Geri Dön

The investigation of stability of tunnels and settlements with centrifuge modelling

Santrifüj modelleme ile tünel stabilitesi ve oturmaların araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 349644
  2. Yazar: TUĞÇE ERTAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYFER ERKEN, PROF. DR. WEI WU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 143

Özet

Dünya üzerindeki şehirlerin gelişimi sürdürdükçe yaşanan yer problemleri yer altı sistemlerinin kullanımını zorunlu hale getirmektedir. Genellikle ulaşım problemlerine çözüm sağlayan tünellerin artık yaygın olarak kullanılmaya başlanmasına rağmen, büyük şehirlerde tünel inşaatı beraberinde önemli problemleride açığa çıkarmaktadır.Bilindiği gibi inşaat metodu ne olursa olsun, tünel açımı sırasında deformasyonların oluşumu kaçınılmazdır. Spt değeri 50'den düşük olan zeminlerde, genellikle tünel açma makineleri (TBM) kullanılmaktadır. Bu makineler, tünel yüzeyinin kazılması esnasında, yüzeylere basınç uygular. Teoride, aktif toprak basıncı ile tünel kazım esnasında uygulanan basınç birbirine eşit olur ise, tünel açma esnasında herhangi bir deformasyon oluşmaz. Ancak, tünel yüzeylerine uygulanan basınçların artması, inşaat sürelerinin ve maliyetlerinin artmasına neden olduğu için, genellikle inşaat aşamasında basınçlar doğru ayarlanamamakta ve zeminde deformasyonlar gözlenmektedir. Aynı şekilde sığ tünellerin imalatı esnasında deformasyon problemi ile karşılaşılabilmektedir. Eğer tünel çapı D, tünel merkezinden zemin yüzeyine mesafe C olarak tanımlanırsa, C/D oranının 0.5 olması halinde tünel çeperindeki deformasyon, zemin yüzeyine ulaşacaktır. Bu deformasyonlar çevre yapılarda büyük hasarlar meydana getirebileceğinden, inşaat öncesinde ne kadar deformasyonun oluşabileceği hesaplanmalı ve gerekli önlemler alınmalıdır.Günümüzde birçok numerik analiz programı yardımıyla bilgisayar ortamında deformasyonlar rahatlıkla hesaplanabilmektedir. Ancak, zemin parametrelerinde küçük alanlarda oluşabilen büyük değişiklikler kesin deformasyonların bulunmasını engellemekte, yalnızca yaklaşık sonuçlar elde edilmesine olanak sağlanmaktadır.Bu durum büyük projelerde ve özellikle spt değeri elliden küçük olan zeminlerde, sığ tünellerin inşaatı sırasında belirsizlikler yaşanmasına neden olabilmektedir. Belirsizliklerin giderilebilmesi ise ancak gerçek bir modelleme ile mümkündür.Santrifüj modelleme, gerçekte varolan bir durumun N kere küçültülerek modellenmesidir. Aynı koşullar yer çekimi ivmesinin N kere büyütülmesi ile sağlanır. Örneğin gerilme formülünü, ?vm= ?Ng hm olarak yazarsak, modelde oluşacak gerilme ?vp= ?g hp formülündeki kadardır. Zemine ait parametre olan özgül ağırlık ve yerçekimi ivmeleri değişmediğinden hm= hpN-1, ?vm= ?vp. Buradan da çıkarılabileceği gibi aynı gerilme uygulanmasına rağmen model, doğal koşullarından N kat küçük olarak modellenebilmektedir. Bu yöntem kullanılarak tüm büyüklükler N'in katları olarak küçültülebilir.Bu araştırmada kullanılan Santrifüj makinesi Bodunkultur Üniversitesi, Viyana' daki geoteknik laboratuarlarında bulunan, Trio- Tech tarafından 1989 yılında üretilmiş bir kiriş santrifüj makinesidir. 3.0 m çapında olan kiriş santrifüj makinesi, 10 ton yük kapasitesine, 56 adet kontak bileziğine sahiptir, 15 HP DC motor yardımı ile 0 ile 200 g arasında radial ivmeye ulaşabilmektedir.Merkezine sabit, dönebilen kollardan dolayı bu ismi almış olan makinede, motor, sistemdeki kolları dönmeye zorlar. Her bir dönen kolun sonunda sallanan bir sepet bulunur, bu sepetlerden birine model, diğerine ise simetriyi bozmamak için modele eş büyüklükte ağırlık yerleştirilir. Yer çekimi ivmesinin (g), N kere büyütülmesi kolun dönme hızını arttırarak gerçekleştirilir.N kere küçültülmüş model santrifuj makinesine yerleştirildikten sonra, N kadar büyütülmüş yer çekimi ivmesi (g)' ye ulaşana kadar, dönen kolun hızı arttırılır. Bu işlem bir kontrol odasından yapılır. Deney sırasında bir fotograf makinesi, sürekli olarak (yaklaşık olarak 6 sn'de bir) fotograf çeker, bu sayede modelde deney sırasında oluşan göçmeler, oturmalar vs.deney başlangıcında çekilen fotograf ile PIV programı yardımı ile karşılaştırılır. PIV (Particle Image Velocimetry), matlap içinde çalışan bir programdır ve iki ya da daha fazla resmi üst üste koyarak, model içindeki zeminin hareketini verir.Bu çalışmada, Gregor Idinger tarafından hazırlanan deney düzeneği yardımı ile, değişik parametrelerin (zemin yüzeyine yük olup olmaması, farklı zemin koşulları, tünel yapımı sırasında yapılan destekler, son olarak da tünel üzerindeki tabaka kalınlığının değişimi) tünel yüzey basıncı, oturmalar üzerindeki etkisi incelendi.Deney düzeneğini oluşturmak için üç adet aluminyum plaka ve bir adet 10 cm kalınlığında cam kullanılarak 441x 155 cm iç ebatlarında bir kutu hazırlandı, kutunun iç kısmına maksimum deformasyonların oluştuğu bölgeyi görebilmek için, tünel ekseninden dik kesilmiş olarak modellenen deney düzeneği yerleştirildi, tünel modeli deney düzeneği lineer tetikleyici, yük hücresi, deformasyon ölçer, CCD kamera ve aydınlatma birimlerinden oluşmaktadır. Düzeneğin üzeri kum tabakaları ile doldurularak zemin profili oluşturuldu, kumun yerleştirilmesi esnasında relatif sıkılığın her yerde aynı değeri alması için, kumun yerleştirilmesi işlemi bir huni yardımı ile aynı yükseklikten yapıldı, yerleştirme işlemi tamamlandıktan sonra, tabaka yüzeyinin düzeltilmesi dışında herhangi bir işlem yapılmadı. Aydınlatma işlemi, hazırlanan kutunun sol ve sağ tarfına led ışıklar monte edilerek sağlandı.Deney esnasında, düzenek büyük hızlara ulaştığı için, santrifüj makinesinin içine yerleştirilen bir kameradan alınan görüntüler kontrol odasından takip edilmektedir, çalışma esnasında bir problemle karşılaşmaması esnasında, daha önce belirlenen yer çekimi ivmesi değerine (Nxg) ulaşana kadar düzenek kontrollü olarak hızlandırılır. İstenilen değere ulaşıldıktan sonra, bilgisayar komutları ile tünel basıncı azaltılır. Tünelin yatay hareketi, linear tetikleyici ile kontrol edilir, tünel basıncının azaltılması ise, tünel içindeki pistonun linear tetikleyici yardımı ile, tünel yüzeyinin 500 adımda 5 mm geri çekilmesi ile elde edilir.Tünel yüzeyindeki hareketin, oturmalar üzerindeki etkisini inceleyebilmek amacı ile daha önce pistonun arkasına yerleştirilmiş olan bir yük hücresi ve deformasyon ölçerin kayıtları tutulur. Bu yöntem, tünel yüzeyinde oluşan hareket ile yüzey basıncının ve oturmaların değişimini incelemeye olanak sağlamaktadır. Deney esnasında aynı açıdan 6 saniyede bir alınan fotoğraflar kullanılarak, matlab içinde çalışan GeoPIV programı ile yüzey hareketleri kesin olarak belirlenebilmektedir.Çalışma esnasında, iki farklı kuru temiz kum kullanıldı, farklı dane çapı dağılımına sahip kum zeminlerde, sürsarj yükü ya da tekstil kullanarak , yer çekimi ivmesinin 75g olduğu durumda yedi adet deney yapıldı. Deney düzeneğinin 75 g değerine ulaşabilmesi için, kiriş santrifüj makinesinin merkezine sabit kollar, dakikada 237 tur yapacak şekilde 136 km/sa hız ile dönmektedir.Sürsarj yükü olarak, 5 katlı bir binanın zemin yüzeyinde bulunduğu kabulüne göre iki adet deney yapıldı. 12mx14m oturma alanına sahip 5 katlı bir binanın ağırlığı, Kat sayısı*oturma alanı*1.1 (ton/m2) formülüne göre yaklaşık 924 ton olarak hesaplanır, ancak modelleme esnasında ağırlık 1/N3 ile orantılı olarak küçültülmektedir. Modelleme esnasında sürsarj yükü 924/ 753 formülünden yaklaşık 2 kg olarak hesaplandı.Yedi deneyden, 5 adedi C/D oranı 0.5 olarak sabit iken, diğer iki adedi C/D oranı 1.0 değerinde sabit olarak tutuldu, böylece yüzeye oluşan deformasyonların tabaka kalınlığına bağlı olarak inşaasının yüzey oturmaları üzerindeki etkiside incelendi.Deneylerin değerlendirilmesi sonucu zemin yüzeyinde oluşan oturmalar için elde edilen veriler;1)Zemin yüzeyinde, ekstra yapı ya da yükün var olması durumunda yüzey oturmaları yükün artışı ile doğru orantılı olarak artış gösterir,2)Zemin özelliklerinin değişmesi durumunda, yüzey oturmaları, yüzeyde sürsarj yükünün olduğu durumdan daha fazla değişim gösterebilir,3)Tünel çeperlerinde yapılan iyileştirme çalışmaları, yüzey oturmalarının önlenmesinde etkili olabilmektedir,4)Tünel üzerinde ki tabaka kalınlığının arttırılabilmesi halinde, tünel yüzeyine etki eden oturmalar minimize edilebilir.Tünel yüzey basıncının değişimi ile ilgili elde edilen veriler;1)Zemin yüzeyinde ekstra yapı ya da yükün olması durumunda, maksimim yüzey basıncı yükün büyüklüğüne bağlı olarak değişir,2)İki farklı zemin kullanılması durumunda, yüzey basınçlarında büyük değişiklikler görülebilir,3)Tekstil kullanımı yüzey basınçlarını azaltır.Tünel yüzey basıncı , tünel merkezinin yukarısındaki gerilme değerlerine, sürsarj yüküne, tabaka kalınlığının artmasına bağlı olarak artar. Ancak, tekstil kullanımı ile, oluşan maksimum yüzey basıncı değerleri azaltılabildiği gibi, herhangi bir göçme olması engellenebilir.

Özet (Çeviri)

In most of the larger cities underground transportation systems are preferred. Such systems are constructed in urban areas and involve a tunnel, especially in soft ground and in shallow zones. Underground structures are most well-known challenge for civil engineers in respect to planning of the measurements and performing of underground structure.One of major concerns for tunneling operations in urban area is the effect on neighbouring buildings, because the tunneling operation and near structures highly interact with each other. Whatever the used construction method is, the excavation of a tunnel causes displacement around the openning and may expand towards the ground surface. The dislocations of the buildings interact with the ground movement, and the rigidity of existing structures will promote reduction of the magnitude of displacements induced by tunnelling.The lateral displacements of heavily strengthened buildings will be smaller than the foundation ground. When compared to ground distortions, the flexural stiffness of these structures causes distortions to be reduced, especially if continuous foundation supports are used (long strip footing or raft). Stiff structures show a tendancy to be exposed to tilt rather than distortion and exhibit a great resistance against shear stress. This reaction form is related to the building height (flor number), the number of openings and type of structure (concrete walls, beams and pillars,etc.).In this thesis, to determine displacements, centrifuge modelling is used. The small scale centrifuge model, which is newly designed, provided dependable information about the face collapse of a shallow tunnel. A required support pressure for shield driven tunnels in soft materials, and the ground deformations along the longitudinal section of the tunnel model, can be identified by simulating a loss of tunnel face stability.In soft ground and shallow zones, formation of deformations which are taking place according to the different soil grain size, different line thickness and whether there is a structure on the surface or not is discussed in this thesis.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    611270

    Tünel kazılarından kaynaklanan yüzey oturmalarının betonarme binalarda etkilerinin incelenmesi

    Investigation of the effects of tunnel induced settlements on the reinforced concrete buildings

    ENES ÖZAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL

  2. Tez No

    363871

    Metro tünelleri üstyapı etkileşimleri

    Subway tunnels superstructure interactions

    BURCU KAŞIKÇI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU

  3. Tez No

    321344

    Investigation of face stability and surface settlement at earth pressure balance (EPB) tunneling method

    Zemin basıncı dengeleme tünelcilik yönteminde (ZBD) ayna duraylılığı ve yer üstü oturmalarının incelenmesi

    HAMİD CHAKERİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHTİYAR ÜNVER

  4. Tez No

    332898

    Oyuk genişlemesi probleminin sonlu elemanlar yöntemi ile iki boyutlu sayısal analizi

    Two dimensional numerical analysis of cavity expanison problem with finite element methods

    EMİN ŞENGÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METE İNCECİK

    DOÇ. DR. MEHMET BERİLGEN

  5. Tez No

    547666

    Jet grouting, enjeksiyon ve taş kolon uygulamalarının taşıma gücü ve oturma davranışlarının sayısal yöntemlerle karşılaştırılması

    Comparison of jet grouting, cement grouting and stone column applications with numerical methods in terms of bearing capacity and total settlement

    MUSTAFA ATICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR

Geri Dön