Yumuşak kohezyonlu zeminlerin kademeli yükleme altında davranışının nümerik analizi

Abstract

Yumuşak zemin tabakaları üzerine inşa olunan toprak dolgular altında temel zemininde meydana gelecek toplam gerilme artışlarının, oturmaların tahmin edilmesi ve kontrol altında tutulabilmesi geoteknik mühendisliğinde karşılaşılan önemli sorunlardan birini oluşturmaktadır. Ancak yumuşak ve suya doygun kohezyonlu bir zemin tabakası üzerine toprak dolgu yerleştirildiğinde, göçmeye karşı güvenliğin tahkik edilmesi için stabilite analizlerinin yapılmasına, zeminde meydana gelecek ani ve zamana bağlı düşey ve yatay yer değiştirmelerin hesaplanması için ise deformasyon analizlerinin yapılmasına ihtiyaç vardır. Sonlu eleman tekniğini kullanan bilgisayar programlarının geliştirilmesiyle, yumuşak zemin üzerine inşa edilen dolguların ve temellerinin gerilme ve deformasyon analizlerinin daha rasyonel olarak yapılması mümkün olmuştur. Bu sayede dolguda ve temel zemininde meydana gelen gerilmeler, yerdeğiştirmeler ve boşluk suyu basınçları hesaplanabilmekte, inşa süresince ve sonrasında zeminde meydana gelecek konsolidasyon ve artık boşluk suyu basınçları önceden tahmin edilebilmektedir. İstanbul'da bulunan Alibey Barajı, sözü edilen yumuşak zemin tabakaları üzerine inşa edilmiş toprak dolgu baraj olup, 30 m 'ye varan kalınlıkta yumuşak alüvyal kil tabakaları üzerinde yaklaşık 15 yıla yayılan kademeli dolgu yerleştirilmesi ile inşa edilmiştir. Temel zeminine önceden yerleştirilen arazi ölçüm aletleri ile temel zemininde oluşan boşluk suyu basıncı değişimleri ve zemin hareketleri gözlem altında tutulmuştur. Bu çalışmada, Alibey Barajı temel zemininde, kademeli dolgu inşaatından kaynaklanan gerilme artışları ve yer değiştirmeler zemin davranışının elastik ve elasto-plastik bünye denklemleri ile tanımlanması ile hesaplanmıştır. Sonlu elemanlar yönteminin kullanıldığı analizlerde, temel zemininin kademeli yükleme altında konsolidasyonu sonucu zemin özelliklerinde meydana gelen iyileşme de dikkate alınmıştır. Öncelikle, inşaat programına uygun olarak, menba batardosu altında oluşan gerilme ve yer değiştirme dağılımları için elastik ve elasto-plastik analiz sonuçlan karşılaştırılmış ve arazi davranışı ile uyumu sağlanmıştır. Bu şekilde doğrulanan zemin özellikleri kullanılarak ve kademeli dolgu inşaatına uygun olarak bütün baraj kesiti için temel zemininde oluşan gerilme ve yer değiştirmeler hesaplanmıştır. Analiz sonuçlan, dolgu yükü altındaki yüksek sıkışabilirliğe sahip yumuşak zeminlerde, düşük yük kademelerinde bile plastik bölgelerin oluştuğunu, bu yüzden bu tip zeminlerde elasto-plastik analiz yapılmasının daha uygun olacağını göstermiştir. Ayrıca kademeli dolgu inşaatı sırasında yumuşak zeminde meydana gelen konsolidasyon sonucu malzeme parametrelerindeki iyileşmenin hesaplara yansıtılmasının gerekli olduğu ve bunun barajın güvenli bir şekilde inşaası için uygulanan inşaat programının belirlenmesinde dikkate alınması gerektiği görülmüştür.

ABSTRACT Concerning the embankments built on top of soft soil layers, prediction and keeping control of the stresses develop in the founding strata as well as its settlements are some of the important problems confronted in the geotechnical engineering. In cases, where, an embankment is placed on top of a soft and saturated cohesive soil, stability analyse would be required to be carried out to check the safety against an overall failure and deformation analyse would be necessary for the calculation of the immediate and long- term vertical and horizantal displacements. The progress achieved in computer programming using finite elements techniques has enabled a more rational approach to be adopted for carrying out stress and deformation analyse of the embankments and their foundation built on soft soil strata. By that means, the stresses, displacements and pore water pressures of the embankments and their foundation can be computed and consolidation and excess pore water pressures throughout the construction schedule and at later stages can be well predicted. Alibey Dam, which is a reservoir built to supply clean-water for the Istanbul city, is one of the earth-fill dams constructed on above-mentioned soft soil layers. In order that an overall failure of approximately 30 m. thick dam foundation, which is comprised of soft alluvial settlements, could be avoided and its consolidation could be kept under control, the embankment was constructed in stages in about fifteen years of time. By means of the various in-situ measurement instruments located before the start of the embankment construction, the changes developed in the pore water pressure as well as the ground displacements were continuously monitored. In this study, stress increases and immediate settlement of the founding strata of Alibey Dam, built in staged loading due to the unfavarouble soil conditions, is aimed to be calculated. The finite element method is used in the calculations and the elasto-plastic behaviour of the founding strata as well as the improvements arising due to consolidation are taken into consideration. As a first step, which also complies with the construction method, the results of the elastic and elasto-plastic analyse carried out of for the computation of stresses and deformations of the strata beneath the upstream cofferdam are compared and their compatibility with the behaviour monitored by field measurements are maintained. By that means, using these verified ground properties, the stresses and the displacements of founding strata for the various sections of whole dam staged loading are calculated, (i.e. the evaluations for the upstream cofferdam foundation is made first and in subsequence the evaluation for the dam foundation is carried out.) The results of the analyse have indicated that in the highly compressible soft soils under embankment loading, plastic regions develop even under low loading stages and thus it would be more appropriate to carry out elasto-plastic analyse under such soil conditions. In addition it is also found out that the improvement of the material properties due to the consolidation of the soft layer during the construction stages is necessary to be included in the calculations and that this would also be required to be considered in assessing the time schedule for the safe construction of the dam. XI