Yüksek Hızlı Tren Yükleri Altında Esnek İstinat Yapıları Ve Zemin Çivili Toprakarme Duvar Tasarımı

Abstract

Bu tez çalışması, “Ankara-Sivas Hızlı Tren Projesi” kapsamında inşaa edilen, maksimum yüksekliği 14 metre olan bir donatılı toprak duvar (toprakarme) yapısının karşılaştırmalı nümerik analiz hesaplarını içermektedir. Donatılı toprak duvar hızlı tren hattını taşıyacak şekilde tasarlanmıştır. Tasarım aşamasında iki farklı tipte trene göre deformasyon analizleri numeric analizler vasıtasıyla hesaplanmıştır. Söz konusu yapı, Türkiye’de hızlı tren hattı gövdesini tutan ilk donatılı toprak duvar olması açısından önemlidir. Çalışma kapsamında detaylı bir şekilde anlatılan tasarıma ait bütün veriler Reinforced Earth İnşaat Proje ve Ticaret A.Ş. ‘ye aittir. Bu şirketin izni dışında verilerin kopyalanarak kullanılması yasaktır. Çalışma kapsamında ön tasarım, donatılı toprak duvarların projelendirilmesinde kullanılan Reinforced Earth şirketine ait “Valdez” isimli yazılım yardımıyla yapılmıştır. Valdez program, hesap kesiti boyunca sabit (dikdörtgen kesit) veya değişken boylarda (trapez kesit) donatıların kullanımına izin veren kullanışlı bir analiz programıdır. Program, kademeli duvar tasarımında da kullanılabilmektedir. Hesap yöntemi olarak “Limit Durum Metodu” esasını kullanan program, tanımlanan güvenlik faktörlerini dikkate alarak, tanımlanan geometriye ve zemin koşullarına göre donatı boyları önermektedir. Program limit durum yöntemini esas aldığından dolayı, mevcut gerilmelerden kaynaklanan deformasyonları hesaplayamamaktadır. Bu sebepten dolayı, deformasyonların hesabı için, limit durum yöntemine ek olarak yeni bir metot esas alınmalıdır. Bu çalışma kapsamında, yapının demiryolu yüklerine maruz kalacağından ötürü üç farklı yöntem ve geometri ile dizayn çalışmaları yürütülmüştür. Deformasyonların hesabında sonlu elemanlar metodu ile analiz yapılmasına imkan veren “Plaxis” yazılımı kullanılmıştır. Tasarım aşamasında ilk olarak limit durum yöntemi esas alınarak stabilite analizleri yapılmış, nümerik analizle yapılan hesaplamalar sürdürülmüştür. Tasarım parametreleri Rocklab yazılımı vasıtsayla Slide 5 programına tanımlanarak, yapının güvenliği ve stabilitesi kontrol edilmiştir. Tasarım kesiti olarak, donatılı toprak duvar yapısının projede yer alan en yüksek kesimi seçilmiştir. İlk olarak dikdörtgen kesitli geometri analiz edilmiştir. Analizlerde dolgu malzemesinin tasarıma etkisini gözlemek amacıyla, farklı geoteknik parametrelerle tasarım tekrarlanmıştır. İkinci durum için, trapez kesitli geometri analiz edilmiştir. Donatılı toprak duvar yapısında üst dolgu tabakalarından aşağı tabakalara inildikçe donatıların kopma dayanımı arttığından, üst tabakalarda uzun, alt tabakalarda kısa boylu donatılar kullanılmıştır. Duvar yapısının sağlam zemine oturduğu durumlarda bu geometri avantaj sağlamaktadır. Üçüncü geometri, donatılı toprak duvar yapısının gerisinde zemin çivisiyle birlikte teşkil edildiği durumu incelemektedir. Arazinin kazılabilirlik açısından sorunlu olduğu bölgelerde, taban şeritlerinin uzatılması mümkün olmadığından bu sistem dikkare alınmıştır. Bu yolla duvar taban bölgelerindeki kazı kübajında tasarruf sağlanabilmektedir. İhtiyaç duyulan mukavemet, taban bölgelerinde zemin çivileri vasıtasıyla sağlanmaktadır. Son geometride, iki farklı tipte taban zemini için hesap yapılmıştır. İlk zemin tipi, patlatma ile kazı yapılabilen, sert Bazalt olarak tanımlanmıştır. Bu zemin geometride taban seviyesinden itibaren 2. Şerit seviyesine kadar seyretmektedir. İkinci zemin tipi, tabandaki ilk tabakaya nazaran ayrışmış, ancak kazılabilirliği düşük basalt malzemedir. Şeeerit boyları dikkate alınarak geleneksel bir çözüm sistemi izlendiğinde, yüksek miktarda kazı kübajı ortaya çıkmaktadır. İmalatın hızlandırılması ve donatı boylarından tasarruf seçenekleri göz önüne alındığında, zemin çivileri ve duvar dolgusu içerisinde yer alacak merdiven tipi ek donatılarla desteklenmiş bir çözüm yöntemi tercih edilerek analizleri yapılmıştır. Zemin çivili toprakarme istinat duvarı olarak tanımlanabilecek bu sisteme TerraLink™ adı verilmektedir. TerraLink™ sistemine ait elemanlar, geleneksel donatılı toprak duvar sistemine ait elemanlarla benzerlik göstermektedir. Bu sisteme ait donatı elemanları, serme sıkıştırma yapılarak elde edilen geri dolgu tabakaları arasına teşkil edilmektedir. Bu elemanların temel özelliği, seçilmiş dolgu arkasındaki zemin çivisi yüzeyi ile mevcut donatılı toprak duvar gövdesi arasında süreklilik sağlayarak, donatı boyunun geleneksel yönteme göre kısa geldiği kesimlerde dayanımı sağlamasıdır. Bu çözüm yönteminin tercih edilmesi, topoğrafik koşullara, mevcut zeminin geoteknik parametrelerine, inşaa edilecek donatılı toprak duvarın geometrisine bağlıdır. Bu koşullar göz önüne alındığında, teknoloji iki farklı bağlantı yöntemi kullanılarak uygulanabilmektedir: İlk yöntem sürtünme kuvveti esasına dayanan bağlantı yöntemidir. Bu sistemde, yeterli kazı mesafesinin elde edilememesinden ötürü, yardımcı bağlantı elemanları ile kısa şeritler mesafe olarak birbirlerine bindirilerek dayanım sağlanmaktadır. Bu sistem donatılı toprak duvarın esnek yapısının korunmasının yanında, ek donatılar ile şeritlerin bindirilmesine imkan verildiği sürece ekonomi de sağlamaktadır. İkinci yöntemde donatı şeritlerinin kazı yüzeyine direk bağlantısı sağlanır. Bu sistem kazı mesafesinin çok dar olduğu kesitlerde tercih edilir. İlk çözüme nazaran daha rijit bir yapı oluşturur. Çalışma kapsamında her iki tip bağlantı yöntemi için de deformasyon analizleri yapılmış, sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yukarıda çalışma prensibi özetlenen Valdez yazılımı, hesap kesitlerinde zemin çivisinin tanımlanmasına imkan vermemektedir. Bunun yanında, valdez program yardımıyla elde edilen iç ve dış stabilite analizlerinin sonuçlarından hareketle, zemin çivisi ve ek donatıların tasarımında faydalanılabilecek veriler elde edilmiştir. Bahsi geçen tüm modeller tasarlandıktan sonra, deformasyon analizlerinde dikkate alınan elastik ve plastik parametrelerin, yapının davranışına olan etkisi irdelenmiştir. Tez çalışması kapsamında klasik donatılı zemin duvar elemanlarının davranışının, zemin çivisi gibi destekleyici yapılarla birlikte çalışma prensipleri irdelenmiştir. Yüksek hızlı tren yükleri gibi tasarımı kompleks hale getiren şartlar ile, kazı probleminin ortaya çıktığı topografik koşullar altında sistem tasarımı ele alınmış, geleneksel tasarım yöntemleri ile mukayese edilmiştir. Yukarıda bahsedilen farklı geometrik koşullarda ve sürşarj yükleri altında sürdürülen analizler, farklı geoteknik parametreler dikkate alınarak, nümerik analiz programları yardımıyla karşılaştırmalı olarak tekrarlanmıştır. Çalışma kapsamında özet olarak, donatılı toprak duvar sistemlerinde kullanılan donatıların farklı zemin koşulları altında tasarıma etkisi, deformasyonların durumu irdelenmiştir. Bu çalışmadan hareketle, klasik donatılı zemin duvarların tasarım konseptinin; farklı yükleme koşulları, geometrik kriterler, farklı donatı tipleri ve zemin koşulları altında farklılaşması incelenmiştir. Özellikle kompleks geometrili ve ağır yükler altındaki yapıların performansının analiz edilmesi açısından yapılan çalışma önemli bulgular ortaya koymaktadır. Tasarım literatüründe geleneksel yaklaşımların yanında, sistemin klasik yaklaşımlarla çözülemediği projelerin tasarımında bu karşılaştırmalı tez çalışmasının faydalı olabileceği düşünülmektedir.

This research is focused on numerical modeling of Ankara-Sivas High speed railway project – The high speed trains will passes above the wall with the maximum height of wall 14 meters. The sensitivity of the project leads to forecast the wall deformations, by numerical modeling of reinforced earth wall for two types of train. This is the first time the Reinforced earth wall has been used for High-speed railway support in Turkey. All the design technology and data which has been used and expressed here is exclusively belongs to Reinforced Earth Company and copying without permission is prohibited. The preliminary designs was prepared by the Reinforced Earth Company using the Valdez program, The Valdez program is specifically prepared to analysis the MSE wall for the design of Reinforced Earth walls. This program is user friendly and provides two type of design cross section rectangular and trapezoidal. Further more you can design tired wall with various setback for walls steps. The method of design of Valdez program is based on the limit state design procedures, which has just given the length of strips by applying defined safety factors. The program is not able to estimate the displacements in the walls because as previously mentioned, the designs were based on “Limit State” methods. Which is using the limits of the materials in design but does not take into account the strains formed by stresses. Therefore a new method to calculate the displacements is needed. In this project because of the sharp cuts which is formed by Basalt, the preliminary designs were done in three alternative and three individual method, Because of the importance of the project and heavy loads, this project was prepared by three alternative geometry and a numerical analysis of the reinforced walls system. Finite element method of analysis, are capable of calculating the displacements in any part of the defined system. This is done by the finite element program Plaxis 2016. The reinforced earth walls design, will design according to limit state method, and then will check by the numerical analysis to control the deformation. In the evaluating of the design parameters the Rock lab program is used, in addition the slide 5.0 is used to calculate the stability and safety of the project. The first case is the MSE wall with rectangular shape geometry. For the better understanding of the working system, the mentioned geometry is analyzed according to maximum and minimum material properties which is defined from company as a selected back fill material for this case, in addition for effect of other backfill properties from other cases and parametric comparison with them, three selected backfill are taken from three articles which is the properties of selected backfill is so close to this case.