Derin Kazıların Tasarımı

Derin Kazıların Tasarımı

DERİN KAZILAR Temel çukurlarının kazısı zemin ve çevre yapılarının durumuna bağlı olarak bir tür dayanma yapısı yapılmasını gerektirmektedir. Bunlar çelik, beton veya ahşap palplanş perdeler, kaplamalı veya kaplamasız kazık veya düşey kirişler, delme yerinde dökme kazıklar, diyafram duvarlar ve zemin çivili duvarlar olabilir. Bu tür dayanma yapılarının yerinde durabilmesi için göğüsleme ve yatay destekler veya payandalar, küçük alanlarda basınç halkaları ve ankrajlar kullanılabilir.

DESTEKLİ KAZILAR Yandaki şekilde temel inşası için açılan bir kazı gösterilmiştir. Eğer zemin kendini tutabiliyorsa desteksiz olarak kazı açılıp, inşaat yapılır. Zemin kendini tutamıyorsa kazı destekli olarak açılıp inşaat gerçekleştirilir.

DESTEKLİ KAZILAR Yeterli zemin araştırması Yeterli stabilite analizleri

DESTEKLİ KAZILAR Şehirlerde yapılan kazılar mutlaka önlem alınarak gerçekleştirilmelidir. Yatay ve düşey deformasyonlar kontrol altında tutulmalı Kazı tabanında stabilite tahkikleri yapılmalıdır.

DESTEKLİ KAZILAR

DERİN KAZILARA GELECEK ZEMİN İTKİLERİNİN HESAPLANMASI

Sükunetteki Toprak Basınçları Homojen doğal bir zemin tabakasında, h K 0 0 h 0 0 h K u h h x 0 Zemin Yüzü h / v oranı; Sükunetteki Toprak Basıncı (K 0 ) olarak bilinen sabit bir katsayısıdır Önemli olan, K 0 durumunda, yatay yer değiştirmelerin olmamasıdır.

Sükunetteki Toprak Basınçları Devam... Birim uzunluk için toplam kuvvet, P 0 1 2 k 0 H 2

K 0 Tahmini Granüler zeminlerde, K' 0 = 1 sin Normal konsolide killerde, K' 0 = 0.95 sin Aşırı konsolide killerde, Aşırı Konsolidasyo n Oranı (OCR) K 0,aşırı konsolide = K 0,normal konsolide AKO 0.5 K 0. 4 0. 007 I I 40 K 0 0 0. 64 0. 001I Elastik analizlerden, K 0 P P P 40 I 80 Poisson oranı 1 P

Tipik K o değerleri Zemin K' o (Efektif,Drenajlı) Yumuşak kil 0.6 Katı kil 0.5 Gevşek kum ve çakıl 0.6 Sıkı kum ve çakıl 0.4 Aşırı konsolide kil 0.6->1 Sıkıştırılmış yarı doygun kil 0.4-0.7

Duvar Hareketi ve Toprak Basıncı Arasındaki İlişki

' a ' o Aktif Rankine Basınçları A' L A ' a ' o z B BA Az ' L B' B Sürtünmesiz duvar Duvar hareketinden önceki gerilme durumu a dairesinde verilmiştir. Plastik denge durumu b dairesiyle tanımlamıştır. Bu durum Rankine Aktif Durumu olarak adlandırılmıştır. Rankine aktif zemin itkisi ' a aktif toprak basıncı olarak verilmiştir. h ünde azalma Başlangıçta (K 0 durumu) Göçme (Aktif durum)

Aktif Rankine Basınçları Geometrik bağıntılardan [ '] ' K 2c K a aktif 0 A A K a 2 ' a 2 tan 45 ' o ' 2 a ' a ' o 2 c 2 ztan 45 2 ' tan 45 1 sin cos 2 c ' 1sin 1sin Kohezyonsuz zeminlerde, c =0 ' a ' 0 tan 2 ' (45 ) 2

Kayma düzleminin yatayla yaptığı açı 45 2

K a Eğimli Duvar Arka Yüzü Halinde Aktif ve Pasif Rankine Basınçları... Aktif İtki Katsayısı: cos cos cos cos cos 2 2 cos cos 2 2 Pasif İtki Katsayısı : K p cos cos cos cos cos 2 2 cos cos 2 2

Suya Doygun Kohezyonlu Zeminlerde aktif duruma koşullarında drenajlı durum gözönüne alınır. u 0 K 1 a [ c u a ] aktif q u 2 v 2c u

Pasif Rankine Basınçları L A A ' p ' o z B B Sürtünmesiz duvar Plastik denge durumu b dairesiyle tanımlamıştır. Bu durum Pasif Rankine Durumu olarak adlandırılmıştır. Duvar hareketinden önceki gerilme durumu a dairesinde verilmiştir. Rankine pasif zemin itkisi verilmiştir. ' p olarak

Rankine basınçarı: 2 2 2 ' ' ' 45 tan ' 2 45 tan sin 1 cos ' 2 sin 1 sin 1 c z c p o p Kohezyonsuz zeminlerde, c =0 ) 2 (45 tan ' 2 ' 0 ' p

Rankine Pasif Toprak Basuncı Katsayısı K p K p ' p ' o tan Kayma düzleminin yatayla yaptığı açı 2 45 2 45 2

Coulomb Toprak Basıncı Teorisi Rankine toprak basıncı teorisinin dikkate almadığı arka zeminin yatayla bir açı yaptığı, duvarın düşey olmadığı ve arkasında sürtünmenin olduğu granüler (c=0) zemin koşullarında geçerlidir. (Kayma yüzeyi düzlemsel olarak kabul edilmektedir.) Coulomb teorisinde tanımlanan aktif ve pasif toprak basıncı katsayıları: sin 2 ( ) K Ac 2 2 Sin( ) Sin( ) sin sin( ) 1 sin( ) Sin( ) sin 2 ( ) K Pc 2 2 Sin( ) Sin( ) sin sin( ) 1 sin( ) Sin( )

Coulomb Toprak Basıncı Teorisi Aktif Durum

Coulomb Toprak Basıncı Teorisi Pasif Durum

Rankine ve Coulomb tarafından geliştirilen toprak basıncı teorileri dayanma duvarlarına, zemine ankastre perde duvarlara, tek sıra yatay destekli veya ankrajlı zemine sabit mesnetli veya ankastre perde duvarlara uygulanabilmekle beraber çok sıra yatay destekli veya ankrajlı destekleme sistemlerine uygulanamazlar. Kazı ve öngerme işlemleri sırasında öne ve arkaya doğru birbirine doğru zıt yönlerde perde hareketleri meydana geldiğinden, duvara gelebilecek toprak basınçları değeri ve dağılımını kestirmek oldukça güçtür.

İçten Destekli Kazılarda Gerilme Dağılışları Derin kazı destekleme sistemlerinin rijitlikleri istinat yapılarına göre daha azdır. Destekleme sistemlerinde, bölgesel toprak basıncı yığılması sonucu destekleme sistemlerinin elemanlarında çok büyük yükler oluşmakta ve bunun sonucunda da sistemin toptan göçmesine neden olabilecek bir ardışık göçme mekanizması meydana gelebilmektedir. Desteklerin tasarımı, desteklere gelebilecek yüklerin ortalamasına göre değil oluşabilecek maksimum yatay destek yüklerine göre yapılmalıdır. Aşağıda kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde ve her ikisinin de olduğu durumlarda toprak basıncı dağılımları özetlenmiştir.

Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde gerilme dağılışı (Terzaghi ve Peck 1967) P a =(0.65)HK A

Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde gerilme dağılışı (Terzaghi ve Peck 1967) P a =(0.2-0.4)H

Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde gerilme dağılışı (Terzaghi ve Peck 1967) P a 0.25 H

Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde gerilme dağılışı (Terzaghi ve Peck 1967)

Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde gerilme dağılışı (Tschebotarioff, 1973)

Toprak Basıncı dağılımının Belirlenmesi İsveç Yönetmeliği Ankrajlı Duvar İçin İsveç Yönetmeliği Önerisi

Kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerin birlikte olması durumunda gerilme dağılışı Peck(1943) tarafından yapılan araştırmalarda kazılacak zeminde kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerin birlikte olması ve farklı kil tabakaları olması durumlarında eşdeğer bir birim hacim ağırlığı a ve eşdeğer kohezyon c av tanımlanarak aşağıdaki gibi bir gerilme yayılışı göz önüne alınmıştır (s alt indisliler kum, c alt indisliler kile ait parametrelerdir). Zemin kum ve kil tabakalarından oluşuyorsa: Burada n =0.5-1.0 arasında değişen, gelişen göçme katsayısı olup ortalama olarak 0.75 alınabilir. K s = kum için yanal itki katsayısı, yaklaşık olarak 1 alınır.

Zemin farklı kil tabakalarından oluşuyorsa: Zemin için averaj kohezyon tabii birim hacim ağırlık değerleri belirlendikten sonra killi zeminlerde kullanılan basınç dağılımı diyagramları kullanılır.

İçten destekli kazı tasarımı İçten destekli duvarlarda gerilme dağılışı çizilerek kotlar saptanır. En üst ve alttaki dışında, desteklerin palplanş veya kirişe bağlantı yeri mafsallı varsayılır. Üst ve altta konsollu basit, aralarda basit kirişler için mesnet kuvvetleri bulunur, maksimum eğilme momenti saptanır. Desteğe gelecek kuvvet, bu mesnet kuvvetleri toplamı kadardır (kuvvet bulunurken destek yatay aralığı ile çarpılır). Bulunan kuvvete göre uygun destek kuvveti seçilir. Kirişlerde bulunan maksimum momente göre düşey elemana (palplanş) kesit verilir. Göğüslemeler uygun şekilde eklenmişlerse sürekli kiriş gibi göz önüne alınabilirse de tutucu bir yaklaşımla desteklerle birleşim yerlerinde mafsallı varsayılır. Maksimum moment M max = (A s 2 )/8 Burada, A herhangi bir seviyede destek kuvveti, s yatayda destek aralığıdır.

İçten destekli kazı tasarımı

İçten Destekli Kazı Tasarımı Tipleri Kuşak Destek Göğüsleme Kirişleri a-) Göğüsleme kirişleri (Soldier Beams) kullanılarak kazı tasarımı

a-) Palplanjş perdeler (Sheet Piles) kullanılarak kazı tasarımı

İçten destekli kazılarda kullanılan farklı elemanların dizaynı- DESTEKLER Destekler aslında eğilmeye karşı koyan yatay kolonlar olarak çalışmaktadır.bu yatay kolonların yük taşıma kapasiteleri narinlik oranına bağlı olarak değişmektedir. Narinlik oranı orta noktalarda yatay ve düşey destekler yerleştirilerek artırılabilmektedir. Geniş kazılarda destekleri bağlamak gerekebilmektedir. Killi zeminlerdeki destekli kazılarda, ilk desteğin zemin yüzüne uzaklığı çekme çatlağı (z c ) mesafesinden daha aşağıda olmalıdır.

Z c çekme çatlağının belirlenmesi Duvar arkasında kohezyonsuz zemin olması durumunda z 0 2 ' c K a a zk Aktif durumda a 2c z ' K a 2c u ( 0 K 0 a 1)

1-İçten destekli kazılarda desteklere (STRUT) gelen yüklerin hesaplanması s= Yatayda destek aralığı Her destek noktasında desteklere gelen yükler belirlendikten sonra uygun çelik kesitler belirlenir.

İçten destekli kazılarda kullanılan farklı elemanların dizaynı-palplanş Perdeler 1- Kesitlere gelen maksimum eğilme momentleri belirlenir 2- Belirlenen maksimum eğilme momentlerinin (M max )en büyüğü seçilir.(belirlenen momentlerin duvarın birim uzunluğu için olduğu unutulmamalıdır.(knm/m)) 3- Palplanş duvar için gerekli kesit modülü belirlenir (S). S M max all all : palplanş perdeye ait izin verilebilir (flexural stress) değeri 4- Hesaplanan kesit modülü değerine eşit veya daha büyük kesit modülü değerine sahip palplanş kesiti Tablo 1 den belirlenir.

Örnek Soru

İçten destekli kazılarda kullanılan farklı elemanların dizaynı-palplanş Perdeler Kalıcı ve geçici olarak inşa edilebilen palplanş perdeler kıyı ve liman yapılarında, şev stabilizasyonunda, temel taşıma gücünü artırmak amacıyla ve oyulmalara karşı özel önlem olarak kullanılabilmektedir. Aşağıda farklı palplanş tiplerindeki bağlantı şekilleri görülmektedir.

İçten destekli kazılarda kullanılan farklı elemanların dizaynı-palplanş Perdeler Çelik palplanşların sıklıkla kullanılma nedenleri : Dayanıklılıklarının yüksek olması, Rölatif olarak daha hafif olmaları, Boylarının ekleme yoluyla artırılabilinir olması, Tekrar kullanılabilir olması, Yüksek elastisite ve düşük fiyatlı olmaları

Tablo1-a

Tablo1-a

Destekli kazılarda stabilite Killi zeminlerde taban kabarmasına karşı Kazı tabanının kabarması yumuşak zeminlerde görülen bir sorundur. Kazı ilerledikçe kazının iki yanındaki zeminin alt kesimlerine uyguladıkları basınç nedeni ile zemin kazı içine doğru hareket eder. Kumlu zeminlerde tabanda borulanmaya karşı stabilite tahkikleri yapılmalıdır.

YÜZEYSEL VE GENİŞ KAZILAR KOHEZYONLU ZEMİNLER H/B1 olması halinde güvenlik sayısı (F s )

Homojen killerde Güvenlik Sayısı 1.5 altında kaldığında palplanş perdeler daha derine gömülmektedir. Genellikle bu gömme derinliği B/2 değerinden daha küçük veya ona eşit olmaktadır. Bu durumda palplanş perdenin birim uzunluğuna gelecek kuvvet P aşağıdaki gibi bulunabilir.

YÜZEYSEL VE GENİŞ KAZILAR N c =5.7 alınmış KOHEZYONLU ZEMİNLER Tabanda zeminin en az 0.7B derinliğe kadar homojen olduğu kabul edilmiştir. H/B>1 olması halinde güvenlik sayısı (F s ) FS Qu 1 5.7c u Q H c u 0.7B

YÜZEYSEL VE GENİŞ KAZILARDA H/B<1 halinde güvenlik sayısı (F S ) KOHEZYONLU ZEMİNLER Tabanda 0.7B derinliğinden daha sığ derinlikte sert bir formasyon varsa ve derinliği D ile gösterilirse güvenlik sayısı, ile hesaplanabilir. NOT: Taban göçmesine göre güvenlik sayısı FS değerleri 1.5 olmalıdır.

Destekli kazılarda yanal ve düşey hareketler Arazi gözlemlerine göre destekli kazılarda ölçülmüş maksimum yanal hareket başta kazı ile destek elemanlarının yerleştirilmesi arasında geçen süre olmak üzere bir çok neden bağlı olmakla birlikte taban kabarmasına karşı güvenliğinde bir fonksiyonu olduğu görünmektedir. Yanal hareketinin büyüklüğü büyüklüğü taban zemininin cinsi ile yakından ilgilidir. Palplanş veya kazıkların kazı tabanı altında devam etmesi taban güvenliğini artırmakta sonuçta yanal hareket azalmaktadır.

Destekli kazılarda yanal ve düşey hareketler Bununla birlikte böyle bir iyileştirme H c u 6 olan zeminler için geçerli olsa da H c u 8 olan zeminlerde etkili değildir.

Destekli kazılarda yanal ve düşey hareketler

Destekli kazılarda yanal ve düşey hareketler Yanal hareketlerin büyüklüğü taban zemininin türüyle yakından ilgilidir. v 0.5 1.0) max ( h max

Derin Kazıların nümerik Olarak Modellenmesi

Derin kazıların nümerik olarak modellenmesi Amprik yaklaşımlarda, duvar deformasyonları hesaplanamaz. Bu nedenle destekli kazıların nümerik olarak modellenerek analiz edilmeleri daha gerçekçi bir yaklaşımdır. Bu tür problemleri çözmek için sonlu elemanlar analiz yöntemleri kullanılmaktadır

Farklı Göğüsleme kiriş aralıkları için kaplama kalınlıkları Göğüsleme Kirişleri aralıkları 8 m den küçük kazı yükseliğinde önerilen kaplama kalınlıkları 2.0 m ye kadar 50 mm 2.0 m -2.5 m 75 mm 2.5 m - 3.0 m 100 mm NOT: Kazı yüksekliği 8 m-22m arasında değiştiğinde kaplama kalınlıklarına 25 mm daha kalın kaplama kalınlığı seçilmesi gerekmektedir.

Derinliği 6 m den, genişliği 2 m den az olan kazıların desteklenmesi Zemin Tipi Göğüsleme kirişleri Destekler Kaplama Büyüklük (m) Aralık (m) Büyüklük (m) Düşey Aralık (m) Yatay Aralık (m) Dikey aralık Kohezyonlu Zeminler c u >25 kpa Kohezyonlu Zeminler c u >25 kpa Kohezyonsuz zeminler Gerekmez 100x150 1.2 2 2 150x200 1.2 150x200 1x2 2 1 150x200 1.2 150x200 1x2 2 Mümkün olduğunca yakın Minimum düşey kaplama boyutları 50 mm x 200 mm

TALREN