1. Kazık Gömülü Uzunluğu... 235 VI
7.2. Kazık Çapı... 241 7.3. Kazık En Kesit ġekli... 247 7.4. Kazık Malzemesi... 253 7.5. Tabakalı Zemin Durumu... 255 7.6. ġevli Durum... 258 7.7. Sonuçların KarĢılaĢtırılmasına ĠliĢkin Genel Değerlendirmeler... 260 8. SONUÇ ve ÖNERĠLER... 263 KAYNAKLAR... 271 ÖZGEÇMĠġ... 277 VII
ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ SAYFA NO Çizelge 2.2 Kulhawy ve ark. (1983) ve Kulhawy (1991) Tarafından ÖnerilmiĢ Olan K Katsayısı Değerleri (Zhang ve ark., 2005)... 27 Çizelge 2.3 Kulhawy ve ark. (1983) ve Kulhawy (1991) Tarafından ÖnerilmiĢ Olan Katsayısı Değerleri (Zhang ve ark., 2005)... 28 Çizelge 2.8 Analitik YaklaĢımlar ile Sonlu Elemanlar Yönteminin KarĢılaĢtırması. 71 Çizelge 3.1 Deneysel ÇalıĢmalarda Kullanılan Kazık ve Çekme Kolu Özellikleri... 74 Çizelge 3.2 Yük Hücresi Özellikleri (www.esit.com.tr)... 77 Çizelge 3.3 Elek Analizi Sonuçları... 85 Çizelge 3.4 Kuru Birim Hacim Ağırlık Deneyi Sonuçları... 88 Çizelge 3.5 Yük Hücresi Kalibrasyon Değerleri... 92 Çizelge 3.6 1 No lu Deplasman Transduseri Kalibrasyon Değerleri... 93 Çizelge 3.7 2 No lu Deplasman Transduseri Kalibrasyon Değerleri... 94 Çizelge 4.2 GevĢek Kum Zeminde Farklı Yanal Yükleme Hızları için Sayısal Deney Sonuçları... 113 Çizelge 4.3 Sıkı Kum Zeminde Farklı Yanal Yükleme Hızları için Sayısal Deney Sonuçları... 114 Çizelge 4.4 Farklı L/D Oranları için GevĢek Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları (L, DeğiĢken)... 119 Çizelge 4.5 Farklı L/D Oranları için Sıkı Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları (L, DeğiĢken)... 120 Çizelge 4.6 Farklı L/D Oranları için GevĢek Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları (D, DeğiĢken)... 124 Çizelge 4.7 Farklı L/D Oranları için Sıkı Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları (D, DeğiĢken)... 125 Çizelge 4.8 Farklı En kesit ġekilleri için GevĢek Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları... 132 Çizelge 4.9 Farklı En kesit ġekilleri için Sıkı Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları... 132 Çizelge 4.10 Tabakalı Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları... 138 VIII
Çizelge 4.11 ġevli Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları... 144 Çizelge 4.12 Deneylerde Kullanılan Kazık Malzemelere Ait Özellikler... 147 Çizelge 4.13 Farklı Kazık Malzemeleri için GevĢek Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları... 150 Çizelge 4.14 Farklı Kazık Malzemeleri için Sıkı Kum Zeminde Elde Edilen Deney Sonuçları... 150 Çizelge 6.1 Kum Zemine Ait Malzeme Özellikleri... 183 Çizelge 6.2 Kazık Malzemelerine Ait Malzeme Özellikleri... 183 Çizelge 6.3 Mesh Analizleri Sırasında Kullanılan Malzeme Özellikleri... 184 Çizelge 6.5 GevĢek Kum Zeminde Elastisite Modülü Etkisi... 191 Çizelge 6.6 Sıkı Kum Zeminde Elastisite Modülü Etkisi... 192 Çizelge 6.7 GevĢek Kum Zeminde Dilatasyon Açısının Etkisi... 196 Çizelge 6.8 Sıkı Kum Zeminde Dilatasyon Açısının Etkisi... 196 Çizelge 6.9 GevĢek Kum Zeminde Ara Yüzey Elemanın Etkisi... 199 Çizelge 6.10 Sıkı Kum Zeminde Ara Yüzey Elemanın Etkisi... 200 Çizelge 6.11 Kum Zemin için Tanımlanan Parametreler... 203 Çizelge 6.12 GevĢek Kum Zeminde Kazık Gömülü Uzunluğunun Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 204 Çizelge 6. 13 Sıkı Kum Zeminde Kazık Gömülü Uzunluğunun Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 205 Çizelge 6.14 GevĢek Kum Zeminde Kazık Çapının Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 209 Çizelge 6.15 Sıkı Kum Zeminde Kazık Çapının Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 209 Çizelge 6.16 GevĢek Kum Zeminde Kesit Geometrisinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 213 Çizelge 6.17 Sıkı Kum Zeminde Kesit Geometrisinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 214 Çizelge 6.18 Farklı Yanal Yük Değerleri ve Farklı Yükleme Adımlarının Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 218 IX
Çizelge 6.19 Tabakalı Kum Zemin Durumunda Yanal Yük TaĢıma Kapasitesi Değerleri (Plaxis 3D Foundation)... 221 Çizelge 6.20 GevĢek Kum Zeminde Kazık Malzemesinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 228 Çizelge 6. 21 Sıkı Kum Zeminde Kazık Malzemesinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 228 Çizelge 7.1 GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Gömülü Uzunlukları için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 236 Çizelge 7.2 Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Gömülü Uzunlukları için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 237 Çizelge 7.3 GevĢek ve Sıkı Kum Zeminde Dönme Noktası (Pivot Nokta) Derinliklerinin KarĢılaĢtırılması... 240 Çizelge 7.4 GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Çapları için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 242 Çizelge 7.5 Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Çapları için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 244 Çizelge 7.6 GevĢek ve Sıkı Kum Zeminde Dönme Noktası (Pivot Nokta) Derinliklerinin KarĢılaĢtırılması... 246 Çizelge 7.9 GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 253 Çizelge 7.10 Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 254 Çizelge 7.11 Tabakalı Kum Zeminde Farklı H/L Oranları için Sonuçların KarĢılaĢtırılması... 255 X
ġekġller DĠZĠNĠ SAYFA NO ġekil 1.1. Rijit Kısa Kazık Temellerin Kullanıldığı Yapı Tiplerine Örnekler... 2 ġekil 2.1. Brinch-Hansen Yanal Zemin Basıncı Dağılımı (Laman, 1995)... 13 ġekil 2.2. Brinch-Hansen Katsayıları K q ve K c nin Değerleri (Brinch Hansen, 1961)... 15 ġekil 2.3. Serbest BaĢlı Rijit Kısa Kazık-Ötelenme-Zemin Reaksiyonu ve Eğilme Momenti Dağılımları (Broms,1964-Gunanaratne, 2006)... 16 ġekil 2.4. Tabakalı Zeminde Göçme Anında Rijit Duvara Etkiyen Net Toprak Basıncının Dağılımı (Meyerhof ve ark., 1981)... 18 ġekil 2.5. Kum Zemindeki Yanal Yüklü Rijit Bir Kazık için ġekil Faktörleri (Meyerhof ve ark., 1981)... 21 ġekil 2.6. Önerilen Zemin Basınç Dağılımı (Prasad ve Chari, 1999)... 23 ġekil 2.7. Yanal Yüke Maruz Kazığa Etkiyen Normal ve Kayma Gerilmelerinin Dağılımı (Zhang ve ark., 2005)... 25 ġekil 3.1. Deney Düzeneği... 73 ġekil 3.2. (a) Model Çelik Kazık (b) Çekme Kolu, Çelik Halat ve Bilyalı Kanca... 75 ġekil 3.3. Yük Hücresi (www.esit.com.tr)... 77 ġekil 3.4. Deplasman Transduseri... 78 ġekil 3.5. ADU Cihazı ve DIALOG Programı... 79 ġekil 3.6. TitreĢim Cihazı... 80 ġekil 3.7. Kazık Temel Sabitleme Aparatı... 81 ġekil 3.8. Model Kazığın Zeminde Dik Konumda Tutulması... 82 ġekil 3.9. ġev OluĢturma Düzeneği (Keskin, 2009)... 83 ġekil 3.10. Deney Kumunun Kurutulması... 85 ġekil 3.11. Model Kum Zeminin Dane Çapı Dağılımı Eğrisi... 86 ġekil 3.12. GevĢek Kum Zeminin Kuru Birim Hacim Ağırlığının Belirlenmesi... 87 ġekil 3.13. Sıkı Kum Zeminin Kuru Birim Hacim Ağırlığının Belirlenmesi... 88 ġekil 3.14. GevĢek Kum Zeminde Kesme Kutusu Deney Sonucu... 89 ġekil 3.15. Sıkı Kum Zeminde Kesme Kutusu Deney Sonucu... 90 ġekil 3.16. GevĢek Kum Zeminde CD-Üç Eksenli Basınç Deneyi Sonuçları... 91 XI
ġekil 3.17. Sıkı Kum Zeminde CD-Üç Eksenli Basınç Deneyi Sonuçları... 91 ġekil 3.18. Yük Hücresi Kalibrasyon Eğrisi... 93 ġekil 3.19. 1 No lu Deplasman Transduseri Kalibrasyon Eğrisi... 94 ġekil 3.20. 2 No lu Deplasman Transduseri Kalibrasyon Eğrisi... 95 ġekil 3.21. Deneyin Hazırlanması... 102 ġekil 4.1. Yanal Yüke Maruz Rijit Kısa Kazığın DavranıĢı (Broms, 1964)... 104 ġekil 4.2. GevĢek Kum Zemindeki Rijit Kısa Kazıklar için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkileri... 106 ġekil 4.3. Sıkı Kum Zemindeki Rijit Kısa Kazıklar için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkileri... 106 ġekil 4.4. Model Deney Sistemi Geometrisi... 109 ġekil 4.5. GevĢek Kum Zeminde Farklı Yanal Yükleme Hızları için Kazık BaĢı Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 111 ġekil 4.6. Sıkı Kum Zeminde Farklı Yanal Yükleme Hızları için Kazık BaĢı Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 112 ġekil 4.7. GevĢek Kum Zeminde Farklı Yanal Yükleme Hızları için Kazık BaĢı Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 112 ġekil 4.8. Sıkı Kum Zeminde Farklı Yanal Yükleme Hızları için Kazık BaĢı Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 113 ġekil 4.9. GevĢek ve Sıkı Kum Zeminde Yanal Yükleme Hızı-Yanal Yük ĠliĢkisi 115 ġekil 4.10. GevĢek Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi (L, DeğiĢken)... 117 ġekil 4.11. Sıkı Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi (L, DeğiĢken)... 117 ġekil 4.12. GevĢek Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi (L, DeğiĢken)... 118 ġekil 4.13. Sıkı Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi (L, DeğiĢken)... 118 ġekil 4.14. Kazık BaĢındaki 2 lik Dönme Açısı için L/D-Yanal Yük iliģkileri... 121 ġekil 4.15. GevĢek Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi (D, DeğiĢken)... 122 XII
ġekil 4.16. Sıkı Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi (D, DeğiĢken)... 122 ġekil 4.17. GevĢek Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi (D, DeğiĢken)... 123 ġekil 4.18. Sıkı Kum Zeminde Farklı L/D Oranları için Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi (D, DeğiĢken)... 123 ġekil 4.19. Kazık BaĢındaki 2 lik Dönme Açısı için L/D-Yanal Yük ĠliĢkileri... 126 ġekil 4.20. Kazık BaĢındaki 2 lik Dönme Açısı için L ve D ye Bağlı L/D-Yanal Yük ĠliĢkileri... 126 ġekil 4.21. GevĢek Kum Zeminde Farklı En kesit ġekilleri için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 129 ġekil 4.22. Sıkı Kum Zeminde Farklı En kesit ġekilleri için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 129 ġekil 4.23. GevĢek Kum Zeminde Farklı En kesit ġekilleri için Dönme Açısı- Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 130 ġekil 4.24. Sıkı Kum Zeminde Farklı En kesit ġekilleri için Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 130 ġekil 4.25. GevĢek ve Sıkı Kum Zeminde Farklı En kesit ġekilleri için 2 lik Dönme Açısında Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 133 ġekil 4.26. Tabakalı Kum Zemin Durumunun Modellenmesi... 135 ġekil 4.27. Tabakalı Kum Zeminde Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 136 ġekil 4.28. Tabakalı Kum Zeminde Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 137 ġekil 4.29. Tabakalı Kum Zeminde H/L-Yanal Yük... 139 ġekil 4.30. ġevli Zemin Yüzeyi Durumunda Model Deney Geometrisi... 141 ġekil 4.31. ġevli Kum Zeminde Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 142 ġekil 4.32. ġevli Kum Zeminde Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi 143 ġekil 4.33. ġevli Kum Zeminde ġev Tepesine Uzaklık-YYTKO ĠliĢkisi... 145 ġekil 4.34. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 148 XIII
ġekil 4.35. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkisi... 148 ġekil 4.36. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için Dönme Açısı- Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 149 ġekil 4.37. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için Dönme Açısı-Moment TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 149 ġekil 4.38. GevĢek ve Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Malzemeleri için 2 lik Dönme Açısında Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması.. 152 ġekil 5.1. Sonlu Elemanlar Yöntemi... 154 ġekil 5.2. Problem Geometrisinin Sonlu Elemanlara Ayrılması... 155 ġekil 5.3. Sonlu Eleman Örnekleri... 156 ġekil 5.4. Düğüm Noktası Serbestlik Dereceleri... 157 ġekil 5.5. Global Matris EĢitliklerinin Elde Edilmesi... 158 ġekil 5.6. Sınır ġartlarının Probleme Uygulanması... 159 ġekil 5.8. Elasto-Plastik Malzeme için Gerilme-Deformasyon ĠliĢkisi (Johnson ve ark., 2006)... 162 ġekil 5.9. Mohr-Coulomb Göçme Yüzeyi (Johnson ve ark., 2006)... 162 ġekil 5.10. Ġdealize EdilmiĢ Gerilme-Deformasyon ĠliĢkisi (Johnson ve ark., 2006)... 164 ġekil 5.11. (Plaxis 3D Foundation V2-Manual)... 166 ġekil 5.12. E 0 ve E 50 Elastisite Modüllerinin Tanımlanması (Plaxis 3D V2-Manual)... 167 ġekil 5.13. ÇalıĢma Düzlemlerinin Temsili Gösterimi... 173 ġekil 5.14. Tekil Yük Veri Penceresi... 174 ġekil 5.15. Sondaj Kuyusu Veri Penceresi... 175 ġekil 5.16. Üç Boyutlu Model Geometrisi... 177 ġekil 5.17. Ġki ve Üç Boyutlu Mesh OluĢumunda Kullanılan Sonlu Eleman Tipleri... 178 ġekil 6.1. Kazık BaĢındaki 1 lik Dönme Açısı için Yanal Ötelenme-Yanal Yük ĠliĢkileri... 185 XIV
ġekil 6.2. Üniform Sıkı Kum Zemin Durumunda Üç Boyutlu Sonlu Elemanlar Ağı... 187 ġekil 6.3. Tabakalı Kum Zemin Durumunda Üç Boyutlu Sonlu Elemanlar Ağı... 188 ġekil 6.4. ġevli Kum Zemin Durumunda Üç Boyutlu Sonlu Elemanlar Ağı... 188 ġekil 6.5. GevĢek Kum Zeminde Elastisite Modülü Etkisi... 192 ġekil 6.6. Sıkı Kum Zeminde Elastisite Modülü Etkisi... 193 ġekil 6.7. Ereferans-Yanal Yük TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 194 ġekil 6.8. GevĢek Kum Zeminde Dilatasyon Açısının Etkisi... 197 ġekil 6.9. Sıkı Kum Zeminde Dilatasyon Açısının Etkisi... 197 ġekil 6.10. ( )-Yanal Yük TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 198 ġekil 6.11. GevĢek Kum Zeminde Ara Yüzey Elemanının Etkisi... 201 ġekil 6.12. Sıkı Kum Zeminde Ara Yüzey Elemanının Etkisi... 201 ġekil 6.13. Rinter Katsayısının Kazık-Zemin EtkileĢimine Etkisi... 202 ġekil 6.14. Rinter -Yanal Yük TaĢıma Kapasitesi ĠliĢkisi... 202 ġekil 6.15. GevĢek Kum Zeminde Kazık Gömülü Uzunluğunun Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 206 ġekil 6.16. Sıkı Kum Zeminde Kazık Gömülü Uzunluğunun Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 206 ġekil 6.17. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Gömülü Uzunlukları için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 207 ġekil 6.18. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Gömülü Uzunlukları için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 207 ġekil 6.19. GevĢek Kum Zeminde Kazık Çapının Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 210 ġekil 6.20. Sıkı Kum Zeminde Kazık Çapının Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 210 ġekil 6.21. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Çapları için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 211 ġekil 6.22. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Çapları için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 212 XV
ġekil 6.23. GevĢek Kum Zeminde Kesit Geometrisinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 214 ġekil 6.24. Sıkı Kum Zeminde Kesit Geometrisinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 215 ġekil 6.25. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kesit Geometrileri için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 216 ġekil 6.26. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kesit Geometrileri için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 216 ġekil 6.27. Tabakalı Kum Zemin Durumunda Rinter Katsayısının DeğiĢimi... 220 ġekil 6.28. Tabakalı Zemin Durumunun Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi... 221 ġekil 6.29. Tabakalı Kum Zemin Durumunda H/L=0.25 için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 222 ġekil 6.30. Rinter=0.035 için GevĢek Kum Zeminde Elde Edilen Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkileri (Plaxis 3D Foundation)... 223 ġekil 6.31. Rinter=0.200 için Sıkı Kum Zeminde Elde Edilen Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkileri (Plaxis 3D Foundation)... 224 ġekil 6.32. Farklı Çekme Kolu Malzemesi Durumunda GevĢek Kum Zeminde Elde Edilen Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkileri... 224 ġekil 6.33. Sıkı Kum Zeminde Yanal Yüke Maruz Model Derlin Kazık... 225 ġekil 6.34. GevĢek Kum Zeminde Alüminyum Model Kazık için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 226 ġekil 6.35. Sıkı Kum Zeminde Alüminyum Model Kazık için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 227 ġekil 6.36. GevĢek Kum Zeminde Kazık Malzemesinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundatin)... 228 ġekil 6.37. Sıkı Kum Zeminde Kazık Malzemesinin Yanal Yük TaĢıma Kapasitesine Etkisi (Plaxis 3D Foundation)... 229 ġekil 6.38. Kendi Ağırlığı Etkisinde Stabil Olmayan ġevlendirilmiģ Kum Zemin. 231 ġekil 6.39. ġevli Durumda ġev Tepesine En Yakın ve En Uzak Konumda Elde Edilen Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkileri... 231 XVI
ġekil 6.40. ġevli ve ġevsiz Durumda Elde Edilen Kazık BaĢı Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 233 ġekil 6.41. ġevli Kum Zeminde ġev Tepesine Uzaklık-YYTKO ĠliĢkisi... 233 ġekil 7.1. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Gömülü Uzunlukları için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 236 ġekil 7.2. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Gömülü Uzunlukları için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 238 ġekil 7.3. GevĢek Kum Zeminde L/D=5 için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 240 ġekil 7.4. Sıkı Kum Zeminde L/D=5 için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 241 ġekil 7.5. GevĢek Kum Zeminde Farklı Kazık Çapları için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 242 ġekil 7.6. Sıkı Kum Zeminde Farklı Kazık Çapları için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 244 ġekil 7.7. GevĢek Kum Zeminde L/D=3 için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 246 ġekil 7.8. Sıkı Kum Zeminde L/D=3 için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 247 ġekil 7.9. GevĢek Kum Zeminde Farklı En Kesit ġekilleri için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 250 ġekil 7.10. Sıkı Kum Zeminde Farklı En Kesit ġekilleri için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 251 ġekil 7.11. GevĢek Kum Zeminde B=50mm GeniĢlikteki Kare Kesitli Kazık için. 252 ġekil 7.12. Sıkı Kum Zeminde B=50mm GeniĢlikteki Kare Kesitli Kazık için... 252 ġekil 7.13. GevĢek Kum Zeminde Derlin Model Kazık için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 254 ġekil 7.14. Tabakalı Kum Zeminde Farklı H/L Oranları için Yanal Yük TaĢıma Kapasitelerinin KarĢılaĢtırılması... 256 ġekil 7.15. Tabakalı Kum Zeminde H/L=0.50 Oranı için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 257 XVII
ġekil 7.16. Tabakalı Kum Zeminde H/L=0.75 Oranı için Deneysel ve Sayısal Yanal Yük-Yanal Ötelenme ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 258 ġekil 7.17. ġevlendirilmiģ GevĢek Kum Zeminde YYTKO-ġev Tepesine Uzaklık ĠliĢkilerinin KarĢılaĢtırılması... 259 XVIII
SĠMGELER VE KISALTMALAR c P z K qz, K cz D K p L e Q u K b K c P u B K 0 E p I p D d C u D r k L/D D k L k B k H k g ; kohezyon ; içsel sürtünme açısı ; z derinliğindeki efektif örtü basıncı ; Brinch Hansen pasif zemin basınç katsayıları ; zemin birim hacim ağırlığı ; kazık çapı ; Rankine pasif zemin basınç katsayısı ; kazık gömülü uzunluğu ; yanal yük uygulama noktasının zemin yüzeyinden yüksekliği ; nihai yanal yük ; kohezyonsuz zemin için yanal zemin basınç katsayısı ; kohezyonlu zemin için yanal zemin basınç katsayısı ; nihai yanal direnç ; kazık geniģliği ; zemin basıncı için Ģekil faktörü ; kayma direnci için Ģekil faktörü ; sükunetteki toprak basınç katsayısı ; zemin ve kazık arasındaki ara yüzey sürtünme açısı ; kazık eğilme rijitliği ; dane çapı ; üniformluk katsayısı ; relatif sıkılık derecesi ; kuru birim hacim ağırlık ; narinlik oranı ; deney kasasının çapı ; deney kasasının uzunluğu ; deney kasasının geniģliği ; deney kasasının yüksekliği ; yerçekim ivmesi XIX
N R D R ( ) U e t P M U 0.10D H/L β x E I u θ {u} {u} e [k] e {f} e [K] {F} {U} 1 2 3 E 0 E 50 1-3 E increment ; centrifuge ivmesi ; dönme noktası derinliği ; kazık baģındaki dönme açısı ; e yüksekliğindeki yanal ötelenme ; deney süresi ; yatay yük taģıma kapasitesi ; moment taģıma kapasitesi ; kazık çapının %10 u değerindeki yanal ötelenme ; tabakalanma oranı ; Ģev açısı ; kazığın Ģev tepesine yatay mesafesi ; elastisite modülü ; atalet momenti ; ötelenme hareketi ; dönme hareketi ; düğüm noktası deplasman vektörü ; eleman deplasman vektörü ; eleman rijitlik matrisi ; eleman yük vektörü ; sistem rijitlik matrisi ; sistem yük vektörü ; deplasman vektörü ; büyük asal gerilme ; orta asal gerilme ; küçük asal gerilme ; poisson oranı ; dilatasyon açısı ; baģlangıç elastisite modülü ; sekant elastisite modülü ; deviatorik gerilme ; birim derinlik baģına elastisite modülündeki artım miktarı XX
E referans y ref. h v n R inter v, 0 h, 0 dry sat. u x, y=0 ; referans elastisite modülü ; referans derinlik ; yatay gerilme ; düģey gerilme ; kayma mukavemeti ; normal gerilme ; mukavemet azaltma katsayısı ; baģlangıç düģey gerilmesi ; baģlangıç yatay gerilmesi ; zemin kuru birim hacim ağırlığı ; zemin doygun birim hacim ağırlığı ; kazık baģındaki yanal ötelenme XXI
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU 1. GĠRĠġ Yüksek gerilim hattı kuleleri, elektrik direkleri, otobanlarda yolun üst kısmında belirli bir yükseklikte yer alan iģaret ve bilgilendirme levhaları ile trafik ıģıklarını taģıyan köprü veya konsol tipi direkler, otoban ve demiryollarındaki büyük reklam panolarını taģıyan direkler ve ticari reklam panolarını taģıyan direkler için kullanılan temel sistemleri esas olarak zemin yüzeyi üzerinden oldukça yüksekte etkiyen yanal yüklere karģı koyacak Ģekilde tasarlanmalıdır (ġekil 1.1). Büyük devrilme momentlerine maruz olan bu tip yapıların temel sistemleri rölatif olarak küçük sayılan düģey ve yatay kuvvetlere de maruzdur. Yukarıda sayılan yapılar için temel sistemi olarak, genellikle, rijit kısa kazıklar kullanılmaktadır. Kısa kazıklar, çapları veya geniģlikleri büyük ancak derinlikleri küçük olan kazıklardır. Dairesel veya kare en kesit geometrisine sahip olabilirler. Kısa kazıklar, imal edilecekleri sahada zeminin özelliklerine ve Ģartlarına bağlı olarak muhafaza borulu ya da muhafaza borusuz bir kuyunun açılması daha sonra da bu kuyunun içerisine donatının koyulup kuyu içinin beton ile doldurulması Ģeklinde imal edilmektedirler. Rijit kısa kazık temeller (short bored piles), ayak (pier) temeller ile aynı görevi yerine getirmektedirler. Yanal yüke maruz rijit kısa bir kazığın göçme mekanizması flexible uzun bir kazığın göçme mekanizmasından farklıdır. Rijit kısa kazık zemin yüzeyi üzerinden belirli bir yükseklikte etkiyen yanal bir yüke maruz kaldığında kazığın etkiyen yanal yük ve moment etkisi ile gömülü uzunluğu boyunca herhangi bir derinlikte yer alan bir nokta etrafında dönerek kendisini çevreleyen zemine yaslandığı kabul edilir. Bu durumda; dönme noktasının üst tarafında kazık ön yüzünde, dönme noktasının alt tarafında da kazık arka yüzünde pasif zemin basınçları oluģur. Zemin tarafından kazığa etkitilen yanal zemin basınçlarının değerinin zeminin nihai yanal direncine ya da baģka bir ifade ile zeminin pasif basınç değerine ulaģması ile göçme meydana gelir. 1
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU (a) (http://en.wikipedia.org/wiki/file:acosta_bridge_southbound_end.jpg) (b) (http://en.wikipedia.org/wiki/file:a27.jpg) (c) (www.clickindia.com) (d) http://img218.imageshack.us/i/04in6.jpg/ ġekil 1.1. Rijit Kısa Kazık Temellerin Kullanıldığı Yapı Tiplerine Örnekler 2
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU Yanal yüke maruz kazıkların davranıģı üç boyutlu ve non-lineer bir zeminyapı etkileģimi problemi olup kazık ve zemin arasındaki etkileģim tarafından kontrol edilmektedir. Bu tip temel sistemlerinin analizi için kullanılan yöntemler eksenel yüke maruz derin temellerin analizinde kullanılan yöntemler kadar ileri düzeyde değildir. Bununla birlikte; yanal yüklü kazık probleminde yük-transfer mekanizması son derece karmaģık olup eksenel yüke maruz derin temellerin davranıģları kadar iyi anlaģılamamıģtır. Yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların analizi için kullanılan mevcut tasarım yöntemlerinin çoğunluğu arazi ya da laboratuar model deneylerinden elde edilen deneysel bilgilere veya basit sayılabilen limit durum yaklaģımlarına dayanmaktadır. Arazi deney sonuçlarının, özellikle, deney yapılan saha ve zemin koģulları için geçerli olması, model deneylerden elde edilen sonuçlarda ölçek etkisinin bulunması bununla birlikte elde edilen deneysel iliģkilerin çoğunlukla homojen zemin koģulları için geçerli olması ve zemin parametrelerinin keyfi seçilmesi gibi nedenlerden dolayı bahsedilen yöntemler çok güvenilir kabul edilmemektedir. Öyle ki; kohezyonsuz zeminler içerisinde yer alan kazıkların yanal yük taģıma kapasiteleri farklı analitik yöntemler kullanılarak tahmin edildiklerinde elde edilen taģıma gücü değerleri arasında önemli derecede farklılıklar olduğu görülmüģtür. Bu yüzden; uygulamacı mühendisler, tasarım aģamasında yanal yük taģıma kapasitesi tahmin edilirken hangi yaklaģımın daha efektif olduğu konusunda zorluk yaģamaktadırlar. Yanal yüke maruz kazıkların davranıģlarının tahmin edilmesinde kullanılmak üzere son yıllarda geliģtirilmiģ olan yeni yaklaģımlar da mevcuttur. Bunlar arasında centrifuge modelleme tekniği ve sonlu elemanlar yöntemi sayılabilir. Centrifuge modelleme tekniği, tam ölçekli arazi deneylerine ekonomik ve pratik bir alternatif olarak kullanılabilmektedir. Ancak; düzeneğin dünya genelinde az sayıda araģtırma merkezinde bulunuyor olması bu yöntem ile yapılacak çalıģmalar ve geliģtirilecek çözüm teknikleri için bir sınırlama oluģturmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi, zemin mekaniği ve temel mühendisliği problemlerinin tasarım ve analizlerinde, özellikle, son yirmi yıldır yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonlu elemanlar yöntemi, bir sistemin davranıģını etkileyebilecek çok sayıdaki faktörü göz önüne alarak çözümleme yapabilen güçlü bir hesaplama 3
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU aracıdır. Zeminin gerilme-deformasyon davranıģının non-lineer olması ve bu özelliğin non-lineer davranıģ özelliğini tanımlayan malzeme modelleri ile dikkate alınabilmesi sonlu elemanlar yönteminin en önemli avantajlarından birisidir. Buna karģılık; zeminin belirsizlikler içeren ve özellik değiģimi olan bir malzeme olması, anizotrop ve heterojen bir yapısının olması, kullanılan zemin modellerinin hala eksiklikler içeriyor olması gibi nedenlerden dolayı sonlu elemanlar yöntemi, yaygın olarak, tasarım aģamasında ön fikir edinmek ve problem ile ilgili parametrik çalıģma yapmak amacı ile kullanılmaktadır. Yanal yüke maruz rijit kısa kazık problemi üç boyutlu ve non-lineer bir problem olup problemin çözümünde birçok parametrenin dikkate alınmasını gerektirmektedir. Bu yüzden; problemin çözümü ile ilgili kesin sonuç veren genel bir çözüm tekniği hala geliģtirilememiģtir. Bu tez çalıģması, kuru kum zemin içerisinde yer alan yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların yanal yük ve moment taģıma kapasitelerinin araģtırılmasına yönelik olarak yapılmıģtır. ÇalıĢmalar kapsamında; çok sayıda küçük ölçekli laboratuar model deneyleri gerçekleģtirilmiģ, problem üç boyutlu non-lineer sonlu elemanlar yöntemi ile modellenerek analiz edilmiģ ve mevcut analitik yaklaģımlar kullanılarak yanal yük taģıma kapasitesi değerleri hesaplanmıģtır. ÇalıĢmalar boyunca, yanal yüke maruz rijit kısa bir kazığın davranıģının daha iyi bir Ģekilde anlaģılabilmesi için literatürdeki çalıģmalardan farklı olarak aģağıda sıralanan çalıģmalar gerçekleģtirilmiģtir. Yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların davranıģlarını araģtırmaya yönelik arazi ve laboratuar yükleme deneyleri, genellikle, yatay yükün sabit bir hızda uygulanması yolu ile gerçekleģtirilmektedir. Yükleme hızının kum zeminin kayma mukavemeti üzerindeki etkisi, genellikle, farklı kesme hızlarında gerçekleģtirilmiģ kesme kutusu deneyleri ile araģtırılmıģtır. Literatürdeki mevcut deneysel çalıģmalar incelendiğinde yükleme hızının kum zemin içerisinde yer alan yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların yanal yük taģıma kapasitesine etkisini araģtırmaya yönelik yapılmıģ küçük ölçekli bir model deney çalıģmasına rastlanılmamıģtır. Bu amaçla; deneysel çalıģmalarda kullanılmak üzere yeni bir yükleme düzeneği tasarlanıp imal edilmiģtir. 4
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU Böylelikle; yanal yükün farlı hızlarda uygulanması ve uygulanan yükleme hızının yanal yük taģıma kapasitesi üzerindeki etkisi hem gevģek hem de sıkı kum zemin durumlarında araģtırılmıģtır. Elde edilen sonuçlara göre yükleme hızındaki değiģme, yanal yük taģıma kapasitesine önemli bir etkide bulunmamaktadır. Yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların tasarımı için kullanılan mevcut analitik yöntemler, kazığın yanal yük taģıma kapasitesinin kazığın en kesit Ģeklinden bağımsız olduğunu kabul etmektedirler. Broms (1964) un bildirdiğine göre Shilts ve ark. (1948), Ramelot ve Vandeperre (1950) ve Roscoe (1957), en kesit Ģekilleri farklı model kazıklar üzerinde laboratuar yanal yükleme deneyleri yaparak kazık en kesit Ģeklinin kazığın yanal yük taģıma kapasitesine etkisini incelemiģ ve çalıģmalar sonucunda kazık en kesit Ģeklinin kısa kazıkların nihai yanal yük taģıma kapasitesi üzerinde önemli sayılmayacak bir etkiye sahip olduğunu belirtmiģlerdir. Yanal yüke maruz kazıkların davranıģı zemin ve kazık arasındaki etkileģim tarafından kontrol edildiği için kazık en kesit Ģeklinin kazığın yanal yük taģıma kapasitesi üzerinde önemli bir etkisi olabilir. Bu amaçla; dairesel ve kare en kesitli model kazıklar üzerinde bir seri model deney çalıģması yapılarak eģdeğer dairesel alan kabulü ve çapa eģdeğer geniģlik kabulü için kazık en kesit Ģeklinin yanal yük taģıma kapasitesine etkisi araģtırılmıģtır. Elde edilen sonuçlara dayanılarak analitik yaklaģımlarda kullanılan eģdeğer dairesel alan kabulü yaklaģımının doğruluğu da yorumlanmıģtır. Yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların davranıģlarını araģtırmak için yapılmıģ olan laboratuar model deneylerinin çoğunluğu üniform zemin koģullarında gerçekleģtirilmiģtir. Benzer Ģekilde; mevcut analitik yöntemlerin çoğunluğu da sadece üniform zemin koģullarında kullanılabilmektedir. Oysa; pratikte, kazık temeller, çoğunlukla, mukavemet ve deformasyon özellikleri birbirinden farklı zemin tabakalarının oluģturduğu zemin profilleri içerisinde yer almaktadır. Tabakalı zemin profilleri içerisinde yer alan yanal yüke maruz kazık temellerin davranıģlarını incelemeye yönelik çalıģma sayısı oldukça sınırlıdır. Bu çalıģmada; model kazığın tabakalı kum zemin içerisinde yer 5
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU alması durumunda yanal yük etkisi altındaki davranıģı bir seri model deney çalıģması yapılarak araģtırılmıģtır. Yanal yük taģıma kapasitesinin tabakalanma oranı H/L ile nasıl bir değiģim göstereceği belirlenerek matematiksel bir iliģkinin elde edilmesi amaçlanmıģtır. Bununla birlikte; Meyerhof ve ark. (1981) tarafından önerilmiģ olan analitik yaklaģımın güvenilirliği de elde edilen deney sonuçları kullanılarak yorumlanmıģtır. Deneysel çalıģmalar ile araģtırılma olanağının olmadığı kum zeminin dilatasyon açısı, elastisite modülü ve zemin-kazık ara yüzey davranıģının yanal yük taģıma kapasitesi üzerindeki etkileri yapılan parametrik çalıģmalar ile sayısal olarak araģtırılmıģtır. Yapılan çalıģmalar ile yanal yük taģıma kapasitesinin her bir parametre ile değiģimi ve bu değiģimi ifade eden matematiksel eģitlikler elde edilmiģtir. Sayısal analizler Plaxis 3D Foundation sonlu elemanlar programı kullanılarak gerçekleģtirilmiģtir. Kum zeminin dilatasyon açısı, elastisite modülü ve zemin-kazık ara yüzey davranıģı için Plaxis programının önerdiği yaklaģımların model deney çalıģmalarını ne kadar doğru modelleyebildiği ortaya konmuģ ve sayısal analizlerde model sistemin en uygun parametreler kullanılarak modellenmesinin sayısal analiz çalıģmalarının doğruluğunu ve güvenilirliğini artıran en önemli unsur olduğu sonucu vurgulanmıģtır. Yapılan parametrik çalıģmalar sonucunda bahsedilen parametrelerin yanal yük taģıma kapasitesi üzerinde önemli etkileri olduğu görülmüģtür. Analitik yöntemlerde; göçme anındaki yanal yük taģıma kapasitesini ifade eden değerlerin kazık baģında ne kadar bir dönme açısı oluģturduğu veya kazık baģındaki yanal ötelenme değerlerinin ne olduğu konusunda güvenilir yaklaģımlar bulunmamaktadır. Analitik yöntemlerden elde edilen sonuçlar deneysel çalıģmalardan elde edilen sonuçlar ile karģılaģtırılarak gerek gevģek kum zeminde gerekse de sıkı kum zeminde göçmenin ne kadarlık bir dönme açısında meydana geleceği yorumlanmıģtır. Yaygın olarak kullanılan mevcut analitik yaklaģımlardan elde edilen sonuçlar değerlendirilerek hangi yaklaģımın daha güvenilir olduğu ve analitik yöntemler arasındaki farklılıkların nedenleri ortaya konmuģtur. 6
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU Tez çalıģması aģağıda özetlenen bölümlerden oluģmaktadır. Ġkinci bölümde; kum zemin içerisinde yer alan yanal yüklü kazıklar ile ilgili olarak yapılmıģ önceki çalıģmalar incelenmiģtir. Literatürdeki mevcut deneysel çalıģmalar, arazi ve laboratuar deneyleri ile ilgili çalıģmalar olmak üzere iki ana baģlıkta toplanmıģ, laboratuar deney çalıģmaları da küçük ölçekli laboratuar model deney çalıģmaları ve centrifuge model deney çalıģmaları olarak iki gruba ayrılmıģtır. Konu ile ilgili sayısal çalıģmalar kısmında, çoğunlukla, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılmıģ çalıģmalardan bahsedilmiģtir. Yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların yanal yük taģıma kapasitelerinin tahmin edilmesi amacıyla geliģtirilmiģ analitik tasarım yöntemleri de ayrıntılı olarak açıklanmıģtır. Üçüncü bölümde; deneysel çalıģmalar anlatılmaktadır. Deney düzeneği, deney kumu ve model kazıklar ile ilgili ayrıntılı bilgiler verilmiģtir. Deney kumunun endeks ve mukavemet özelliklerinin belirlendiği deneyler ve bu deneylerden elde edilen sonuçlar, yükleme ve ölçüm sistemlerinin kalibrasyonları ve deneylerin yapılması sırasında uygulanacak adımlar da bu bölüm baģlığı altında sunulmuģtur. Dördüncü bölümde; uygulanacak deney programı, deneysel çalıģmalardan elde edilen verilerin nasıl değerlendirileceği, gerekli hesaplamaların nasıl yapılacağı anlatılmıģ ve deneysel çalıģmalardan elde edilen sonuçlar sunulmuģtur. BeĢinci bölümde; sonlu elemanlar yöntemi ile ilgili tanımlamalar yapılarak sonlu elemanlar yöntemine dayalı hesap yapabilmek için izlenmesi gerekli prosedür açıklanmıģtır. Üç boyutlu non-lineer sonlu elemanlar programı Plaxis 3D Foundation tanıtılmıģ ve yanal yüklü kazık probleminin Plaxis 3D Foundation programı ile modellenerek analiz edilebilmesi için gerçekleģtirilmesi gerekli iģlemler maddeler halinde özetlenmiģtir. Altıncı bölümde; deneysel çalıģmalarda inceleme imkanımızın bulunmadığı bazı parametrelerin yanal yüke maruz rijit kısa kazığın davranıģına etkisi yapılan parametrik çalıģmalar ile araģtırılmıģtır. Ayrıca; Plaxis 3D Foundation programı kullanılarak gerçekleģtirilen üç boyutlu non-lineer sonlu elemanlar analizinden elde edilen sonuçlar da bu bölümde sunulmuģtur. 7
1.GĠRĠġ Erdal UNCUOĞLU Yedinci bölümde; deneysel çalıģmalar, sayısal analizler ve analitik yöntemlerden elde edilen yanal yük taģıma kapasitesi değerleri karģılaģtırılmaktadır. Tez çalıģmasının son bölümü olan sekizinci bölümde ise; gerçekleģtirilen çalıģmalardan elde edilen sonuçlar özetlenmiģ ve ileride yapılabilecek çalıģmalar ile ilgili önerilerde bulunulmuģtur. 8
2. ÖNCEKĠ ÇALIġMALAR Erdal UNCUOĞLU 2. ÖNCEKĠ ÇALIġMALAR Bu bölümde; kum zemin içerisinde yer alan yanal yüke maruz kazıkların yanal yük taģıma kapasitelerinin tahmin edilmesinde kullanılan analitik yaklaģımlar, yanal yüke maruz tek kazık ve kazık grupları üzerinde gerçekleģtirilmiģ deneysel ve sayısal analiz çalıģmaları anlatılmaktadır. Bu çalıģma; kum zemin içerisinde yer alan yanal yüke maruz rijit kısa kazıkların yanal yük ve moment taģıma kapasitesinin tahmin edilmesi ile ilgili olduğu için özellikle, rijit kısa kazıkların yanal yük taģıma kapasitelerini tahmin etmeye yönelik çalıģmalar ayrıntılı bir Ģekilde açıklanmıģtır. 2.1. Analitik YaklaĢımlar Yanal yüklü kazık probleminde yük-transfer mekanizması son derece karmaģık olup hala tam anlamı ile anlaģılamamıģtır. Bu nedenle; günümüze kadar birçok tasarım yöntemi geliģtirilmiģtir. Yanal yüke maruz kazıkların davranıģı üç boyutlu ve nonlineer bir zemin-yapı etkileģimi problemi olup kazık ve zemin arasındaki etkileģim tarafından kontrol edilmektedir. Kazık özellikleri (kazığın eğilme rijitliği, kazığın geometrisi), zeminin gerilme-deformasyon davranıģı (kayma mukavemeti, zeminin rijitliği ve dilatasyon özelliği) ve kazık-zemin ara yüzeyi yanal yüke maruz bir kazığın taģıma kapasitesi üzerinde önemli etkilere sahiptir (Fan ve Long, 2005). Yanal yüke maruz kazık temeller aģağıda sıralanmıģ olan üç Ģartı sağlayacak Ģekilde tasarlanmalıdır (Duncan ve ark., 1994). Uygulanan yanal yük, kazığı çevreleyen zeminin nihai yanal yük taģıma kapasitesini aģacağı büyülükte olmamalıdır. Uygulanan yanal yük nedeni ile kazık bünyesinde oluģan eğilme momentleri kazık kesit alanının moment taģıma kapasitesini aģmamalıdır. Yanal yük etkisinde meydana gelen yanal ötelenme miktarı üst yapı için izin verilebilir ötelenme değerinden küçük olmalıdır. 9
2. ÖNCEKĠ ÇALIġMALAR Erdal UNCUOĞLU Yanal yüklü kazıkların analizi için kullanılan mevcut tasarım yöntemleri dört ana grupta toplanabilir. 1-sınır durum yöntemi (limit state method) 2- temel zemini reaksiyon yöntemi (subgrade reaction method) 3- p-y eğri yöntemi 4-elastik analiz yöntemi (Fan ve Long, 2005). Bir kazığın nihai yanal yük taģıma kapasitesinin tahmin edilmesindeki en basit yaklaģım serbest baģlı bir kazığın statik dengesinin göz önüne alınmasıdır. Yatay bir H yüküne ve bir M momentine maruz kazığın rijit bir kazık olduğu kabul edilip, yatay kuvvetlerin dengesi prensibi ve momentler kullanılarak elde edilen denklemlerin çözülmesi ile göçmeye neden olan yatay kuvvet ve moment değeri hesaplanabilir. Çözümlemeler; zemin direncinin derinlik boyunca üniform olduğu durum, derinlik ile beraber doğrusal olarak arttığı durum ve derinlik ile beraber nonlineer olarak değiģtiği durum olmak üzere farklı zemin direnci dağılımları için elde edilmiģtir (Poulos ve Davids, 1980). Günümüzde en yaygın Ģekilde kullanılan sınır durum yöntemleri Brinch-Hansen (1961) ve Broms (1964) tarafından önerilmiģ olan yöntemlerdir. Temel zemini reaksiyon yöntemi ve p-y Eğri Yöntemi elastik zemine oturan kiriģ kabulünü (beam-on-elastic foundation) kullanmaktadır. Belirtilen yöntemler, basit olmaları ve uygun doğrulukta sonuçlar vermeleri nedenleri ile yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Bununla birlikte; zemin direnci nonlineer özellikte olmasına karģın zemin direncinin kazık deplasmanının doğrusal bir fonksiyonu olarak modellenmesi, yatay temel zemini reaksiyon katsayısının zeminin temel bir özelliği olmasından ziyade bir model parametresi olması, zeminin sürekli bir ortam olarak kabul edilip zemin direncinin süreksiz yaylar ile modellenmesi, kazık geometrisinin doğrudan göz önüne alınmaması temel zemini reaksiyon yönteminin dezavantajları olarak sıralanabilir. p-y Eğri Yöntemi, temel zemini reaksiyon yöntemine benzer avantaj ve sınırlamalara sahiptir. p-y Eğri Yöntemi; kazığı elastik bir eleman olarak, zemini de nonlineer özellik gösteren bir seri yay olarak modellemektedir. Farklı olarak; p-y Eğri Yönteminde, zemin direnci kazık deplasmanının nonlineer bir fonksiyonu olarak göz önüne alınmakta ve elastik zemine oturan Winkler kiriģi yaklaģımında zemin, deneysel olarak elde edilmiģ 10
2. ÖNCEKĠ ÇALIġMALAR Erdal UNCUOĞLU nonlineer özellikteki yaylar (p-y eğrileri) ile temsil edilmektedir (Brown ve Shie, 1990; Duncan ve ark., 1994; Fan ve Long, 2005). Elastik analiz yönteminde zemin homojen, izotrop ve elastik davranıģ özelliğine sahip sürekli bir ortam olarak kabul edilmektedir. Eğer zemin kütlesi içerisinde tamamı ile elastik Ģartlar hakim ise, kazık uzunluğu boyunca kazığın ve zeminin yatay deplasmanları birbirine eģit olacaktır. Zeminin lineer elastik özellikte sürekli bir ortam olarak kabul edildiği bu yaklaģımda; kazık ve zemin ortamı ayrı ayrı analiz edilir ve iteratif bir iģlem uygulanarak kazık-zemin ara yüzeyi boyunca kazık ve zemin için elde edilmiģ olan ötelenme ve basınç değerlerinin birbiri ile eģleģmesi sağlanır. Zemin deplasmanları, yarı sonsuz bir kütle içerisinde tekil bir yatay yük nedeni ile bir noktada oluģan yatay deplasman değerinin belirlenmesi için Mindlin tarafından önerilen eģitliğe dayanılarak elde edilmektedir. Kazık deplasmanları hesaplanırken de kiriģlerdeki eğilmeyi idare eden differansiyel denklem kullanılmaktadır. (Poulos, 1971; Poulos ve Davids, 1980, Laman ve ark., 1999). Yanal yüke maruz kazık davranıģının analizi için geliģtirilmiģ mevcut yöntemler Çizelge 2.1 de karģılaģtırılmıģtır. Temel zemini reaksiyon yöntemi, p-y eğri yöntemi ve elastik analiz yöntemi gömülü uzunluk / çap oranının büyük olduğu flexible kazıkların yanal yük etkisi altındaki davranıģlarının incelenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin gömülü uzunluk / çap oranının küçük olduğu rijit kısa kazıkların davranıģlarının tahmin edilmesinde kullanılması uygun değildir. Çünkü; iki farklı durum için iki farklı göçme mekanizması söz konusudur. Flexible (uzun) kazıklarda yanal yük etkisi altında kazıkta meydana gelen ötelenmeler sonucu kazık kesit alanının yenilme momentinin aģılması ile göçme meydana gelirken rijit kısa kazıklarda kazığın yanal yük etkisinde bir bütün Ģeklinde bir nokta etrafında dönerek zemine yaslanması ve zeminin taģıma gücünün aģılması söz konusudur. Rijit kısa kazıkların yanal yük ve moment taģıma kapasitesi ile ilgili mevcut tasarım yöntemlerinin çoğunluğu tam ölçekli arazi deneyleri ya da laboratuar model deneylerinden elde edilen deneysel bilgilere ya da oldukça basit limit durum yaklaģımlarına dayanmaktadır (Laman ve ark., 1999). Bu yöntemlerden en önemli olanları ayrıntılı bir Ģekilde aģağıdaki bölümde açıklanmıģtır. 11