ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Suphi CİVELEK TABAKALI ZEMİNLERE OTURAN YÜZEYSEL TEMELLERİN TAŞIMA GÜCÜ ANALİZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2011 0

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TABAKALI ZEMİNLERE OTURAN YÜZEYSEL TEMELLERİN TAŞIMA GÜCÜ ANALİZİ Suphi CİVELEK YÜKSEK LİSANS TEZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu Tez./../2011 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir................... Prof. Dr. Mustafa LAMAN Doç. Dr. Abdülazim YILDIZ Yrd. Doç. Dr. Taha TAŞKIRAN DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı nda hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir. 0

ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ TABAKALI ZEMİNLERE OTURAN YÜZEYSEL TEMELLERİN TAŞIMA GÜCÜ ANALİZİ Suphi CİVELEK ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Yıl: 2011, Sayfa: 103 Jüri : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Doç. Dr. Abdülazim YILDIZ Yrd. Doç. Dr. Taha TAŞKIRAN Bu çalışmada, tabakalı zeminler üzerine oturan yüzeysel temellerin taşıma gücüne ilişkin literatürde yer alan yöntemler incelenmiş, daha sonra laboratuvarda bir seri yükleme deneyi yapılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile çözümleme yapan Plaxis 2D ve ABAQUS programları kullanılarak farklı tabakalanma durumlarında analizler gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizlerde; üst tabaka kalınlığının, farklı tabakalanma durumlarında tabakaların etkileşiminin taşıma gücü üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bununla birlikte; tabakalanma durumunda içsel sürtünme açısının değişiminin taşıma gücüne etkisi ve meydana gelen kayma yüzeyleri PLAXIS V8.2 (Brinkgreve ve Vermeer, 1998) ve ABAQUS V6.8 (Hibbitt ve ark., 2008) programları ile yapılan sonlu elemanlar analizleri sonucunda görsel olarak elde edilip yorumlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Yüzeysel temeller, tabakalı zeminler, iyileştirme, taşıma kapasitesi, plaxis, abaqus. I

ABSTRACT MSc THESIS BEARING CAPACITY OF SHALLOW FOUNDATIONS ON LAYERED SOILS Suphi CİVELEK ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING Supervisor : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Year : 2011, Page: 103 Jury : Prof. Dr. Mustafa LAMAN Assoc. Prof. Dr. Abdülazim YILDIZ Asst. Prof. Dr. Taha TAŞKIRAN In this study, the methods related to the bearing capacity of the shallow foundations which lay on layered soils were analyzed and a series of loading experiments were performed in the laboratory. Several analyses for different layering conditions were performed using Plaxis 2D and ABAQUS software which use finite element solution. The effects of the interaction of layers on bearing capacity for different layering conditions were discussed at the analyses performed.for different layering conditions, the effects of the variation of internal friction angle on bearing capacity and the resultant shear planes were graphically obtained and discussed with the help of PLAXIS and ABAQUS software. Key Words: Shallow foundations, layered soil, stabilization, bearing capacity, plaxis, abaqus. II

TEŞEKKÜR Tez çalışmamda olduğu gibi yaşamımın da her aşamasında benden yardımlarını esirgemeyen, bana güç veren, hayatım boyunca örnek aldığım ve alacağım insan, danışman hocam, Prof. Dr. Mustafa LAMAN a sonsuz teşekkür ederim. Tezim süresince bana destek veren Sayın Doç. Dr. Abdulazim YILDIZ ve Yrd. Doç. Dr. Erdal UNCUOĞLU a çalışmamın tüm aşamalarında yönlendirici ve olumlu katkılarından dolayı teşekkür ederim. Tez çalışmam içerisinde yer alan laboratuvar deneyleri ve analizlerde yardım ve katkılarda bulunan başta Arş.Gör. Selçuk BİLDİK, Arş.Gör. Ahmet DEMİR, İnş.Yük.Müh. Ahmet ARSLAN ve Arş.Gör. Haluk LAMAN olmak üzere, Arş. Gör. Gizem MISIR, Arş. Gör. Baki BAĞRIAÇIK ve G.Müge İNALKAÇ a teşekkür ederim. Yoğun iş temposunda çalışırken, önümü açan desteklerini esirgemeyen değerli büyüğüm İnş.Müh.E.Erinç YALÇINKAYA ya teşekkür ederim. Tez çalışmamın her aşamasında bana yardım eden değerli dostum İnş. Yük. Müh. İsmail Cem BASKIN a teşekkür ederim. Tez çalışmamın laboratuvar çalışmalarına katkıda bulunan ve destekleyen İnş. Müh. Ahmet UNCU ya ve Jeolog Sıdıka AÇIKGÖZ e teşekkür ederim. Her zaman ilgi ve desteği ile yanımda olan sevgili abim, Mimar Süleyman GENÇGİYEN e teşekkürlerimi sunarım. Her zaman yanımda olan, maddi ve manevi olarak yardımlarını esirgemeyen aileme teşekkürü borç bilirim. Çok istemesine rağmen Yüksek Lisansı bitirmemi göremeden vefat eden babam M. Erol CİVELEK e sonsuz teşekkür ederim. Hep sorduğun Y oldum baba Huzur içinde yat İnşaat Mühendisleri Odası Adana Şubesi 16.,17., ve 18. dönem yönetim kurulu üyelerine bana vermiş oldukları desteklerden dolayı teşekkür ederim. Beraber büyüdüğüm yol arkadaşım, canım, sevgili eşim Esra CİVELEK e bana sabırla katlanarak destek verdiği için şükranlarımı sunarım. III

İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER...IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VIII ŞEKİLLER DİZİNİ...IX SİMGELER VE KISALTMALAR... XII 1. GİRİŞ... 1 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... 3 2.1. Giriş... 3 2.2. Yüzeysel Temellerde Taşıma Gücü... 3 2.3. Taşıma Gücünün Zemin Cinsine Göre Aşılması... 4 2.3.1. Genel Kayma Göçmesi... 5 2.3.2. Yerel Kayma Göçmesi... 7 2.3.3. Zımbalama Kayma Göçmesi... 9 2.4. Taşıma Gücünün Hesaplanması... 11 2.5. Terzaghi Yöntemi... 12 2.6. Meyerhof Taşıma Gücü Denklemi (1978)... 15 2.7. Taşıma Gücünde Tabakalanma Durumu... 16 2.8. Purushothamaraj ve Ark. (1974)... 17 2.9. Meyerhof ve Hanna (1978)... 18 3. MATERYAL ve METOD... 21 3.1. Deneylerde Kullanılan Zeminlerin Özellikleri... 21 3.1.1. Endeks Deneyler... 23 3.1.1.1. Elek Analizi... 23 3.1.1.2. Piknometre Deneyi... 25 3.1.1.3. Sıkılık Deneyleri... 25 3.1.2. Kayma Mukavemeti Deneyleri... 27 3.1.2.1. Kesme Kutusu Deneyleri... 28 IV

3.1.2.2. Üç Eksenli Basınç Deneyleri... 29 3.2. Deney Düzeneği... 31 3.2.1. Deney Kasası... 31 3.2.2. Model Temel Plakası... 34 3.2.3. Yükleme Düzeneği... 34 3.2.4. Yük Hücresi... 36 3.2.5. ADU (Data Kaydetme Ünitesi)... 37 3.2.6. Titreşim Cihazı... 39 3.3. Deney Yöntemi... 40 3.3.1. Aletlerin Kalibrasyonu... 40 3.4. Deneyin Yapılışı... 41 3.5. Deney Programı... 42 3.6. Deney Sonuçları... 43 3.6.1. Zeminin Tamamen Sıkı Kum (γ k =17.06 kn/m³) Olması Durumu... 43 3.6.2. Zeminin Tamamen Gevşek Kum (γ k = 15.03 kn/m 3 ) Olması Durumu44 3.6.3. Deney Kasasının Belirli Bir Derinlikte Sağlam, Değişken Derinlikte (H=0.25D~2.00D) Gevşek Kum İle Doldurulması Durumu... 45 4. SONLU ELEMANLAR ANALİZİ... 49 4.1. Giriş... 49 4.2. Sonlu Elemanlar Yöntemi... 49 4.3. Sonlu Elemanlar Yönteminin Geoteknik Mühendisliği nde Kullanımı... 53 4.4. Zemin Davranışının Modellenmesi... 54 4.5. PLAXIS Programı... 57 4.5.1. Geometrik Modelin Oluşturulması... 57 4.5.2. Elemanlar... 58 4.5.2.1. Zemin Elemanları... 58 4.5.2.2. Kiriş Elemanlar... 59 4.5.2.3. Geogrid Elemanı... 60 4.5.2.4. Ara Yüzey Elemanı... 60 4.5.3. Zemin Modelleri... 61 4.5.3.1. Lineer Elastik Model (LE)... 61 V

4.5.3.2. Mohr-Coulomb Model (MC)... 62 4.5.3.3. Jointed-Rock Model (JR)... 62 4.5.3.4. Soft Soil Model (SS)... 62 4.5.3.5. Soft Soil Creep Model (SSC)... 63 4.5.3.6. Hardening Soil Model (HS)... 63 4.6.1. Plaxis Paket Programı Geometrik Model... 66 4.6.1.1. Sınır Koşulları... 66 4.7. Malzeme Özellikleri... 67 4.7.1. Model Zemin... 67 4.7.2. Model Temel... 68 4.7.3. Plaxis Paket Programında Sonlu Elemanlar Ağı... 69 4.8. PLAXIS Analiz Sonuçları... 70 4.8.1. Sıkı Kum Durumu İçin Elde Edilen Sonuçlar (γ k =17.06 kn/m³)... 71 4.8.2. Gevşek Kum Durumu İçin Elde Edilen Sonuçlar (γ k =15.03 kn/m³)... 71 4.8.3. Farklı Tabakalanma Durumları İçin Elde Edilen Plaxis Analiz Sonuçları... 72 4.9. ABAQUS Programı... 73 4.9.1. Abaqus Paket Programı Geometrik Model... 73 4.9.2. Abaqus Programı Sonlu Eleman Ağı... 74 4.9.3. Abaqus Programı Malzeme Modeli ve Parametreler... 75 4.9.4. ABAQUS Analiz Sonuçları... 77 4.9.4.1. Zeminin Tamamen Sıkı Kum (γ k =17.06 kn/m³) Olması Durumu... 77 4.9.4.2. Zeminin Tamamen Gevşek Kum (γ k =15.03 kn/m³) Olması Durumu... 78 4.9.4.3. Farklı Tabakalanma Durumları İçin Elde Edilen Abaqus Analiz Sonuçları... 79 5. DENEYSEL VE SAYISAL SONUÇLARIN KARŞILAŞTIRILMASI... 81 5.1. Giriş... 81 5.1.1. Gevşek Kum Koşulları İçin Elde Edilen Sonuçların Karşılaştırılması 81 5.1.2. Sıkı Kum Koşulları İçin Elde Edilen Sonuçların Karşılaştırılması... 82 VI

5.1.3. Farklı Tabakalanma Durumları İçin Elde Edilen Sonuçların Karşılaştırılması... 83 5.2. PLAXIS ve ABAQUS Sonuçlarının Karşılaştırılması... 84 5.2.1. Farklı Tabakalanma Durumları İçin Sayısal Sonuçların Karşılaştırılması... 85 5.2.2. Tabakalanma Durumunda ϕ Açısının Taşıma Gücüne Etkisi... 86 5.2.3. Derinlikle Düşey Gerilmenin Değişimi... 88 6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 91 6.1. Sonuçlar... 91 6.2. Öneriler... 93 ÖZGEÇMİŞ... 99 VII

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 3.1. Elek Analiz Sonuçları... 24 Çizelge 3.2. Kuru Birim Hacim Ağırlık Deney Sonuçları... 27 Çizelge 3.3. Yük Hücresi Özellikleri... 36 Çizelge 3.4. Yük Hücresi Kalibrasyon Değerleri... 40 Çizelge 3.5. Laboratuvar Model Deneylere Ait Toplu Gösterim... 43 Çizelge 4.1. Model Zemin İçin HS Model Parametreleri... 68 Çizelge 4.2. Farklı Mesh Durumları İçin Analiz Sonuçları... 69 Çizelge 4.3. Abaqus Programında Kullanılan Parametreler... 76 Çizelge 5.1. Deney ve Sayısal Sonuçlarının Toplu Gösterimi... 84 VIII

I

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 2.1. Genel Kayma Göçmesi Mekanizması (Coduto, 1999)... 5 Şekil 2.2. Zemindeki Kayma Yüzeyleri (Das, 2009)... 6 Şekil 2.3. Basınç-Oturma Eğrisi... 6 Şekil 2.4. Yerel Kayma Göçmesi mekanizması (Coduto, 1999)... 7 Şekil 2.5. Zemindeki Kayma Yüzeyleri (Das, 2009)... 8 Şekil 2.6. Basınç-Oturma Eğrisi... 8 Şekil 2.7. Zımbalama Kayma Göçmesi Mekanizması (Coduto, 1999)... 9 Şekil 2.8. Zemindeki Kayma Yüzeyleri (Das, 2009)... 10 Şekil 2.9. Basınç-Oturma Eğrisi... 10 Şekil 2.10. Göreli Yoğunluğa ve Hidrolik Yarıçapa Göre Temelde Göçme Şekilleri (Vesic, 1978)... 11 Şekil 2.11. Prandtl Modeli (Önalp, 2006)... 12 Şekil 2.12. Terzaghi Modeli (Önalp, 2006)... 12 Şekil 2.13. Basitleştirilmiş model (Önalp, 2006)... 14 Şekil 3.14. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Çakıt Kumu... 22 Şekil 3.15. Deney Kumunun Kurutulması... 22 Şekil 3.16. Kum Malzemesinin Dane Yapısı... 23 Şekil 3.17. Deneylerde Kullanılan Kumun Dane Çapı Dağılımı... 24 Şekil 3.18. Gevşek Kum Zeminin Kuru Birim Hacim Ağırlığının Belirlenmesi... 26 Şekil 3.19. Sıkı Kum Zemin Kuru Birim Hacim Ağırlığının Belirlenmesi... 27 Şekil 3.20. Gevşek Kum Zeminde Kesme Kutusu Deney Sonucu... 28 Şekil 3.21. Sıkı Kum Zeminde Kesme Kutusu Deney Sonucu... 29 Şekil 3.22. Gevşek Kum Zeminde CD-Üç Eksenli Basınç Deney Sonuçları... 30 Şekil 3.23. Sıkı Kum Zeminde CD-Üç Eksenli Basınç Deney Sonuçları... 30 Şekil 3.24. Deney Düzeneği... 32 Şekil 3.25. Deney Kasası... 33 Şekil 3.26. Yükleme Sistemi... 35 Şekil 3.27. Yük Hücresi... 37 Şekil 3.28. ADU Cihazı ve DIALOG Programı... 38 IX

Şekil 3.29. ADU Cihazı ve DIALOG Programı... 38 Şekil 3.30. Titreşim Cihazı... 39 Şekil 3.31. Yük Hücresi Kalibrasyon Eğrisi... 41 Şekil 3.32. Sıkı Kum (γ k =17.06 kn/m³) Durumunda Yük-Deplasman Eğrisi... 44 Şekil 3.33. Gevşek Hal (γ k = 15.03 kn/m 3 ) İçin Yük-Deplasman Eğrisi... 45 Şekil 3.34. H=0.25D Gevşek Hal İçin Yük-Deplasman Eğrisi... 46 Şekil 3.35. Deney Kasasının Belirli Bir Derinlikte Sıkı, Değişken Derinlikte (H=0.25D~2.00D) Gevşek Kum İle Doldurulması Durumu... 47 Şekil 3.36. Zayıf Zemin Tabakasının Farklı Kalınlıkları İçin Taşıma Gücü Değişimi... 48 Şekil 4.1. Sürekli Bir Sistemin Sonlu Elemanlara Ayrılması (Plaxis Manual, 2002) 50 Şekil 4.2. Tipik 2 Boyutlu Elemanlar (Keskin, 2009)... 51 Şekil 4.3. Hiperbolik Model (Potts ve Zdravković, 1999)... 56 Şekil 4.4. (a) Düzlem Şekil Değiştirme (b) Eksenel Simetrik Problem (PLAXIS Manual, 2002)... 58 Şekil 4.5. Zemin Elemanlarındaki Düğüm ve Gerilme Noktalarının Pozisyonu (Keskin, 2009)... 59 Şekil 4.6. Kiriş Elemanları (Keskin, 2009)... 60 Şekil 4.7. Geogrid Elemanları (Keskin, 2009)... 60 Şekil 4.8. Ara Yüzey Elemanlarının Zemin Elemanlarına Bağlanması (Keskin, 2009)... 61 Şekil 4.9. Standart Bir Drenajlı Üç Eksenli Basınç Deneyinde Hiperbolik Gerilme- Şekil Değiştirme İlişkisi (Plaxis Manual 2002)... 64 Şekil 4.10. Plaxis Programında Geometrik Modelin Oluşturulması... 66 Şekil 4.11. Plaxis Programında Analizlerde Kullanılan Sonlu Elemanlar Ağı... 70 Şekil 4.12. Deney Kasasının Tamamen Sıkı Kum Olması Durumu... 71 Şekil 4.13. Deney Kasasının Tamamen Gevşek Kum Olması Durumu... 72 Şekil 4.14. Farklı Tabakalanma Durumları İçin Plaxis Analiz Sonuçları... 73 Şekil 4.15. Abaqus Programında Oluşturulan Geometrik Model... 74 Şekil 4.16. Abaqus Programında Analizlerde Kullanılan Sonlu Elemanlar Ağı... 75 X

Şekil 4.17. Lineer Drucker-Prager Modeli Akma Yüzeyi Grafiği (Hibbit, Karlsson ve Sorensen, 2002)... 76 Şekil 4.18. Deney Kasasının Tamamen Sıkı Kum Olması Durumu... 77 Şekil 4.19. Zeminin Tamamen Gevşek Kum Olması Durumu... 78 Şekil 4.20. Farklı Tabakalanma Durumları İçin Abaqus Analiz Sonuçları... 79 Şekil 5.1. Gevşek Kum Durumunda Deney ve Sayısal Sonuçlarının Karşılaştırılması... 82 Şekil 5.2. Sıkı Kum Durumunda Deney ve Sayısal Sonuçlarının Karşılaştırılması... 83 Şekil 5.3. Farklı Tabaka Oranları İçin Deney ve Sayısal Sonuçlarının Karşılaştırılması (s/d=%1)... 84 Şekil 5.4. Farklı Tabaka Oranları İçin Elde Edilen Sayısal Sonuçlarının Karşılaştırılması... 85 Şekil 5.5. Farklı İçsel Sürtünme Açıları İçin Elde Edilen Plaxis Sonuçlarının Karşılaştırılması (H=0.25D)... 87 Şekil 5.6. Farklı İçsel Sürtünme Açıları İçin Elde Edilen Abaqus Sonuçlarının Karşılaştırılması (H=0.25D)... 87 Şekil 5.7. Farklı İçsel Sürtünme Açıları İçin Elde Edilen Plaxis ve Abaqus Sonuçlarının Karşılaştırılması (H=0.25D)... 88 Şekil 5.8. Düşey Gerilmenin Derinlikle Değişimi... 89 XI

IX

SİMGELER VE KISALTMALAR c : Kohezyon D r D 10 D 30 D 60 E EA EI E oed E ur E 50 I I l I p I w I w I p K 0 K r : Relatif sıkılık oranı : Efektif dane çapı : Granülometre eğrisinde %30 a karşılık gelen dane çapı : Granülometre eğrisinde %60 a karşılık gelen dane çapı : Elastisite modülü : Eksenel rijitlik : Eğilme rijitliği : Ödometre yükleme rijitliği : Üç eksenli boşaltma yükleme rijitliği : Üç eksenli yükleme rijitliği : Boussinesq e göre dairesel yük için etki faktörü : Boussinesq e göre çizgisel yük için etki faktörü : Boussinesq e göre tekil yük için etki faktörü : Westergaard a göre tekil yük için etki faktörü : Westergaard a göre dairesel yük için etki faktörü : Plastisite indisi : Toprak basıncı katsayısı : Yatay gerilmenin düşey gerilmeye oranı m, n, k : Boyutsuz katsayılar m : Gerilme üs sabiti n : Eleman sayısı P ref Q q R f R r x : Referans basınç değeri : Tekil yük : Yayılı yük : Göçme oranı : Yarıçap : Sabit yatay uzaklık : x yönündeki yatay mesafe XII

W : Kasa genişliği y : y yönündeki yatay mesafe z : Derinlik α, β : Yük yayılma açısı σ r : İlave radyal gerilme σ x : x yönündeki ilave yatay gerilme σ y : y yönündeki ilave yatay gerilme σ z : İlave düşey gerilme ϕ : Kayma mukavemet açısı γ : Birim hacim ağırlığı γ k : Kuru birim hacim ağırlığı µ : Poisson oranı σ x σ z ψ : Yatay gerilme : Düşey gerilme : Dilatasyon açısı XIII

1. GİRİŞ Suphi CİVELEK 1. GİRİŞ Dünyada hızla artan nüfus, birçok sorunları da beraberinde getirmektedir. Bu sorunların başta gelenlerinden biri de hızla artan nüfusa karşın barınma ihtiyacının karşılanmasında yeterli yerleşim alanlarının bulunmaması ve kent merkezi alanlarının sınırlı olması sebebiyle yapı üretimi yapılabilecek alanlarının sınırlı olmasıdır. Bu nedenle, taşıma gücü ve oturma kriterleri bakımından yapı için olumsuz olabilecek zeminlerin de inşaat alanı olarak kullanılması zorunlu hale gelmektedir. Mühendislik yapılarının temel sistemlerinin tasarımında, zeminde taşıma gücü ve oturma koşullarının sağlanması durumunda büyük çoğunlukla yüzeysel temeller kullanılarak çözüme gidilmektedir. Temel tasarımı için taşıma gücü ve oturma hesaplarında, tasarımcı birçok yöntem kullanabilmektedir. Literatürde mevcut olan taşıma gücü teorileri, üniform zemin profili üzerinde yer alan yüzeysel temellerin taşıma gücü değerleri için güvenli tarafta kalan mantıklı sonuçlar üretmektedir. Özellikle yüzeysel temellerin taşıma gücü hesabında kullanılan teoriler genellikle tek tabakalı uniform zemin durumu düşünülerek hesaplanmış ve tasarımcının kullanımına sunulmuştur. Temelin etkilediği efektif gerilme zonunda, tabakalanmanın fazla olduğu zeminlerde tasarımcı, tabakalanmayı dikkate almalı ve oturma ve taşıma gücü açısından sıkıntı oluşturmayacak şekilde ekonomiyi de gözeterek temel tasarımı yoluna gitmelidir. Temel zeminlerinin problemli olması halinde, en genel çözüm derin temel (kazıklı temel) seçilerek yapı temellerinin tasarlanmasıdır. Fakat bu çözümün genellikle daha pahalı olması ve inşaat teknolojisindeki hızlı ilerleme, problemli zeminlerde yeni çözümler elde edilmesini zorunlu hale getirmiştir. 1970 li yıllardan beri geliştirilen birçok yöntem kullanılarak problemli zeminlerin oturma ve taşıma gücü özellikleri iyileştirilmekte ve bu yöntemlerle bazı durumlarda derin temel sistemlerine göre oldukça ekonomik çözümler yapılabilmektedir (Keskin, 2009). Tasarlanan yapılar, yapısal analizlere göre sınıflandırılırsa, üst yapı ve temel analizi olmak üzere iki gruba ayrılabilir. Ülkemizde, üst yapı analizlerinde taşıma gücü teorisi kullanılmakta, temel tasarımında ise, emniyet gerilmeleri yöntemi ile 1

1. GİRİŞ Suphi CİVELEK analiz yapılmaktadır. Üst yapı ve temel tasarımında kullanılan analiz farklılıkları günümüzde çeşitli geçiş katsayıları kullanılarak giderilmektedir. Üst yapı analizlerinde malzeme ve yapı davranışı daha rahat kontrol edilebildiğinden analiz yöntemlerinde oluşabilecek hatalar önceden tahmin edilebilmekte ve önlemler alınarak yapı davranışı inşa aşamasında kontrol edilebilmektedir. Ancak, yapıların temel analizine (zemin açısından) girildiğinde yapının etkileşim içinde bulunduğu zeminin davranışı tam olarak tahmin edilemediğinden, doğru analiz yönteminin kullanılması ve tasarımda alınacak parametrelerin seçimi zorlaşmaktadır. Yüzeysel temellerin tasarımında yapı ile bilgiler yanında zeminin mühendislik ve endeks özelliklerinin de bilinmesi gerekmektedir. Yapı arazisinde zemin profilinin ve zemine ait endeks özelliklerinin belirlenmesi için arazi ve laboratuvar çalışmaları yapılması gerekmektedir. Arazide yapılan sondaj çalışmaları ile zeminin düşey profili çıkarılabilmekte, aynı zamanda laboratuvar deneylerinde kullanılmak üzere örselenmiş ve örselenmemiş numuneler alınabilmektedir (Mısır, 2008). Bir zemin profilinin sayısal analizinin yapılabilmesi için, uygun parametrelerin laboratuvar deneyleri ile belirlenmesi gerekmektedir. Ancak, bu özelliklerin belirlenmesi yanında bu özelliklere uygun zemin modelinin belirlenmesi de projelendirmede yapılan sayısal analizlere önemli derecede etki etmektedir. Bu çalışmada, farklı sıkılıkta tabakalı kum zeminlere oturan temellerin taşıma kapasitesi, farklı tabakalanma durumlarındaki davranışı, model deneyler ve sonlu elemanlar yöntemi ile çözüm yapan Plaxis (Finite Element Codefor Soil Rock Analysis) ve ABAQUS paket programları kullanarak incelenmiştir. Model deneylerde; yüzeysel temel olarak 6 cm çapında dairesel temel kullanılmıştır. Çalışmada tabakalı zeminler üzerine oturan yüzeysel temellerin taşıma kapasiteleri, laboratuar deneyleri ile araştırılmıştır. Yapılan deneyler Plaxis ve ABAQUS bilgisayar yazılımları ile modellenerek, elde edilen sayısal sonuçlar, deney sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. 2

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1. Giriş Bu bölümde, tabakalı zeminler üzerine oturan yüzeysel temeller hakkında literatürde yer alan ve sıkça kullanılan taşıma gücü teorilerine kısaca değinilecektir. Ayrıca, tabakalı zeminlere oturan yüzeysel temellerin taşıma gücü ile ilgili önceki çalışmalara yer verilmektedir. 2.2. Yüzeysel Temellerde Taşıma Gücü Yüzeysel temellerde taşıma gücü, ilk kez 1943 yılında Terzaghi tarafından Prandtl teorisine dayanılarak belirli bir mantık içinde açıklanmıştır. Prandtl sert çelik bir zımba bir diğer metal yüzeye bastırıldığında beliren plastik şekil değiştirmeyi incelenmiştir. Bu yaklaşımı izleyerek değişik zemin, temel, yük koşulları için onlarca teori ve çözümler geliştirmişse de bunların arasından Mayerhof (1951), Binch Hansen (1961), Vesic (1975) teorileri günümüzde en çok kullanılanlar olarak öne çıkmıştır. En genel anlamda taşıma gücü problemleri dört farklı yaklaşımla çözülebilir. Bunlar; * Kayma çizgileri metodu * Limit denge metodu * Limit gerilme metodu * Sonlu elemanlar metodu olarak özetlenebilir. İlk üç yöntem taşıma gücünü bir plastisite problemi olarak incelerken, dördüncü yöntemde, yüklenen ortamda belirecek ötelenmeleri de hesaplamak mümkün olmaktadır. Kayma çizgileri ya da yüzeyleri metodunda temel yakınında kayma gerilmeleri bir ağ biçiminde temsil edilir. Bu kayma gerilmesi çizgileri yükleme sonucu oluşan maksimum değerleri yenilme denkleminin kullanımı ile üç bilinmeyen gerilme için çözüm yapılmaktadır. Çözümlerde analitik yoldan ulaşıldığı gibi sayısal, hatta çizimle de varılabilir. 3

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Limit denge yaklaşımında, kayma yüzeyleri yaklaşık yöntemle çözülmektedir. Kayma yüzeyi ve buradaki normal gerilmeler için çözümü basitleştirici kabuller yapılmaktadır. Bu yöntemler alt ve üst limit durum için çözümleri getirir. Üst limit çözümü gerekli sınır koşullarını kinematik olarak kabul edilebilir bir hız alanından hesaplar ve belirli süreksizlik yüzeyleri dışında, sürekli bir çözümdür. Alt limit çözümleri ise, hiçbir yerde yenilme ihlali yapılmayan, statik açıdan kabul edilebilir gerilme alanı ve koşullarını denge durumunda sağlarlar. Her iki çözüm sonucunun çakışması eldeki problemde gerçek çözüme ulaşıldığı anlamına gelir. Güncel limit denge çözümleri üst limit çözümüne yönelik olup, kabul edilen bir kayma yüzeyinde en düşük sonuç aranmaktadır. Bu yüzden çözümlerin gerçekte üst veya alt limiti temsil ettiği söylenememektedir. Limit gerilme metodunda, diğerlerinden farklı olarak normality olarak adlandırılan zeminin idealleştirilmiş gerilme-birim boy değiştirme bağıntısı göz önüne alınır ve Drucker in plastik limit teoremleri kullanılır. Sonlu elemanlar metodunda ortam istenilen küçük parçalara ayrılıp her parça ve bölge için fiziksel ve mekanik özellikler verilebildiğinden heterojen ortam da dahil tüm süreç üzerinde kontrol sağlanmakta ve problem üst ve alt limit koşullarında çözülebilmektedir. Tez çalışmasında, taşıma gücü hesaplamaları Plaxis ve Abaqus paket programları ile sonlu elemanlar metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar metodu geniş kapsamlı olarak 4. Bölümde anlatılmıştır. 2.3. Taşıma Gücünün Zemin Cinsine Göre Aşılması Yüklenmiş bir temelde oluşacak elastik ve konsolidasyon oturmalarının taşıma gücünün aşıldığı evreden ayırt edilebilmesi için hesaplamalar yanında yenilme mekanizmasının bilinmesi önemlidir. 4

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK 2.3.1. Genel Kayma Göçmesi Şekil 2.1. de sıkı bir kum veya sert bir kil üzerine oturmakta olan yüzeysel bir temel görülmektedir. Bu temele bir Q yükü sürekli şekilde artırılarak uygulanırsa zemine uygulanan taban basıncı q, temel alanı A olmak üzere q=q/a olur. Bu durumda temel oturur ve Şekil 2.3. deki gibi bir yük oturma eğrisi çizilebilir. q basıncı q u değerine ve buna karşı gelen (s) oturma s u değerine ulaştığında temeli taşıyan zemin kayma göçmesine uğrar. Şekil 2.1. Genel Kayma Göçmesi Mekanizması (Coduto, 1999) 5

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Q B D Şekil 2.2. Zemindeki Kayma Yüzeyleri (Das, 2009) q u q s u s Şekil 2.3. Basınç-Oturma Eğrisi 6

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK 2.3.2. Yerel Kayma Göçmesi Şekil 2.4. Yerel Kayma Göçmesi mekanizması (Coduto, 1999) Şekil 2.5. de gösterilen temel, orta sıkı bir kum veya orta sert kil üzerinde q-s eğrisi Şekil 2.6. da gösterildiği gibi olur. q değeri oturmaya koşut olarak q=q u değerine yükselir ki bu değere ilk göçme yükü denilir. Bu anda zemindeki göçme yüzeyi Şekil 2.5. de görüldüğü gibi bir davranış gösterir. Q sınır taşıma gücü q u değerine eriştiğinde kayma yüzeyi ilerleyerek zemin yüzeyine varır. Bu değerin ötesinde q-s grafiği doğrusal bir davranışa dönüşür, Şekil 2.6. daki gibi bir pik direnç değeri gözlenmez. Bu tür kayma göçmesine yerel kayma göçmesi adı verilir. 7

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Q B D Şekil 2.5. Zemindeki Kayma Yüzeyleri (Das, 2009) Şekil 2.6. Basınç-Oturma Eğrisi 8

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK 2.3.3. Zımbalama Kayma Göçmesi Şekil 2.7. Zımbalama Kayma Göçmesi Mekanizması (Coduto, 1999) Şekil 2.8. de aynı temelin gevşek kum veya yumuşak kil zemin üzerinde bulunması hali görülmektedir. Bu halde q-s grafiği Şekil 2.9. daki gibidir. q basıncının pik değeri hiç gözlenmez. Sınır taşıma gücü q u, eğrinin eğimi olan Δ s / Δ q değerinin maksimumunu belirleyen nokta olarak kabul edilir. Bu tür göçmeye zımbalama göçmesi denir. Bu göçme tipinde kayma yüzeyi zemin yüzeyine ulaşamaz. 9

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Q B D Şekil 2.8. Zemindeki Kayma Yüzeyleri (Das, 2009) Şekil 2.9. Basınç-Oturma Eğrisi 10

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Vesic (1978) in kum zemin üzerinde değişik göçme tipleri üzerinde yapmış olduğu çalışmaların sonuçlarını Şekil 2.10 da sunulduğu gibi vermektedir. Burada D f kumun göreli yoğunluğudur. R, temelin hidrolik yarıçapı olup, A temel alanı, P temel çevresi olmak üzere R=A/P olarak tanımlanmıştır. 0 4 Genel Kayma 8 Yerel Kayma D f /R 12 16 Zımbalama 20 0 20 40 60 80 100 Göreli Yoğunluk, D f (%) Şekil 2.10. Göreli Yoğunluğa ve Hidrolik Yarıçapa Göre Temelde Göçme Şekilleri (Vesic, 1978) 2.4. Taşıma Gücünün Hesaplanması Temel son taşıma gücünün hesaplanması Şekil 2.11. de gösterilen Prandtl modeli ile yapılabilir. Burada yükleme durumunda elastik denge durumunda kalan 1 No lu kamanın 2 No lu bölgeyi iterek kesmesi ile r 0 e αtanϕ değişken yarıçaplı, logaritmik spiral biçimli kayma yüzeyleri oluşur. 3 No lu bölge ise pasif duruma 11

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK geçmiş zemin kamasıdır. Bu yaklaşımı izleyerek geliştirilmiş diğer yöntemler Prandtl çözümünün değişik biçimleri olarak kabul edilebilir. Şekil 2.11. Prandtl Modeli (Önalp, 2006) 2.5. Terzaghi Yöntemi Terzaghi Şekil 2.12. de gösterilen aktif ve pasif kamalara ek olarak üç önemli değişiklik getirmiştir. Bunlar 1 No lu kamanın kenar eğiminin 45+ ϕ/2 yerine ϕ, temel tabanının cilalı değil pürüzlü olması ve D f gömme derinliği boyunca zeminin kayma direnci göstermeyerek sadece gd f eşdeğeri yayılı yük q gibi etkimesidir. Şekil 2.12. Terzaghi Modeli (Önalp, 2006) 12

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Terzaghi ve diğerlerinin bu ve farklı varsayımlarla ulaştıkları taşıma gücü çözümleri Şekil 2.13. deki basitleştirilmiş bir modelle anlatılabilir. Bu modelde son taşıma gücü, yani sistemdeki plastik dengeye ulaşmayı sağlayan q d yükünün I No lu aktif kamayı aşağıya zorladığı, buna karşı II No lu kamanın pasif direnç gösterdiği kabul edilmektedir. Ara yüzeyde P son yükü plastik denge durumunu gösterdiğinden sistem yenilmektedir. P aktif durum için yazılacak olursa; I. Kamada 1 2 P = ρ K a H 2cH Ka + qd KaH (2.1) 2 II. Kamada ise 1 2 P = ρ K a H + 2cH K a + qd KaH (2.2) 2 Bunları denge durumunu temsil için eşitleyip son taşıma gücü için çözerek 1 1 2c 2 q d = ρ H ( K p K a ) + ( K p + K a ) + qk p 2 K (2.3) a K a bulunur. H kamaların eşit olan yüksekliği ise, H B = = φ 2 tan 45 2 2 B K a (2.4) 13

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Buradan; 5/ 2 2 2 2 2 ( K K 1/ ) + 2c( K 3/ + K 1/ ) qk 1 q d = ρ B p p p p + p (2.5) 4 sonucuna ulaşılır. Parantez içleri aşağıdaki gibi düzenlenirse; ( 5 / 2 1/ 2 ) 1 Nγ = K p K p (2.6) 2 c 2/3 1/ 2 ( K K ) N = + (2.6) 2 p p 2 N p = K p (2.6) g Şekil 2.13. Basitleştirilmiş model (Önalp, 2006) Gerçek taşıma gücü teorileri plastik denge denklemlerini kendi varsayımları uyarınca daha duyarlı olarak çözdüklerinden Nc, Nq ve Nγ nın değerleri buradaki basit formülasyondan çok farklı olarak bulunmaktadır. Şerit temeller için çıkartılan bu ifadeyi Terzaghi kare temeller için, 14

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK q = 1.3cN + ρ D N + 0. ρ BN (2.7) d c 1 f q 4 2 γ Dikdörtgen temeller için, q B B = cnc 1 + 0.2 + ρ D f Nq + ρbnγ 0.5 0. (2.8) L L d 1 Dairesel temeller için, q = 1.3cN + ρd N + 0. ρbn (2.9) d c f q 3 γ şeklinde önermiştir. 2.6. Meyerhof Taşıma Gücü Denklemi (1978) Meyerhof (1978), kullanımı basit ancak ayrıntıya girmeyen Terzaghi denklemlerini şekil (s), derinlik (d) ve eğim (i) faktörleri ile geliştirmiştir. Böylece düşey, eksenel yükleme durumu için q = cn s d + ρd N s d + 0. ρbn s d (2.10) d c c c f q q q 5 γ γ γ Eğik yük uygulanan durum için q = cn s d i + ρd N s d i + 0. ρbn s d i (2.11) d c c c c f q q q q 5 γ γ γ γ denklemleri verilmiştir. 15

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK 2.7. Taşıma Gücünde Tabakalanma Durumu Temellerin üniform olmayan (c, ϕ ve γ nın derinlik boyunca sabit olmadığı) zemin tabakaları üzerinde yer alması durumunda nihai taşıma güçlerinin nasıl hesaplanacağının analiz edilmesi gerekmektedir. d 1 temel tabanından itibaren üstteki tabakanın kalınlığı, H temel tabanından itibaren göçme yüzeyinin derinliği ve B de sürekli temelin genişliği olmak üzere, tabakalı zemin durumunda nihai basınç değerinde meydana gelecek göçme tipi ve kayma yüzeyinin nasıl olacağı d 1, H ve B arasındaki ilişkilere dayandırılarak nihai taşıma gücü q u nun değeri modifiye edilir. Tabakalı zeminler üzerinde yer alan temeller için üç genel durum vardır. 1. Kil zeminler üzerinde yer alan temeller (ϕ = 0) a) Üstteki tabaka alttaki tabakadan zayıftır (c1<c2) b) Üstteki tabaka alttaki tabakadan sağlamdır (c1>c2) 2. ϕ c tabakalı zeminler üzerinde yer alan temeller a) Üstteki tabaka alttaki tabakadan zayıftır b) Üstteki tabaka alttaki tabakadan sağlamdır 3. Kum ve kil zeminden oluşan tabakalı zeminler üzerinde yer alan temeller a) Kil zemin tabakası üzerinde kum zemin tabakası olması b) Kum zemin tabakası üzerinde kil zemin tabakası olması Pratikte iki ya da üç tabakalı kohezyonlu zemin durumu çok karşılaşılan bir durum değildir. Yaygın olarak kil tabakası üzerinde yer alan kum tabakası ya da kum tabakası üzerinde yer alan kil tabakası şeklindeki tabakalı zemin profilleri ile karşılaşılmaktadır. Üstte yer alan tabakanın altta yer alan tabakaya göre sağlam veya zayıf olması, tabakaların kalınlıklarının birbirlerine göre büyüklükleri gibi faktörler göçme yüzeyinin her iki tabakayı da etkileyip etkilemediğini ve ne tip bir göçme gözlenebileceğini belirleyen faktörlerdir. Bu konuda literatürde mevcut olan çeşitli yaklaşımlar bulunmaktadır. 16

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK Temel tabanı ve tabandan aşağı bir B derinliği arasındaki bölgede en düşük değerdeki c, ϕ ve γ değerlerini kullanarak taşıma gücü değerlendirilir. Bu bölge taşıma gücü yenilmelerinin meydana geldiği bölgedir ve bu nedenle zemin parametrelerinin kullanılması gereken tek bölgedir. Kaymanın bir kısmı daha sağlam tabakalarda meydana geldiği için bu yöntem güvenli tarafta kalmaktadır. Temel tabanı ve tabandan aşağı bir B derinliği arasındaki bölgede her bir tabakanın göreceli kalınlıklarına bağlı olarak c, ϕ ve γ nın ağırlıklı ortalama değerleri bulunur ve bu değerlere göre taşıma gücü değeri hesaplanır. Temel altında bir seri göçme yüzeyi göz önüne alınır ve şev stabilitesi analizlerinde kullanılan yöntemlere benzer yöntemler kullanılarak her bir yüzey üzerindeki gerilmeler değerlendirilir. En düşük q u değerine sahip yüzey kritik göçme yüzeyi olarak kabul edilir. 2.8. Purushothamaraj ve Ark. (1974) c - ϕ zemin durumundaki iki tabakalı zeminler için bir çözüm yolu önermişlerdir. Bu yönteme göre; ilk olarak, üstte yer alan zemin tabakasına ait ϕ değeri H = 0.5 B tan(45+ ϕ /2) ifadesinde kullanılarak efektif kayma yüzeyi derinliği hesaplanır. Eğer elde edilen H değeri d 1 kalınlığından büyükse, göçme yüzeyi altta yer alan tabaka içerisinden geçeceği için modifiye edilmiş olan c ve ϕ değerleri bulunarak istenilen bir taşıma gücü formülünde yerine konur ve q u değeri hesaplanır. Modifiye c ve ϕ değerleri φ ( φ ) + ( H d ) d1 φ2 1 1 = ve H ( d c ) + ( H d ) 1 1 c2 c = (2.12) H 1 ifadeleri yardımı ile bulunabilir. Kil üzerinde kum tabakası ya da kum üzerinde kil tabakasının yer aldığı durumlarda ilk olarak H derinliği hesaplanarak göçme yüzeyinin altta yer alan tabaka içerisinden geçip geçmediği kontrol edilir. Eğer H>d 1 durumu söz konusu ise bu 17

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK durumda belirtilen yol izlenir. İstenilen taşıma gücü formülü kullanılarak q u değeri üstte yer alan zemine ait parametreler yardımı ile hesaplanır. Daha sonra altta yer alan tabakanın parametreleri kullanılarak bu zemin tabakasına ait taşıma gücü değeri (q u ϕ) belirlenir. Zımbalama kayma göçmesi oluşacağı düşünülerek zımbalama etkisinin taşıma gücüne olacak katkısının değeri bulunur. Son olarak üstteki zemin tabakasına ait parametreler yardımı ile hesaplanan q u değeri, altta yer alan tabaka için hesaplanan q u ϕ değeri ve zımbalamanın taşıma gücüne olan katkısının toplanması sonucu elde edilen değer ile karşılaştırılarak küçük olan taşıma gücü değeri seçilir. 2.9. Meyerhof ve Hanna (1978) Zayıf zemin tabakası üzerinde sağlam zemin tabakasının ve sağlam zemin tabakası üzerinde zayıf zemin tabakasının olduğu durumlardaki c- ϕ tabakalı zemin koşulları için nihai taşıma gücünün tahmin edilmesine yönelik bir teori geliştirmişlerdir. Teoride; q u değerinde meydana gelecek olan göçmenin tipi ve kayma yüzeyinin nasıl oluşacağı d 1 ve B arasındaki ilişkiye dayandırılmıştır. Sağlam zemin tabakasının zayıf zemin tabakası üzerinde yer aldığı durum için aşağıdaki taşıma gücü formülü önerilmiştir. q u 2C d 2D K tan φ 1 γ + qt (2.13) = a S s qb + + 2 1 1d1 d B 1 d γ1 1 1 B hesaplanır; q b = Alttaki zayıf tabakanın nihai taşıma gücü değeridir. Aşağıdaki gibi qb= q2 = c2nc(2)+ γ1(ds+ d1)nq(2)+ 0.5γ2BN γ( 2) (2.14) hesaplanır. K s = Zımbalama kesme katsayısıdır. q 2 /q 1 oranının bir fonksiyonudur. q t = Üstteki sağlam zemin tabakasının taşıma gücüdür. Aşağıdaki gibi 18

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK qt= q1= c1nc(1)+ γ1dsnq(1)+ 0.5γ1BNγ ( 1) (2.15) Sağlam bir zemin tabakası üzerinde zayıf bir zemin tabakasının yer alması durumunda nihai taşıma gücünün değeri Meyerhof (1974), Meyerhof ve Hanna (1978) tarafından önerilen yarı deneysel ilişki kullanılarak belirlenebilir. γ1= Sağlam zemin tabakasının dane birim hacim ağırlığı γ 2 = Zayıf zemin tabakasının dane birim hacim ağırlığı q u 2 d = qt + + D s ( qb 1 qt ) 1 qt D s = Temel altındaki göçme yüzeyinin üstteki zayıf zemin tabakası içindeki derinliğidir. D s /B oranının büyüklüğü gevşek kum ve kil zeminler için 1 den sıkı kum zeminler için 2 ye kadar değişmektedir. 19

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Suphi CİVELEK 20

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3. MATERYAL ve METOD Bu bölümde laboratuvarda kullanılan deney düzeneği, deneylerde kullanılan zeminlerin özellikleri, ölçüm ve yükleme düzeneklerinin özellikleri, çalışmada izlenen deney programı açıklanmıştır. Ayrıca, deneylerden elde edilen sonuçlar bu bölümde sunulmuştur. 3.1. Deneylerde Kullanılan Zeminlerin Özellikleri Deneysel çalışmalarda, Çukurova Bölgesi, Çakıt nehir yatağından getirilen kum numuneler kullanılmıştır (Şekil 3.1). Kum numuneler, Türk standartlarına göre sırasıyla 18 no lu (1mm çaplı) ve 200 no lu (0.074mm çaplı) eleklerden yıkanarak elenmiştir. Bu işlem sonunda No. 18 ile No. 200 arasında kalan kumlar, 105 o C de etüvde kurutulduktan sonra geniş bir alana serilerek oda sıcaklığında havalandırılmıştır (Şekil 3.2). Deney kumunun endeks ve kayma mukavemeti özelliklerinin belirlenmesi amacıyla Çukurova Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Zemin Mekaniği Laboratuvarında bir seri deney yapılmıştır. (Bildik ve Uncuoğlu, 2010) Kullanılan kum zeminin dane yapısı Şekil 3.3 de gösterilmiştir. 21

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.1. Deneysel Çalışmalarda Kullanılan Çakıt Kumu Şekil 3.2. Deney Kumunun Kurutulması 22

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.3. Kum Malzemesinin Dane Yapısı 3.1.1. Endeks Deneyler 3.1.1.1. Elek Analizi Deneysel çalışmada kullanılan kum numuneler, Türk standartlarına göre önceden belirlenen bir seri elekten elenerek dane çapı dağılımı elde edilmiştir (Şekil 3.4). Dane çapı dağılım eğrisinden, zemin sınıfı, Birleştirilmiş Zemin Sınıflandırma Sistemi ne (USCS) göre kötü derecelenmiş ince ve temiz kum (SP) olarak elde edilmiştir (Bildik ve Uncuoğlu, 2010). Elek analizi deney sonuçları toplu olarak Çizelge 3.1 de verilmiştir. 23

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Çizelge 3.1. Elek Analiz Sonuçları Granülometri Parametreleri Birim Değer Kaba Kum Yüzdesi % 0.0 Orta Kum Yüzdesi % 46.40 İnce Kum Yüzdesi % 53.60 Efektif Dane Çapı, D 10 mm 0.18 D 30 mm 0.30 D 60 mm 0.50 Üniformluk Katsayısı, C u - 2.78 Derecelenme Katsayısı, C c - 1.00 Zemin Sınıfı - SP 100 90 80 70 Geçen % 60 50 40 30 20 10 0 0.01 0.1 1 10 100 Dane Boyutu (mm) Şekil 3.4. Deneylerde Kullanılan Kumun Dane Çapı Dağılımı 24

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.1.1.2. Piknometre Deneyi Deney kumunun dane birim hacim ağırlığını belirlemek için yapılan piknometre deneyleri sonucunda bu değer, γ s =26.8kN/m 3 olarak elde edilmiştir. 3.1.1.3. Sıkılık Deneyleri Deneysel çalışmalar hem gevşek hem de sıkı durumda hazırlanan kum zeminde gerçekleştirilmiştir. Deney kumunun gevşek ve sıkı haldeki kuru birim hacim ağırlıklarını belirlemek için 423mm 423mm boyutlarında ve 78mm yüksekliğindeki kap içerisinde rölatif sıkılık deneyleri yapılmıştır. Gevşek haldeki kuru birim hacim ağırlık, γ kmin, değeri belirlenirken kum numune kap içerisine herhangi bir sıkıştırmaya tabii tutulmadan yerleştirilmiştir. Daha sonra zemin yüzeyi düzeltilerek yüzeyin düzgünlüğü su terazisi ile kontrol edilmiştir. İçerisinde gevşek kum zemin bulunan kap tartılarak ağırlığı bulunmuştur (Şekil 3.5). Sıkı haldeki kuru birim hacim ağırlık, γ kmaks, değeri elde edilirken kum numune kap içerisine 5 tabaka halinde serilerek yerleştirilmiş ve her bir tabaka serildikten sonra titreşim cihazı ile belirli bir enerji verilerek sıkıştırılmıştır. Tabakaların her birinde uygulanan sıkıştırma enerjisinin aynı derecede olmasına özen gösterilmiştir. Son tabaka serilip sıkıştırıldıktan sonra zemin yüzeyi düzeltilmiş ve su terazisi ile yüzeyin düzgünlüğü kontrol edilmiştir (Şekil 3.6). Deneyler hem gevşek ve hemde sıkı durumda 5 er kere tekrarlanmış ve elde edilen ağırlık değerlerinin ortalaması alınmıştır. Elde edilen sonuçlar Çizelge 3.3 de sunulmuştur. 25

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 78mm 423mm 423mm (a) Deney Kabı Boyutları (b) Zeminin Kap İçerisine Yerleştirilmesi (c) Zemin Yüzeyinin Düzeltilmesi (d) Yüzey Düzlüğünün Kontrolü Şekil 3.5. Gevşek Kum Zeminin Kuru Birim Hacim Ağırlığının Belirlenmesi 26

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.6. Sıkı Kum Zemin Kuru Birim Hacim Ağırlığının Belirlenmesi Çizelge 3.2. Kuru Birim Hacim Ağırlık Deney Sonuçları Sıkılık Parametreleri Birim Değer Dane Birim Hacim Ağırlığı, γ s kn/m 3 26.800 Gevşek Haldeki Kuru Birim Hacim Ağırlık, γ kmin kn/m 3 15.030 Sıkı Haldeki Kuru Birim Hacim Ağırlık, γ kmaks kn/m 3 17.060 Gevşek Halde Boşluk Oranı, e gevşek - 0.783 Sıkı Halde Boşluk Oranı, e sıkı - 0.570 3.1.2. Kayma Mukavemeti Deneyleri Deneylerde kullanılan kumun kayma mukavemeti parametrelerini belirlemek amacıyla kum numuneler üzerinde kesme kutusu ve konsolidasyonlu-drenajlı (CD) üç eksenli basınç deneyleri yapılmıştır. 27

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.1.2.1. Kesme Kutusu Deneyleri Kum numuneler 60mmx60mm boyutlarındaki kare kesitli kesme kutusuna yüksekliği 38mm olacak şekilde gevşek ve sıkı halde yerleştirilerek kesme kutusu deneyleri yapılmıştır. Hem gevşek hem de sıkı durumdaki kum numuneler üzerinde yapılan kesme kutusu deneylerinde numuneler, σ 1 = 28kPa, 56kPa ve 112kPa değerindeki normal gerilmeler altında yatay yönde kesmeye tabi tutulmuşlardır. Deneyler sonucunda elde edilen kırılma zarfları gevşek kum zemin için Şekil 3.7 de sıkı kum zemin için de, Şekil 3.8 de gösterilmiştir. Deney kumunun gevşek haldeki kayma mukavemeti açısı ϕ = 39.27 olarak, sıkı haldeki kum zemin için kayma mukavemeti açısı ise, ϕ = 45.67 olarak elde edilmiştir (Bildik ve Uncuoğlu, 2010). 120 100 τ = 0.8177σ Kayma Gerilmesi, t (kn/m 2 ) 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 Normal Gerilme, s (kn/m 2 ) φ = 39.27 Şekil 3.7. Gevşek Kum Zeminde Kesme Kutusu Deney Sonucu 28

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 120 100 τ = 1.0237σ Kayma Gerilmesi, t (kn/m 2 ) 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 Normal Gerilme, s (kn/m 2 ) φ = 45.67 Şekil 3.8. Sıkı Kum Zeminde Kesme Kutusu Deney Sonucu 3.1.2.2. Üç Eksenli Basınç Deneyleri Gevşek ve sıkı halde hazırlanan kum numuneler üzerinde konsolidasyonludrenajlı (CD) üç eksenli basınç deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerde numunelere σ 3 =50 kpa, 100 kpa ve 150 kpa değerinde hücre basınçları uygulanmıştır. Üç eksenli basınç deneylerinden elde edilen sonuçlar gevşek kum zemin için Şekil 3.9 da sıkı kum zemin için de Şekil 3.10 da görülmektedir. Deneyler sonucunda gevşek kum zeminin kayma mukavemeti açısı ϕ = 38 sıkı kum zeminin kayma mukavemeti açısı ise ϕ =44 olarak elde edilmiştir. Hem gevşek hem de sıkı kum zeminde kohezyon değeri c=0 kn/m 2 olarak bulunmuştur (Bildik ve Uncuoğlu, 2010). 29

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 800 700 Kayma Gerilmesi, t (kn/m 2 ) 600 500 400 300 200 100 ø'=38 c = 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Normal Gerilme, s (kn/m 2 ) Şekil 3.9. Gevşek Kum Zeminde CD-Üç Eksenli Basınç Deney Sonuçları 1000 900 Kayma Gerilmesi, t (kn/m 2 ) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 ø'=44 c = 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Normal Gerilme, s (kn/m 2 ) Şekil 3.10. Sıkı Kum Zeminde CD-Üç Eksenli Basınç Deney Sonuçları 30

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.2. Deney Düzeneği Deneysel çalışma, değişken kalınlıkta ve sıkılıkta iki tabakalı kum zeminler üzerinde yapılan model plaka yükleme deneyleri sonucunda, zemin içinde oluşan ilave düşey gerilmelerin ve deplasmanların bulunmasını ve davranışlarının araştırılmasını kapsamaktadır. 3.2.1. Deney Kasası Tabakalı zeminlerdeki taşıma gücünün araştırılması ile ilgili deneyler, Çukurova Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Laboratuvarında mevcut 50cm genişlik, 40cm yükseklikteki kare kesitli kasa içerisinde gerçekleştirilmiştir (Şekil 3.11 ve 3.12). Deney kasası iskeleti çelik profilden olup, ön ve arka yüzü 6mm kalınlığında cam, yan yüzler ile alt taban ise 20mm kalınlıkta ahşap malzemeden imal edilmiştir. 31

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Güç Motoru Yükleme Kirişi Mekanik Pompa Yük Hücresi Deplasman Transduserleri Ölçüm Sistemi D H 0.4m Kum Zemin 0.5m (a) Cam Yüzey 0.5m D Zemin Yüzeyi Temel Plakası Tahta Plaka Çelik Profil 0.5m (b) Şekil 3.11. Deney Düzeneği 32

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.12. Deney Kasası 33

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.2.2. Model Temel Plakası Deneysel çalışmalarda model temel plakası olarak, 6 cm çapında dairesel, temel kullanılmıştır. Deney eksenel yükleme sırasında yükün model plakalar altında düzgün yayılı yük halinde etkimesinin sağlamasına çalışılmıştır. 3.2.3. Yükleme Düzeneği Deneylerde kullanılmak üzere farklı yükleme hızlarında çekme ve basınca çalışan özel bir yükleme düzeneği geliştirilmiştir. Yükleme düzeneği İnşaat Mühendisliği Laboratuvarındaki yükleme kirişine monte edilerek deneyler gerçekleştirilmiştir (Şekil 3.13). 34

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.13. Yükleme Sistemi 35

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.2.4. Yük Hücresi Deneylerde model temel plakalarına gelen yükleri okumak için, ESİT firması tarafından üretilen ve özellikleri Çizelge 3.3 de verilen yük hücreleri kullanılmıştır (Şekil 3.14). Yük hücresinde kullanılan yük transduceri yardımıyla tüm okumalar data okuyucuya aktarılmıştır. Çizelge 3.3. Yük Hücresi Özellikleri Teknik Özellikler Birim Açıklama Model - S Tipi TB-1000 Kapasite kg 1000 Aşırı Yükleme Kapasitesi kg 1500 Hassasiyet Sınıfı (OIML R 60 a göre) - C1 Maksimum Bölüntü Sayısı (n LC ) - 1000 Minimum Ölçüm Aralığı (v min ) - E max /5000 Toplam Hata % ± 0.02 Minimum Yük % E max 0 Maksimum Yük % E max 150 Kırılma Kapasitesi % E max 200 Esneme (E max yük değerinde) mm 0.4 Çalışma Sıcaklığı Aralığı o C -10...+40 Yük Hücresi Malzemesi - Çelik Ağırlık kg 3.1 36

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.14. Yük Hücresi 3.2.5. ADU (Data Kaydetme Ünitesi) Deney sırasında çekme yükleri ile düşey yer değiştirmeler transducerler yardımıyla, EL27-1495 seri numaralı ve 8 kanal girişli ADU (Autonomous Data Asquistion Unit) data logger cihazına aktarılmıştır (Şekil 3.15). Bu veriler daha sonra bilgisayar ortamında DIALOG programı yardımıyla sayısal değerlere dönüştürülmüştür. 37

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Şekil 3.15. ADU Cihazı ve DIALOG Programı Şekil 3.16. ADU Cihazı ve DIALOG Programı 38

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.2.6. Titreşim Cihazı Kum numuneler, kasa içerisine tabakalar halinde ve belli bir sıkılık oranında yerleştirilmiştir. Bu amaçla, deney kasasının duvarları ölçeklendirilmiştir. Her bir kum tabakası, elektrikle çalışan BOSCH GBH 2-24 DSE titreşim cihazı ile önceden belirlenen derinliğe ulaşıncaya kadar sıkıştırılmıştır (Şekil 3.16). Sıkıştırma sırasında üniform sıkılık elde etmek ve kum danelerinin ezilmesini önlemek amacıyla titreşim cihazının uç kısmına 13cm 13cm boyutlarında ve 2cm kalınlığında malzemeden imal edilen plaka monte edilmiştir. Şekil 3.17. Titreşim Cihazı 39

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK 3.3. Deney Yöntemi 3.3.1. Aletlerin Kalibrasyonu Deneysel çalışmada gerçekleştirilen yük ölçümlerinin hatasız bir şekilde yapılabilmesi için yük hücresinin kalibrasyonu yapılmıştır. Yük hücresi kalibrasyon değerleri ve kalibrasyon eğrisi Çizelge 3.4 ve Şekil 3.17 de görülmektedir. Çizelge 3.4. Yük Hücresi Kalibrasyon Değerleri Yük Değeri (kg) Okuma 0 0 10 21 20 42 30 63 40 84 50 105 60 126 70 147 80 168 90 189 100 210 40

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Y=2.1x R 2 =1.0 Şekil 3.18. Yük Hücresi Kalibrasyon Eğrisi 3.4. Deneyin Yapılışı Kum numuneler, kasa içerisine tabakalar halinde birim hacim ağırlığı ilk aşamada γ k = 15.03 kn/m 3, ikinci aşamada ise, γ k = 17.06 kn/m 3 olacak şekilde sıkıştırılarak yerleştirilmiştir. Bu amaçla, her tabaka için gerekli kum ağırlığı önceden hesaplanarak kontrollü bir şekilde sıkıştırma yapılmıştır. Deney yapılacak olan kasa uygun bir şekilde düz bir yüzeye yerleştirildikten sonra kasanın düzgünlüğü su terazisi ile kontrol edilmiştir. Deney kasası, yüzeysel temellerin tabakalanma durumunda taşıma gücünü araştırma amacıyla iki farklı tabakada kum numunelerle doldurulmuştur. Alt tabaka nispeten sıkı, birim hacim ağırlığı γ k =17.06 kn/m 3 olacak şekilde 5 er cm lik tabakalar halinde sıkıştırılarak, üst tabaka ise, birim hacim ağırlığı γ k =15.03 kn/m 3 olacak şekilde deneylerde kullanılan model temelin genişliği ile orantılı derinliklerde sıkıştırılarak hedeflenen sıkılıklara ulaşılmıştır. 41

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Sıkıştırma işlemi tamamlandıktan sonra zemin, üst yüzeyinin düzgünlüğü su terazi ile kontrol edildikten sonra temel plakası yüzeyine yerleştirilmiştir. Uygulanacak olan yükün, temel plakası merkezine düşey yönde ve uniform olacak şekilde etki ettirilmesine gayret edilmiştir. Deney sırasında kademeli olarak yüklemeye devam edilmiş ve yükleme hızı her kademede sabit tutulmuştur. Yukarıdaki işlemler kasanın tamamen gevşek kumla doldurulması hali (γ k = 15.03 kn/m 3, gevşek kum tabaka kalınlıkları; H=0.25D, H=0.5D, H=0.75D, H=1.0D, H=1.25D, H=1.5D, H=2.0D, alınarak ve kasanın tamamen sıkı kumla doldurulması hali (γ k =17.06 kn/m 3 ), D= temel çapı) için tekrarlanmıştır. 3.5. Deney Programı Bu çalışmada, model deneylerde kum numuneler kasa içerisine belli bir sıkılık oranında yerleştirilmek şartıyla, kum zeminlerde tabakalanmanın ve sıkılık oranının gerilme değerlerine ve taşıma gücüne olan etkisi araştırılmıştır. Ölçümler, deney kasası tamamen gevşek kum (γ k = 15.03 kn/m 3 Şekil 3.19. da görüldüğü gibi doldurularak, daha sonra kasa tamamen sıkı kumla (γ k =17.06 kn/m 3 ) doldurularak yapılmıştır. Zayıf zemin kalınlıkları yüzeyden itibaren; H=0.25D, H=0.5D,H=0.75D, H=1.0D, H=1.25D, H=1.5D, H=2.0D, alınarak ve kasanın tamamen Sıkı Kumla doldurulması hali (γ k =17.06 kn/m 3 ), D=temel çapı) için hazırlanarak, yük deplasman ilişkileri incelenmiştir. Yapılan model deneylere ait deney planlaması Çizelge 3.5 de sunulmuştur. 42

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK Çizelge 3.5. Laboratuvar Model Deneylere Ait Toplu Gösterim Sağlam Zayıf Temel Deney Tabaka Tabaka Çapı Kodu Kalınlığı Kalınlığı (D), cm (H), cm (H), cm Eklenecek Kum ağırlığı (kg), (5 cm için) LCS06 6 25-22.238 LCG06 6-25 20.120 LC025 6 20 1.5 06.036 LC050 6 20 3.0 12.072 LC075 6 20 4.5 18.108 LC100 6 20 6.0 24.145 LC125 6 20 7.5 30.181 LC150 6 20 9.0 36.217 LC200 6 20 12 48.289 3.6. Deney Sonuçları Deney sonuçları, kasanın tamamen sıkı kum ile dolu olması durumu, kasanın tamamen gevşek kum ile dolu olması durumu ve ayrıca gevşek kum tabaka kalınlıkları H=0.25D, H=0.50D, H=0.75D, H=1.00D, H=1.25D, H=1.50D, H=2.00D alınarak altta sıkı kum tabakası bulunması hali için gerçekleştirilmiştir. 3.6.1. Zeminin Tamamen Sıkı Kum (g k =17.06 kn/m³) Olması Durumu Deney kasası tabakalar halinde, her tabaka kalınlığı 5cm olacak şekilde hesaplanan ağırlıkta serilip, standart bir enerji verilerek toplamda 25cm sıkı kum (γ k =17.06 kn/m³) ile doldurulmuş ve su terazisi ile düzgünlüğü, metre ile de tabaka kalınlığı kontrol edilmiştir. Hazırlanan düzenek ile zemin, 1000 kg kapasiteli yük hücresi ile belirli hızda ve büyüklükte eksenel yüke tabi tutulmuş, 2 adet deplasman 43

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK transducerleri ile her iki saniyede bir ADU cihazı ile uygulanan yük ve deplasman okumaları kayıt altına alınmıştır. Deney kasasının 25cm kalınlıkta sıkı kum ile doldurulması halinde model temel plakası ile yapılan deneyde taşıma gücünün 350 kpa mertebelerinde olduğu görülmüştür. Deney kasasının tamamen sıkı kum ile doldurulması durumunda yapılan deney sonucu oluşan yük-deplasman eğrisi Şekil 3.18 de verilmiştir. D Sıkı Kum H Şekil 3.19. Sıkı Kum (γ k =17.06 kn/m³) Durumunda Yük-Deplasman Eğrisi 3.6.2. Zeminin Tamamen Gevşek Kum (γ k = 15.03 kn/m 3 ) Olması Durumu Deney kasasının 25cm kalınlıkta gevşek kum ile doldurulması halinde model temel plakası ile yapılan deneyde taşıma gücünün 47 kpa mertebelerinde olduğu görülmüştür. Deney kasasının tamamen gevşek kum ile doldurulması durumunda yapılan deney sonucu oluşan yük-deplasman eğrisi Şekil 3.19. da verilmiştir. 44

3. MATERYAL ve METOD Suphi CİVELEK D Gevşek Kum H Şekil 3.20. Gevşek Hal (γ k = 15.03 kn/m 3 ) İçin Yük-Deplasman Eğrisi 3.6.3. Deney Kasasının Belirli Bir Derinlikte Sağlam, Değişken Derinlikte (H=0.25D~2.00D) Gevşek Kum İle Doldurulması Durumu Deney kasasının 25cm sıkı kum ile doldurulması sonrası üst tabakanın temel çapının belirli oranlarda gevşek kumla doldurulması ile oluşturulan tabakalanma durumundaki taşıma gücü davranışı araştırılmıştır. Üst tabaka olarak hazırlanan gevşek kum tabaka kalınlıklarının taşıma gücüne doğrudan etki ettiği, gevşek tabaka kalınlığı arttıkça taşıma gücünde belirgin bir azalma olduğu görülmüştür. Üst tabakanın alt tabakaya nazaran daha zayıf olduğu tabakalı kum zeminlere oturan dairesel temelde oluşan yük deplasman eğrisinde H=0.25D derinlikte taşıma gücü değeri 125 kpa dolaylarında olurken, H=0.50D derinliğinde taşıma gücü değeri yaklaşık yarıya inerek, 63 kpa dolaylarına düşmektedir. H=0.50D derinlikten sonra yapılan H=0.75D, H=1.00D, H=1.50D, H=2.00D derinliklerinde ADU cihazı tarafından kayıt edilen taşıma gücü değerlerinde belirgin bir değişiklik olmadığı görülmüştür. H=0.25D derinlikte gevşek kum ile doldurulan durumda deney sonrası 45