PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GEOTEKNİK MÜHENDİSLİĞİNDE BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM YÜKSEK LİSANS TEZİ Burak YEŞİL Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği Programı : Geoteknik Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Devrim ALKAYA TEMMUZ 2011
ÖNSÖZ Bu çalışmada Geoteknik mühendisliği problemlerinin çözümüne yönelik bilgisayar programları hazırlanmıştır. Geoteknik mühendisliği bilgisayar uygulamaları konusunda önceden yapılmış çalışmalar incelenmiş, çözümlemede geçerliliği kanıtlanmış ve en güncel formülasyonlar kullanılmaya çalışılmıştır. Bu amaçla tez kapsamında hazırlanan konular hakkında genel bilgiler verilmiş, gerekli görülen durumlarda konu detaylı olarak sunulmuştur. Geoteknik rapor hazırlanmasında gerekli olan izin verilen taşıma gücü, gerilme analizleri, oturma hesapları, yatak katsayısı hesabı, sıvılaşma analizi, afet yönetmeliğine göre zemin tipinin belirlenmesi, zeminin şişme-büzülme karakteri tespiti, toprakarme (donatılı zemin) hesapları tablolama programı (spread sheet) kullanarak yapılmıştır. Özellikle sıvılaşma analizi, iksa hesabı, istinat duvar hesabı gibi hesaplarda VBA (Visual Basic for Application) basic programlama dili kullanılarak analizleri gerçekleştiren, görsel programlar hazırlanmıştır. Geoteknik raporda zemin analizleri sonucunda eğer gerekliyse zemin iyileştirme kapsamında yapılabilecek geoteknik çözüm kapsamında jetgrouting hesapları için de program hazırlanmıştır. Hesapların karşılaştırılması bakımından gerekli görülmesi durumunda analiz için Plaxis programı kullanılmıştır. Geoteknik tasarım için, projelendirme işlevlerinin yeni yöntemler değerlendirilerek açık, anlaşılır, uygun, pratik çözümler sunulması amaçlanmıştır. Bu çalışmada öncelikle, engin bilgi birikimi ve deneyimleri ile bana yol gösteren, tez çalışmalarım esnasında karşılaştığım güçlüklerde değerli zamanını benimle paylaşan, bana sabır gösteren ve hiçbir konuda yardımlarını esirgemeyen tez danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. Devrim ALKAYA ya rehberliği ve teşvik edici yönetimi için teşekkür ederim. Yüksek lisans eğitimim süresince birlikte çalışabildiğim için kendimi şanslı hissettiğim, bilgisayar programlama bilgilerinden de faydalandığım ve çalışmalarımın her aşamasında bana yardımcı olan değerli arkadaşım Mehmet Palancı ya teşekkürü borç bilirim. Başta Emrah Meral ve Mehmet Pilgir arkadaşlarım olmak üzere burada ismini sayamadığım her zaman yanımda olan ve bana yardımcı olmaya çalışan bütün arkadaşlarıma çok teşekkür ederim. Bugünlere ulaşmamı sağlayan, hayatım boyunca benden maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen sevgili aileme gösterdikleri hoşgörü ve anlayış için sonsuz teşekkür ederim. Temmuz 2011 Burak Yeşil (İnşaat Mühendisi) iii
İÇİNDEKİLER ÖZET... xxi SUMMARY...xxii 1. GİRİŞ... 1 1.1 Tezin Amacı... 2 1.2 Literatür Özeti... 2 2. MİCROSOFT OFFİCE EXCEL TABLOLAMA (SPREAD SHEET) İLE GEOTEKNİK RAPOR HESAP PROGRAMI... 6 2.1 Zemin İncelemesinin Amacı... 7 2.2 Zemin İncelemesinin Kapsamı... 8 2.3 Taşıma Gücü ve Oturma Analizleri... 8 2.4 Geoteknik Rapor Programı... 9 2.4.1 Terzaghi formülü ile emniyetli taşıma gücü hesabı... 12 2.4.2 SPT verileri kullanılarak Meyerhof yöntemiyle taşıma gücü hesabı... 14 2.4.3 Ani oturma hesabı... 15 2.4.4 Konsolidasyon oturması hesabı ve m v tespiti... 17 2.4.5 Gerilme artışı, efektif gerilme, oturma miktarı hesabı... 19 2.4.6 Sıkışma indisi ve sıkışma indisiyle oturma hesapları... 22 2.4.7 SPT verisiyle oturma hesapları... 23 2.4.8 Zemin sınıfı ve etkin yer ivme katsayısı hesabı... 24 2.4.9 Zemin şişme karakteri tespiti... 25 2.4.10 Yatak katsayısı hesabı... 27 2.4.11 Sıvılaşma analizleri... 28 2.4.11.1 Sıvılaşma analizi 1... 28 2.4.11.2 Sıvılaşma analizi 2... 30 2.4.11.3 Sıvılaşma analizi 3... 30 2.4.11.4 Sıvılaşma analizi 4... 31 2.4.12 Çıktı alımı... 32 3. YÜKSEK MODÜLLÜ KOLONLARIN (JETGROUTING) TABLOLAMA PROGRAMI KULLANARAK TASARIMI... 33 3.1 Zemin İyileştirmesi... 34 3.2 Sıkıştırma (Kompaksiyon)... 35 3.3 Ön sıkıştırma (Ön yükleme)... 35 3.4 Donatılı Zemin... 35 3.5 Isıl İşlemler... 36 3.6 Geotekstiller... 36 3.7 Katkı Maddeleri Yardımıyla Zemin Islahı... 36 3.8 Jetgrouting Yöntemi... 36 3.8.1 Jetgrout ekipmanları... 39 3.8.2 Jetgrouting uygulama tekniği... 39 3.8.3 Jetgrouting metodunun uygulaması... 40 3.8.3.1 Delme... 40 Sayfa iv
3.8.3.2 Enjeksiyon... 41 3.8.3.3 Jetgrout teknikleri... 42 3.8.3.4 Jet 1 - tek akışkanlı sistem... 42 3.8.3.5 Jet 2 - çift akışkanlı sistem... 42 3.8.3.6 Jet 3 - üç akışkanlı sistem... 43 3.8.4 Jetgrout çalışma parametreleri... 44 3.8.4.1 Basınç... 44 3.8.4.2 Dönme ve çekme hızı... 45 3.8.4.3 Toleranslar... 45 3.8.4.4 Dozaj... 46 3.8.5 Bir jetgrouting kolonun mekanik karakteristikleri... 46 3.8.6 Jetgrout Yapımı... 46 3.8.7 Jetgrout taşıma gücüne göre dizayn, hesap yöntemi ve adımları... 47 3.8.7.1 Jetgrouting kolon aralıklarının tespiti... 48 3.8.8 Sıvılaşmaya karşı direnç, hesap yöntemi ve adımları... 49 3.8.8.1 Çevrimsel gerilme oranı (CSR) hesabı... 49 3.8.8.2 SPT deneyi ile CRR tespiti... 51 3.8.8.3 Sıvılaşmaya karşı güvenlik faktörü... 51 3.8.8.4 Sıvılaşmaya karşı tasarımda önerilen hesap algoritması... 52 3.8.8.5 Zemin maksimum kayma modülünün saptanması... 52 3.8.8.6 Birim alan oranı metodu ve deprem kayma gerilmelerinin dağılımı. 53 3.8.8.7 Çevrimsel gerilim azaltım faktörü... 55 3.8.9 Yapısal kontroller... 57 3.8.9.1 Kalite kontrol ve testler... 57 3.9 Jetgrouting Tablolama (Spreadsheet) Hesap Programı... 61 4. SIVILAŞMA ANALİZLERİNİN VBA KULLANILARAK YAPILMASI... 63 4.1 Yüzeysel Temellerin Altında Sıvılaşan Zeminlerin Davranışı... 64 4.2 Kazıklı Temeller Üzerinde Sıvılaşma Etkileri... 65 4.3 Sıvılaşmadan Dolayı Meydana Gelebilecek Zemin Hareketleri... 66 4.4 Sıvılaşma Analizleri... 68 4.4.1 Basitleştirilmiş sıvılaşma analizi... 68 4.4.2 CSR değerinin bulunması... 69 4.4.3 CRR değerinin bulunması... 69 4.4.3.1 SPT deneyi verileriyle hesap... 69 4.4.3.2 CPT deneyi verileriyle sıvılaşma hesabı... 71 4.4.3.3 Kayma dalgası hızı ile sıvılaşma analizi... 73 4.4.4 Sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısı... 74 4.5 Sıvılaşma Potansiyel Indeksi ile Sıvılaşma Hesabı... 75 4.6 Olasılıksal (Probabilistik) Yöntemler... 77 4.7 Sıvılaşma Programı... 78 4.7.1 SPT ile sıvılaşma analiz programı... 78 4.7.2 CPT ile sıvılaşma analizi programı... 79 4.7.3 Kayma dalgası hızı ile sıvılaşma analizi programı... 80 4.7.4 Sıvılaşma potansiyel indeksi (LPI- CPT ) ile sıvılaşma analiz programı... 81 4.7.5 Sıvılaşma potansiyel indeksi (LPI- SPT ) ile sıvılaşma analizi programı... 84 4.7.6 Granülometri eğrisi ile sıvılaşma analizi programı... 86 5. DONATILI ZEMİN (TOPRAKARME) YAPILAR... 88 5.1 Donatılı Zemin Uygulamaları... 88 5.2 Donatılı Zemin Sisteminin Avantajları... 89 5.3 Donatılı Zemin İnşa Yöntemi... 90 v
5.4 Tasarım ve Hesap Esasları... 92 5.5 Donatılı Zeminin Temel Mekanizması... 93 5.6 Bir Donatılı Zemin Yapısında Gerilme Şartları... 94 5.7 Zemin ve Donatı Arasındaki Sürtünme İlişkileri... 94 5.7.1 Görünür sürtünme katsayısı... 94 5.8 Etkili Donatı Uzunluğu... 95 5.9 Projelendirme Yöntemleri... 96 5.10 Donatılı Zemin Yapımında Kullanılacak Malzemenin Seçimi... 96 5.11 Şartname... 97 5.12 Toprağa Gömülen Metal Donatıların Duraylılığı... 97 5.13 Toprakarme Duvarı Oluşturan Kısımlar... 98 5.14 Yapım Tekniği... 98 5.15 Toprakarme Uygulamaları... 99 5.16 Donatılı Zemin Hesap Programı... 101 5.16.1 Metal şeritli donatılı zemin hesap programı... 101 5.16.2 Geotekstil kullanılarak donatılı zemin hesap programı... 103 6. İKSA YAPILARININ VBA KULLANILARAK HESAP VE TASARIMI.. 106 6.1 Ahşap İksa Hesap ve Tasarımı... 106 6.1.1 İksaya gelen toprak basıncı... 107 6.1.1.1 Kum Zemin... 108 6.1.1.2 Kil zemin... 108 6.1.2 Ahşap iksa programı... 110 6.1.2.1 Akış diyagramı... 110 6.1.2.2 Ahşap iksa tasarımı programı... 111 6.1.2.3 Dar kazı için iksa tasarımı... 114 6.1.2.4 Geniş kazı için iksa tasarımı... 114 6.2 Derin Kazi İksa (Fore Kazik)... 115 6.2.1 Yanal toprak basınçları... 116 6.2.1.1 Rankine teorisi... 117 6.2.1.2 Elastik denge (sükunet durumu)... 117 6.2.1.3 Plastik denge durumu... 118 6.2.1.4 Aktif durum (aktif Rankine durumu)... 118 6.2.1.5 Pasif durum (pasif Rankine durumu)... 119 6.2.2 Yer altı suyundan meydana gelen basınçlar... 120 6.2.3 Derin kazı iksa sistemlerine etkiyen toprak basınçları... 121 6.2.4 Kohezyonsuz zeminler için önerilen toprak basınçları... 122 6.2.5 İsveç yapı şartnamesi tarafından önerilen toprak basıncı dağılımları... 124 6.2.6 Alman standardı tarafından önerilen toprak basıncı dağılımları... 125 6.2.7 Kohezyonlu zeminler için önerilen toprak basınçları... 125 6.2.8 Deprem durumunda dayanma yapılarına gelen toprak basınçları... 126 6.2.8.1 Toplam aktif ve pasif basınç katsayıları... 126 6.2.8.2 Dinamik aktif ve pasif toprak basınçları... 127 6.2.8.3 Tabakalı zemin durumunda dinamik toprak basınçları... 129 6.2.9 Derin kazı iksa sistemleri hesap yöntemleri... 129 6.2.9.1 Limit denge yöntemi... 130 6.2.9.2 Elastik zemine oturan kiriş yöntemi... 130 6.2.9.3 Pseudo-sonlu elemanlar yöntemi... 130 6.2.9.4 Sonlu elemanlar yöntemi... 131 6.2.10 Derin kazılarda kullanılan iksa sistemleri... 133 6.2.10.1 Palplanj duvarlar... 133 vi
6.2.10.2 Kazıklı duvarlar... 135 6.2.10.3 Aralıklı kazıkla oluşturulan perde... 135 6.2.10.4 Kesişen kazıkla oluşturulan perde... 136 6.2.11 Derin kazı iksa sistemleri destek elemanları... 137 6.2.11.1 Ankrajlar... 137 6.2.11.2 Ankraj tipleri... 138 6.2.11.3 Ankrajın kısımları... 139 6.2.11.4 Ankrajların uygulanması... 141 6.2.11.5 Ankrajların taşıma gücü ve hesabı... 142 6.2.11.6 Kayada ankraj taşıma gücü... 142 6.2.11.7 Kohezyonsuz zeminlerde ankraj taşıma gücü... 142 6.2.11.8 Kohezyonlu zeminlerde ankraj taşıma gücü... 143 6.2.12 Ankrajlı iksa sistemlerinin stabilite tahkikleri... 144 6.2.13 Derin kazı iksa sistemleri için genel kriterler... 144 6.2.13.1 Zemin etütleri (Geoteknik Rapor)... 144 6.2.13.2 Kazı çevresinin incelenmesi... 145 6.2.13.3 İksa projesi... 146 6.2.13.4 Stabilite tahkikleri... 146 6.2.14 Ankrajlı iksa hesap programı ve SEM ile göçen bir iksa yapısının analizi... 146 6.2.14.1 İnşaat çevresi ve yapı bilgileri... 146 6.2.14.2 Geoteknik özellikler... 147 6.2.14.3 İksa projesi... 149 6.2.14.4 İksa yapısının göçmesi... 151 6.2.14.5 Göçme nedeninin belirlenmesi... 153 6.2.14.6 Ankrajlı iksanın sonlu elemanlar yöntemi ile analizi... 153 7. İSTİNAT YAPILARININ EXCEL VBA KULLANILARAK HESAP VE TASARIMININ YAPILMASI... 160 7.1 İstinat Duvarlarının Türleri... 162 7.1.1 Ağırlık (kagir) istinat duvarları ve ön boyutlar... 162 7.1.2 Yarı ağırlık istinat duvarları ve ön boyutlar... 163 7.1.3 Basit Konsol İstinat Duvarları... 164 7.1.4 Betonarme konsol istinat duvarları için yüksekliğe bağlı ön boyutlar... 165 7.1.5 Nervürlü istinat duvarları ve ön boyutlar... 165 7.1.6 Hafifletme konsollu betonarme konsol istinat duvarı... 167 7.1.7 Prefabrike elemanlı istinat duvarları... 168 7.1.8 Donatılı toprak (toprakarme) istinat duvarları... 168 7.1.9 Zemine ankastre istinat duvarları... 169 7.1.10 Gergili istinat duvarları... 169 7.1.11 Kafes (Gabyon) istinat duvarları... 169 7.1.12 Metal sandık tipi duvarlar... 170 7.1.13 Köprü Ayakları... 170 7.1.14 İstinat kazıkları... 170 7.2 İstinat Duvarlarına Gelen Yükler... 171 7.2.1 Zemin itkileri... 172 7.2.1.1 Pasif zemin basıncı... 172 7.2.1.2 Aktif zemin basıncı... 174 7.2.2 Deprem etkileri... 176 7.2.2.1 Coulomb teorisi... 176 7.2.2.2 Mononobe - Okabe yöntemi... 179 vii
7.2.2.3 Steedman - Zeng metodu... 179 7.2.3 Ek yükler... 179 7.2.3.1 Düzgün yayılı yükler... 180 7.2.3.2 Çizgisel yayılı yükler... 180 7.2.3.3 Noktasal yükler... 180 7.2.3.4 Üst yük (sürşarj) etkisi... 180 7.2.3.5 Tekil kuvvet tarafından oluşan yanal toprak basıncı... 181 7.2.3.6 Çizgi kuvvet tarafından oluşan yanal toprak basıncı... 181 7.2.4 Su etkileri... 182 7.2.5 Don tesiri... 182 7.2.6 Duvarın kendi ağırlığı... 183 7.2.7 Duvar önündeki toprak basıncı... 183 7.3 İstinat Duvarlarında Stabilite Kontrolleri... 183 7.3.1 Devrilme kontrolü... 183 7.3.2 Kayma kontrolü... 184 7.3.3 Taşıma gücü kontrolü... 184 7.4 Statik ve Betonarme Hesabı... 185 7.4.1 Kritik kesitler... 185 7.4.2 Donatı hesabı... 185 7.5 İstinat Duvarlarında Alınabilecek Drenaj Yöntemleri... 186 7.6 İstinat Duvarlarının Projelendirilmesindeki Adımlar... 189 7.7 İstinat Duvarlarının Excel VBA ile Programlanması... 189 7.7.1 İstinat duvarının ön boyutları... 190 7.7.2 Depremli durum için veri girişi... 190 7.7.3 Çözüm Biçiminin Seçilmesi... 191 7.7.3.1 Verilere göre çözüm... 191 7.7.3.2 İterasyona göre çözüm... 191 7.7.4 Zemin tabaka cinsi... 192 7.7.5 Zemin endeks özelliklerinin belirlenmesi... 192 7.7.6 Ek yüklerin girilmesi... 192 7.7.6.1 Çizgisel yük... 193 7.7.6.2 Noktasal yük... 193 7.7.6.3 Yayılı yük... 193 7.7.7 Statik hesap... 194 7.7.7.1 Zemin itkilerinin değeri... 194 7.7.7.2 Dış kuvvetlerden gelen yükler... 194 7.7.7.3 Noktasal ve çizgisel yükün derinlik ile olan değişimi... 194 7.7.7.4 Stabilite kontrolleri... 194 7.7.8 Depremli hesap... 194 7.7.9 Kritik kesitler... 195 7.7.10 İstinat duvarının betonarme hesabı için malzeme özelliklerinin seçimi197 7.7.10.1 Beton sınıfının seçimi... 197 7.7.10.2 Donatı sınıfının seçimi... 197 7.7.11 İstinat duvarının betonarme hesabı için donatı çapı seçimi... 198 7.7.11.1 Gövde ana donatı... 198 7.7.11.2 Konsol ana donatı... 198 7.7.11.3 Rötre ve dağıtma donatısı... 198 7.7.11.4 Konstrüktif donatı... 198 7.7.12 Donatı hesabı... 198 7.7.13 Kesitte kullanılacak olan donatı alanları, adetleri ve aralıkları... 199 viii
7.7.14 Metraj... 199 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 200 KAYNAKLAR... 201 EKLER... 210 ix
KISALTMALAR CPT CRR CSR İTO LPI LL MSF PGA PL SEM SPT UCS YASS : Koni Penetrasyon Testi : Devirsel direnç oranı (Cyclic Resistance Ratio) : Devirsel gerilme oranı (Cyclic Stress Ratio) : İnce Tane Oranı : Sıvılaşma Potansiyel İndeksi : Likit Limit : Deprem büyüklüğü katsayısı (Magnitude Scale Factor) : Pik yer ivmesi : Sıvılaşma İndeksi : Sonlu Elemanlar Metodu : Standart Penetrasyon Testi : Unconfined Compression Test : Yer altı Su Seviyesi x
TABLO LİSTESİ Tablolar 2.1 : Müsaade edilen oturma miktarları (Kumbasar ve Kip, 1999)... 22 2.2 : Sıkışma indisi Ansal ve Güneş (1987) den uyarlanmıştır... 23 2.3 : Deprem büyüklüğü ve faya uzaklıkla ilişkili katsayı (Housner, 1972; Schnabel ve diğ., 1972)... 29 2.4 : Kayma dalgası hızı ve derinliğe göre at/g değerleri... 30 3.1 : Jetgrout kolon dayanımları tablosu... 43 3.2 : Sıvılaşmaya karşı temel mühendisliği uygulamaları... 44 3.3 : Jetgroud üretim parametreleri (Lunardi, 1977)... 44 4.1 : Arazide sıvılaşma sırasında boşluk suyu basıncı ölçümü yapılan daha önceki çalışmalar(chang ve diğ., 2007)... 63 5.1 : Tasarımda kullanılacak güvenlik sayıları... 93 5.2 : Elekten geçen... 97 6.1 : Ahşap iksa (8 x 16 boyutunda) için en büyük ölçütler (TS-647, 1980)... 112 6.2 : Ahşap iksa (20 x 20 boyutunda) için en büyük ölçütler (TS-647, 1980). 113 6.3 : Zemin cinsine göre tipik sükunetteki toprak basıncı katsayısı değerleri (Uzuner, 1998)... 118 6.4 : Analiz yöntemlerinin avantaj ve sınırları (Çalışkan ve Özkan, 2005)... 132 6.5 : Ankrajlar için minimum güvenlik değerleri (BS - 8081, 1989)... 138 6.6 : Laboratuvar Deneyi Sonuçları 1 (Alaner and Mermer 2009)... 148 6.7 : Laboratuvar Deneyi Sonuçları 2 (Alaner and Mermer 2009)... 148 6.8 : SPT Deneyi Sonuçları (Alaner and Mermer 2009)... 148 6.9 : Pressiyometre Deneyi Sonuçları (Alaner and Mermer 2009)... 149 6.10 : Göçen iksa sisteminin tasarım parametreleri ve hesap sonuçları... 149 6.11 : Kayma mukavemeti parametreleri ve aktif itki hesap sonuçları... 153 6.12 : Projede kullanılan zemin özellikleri (Alaner and Mermer 2009)... 153 6.13 : Yapılan iksanın özellikleri... 154 6.14 : Yapılan ankrajın özellikleri... 154 6.15 : Hesap sonuçları... 158 7.1 : Değişik zemin türleri için içsel sürtünme açısı değerleri(celep ve Kumbasar, 2005)... 173 7.2 : Zemin türüne karşılık gelen içsel sürtünme açısı değerleri (U.S. Army Corps of Engineers, 1991)... 173 7.3 : Donatı hesabı... 186 7.4 : Etkin yer,ivme katsayısı (TDY, 2007)... 190 7.5 : Bina önem katsayısı (TDY, 2007)... 191 xi
ŞEKİL LİSTESİ Şekiller 2.1 : Program girişi... 11 2.2 : Proje tanıtımı... 11 2.3 : Temel tipi seçimi... 12 2.4 : Tekil temel için emniyetli taşıma gücü hesabı... 13 2.5 : Sürekli temel için emniyetli taşıma gücü hesabı... 13 2.6 : Radye temel için emniyetli taşıma gücü hesabı... 14 2.7 : Meyerhof a göre emniyetli taşıma gücü hesabı... 15 2.8 : Ani oturma hesabı... 16 2.9 : Oturma analizi 1... 17 2.10 : Oturma analizi 2... 18 2.11 : Gerilme analizi... 19 2.12 : Oturma hesap adımları... 21 2.13 : Sıkışma indisi ve oturma tespiti.... 22 2.14 : SPT ile oturma analizi... 23 2.15 : Zemin sınıfı ve deprem değerlerinin tespiti... 25 2.16 : Zemin şişme karakteri tespiti... 26 2.17 : Yatak katsayısı tespiti... 27 2.18 : Sıvılaşma analizi... 29 2.19 : Sıvılaşma analizi... 30 2.20 : Sıvılaşma analizi... 31 2.21 : Sıvılaşma analizi... 31 3.1 : Başlıca jetgrouting uygulama alanları (koyu renkli alanlar jetgrout bölgelerdir): (a)köprü ayağı. (b)iksa sistemi. (c)dar kazıda destek sistemi. (d)galeri inşaatı. (e)kolon desteği. (f)sızma kontrolü. (g)yer altı sistemleri... 39 3.2 : Zemin türüne göre uygulanabilecek iyileştirme yöntemleri... 40 3.3 : Jet enjeksiyon... 42 3.4 : Jetgrout sistemleri... 42 3.5 : Jetgrout kolon aralıkları ve mesafeleri (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 48 3.6 : Deprem kayma dalgalarının dağılım modeli ve birim hücrenin tanımlanması (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 49 3.7 : Gerilme azaltma katsayısının grafiği (Seed ve Idriss, 1971)... 50 3.8 : Önerilen hesap algoritması (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 52 3.9 : Jetgorut yapım şekli (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 55 3.10 : Jetgrouting ile iyileştirilmiş zeminde teşkil edilmiş bir radye temel (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 55 3.11 : Jetgrouting uygulaması (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 55 3.12 : Alan değişim oranı ile gerilim azaltım faktörü değişimi (Özsoy ve Durgunoğlu, 2003)... 56 3.13 : Kolon sürekliliğinin belirlenmesi için yapılan testler (Integrity Test)... 58 3.14 : Jet Grout kolon örneklerinin çap kontrolü (Durgunoğlu ve diğ., 2002).. 59 xii
3.15 : Jetgrout kolonda boy kontrolü (Durgunoğlu ve diğ., 2002)... 59 3.16 : Jetgrout kolonundan numune alınması (Ege Zemin İnş., 2006)... 59 3.17 : Bina içi uygulaması sonrası jetgout kolonundan numune alınması... 59 3.18 : Tek eksenli basınç deneyi sonucu kırılan numuneler... 59 3.19 : Tek eksenli basınç deney sonuçları... 59 3.20 : Jetgrout kolonlarında grup yükleme deneyi... 60 3.21 : Jetgrout kolonu çekme deneyi... 60 3.22 : Grup yükleme deneyi modeli... 60 3.23 : Jetgrout kolonlarda yükleme deneyleri grafiği... 60 3.24 : Veri giriş sayfası ve hesabı... 61 4.1 : Sıvılaşma deney sahası kesiti (Chang ve diğ., 2007)... 64 4.2 : Sıvılaşan zeminde kazık - zemin etkileşimi modeli... 66 4.3 : Sıvılaşma sonrası zeminde hacimsel sıkışma miktarının kestirimi için önerilen abaklar: (a) Tokimatsu ve Seed (1987). (b) Ishihara ve Yoshimine (1992). (c) Zhang ve diğ. (2002)... 67 4.4 : Gerilme azaltma katsayısının grafiği (Seed ve Idriss 1971)... 69 4.5 : 7.5 büyüklüğündeki depremlerdeki verilerle çizilen SPT sıvılaşma eğrisi 70 4.6 : 7.5 büyüklüğündeki depremlerdeki verilerle çizilen CPT sıvılaşma eğrisi 72 4.7 : 7.5 büyüklüğündeki depremlerdeki verilerle çizilen kayma dalgası sıvılaşma eğrisi (Youd ve diğ., 2001)... 73 4.8 : Düşey toprak basıncı düzeltmesi yapılmış kayma dalgası hızı ile CRR arasındaki ilişki... 73 4.9 : Sıvılaşma tespiti için güvenlik sayısı değerleri... 75 4.10 : İki depremde CPT sondajlarıyla hesaplanan LPI örneği (En büyük yer ivmesi (PGA) 0.28g ve 0.4g plan sırasıyla Mw=6.6 ve Mw=7.3 olan değerler) (Toprak ve Thomas 2003)... 76 4.11 : Sıvılaşma program başlangıcı ve analiz seçimi: (a)program girişi. (b)analiz yöntemi seçimi... 78 4.12 : SPT değeriyle, istenilen derinlikte sıvılaşma analizi... 79 4.13 : CPT değeriyle, istenilen derinlikte sıvılaşma analizi... 80 4.14 : İstenilen derinlikte Kayma dalgası hızına göre sıvılaşma analizi... 81 4.15 : CPT kullanılarak sıvılaşma potansiyel indeksi ile zeminin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi... 82 4.16 : Sıvılaşma potansiyel indeksi (CPT kullanılarak) sıvılaşma eğrisi... 82 4.17 : Uç direnci ve sürtünme direnci derinlik ilişkisi... 83 4.18 : Sıvılaşma potansiyel indeksi (CPT kullanılarak) sıvılaşma hesap sonuçları... 83 4.19 : SPT kullanılarak sıvılaşma potansiyel indeksi ile zeminin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesi... 84 4.20 : Sıvılaşma potansiyel indeksi (SPT kullanılarak) sıvılaşma eğrisi... 85 4.21 : SPT değerinin derinlikle değişimi... 85 4.22 : Sıvılaşma potansiyel indeksi (SPT kullanılarak) sıvılaşma hesap sonuçları... 86 4.23 : Granülometri eğrisi kullanılarak sıvılaşma hesapları... 86 4.24 : Granülometri eğrisi hesap sonuçları... 87 5.1 : Polimer şeritli donatılı zemin sistemi (TS-7994, 1990)... 90 5.2 : Tipik donatılı zemin istinat duvarı kesiti (Özçelik, 2005)... 91 5.3 : Donatılı zemin duvar yapım aşamaları (Özçelik, 2006)... 91 5.4 : Hazır plaklı, donatılı zemin duvarı (Uzuner, 2007)... 93 xiii
5.5 : Donatılı toprak uygulamaları 1 (Reinforces Technology, 2007): (a) Bir beton fabrikasında. (b) Kademeli istinat... 100 5.6 : Donatılı toprak uygulamaları 2 (Reinforces Technology, 2007): (a) İstinat duvarı. (b) Köprü yanında merdiven. (c) Köprü ayağı. (d) Yol altı menfez. (e)metal şeritli imalat. (f) Köprü ayağı... 100 5.7 : Elektronik tablolama ile donatılı zemin hesap programı (metal şerit)... 102 5.8 : Elektronik tablolama ile donatılı zemin hesap programı (jeotekstil)... 104 6.1 : Ahşap iksa uygulama örneği yatay - düşey: (a)düşey destekli. (b)düşey destekli ve kirişli. (c)yatay destekli. (d)yatay destekli ve kirişli... 107 6.2 : Kum zeminde iksaya gelen toprak basıncı dağılımı: (a) Eski kabul. (b) Yeni kabul... 108 6.3 : Kil zeminde iksaya gelen toprak basıncı dağılımı: (a) Tschebotarioff a göre basınç dağılımı. (b) Peck e göre basınç dağılımı... 109 6.4 : Programın akış diyagramı... 110 6.5 : Program girişi... 111 6.6 : Zemin tipi seçimi... 111 6.7 : Kum zemin için iksaya gelen kuvvetin hesabı... 111 6.8 : Kil zemin için iksaya gelen kuvvetin hesabı... 112 6.9 : Zemin tipine göre iksa gerekliliğinin tespiti ve TS-2519 (1989) zemin tipine göre uygulanan tip iksa şekilleri... 113 6.10 : Dar kazı için ahşap iksa tasarımı... 114 6.11 : Geniş kazı için iksa tasarımı... 115 6.12 : Kohezyonlu bir zeminde aktif yanal basınçlarının dağılımı (Uzuner, 1998)... 119 6.13 : Genel bir zeminde aktif ve pasif durumlar (Uzuner, 1998)... 119 6.14 : Kohezyonlu bir zeminde pasif yanal basınçlar (Uzuner, 1998)... 120 6.15 : Tek zemin ve yer altı suyu durumu (Uzuner, 1998)... 120 6.16 : Yanal toprak basıncı, duvar dönmesi ve çakma derinliği ilişkisi (FHWA- IF-99-015, 1999)... 121 6.17 : Çok sıra ankrajlı bir duvarda toprak basıncı dağılımı (Berilgen ve Özaydın, 1996)... 122 6.18 : Kohezyonsuz zeminler için önerilen toprak basınç dağılımı (Terzaghi ve Peck, 1967)... 123 6.19 : Kohezyonsuz zeminler çin önerilen toprak basınçları Tschebotarioff, 1973)... 123 6.20 : Kohezyonsuz zeminler için toprak basıncı dağılımı (Hanna, 1982)... 123 6.21 : Kohezyonsuz zeminler için toprak basıncı dağılımları (Hanna, 1982): (a)düşük relatif sıkılıklı. (b)yüksek relatif sıkılıklı... 124 6.22 : Kohezyonsuz zeminler için toprak basıncı dağılımları (SIA 191, 1982)... 124 6.23 : Kohezyonlu zeminler için toprak basıncı dağılımları (Peck, 1969)... 125 6.24 : Kohezyonlu zeminler için toprak basıncı dağılımları (Tschebotarioff, 1973)... 126 6.25 : Palplanj duvar çeşitleri... 134 6.26 : Kademeli kazı işlemi (Bowles, 1996)... 135 6.27 : Şevli kısımda görüntüleme kullanarak kademeli ankraj sistemi (BS-8081, 1989)... 135 6.28 : Kazıklı perdelerin inşası (Bowles, 1996)... 136 xiv
6.29 : Bazı kazık duvar konfigürasyonları (Apaydın, 2003): (a)iki sıra delme kazık kullanılması. (b)kesişen kazık. (c)tek sıra yerleştirilmiş kazık. (d)h tipindeki kazık... 137 6.30 : Ampirik teknik ile kayma yüzeyi (BS - 8081, 1989)... 144 6.31 : Düzlem kayma kaması (BS - 8081, 1989)... 144 6.32 : Kazı alanının deforme olmamış durumu... 147 6.33 : İnceleme alanı (İstanbul) (Url-1, 2011)... 147 6.34 : Fore kazık planı... 150 6.35 : Kazı alanı yol cephesi A-A kesiti... 150 6.36 : Kazık ve ankraj modülasyon planı... 150 6.37 : Göçme durumundaki iksa moment, kesme, normal kuvvet ve eğilme rijitliği dağılımları... 151 6.38 : Yol dolgusu üzerinde meydana gelen deformasyonlar... 151 6.39 : Yol dolgusu üzerindeki çatlakların genişlemesi... 151 6.40 : Çatlakların beton ile doldurulması... 152 6.41 : Geri dolgu... 152 6.42 : Yer altı suyu ile karşılaşılması... 152 6.43 : Devrilen fore kazıklar... 152 6.44 : Deforme olmuş durum... 154 6.45 : Analiz sonrası toplam deplasman... 154 6.46 : Efektif gerilme... 154 6.47 : Boşluk suyu basıncı... 154 6.48 : Eğilme Momenti (=30 o, c=0 ve H w =20 m)... 155 6.49 : Kesme kuvveti (=30 o, c=0 ve H w =20 m)... 155 6.50 : Deforme olmuş durum... 155 6.51 : Analiz sonrası toplam deplasman... 155 6.52 : Efektif gerilme... 156 6.53 : Boşluk suyu basıncı... 156 6.54 : Eğilme momenti (=13.5 o, c=32.5 kn/m 2 ve H w =11 m)... 156 6.55 : Kesme kuvveti (=13.5 o, c=32.5 kn/m 2 ve H w =11 m)... 156 6.56 : Deforme olmuş durum... 157 6.57 : Analiz sonrası toplam deplasman... 157 6.58 : Efektif gerilme... 157 6.59 : Boşluk suyu basıncı... 157 6.60 : Eğilme momenti (=13.5 o, c=32.5 kn/m 2 ve H w =20m)... 157 6.61 : Kesme kuvveti (=13.5 o, c=32.5 kn/m 2 ve H w =20m)... 157 6.62 : Çalışma kapsamında VBA ile hazırlanan iksa analiz programı... 158 7.1 : İstinat duvarlarının kullanım alanları (Aytekin, 2004): (a) Yamaç yolları. (b) Büyük dolma ve yarma gerektiren yollar. (c) Zemin tutma. (d) Kanal ve eklüzler. (e) Kıyıların erozyondan korunması. (f) Taşkın duvarları. (g)köprü kenar ayakları... 161 7.2 : Ağırlık istinat duvarı (Aytekin, 2004)... 162 7.3 : Ağılık istinat duvarı detayları (Aytekin, 2004)... 163 7.4 : Yarı ağırlık istinat yapısı (Aytekin, 2004)... 163 7.5 : Yarı ağırlık ve ağırlık istinat duvarı ön boyutları: (a) Yarı ağırlık istinat duvarı. (b) Ağırlık istinat duvarı... 164 7.6 : Betonarme istinat yapıları (Aytekin, 2004)... 164 7.7 : Betonarme konsol istinat duvarı ön boyutları... 165 7.8 : Nervürlü istinat yapısı (Tunç, 2002)... 166 7.9 : Nervürlü istinat duvarı ön boyutlar ve oluşan gerilmeler.... 166 xv
7.10 : Nervürlü istinat duvarı ön boyutları... 167 7.11 : Yatay konsol plaklı istinat yapılarında yük ve moment dağılımı (Aytekin, 2004)... 167 7.12 : Zemine ankastre istinat yapısında toprak itkileri... 169 7.13 : İstinat kazıkları (Celep ve Kumbasar, 2005)... 171 7.14 : İstinat duvarlarına gelen zemin etkileri... 172 7.15 : Pasif toprak basıncının oluşumu (U.S. Army Corps of Engineers, 1989)... 173 7.16 : Aktif toprak basıncının oluşumu (U.S. Army Corps of Engineers, 1989)... 174 7.17 : Zemin basınçlarının bileşkesi... 175 7.18 : İstinat duvarlarında deprem etkileri (Celep ve Kumbasar, 2005)... 178 7.19 : Tekil (nokta) kuvvet etkisi ile oluşan yanal toprak basıncı dağılımı... 181 7.20 : Çizgisel kuvvet tarafından oluşan yanal toprak basıncı dağılımı... 182 7.21 : İstinat duvarlarına etkiyen su kuvvetleri... 182 7.22 : İstinat duvarları için devrilme ve kayma durumları (Uzuner, 2005)... 184 7.23 : İstinat duvarlarında kritik kesitler... 185 7.24 : İstinat duvarlarında drenaj (Celep ve Kumbasar, 2005)... 187 7.25 : Drenaj uygulaması (U.S. Army Corps of Engineers, 1989)... 187 7.26 : Drenaj uygulaması 1 (U.S. Army Corps of Engineers, 1989)... 188 7.27 : Drenaj uygulaması 2 (U.S. Army Corps of Engineers, 1989)... 188 7.28 : Drenaj uygulaması 3 (U.S. Army Corps of Engineers, 1989)... 188 7.29 : Veri giriş ekranının bir bölümü... 189 7.30 : Zemin profilinin değerlendirilmesi... 192 7.31 : Zemin profilinin değerlendirilmesi,ek yüklerinin değerlendirilmesi ve stabilite tahkikleri... 195 7.32 : Kritik kesit detayı... 196 7.33 : Statik ve depremli durum için kritik kesit hesabı... 196 7.34 : Beton sınıfı seçimi ve donatı seçimi ve istinat duvarının donatılandırılması... 197 7.35: Donatı şeması... 199 A.1 : Terzaghi verileri... 211 A.2 : SPT verisi ile meyerhof verisi... 211 A.3 : Ani oturma verileri... 211 A.4 : Gerilme analizi verileri: (a) Dikdörtgen alan. (b) Şerit yük. (c) Noktasal ve dairesel yük... 212 xvi
SEMBOL LİSTESİ α Katsayı ve açı değeri β Katsayı γ m Zemin birim hacim ağırlığı γ s Zemin birim hacim ağırlığı γ Zemin birim hacim ağırlığı γ Batık (Su altı) birim hacim ağırlık γ w Suyun birim hacim ağırlığı σ 1 Normal gerilme σ 3 Gerilme σ em İyileştirme öncesi zemin emniyet gerilmesi σ ult İyileştirme sonrası zemin emniyet gerilmesi σ vo Toplam düşey gerilme (σ v ) σ' vo Efektif gerilme (σ' v ) σ em Donatı emniyet gerilmesi (kg/cm2) σ g Geotekstil dayanımı σ a Aktif yanal zemin gerilmesi σ d Düşey gerilme σ o Sükunet durumunda yatay (yanal) gerilme σ p Pasif yanal zemin gerilmesi σ y Yatay gerilme τ Kayma gerilmesi τ avg Ortalama eşdeğer kayma gerilmesi τ jg Çimento - zemin karışımı kolonlara etkiyen kayma gerilmesi τ s Kolonlar arasındaki zemine etkiyen kayma gerilmesi τ max En fazla kayma gerilmesi τ ult Zemin enjeksiyon ara yüzeyindeki nihai bağ veya çevre sürtünmesi f Sürtünme katsayısı (1/3-2/3 ) jg Jetgrout kolon çapı İçsel sürtünme açısı Ø Kazık donatı çapı Kazık çapı μ Katsayı (zemin cinsine göre) ve Sürtünme katsayısı μ 1 Katsayı (H/B, L/B değerine göre) μ o Katsayı (D/B, L/B değerine göre) Zeminin poisson oranı i Zemin şev açısı ρ Toplam oturma δ Farklı oturma ve İstinat duvarında zemin ile duvar arasındaki sürtünme açısı λ Deprem katsayılarına bağlı açı πdl Ankraj kökü çevre yüzeyi Δ Fay hattından uzaklık xvii
h Oturma miktarı P Gerilme artışı a, b Eğri uygunluk parametreleri a r Alan yer değiştirme oranı a max En fazla ivmesi değeri a İvmesi değeri a t Katsayı (kayma dalgası hızı ve derinliğe bağlı) A 1 Her bir jetgrout kolonuna düşen alan miktarı (birim hücre alanı) A jg Jetgrout kolon alanı A Taban alanı A o Etkin yer ivmesi Katsayısı B Taban uzunluğu/genişliği b Donatı Genişliği c Kohezyon c u Drenajsız kayma mukavemeti C h Yatay eşdeğer deprem katsayısı C v Düşey eşdeğer deprem katsayısı CQ Koni uç direnci normalizasyon faktörü C R Tij boyu düzeltme faktörü C S Standart olmayan numune alıcı düzeltme faktörü C B Sondaj kuyusu çapına ve tokmak oranı düzeltme faktörü C E Enerji oranı düzeltme faktörü C N Efektif gerilmeye göre düzeltme faktörü/düşey jeolojik düzeltme faktörü C c Sıkışma indisi d Donatı elemanının kalınlığı d Pas payı D Gömülü kazık derinliği, sıvılaşma sonrası zemin deformasyonu ve numune çapı D ank Ankraj kök çapı D f Temel veya kazık derinliği EA Uzama rijitliği EI Eğilme rijitliği E jg Jetgrout kolonu elastisite modülü E r % 60 a denk gelen darbe sayısını (SPT deneyindeki enerji oranını göstermektedir) e o Boşluk oranı E u Drenajsız elastise modülü f cd Beton basınç dayanımı f ctd Beton çekme dayanımı f yd Donatı akma dayanımı F b Kopmaya karşı güvenlik katsayısı F p Sıyrılmaya karşı güvenlik katsayısı f s Ölçülen sürtünme direnci F Zemin tipine bağlı bir düzeltme faktörü ve sıvılaşmada değişken değeri f jg Tek eksenli silindirik basınç deneyi mukavemeti Gs s Kaymaya karşı güvenlik sayısı Gs o Devrilmeye karşı güvenlik sayısı g Yerçekimi ivmesi G jg Jetgrout kolonu kayma modülü Zemin kayma modülü G m xviii
G s Güvenlik sayısı H, H İksa sisteminin boyu/yüksekliği veya sıvılaşan tabaka kalınlığı/derinliği h Kesit derinliği H w YASS seviyesi H o Başlangıç numune kalınlığı I Bina önem katsayısı I c Zemin indeksi k o Sükunetteki toprak basıncı katsayısı K a Aktif toprak basınç katsayısı K p Pasif toprak basınç katsayısı K as Statik aktif basınç katsayısı K ps Statik pasif basınç katsayısı K at Toplam aktif basınç katsayısı K pt Toplam pasif basınç katsayısı k x, k y Permeabilite K Toprak Basıncı Katsayısı K a Aktif toprak basınç katsayısı K c CPT uç direnci düzeltme katsayısı k Katsayı (zemin özelliklerine, m ve n değerine bağlı) statik durumdaki değeri ko ile gösterilir K 1 Temel tipine bağlı katsayı K 2 Temel tipine bağlı katsayı k 1 Katsayı (B/z değerine göre) k 2 Katsayı (B/z değerine göre) k s Yatak katsayısı L mom. Moment kolu l 1 Ahşap kaplama birimlerinin en büyük mesnet aralığı ve geotekstil katlanma uzunluğu l 2 Bağlantı kirişlerinin en büyük mesnet aralığı l 3 Bağlantı kirişlerinin en büyük konsol boyu l 4 =l o Ahşap kaplama birimlerinin en büyük konsol boyu l u Ahşap kaplama birimlerinin en büyük konsol boyu L e Etkili donatı boyu L Temel uzunluğu, geotekstil uzunluğu ve ankraj kök boyu l s Tesir faktörleri (L/B değerine göre) M Taban ortasına göre alınan moment M e Deprem etkisiyle oluşan ilave moment M H Zemin ektileri ve ek yüklerden kesitlerde oluşan momentler m Katsayı M w Deprem büyüklüğü N düz. Düzeltilmiş SPT darbe sayısı N SPT SPT darbe sayısı N Normal kuvvet (istinat duvarının ağırlığı + istinat duvarı üstündeki zeminin ağırlığı) N G Kesit üzerindeki duvar ağırlığı n Katsayı (sıvılaşma veya gerilme), jetgrout hesabında gerilme konsantrasyon oranı SPT N SPT darbe sayısı N 1, 60 Jeolojik gerilmeye göre normalize edilmş SPT değeri N c Kayma mukavemet açısına bağlı taşıma gücü katsayısı xix
N q Kayma mukavemet açısına bağlı taşıma gücü katsayısı N γ Kayma mukavemet açısına bağlı taşıma gücü katsayısı N ort Temel tabanından itibaren B derinliğine kadar olan N değerlerinin ortalaması P ab Aktif zemin basıncı bileşkesi P pb Pasif zemin basıncı bileşkesi P ad Kuru zeminde dinamik aktif toprak basıncının pozitif değerli bileşkesi P pd Kuru zeminde dinamik pasif toprak basıncının negatif değerli bileşkesi P a Açık hava basıncı P ult Jetgrout kolonları taşıma gücü P Yapı ağırlığı veya yapıya gelen kuvvet q Sürşarj yükü q ad Aktif toprak basınçlarının bileşkesi q pd Pasif toprak basınçlarının bileşkesi Q Sıvılaşmada değişken değeri q c Ölçülen koni uç direnci q c1n,cs Düzeltilmiş uç direnci q u Serbest basınç mukavemeti r d Derinliğe bağlı olarak azalma faktörü r Temel merkezinden yataydaki mesafe s k Takviye kirişlerinin en büyük flambaj boyu S v Donatı düşey aralığı S H Donatı yatay aralığı S h Yatay jetgrout aralığı S v Düşey jetgrout aralığı S r CSR gerilim azaltım faktörü S i Ani oturma miktarı T Çekme kuvveti T a Donatı emniyetli çekme gerilmesi T f Donatı çevresinde sürtünme mukavemeti T maks En alttaki son donatı için çekme kuvveti V s Düzeltilmiş kayma dalgası hızı V s1 Düşey toprak basıncı düzeltmesi yapılmış kayma dalgası hızı (jeolojik gerilme düzeltmesi) V * Sıvılaşma oluşumu için V s1 limit üst değeri V Numune hacmi V s Kayma dalgası hızı W Mukavemet momenti w İksa ağırlığı w(z) Ağırlıklı derinlik faktörü W num. Son numune ağırlığı w son Son su muhtevası z c Zeminin kendini tutabildiği derinlik z cd Bileşkelerin zemin üst yüzeyinden itibaren derinliği Z Zemin yüzeyinden veya temel tabanından itibaren derinlik xx
ÖZET GEOTEKNİK MÜHENDİSLİĞİNDE BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM Zemin incelemesinde elde edilen laboratuar ve arazi verilerinin değerlendirilmesi ve projelendirmede doğru şekilde kullanılması, geoteknik tasarımın en önemli amaçlarındandır. Hesapların gerçekliği ve sonuçların doğruluğu inşa edilen mühendislik yapısının güvenilirliği ve fonksiyonunu yerine getirebilmesi açısından en önemli unsurdur. Zemin mekaniği çalışmaları sonucunda proje hesaplarının hızlı, güvenilir ve standartlara uygun bir şekilde yapılması önem kazanmaktadır. Henüz bütün geoteknik mühendisliği hesaplarını bir arada bulunduran güvenilir bilgisayar programı bulunmamaktadır. Literatürde yeralan birçok hesap yöntemi ve zorunluluklar mühendislerin hızlı, doğru, anlaşılır bir standart çözümü bulmaları gerektiğini göstermektedir. Ancak mühendislerin geoteknik verilerle ilgili hesap yapmamaları, bazen de doğru bir şekilde hesaplama yapamaması, hesaplardaki eksiklikler, birçok yapıda taşıma gücü, oturma ve sıvılaşmayla hasar görmesine, iksa yapılarının doğru projelendirilmemesi nedeniyle kazı göçmelerine yol açtığı bilinmektedir. Uygulamada en çok karşılaşılan Geoteknik Mühendisliği alanına giren konularda hesap yöntemlerini toplu olarak sunan ve bilgisayar destekli çözümü sağlayan bir çalışma planlanmıştır. Geoteknik rapor hazırlanmasında gerekli olan izin verilen taşıma gücü, gerilme analizleri, oturma hesapları, yatak katsayısı hesabı, sıvılaşma analizi, afet yönetmeliğine göre zemin tipinin belirlenmesi, zeminin şişme-büzülme karakteri tespiti, toprakarme (donatılı zemin) hesabı tablolama programı (spread sheet) kullanarak yapılmıştır. Özellikle sıvılaşma analizi, iksa hesabı ve istinat duvarı hesapları gibi birkaç hesapta VBA basic programlama dili kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Ülkemizde en çok kullanılan yöntemlerden olan Jetgrouting yöntemi ile iyileştirme yöntemi anlatılmış, jetgrouting hesapları için de program hazırlanmıştır. Hesapların karşılaştırılması bakımından ve iksa tasarımında analiz için Plaxis programı kullanılmıştır. Geoteknik tasarım için hazırlanan programlar ile açık, anlaşılır, uygun, pratik çözümler sunulması amaçlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Bilgisayar Destekli Tasarım,Geoteknik, Plaxis, Programlama, Sonlu Elemanlar Metodu xxi
SUMMARY COMPUTER AIDED DESIGN IN GEOTECHNICAL ENGINEERING Evaluation of the laboratory and field data obtained from soil studies, and utilizing these data correctly in project designing are among the most important objectives of geotechnical design. Trueness of the calculations and accuracy of the results are the two most important factors in terms of the reliability of the civil engineering structure to be constructed, and its functioning. In consequence of the soil mechanics works, carrying out the project calculations in a way that is fast, reliable and in accordance with the standards becomes crucial. As yet, there is no reliable computer program that incorporates all geotechnical engineering calculations. Many calculation methods and requirements included in the literature point out that engineers need to come up with a standard solution that is fast, accurate and comprehensible. However, it is known that due to the facts that engineers do not usually make calculations related with geotechnical data, or sometimes cannot make the calculations correctly, imperfections in the calculations may cause damages in many structures with bearing strength, settlement and liquefaction, and excavation failures may be caused due to the inaccurate project designing of shoring structures. A work that presents the most commonly met calculation methods in practice and included in the field of Geotechnical Engineering together and that provides a computer-aided solution has been planned. The permissible bearing strength, stress analyses, settlement calculations, bedding coefficient calculation, liquefaction analysis, determination of soil type as per disaster regulation, shrink-swell characteristics of the soil and reinforced earth calculations necessary for preparing geotechnical reports have been carried out by utilizing spread-sheet program. Particularly in some calculations such as liquefaction analysis, shoring calculation and retaining wall calculations, the analyses have been conducted by using VBA basic programming language. Jet grouting and improvement methods, as the most commonly used methods in our country, have been explained and a program has been prepared also for jet grouting calculations. In order not to mix the calculations and for shoring designing, Plaxis program has been utilized. It has been aimed to offer clear, comprehensible, suitable and practical solutions with the programs prepared for geotechnical designing. Key Words: Computer Aided Design, Finite Element Method, Geotechnique, Plaxis, Programming xxii
1. GİRİŞ Zemin incelemesinde elde edilen laboratuar ve arazi verilerinin değerlendirilmesi ve projelendirmede doğru şekilde kullanılması, geoteknik tasarımın en önemli amaçlarındandır. Hesapların gerçekliği ve sonuçların doğruluğu inşa edilen mühendislik yapısının güvenilirliği ve fonksiyonunu yerine getirebilmesi açısından en önemli unsurdur. Zemin mekaniği çalışmaları sonucunda hesapların hızlı, güvenilir ve literatüre uygun bir şekilde yapması önem kazanmaktadır. Henüz bütün geoteknik mühendisliği hesaplarını bir arada bulunduran güvenilir bilgisayar programı bulunmamaktadır. Literatürde yeralan birçok hesap yöntemi ve zorunluluklar mühendislerin hızlı, doğru, anlaşılır bir standart çözümü bulmaları gerektiğini göstermektedir. Ancak mühendislerin geoteknik verilerle ilgili hesap yapmamaları, bazen de doğru bir şekilde hesaplama yapamaması, hesaplardaki eksiklikler, birçok yapıda taşıma gücü, oturma ve sıvılaşmayla hasar görmesine, iksa yapılarının doğru projelendirilmemesi nedeniyle kazı göçmelerine yol açtığı bilinmektedir. Zemin incelemesinden elde edilen zemin verilerini kullanarak geoteknik mühendisliği alanına giren konularda hesap yöntemlerini toplu olarak sunan bir çalışma planlanmaktadır. Bu çalışmada geoteknik mühendisliğinde; zemin tipine göre izin verilen taşıma gücü, oturma hesapları (ani oturma-konsolidasyon oturması, SPT ve amprik formül kullanılması vb.), gerilme analizleri, sıkışma indisi, yatak katsayısı hesabı, sıvılaşma analizi, afet yönetmeliğine göre zemin tipinin belirlenmesi, zeminin şişme-büzülme karateri tespiti, iksa hesapları, toprakarme (donatılı zemin) hesabı, istinat duvarı analizi vb. hesaplar spread sheet kullanarak yapılacaktır. Özellikle sıvılaşma analizi, iksa hesabı gibi birkaç hesapta VBA basic programlama- Excel makro dili kullanılarak analizler gerçekleştirilecektir. Geoteknik raporda zemin analizleri sonucunda eğer gerekliyse zemin iyileştirme kapsamında jet-grouting, taş kolon, kum dren, sağlam zeminin derinlerde olması durumunda kazıklı temeller vb. hesaplar gerçekleştirilecektir. 1
Hesapların karşılaştırılması bakımından gerekli görülmesi durumunda Plaxis programı kullanılacaktır. Tez kapsamındaki hesaplar literatür taraması daha da arttırılarak devam edecektir. 1.1 Tezin Amacı Geoteknik rapor hazırlanmasında gerekli; izin verilen taşıma gücü, gerilme analizleri, oturma hesapları, yatak katsayısı hesabı, sıvılaşma analizi, afet yönetmeliğine göre zemin tipinin belirlenmesi, zeminin şişme-büzülme karakteri tespiti, iksa hesapları, toprakarme (donatılı zemin) hesabı, istinat duvarı hesapları tablolama programı (spread sheet) kullanarak yapılacaktır. Özellikle sıvılaşma analizi, iksa hesabı gibi birkaç hesapta VBA basic programlama dili kullanılarak analizler gerçekleştirilecek, görsel programlar hazırlanacaktır. Geoteknik raporda zemin analizleri sonucunda eğer gerekliyse zemin iyileştirme kapsamında yapılabilecek geoteknik çözümlerin jet-grouting, taş kolon, kum dren hesapları için program hazırlanacaktır. Sağlam zeminin derinlerde olması durumunda projelendirilen kazıklı temellerin hesap programı gerçekleştirilecektir. Hesapların karşılaştırılması bakımından gerekli görülmesi durumunda analiz için Plaxis programı kullanılacaktır. Geoteknik tasarım için, projelendirme işlevlerinin yeni yöntemler değerlendirilerek açık, anlaşılır, uygun, pratik çözümler sunulması amaçlanmaktadır. 1.2 Literatür Özeti Geoteknik Mühendisliğinde Bilgisayar Destekli Tasarım adlı tez çalışmasının konusu geoteknik mühendisliği alanına giren taşıma gücü, oturma, sıvılaşma, iksa yapıları, derin temeller, zemin iyileştirme yöntemleri konularını toplu olarak sunan ve tüm proje hesaplarının bilgisayar programı ile yapılmasıdır. Konu ile ilgili literatür aşağıda açıklanmıştır. Bowles (1998) ve Önalp (1982) geoteknik mühendisliğinde zeminin özellikleri bunların nasıl incelendiğini, ölçümlerin nasıl yapıldığını değerlendirmiş, zemin üzerinde ölçülerin ve değerlendirmenin önemli olduğunu vurgulamıştır. Önalp (1982) de Bilgisayar Uygulamaları bölümü bulunmaktadır. 2
Cetin ve diğ. (2004) sıvılaşma analizleri için probabilistik bir yaklaşım geliştirmişlerdir. Geliştirilen korelasyonların önceki önyargı ve bilinmeyen değişkenleri azalttığı gösterilmiştir. Zemin gerilmeleri, ince dane oranı gibi parametreler de çözümde dikkate alınmıştır. Capper ve Cassie çeviri: Kumbasar ve Kip (1984) inşaat mühendisliğinde zemin mekaniğikonularını incelemiş taşıma gücü, ani oturma-konsolidasyon oturması, yanal toprak basıncı vb zemin mekaniği konularına değinmiş hesap ve formülleri sunmuştur. Kramer (2003) geoteknik deprem mühendisliği hakkında bilgiler vermiş, hesaplardaki deterministik ve probabilistik yaklaşımları değerlendirmiş,azalım ilişkileri zemin kayma dalgası hızı vb hesaplara ye vermiş, deprem oluşumları, büyüklükleri, maksimum ivme değeri hesabı ile birçok jeofizik hesaplarına yer vermiştir. Robert (2004) geoteknik deprem mühendisliği el kitabında pratik bilgiler vermiş, bazı hesapları klasik yöntemle yaparak geoteknik mühendislerinin uygulamada kullanacağı bir hale getirmiş ve kolaylık sağlamışlardır. Ayrıca temel geoteknik mühendisliği ilkeleri değerlendirilmiş arazi deneylerine elde edilen verilere ve zemindeki analizleri yer verilmiştir. Sıvılaşma konusunda uzmanlar bir araya gelerek, Seed ve Idriss (1971) tarafından önerilen basitleştirilmiş yöntem i SPT (standart penetrasyon testi), CPT (konik penetrasyon testi), V s (kayma dalgası hızı), BPT (Becker penetrasyon testi) gibi farklı verilerle kullanmak için hem fikir oldukları güncel yaklaşımları yayınlamışlardır (Youd ve diğ., 2001). Depremin 7.5 ten farklı olması durumunda ise MSF (deprem büyüklük faktörü) kullanılmıştır. CPT nin diğerlerine oranla daha detaylı veriler sunduğu için sıvılaşma analizlerinde daha etkili olabileceği tespiti de yapılmıştır. Idriss ve Boulanger (2007) çalışmasında sıvılaşmış plastik olmayan zeminlerde SPT ve CPT arasındaki ilişkiyi kullanarak kesme kuvveti tahmini yapılmıştır. Bu çalışma laboratuardaki çalışmalara dayanmaktadır. Dolgu topraklarda kesme dayanımı hesabı için kullanılmaktadır. 3
LPI (liquefaction potantial index) ilk defa Iwasaki ve diğ. (1978) tarafından SPT verileri kullanılarak önerilen bir yöntemdir. Kaliforniya depremlerini kullanarak bu yöntemin CPT açısından kalibrasyonunu yapmıştır. LPI derinlik, tabaka kalınlığı ve güvenlik faktörlerini içine almaktadır. Güvenlik faktörünün 1 den büyük olması durumunda sıvılaşmanın olmadığı, 1 den küçük olması durumunda ise sıvılaşmanın olduğu varsayılmaktadır. Yöntem sıvılaşma haritalarının hazırlanması için çok uygun bir yöntemdir (Holzer ve diğ., 2003). Nakanishi ve Nakazawa (2006) tarafından geliştirilen jetgrouting tekniğinde, kimyasal ve çimento karışımları kullanılmış olup bir delgi tijinin en altında bulunan 1.2-2.0 mm çaplı enjeksiyon uçlarından çok yüksek basınçla enjekte edilmiştir. Karışımın enjeksiyonu sırasında, tijin kendi etrafında döndürülmesi ve yukarı çekilmesi ile kazık gibi zemin - çimento kolonları oluşturulmaktadır. Bu sebeple, bu tip jetgrouting tekniği CCP jetgrouting (chemical churning pile) olarak adlandırılmaktadır. Jetgrouting tekniklerinden bir diğeri ise 1970 yılında Japonyada diyafram duvar teşkil etmek amacı ile geliştirilmiş ve jetgrouting olarak adlandırılmıştır. Bu yöntemin en belirgin özelliği zemini kesme, koparma ve sıkıştırma işlemleri için üç farklı akışkanın (su, hava, çimento şerbeti) kullanıldığı üçlü jet sisteminin uygulanmasıdır (Durgunluoğlu, 2004). Vidal (1969) tarafından granüler bir malzeme üzerindeki tek eksenli yükleme, sıkıştırılmış malzemelerde yanal genleşmelere neden olduğu. bu genleşme nedeniyle yanal gerilme düşey gerilmenin yarısından fazla aolduğu belirlenmiştir. Swanson ve Larson (1990), bir metro projesinde meydana gelen göçmeyi incelemişler ve göçmenin drenajsız kayma mukavemetinin, hesaplara olduğundan daha fazla katılmasından dolayı meydana geldiğini bulmuşlardır. Çevre etkilerinin de kazının kalitesine etkisi araştırılması gerektiğini vurgulamışlardır. Steiner ve Pedrozzi (2001), derin kazılarda kullanılan kamyon vinçlerinden dolayı kazı yakınlarında büyük sürşarj yüklerinin oluştuğunu, bu yüklerin ankraj yüklerini artırdığını gözlemlemişlerdir. Finno (1991) yumuşak killi bir derin kazıda zemin hareketlerini incelemiş ve hareketleri hesaplarken, zemindeki gerilmeleri değiştirebilecek inşaat aktivitelerinin de dikkate alınması gerektiğini belirtmiştir. 4
Wong ve Broms (1989) sonlu eleman metodu kullanarak bir araştırma yapmışlar; duvar rijitliğinin ve yanal destekler arasındaki mesafenin stabilite için önemli olduğunu ortaya koymuşlardır. Goh (1994) yumuşak kildeki destekli kazıda taban stabilitesini incelemiş, duvar rijitliğini artırmanın, taban kabarmasına karşı olan güvenlik faktörünü biraz artırdığını ortaya koymuştur. Toprakarme istinat duvarlarında gerekli çubuk-zemin sürtünmesini sağlayabilmek için yeterli uzunluk ve genişliğe sahip olması gerektiği, bu uzunluklar genellikle yapı yüksekliğinin 0.8 ile 1.2 katı arasında değiştiği ve gerekli sürtünmenin elde edilebilmesi için dolgunun içsel sürtünme açısı minimum 25º olması gerektiği buna ek olarak dolgunun maksimum % 25 lik kısmı 200 nolu elekten geçmesi gibi durumları Lee ve diğ. (1973) tarafından belirtilmiştir. 5
2. MİCROSOFT OFFİCE EXCEL TABLOLAMA (SPREAD SHEET) İLE GEOTEKNİK RAPOR HESAP PROGRAMI Bir alanın altındaki arsanın derinliğine incelenmesine, zemin incelemesi (zemin etüdü, geoteknik inceleme, geoteknik etüt vb.) denir. Bir alanın, herhangi bir inşaat işi için uygunluğunu belirlemek, inşaatı güvenli, ekonomik olarak projelendirmek ve uygulamak için zemin incelemesi gerekir. Zemin incelemesi ile zemini oluşturan tabakalar, tabakaların kalınlıkları, tabakalardaki zeminlerin özellikleri (doğal birim hacim ağırlıkları, su muhtevaları, porozite veya boşluk oranları, sıkılıkları, kıvam limitleri, sınıfları, kayma direnci parametreleri, konsolidasyon özellikleri vb.) varsa yer altı suyu ile ilgili bilgiler elde edilir (Uzuner, 1995). Elde edilen bilgilerin yer seçimi, zemin yapıları, statik-betonarme projeleri gibi mühendislik uygulamalarında kullanılabilmesi için inşaat mühendisince anlaşılabilir, sorunları ve çözüm yöntemlerini gösterir bir geoteknik raporun hazırlanması kanuni bir zorunluluktur. İnşaat mühendisliğinin önemli çalışma konularından bir tanesi de zemin etütleri ve geoteknik raporların hazırlanmasıdır. İnşaat mühendislerince hazırlanan geoteknik rapor ile ilgili standart biçimlerin olmayışı ve değerlendirmede yapılan farklılıklar ve bazen de yapılan hatalı yaklaşımlar geoteknik raporların istenen amaca ulaşılmasını engellemektedir. Geoteknik raporların hazırlanmasında standartların yeterince oluşmaması, uygulamada karşılaşılan farklılıklar yapılarda taşıma gücü ve oturma problemlerinin önceden anlaşılmasını engellemekte ve yapılar kullanılamaz hale gelmekte veya çok maliyetli çözümleri zorunlu kılmaktadır. Geoteknik rapor hazırlanmasını kolaylaştırmak, gereken hesapların hızla yapılmasını sağlamak, hata olasılığını en aza indirmek, güvenli-ekonomik tasarım yapmak ve gereken verileri elde edebilmek için Excel tablolama programı (Spreadsheet) kullanılarak bir geoteknik rapor hazırlama programı oluşturulmuştur. Çalışmanın temel amacı geoteknik rapordaki hesapları, zaman alıcı ve basit yöntemlerle yapmak yerine; hızlı, ayrıntılı ve güvenilir bir yazılımla gerçekleştirmektir. 6