Investigation of the behavior and effects of passive side reinforcement on in-situ retaining structures
Pasif yan takviyenın kast yapı üzerindeki davranış ve etkilerinin incelenmesi
- Tez No: 911471
- Danışmanlar: Prof. Dr. AYKUT ŞENOL, DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA NİL KUTLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Derin kazılar, özellikle yerleşim alanlarının yoğun olduğu şehirlerde kısıtlı arazi kullanımı ve yer altı alanlarına duyulan ihtiyacın artması nedeniyle kentsel altyapı gelişimi için oldukça önemlidir. Derin kazılar; metro, tünel, otopark ve altyapı hatları gibi yapıların inşasındaki rolüyle modern şehirlerin karmaşık yapısını desteklemek açısından kritik bir rol oynamaktadır. Bu kazıların stabilitesini sağlamak, karmaşık mühendislik tasarımlarını da beraberinde getirir. Kazı derinlikleri arttıkça, çevredeki zemin tarafından uygulanan yatay toprak basınçları da artar ve göçmeyi önlemek, zemin hareketini en aza indirmek ve bitişik yapıları korumak için gelişmiş destek sistemlerinin kullanılması gerekir. Destekli iksa duvarları ve ankrajlı iksa duvarları gibi geleneksel kazı destek sistemleri, kentsel kazı projelerinde yaygın olarak kullanılmasına rağmen, bu yöntemlerin bazı sınırlamaları vardır. Bu sistemlerin kurulumu genellikle yüksek maliyetlidir, zaman alıcıdır ve geniş uygulama alanları gerektirir, bu da sıkışık kentsel alanlarda uygulanmalarını zorlaştırır. Ayrıca, bu sistemlerin imalatları karmaşıktır ve mevcut altyapı hatlarıyla çakışma potansiyeli taşırlar, bu da uygulanmalarını daha da zorlaştırır. Bu nedenlerle, derin kazı projelerinin stabilitesini ve uygulanabilirliğini artırabilecek yenilikçi tekniklere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu tez, derin kazılarda yatay yük dengesini optimize etmek için pasif zemin güçlendirme kullanımını araştırarak iksa sistemleri için yenilikçi bir çözüm bulmayı amaçlamaktadır. Tez çalışması kapsamında, istinat yapılarının pasif bölgesinde takviye olarak kullanılan toprak-çimento bloklarının kullanımına odaklanılmakta ve geleneksel yöntemlere kıyasla çeşitli avantajlar sunan bu yenilikçi yaklaşım tanıtılmaktadır. Kentsel genişlemenin bir sonucu olarak yer altı alanlarına duyulan talebin artması, tez konusunun temel sebebini oluşturmaktadır. Şehirlerde yapılaşma yoğunlaştıkça, yer altı yapılarının gerekliliği daha da artmakta ve derin kazı projelerinin sayısı da buna paralel olarak çoğalmaktadır. Bununla birlikte, şehirleşme ile birlikte, özellikle kazı duvarlarının stabilitesini sağlama konusundaki tasarım zorlukları da artmaktadır. Bu duvarlar, çevredeki toprak kütlesi ve yapılar tarafından uygulanan yatay basınçlara dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Küçük zemin hareketleri bile, komşu binalar, yollar, altyapı hatları ve ulaşım sistemlerinde ciddi yapısal hasarlara yol açabilir. Bu riskleri azaltmanın maliyeti yüksektir ve stabil kazı tasarımlarının uygulanması ise ek zorluklar getirir. Derin kazıların stabilizasyonu için kullanılan geleneksel yöntemlerden başlıcaları, destekli iksa duvarları ve ankrajlı iksa duvarları gibi sistemlerdir, ancak bu yöntemlerin de bazı sınırlamaları vardır. Destekli iksa duvarları, yatay toprak basınçlarına karşı koymak için karşılıklı yerleştirilmiş yatay destekler kullanırlar. Ancak, bu destekler kazı faaliyetlerine engel olabilmekte ve inşaat sürecini yavaşlatabilmektedir. Ayrıca kazı derinliği arttıkça gereken destek sayısı da artar ve saha lojistiğini daha da zorlaştırır. Ankrajlı iksa duvarlarında ise kazının arkasındaki toprağa yerleştirilen ankrajlar yatay desteği sağlarlar. Destekli iksa duvarlarından daha fazla alan verimliliği sunsalar da, bu sistemin belirli zemin koşullarında uygulanması zor olabilir ve ankrajlar yer altı altyapı hatlarıyla çakışabilirler, bu da onları yoğun kentsel ortamlar için daha az uygun hale getirir. Ayrıca, hem destekli hem de ankrajlı iksa sistemleri, özellikle derin kazılar ve zorlayıcı zemin koşullarına sahip büyük ölçekli projelerde pahalı ve zaman alıcıdır. Tez çalışmasında bu klasik metodlara alternatif olarak, Pasif Zemin Güçlendirmesi ile Yatay Denge Optimizasyonu (PERLEO) metodolojisi tanıtılmaktadır. Bu yaklaşımda, istinat duvarlarının pasif bölgesine yerleştirilen toprak-çimento takviyesi ile derin kazılarda yatay stabilitenin arttırılması hedeflenemektedir. Geleneksel yöntemlerin aksine, PERLEO aktif destek sistemleri (destekler veya ankrajlar gibi) yerine, toprak-çimento bloklarının pasif direncinden faydalanmaktadır. Bu toprak-çimento takviyesi, istinat yapısının pasif basınç bölgesine yerleştirilerek yatay toprak basınçlarına karşı ek direnç sağlar. Zeminin pasif direncini artırarak, hem yatay deplasmanı hem de istinat duvarlarındaki eğilme momentlerini azaltır ve bu şekilde genel kazı stabilitesine katkı sunar. Tez, bu yaklaşımın birkaç önemli avantajını vurgulamaktadır. İlk olarak, aktif sistemler yerine pasif takviye kullanılarak, yatay destekler veya ankrajlar gibi elemanların gerekliliği azaltılmakta, böylece kazı alanı inşaat ve kazı faaliyetleri için daha erişilebilir hale gelmektedir. İkinci olarak, toprak-çimento takviyeleri, farklı kazı geometrilerine ve zemin koşullarına daha iyi uyum sağlayarak daha esnek tasarım seçenekleri sunmaktadır. Son olarak, PERLEO metodolojisi kazı sırasında zemin hareketlerini azaltmaya yardımcı olur, bu da özellikle bitişik binalar ve altyapı hatlarının zarar görme riskinin arttığı kentsel alanlarda kritik öneme sahiptir. Bu tez kapsamında, derin kazılarda iksa duvarları için pasif yanal takviye olarak kullanılan toprak-çimento bloklarının performansı değerlendirilmektedir. Çalışma kapsamında, farklı geometrik konfigürasyonlardaki toprak-çimento takviyelerinin verimliliğini anlamak için, yatay deplasman ve eğilme momentlerine olan etkileri değerlendirilmiştir. Bu amaçla, analizlerde sonlu elemanlar yöntemi (FEM), PLAXIS 2D yazılımı vasıtasıyla kullanılmaktadır. Seçilen sonlu elemanlar yöntemi, karmaşık geoteknik problemleri analiz etmek için uygundur, çünkü değişken koşullar altında zemin-yapı etkileşimini ayrıntılı bir şekilde simüle etme imkanı sağlar. Araştırma, toprak-çimento bloklarının uzunluk, genişlik ve şekil gibi farklı geometrik konfigürasyonlarının istinat duvarlarının stabilitesini nasıl etkilediğini değerlendirmeyi amaçlayan bir dizi parametrik çalışmayı içermektedir. Sayısal analiz sonuçları, yer altı suyu gibi faktörleri dışarıda tutarak, pasif takviyenin istinat duvarı davranışı üzerindeki etkilerini net bir şekilde anlamaya odaklanmaktadır. Tezde, dikdörtgen ve trapez bloklar dahil olmak üzere çeşitli geometrik konfigürasyonlarda toprak-çimento takviyeleri sayısal olarak modellenmekte ve bu takviyelerin boyutlarının kazı stabilitesini nasıl etkilediği değerlendirilmektedir. Parametrik çalışmanın ana hedeflerinden biri de, stabiliteyi maksimize etmeye çalışırken malzeme kullanımını en aza indirecek şekilde toprak-çimento bloklarının optimum boyutlarını belirlemektir. Tez kapsamındaki sayısal analiz sonuçları birkaç önemli bulgu ortaya koymaktadır. İlk olarak, toprak-çimento bloklarının uzunluğunun (L) ve genişliğinin (B) arttırılmasının, genel olarak, hem yatay deplasmanın hem de istinat duvarlarındaki eğilme momentlerinin azalmasına yol açtığı tespit edilmiştir. Ancak, çalışmada belirli bir toprak-çimento takviye alanından sonra uzunluk ve genişliğin daha fazla artırılmasının artık önemli bir fayda sağlamadığı görülmüştür. Bu bulgu, performansın maksimum olduğu ve gereksiz malzeme kullanımının önlendiği optimal bir boyut aralığı olduğunu göstermektedir. İkinci olarak, çalışma dikdörtgen ve trapez toprak-çimento bloklarının performansını karşılaştırmaktadır. Dikdörtgen blokların, daha düzgün bir gerilme dağılımı sağladığı için, yatay deplasmanın azaltılmasında daha etkili olduğu görülmektedir. Trapez bloklar ise, yatay deplasmanın azaltılmasında dikdörtgen bloklar kadar başarılı olamamaktadır. Ayrıca araştırma, trapez toprak-çimento bloklarının taban genişliğinin değiştirilmesinin etkisini de incelemektedir. Taban genişliğinin artırılması hem yatay deplasmanın hem de eğilme momentlerinin azaltılmasına katkı sağlar, ancak bu parametrelerde de benzer şekilde bir noktadan sonra optimum geometriye ulaşıldığı gözlemlenmektedir. Tez kapsamında ayrıca toprak-çimento bloklar ve toprak-çimento kolonlar pasif takviye elemanları olarak karşılaştırılmıştır. Araştırma, iki boyutlu analiz sonuçlarında, toprak-çimento bloklarının, kolonlardan daha iyi performans gösterdiğini ve yatay deplasmanın ve eğilme momentlerinin azaltılmasında daha etkili olduğunu ortaya koymaktadır. Blokların performansının daha iyi olmasının sebebi olarak blok geometrisinin, mekanik kenetlenme ve yük transferini kolonlara kıyasla daha iyi sağladığı düşünülmektedir. Bu bulgu, derin kazı destek sistemlerinin tasarımı için, blokların belirli durumlarda kolonlardan daha etkili ve ekonomik bir seçenek olabileceğini göstermektedir. Parametrik çalışmaların yanı sıra tezde, sayısal analizlerin sonuçlarına dayanarak tasarım tablolarının geliştirilmesi de önemli bir yer tutmaktadır. Bu tablolar yardımıyla mühendislerin iksa duvarlarında oluşabilecek yatay deplasman ve eğilme momentlerini tahmin edebilmesi ve tasarım geometrisini optimize edebilmesi hedeflenmiştir. Tablolarda normalleştirilmiş parametrelerin kullanılması, tabloların geniş bir kazı geometrisi ve toprak-çimento takviye konfigürasyonu yelpazesi boyunca uygulanabilir olmasını sağlamaktadır. Bu sayede tablolardan çeşitli proje ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde faydalanılması sağlanacaktır. Bu tasarım tablolarının geliştirilmesi, derin kazı tasarımlarının optimize edilmesinde geoteknik mühendislerine bir kaynak sunmayı amaçlayan tezin en önemli katkılarından biri olarak öne çıkmaktadır. Sonuç olarak, bu tezde sunulan araştırma kapsamında, geoteknik mühendisliği alanına birkaç önemli katkı sağlanmaktadır. PERLEO metodolojisi, derin kazılarda yatay dengeyi optimize etmek için yenilikçi bir yaklaşım sunmakta ve kazı projelerinin stabilitesini ve güvenliğini önemli ölçüde artırma potansiyeline sahiptir. Toprak-çimento bloklarının pasif takviye olarak kullanılması, geleneksel destek sistemlerinin getirdiği zorluklara karşı etkili ve uygulanabilir bir çözüm sunmakta, daha esnek tasarım seçenekleri sağlayarak yatay destek ve ankraj gibi elemanların gereksinimini azaltmaktadır. Sonlu elemanlar metodu kullanılarak gerçekleştirilen parametrik çalışmalar, toprak-çimento takviyelerinin optimum boyutları ve konfigürasyonları hakkında değerli bilgiler sunmaktadır. Bununla birlikte hazırlanan tasarım tabloları mühendisler için ön tasarımda kullanılabilecek pratik bir araç sunmaktadır. Genel olarak, bu çalışma kapsamında, pasif zemin güçlendirme sistemleri derin kazı projelerinin güvenliğini ve verimliliğini artırabilecek yenilikçi bir metod olarak sunulmaktadır. PERLEO metodolojisi, geoteknik mühendisliğinde daha güvenli, daha az maliyetli ve daha verimli kazı uygulamalarının önünü açan umut verici bir metod olarak değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
Deep excavations are important for urban infrastructure development, particularly in densely populated cities where land is scarce, and the demand for underground spaces continues to grow. From subways and tunnels to parking facilities and utility lines, deep excavations are critical to supporting the increasing complexity of modern urban environments. However, maintaining the stability of these excavations presents significant engineering challenges. As excavation depths increase, so do the lateral earth pressures exerted by surrounding soils, necessitating the use of advanced support systems to prevent collapse, minimize ground movement, and protect adjacent structures. Traditional support systems, such as braced walls and anchored retaining walls, have been widely used in urban excavation projects, but they are not without their limitations. These methods often come with high installation costs, are time-consuming, and require large amounts of space, which can be impractical in confined urban settings. The complexity of their installation and the potential for interference with existing utilities further complicate their use. As a result, there is a growing need for innovative techniques that can improve the stability and efficiency of deep excavation projects. This thesis addresses these challenges by exploring the optimization of lateral equilibrium in deep excavations using passive earth reinforcement. Specifically, the research focuses on the use of soil-cement blocks as reinforcement in the passive zone of retaining structures, presenting a novel approach that offers several advantages over traditional methods. The increasing demand for underground spaces due to urban expansion sets the stage for the discussion in the early chapters of the thesis. As cities grow denser, the need for subterranean structures becomes more pressing, leading to a higher incidence of deep excavation projects. However, with urbanization comes a host of engineering challenges, particularly regarding the stability of excavation walls. These walls must be designed to resist the lateral earth pressures exerted by surrounding soil masses. Even small ground movements can cause significant structural damage to neighboring buildings, roads, utilities, and transportation infrastructure. The cost of mitigating these risks is high, and the complexity of implementing stable excavation designs adds to the challenge. Traditional methods for stabilizing deep excavations, such as braced walls and tied-back retaining walls, are widely utilized but face limitations. Braced walls rely on closely spaced struts to counteract lateral earth pressures. However, these struts can obstruct excavation activities and slow the construction process. Additionally, as the depth of the excavation increases, the number of struts required multiplies, further complicating site logistics. Tied-back walls, on the other hand, use anchors driven into the soil behind the excavation to provide lateral support. While more space-efficient than braced walls, tied-back systems can be difficult to install in certain soil conditions and may interfere with underground utilities, making them less suitable for dense urban environments. Moreover, both braced and tied-back systems are expensive and time-consuming to implement, particularly in large-scale projects that involve deep excavation in challenging soil conditions. In response to these challenges, the thesis introduces the Passive Earth Reinforcement for Lateral Equilibrium Optimization (PERLEO) methodology, a novel approach that aims to improve lateral stability in deep excavations through the use of passive soil-cement reinforcement placed in the passive zone of retaining walls. Unlike traditional methods, which rely on active systems such as struts or anchors to provide support, PERLEO leverages the passive resistance of reinforced soil-cement blocks. These reinforcements are placed in the passive zone of the retaining structure, where they provide additional resistance to lateral earth pressures. By enhancing the passive resistance of the soil, PERLEO reduces both lateral displacement and bending moments in the retaining walls, thus improving overall excavation stability. The thesis emphasizes several key advantages of this approach. First, by relying on passive reinforcement rather than active systems, PERLEO reduces the need for obtrusive support elements like struts or anchors, making the excavation site more accessible for construction activities. Second, soil-cement reinforcements offer greater adaptability to different excavation geometries and soil conditions, allowing for more flexible design options. Finally, the PERLEO methodology helps mitigate ground movements during excavation, which is particularly important in urban areas where the proximity of adjacent buildings and infrastructure increases the risk of damage. The research presented in this thesis aims to evaluate the performance of soil-cement blocks as passive side reinforcement for retaining walls in deep excavations. The primary focus is on understanding how different geometric configurations of soil-cement reinforcement affect lateral displacement and bending moments in retaining structures. To achieve this, the thesis utilizes numerical modeling techniques, specifically the finite element method (FEM) implemented in PLAXIS 2D software. FEM is well-suited for analyzing complex geotechnical problems, as it allows for the detailed simulation of soil-structure interaction under varying conditions. The research includes a series of parametric studies designed to explore how different geometric configurations of soil-cement blocks, such as length, width, and shape, influence wall stability. The numerical simulations focus on isolating the effects of the passive reinforcement, excluding factors such as groundwater conditions, to provide a clear understanding of the direct impact of the reinforcement on retaining wall behavior. The thesis explores several geometric configurations of soil-cement reinforcement, including rectangular and trapezoidal blocks, and assesses how varying their dimensions affects excavation stability. One of the main goals of the parametric studies is to determine the optimal dimensions for the soil-cement blocks that maximize stability while minimizing material use. The numerical simulations reveal several important findings. First, the research demonstrates that increasing the length (L) and width (B) of the soil-cement blocks generally leads to a reduction in both lateral displacement and bending moments in the retaining walls. However, the study also identifies a point of diminishing returns, beyond which further increases in length and width yield little additional benefit. This finding suggests that there is an optimal range for reinforcement dimensions, where performance is maximized without unnecessary use of materials. Second, the study compares the performance of rectangular and trapezoidal soil-cement blocks. Rectangular blocks are found to be more effective in minimizing lateral displacement, likely due to their more uniform stress distribution, which enhances mechanical interlock and load transfer within the retaining structure. In contrast, trapezoidal blocks, while still effective, do not perform as well as their rectangular counterparts in reducing displacement. The research also explores the effect of varying the bottom width (BB) of trapezoidal soil-cement blocks. Increasing the bottom width is shown to reduce both lateral displacement and bending moments, but, similar to the length and width parameters, there is a point beyond which further increases in bottom width offer diminishing returns. A particularly valuable aspect of the thesis is its comparison of soil-cement blocks and columns as passive reinforcement elements. The research shows that, in 2D design scenarios, soil-cement blocks consistently outperform columns in reducing lateral displacement and bending moments. The superior performance of blocks is attributed to their geometry, which provides better mechanical interlock and load transfer than columns. In addition to the parametric studies, the thesis develops design charts based on the results of the numerical simulations. These charts provide engineers with a practical tool for predicting and optimizing lateral displacement and bending moments in retaining walls, based on the specific dimensions and properties of the soil-cement reinforcement. The use of normalized parameters in the charts allows them to be applied across a wide range of excavation geometries and reinforcement configurations, enhancing their utility for diverse project needs. The development of these design charts is one of the most significant contributions of the thesis, as it provides geotechnical engineers with a valuable resource for optimizing deep excavation designs. In conclusion, the research presented in this thesis makes several important contributions to the field of geotechnical engineering. The PERLEO methodology offers a novel approach to optimizing lateral equilibrium in deep excavations, with the potential to significantly improve the stability and safety of excavation projects. The use of soil-cement blocks as passive reinforcement provides an effective and adaptable solution to the challenges posed by traditional support systems, offering greater design flexibility and reducing the need for intrusive support elements like struts and anchors. The parametric studies conducted using FEM provide valuable insights into the optimal dimensions and configurations of soil-cement reinforcement, and the development of design charts offers a practical tool for engineers. Overall, the research advances the understanding of passive earth reinforcement systems and provides innovative tools and methodologies that can enhance the safety and efficiency of deep excavation projects in urban environments. The PERLEO methodology represents a promising new direction in geotechnical engineering, paving the way for safer, more cost-effective, and more efficient excavation practices.
Benzer Tezler
- Motor bağlantı elemanlarının titreşim geçirgenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Vibration transmission investigation of engine mounting brackets
ALİ İSA BURSA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
- Ultrasona duyarlı hidrojellerin sentezi ve ilaç salım davranışlarının incelenmesi
Synthesis of ultrasensitive hydrogels and investigation of drug release behavior
ŞULE BALCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyomühendislikSakarya ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CUMA BİNDAL
- Güneş enerjili kendinden pompalı sıcak su sisteminin analiz ve simülasyonu
Analysis and simulation of a two phase self pumping solar water heater
TUNCAY GÜVEN
- Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması
Başlık çevirisi yok
BARIŞ SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin radyal kompresör performansı üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of active and passive flow control methods on the performance of centrifugal compressors
SÜLEYMAN EMRE AK
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI