DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Yapı Bilimdalı 2006-2007 Güz Yarıyılı BETONARMEDE ÖZEL VE SEÇMELİ KONULAR ÖDEVİ Uç Mukavemetli Kazıkların Uç Mukavemeti Hesabında Kullanılacak Formülasyonlar ve Bununla İlgili Araştırmacıların Çalışmaları Ferdi MANDAL 200583100005 Ocak 2006, KÜTAHYA 1
İÇİNDEKİLER 1.GİRİŞ 3 Sayfa 1.1.Kazıklar ve Çeşitleri.... 3 1.2.Kazıkların Fonksiyonları..... 3 1.3.Kazıkların Sınıflandırılması.... 5 1.3.1.Zemine Yük Aktarma Şekline göre Kazıklar... 5 1.3.1.1.Uç Mukavemetli Kazıklar 5 1.3.1.2.Sürtünme Kazıkları... 5 1.3.2.İmal Metodu ve Yerleştirme şekillerine göre Kazıklar..... 6 1.3.2.1. Çakma Kazıklar. 6 1.3.2.2. Yerinde Dökme(Fore) Kazıklar. 6 1.3.2.3. Karışık Mukavemetli Kazıklar.. 7 1.4.Kazıkların Taşıma Gücünün Hesabı. 7 1.4.1. Statik Fromülasyonlar ile Kazık Taşıma Gücünün Belirlenmesi. 7 1.4.1.1.Kohezyonlu Zeminlerde Kazık Taşıma Gücü 8 1.Tomlinson Metodu 9 2.Meyerhof Metodu. 11 3.Vijayvergiya ve Focht Metodu. 12 1.4.1.2.Kohezyonlu Zeminlerde Güvenlik Faktörü. 14 1.4.1.3.Kohezyonsuz Zeminlerde Kazık Taşıma Gücü... 15 A)Uç Taşıması(Mukavemeti).. 16 B)Şaft Taşıma Kapasitesi ve Yüzey Sürtünmesi 19 1.4.2. Dinamik Fromülasyonlar ile Kazık Taşıma Gücünün Belirlenmesi. 20 1.4.3. Kazık Yükleme Deneyi İle Kazık Taşıma Gücünün Belirlenmesi... 22 1.4.4. Diğer Arazi Deney Sonuçları(Koni Penetrasyon Deneyi(CPT) gibi ile Kazık Taşıma Gücünün Belirlenmesi. 23 2.UÇ MUKAVEMETLİ KAZIKLARIN TAŞIMA GÜCÜ İLE İLGİLİ ÇALIŞMALAR(ABSTRACTS).. 24 3.SONUÇ.. 34 KAYNAKLAR DİZİNİ 35 EKLER(ORIGINAL ABSTRACTS)... 37-46 2
1.GİRİŞ * 1.1. KAZIKLAR VE ÇEŞİTLERİ Kazıklar, esas olarak yapı yüklerinin zeminin derin tabakalarına taşıtılması amacı ile kullanılan bir temel çeşididir. Zemin yüzeyine yakın tabakaların yapı yüklerini, göçmeden veya aşırı oturmalara yol açmadan taşıyabilecek bir yüzeysel temel teşkiline müsait olmadığı durumlarda derin temel tercih edilir. Kazıklı temellerin projelendirilmesinde de göçmeye karşı güvenliğin bulunduğu; ayrıca servis yüklerinin meydana getireceği oturmaların kabul edilebilir bir sınırı aşmadığı gösterilmelidir. Bununla beraber, oturmalar genellikle önemli bir proje kriteri değildir. Kazıklı temellerin gerek tasarımında gerekse yapımında çeşitli özellikler ve güçlükler vardır. Uygulamada başarı büyük ölçüde, iş başındaki mühendisin bilgisine, tecrübesine bağlıdır. Kazıkların yüklerini taşımalarına göre sınıflandırılması için kapsamlı bir çalışma yapılması gerekir. Tabiatta homojen bir zemin tabakası ile nadiren karşılaşılır. Oysa kazığın teşkil edildiği zemin profilindeki tabakaların özellikleri kazık davranışını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu yüzden zemin özelliklerinin yeterli bir derinliğe kadar bilinmiş olması kazıklı sistemin tasarlanmasında ilk adımdır. Bu tanıma, yalnız tabaka cinslerinin belirlenmesi ile kalınmamalı; tabakaların mukavemet, kıvam, konsolidasyon gibi özelliklerini de kapsamalıdır. Kazıklar taşıyıcı temeller olmakla birlikte kimi kez ankraj kazığı, çekme kazığı ve sıkıştırma kazığı olarak bir çok problemin çözümünde kullanılırlar. Kazıklı temellerin projelendirilmesinde yükler sadece kazıklara taşıttırılmalı ve kazıklar bu hesaba göre hesaplanarak düzenlenmelidir. 1.2 KAZIKLARIN FONKSİYONLARI Yapı yükleri, taşıma gücünün yetersizliği yanında çoğu kez oturma şartlarının sağlanmadığından dolayı derin temel sistemi kullanılarak zemine aktarılmaktadır. Böylece yüzeydeki zayıf tabakalar geçilerek, derindeki taşıyıcı tabakalara ulaşılmakta ve bu anlamda kullanılan yapı elemanları, kazık, ayak, olarak isimlendirilmektedir. Temel sistemi de adını, kullanılan yapı elemanından almakta ve kazıklı temel olarak bilinmektedir. 3
Yapımı yönünden birbirinden oldukça farklılıklar gösteren kazıklı temeller ile ayak/keson temeller, son yıllarda çok büyük çaplı kazıklı temeller inşa edilebilmesi de göz önüne alınarak, davranışın analizi yönünden aynı grup içinde düşünülebilir. Derin kazı sonucu zemin yüzünden büyük derinliklere yerleştirilen yapı temellerinin tasarımı ise büyük oranda yüzeysel temellerin tasarımı ile aynı esaslara dayanmaktadır. Konuyla ilgili diğer bir husus, sözü geçen imalatın yer altında, gözle görmeden yumuşak zemin içersinde ve çoğunlukla yer altı suyu içersinde gerçekleştirilmesidir. Bu durumda, imalatların,yeteri özen gösterilerek yapılması sonucu doğmaktadır. Bu tip temel sistemi son derece pahalı bir uygulamadır. Tüm temel ve zemin mühendisleri, bu tip temel uygulamasına gitmeden, konuyu son ana kadar ucuz bir sistemle çözme çalışması içerisindedirler. Yüzeysel temel çözümlerine göre daha pahalı olmalarına karşın değişik nedenlerle kullanıldıkları bazı durumlar aşağıda sıralanmaktadır. 1. Üstteki zemin tabakalarının üst yapı yükleri için yeterli taşıma güçlerinin olmayışı veya çok sıkışabilir nitelikleri nedeniyle yüklerin daha sağlam zemin veya kayaca aktarılma zorunluluğu doğabilir. Sağlam tabakanın çok derinde olması halinde yükün büyük kesimini kazık çevresinden aktarılacak şekilde düzenleme yapılabilir. 2. Dayanma yapılan veya yüksek yapı temellerinde zemin,rüzgar ve deprem yükü gibi yanal etkilerin karşılanması amacı ile düzenlenebilirler.(büyük yatay ve eğimli yük aktaran yapılarda) 3. Suyla ilişkiye geçtiğinde kabaran veya ani çökme gösteren zeminlerde üst yapı yüklerinin aktif zon diye tariflenebilecek bir bölgenin dışına aktarmak gerekebilir. 4. Kuleler, deniz platformları ve yer altı suyu altındaki radyeler kaldırma kuvvetleri etkisindedirler. Bu kuvvetlerin karşılanmasında kazıklı temeller düzenlenebilir. 5. Köprü kenar ve orta ayakları erozyon nedeniyle temel altının oyulmasına karşı kazıklı olarak düzenlenebilir. 6. Kazıklar bazı durumlarda zemin hareketini kontrol amacıyla kullanılabilir. 7. Gevşek granüler zeminlerin sıkı hale getirilerek iyileştirilmesi amacıyla kullanılabilir[2] 8. Üniform olmayan küçük alanlara yoğunlaşmış yük aktaran yapılar da kullanılabilir. 9. Zemin yüzü veya zeminde tabakalaşmanın fazla eğimli olması 4
10. Statik sistemleri veya fonksiyonları bakımından farklı oturmalara hassas yapılar. 1.3. KAZIKLARIN SINIFLANDIRILMASI Kazıklar değişik özellikleri esas alınarak birçok şekilde sınıflandırılabilirler, örneğin kazık malzemesi gözönüne alındığında ahşap, beton, çelik veya bunlardan ikisin bir arada kullanıldığı türlerden söz edilebilir. Yükü zemine aktarış düşünüldüğünde ise büyük kesimi kazık ucunda taşıtılıyorsa uç kazığı,kazık çevresinde taşınıyorsa sürtünme kazığı adını alır. Bazı kazıklar özel üretim biçimleri nedeniyle patente sahip firmanın adını alırlar. Bu bölümde kazıkları, çeşitli durumlarına göre sınıflandırmaya çalışılacaktır. 1.3.1 Zemine Yük Aktarma Şekline Göre 1.3.1.1 Uç Mukavemetli Kazıklar Sağlam zemin derinliği, kullanılabilecek kazık uzunlukları kadar veya daha az ise ve sağlam zeminin üstünde yeterli kalınlıkta taşıyıcı zemin bulunmadığında veya sağlam zeminin üzerinde tamamen zayıf zemin bulunması halinde uç kazıklardan oluşan bir temel sistemi kullanılır. Uç mukavemetli kazıklar çok uygulanan ve çok tercih edilen kazıklardır. Yapı Zayıf Zemin Taşıyıcı Zemin Şekil-Uç Mukavemetli Kazıklar 1.3.1.2. Sürtünme (Yüzen ) Kazıklar Sağlam zeminin derinliği kullanılabilmesi mümkün bulunan kazık uzunluklarından fazla oluştuğunda ve sağlam zeminin üstünde yeterli kalınlıkta taşıyıcı zemin bulunduğunda yüzen kazıklardan oluşan kazık temel sistemi kullanılır.bu 5
kazıklar kazık yüzeyinin zeminle olan sürtünmesi vasıtasıyla üst yapıdan gelen yükleri zemine aktarmak için kullanılır Yapı Zayıf Zemin Taşıyıcı Zemin Şekil-Sürtünme(Yüzen) Kazıklar 1.3.2 İmal Metodları ve Yerleştirme Çeşitlerine Göre Kazıklar 1.3.2.1 Çakma Kazıklar Bütün uzunluğunca veya kısım kısım önceden imal edilip zeminin içine şahmerdan yardımıyla çakılır, yıkama usulü ile, vibrasyonla, basınçla, vidalama suretiyle sokulur veya önceden hazırlanmış deliklere yerleştirilir. Aşağıda Çakma kazıkların imal edilen malzeme cinsine göre sınıfları yer almaktadır.bunlar; 1.Ahşap Çakma Kazıklar 2.Çelik Çakma Kazıklar 3.Betonarme Çakma Kazıklar dır. Birçok kesit tipinde üretilebilir. Dikdörtgen, daire,h tipi,i tipi v.b kesitli olabilir. 1.3.2.2 Yerinde Dökme(Fore) Kazıklar Bunlar yerinde hazırlanmış bir deliğin içinde imal edilirler. Muhafaza borusunun indirilme şekline göre, mesela fore kazıklar yerinde dökülen çakma kazıklar, basınç borulu kazıklar (pressrohrpfahle) ve sarsma kazıkları (rüttepfahle) olarak ayrılır.fore kazıklar genel olarak daire kesitli kazıklardır(başlıklı veya başlıksız olabilir), aktaracağı kuvvete ve diğer parametrelere bağlı olarak kazık çapı ve gerekli donatısı hesaplanır,tasarlanır ve boyutlandırılır. 6
1.3.2.3 Karışık Mukavemetli Kazıklar Yapı temeli altında yeterli kalınlıkta taşıyıcı zemin bulunduğunda ve sağlam zemin derinliği, sağlanıp kullanılabilecek kazık boylan ile ulaşılabilecek durumda ise kazıklı temelin düzenlenmesinde karışık mukavemetli kazıklar kullanılabilirler. Karışık mukavemetli kazıklarda uç ve sürtünme mukavemeti arasındaki oran zeminin özelliklerine kazığın cinsine ve boyutuna kazık ile zemin arasındaki relatif harekete ve kazığın yapım ve imalat şekline göre değişir. 1.4. KAZIKLARIN TAŞIMA GÜCÜNÜN HESABI ** Bilindiği gibi bir kazığın taşıma gücünün belirlenebilmesi için birçok yöntem mevcuttur. Başlıca yöntemler şöyledir: 1.Statik Formüller ile kazık taşıma gücünün belirlenmesi 2.Dinamik Formüller ile kazık taşıma gücünün belirlenmesi 3.Kazık Yükleme deneyi ile kazık taşıma gücünün belirlenmesi 4.Diğer arazi deney sonuçları(koni penetrasyon deneyi gibi) ile kazık taşıma gücünün belirlenmesi Bu çalışmada yoğunluklu olarak tekil kazık taşıma gücü nün bulunması için kullanılacak olan statik formülasyonlar anlatılacaktır. Ancak diğer formülasyonlardan da genel hatlarıyla kısaca bahsedilecektir. 1.4.1 Statik Formülasyonlar İle Kazık Taşıma Gücünün Belirlenmesi Bir kazığın nihai taşıma kapasitesi (Q ultimate ) genel olarak şu bağıntıyla verilir: Q u = Q + Q W + γ b s A b D Burada; Q u ; Nihai Taşıma Kapasitesi Q b ; Mevcut Nihai Uç Taşıma Kapasitesi Q s ; Mevcut Nihai Kazık Şaftı Taşıma Kapasitesi W ; Kazığın Ağırlığı γ ; Zeminin ortalama birim ağırlığı A b ; Kazığın kesit alanı D ; Kazığın penetrasyon derinliği dir. 7
Eğer kazığın imal edildiği malzemenin birim ağırlığını (γ kazık ),kazık şaftı boyunca kazığın bulunduğu yerdeki zeminin birim ağırlığı(γ zemin ) na eşit kabul edersek ki gerçekte bu eşitlik doğru değildir. O zaman yukarıdaki formül şu şekilde revize edilebilir. W=γ zemin. A b. D olur. ve netice itibariyle; Qu = Qb + Q s olur. Buna göre izin verilen kazık taşıma yükü ise aşağıdaki gibi olur; Qu ( Ultimate ) Qa ( Allawable ) = olur. F Burada; F(Factory of Safety) ; Güvenlik faktörüdür ve öyle seçilmelidir ki aşırı oturmalar engellenmiş olsun. 1.4.1.1 Kohezyonlu Zeminlerde Kazık Taşıma Gücü: *** Kohezyonlu zeminlerde bulunan kazıkların taşıma gücü genel bir ifadeyle aşağıdaki formülle hesaplanabilir. Q = Q + Q u b s Kohezyonlu zeminlerde bir kazığın taşıma gücü 3 farklı metodla bulunabilir. Bunlar; 1. Tomlinson Metodu 2. Meyerhof Metodu 3. Vijayvergiya ve Focht Metodu dur. Bu 3 yöntem farklılıklar gösterir. Gerek yapılan kabuller ve gerekse kazık tipine,zemini yeterince tanıyamama özelliklerine göre formüller birbirinden bağımsızdır.şöyle ki; 8
N c ; Bir taşıma kapasitesi katsayısıdır. Genel olarak N c =9 olarak alınır. Ancak kısa 1.Tomlinson Metodu: Q = C u u bulmuştur. N c A b + C a A s Formülüyle bir kazığın taşıma kapasitesini Q b Q s Tomlinson kazık uç taşıması olan Q b(base) yi formülün ilk kısmı olan C u.n c.a b olarak almıştır. Kazık şaftının mevcut nihai taşıma kapasitesi olan Q s(shaft) yi de formülün ikinci kısmı olan C a.a s olarak almıştır. Burada kullanılan terimleri açıklayacak olursak; C u ; Kazığın tabanındaki zeminin ortalama drenajsız kayma direncidir. Oldukça homojen bir kili düşünürsek, bu zeminden yeterli sayıda numune alarak ve bu numuneler üzerinde deneyler yaparak C u yu elde edebiliriz. Eğer C u kohezyonlu zeminde derinlikle çok hızlı bir şekilde değişiyorsa ortalama değer alınması, eğer kazık çapı veya genişliği B ise 3B yukarıdan ve 1B aşağıdaki bölgede toplam 4B lik zemin tabakasında C u nun ortalamasının tayin edilmesi gerekir. Bu kil çatlaklıysa, bu durumda bu değer (Yani C u ) daha da küçülecektir. Bu yüzden mümkün olduğu kadar çok numune alarak ve bunlar üzerinde çok deney yaparak C u nun hesap edilmesi uygun olacaktır. kazıklar için (yani D/B < 5.0) N c =9 değerinin azaltılması gerekir. Bu bağlamda Skampton kare veya daire kesitli kazıklar için bu değerlerin ne olacağını vermiştir. Aşağıdaki şekilde bunlar görülmektedir. 9
Kil üzerindeki temellerde Nc taşıma gücü faktörü(skampton) A b ; Kazık kesit alanıdır ve A b = Π. B 2 /4 olarak hesaplanır. C a ; Kazık ve zemin arasında ortalama adezyondur ve yapılan çalışmalar Cu ya bağlı olarak tayin edilebileceğini göstermiştir. Tomlinson a göre Ca şu şekilde bulunabilir. C = α. a C u α ; Adezyon faktörüdür. Tomlinson bu bağlamda çakma kazıklar için α ve C u arasında aşağıdaki gibi bir abak geliştirmiştir. Adezyon Faktörü(α) ve Drenajsız Kayma Direnci(C u ) arasındaki ilişki 10
Burada Cu arttıkça α nın hızla düştüğü görülmektedir. Tomlinson Yumuşak kil zemine oturan kazıklar için α değerini 1.0 den büyük kabul etmektedir.(α>1.0),aynı zamanda Cu 150 kn/m2 olduğunda α nın sabit kaldığı açıkça görülmektedir. Skampton ise Fore kazıklar için α değerini 0.45 olarak kabul etmektedir.(α=0.45) A s ; Gömülü kazık boyunun (Şaftın) kesit alanıdır ve As=Π. B. D Not: Yer altı su seviyesi şartları bilinmiyorsa sadece Tomlinson yöntemini kullanarak nihai taşıma kapasitesi bulunur. 2.Meyerhof Metodu: Q u Formülüyle bir kazığın taşıma kapasitesini bulmuştur. Meyerhof kazık uç taşıması olan Q b(base) yi formülün ilk kısmı olan C u.n c.a b olarak almıştır(tomlinson Metodu nda olduğu gibi). Kazık şaftının mevcut nihai taşıma kapasitesi olan Q s(shaft) yi de formülün ikinci kısmı olan C a.a s olarak almıştır.ancak Meyerhof Ca yı tek bir değişken olan adezyon faktörüne bağlı olarak kabul etmenin doğru olmadığını düşündüğünden,ca yı Ks,P 0 ve gibi 3 değişkene bağlı kılmaktadır. Burada kullanılan farklı terimleri açıklayacak olursak; K s ; = C u N c A b + K s ' ' P0 tan φ A Yatay zemin basıncı katsayısıdır ve Meyerhof a göre çakma kazıklar için sert kile s çakılmış olanlarında K s ' = (1 sinφ ) R olarak alınır. Meyerhof çakma kazıklar için o kullandığı bu formülasyonun uygulanabileceğini kabul ettiğinden, Fore kazıklarda ise sert kil zeminde bulunanlarda K s =0.8 olarak kabul etmektedir ve bu değerinde Cu nun 100 kn/m2 ye tekabül ettiği andaki değer olduğunu söylemektedir. Meyerhof fore kazıklar için yumuşak ve orta sertlikte kil zeminde bulunanlarda K s =(1-sin ) alınması gerektiğini uygun görmektedir. Yine bu durum için de Cu nun 100 kn/m2 ye karşılık geldiğini söylemektedir. Meyerhof aynı zamanda K s.tan değerini β olarak kabul etmektedir. Burada β yüzey sürtünme faktörüdür. Bu faktör penetrasyon derinliğiyle değişim göstermektedir. 11
Meyerhof bu ilişkiyi çakma kazıklar için yumuşak ve orta sertlikteki kil zemine çakılanlarda kurmuştur. Aşağıda bu ilişkiyi gösteren abak gösterilmektedir. Meyerhof Cu<100 kn/m2 olduğunu kabul etmektedir. Penetrasyon derinliği(d) ve Yüzey Sürtünme Faktörü(β) arasındaki ilişki ' P o ; P ' o ' φ Ortalama etkin kazık şaftı boyunca ilave basınç(sürşarj) dır ve D = ( γ ze min γ gravity ) formülünden bulunabilir. 2 ; Zeminin içsel sürtünme açısıdır. Genel olarak bir kazığın kazık taşıma kapasitesini hesaplamak istiyorsak ve elimizde aşırı konsolidasyon oranı değeri varsa bu metodu kullanmak doğru olacaktır. Meyerhof Cu değerini ise şu kabule göre bulmanın doğru olacağını düşünmektedir. Bu da şöyledir: Cu değerini bulurken örselenmemiş zemin ile kazığı çaktıksan sonra çıkan zemin arasında ilişki kurmaktır. 3.Vijayvergiya ve Focht Metodu: Vijayvergiya ve Focht sadece çakma kazıklara uygulanabilen yarı ampirik bağıntı elde etmişlerdir. Bu bağıntı da aşağıdaki gibidir: Q u ' = C N A + λ ( P + 2C ) u c b 0 u A s 12
λ ; Kazığın penetrasyon derinliğiyle değişen boyutsuz faktördür ve Vijayvergiya ve Focht λ nın penetrasyon derinliği(d) ile değişimini gösteren bir abak geliştirmişlerdir. Bu abak aşağıdaki gibidir: Penetrasyon derinliği(d) ve Boyutsuz Katsayı(λ) arasındaki ilişki Bu yöntem özellikle çakma kazıklarda zeminin etkin dayanım parametreleri ve aşırı konsolidasyon oranı hakkında çok az bilgiye sahip olduğumuzda iyi bir yaklaşım olarak kabul görmektedir. Sonuç olarak Kohezyonlu zeminde bulunan çakma kazıklar(driven piles) ve Fore Kazıklar(Bored Piles) için Nihai kazık taşıma kapasiteleri ve izin verilen taşıma kapasiteleri ifadeleri verilmiştir. Görüldüğü üzere yukarıda belirtilen 3 yönteme göre de kazık uç taşıması değeri olan Q b(base) ifadesi aynı formülasyonla bulunmaktadır. Ancak mevcut kazık nihai şaft dayanımı olan Q s(shaft) ifadesi farklılıklar göstermektedir. Bu farklılıkların ne olacağını yukarıda belirtmiştik. Konumuz gereği bizi ilgilendiren kısım uç taşıması olduğu için burada ayrıntıya girilmemiştir. Buna göre kohezyonlu zeminlerde mevcut nihai kazık ucu taşıma kapasitesi=c u.n c.a b olacaktır. Buradan da anlaşılacağı üzere nihai uç taşıma kapasitesi kazık ucundaki zeminin drenajsız kayma direnci, taşıma kapasitesi katsayısı ve kazık taban alanı(eğer taban genişlemesi olmamışsa doğru orantılı olarak kazık çapı) na bağlıdır. Bunların haricinde Kohezyonlu zeminlerde uç mukavemetinin bulunmasında,adezyon değerinin bulunmasında,drenajsız kayma direncinin bulunmasında dikkat edilmesi gereken hususlar söz konusudur. Bunları şöyle sıralayabiliriz: 13
1)Çakma Kazıklarda: 1.1)Eğer kazık bir zemin tabakasına çakılacak olursa, bu durumda yukarıdaki tabakadan bir kısım zemin aşağıdaki zemin tabakasına girmesi suretiyle, bu bölge içindeki zeminle kazık arasındaki adezyonu önemli ölçüde etkiler. Özellikle üst tabakanın yumuşak kil veya silt olması ve aşağıdaki tabakanın sert kil veya silt olması durumunda Ca da çok büyük azalma olur. Bu durumda Ca sert kil tabakası üzerinden kazık çapı(b) veya genişliğinin 20kat aşağısında drenajsız kayma direnci(cu) nun %40 ı kadar azaltılması gerekir. Yani; Ca=0,4.Cu olacaktır. 1.2)Bir kazık sert veya çok sert bir kil tabakasına çakıldığında,bu durumda zemin yüzeyinden aşağıya doğru kazıkla zemin arasında bir ayrışma meydana gelir.işte bu etkiyi göz önüne almak için yine kazıkla zemin arasındaki adezyon değeri, zemin üzerinden 20B lik bir bölümde Ca 0,4.Cu olacak şekilde tasarlanır. Ca max 100 kn/m2 olacaktır.(penetrasyon derinliği ne olursa olsun). 2)Fore(Yerinde dökme) Kazıklarda: 2.1)Fore kazıklarda geniş taban oluşturmak gerekir.bununla uç taşıma dayanımında artış sağlanır.bu durumda kazıkla zemin arasında hiç adezyon değeri yoktur.en az kazık çapının 2 katı kadar olan bölgede kazıkla zemin arasında adezyon göz önüne alınmamalıdır. 2.2)Çatlamış killerdeki uç mukavemeti: Eğer kazık çatlak ve sertleşmiş bir kile yerleştiriliyorsa, bu durumda tabandaki drenajsız kayma drenci değeri 3 eksenli drenajsız kayma direncinin %75 i olacaktır. Yani; Cu (taban) =Cu (triaxial).0,75 dir. 1.4.1.2 Kohezyonlu Zeminlerde Güvenlik Faktörü: Çakma Kazıklarda; Daha öncede bahsedildiği gibi Çakma kazıklar için izin verilen kazık taşıma yükü aşağıdaki gibidir: Q allawable = Qultimate F( Factory of Safety) 14
Çakma kazıklar için yapılan çalışmalarda güvenlik faktörü olan (F) değerinin 2.5 alınması gerektiği sonucuna varılmıştır.(f=2.5) Fore(Yerinde dökme) Kazıklarda; Eğer zemindeki oturma kazık çapının %5 i kadarsa kazık dayanımının tamamiyle mobilize edileceği, eğer zemindeki oturma kazık çapının %10 u kadarsa bu durumda kazık dayanımının artacağı söz konusudur. Fore kazıklarda da çakma kazıklarda olduğu gibi güvenlik faktörü kullanılabilmektedir. Şöyle ki; Q Q = F Q F u s a >/ + Q b 1 F 2 Bağıntısı kullanılırsa; Eğer; F=2.0 F 1 =1.0 F 2 =3.0 alınırsa büyüktür olmayan işaretinin sağındaki ve solundaki Q a (izin verilen kazık taşıma gücü) değerlerden hangisi küçükse kazık taşıma gücü olarak bu değer seçilir.buradan da görüleceği üzere kazık ve zeminle ilgili bir güvenlik faktörü mevcut değilse F=2.0 ve F 1 =1.0 F 2 =3.0 alınarak tekil kazık izin verilen taşıma gücünü bulabiliriz. 1.4.1.3 Kohezyonsuz Zeminlerde Kazık Taşıma Gücü: Örselenmemiş numune elde edilmesi kohezyonsuz zeminlerde çok zor olduğundan daneli zeminlerdeki(granuler soils) kazıklar için arazide yapılan SPT(Standart Penetration Test) deneyi test sonuçları ele alınarak Pech ve ekibi düzeltilmemiş N değeri, zeminin izafi yoğunluğu ve zeminin içsel sürtünme açısı( ) arasında bir ilişki kurmuşlardır. Bu ilişki aşağıda gösterilmektedir. 15
Zeminin içsel Düzeltilmemiş N Zeminin İzafi sürtünme değeri yoğunluğu açısı( ) 10 GEVŞEK 30º 20 33º ORTA SIKI 30 36º 40 39º 50 41º SIKI 60 43º 70 44º Pech ve ekibi tarafından kurulan ilişki A) UÇ TAŞIMASI (MUKAVEMETİ) a)çakma kazıklarda kohezyonsuz zeminlerde uç mukavemeti; Meyerhof daneli zemindeki(kum v.b) bir kazık için(çakma kazık) Nihai Uç Taşımasını aşağıdaki gibi formülize etmiştir: Q b = f A b b f b ; Zeminin birim penetrasyon dayanımı olup şu ifadeyle verilmektedir: f b = P ' o N q ' P 0 ; Kazık ucunda efektif basınç N ; Bir taşıma kapasitesi faktörü q Yapılan çalışmaya göre N q ile ' φ (zemin içsel sürtünme açısı) ve D/B(penetrasyon derinliği/kazık çapı) oranı arasındaki değişimler mevcuttur. Meyerhof bu değişimiaşağıdaki şekillerde göstermiştir. 16
Şekil- Kohezyonsuz zeminlerdeki çakma kazıklar için taşıma kapasitesi faktörü Nq ve Kritik derinlik oranları(meyerhof) Şekil- Kohezyonsuz zeminlerdeki çakma kazıklar için taşıma kapasitesi faktörü Nq(Meyerhof) Görüldüğü üzere N q, D c /B değerine eriştiği zaman sabit kalmaktadır. D c ; Kritik derinlik 17
f b = P ' N Olduğunu söylemiştik. Bu ifadeden de görülmektedir ki uç o q mukavemeti derinlikle sürekli olarak artmaktadır. Yalnız Bu formül sadece belirli bir kritik penetrasyon derinliğine kadar geçerlidir. Bu kritik derinlik de D c dir. Bu ilişkiyi Meyerhof yukarıdaki şekilde göstermektedir. Dediğimiz gibi D c den büyük penetrasyon derinlikleri için kazığın taşıma kapasitesi sabit bir değere gider. Bu durumda f b = P ' N ifadesi revize edilmelidir. Bu da aşağıdaki gibi olmalıdır: o q f b = P ' o N q f l f l ; Zeminin penetrasyon dayanımının minimum değeridir ve aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Şekil- Kohezyonsuz zeminlerdeki çakma kazıklar için uç taşıma kapasitesi 18
Bir çakma kazık(driven piles or displacement piles) için elde edilebilecek max uç mukavemeti 10B 20B arasındaki penetrasyon derinlikleri üzerinde elde edilmektedir. Bir kazığın uç mukavemeti, eğer kazık yumuşak bir zemine çakılacak olursa ve bu zeminin altında daneli(kohezyonsuz, granüler) bir zemin mevcutsa ve bu Kritik derinlik olan D c den daha büyük bir derinlikteyse o zaman bu şartlar altında daneli zeminlerin uç taşıması f l olarak alınabilir. Yani D c daneli zemin tabakasının yüzeye kadar devam ettiği düşünülerek alınabilir. Bu durumun istisnası ise eğer gerçek penetrasyon derinliği < 10B ise o zaman birim penetrasyon dayanımı f b nin uç taşıması mukavemetinin hesaplanmasının zorunlu olduğudur. Bu durumda edilir: f l b = f0 + ( f f0) D 10B b f b şu şekilde hesap f 0 ; Tahmin edilen uç taşıması dayanım değeri olup üst tabakadaki gömülü kazığın bulunduğu zemine ait değerdir. D b ; Gerçek penetrasyon derinliği dir. b)fore kazıklarda kohezyonsuz zeminlerde uç mukavemeti ise; Çakma kazıkların aynı zemindeki uç taşıması mukavemetinin genel olarak 1/3 ü ile 1/2 si olarak alınır. Yani; 1 3 Q < Q < 1 2 Q b çakma b fore b çakma Olacaktır. B) ŞAFT TAŞIMA KAPASİTESİ VE YÜZEY SÜRTÜNMESİ Homojen kohezyonsuz zemin için ortalama nihai birim yüzey sürtünmesi(fs) aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir. f f s s ' = K P tan δ f l s 0 K s ; Yatay zemin basıncı katsayısı Olmalıdır. 19
δ ; Kazık şaftı ile zemin arasındaki sürtünme açısı Tomlinson Ks ve δ için çakma ve fore kazıklarda Brooms un yaptığı çalışmalardan hareketle Kum (sand soil) zeminler için tablo oluşturmuştur. Zeminin gevşek veya sıkı olması durumu yerleştirilecek olan kazığa bağlı olarak değişmektedir. Kazık zemine yerleştirilirken kazıktan dolayı hacmi terk eden zemin miktarı ne kadar büyükse bundan kaynaklanan şaft sürtünmesi de bu kadar büyük olacaktır. Buna göre fore kazığın gevşek, çakma kazığın sıkı zemin tarafından taşındığı kabul edilebilir. Öte yandan çakma ve yerinde dökme(fore) kazıklar için zemin ortasıkı kabul edilebilir. Eğer kılıf yerinde bırakılırsa veya çekilirken beton sıkıştırılırsa, yani tam tersi bir durum olursa bu durumda da zemin gevşek kabul edilir. Yukarıda hesaplanan yüzey sürtünme değeri 15B 20B arasında maximuma ulaşır. Bundan dolayı bu yöntemi 20B derinliğe kadar tatbik etmek yaygın bir çalışmadır. fs 100 kn/m² olacak şekilde sabitlenmesi gerekmektedir. Sonuç olarak kazık nihai şaft taşıma kapasitesi aşağıdaki gibi olacaktır: Q s = f s A s 1.4.2 Dinamik Formülasyonlar İle Kazık Taşıma Gücünün Belirlenmesi Dinamik formüller tokmakla kazığın çakılması sırasında enerjinin sabit kaldığı düşüncesine; diğer bir deyişle;tokmağın yaptığı işin,kazığın işi ile,enerji kayıplarının toplamına eşit olduğu düşüncesine dayanır. 20
Tokmağın işi=kazığın işi+enerji kayıpları W t Wt h = Qsınır s + Enerji Kayıpları W t ; Tokmak ağırlığı,h;tokmak düşüş yüksekliği,q sınır ;Kazığın toplam sınır taşıma gücü,s;kazığın zemine girme miktarı.s son vuruşların ortalaması olarak alınır.enerji kayıpları olarak;çarpmada oluşan ısı enerjisi,kazığın elastik kısalması,zeminin elastik sıkışması,tokmak sistemindeki sürtünmeler v.b dir.en basit dinamik formül Sanders formülüdür. W h s t Q sınır =, Qe min = Qsınır / 8 Engineering news formülü de aşağıdaki gibidir: Q emin = Wt h G ( s + C) s C bir sabit olup, W t (kg); kazık ağırlığı, Q emin (kg);izin verilen taşıma kapasitesi, h(cm);tokmak düşüş yüksekliği,s(cm) zemine girme miktarı olarak alınırsa,serbest düşüşlü tokmak için C=2.5;tek tesirli tokmak için C=0.25 v.b alınabilir.güvenlik sayısı,g s ise,3-6 arasında alınabilir.başka pek çok dinamik formül mevcuttur.hiley,janbu v.b gibi 21
s değeri,son çakmalar sırasında,kazık üzerine yerleştirilen bir düzlemsel kağıt üzerinde,çakma sırasında yatay olarak hareket eden bir kalemin çizdiği grafikten belirlenebilir. b)grafik a)deney Düzeni Şekil-Çakma sırasında, kazığın zemine girme miktarının ölçülmesi Dinamik kazık formüllerine yapılabilecek en önemli eleştiri, kazığın dinamik etkiler altındaki davranışının, gerçekteki statik davranışına eşdeğer kabul edilmesinin gerçekçi olmadığıdır. Çünkü dinamik ve statik davranışlar, birbirinden farklı olabilirler. 1.4.3 Kazık Yükleme deneyi ile kazık taşıma gücünün belirlenmesi Bir kazığın taşıma gücünü belirlemede, belki en güvenli yol, kazığı yüklemektir. Bunun için plaka yükleme deneyinde olduğu gibi, kazık; bir yükleme düzeni ile yüklenilir. Yükleme; kazık üzerine bir platform oluşturarak, platform üzerine ağırlıklar yerleştirilerek; bir yüklenmiş platform veya ankrajlı bir kirişten tepki alınarak yapılabilir. Aşağıda tipik bir yükleme düzeni görülmektedir. Yük adım adım uygulanır. Uygulanan yük ve kazığın oturması ölçülür. Oturma-yük ilişkisinden, sınır taşıma gücü, sonra da izin verilen taşıma gücü belirlenir. Bu konularla ilgili çeşitli şartname ve yönetmelikler vardır. 22
Kazık yükleme deney şeması 1.4.4 Diğer arazi deney sonuçları(koni penetrasyon deneyi(cpt) gibi) ile kazık taşıma gücünün belirlenmesi Bir kazığın taşıma gücü, arazi deneylerinin sonuçlarından da belirlenebilir. Burada, en çok kullanılan, koni penetrasyon deney sonuçlarından belirleme açıklanacaktır. q uç olarak, uç bölgesindeki ortalama koni uç direnci(q cort) ; q yan olarak da, D f derinliği boyunca, ortalama yan sürtünmesinin iki katı, 2f sort alınır.(meyerhof,1956). Sonuçta, bir kazığın taşıma gücü, Q sınır = q A + 2 f cort uç sort A biçimini alır. Diğer yandan, bir kazığın maruz kaldığı basıncın, kendisinin(ahşap, beton, çelik vb.) taşıyabileceği basınç değerini aşmaması gerekir. Kazıklarda genellikle burkulma(flambaj) ihmal edilir. yan 23
2.UÇ MUKAVEMETLİ KAZIKLARIN TAŞIMA GÜCÜ İLE İLGİLİ ÇALIŞMALAR ABSTRACTS(ÖZETLER) 24
Çalışmanın adı:[1]effect of rate of loading on uplift capacity of a model pile in clay Çalışmanın yazarları : Al-Mhaidib, A.I. (King Saud Univeristy), Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, v 2, 2001, p 656-661 Çalışmanın Özeti : Bu çalışmada, yükleme hızının taşıma kapasitesine etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Dış çapı 30 mm olan model çelik kazık üzerinde değişik yükleme hızlarında taşıma kapasitesi deneyleri yapılmıştır. Buna ilave olarak konsolidasyonlu drenajsız 3 eksenli deneyler taşıma gücü deneyinde aynı yükleme hızında yapılmıştır. Deneysel sonuçlar göstermiştirki, test edilen zeminin drenajsız kayma direnci yükleme hızı arttıkça artmıştır. Model kazığın taşıma kapasitesi, yükleme hzı arttıkça artmıştır. Yükleme hızı ile drenajsız kayma direnci ve taşıma kapasitesi arasındaki ilişki, logaritmik grafikte doğrusal olarak sunulabilir. Drenajsız kayma direncine bağlı olarak teorik taşıma gücü 3 eksenli deneyden hesaplanmıştır ve aynı yükleme hızında karşılaştırılmıştır. Çalışmanın Adı :[2]Instrumented driven pile in Dublin boulder clay Çalışmanın Yazarları : Farrell, E. (Trinity Coll); Lehane, B.; Looby, M. Source: Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Geotechnical Engineering, v 131, n 4, Oct,1998,p233-241 Çalışmanın Özeti : zayıf zemin ve dolgu derinliklerinin sığ temel yapımını ekonomiklikten uzaklaştırdığı Dublin de beton kazıklar killi zeminlere sıklıkla çakılır. Bu çalışma kazık şaftı boyunca değişik seviyelerdeki boşluk suyu basıncını içeren kazık deney sonuçlarını tanımlar. Deney kazığı üzerinde 3 adet basınç deneyi yapılmıştır. Bunlardan bir tanesi kazığın imalatından 2.4 saat sonra, ikincisi 1.8 gün sonra ve sonuncusu ise 17 gün sonradır. 24 gün sonunda çekme testi yapılmıştır.sonuç olarak,gerilme(pull-out) testi 24 gün sonunda elde edilmiştir.testlerde yüklemeler gösterdi ki uç taşımalarda her üç testde de nihai şaft dayanımı ve uç taşıma kapasitesinde herikisinde birden zaman ve toplam kazık taşıma kapasitesinin %60 ı kadar kaydadeğer bir artış sözkonusu olmuştur.kazıklar üzerinde son basınç testinde ne zaman ve hangi değerde refil olduğu ve ne kadar yerdeğiştirdiği kayıt edilmiştir.aşınmış kil üzerinde yapılan testlerde drenajsız kayma direnci, Nc değerinin 50 değerine ulaştığını açık şekilde işaret eder.bu analiz kazıkların yerleştirilmesi ve 25