Kazıklı temellerin yük taĢıma gücü hesapları

Bir derin temel çeĢidi olan kazıklı temellerin yük taĢıma gücü hesapları statik kazık formülleri, dinamik kazık hesapları ve arazi kazık yükleme deneylerinden olmak üzere baĢlıca üç farklı Ģekilde hesaplanabilmektedir. AĢağıdaki alt baĢlıklarda bu hesap yöntemleri irdelenmiĢtir.

3.2.3.1. Statik kazık formüllerinden yük taĢıma gücü hesabı

DüĢey yüklere maruz kalan bir kazığın nihai yük taĢıma gücü, kısmen kazık ucunda oluĢan noktasal direnci kısmen de kazık Ģaftı ile temas halinde olan zemin yüzeyi ile kazık yüzeyi arasında geliĢen aderans ile yüzeysel sürtünme direncinin toplamıdır (Poulos ve Davis 1980). Ortam koĢullarına bağlı olarak „uç‟ ve „sürtünme‟ kuvvetlerinin nihai taĢıma gücü içindeki payları değiĢkendir. Bu değiĢkenliği kontrol eden faktörler, kazığın içine yerleĢtirildiği zeminin geoteknik özellikleri, kazığın geometrik koĢulları (çap-boy), narinliği ve uygulanan yüklerin büyüklüğüdür.

Kazıklı temellerin yük taĢıma gücü üzerine günümüzde birçok çalıĢma yürütülmüĢtür. Kazık yük taĢıma gücünün elde edilmesi Çinicioğlu (2005)‟de 4 grupta toplanmıĢ ve açıklanmıĢtır:

 Mühendislik analizi-Statik yük taĢıma gücü formülleri: Temel zemin etüt verileri ve laboratuvar deneyleri sonuçları ile uygun parametreler tayin edilir ve kazık davranıĢ mekanizmasına göre geliĢtirilmiĢ genel kabul görmüĢ taĢıma gücü denklemleri kullanılır. Bu yaklaĢım yüzeysel temeller için uygulanan yaklaĢıma benzerdir.

 Arazi yükleme deneyleri: Tüm kazıklı temel sisteminin inĢa edilmesinden önce, farklı zemin özellikleri gösteren noktalarda deney kazıkları öngörülen boyutta ve yöntemle inĢa edilerek yükleme deneyine tabi tutulur.

 Kazık çakma direncini esas alan dinamik kazık formülleri uygulanarak yük taĢıma gücü elde edilir.

 Uygulama standartları ve tecrübe doğru tasarımın önemli bileĢenlerindendir.

Bir kazığın nihai yük tasıma kapasitesi, kazık ucunda taĢınan yük ve kazık zemin arasında meydana gelen sürtünme direncinin (yüzey sürtünmesi) toplamı olarak basit bir eĢitlikle ifade edilebilir (ġekil 3.6 a).

ġekil 3.6. (a) Kazık yük taĢıma gücü bileĢenleri, (b) Kazıkta uç mukavemeti ve çevresel sürtünme mukavemetini tanımlayan mekanizma (Çinicioğlu,2005)

Burada;

Qsınır : Kazığın nihai yük taĢıma gücü (TaĢıyabileceği toplam en büyük yük)

Qyan : Kazık Ģaftı ve zemin arasında sürtünmeyle taĢınan toplam yük

Quç : Kazık ucu tarafından taĢınan toplam yük.

Kohezyonsuz ve kohezyonlu bir zeminde kazık uç mukavemeti ve çevre sürtünmesinin hesabı Çinicioğlu (2005)‟de aĢağıdaki gibi izah edilmiĢtir.

Kazık Uç Mukavemetinin Hesaplanması

Kazık uç mukavemetinin hesaplanması için Terzaghi‟nin yüzeysel temellere ait taĢıma gücü formülleri kullanılır. Çünkü kazık ucunda oluĢan göçme mekanizması yüzeysel temellerin tabanında oluĢan ile hemen hemen aynıdır (ġekil 3.6 b). Buna göre;

Quç=quç.Auç=Auç [c.Nc+ γ.Df.Nq+0,5. γ.B.Nɤ]...(3.5)

veya birim alan için

quç=c.Nc+ γ.Df.Nq+0,5. γ.B.N γ ...(3.6)

Burada;

quç : Kazık ucunda birim alan için uç direnci (kN/m2),

Auç : Kazık uç kesit alanı,

Df : Kazık uzunluğu,

Nc,Nq,Nγ : TaĢıma gücü faktörleri (yüzeysel temeller için verilen değerler

kullanılabilir), c : Kohezyon,

γ : Zeminin birim hacim ağırlığı.

Kazık çapının derinliğine göre çok fazla olması nedeni ile Nγ teriminin Nq

teriminden çok küçük olduğu düĢünülür ve ihmal edilirse kazık uç mukavemeti;

quç=c.Nc+ γ.Df.Nq ...(3.7)

olarak verilmektedir.

Kazık Çevre Sürtünmesinin Hesaplanması

Kazık sürtünme direnci kazık yan yüzey alanı ile zemin-kazık arası sürtünme direncinin çarpımı ile ifade edilir aĢağıdaki gibi hesaplanır:

Qyan=qyan.Ayan= p.Df.qyan ...(3.8)

Burada;

Qyan (kN) : Çevre sürtünmesi ile taĢınan toplam yük,

Ayan (m2) : kazık çevresinde sürtünme ile çalıĢan toplam alan,

qyan (kN/m2) : Çevre yüzeyde birim alanda etkili olan sürtünme,

p (m) : kazık Ģaftının kesit çevre uzunluğu (Dairesel kazıklarda p = π⋅D), Df (m) : Temel derinliği, kazık boyu olarak alınmaktadır.

Yukarıdaki bilgilerin doğrultusunda kohezyonsuz bir zeminde kazık yük taĢıma gücü Ģu Ģekilde bulunabilir:

c=0 olduğundan,

quç= γ.Df.Nq ...(3.9)

olarak alınabilir. Diğer taraftan kazığın çok uzun olması sebebiyle Df‟nin tam değerinin

kullanılması aĢırı büyük taĢıma gücü verebilir. Bunu önlemek için Birand (2007) de; Lcr=(L‟) derinliğine kadar çevre sürtünmesinin doğrusal Ģekilde arttığını ve bu

derinlikten sonra da zemin ortamındaki kemerlenme etkisi ile sabit kaldığını belirterek kritik kazık uzunluğunun (L‟) D kazık çapına bağlı olarak aĢağıdaki gibi alınabileceğini belirtmiĢtir:

GevĢek kumlar için L‟=10D, Orta sıkılıktaki kumlar için L‟=15D, Sıkı kumlar için L‟=20D.

Quç=Auç.(γ.Df.Nq) ...(3.10)

olarak hesaplanır.

Kohezyonsuz zeminde sürtünme direnci hesabında efektif gerilme prensibine dayalı bir yaklaĢım uygulanır (ġekil 3.7).

ġekil 3.7. Efektif gerilme prensibine göre çevre sürtünmesi hesabı (Çinicioğlu, 2005)

Herhangi bir seviyede etkili olan kazık Ģaftındaki sürtünme direnci qyan=Ks.σ′.tanδ formülü ile hesaplanır. Burada;

σ′ = γ′.z : seçilen derinlikte etkili olan efektif jeolojik yük

Ks : Kazık Ģaftı üzerinde etkili olan ortalama yatay toprak basıncı katsayısı

δ : Çevre sürtünme açısı (kazık malzemesi ve zemin arasında) Toplam çevresel sürtünme direnci,

Qyan=qyan.Ayan= Ks.σ′.tanδ.Ayan ...(3.11)

Kazık Ģaft alanı ise;

Ayan=π.D.Df ...(3.12)

olarak dairesel kazıklar için yazılır. Tipik Ks değerleri Çizelge 3.1‟de verilmiĢtir. Çizelge 3.1. Tipik Ks değerleri

Kazık Tipi Ks değerleri

Beton 1,5±%10

Boru 1,1±%10

H kesitli 1,6±%10

Sonuç itibariyle kohezyonsuz zeminlerde toplam kazık yük taĢıma gücü,

Qsınır=Auç.( γ.Df.Nq)+Ayan.(Ks.σ′.tanδ) ...(3.13)

Ayrıca kohezyonlu bir zeminde kazık yük taĢıma gücü ise yine Çinioğlu (2005)‟de aĢağıdaki gibi özetlenmiĢtir:

Kazık uç mukavemeti bağıntı (3.7) ile verilmekte idi. Doygun kil zeminde kısa süreli davranıĢ için hesap yapılacaksa drenajsız kayma mukavemeti parametrelerinin kullanılması uygundur.

Bu durumda  = 0 ve c = cu olur.

 = 0 için Nc = 9.0 (Derin temeller için uygundur)  = 0 için Nq terimi de ihmal edilebilir.

Buna göre kohezyonlu zeminlerde drenajsız Ģartlardaki kazık uç mukavemeti: Quç=9.cu olur.

Dairesel kesitli kazıklarda toplam uç mukavemeti:

Quç=π.D2/4.9.cu ...(3.14)

olmaktadır. Burada; D : kazık çapı,

cu : Drenajsız kayma mukavemeti‟dir.

Kazık çevre sürtünmesi ise bağıntı (3.8) ile verilmekte idi. Kohezyonlu zeminlerde kısa süreli mukavemet hesaplarında kazık Ģaftı ile zemin arasında adhezyon etkisi drenajsız kayma mukavemeti cu ya bağlı olarak elde edilen ca parametresi ile tanımlanır. Buna

göre qyan = ca yazılabilir ve

Qyan=Ayan.qyan=ca.( π.D.Df) ...(3.15)

olur. Tipik ca değerleri Çizelge 3.2 ve Çizelge 3.3‟de görülmektedir. Çizelge 3.2. Zemin ve kazık malzemesine göre tipik ca değerleri

cu (kN/m2)

(Serbest basınç mukavemeti)

ca (kN/m2)

Beton veya AhĢap Çelik 0-72 0-34 0-34 72-144 34-48 34-48 144-288 48-62 48-57 288 62 57

Çizelge 3.3. Zemin ve kazık malzemesine göre tipik ca değerleri

Zemin cinsi ca (kN/m2)

Silt ve yumuĢak kil 7-30

Çok sert kil 50-200

GevĢek kum 12-36

Yoğun kum 33-67

Sıkı çakıl 50-100

Kazıkların taĢıma kapasitesinin belirlenmesinde sıklıkla kullanılan Terzaghi yaklaĢımının yanı sıra Meyerhof, Vesic, Hansen ve Janbu metodu gibi birkaç yöntemde literatürde yer almaktadır. Ancak tez kapsamında bu yöntemlerden bahsedilmemiĢtir.

3.2.3.2. Kazık yükleme deneyleri ile yük taĢıma gücü hesabı

Bir kazığın yük taĢıma gücünü belirlemede en güvenilir bir diğer metotta plaka yükleme deneyinde olduğu gibi kazığı bir yükleme düzeneği ile yüklemektir. Bu deneylerde kazık uygun bir düzenekle yüklenmekte ve kazık baĢının yer değiĢtirmesi ölçülmektedir. Yüklemeye, oturmaların hızla artan bir seviyeye ulaĢması, yani göçme durumunda son verilmelidir. Böylece kazığın nihai yük taĢıma gücü yükü bulunmuĢ olur. Deney yapılacak yerdeki zemin özellikleri, arazi deneyleri (inceleme sondajları, SPT, CPT, Menard presiyometre, kanatlı vane vs.) ve zeminden alınan numuneler üzerinde yapılan zemin mekaniği laboratuvar deneyleri ile belirlenmelidir.

Kazık yükleme deneylerinin temel amacı, kazığın taĢıyabileceği nihai yükü belirlemektir. Kazığın oturması bu deneyle bulunamaz. Killi zeminlerde oturma (konsolidasyon), yükün uygulama süresine bağlıdır. Eğer yük kazık yükleme deneylerinde olduğu gibi, nispeten kısa bir süre için uygulanıp kaldırılıyorsa bu yoldan zeminin nihai oturması hakkında faydalı bir sonuç çıkarmaya imkan yoktur (Toğrol ve Tan, 2003).

Kazık yükleme deneyleri; kademeli yükleme, kademeli çabuk ve sabit hızda delme deneyleri olarak üç Ģekilde yapılır. Bunlardan kademeli yükleme deneyleri, uzun süren ancak nihai taĢıma gücü yanında oturma miktarlarının da saptanmasının istendiği durumlarda tercih edilir. Adından da anlaĢılacağı üzere yükler kademeli olarak yüklenir

yine kademeli olarak boĢaltılır ve her yük kademesinde oturma hızı belli bir miktara düĢünceye kadar beklenir (Birand, 2001).

AĢağıdaki Ģekilde genel haliyle tipik bir yük-oturma eğrisi Ģematik olarak gösterilmiĢtir. Bu eğri kullanılarak kazığın taĢıyabileceği en büyük yük olan “göçme yükü” bulunur. Bu eğrinin gösterdiği deneyde kazık, Qk yüküne kadar yüklenmiĢ sonra

yük tamamen boĢaltılmıĢtır. Bu durumda bir kalıcı oturma Sk görülmüĢtür. Sonra kazık

Ģekilde gösterilmemekle beraber Qk yüküne kadar tekrar yüklenmiĢ ve bu yükleme

sonunda Qmax ile gösterilen noktada göçmüĢtür. Qmax yükü kazığın “göçme yükü” veya

“nihai yük taĢıma gücü” olmaktadır (ġekil 3.8) (Birand, 2001).

ġekil 3.8. Tipik yük-oturma diyagramı (Birand, 2001)

Belli baĢlı kazık yükleme deney yöntemleri aĢağıda kısaca özetlenmiĢtir (Birand, 2001):

1.Terzaghi Yöntemi:

Terzaghi‟ye göre kazık güvenli yükün 2 katı yükü göçme olmaksızın taĢıyabilmeli ve bu yükün %50 fazlası altındaki kalıcı oturma ton baĢına 0,25 mm.‟den büyük olmamalıdır. Bu durumda servis yükünün bulunabilmesi için önce göçme yüküne

en az 2,0 olan bir güvenlik sayısı uygulanır. Bunu takiben; ikinci Ģartın sağlanabilmesi için yükleme eğrisi üzerinde servis yükü x 1,5 değerinden boĢaltma eğrisine bir paralel çizilirse sıfır yük seviyesinde bulunacak olan kalıcı oturma görülerek seçilen servis yükünün yeterliliği irdelenebilir.

2. Boston Şartnameleri:

Bu Ģartname kademeli yükleme deneylerinin yapılmasını öngörür. Bu deney sonuçlarından 24 saatte 5 mm.‟den küçük oturma yaptıran yük bulunur. Bu yükün yarısı kazığın servis yükü olarak kabul edilir.

3. Kazık çapının %10’u Kuralı:

Ġngiliz Ģartnamelerinde görülen bu uygulamada önce kazığın elastik oturması hesaplanır. Yük-oturma eğrisi üzerinde; hesaplanan elastik oturma çıkartılmak kaydı ile kazık çapının %10‟u kadar bir oturmaya rastlayan yük bulunur ve göçme yükü olarak alınır.

4. Brinch Hansen Yöntemi:

Sabit hızda delme yöntemi ile denenen kazıklar için kullanılan bu kriter ile göçme yükünün bulunması için aĢağıdaki Ģekilde gösterildiği gibi yük-oturma eğrisinin incelenmesi ile belirlenen göçme yükünün %90‟na karĢılık gelen yük bulunur. Bu yükte gerçekleĢen oturma miktarı gözlenir ve bu oturma 2 ile çarpılır. Bu oturmaya neden olan yük göçme yükü olarak kabul edilir (ġekil 3.9).

ġekil 3.9.Brinch Hansen‟in %90 kriteri (Birand, 2001)

5. Yük-Oturma Eğrisi Yarıçapı:

Göçme yükü, yük- oturma eğrisinin en küçük eğrilik yarıçapına sahip olduğu noktaya karĢılık gelen yük olarak alınabilir.

6. De Beer Yöntemi:

Bu yöntemde, kademeli yükleme deneyinden bulunan yük-oturma değerleri Ģekildeki gibi log-log ölçekte grafiklenir ve iki doğru elde edilir. Bu doğruların kesiĢme noktası göçme yükünü verir (ġekil 3.10).

ġekil 3.10. De Beer yöntemine göre göçme yönteminin saptanması (Birand, 2001)

7. Mazurkiewiez Yöntemi:

Bu yöntemde yük-oturma diyagramının oturma ekseni eĢit aralıklarla noktalanır. Bu noktalardan yük eksenine paraleller çizilir. Bu paralel çizgilerin yük-oturma eğrisini kestiği yerlerden, oturma eğrisine paralel doğrular çizilir. Bu doğruların yük eksenini kestiği noktalardan, yük ekseni ile 45o

açı yapan doğrular çizilir ve oturma eksenine paralel çizilmiĢ olan bir sonraki doğru ile kesiĢtirilir. Bu kesiĢme noktalarını birleĢtirerek elde edilen doğrunun yük eksenini kestiği yer “göçme yükü” olarak alınır (ġekil 3.11).

8. Fuller ve Hoy Yöntemi:

Bu yöntemde ise, oturma miktarının yük miktarına karĢı değiĢim oranı kavramı esas alınır. Yöntemde göçme yükü, yük-oturma eğrisinin eğiminin 0,14 mm/kN olduğu noktanın gösterdiği yük olarak alınır (ġekil 3.12).

ġekil 3.12. Fuller ve Hoy yöntemi (Birand, 2001)

Ayrıca Davisson ve Chin yöntemleri de göçme yükünün bulunmasında kullanılan ve sırasıyla teğet ve hiperbol hesap esaslarına dayanarak grafik çözüm üreten metotlardandır.

3.2.3.3. Dinamik kazık formüllerinden yük taĢıma gücü hesabı

Çakma kazıkların yük taĢıma gücü değerlendirmelerinde dinamik kazık formülleri de kullanılır. Bu formüller, kazık çakma iĢlemi sırasında harcanan enerjinin, diğer deyiĢle mekanik olarak yapılan iĢin, kazığın zemine giriĢ miktarı ve zeminde oluĢan toplam direnç ile ilgili olacağı savından yola çıkarak elde edilmiĢlerdir. Bu kapsamda belli baĢlı dinamik esaslı çakma kazıklar için elde edilen formüller Birand (2007)‟de aĢağıdaki gibi sıralanmıĢtır:

Danimarka formülü; 2 0,5 r d W xH Q s c   ...(3.16) 2 2xW xHxL_T c AxE  ...(3.17) Sanders formülü;

r

W xh Q

s

 ...(3.18)

Engineering News formülü;

r W xh Q

s C



 (tek tesirli Ģahmerdanlar için) ...(3.19)

n E Q

s C



 (çift tesirli Ģahmerdanlar için) ...(3.20)

Brix formülü; 2 ( ) r p r p W xW xh Q s W W   ...(3.21) Dutch formülü; 2 ( ) r r p W xh Q S W W   ...(3.22) Hiley formülü; 2 1 2 3 1 ( ) 2 f r r p r p e xW xh W e xW Q x W W s c c c       ...(3.23)

Bu formüllerdeki bazı temel semboller ise; Wp: Kazığın ağırlığı,

Wr: Tokmak ağırlığı,

H: Tokmağın düĢü yüksekliği,

s: Kazığın zemine giriĢ miktarı (refü), E: Kazık malzemesinin elastisite modülü, A: Kazığın kesit alanı,

Belgede Kazıklı radye temellerin tasarımını etkileyen faktörlerin araştırılması (sayfa 69-80)