ANKRAJLI İKSALARDA ANALİZ SONUÇLARININ SAHA DENEYLERİ İLE KARŞILAŞTIRILMASI. Uğur VURAL YÜKSEK LİSANS TEZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI

ANKRAJLI İKSALARDA ANALİZ SONUÇLARININ SAHA DENEYLERİ İLE KARŞILAŞTIRILMASI

Uğur VURAL

YÜKSEK LİSANS TEZİ

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

HAZİRAN 2019

Uğur VURAL tarafından hazırlanan “ANKRAJLI İKSALARDA ANALİZ SONUÇLARININ SAHA DENEYLERİ İLE KARŞILAŞTIRILMASI” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Prof. Dr. Nihat Sinan IŞIK

İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ^………

Başkan: Prof. Dr. Seyhan FIRAT

İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………

Üye: Doç. Dr. Berna UNUTMAZ

İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Hacettepe Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………

Tez Savunma Tarihi: 26/06/2019

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

……….…….

Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

 Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

 Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

 Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

 Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

 Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Uğur VURAL 26/06/2019

ANKRAJLI İKSALARDA ANALİZ SONUÇLARININ SAHA DENEYLERİ İLE KARŞILAŞTIRILMASI

(Yüksek Lisans Tezi) Uğur VURAL GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Haziran, 2019 ÖZET

Şehir merkezlerinde insanların kullanım alanlarını arttırmak için bodrum kat yapılması uygun bir çözüm olarak gözükmektedir. Bodrum katların yapımının artması ile dar alanlarda ankrajlı iksa sistemi yapımı da artmaya başlamıştır. Ankrajlı iksa sistemlerinin tasarlanması için kazı sırasında oluşan yanal toprak basınçlarının ve deplasmanların bilinmesi gerekmektedir. Birçok araştırmacı tarafından ankrajlı iksa sistemlerinin tasarımında kullanılması için yanal toprak basınç diyagramları ile ilgili bazı yaklaşımlar önerilmiştir. Ancak ekonomik ve güvenli mühendislik tasarımları yapılabilmesi için sadece iksa sistemlerine etkileyen yanal toprak basınçlarının belirlenmesi yeterli olmayıp deplasmanların da belirlenmesi ve sınırlandırılması gerekmektedir. Günümüzde mühendislik problemlerinin çözümlerinde sıkça kullanılan sonlu eleman programları ile analizler yapılarak ankrajlı iksa sistemine ait deplasmanlar ve kuvvetler bulunabilmektedir.

Bu çalışma kapsamında aşırı deplasman yapmış olan ankrajlı bir iksa sistemi incelenmiştir.

Uygulamaya ait jeolojik verilere göre literatüre uygun zemin parametreleri belirlenmiş ve zemin malzeme modelleri araştırılarak derin kazılara uygun olanı modelleme için seçilmiştir. Sonlu elemanlar modeli oluşturulurken ankrajlı iksa sisteminin inşaat aşamaları, sahanın topoğrafyası ve sistem rijitliği gibi hususlara dikkat edilmiştir. Ankrajlı iksa sistemine ait inklinometre ölçümünden elde edilen yatay deplasmanlar ile analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Zeminin aşırı konsolide kil tabakalarından oluşmasından dolayı aşırı konsolidasyon oranı ile yanal zemin basınç katsayısının deplasmanlara etkisi araştırılmıştır. Aşırı konsolidasyon oranının belli bir seviyenin üzerine çıkması ile yanal toprak basıncının ve yatay gerilmelerin arttığı ve aşırı deplasmanların oluşmasına neden olduğu belirlenmiştir.

Bilim Kodu : 91105

Anahtar Kelimeler : Ankraj, İnklinometre, Aşırı konsolidasyon oranı Sayfa Adedi : 112

Danışman : Prof. Dr. Nihat Sinan IŞIK

COMPARISON OF ANALYSES RESULTS WITH FIELD MEASUREMENTS IN ANCHORED WALLS

(M. Sc. Thesis) Uğur VURAL GAZİ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June, 2019

ABSTRACT

In the city center, building basement floor seems to be a suitable solution to increase the areas of usage. With the increase in depth of basement floors, the construction of anchored retaining systems have started to increase. In order to design anchored retaining systems, lateral earth pressures and displacements during excavation must be known. Several approaches for usage of the lateral earth pressure diagrams have been proposed in the design of anchored retaining systems by many researchers. However, not only the assesment of lateral earth pressure which effects to retaining systems is sufficient to create economical and secure engineering designs, but also assesment and definition of displacements are required. Recently, finite element programs are frequently used for the solution of engineering problems and displacements, forces of anchored retaining systems can be estimated using finite element analyses. In this study, the anchored retaining system, in which excessive displacements have occurred was examined. According to field geological data, soil parameters assigned according to literature are defined and appropriate model for deep excavation is chosen in order to research for soil material models. In the process of modeling, the situation in construction stage of anchored retaining systems, topographical conditions of field and system rigidity are considered.

Lateral displacements which acquired by inclinometer measurements of the anchored retaining system and analyses results were compared. The effect of over-consolidation ratio and lateral earth pressure coefficient on calculated displacements were investigated since ground consisted of overconsolidated clay layers. The increasing of overconsolidation ratio above a certain point, increases the lateral earth pressure and horizontal stress and causes excessive displacements.

Science Code : 91105

Key Words : Anchor, Inclinometer, Over-consolidation ratio Page Number : 112

Supervisor : Prof. Dr. Nihat Sinan IŞIK

TEŞEKKÜR

Tez çalışmamda her zaman bilgisi ve tecrübesi ile bana yardımcı olan hocam Prof. Dr.

Nihat Sinan IŞIK’a, özel sektörde edindiği bilgileri benle paylaşan İnşaat Yüksek Mühendisi Ozan DADAŞBİLGE’ye ve İnşaat Yüksek Mühendisi Şenol ADATEPE’ye, tezimin hazırlanmasında katkılarıyla bana yardımcı olan dostlarım İnşaat Yüksek Mühendisi Anıl ODABAŞ’a ve İnşaat Yüksek Mühendisi Mehmet ÇELİK’e, bana meslek ahlakını öğreten İnşaat Yüksek Mühendisi Mustafa ŞAHİN’e, eğitim hayatımda her zaman yanımda olan annem GülcihanVURAL’a ve babam Nuri VURAL’a, desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen amcam Selim VURAL’a, geleceğe umutla bakmamı sağlayan oğlum Yusuf Kerem VURAL’a ve her zaman yanımda olan eşim Zeynep Betül VURAL’a çok teşekkür ederim.

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... x

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xi

RESİMLERİN LİSTESİ ... xiii

SİMGELER VE KISALTMALAR... xiv

1. GİRİŞ ...

2. LİTERATÜR ÇALIŞMASI ...

2.1. İksa Sistemlerini Etkileyen Yanal Toprak Basınçları ... 3

2.1.1. Yanal toprak basınçları ... 3

2.1.2. Toprak basıncı teorileri ... 10

2.1.3. Şürşarj yük ve su etkisi ... 13

2.1.4. Ankrajlı iksa sistemlerine gelen yükler ... 14

2.2. Ankrajlar ve Bileşenleri ... 19

2.2.1. Ankraj kafası ... 21

2.2.2. Ankraj halatı ... 22

2.2.3. Ankraj kökü ... 23

2.3. Ankrajlı İksa Sistemi Tasarımında Önemli Hususlar ... 29

2.3.1. Ankrajlı iksa sistemi tasarımı ... 29

2.3.2. Sünme ve taban kabarması ... 35

2.3.3. Ankraj yükleme deneyleri ... 36

2.4. İlgili Çalışmalar ... 38

Sayfa

3. MATERYAL VE METOT ...

3.1. Proje Bilgileri ... 41

3.1.1. Zemin profili ... 41

3.1.2. Zemin parametrelerinin seçimi ... 43

3.1.3. Ankraj taşıma kapasitesi ... 47

3.2. Plaxis Programı ... 48

3.2.1. Programın kullanımı ve özellikleri ... 49

3.2.2. Zemin malzeme modelleri ... 51

3.3. Sonlu Eleman Modeli ... 55

3.4. Analiz ve Sonuçları ... 57

3.5. İnklinometre Ölçüm ve Sonuçları ... 60

3.5.1. İnklinometre bileşenleri ve kullanımı... 60

3.5.2. İnklinometre grafikleri ... 63

3.5.3. İnklonometre sonuçları ... 65

3.6. Sap2000 Analiz Sonuçları ... 66

4. BULGULAR ve TARTIŞMA ...

5. SONUÇ VE ÖNERİLER ...

KAYNAKLAR ... 77

EKLER ... 81

Ek-1. Analiz sonuçları (AKO=1) ... 82

Ek-2. Analiz sonuçları (AKO=2) ... 84

Ek-3. Analiz sonuçları (AKO=3) ... 86

Ek-4. Analiz sonuçları (AKO=4) ... 88

Ek-5. Analiz sonuçları (AKO=5) ... 90

Ek-6. Analiz sonuçları (AKO=6) ... 92

Ek-7. Jeolojik veriler ... 94

Sayfa ÖZGEÇMİŞ ... 112

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 2.1. Aktif ve pasif durumlar için gerekli duvar hareketi... 4

Çizelge 2.2. Zemin türlerine göre tipik K0 değerleri ... 7

Çizelge 2.3. Halat mekanik özellikleri ... 22

Çizelge 2.4. Çekme elemanlarının elastisite modulü ... 23

Çizelge 2.5. Kohezyonlu zeminlerde ankraj kökü maksimum birim kayma gerilmesi .. 27

Çizelge 2.6. Kohezyonsuz zeminlerde ankraj kökü maksimum birim kayma gerilmesi 28 Çizelge 2.7. Kayalar için ankraj kökü maksimum birim kayma gerilmesi ... 28

Çizelge 3.1. Zemine ait temsili laboratuvar verileri ... 42

Çizelge 3.2. Analizlerde kullanılan kayma dayanımı parametreleri ... 45

Çizelge 3.3. Drenajlı ve drenajsız deformasyon modülleri... 47

Çizelge 3.4. Malzemelere göre adezyon azaltma faktörü (Rinter ) ... 51

Çizelge 3.5. Pekleşen zemin modelinde parametreler ... 54

Çizelge 3.6. Yapısal elemanlara ait teknik bilgiler ... 56

Çizelge 3.7. Ankraj halatı teknik özellikleri ... 66

Çizelge 3.8. Ankrajlara gelen yükler ... 68

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Toprak basınç katsayıları ... 4

Şekil 2.2. Zemin hareketi ve zemin tanelerinin şekil değişimi ... 5

Şekil 2.3. Laboratuvar deneyleri ile elde edilen K0 ile plastisite indisi PI arasındaki korelasyon ... 5

Şekil 2.4. Sukünetteki yanal toprak basıncı katsayısı ve aşırı konsolidasyon oranının değişimi ... 6

Şekil 2.5. Sükûnet durumundan aktif duruma geçişte zemin gerilmelerindeki değişim 8 Şekil 2.6. Aktif duruma geçişte kesme yenilmesi düzlemlerinin gelişmesi ... 8

Şekil 2.7. Sükûnet durumundan pasif duruma geçişte zemin gerilmelerindeki değişim 9 Şekil 2.8. Pasif duruma geçişte kesme yenilmesi düzlemlerinin gelişmesi ... 9

Şekil 2.9. Coulomb kama yöntemiyle aktif itki ... 10

Şekil 2.10. Coulomb kama yöntemiyle pasif itki ... 11

Şekil 2.11. Rankine teorisi aktif basınç diyagramı ... 11

Şekil 2.12. Kohezyonlu zeminlerde aktif yanal toprak basıncı ... 13

Şekil 2.13. Şürşarj yükün oluşturduğu yanal toprak basıncı ... 13

Şekil 2.14. Suyun oluşturduğu hidrostatik basınç ... 14

Şekil 2.15. İksalı kazılarda yanal toprak itkisinin oluşumu ... 15

Şekil 2.16. Terzaghi ve Peck yanal toprak basınç diyagramları ... 16

Şekil 2.17. Tschebotarioff yanal toprak basıncı diyagramı ... 16

Şekil 2.18. Navfac yanal toprak basıncı diyagramı ... 17

Şekil 2.19. Toprak basınç katsayıları ve duvar deplasmanları ... 18

Şekil 2.20. Terzaghi ve Peck’ in yanal toprak basıncı ile ölçülen yanal toprak basıncının karşılaştırılması ... 19

Şekil 2.21. İmalat şekline göre ankraj tipleri ... 20

Şekil 2.22. Ankraj bileşenleri... 21

Şekil 2.23. Çimento harcı basınç dayanımı ve su/çimento ilişkisi ... 24

Şekil Sayfa

Şekil 2.24. Enjeksiyon basıncı ve ankraj kapasitesi ilişkisi ... 24

Şekil 2.25. Kohezyonsuz zeminlerde, sıkılık ile kök boyunun ankraj taşıma gücüne olan etkisi ... 25

Şekil 2.26. Ard enjeksiyon, plastisite ve kök boyunun sürtünme direncine etkisi ... 26

Şekil 2.27. Ankraj kökünde gerilmelerin oluşumu ... 26

Şekil 2.28. Ankraj kökleri ve kayma düzlemi... 29

Şekil 2.29. Ankraj kökleri, kayma düzlemi ve örtü yükü derinliği... 30

Şekil 2.30. Minimum ankraj yatay aralığı ... 30

Şekil 2.31. Ankrajlı iksa sisteminin yenilme şekilleri ... 32

Şekil 2.32. Kazı tabanı altında katı kil olma durumuna göre taban kabarması ... 36

Şekil 2.33. Performans testinde elastik ve rezidüel hareketlerin çizimi ... 37

Şekil 2.34. Kanıt testinde elastik ve rezidüel hareketlerin çizimi ... 38

Şekil 3.1. Kesit-2 idealize zemin profili ... 42

Şekil 3.2. Zemin numunelerinin likidite indeksine göre sınıflandırması ve derinlik likidite indeksi değişimi ... 43

Şekil 3.3. Plastisite ve f1 değişimi ... 44

Şekil 3.4. Plastisite ve Eu/N değişimi... 46

Şekil 3.5. Ard-enjeksiyonsuz zeminlerde kök boyu ve ortalama sürtünme direnci... 48

Şekil 3.6. Plaxis gerilme ve düğüm noktaları ... 49

Şekil 3.7. Plaxis derin kazılarda geometrik sınırlamalar ... 50

Şekil 3.8. Plaxis modeli ve elemanları ... 50

Şekil 3.9. Mohr – Coulomb modeli ... 52

Şekil 3.10. (a) Ankrajlı iksa siteminde inşaat aşamaları, (b) yanal toprak basıncı katsayının değişimi ... 53

Şekil 3.11. Standart drenajlı üç eksenli basınç deneyinde hiperbolik gerilme-şekil değiştirme ilişkisi ... 54

Şekil 3.12. Sonlu elemanlar modeli ve sınır koşulları ... 55

Şekil 3.13. Analiz modeli... 56

Şekil Sayfa

Şekil 3.14. Analiz sonucu (AKO=1) ... 57

Şekil 3.15. Analiz sonucu (AKO=2) ... 58

Şekil 3.16. Analiz sonucu (AKO=3) ... 58

Şekil 3.17. Analiz sonucu (AKO=4) ... 59

Şekil 3.18. Analiz sonucu (AKO=5) ... 59

Şekil 3.19. Analiz sonucu (AKO=6) ... 60

Şekil 3.20. İnklinometre borusu referans yönü ... 62

Şekil 3.21. Probun bileşenleri ... 63

Şekil 3.22. Artımsal deplasmanlar grafiği ... 64

Şekil 3.23. Toplam deplasmanlar grafiği ... 64

Şekil 3.24. İnklinometre toplam deplasmanlar grafiği... 65

Şekil 3.25. 2 m’deki bileşke deplasman grafiği ... 66

Şekil 3.26. Şürşarj yükün ve zeminin yanal toprak basınçları ... 67

Şekil 3.27. Kesme kuvveti, moment ve deplasman diyagramları ... 68

Şekil 4.1. Aşırı konsolidasyon oranı ve deplasman ilişkisi ... 69

Şekil 4.2. Aşırı konsolidasyon oranı ve eğilme momenti ilişkisi ... 70

Şekil 4.3. Aşırı konsolidasyon oranı ve kesme kuvveti ilişkisi ... 70

Şekil 4.4. Aşırı konsolidasyon oranları analiz sonuçları ve inklinometreye göre derinlik yatay deplasman grafiği ... 71

Şekil 4.5. Eu/cu , plastisite ve aşırı konsolidasyon oranı arasındaki ilişki ... 73

RESİMLERİN LİSTESİ

Resim Sayfa

Resim 2.1. Ankraj kafası bileşenleri ... 22

Resim 3.1. Ek dolgu yükü ... 55

Resim 3.2. İnklinometre bileşenleri ... 61

Resim 3.3. İnklinometre borusu ve birleşimi ... 62

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

Ka Aktif yanal toprak basıncı katsayısı

Kp Pasif yanal toprak basıncı katsayısı

K₀ Sukünetteki yanal toprak basıncı katsayısı

E’ Drenajlı deformasyon modulü

E_u Drenajsız deformasyon modulü

P_a Aktif itki

P_p Pasif itki

γ Birim hacim ağırlık

σx Düşey gerilme

σy Yatay gerilme

Kısaltmalar Açıklamalar

AKO Aşırı konsolidasyon oranı

ASTM American Society for Testing and Materials

BSI British Standard Institution

ÇŞB Çevre ve Şehircilik Bakanlığı

FHWA The Federal Highway Administration

1. GİRİŞ

Yüksek binalarda deprem güvenliğinin artırılması ve zeminin alt tabakalarında taşıma gücünün daha yüksek olmasından dolayı projelerde mühendislerce bodrum kat yapımı tercih edilmektedir. Ayrıca otopark, depo, teknik hacim gibi mekanlara inşaatın emsal alanına dahil olmayan bodrum katlarda yer verilmektedir. Bodrum katların yapımının artması ile şevli kazı yapılamayacak dar alanlarda, geçici ankrajlı iksalar ile kazı güvenliğinin sağlanması amaçlanmaktadır.

Sukünetteki zeminin kontrolsüz kazılması veya uygun dayanma yapıları ile desteklenmemesi halinde zemin göçme durumuna geçerek can ve mal kaybına neden olabilmektedir. Kazı esnasında zemin içerisinde oluşan yanal toprak basınçlarının ve dayanma yapısında oluşacak deplasmanların projelendirme safhasında belirlenmesi gerekmektedir. Coulomb ve Rankine teorileri yanal toprak basınçları ile ilgili en yaygın olarak bilinen teorilerdir. Ancak bu teorilerden elde edilen basınç diyagramları ankraj veya kiriş gibi yatay hareketi kısıtlayan destek elemanları olmadan belirlenmiştir. Bu yüzden ankrajlı iksa sistemlerinde duvar arkasında oluşan toprak itkisi klasik yanal toprak basıncı diyagramlarından farklıdır. Terzaghi & Peck ve Tschebotarioff gibi araştırmacıların ve NAVFAC gibi kurumların önerdiği bazı toprak basınç diyagramları mevcuttur. Bu toprak basıncı diyagramlarının ankrajlı iksa sisteminin ön tasarımı için kullanılması daha uygun gözükmektedir. Çünkü kazı güvenliğinin sağlanması için zemin ve iksa sisteminin deplasmanlarının bilinip sınırlandırmalar yapılması daha ekonomik çözümler bulunmasına yardımcı olacaktır.

Ankrajlı iksa sistemlerinde ekonomik ve güvenli çözümlerin yapılabilmesi için saha ve laboratuvar deneylerinin doğru yapılıp, yorumlanarak uygun zemin parametrelerinin belirlenmesi ve saha koşullarına uygun sonlu eleman modeli oluşturulması gerekmektedir.

Bu tez kapsamında tezin ikinci bölümünde klasik yanal toprak basıncı teorileri, ankrajlı iksa sistemine gelen yükler, ankrajların bileşenleri ve çalışma prensipleri, ankraj köklerinin taşıma kapasitesini etkileyen faktörler, yönetmeliklerin belirlediği sınırlamalar, ankrajlı iksa sistemlerinin yenilme türleri, ankrajlarda sünme etkisi, taban kabarması ve ankraj yükleme deneyler ile ilgili teorik bilgilere ve araştırmalara yer verilmiştir.

Tezin üçüncü bölümünde aşırı deplasman yapmış bir iksa sisteminin vaka analizi yapılmıştır. Çalışma sahasına ait jeolojik veriler değerlendirilmiş, literatürde yapılan çalışmalar incelenmiş ve analizlerde kullanılan zemin parametreleri belirlenmiştir. Ankrajlı iksa sisteminin sahada yapılan uygulamasının sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş ve farklı aşırı konsolidasyon oranlarına göre analizleri yapılmıştır.

Tezin dördüncü bölümünde analizlerden elde edilen sonuçlar ve sahada yapılan ölçümler değerlendirilmiştir. İksa sistemi üzerinde oluşan eğilme momenti, kesme kuvveti ve deplasmanların aşırı konsolidasyon oranlarına göre değişimlerine yer verilmiştir.

Tezin son bölümünde yapılan çalışmalarda kullanılan zemin parametrelerinin literatür ile uyumluluğundan ve yapılan analizlerden elde edilen sonuçlara göre aşırı konsolidasyon oranının iksa sistemi üzerindeki etkilerinden bahsedilmiştir.

2. LİTERATÜR ÇALIŞMASI

2.1. İksa Sistemlerini Etkileyen Yanal Toprak Basınçları

2.1.1. Yanal toprak basınçları

İnşaat uygulamalarında yapılan kazılarda zeminde göçme oluşmaması için uygun bir açı ile şev yapılması veya istinat yapıları ile zeminin hareketinin engellenmesi veya kısıtlanması gerekmektedir. Yeterli çalışma alanı olmayan inşaatlarda şev ile kazı yapılamayacağı için istinat yapıları ile göçmeye karşı güvenlik sağlanmalıdır. Düşey yapı elemanları olan istinat yapılarının tasarımı için yanal toprak basınçları belirlenmelidir.

Yanal toprak basınçları belirlenirken “zeminde herhangi bir noktada yatay efektif gerilmenin düşey efektif gerilmeye oranı” olan yanal toprak basıncı katsayıları kullanılmaktadır [1].

𝐾 =𝜎_𝑥^𝚤

𝜎_𝑦^𝚤 (2.1)

Zeminin hareket yönüne göre değişen yanal toprak basınçları ve katsayıları aşağıda sıralanmış olup, Şekil 2.1’de gösterilmiştir.

 Sukünetteki yanal toprak basıncı (K_o)

 Aktif yanal toprak basıncı (K_a)

 Pasif yanal toprak basıncı (Kp)

Zeminin yatay yönde hareket etmesi ile oluşan deplasman miktarları Çizelge 2.1’de verilen sınır değerleri (H kazı yüksekliği olmak üzere) aşıyorsa aktif veya pasif toprak basıncı oluşmaktadır. Ancak deplasmanlar sınır değerleri aşmıyorsa zeminin yanal toprak basıncı katsayısı, sukünetteki yanal toprak basıncı katsayısına (K0 ) yakınsayarak istinat yapısına gelen kuvvetleri büyük ölçüde değiştirmektedir.

Şekil 2.1. Toprak basınç katsayıları [2]

Çizelge 2.1. Aktif ve pasif durumlar için gerekli duvar hareketi [3]

Zemin Türü Aktif Durum Pasif Durum

Sıkı, kohezyonsuz 0,001H 0,020H

Gevşek, kohezyonsuz 0,004H 0,060H

Sert, kohezyonlu 0,010H 0,020H

Yumuşak, kohezyonlu 0,020H 0,040H

Şekil 2.2’de zeminin hareket yönüne göre zemin tanelerinin davranışları gösterilmiştir.

Zemin aktif duruma geçtiği zaman taneler arasında gevşeme söz konusu iken pasif durumda sıkışma meydana gelmektedir.

Şekil 2.2. Zemin hareketi ve zemin tanelerinin şekil değişimi [2]

Sukünetteki yanal toprak basıncı

İstinat yapısının aşırı rijit olduğu ve zeminin hareket etmediği durumu temsil etmektedir.

Jaky sukünetteki toprak basıncı katsayısı ile içsel sürtünme açısı arasında bir aşağıda verilen bağıntıyı geliştirmiştir [4].

𝐾₀ = (1 − sin ∅^′) (2.2)

Şekil 2.3. Laboratuvar deneyleri ile elde edilen K₀ ile plastisite indisi PI arasındaki korelasyon [5]

Kohezyonlu zeminlerde Massarsch tarafından yapılan çalışmalarda sukünetteki toprak basıncı katsayısının zeminin plastisitesine bağlı olarak arttığı belirlenmiş olup, deneylerden elde ettiği sonuçlar Şekil 2.3’te gösterilmiştir. Mayne ve Kulhawy çalışmasında 48 adet kil numune üstünde üç eksenli basınç deneyi yapmış olup, aşırı konsolidasyon oranı arttıkça sukünetteki yanal toprak basıncı katsayısının arttığını belirlemiştir (Şekil 2.4). Ayrıca bu çalışma üzerinden içsel sürtünme açısı ve aşırı konsolidasyon oranı ile sukünetteki yanal toprak basıncı katsayısının belirlenebileceği bir bağıntı elde edilmiş olup, Eş. 2.3’te gösterilmiştir [6].

Şekil 2.4. Sukünetteki yanal toprak basıncı katsayısı ve aşırı konsolidasyon oranının değişimi [6]

𝐾₀ = (1 − sin ∅^′)𝑂𝐶𝑅^{sin ∅′} (2.3)

Çizelge 2.2. Zemin türlerine göre tipik K0 değerleri [7]

Zemin Türü K₀

Gevşek kum 0,50

Sıkı kum 0,35

Sıkıştırılmış kum 1 – 1,5

Normal konsolide kil 0,5 – 0,7

Aşırı konsolide kil 1 – 4

Sıkıştırılmış kil 1 – 2

Sükünütteki toprak basıncı katsayısı zemin türüne ve gerilme geçmişine göre geniş aralıkta değerler alabilmektedir. Zemin türlerine göre değişen sukünetteki toprak basıncı katsayısı değerleri Çizelge 2.2’de verilmiştir.

P

=

2 (2.4)

Yukarıda verilen bağıntı ile rijit ve hareket etmeyen bir duvara gelen yanal toprak itkisi bulunabilmektedir.

Aktif yanal toprak basıncı

Zeminin kazı yönü doğrultusunda hareket etmesi ile zemin taneleri gevşemekte ve yatay gerilmeler azalmaktadır. Şekil 2.5’te görüleceği üzere yatay gerilmelerin azalması ile zemin aktif duruma geçmektedir. Yeterli deplasman veya gevşeme oluştuktan sonra zemine ait mohr dairesi yenilme düzlemine ulaşmaktadır.

Şekil 2.5. Sükûnet durumundan aktif duruma geçişte zemin gerilmelerindeki değişim [1]

Aktif durumdaki zemin, yatayda 45 + Ø/2 kadar açı yaparak kesme yenilmesi düzlemi oluşturarak dayanma yapısına doğru hareket ettiği Şekil 2.6’da gösterilmiştir.

Şekil 2.6. Aktif duruma geçişte kesme yenilmesi düzlemlerinin gelişmesi [1]

Pasif yanal toprak basıncı

Dayanma yapısının kazı doğrultusuna ters yönde hareket etmesi ile zemin taneleri sıkışmakta ve yatay gerilmeler artmaktadır. Zemin taneleri arasında yeterli sıkışma oluşunca Şekil 2.7’de verilen mohr dairesi büyüyerek yenilme düzlemine temas etmektedir.

Şekil 2.7. Sükûnet durumundan pasif duruma geçişte zemin gerilmelerindeki değişim [1]

Şekil 2.8’de görüldüğü üzere pasif durumdaki zemin yatayda 45 - Ø/2 kadar açı yaparak kesme yenilmesi düzlemi oluşturmuştur.

Şekil 2.8. Pasif duruma geçişte kesme yenilmesi düzlemlerinin gelişmesi [1]

2.1.2. Toprak basıncı teorileri

Günümüzde birçok toprak basıncı teorisi olup, temel alınan ve en çok bilinen teoriler Coulomb ve Rankine teorisidir.

Coulomb toprak basıncı teorisi

Coulomb’un 1776 yılında yayınladığı teorisi; zeminin homojen ve izotrop, kayma ve göçme yüzeyinin düzlemsel, kayan kamanın rijit ve istinat yapısı ile zemin arasında sürtünmenin olduğu gibi kabullere dayanır. Kohezyonsuz zeminlerde geçerli olan bu teoriye göre aktif ve pasif yanal toprak basıncı katsayıları bağıntıları aşağıda verilmiştir.

K_a = Sin²(β + ∅)

Sin²β sin(β − δ) [1 + √Sin(∅+δ)Sin(∅−a) Sin(β−δ)Sin(a+β)] ²

(2.5)

𝑃_𝑎 =¹₂𝛾𝐻²𝐾_𝑎 (2.6)

Şekil 2.9. Coulomb kama yöntemiyle aktif itki [7]

𝐾_𝑝 = Sin²(β − ∅)

𝑆𝑖𝑛²𝛽 sin(𝛽 + 𝛿) [1 − √𝑆𝑖𝑛(∅+𝛿)𝑆𝑖𝑛(∅+𝑎) 𝑆𝑖𝑛(𝛽+𝛿)𝑆𝑖𝑛(𝑎+𝛽)] ²

(2.7)

𝑃_𝑝 =¹₂𝛾𝐻²𝐾_𝑝 (2.8)

Şekil 2.10. Coulomb kama yöntemiyle pasif itki [7]

Rankine toprak basıncı teorisi

Coulomb’un teorisinden farklı olarak Rankine istinat yapısının düşey olduğu ve zemin ile arasında sürtünmenin olmadığı varsayımı ile teorisini oluşturmuştur.

Şekil 2.11. Rankine teorisi aktif basınç diyagramı [8]

Granüler zeminlerde aşağıdaki bağıntılar ile yanal toprak basıncı katsayıları ve itkileri hesaplanmaktadır.

𝐾_𝑎 = Cos aCos a − √𝐶𝑜𝑠² 𝑎 − 𝐶𝑜𝑠²∅

𝐶𝑜𝑠 𝑎 + √𝐶𝑜𝑠² 𝑎 − 𝐶𝑜𝑠²∅ (2.9)

𝑃_𝑎 = 1

2𝛾𝐻²𝐾_𝑎 ( 2.10)

𝐾_𝑝 = Cos aCos a + √𝐶𝑜𝑠²𝑎 − 𝐶𝑜𝑠²∅

𝐶𝑜𝑠 𝑎 − √𝐶𝑜𝑠²𝑎 − 𝐶𝑜𝑠²∅ (2.11)

𝑃_𝑝 =1

2𝛾𝐻²𝐾_𝑝 (2.12)

Kohezyonlu zeminlerde ise yanal toprak basınç katsayıları aynı kalırken itkiler aşağıda verilen bağıntılara göre değişmektedir.

𝑃_𝑎 =¹₂𝐻 (𝛾𝐻𝐾_𝑎− 2𝑐√𝐾𝑎) (2.13)

𝑃_𝑝 =1

2𝐻 (𝛾𝐻𝐾_𝑝+ 2𝑐√𝐾𝑝) (2.14)

Kohezyonlu zeminlerde aktif durumda kohezyondan dolayı zemin taneleri birbirini tutarak çekme gerilmeleri oluştururlar. Zemin yüzeyinden ^2𝑐√𝐾_𝛾 ^𝑎 mesafe derinliğe kadar istinat yapısı ile zemin taneleri arasında temas olmadığı için, bu derinlikten itibaren yanal toprak basıncının oluşacağı kabul edilir.

Şekil 2.12. Kohezyonlu zeminlerde aktif yanal toprak basıncı [9]

2.1.3. Şürşarj yük ve su etkisi

Zemin üzerinde yer alan şürşarj yükleri yanal toprak basıncı katsayıları ile çarpılarak iksa sistemi üzerine etkiletilir.

Şekil 2.13. Şürşarj yükün oluşturduğu yanal toprak basıncı

Zeminde yeraltı suyu mevcut ise yanal toprak basınçları hesaplanırken Şekil 2.14’te görüldüğü üzere su seviyesine göre doygun ve kuru birim hacim ağırlıklar hesaba katılmalıdır. Suyun oluşturacağı hidrostatik basınç da istinat yapısına etkitilmelidir. Yeterli drenaj sağlanamaması durumunda su seviyesi yükselecek hidrostatik basınç artacak ve istinat yapısına tasarlanan üzerinde yükler gelecektir. Bu durumun önlenmesi için temel seviyesinde drenaj borusu yerleştirilmeli ve belirli aralıkla barbakanlar konulmalıdır [10].

Şekil 2.14. Suyun oluşturduğu hidrostatik basınç [10]

2.1.4. Ankrajlı iksa sistemlerine gelen yükler

Ankrajlı iksa sistemleri, konsol ve ağırlık istinat duvarlarından farklı olarak kademeli bir şekilde inşa edilmektedir. Şekil 2.15’te görüldüğü üzere 1. safhada kazı yapılırken iksa sistemi kazı yönüne doğru hareket ederek zemin aktif duruma yaklaşmıştır. 2. safhada ise ankraj yüklemesi yapılıp yeterli gerilme uygulandıktan sonra iksa kazıya ters yönde hareket ederek zeminin belki de pasif davranış göstermesine neden olacaktır. Diğer safhalarda da benzer durumlarla karşılaşılarak iksa sistemine gelen yükler trapezodial bir şekil alacaktır [11].

Şekil 2.15. İksalı kazılarda yanal toprak itkisinin oluşumu [12]

Ankrajlı iksa sistemlerine gelen yükler ile ilgili farklı araştırmacılar tarafından yapılan çalışmaların bir kısmına aşağıda yer verilmiştir. FHWA’da yer alması ve mühendislerce daha çok kullanılması sebebiyle Terzaghi ve Peck’in çalışmasında yer alan toprak basınç diyagramları daha fazla irdelenmiştir.

Terzaghi ve Peck

Terzaghi ve Peck çalışmasında kiriş destekli kazılar için kullanılan yanal toprak basınç diyagramları Şekil 2.16’da verilmiştir. Bu diyagramları oluştururken aşağıdaki kabullerin dikkate alınması gerekmektedir.

 Kazı derinliği 6 metreden fazla olmalı ve genişliği de yeterli olmalıdır. Zeminde kayma dayanımı oluşacak kadar iksa sistemi hareket etmelidir.

 Su seviyesi kazı derinliğinin altında olmalıdır.

 Zemin homojen kabul edilmiş olup, kumlarda drenajlı killerde ise drenajsız durumlar göz önüne alınmıştır.

 Oluşturulan diyagramlar sadece iksa sisteminin gömülü olmayan kısmında uygulanmalıdır.

Şekil 2.16. Terzaghi ve Peck yanal toprak basınç diyagramları [13]

Tschebotarioff

Tschebotarioff tarafından belirlenen yanal toprak basıncı diyagramları Şekil 2.17’de verilmiştir.

Şekil 2.17. Tschebotarioff yanal toprak basıncı diyagramı [7]

Navfac

Navfac tarafından önerilen yanal toprak basıncı diyagramları Şekil 2.18’de verilmiştir.

Şekil 2.18. Navfac yanal toprak basıncı diyagramı [14]

Briaud ve Kim tarafından yapılan çalışmada duvar deplasmanları ve toprak basınç katsayısı arasındaki ilişki belirlenmiş olup, Şekil 2.19’da gösterilmiştir. Yatay kiriş destekli iksa sisteminde içsel sürtünme açısı 30º olan kum için klasik toprak basıncı teorilerine göre aktif yanal toprak basıncı katsayısı 0,33 olması gerekirken Terzaghi ve Peck’in yaklaşımına göre bu değer 0,21’dir. Şekil 2.19’da bu yanal toprak basıncı katsayısı değerine göre iksa üst deplasmanı/kazı yüksekliği oranı 0,002-0,0045 ve ortalama deplasman/kazı yüksekliği oranı 0,0015 – 0,0035 arasında kalmıştır. Bu durumda sabit yanal toprak basınç katsayısına karşılık değişken deplasmanlar oluştuğu anlaşılmaktadır.

Terzaghi ve Peck’in çalışmasında sabit kabul edilen yanal toprak basınçları, aslında mühendisin deplasman tercihine göre değişkenlik göstermektedir. Deplasman miktarı

zeminin aktif veya pasif durumunu etkileyecek ve buna bağlı olarak yanal toprak basınçları değişecektir. Mühendisler sonlu elemanlar ile yaptığı tasarımlarda ankraj yükü ve aralıkları, iksa sisteminin rijitliği gibi parametreleri değiştirerek iksa deplasmanına karar verebilmektedirler İksa sistemlerinde mühendisin tasarımı uygulamanın ekonomik ve güvenli olmasını büyük ölçüde etkilemektedir. Örneğin yüksek ankraj kapasitesi seçilmesi durumunda zemin duvar arkasında pasif itki oluşturup iksa sistemine aşırı yatay kuvvet gelmesine sebep olmaktadır. Düşük ankraj kapasitesi seçilmesinde ise iksa sisteminin aşırı deplasman yapmasına neden olunmaktadır [15].

Şekil 2.19. Toprak basınç katsayıları ve duvar deplasmanları [15]

Swartek ve diğerleri çalışmasında Chicago’da yapılan National Plaza’nın derin kazısını incelemişlerdir. 21,43 m derinliğe kazı yapılması için 6 sıra destek kirişli iksa sistemi tasarlanmıştır. Destek kirişlerine gelen yanal toprak basınçları ölçülerek Terzaghi ve Peck’in yanal toprak basınç diyagramları ile Şekil 2.20’ de görüldüğü üzere karşılaştırılmıştır. Terzaghi ve Peck’in yaklaşımına göre iksa sistemine geldiği hesaplanan yanal toprak basıncı, ölçülenin 1,8 katı olduğu gözlemlenmiştir. Lokal zemin koşullarına göre Terzaghi ve Peck’in yanal toprak basınç diyagramlarının farklılıklar gösterebileceği sonucuna varılmıştır [8].

Şekil 2.20. Terzaghi ve Peck’in yanal toprak basıncı ile ölçülen yanal toprak basıncının karşılaştırılması [8]

2.2. Ankrajlar ve Bileşenleri

Ankrajlar “uygun olmayan zemin koşulları içerisine hemen hemen her yönde yerleştirilebilen, temel malzemesinin çelik tendonların oluşturduğu yük taşıma kapasitesine sahip elemanlar” olarak tanımlanmaktadır [16].

Ankrajlar sadece dayanma yapılarının destek elemanı olarak değil, bunun dışında suyun kaldırma ektisini ortadan kaldırmak, barajlar ve şevlerin stabilizasyonunu sağlamak, köprü ve çadır gibi çekme halatları kullanılan yapılarda mesnet oluşturmak gibi işlevlere de sahiptir.

Ankrajlar imalat şekillerine göre dörde ayrılmaktadır. Şekil 2.21’de görüldüğü üzere çimento harcının; kaya, sert ve katı kohezyonlu zeminlerde yer çekimi ile yerleştirilmesi (Tip-A), fisürlü yumuşak kayalar, alüvyonlar ve kohezyonsuz zeminlerde düşük basınç ile kök çapının artırılarak yerleştirmesi (Tip-B), kohezyonsuz ve sert kohezyonlu zeminlerde yüksek basınç ile harcın çatlaklara girerek yerleştirilmesi (Tip-C), katı-sert kohezyonlu zeminlerde mekanik veya patlatmalı olarak kök çapının huni şeklinde dişler yaptırılıp yerleştirimesi (Tip-D) şeklinde sınıflandırılmaktadır [17].

Şekil 2.21. İmalat şekline göre ankraj tipleri [17]

Ankrajlar kullanım şekline göre pasif ve aktif olarak ikiye ayrılmaktadırlar. Pasif ankrajlar zemin deplasman yaptıkça gerilme oluştururken, aktif ankrajlar imalat aşamasında iken öngerme uygulanarak gerilme oluştururlar.

Ankrajların kullanım süresi 2 yılın üzerinde ise kalıcı ankraj, 2 yılın altında ise geçici ankraj olarak kabul edilmektedir [17].

Şekil 2.22. Ankraj bileşenleri [18]

Ankrajlar bileşenleri Şekil 2.22’de gösterilmiş olup, temel bileşenleri; ankraj kafası, ankraj kökü ve ankraj halatı olmak üzere üçe ayrılmaktadır.

2.2.1. Ankraj kafası

Ankrajlar imal edilirken delgi makinesi ile gerekli çapta delgi yapılır ve halatlar merkezleyici ve ayırıcılarla delgi kuyusuna indirilir. Enjeksiyon işleminden sonra çimento harcı prizini alır, hidrolik kriko yardımıyla halatlar gerilir ve griplerle kilitlenerek ankraj kafası içerisinde sabitlenir. Ankraj kafası ve plaka aracılığıyla yükler kuşak kirişlerine veya perdelere aktarılır. Ankrajın halat sayısına göre kaç delikli kafa olacağı, seçilen halat türüne göre gripin iç ölçüleri ve plaka kalınlığı mühendisin tasarımı ile ortaya çıkmaktadır.

Şekil 2.23’te ankraj kafasının bileşenleri gösterilmiştir.

Resim 2.1. Ankraj kafası bileşenleri [18]

2.2.2. Ankraj halatı

Ankrajlarda çekme elemanı olarak çelikten imal edilmiş çubuk, tel veya halat (tel demeti) kullanılmaktadır. Günümüzde halat kullanımı daha yaygın olup Çizelge 2.3’te çaplarına göre halatların mekanik özellikleri ve Çizelge 2.4’te çekme elemanlarının elastisite modülleri verilmiştir.

Çizelge 2.3. Halat mekanik özellikleri [19]

Halat Çapı (mm)

Minimum Kopma

Dayanımı (kN) Halat Çelik Alanı

(mm²) Halat Ağırlığı

(kg/1000m) 1725 Sınıfı

6,4 40 23 182

7,9 64,5 37 294

9,5 89 52 405

11,1 120 69,7 548

12,7 160 92,9 730

15,2 240 139 1090

1860 Sınıfı

9,53 102 55 430

11,1 138 74,2 580

12,7 184 98,7 780

13,2 200 108 840

14,3 230 124 970

15,2 261 140 1100

15,7 279 150 1200

17,8 353 190 1500

Çizelge 2.4. Çekme elemanlarının elastisite modulü [16]

Tip Açıklama E ort

(N/mm²)

Çubuk - 165 000 - 175 000

Tel Haddelenmiş sargı 192 000

Tel Düzeltilmiş sargı 201 000

Halat Düzenli normal gevşemeli 198 000

Halat Düzenli düşük gevşemeli 200 000

Halat Normal gevşemeli 197 000

Halat Süper düşük gevşemeli 198 000

Halat Dyform 195 000-198 500

2.2.3. Ankraj kökü

Delgi kuyusuna çimento harcı enjekte edilip, priz aldıktan sonra halatlar yardımıyla germe işlemi uygulanır. Kaya veya zemin ile çimento harcı arasında germe işlemi sırasında adezyon kuvveti oluşarak yük aktarımı meydana gelir. Kaya veya zeminin çimento harcı ile oluşturduğu adezyon kuvveti ankrajın servis yükünü belirlemekte kullanılır.

Çimento harcının dayanımının, akışkanlığa karşı direnç ve akma kapasitesi ile olan ilişkisi Şekil 2.23’de verilmiştir. Çimento harcının su içeriği artıkça akışkanlığı ve işlenebilirliği artmakta iken dayanımı azalmaktadır. Akışkanlığı ve işlenebilirliği az olan yüksek dayanımlı çimento harçlarının imalatında basınçlı enjeksiyona uygun ekipmanların olması gerekir. Federal Highway Administration (FHWA)’a göre çimento harcının su/çimento oranı 0.4-0.55 arasında olmalı ve 21 MPa üstünde bir basınç dayanımına sahip olmalıdır [18].

Şekil 2.23. Çimento harcı basınç dayanımı ve su/çimento ilişkisi [16]

Ankraj kök bölgelerinde taşıma kapasitesini artırmak için Tip-C ankrajın imal yöntemine benzeyen ancak zemin harcı prizini aldıktan sonra ikincil bir yüksek basınçla ankraj kökünü genişleten ard enjeksiyon (tube a manchette) yöntemi uygulanmaktadır. Soletanche ve Tamanchu ard enjeksiyon yöntemiyle imal edilen ankrajlar ilgili çalışmasına ait grafik Şekil 2.24’te verilmiş olup, enjeksiyon basıncı artıkça nihai taşıma kapasitesinin arttığı gözükmektedir [16].

Şekil 2.24. Enjeksiyon basıncı ve ankraj kapasitesi ilişkisi [16]

Ostermayer çalışmalarında kohezyonsuz zeminlerle ilgili Şekil 2.25’da görüldüğü üzere sıkılık ve uniformluk katsayısı artıkça taşıma kapasitesinin arttığını belirlemiştir. Ayrıca en ekonomik kök boyunun 6-7 m olduğu ve kök çapının 10 cm den fazla olmasının sürtünme direncini azaltığını tespit etmiştir. [20].

Şekil 2.25. Kohezyonsuz zeminlerde, sıkılık ile kök boyunun ankraj taşıma gücüne olan etkisi [20]

Kohezyonlu zeminlerde ise ard enjeksiyon, plastisite ve kök boyunun sürtünme direnci üzerindeki etkisi Şekil 2.26’da gösterilmiştir. Kohezyonlu zeminlerde plastisite azalıp, kıvamlılık artıkça sürtünme direnci de artmaktadır. Ankraj kökü çapının artmasıyla doğrusal olarak taşıma kapasitesi de artmaktadır. Sürtünme direncinin 100 kN/m² nin üstünde olması durumunda kök uzunluğunun etkisinin azaldığı gözlemlenmiştir. Ard enjeksiyonun sürtünme direncini arttırdığı ve 10 m üzerinde yapılan ankraj köklerinin sürtünme direncini değiştirmediği gözlemlenmiştir [20].

Şekil 2.26. Ard enjeksiyon, plastisite ve kök boyunun sürtünme direncine etkisi [20]

Şekil 2.27. Ankraj kökünde gerilmelerin oluşumu [18]

Ankrajlarda öngerme işlemi sırasında Şekil 2.27’de görüldüğü üzere kökün üst bölgelerinde zemin yenilmeye başlayarak rezidüel duruma doğru geçerken, alt kısımlarında gerilmeler maksimum seviyelere çıkmaktadır [18].

Ankraj açıları 10º - 45º arasında değişmekte olup genelde imalatlarda 10º - 30º arası değerler tercih edilmektedir. Alt tabakalardan daha fazla gerilme almak için açı değerleri artırılırken, ankraja ait yatay kuvvet bileşeni azalıp iksanın daha fazla hareket etmesine sebep olunabilmektedir. Ayrıca ankraj düşey kuvvet bileşeni, ankrajın bağlı olduğu kazık veya perdeye ekstra yükler bindirerek zayıf zeminlerde oturma veya taşıma kapasitesi sorunlarına neden olabilmektedir.

AASHTO’ya göre aşağıdaki imalat koşullarını sağlayan ankrajlar için kullanılacak olan zemin- çimento harcı kayma dayanımları Çizelge 2.5, Çizelge 2.6 ve Çizelge 2.7’de verilmiştir.

 Kök çapı 150 – 200 mm arasında,

 Zemin harcının 1000 kPa civarında

 Ankrajlar arasında en az 4 kök çapı kadar mesafe olmalı.

Çizelge 2.5. Kohezyonlu zeminlerde ankraj kökü maksimum birim kayma gerilmesi [21]

Ankraj tipi

(enjeksiyon basıncı) Zemin türü Kayma dayanımı (kPa)

Zemin – çimento harcı kayma dayanımı fmax (kPa)

Yerçekimi ile enjeksiyon

(<350 kpa) Silt-kil karışımı Katı – çok katı

50 – 200 30 -70

Basınçlı enjeksiyon

(350 – 2800 kpa) Yüksek plastisiteli kil Katı (50-120) Çok katı (120-200)

30 – 100 70-170

Orta plastisiteli kil Katı (50 -120) Çok katı ( 120 – 200)

100-250 140-350

Orta plastisiteli kumlu silt Çok katı 280-380

Çizelge 2.6. Kohezyonsuz zeminlerde ankraj kökü maksimum birim kayma gerilmesi [21]

Ankraj tipi

(enjeksiyon basıncı) Zemin türü Rölatif sıkılık ve SPT N₃₀

Zemin – çimento harcı kayma dayanımı fmax (kPa) Yerçekimi ile enjeksiyon

(<350 kpa) Kum ve kum-çakıl Orta sıkı – sıkı

(N=10-50) 70 -140

Basınçlı enjeksiyon

(350 – 2800 kpa) İnce – orta kum Orta sıkı – sıkı

(N=10-50) 80 – 380

Orta iri kumlu çakıl

Orta sıkı – sıkı (N=10-30) Sıkı – çok sıkı (N=30-50)

110-670 250-950

Siltli kum 170 -400

Kumlu çakıl

Orta sıkı – sıkı (N=10-40) Sıkı – çok sıkı (N=40-50)

210-1400 280-1400

Buzul tortusu Sıkı

(N=30-50) 300-520

Çizelge 2.7. Kayalar için ankraj kökü maksimum birim kayma gerilmesi [21]

Kaya türü Kaya – çimento harcı kayma dayanımı f_max (kPa)

Yumuşak şeyl 200 -800

Ayrışmış grovak 700 - 800

Grovak 800-1700

Kayrak taşı ve sert şeyl 800-1400

Yumuşak kireştaşı 1000-1400

Dolomit kireçtaşı 1400-2100

Granit ve bazalt 1700-3100

FHWA’ya göre ankraj köklerinin taşıma kapasitesi için güvenlik faktörü 2 olarak verilmiştir. Ankrajlara test yüklemesi yaparken tasarım yükünden % 33 daha fazla yük tatbik edilmesi istenmektedir [18].

Ankraj Tasarım Yükü ≤πDL_af_max

2 (2.15)

2.3. Ankrajlı İksa Sistemi Tasarımında Önemli Hususlar

2.3.1. Ankrajlı iksa sistemi tasarımı

Ankrajların yerleşimi ve aralıkları

Ankrajlar, duvar arkasındaki zeminin hareket etmediği kısımda kayma gerilmeleri oluşturarak duvara destek sağlamaktadırlar. Zeminin duvar arkasında hareket eden kısmı aktif kama olarak tanımlanmakta ve kazı seviyesinden 45 + Ø/2 açılı bir düzlem üzerinde hareketin oluştuğu varsayılmaktadır. 45 + Ø/2 düzlemine paralel olarak 1,5 m veya 0,2H uzaklıkta bir düzlem daha belirlenerek ankraj köklerinin minimum bu düzlemin arkasında olması istenmektedir. Ancak hesaplara göre kayma kaması bu düzlemin arkasında ise ankrajların bu kayma kamasının da arkasında yer alması gerekmektedir (Şekil 2.28) [18].

Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’nın (ÇŞB) 31.08.2018 tarih ve 150340 sayılı genelgesinde ise ankraj köklerinin 45 + Ø/2 açısı ile oluşan kayma düzleminden en az 3 m veya 0,2H kadar uzaklıkta olması istenmektedir [22].

Şekil 2.28. Ankraj kökleri ve kayma düzlemi [18]

Şekil 2.29’da görüldüğü üzere ilk ankrajda yeterli örtü yükü oluşması için ankraj kökünün FHWA’ya göre zemin yüzeyinden en az 4,5 m, ÇŞB genelgesine göre ise en az 5 m aşağıda olması gerekmektedir [18, 22]. Ankraj kökleri zemin içinde çaplarının 3 katı büyüklükte bir gerilme bölgesi oluşturmaktadırlar. Delgi sırasında oluşabilecek kaymalarda göz önüne alınarak kökler arasında etkileşim oluşmaması için düşeyde 2 - 3 m aralık bırakılması uygun gözükmektedir [16].

Şekil 2.29. Ankraj kökleri, kayma düzlemi ve örtü yükü derinliği [18]

Ankraj aralıkları kazıklarda veya perdede oluşan moment ve kesme gerilmesinin dengelenmesi için ayarlanabilir. FHWA’a göre ankrajlar arasında yatay mesafe Şekil 2.30’da görüldüğü üzere minimum 1,2 m olması gerekirken, ÇŞB’ye göre bu mesafe 1,1 m olmalıdır [18,22].

Şekil 2.30. Minimum ankraj yatay aralığı [18]

Halat uzunlukları ve yükleme deneyleri

Halatlar için güvenlik faktörü BS 8081:2015+A2:2018’standardına göre 1,5 iken, FHWA’ya göre tasarım yükü maksimum kapasitesinin % 60’ını ve test yükü ise maksimum kapasitesinin % 80’ini geçmemelidir [18,23]. BS 8081’ e göre minimum serbest boy çubuk elemanlar için 2 m ve halatlar için 5 m iken FHWA’ya göre bu değerler sırasıyla 3 m ve 4,5 m dir.

Kök boyu uzunlukları

FHWA’ya göre ankraj kök boyları kayalarda 7 m ve zeminlerde 12 m nin üzerinde olmamalıdır. ÇŞB'ye göre kohezyonlu zeminlerde ankraj kök boyu en az 10 m olması gerekirken, BS 8081’ e göre en fazla 10 m olmalıdır.

Öngerme yükü

ÇŞB’ ye göre kohezyonlu zeminlerde servis yükü 35 tonu geçmemeli iken FHWA’ya göre her zemin türü için zemin parametrelerinin uygun olması durumunda özel ekipmanlar olmadan 26 - 116 ton arasında servis yükü oluşturulabilinir.

Deplasman sınırı

Ankrajlı iksa sisteminin yatay deplasmanı ÇŞB’ ye göre kazı derinliğinin % 0,25 - % 0,5 arasında kalması gerekirken, FHWA’ya göre kumlar ve katı killerde duvar yüksekliğinin

% 0,2 - % 0,5 arasında olmalıdır.

Stabilite güvenlik faktörü

FHWA’ya göre geçici ankrajlarda güvenlik faktörü 1,3 iken kalıcı ankrajlarda 1,5 olmalıdır. ÇŞB’ye göre statik durumda 1,5 iken depremli durumda 1,35 olmalıdır.

Depremli durum analizinin yapılması için ankrajların kullanım süresinin iki yıldan fazla olması yani kalıcı ankraj olması gerekmektedir.

Ankrajlı iksa sistemindeki yenilmeler

Ankrajlı iksa sistemleri; projelerde yapılan hatalardan, hesaba katılmayan beklenmedik durumlardan ve uygulama safhasında yapılan imalat kusurlarından dolayı yenilme durumuna geçip işlevini kaybedebilmektedir. Şekil 2.31’de verilen yenilme türlerine göre tahkiklerin yapılması gerekmektedir. Tek bir ankrajın yenilmesi ile sistemin genel durumu etkilenmezken, yenilen ankraj sayısı artıkça sistemin göçme tehlikesi de artacaktır.

Şekil 2.31. Ankrajlı iksa sisteminin yenilme şekilleri [18]

Tendon çekme yenilmesi

Ankrajlı iksa sistemlerinde ankrajlarda çekme elemanı olarak kullanılan tendonların yeterli kapasitede olmaması veya beklenenden daha fazla çekme gerilmesine maruz kalması durumunda tendonun koparak işlevini yitirmesi ile meydana gelmektedir.

Zemin/Çimento harcının yenilmesi

Zemin ile ankraj kök bölgesindeki çimento harcının arasında yeterli aderans kuvvetinin olmaması durumunda meydana gelmektedir. İmalat aşamasında yapılan hatalar ile çimento harcının kalitesinin düşmesi, proje safhasında yapılan hatalar ile zeminin özelliklerinin yanlış belirlenmesi gibi sebeplerden dolayı yenilme oluşabilmektedir. Bu yenilme türü ankraj yükleme deneyleri esnasında belirlenebilmekte ve buna göre önlemler alınabilmektedir. Zaman içerisinde oluşan sünme olayını tespit edilmesi için yükleme deneyleri sırasında sünme tahkikin unutulmaması gerekmektedir. Aksi durumda ankrajlarda ilk başlarda bir problem gözükmezken, sünmeden dolayı ankraj köklerinde zamanla taşıma kapasitesi azalarak, zemin ve çimento harcı arasında oluşabilecek yenilmeler fark edilemeyecektir.

Tendon/Çimento harcının yenilmesi

Tendon ile çimento harcının arasındaki aderansın yeterli olmaması durumunda ortaya çıkmaktadır. Kalitesiz çimento harcı veya yüzeyi pas, kir tutan tendonların kullanımı, tendonun kök içinden sıyrılmasına sebep olmaktadır. Ankraj yükleme deneyleri sırasında tendonun uzama miktarının takip edilmesi kök içinden sıyrılıp sıyrılmadığının anlaşılmasını sağlamaktır. Ayrıca sıkı kum gibi zeminlerde ve kayalarda çimento harcı ile zemin arasında adezyon kuvveti çok yüksek olduğu için yeterli kesit alanına sahip olmayan tendon seçilmesi ve sadece kökteki taşıma gücü dikkate alınarak yükleme yapılması sıyrılmaya sebep olmaktadır.

Duvar eğilme yenilmesi

Hesaplananın dışında yüklerin oluşması veya yetersiz taşıma kapasitesine sahip iksa duvarı tasarımı veya imalatı yapılmasından kaynaklanmaktadır. Ankrajlı iksa sistemlerinin

analizlerinde hesap modelleri, inşaat kazı kademeleri dikkate alınarak oluşturulduğu için moment ve kesme kuvvetleri bu kazı derinliklerine bağlı olarak değişmektedir. Hesap modeline uymayan kazılar yapılması durumunda oluşabilecek ek kuvvetler duvarın taşıma kapasitesini aşabilir, bu yüzden kazı kademelerine uygun yük boşaltması yapılmalıdır.

Yetersiz pasif itki yenilmesi

Ankrajlı iksa sistemlerinde düşey yapı elemanlarının uygun bir gömülme derinliğine göre tasarlanıp, imal edilmesi gerekir. Bu gömülü kısım sistemin hareket etmesi ile zemin içerisinde yeterli deplasman sağlayıp zeminin sıkışmasına neden olur ve zeminin pasif duruma geçmesini sağlayarak pasif itki oluşturur. Gömülme derinliği sistemin genel stabilitesine katkı sağladığı için projelendirilmesinde gömülme miktarına ve uygulama safhasında kaliteli imalat yapılmasına dikkat edilmelidir.

Konsol yenilmesi

Ankrajsız iksa sistemlerinde yatay dayanma elemanı kullanılmaması ve yeterli gömülme derinliği olmaması durumunda sistem kazı yönüne doğru hareket ederek göçer. Ankrajlı iksa sistemlerinde ise özellikle ilk ankrajın imalatından önce aşırı kazı yapılması durumunda yeterli gömülme derinliği olsa bile yenilme olabilmektedir.

Yetersiz eksenel kapasite yenilmesi

Kaliteli beton imalatı yapılmaması veya son kademe kazının kontrolsüz yapılması durumunda iksa duvarlarının alt kısımlarında boşalmalar meydana gelir ve kazıklar zeminin içerisine oturabilir. Ayrıca öngerme uygulanan ankrajlarda oluşan kuvvetlerin düşey bileşeni iksa sisteminde ek yükler oluşturarak zeminin taşıma kapasitesinin aşılmasına sebep olabilir.

Dönme yenilmesi

Ankrajların gerilmesi ve iksa sisteminin gömülme derinliğinden kaynaklı pasif itkiden dolayı oluşan dönmeye karşı koyucu momentlerin duvar arkasındaki itkilerin oluşturduğu devirici momentlerden daha düşük olması durumunda duvarın rijit bir şekilde dönmesi ile

oluşan yenilme türüdür. Ankraj kökünün zeminin aktif olarak hareket eden kayma kamasının içinde kalması ile ankraj kökleri yeterli gerilme alamayarak dönme hareketini içinde yer alır ve sistemin dönmesine neden olunur.

Kayma yenilmesi

Ankrajların gerilmesi ve pasif itki ile oluşan kaymaya karşı koyucu kuvvetlerin duvar arkasındaki itkilerin oluşturduğu devirici kuvvetlerden daha düşük olması durumunda duvarın rijit bir şekilde kayması ile oluşan yenilme türüdür. Dönme yenilmesindeki gibi ankraj kökünün kayma kamasının içinde kalması sistemin dönmesine neden olmaktadır.

Toptan göçme yenilmesi

Ankraj köklerinin kayma kamasının arkasında, duvarın gömülü kısmının ise kayma kaması ile kesişerek tasarlanması beklenir. Aksi durumda sistemin genel stabilitesi korunması ile ilgili alınan bütün önlemler (ankrajlar ve duvar gibi) zeminin hareket eden kısmında kalarak işlevsiz olacak ve bütün sistem göçecektir.

2.3.2. Sünme ve taban kabarması

Sünme, statik yüklerin zamana bağlı olarak ankraj bileşenleri ve zemin üzerinde deplasman oluşmasına sebep olan bir etkidir [16].

Kohezyonlu zeminlerde konsolidasyon ile beraber ankraj kökleri etrafındaki zeminde su içeriği azalarak dayanım özellikleri artmaktadır. Kısa dönem yüklemede ankraj kökü etrafındaki zeminde su içeri hızlıca değişmezken, yükleme aralıkları ankrajın gerilme zonuna tahrip etmekte ve zeminin plastik akış durumuna geçip, sünme oluşmasına neden olmaktadır. Bu yüzden yükleme deneyleri ile ankrajın ne kadar deplasman yaptığı tespit edilip sınır değerlerin içinde kalıp kalmadığı kontrol edilmelidir [16].

Likidite indeksi 0,2, likit limiti 50 veya plasitisitesi indeksi 20 den daha büyük olan ve bu özelliklerden herhangi birini gösteren kohezyonlu veya organik zeminlerde sünme olayı beklenir [18]. Bu tip zeminlerde yapılan ankrajlarda sünme testi yapılarak güvenliğin sağlanması gerekir.

Plastisitesi yumuşak – orta katı bandı arasında kalan killi zeminlerde kazı tabanında zeminin kabarması ile iksa sisteminin stabilitesinde problemler çıkabilmektedir. Terzaghi tarafından geliştirilen formüle göre taban kabarması aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır. Şekil 2.32’de görüldüğü üzere kazı tabanına ^√2₂ 𝐵 mesafesinden daha yakın bir mesafede (D) katı kil bulunması durumunda Eş. 2.16, bulunmaması durumunda Eş. 2.17 kullanılmaktadır.

Taşıma gücü faktörü Nc 5,7 kabul edilmektedir. FHWA’ya göre kalıcı ankrajlarda taban kabarması güvenlik faktörünün 2,5’ten, geçici ankrajlarda ise 1,5’ten büyük olması istenmektedir.

FS = 1 H

N_cC_u

γ −^C_D^u (2.16)

FS = 1 H

N_cC_u

γ −^√2C_B^u (2.17)

Şekil 2.32. Kazı tabanı altında katı kil olma durumuna göre taban kabarması [18]

2.3.3. Ankraj yükleme deneyleri

Ankrajlar kullanıma alınmadan önce performans, kanıt ve uzatılmış sünme deneylerinden birine tabii tutulmak zorundadır [18, 22]. Uzatılmış sünme deneyi yerine performans ve kanıt deneyi içinde de sünme deneyi yapılabilmektedir.

Performans deneyi ankraj kapasitesi, yük-deformasyon ilişkisi, ankraj hareketi ve serbest boyun tespiti için kullanılmaktadır. Kazı kademelerinin her birinde ilk 2 ankrajda ve geriye kalanın da en az % 2’sinde bu test yapılmalıdır. Ankraj tasarım yükünün % 5’i kadar bir başlangıç yüklemesi yapılır ve oluşan deplasmanlar referans deplasman olarak kabul edilir.

Tasarım yükünün % 25’ine kadar yükleme yapılarak deplasman ölçülür ve tekrar başlangıç yüküne indirilerek kalıcı deplasmanlar belirlenir. Bu şekilde birinci döngü tamamlanırken, devamında % 25 yük artırılarak ikinci döngüde % 50, üçüncü döngüde % 75, dördüncü döngüde % 100 tasarım yüküne kadar yükleme ve boşaltmalar yapılarak deplasmanlar belirlenir. Beşinci döngüde % 120 tasarım yükü için yükleme boşaltma yapılır, eğer ankrajlar geçici olarak kullanılacaksa deney tamamlanır. Ankrajlar kalıcı ise bir döngü daha oluşturulur ve % 133 tasarım yüküne kadar yükleme ve boşaltma işlemleri yapılır.

Sünme beklenen zeminlerde % 150 tasarım yüküne kadar yükleme işlemi yapılır.

Maksimum yükleme yapılırken sünmenin belirlenmesi için 10 dakika beklenir ve belirli zaman aralıklarında deplasman okumaları alınır. Eğer 10 dakikalık bekleme süresinde 1 mm altında deplasman oluşursa ankraj kabul edilir, aksi durumda ise 50 dakika daha beklenip deplasmanlar okunur. Bekleme süresi içesindeki 6 – 60 dakikalık zaman aralığında 2 mm altında deplasman olursa ankraj kabul edilir, olmazsa ankraj iptal edilip yeniden imal edilir.

Şekil 2.33. Performans testinde elastik ve rezidüel hareketlerin çizimi [18]

Kanıt testi performans testlerinden daha hızlı olduğu için performans testi yapılmayan ankrajlarda uygulanır. Tek döngüden oluşan kanıt testinde, performans testindeki gibi bir başlangıç yükü uygulanır ve referans deplasman noktası belirlenir. Tasarım yükünün

%25’i kadar yük artırımları ile kademe kademe yüklemeler yapılır ve her yük kademesinde deplasmanlar okunur. Maksimum yükte 10 dakika beklenip opsiyonel olarak yük geri boşaltılabilir. Yük boşaltma işlemi yapılmadıysa performans testindeki değerler kullanılabilir. Performans testinde verilen sünme ile ilgili kriterler bu test içinde geçerlidir [18].

Şekil 2.34. Kanıt testinde elastik ve rezidüel hareketlerin çizimi [18]

2.4. İlgili Çalışmalar

Bu konu ile ilgili çok sayıda çalışma bulunmakta olup özellikle belli başlı çalışmalara yer verilmiştir.

Clourke ve O’Rourke çalışmasında iksa sistemlerinde kazı esnasında oluşan düşey ve yatay deplasmanlar incelenmiştir. Katı killer, rezidüel zeminler ve kumlarda yapılan çalışmalarda iksa sisteminin yaptığı maksimum deplasmanın kazı yüksekliğinin % 0,5’ni geçmediği belirlenmiştir. Uygulaması yapılmış olan iksa sistemlerinden elde edilen verilere göre ortalama olarak yatay deplasmanın kazı yüksekliğinin % 0,2 ve düşey

deplasmanın ise % 0,15 seviyelerinde kaldığı belirlenmiştir. Zeminin rijitlik modulü ve yanal toprak basıncı katsayısının deplasmanlara etkisinin iksa duvarının rijitliği ve destek elemanlarının aralıklarının oluşturduğu etkiden çok daha fazla olduğu tespit edilmiştir [24].

Keskin, Tekinsoy ve Uzundurukan çalışmasında 4 adet kil numunesi üzerinde yatay deformasyonları ölçebilen ince cidarlı ödometre deneyleri yapmışlardır. Deney sonuçlarından düşey gerilmenin ön konsolidasyon basıncını geçmesi ile sukünetteki toprak basıncı katsayısının (K0) sabit kaldığı tespit edilmiştir. Aşırı konsolidasyon oranının artması ile K0 değerinin arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca deney esnasında zemin üzerinden yük kaldırılarak boşaltma evresine geçildiğinde yataydaki gerilmelerin düşeydekilere göre daha yavaş azalmasından dolayı K₀ değerinin arttığı belirlenmiştir [25] .

Karatağ yüksek lisans tez çalışmasında düşük-yüksek plastisiteli Ankara Kilinde kazı derinliği 13,60 m olan ankrajlı bir iksa sistemini incelemiştir. Kazıya ait inklinometre sonuçları ile sonlu elemanlar programında yaptığı analizlerin sonuçlarını karşılaştırmıştır.

Analizlerde zemin malzeme modeli olarak pekleşen zemin (hardening soil) modeli kullanılmış olup, geri analizler yapılarak drenajsız deformasyon modulü için Eu/c_u=450 bağıntısı bulunmuştur [26].

Aktaş, Çalışan ve Çokça çalışmasında yüksek plastisiteli ve aşırı konsolide Ankara Kilinde 18,5 m derinliğindeki kazıda inklinometre ölçümleri ile sonlu elemanlar programında yapılan analizlerden elde edilen deplasmanları karşılaştırmışlardır. Sonlu eleman programında derin kazılar için sıkça tercih edilen Mohr – Coulomb (MC), Hardening Soil (HS) ve Hardening Soil Small (Hssmall) zemin malzeme modellerini kullanılıp geri analizler yapılarak en uygun zemin parametrelerinin bulunması amaçlanmıştır.

İnklinometre sonuçlarına en çok yaklaşan model Hssmall olup, HS’nin de yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Yapılan geri analizler sonucunda HS ve Hssmall modellerinden elde edilen sonuçlara göre deformasyon modulleri için Eu/cu=280 ve E’=0,84xSPT-N MPa bağıntılarını bulmuşlardır [27].