Analysis of piled raft foundations

Abstract

Bir temelin en önemli fonksiyonu üstyapıdan gelen yükleri temel zemininin taşıyabileceği gerilmeleri aşmadan alttaki zemin tabakasına aktarmaktır. Temeller göçmeye karşı yeterli güvenlik sayıları kullanılarak (taşıma gücü şartı) ve kabul edilebilir oturmaları karşılayabilecek (oturma şartı) şekilde boyutlandırılmalıdır. Bir yapıyı güvenle taşıyabilmek için gerekli olan yeterli taşıma kapasitesi ve kabul edilebilir oturma şartlarım sağlayan zemin tabakası eğer fazla derinde bulunmuyor ise, yüzeysel temel uygun olacak ilk seçimdir. Bu sebeble birçok yapı, temel derinliği az olan radye temeller üzerinde yer almaktadır. Radye temeller, tekil kolonlardan gelen yapı yükünü, göçmeye karşı yeterli güvenlik sayısı ile, alttaki zemin tabakalarına mümkün olduğunca geniş bir alana yayarak dağıtırlar. Taşıma kapasitesi sorunlarının yaşanabileceği ağır yapılar dışında, genellikle toplam veya farklı oturma şartı, temellerin planlanmasını kontrol eden en önemli faktördür. Radye temeller bazı durumlarda taşıma kapasitesi şartını sağlamasına rağmen, meydana gelecek oturma değerleri kabul edilebilir sınırlar içinde olmayabilir. Oturmalar, radye taban alanını genişleterek veya radyeyi daha derinlere taşıyarak azaltılabilir. Ancak bu çözümler, birincisi gerekli temel alanını büyüteceği, ikincisi ise çok miktarda kazı gerektireceği için çevre şartlan ve ekonomik açıdan uygun olmayabilir. Bu durumlarda yapı yüklerini daha alttaki sağlam tabakalara taşımak kaçınılmaz olur, ve kazıklı temellerin kullanılması gerekir. Fakat taşıma gücünün yeterli olduğu sadece oturmaların azaltılması gereken durumlarda, kazıkların radyenin altında oturmayı azaltıcı eleman olarak kullanıldığı kazıklı radye temelleri kullanmak daha ekonomiktir. Klasik hesap yöntemlerinde, kazıklı temellerin hesabı, gelen yükün tamamım kazıkların taşıdığı varsayımına göre yapılmaktadır. Ama gerçekte bir kazıklı radye temelde, yük zemine doğrudan temas eden radye ile kazıklar arasında bölüşülür ve zemine kısmen radye ve kısmen de kazıklar tarafından aktarılır. Radye tarafından aktarılan yük temelin boyutlandırılmasında gözönüne alınacak olursa ekonomik açıdan önemli ölçüde tasarruf edilebilir. Bu nedenle, kazıklı radyelerin boyutlandırılmasında kullanılan bugünkü metotlarda, kazık-radye-zemin arasındaki etkileşime bağlı olan yük dağılımı büyük bir önem taşımaktadır. "Oturmaları azaltıcı eleman" terimi kazıklar için Burland ve diğerleri (1977) tarafından kullanılmıştır. Oturmaları istenilen, kabul edilebilir değerlere indirmek için gerekli olan kazık sayısı, kazıklı radye temellerde klasik yöntemlerle hesaplanan kazıklı temellerdekine göre çok daha azdır. Buna bağlı olarak kullanılan kazık aralığı daha geniş olduğundan, bu sistemlerde grup etkisi daha az gözlenmektedir. XV1I1 Cooke (1986) çeşitli boyutlardaki radyeler, serbest kazık grupları ve kazıklı radye temeller üstünde yaptığı deneyler sonucunda radye altında kullanılacak kazık sayısının belirlenmesinde kullanılacak en uygun yöntemin, kazık sayısını direkt olarak oturma miktarında istenen azalmaya bağlı olarak belirlemek olduğunu belirtmiştir. Ancak eklenecek kazıklar belirli bir noktaya kadar oturma miktarında bir azalmaya sebeb olurken, kazık-zemin blok davranışının oluşabileceği kazık aralığına yaklaştıkça, eklenen yeni kazıkların oturmaya etkisi gittikçe azalmaktadır. Blok hareketin başladığı andan itibaren ise daha yakın aralıkta kazık eklemenin artık oturmayı azaltıcı bir etkisi olmamaktadır. Kazıkların, radye altında "oturmaları azaltıcı eleman" olarak kullanılmalarının sağladığı daha ekonomik ve daha verimli bir temel boyutlandırmasında en önemli amaç kabul edilebilir oturma miktarını elde etmeyi sağlayacak (1) minimum kazık sayısını, (2) en uygun kazık yerleşimini, (3) optimum radye kalınlığını ve kazık boyutlarını belirlemektir. Bu amaçla kazıkların direkt olarak elde edilmek istenen oturma miktarındaki azalmaya bağlı olarak hesaplanması uygun olacaktır. Bu sayede kazıklar için yapılan harcamalarda ve genel olarak temel tasarımında önemli ölçüde ekonomi sağlanacağı açıktır. Kazıkların radye ile beraber kullanıldığı kazıklı radye sistemlerin hesabında en önemli nokta, uygulanan yükün zemine nasıl aktarıldığı ve bazı faktörlerin (kazık sayısı, aralığı, boyu, rijitliği, temel şekli, zemin tabakalarının kalınlığı ve zemin özellikleri) bu davranış üzerindeki etkisinin ne olacağıdır. Bu nedenle, kazıklı radye sistemlerde, yapıdan gelen yükün taşıyıcı zemine, her bir temel elemanı (kazıklar ve radye) tarafından nasıl aktarıldığı, toplam ve farklı oturma miktarlarını etkileyen faktörlerin bilinmesi uygun bir boyutlandırma için büyük önem taşımaktadır. Kazık- radye-zemin sistemlerini, her üç elemanın da lineer elastik davranış gösterdiği kabulüne dayanarak inceleyen analiz yöntemleri bulunmasına rağmen, bu metodların kazıklar ve radye arasındaki yük dağılımını belirlemede yeterli olmadığı görülmektedir. Ayrıca bu sistemlerin davranışının daha detaylı anlaşılmasını sağlayacak arazi deneylerinin ve güvenilir ölçümlerin azlığı, kazıklı radye temellerin analizinde kullanılan yöntemlerin değerlendirilmesinde önemli bir eksiklik oluşturmaktadır. Kazıklı radye sistemlerin yük-oturma davranışı büyük önem taşımasını rağmen, arazi ve laboratuar deneyleri ile teorik çalışmalar çoğunlukla tekil kazıklar veya kazık başlığının zemine oturmadığı kazık grupları (serbest kazık grupları) üstünde yapılmaktadır. Ayrıca kullanılan ilk analizler, temel elemanları arasındaki etkileşimi de dikkate almamaktadır. Kazıklı radye sistemleri incelemek için daha sonra geliştirilen metodlar da ise, kazık- radye-zemin arasındaki etkileşim de gözönüne alınmakta başarılı bir ekonomik boyutlandırmanın ancak sistemin bu üç elemanı arasındaki ilişkinin dikkate alınması ile elde edilebileceği belirtilmektedir. Üstelik üstyapının rijitliği, radyeye iletilen yükün ve momentlerin dağılımını etkileyeceğinden incelenecek sistemin üstyapı- kazıklar-radye-zemin olması gereklidir. Ancak bu karmaşık sistemlerde öncelikle incelenmesi gereken konu temel ve zeminin birbirleri üzerindeki etkileri olmalıdır. XIX Zemin-yapı etkileşiminin kazıklı radye temellerin davranışında önemli bir etkisinin olacağı açıktır. Bu etkileşim, sonraki çalışmalarda daha çok dikkate alınmıştır. Bu sistemler, araştırmacılar için ilginç bir problem olarak görüldüğünden, günümüzde temel mühendisliğinde yapılan çalışmalar içinde geniş bir yer tutmaktadır. Kazıklı radye temeller konusunda geniş incelemeler yayınlanmıştır (Brown ve diğerleri, 1975; Hooper, 1979; Cooke, 1986; Poulos, 1991a, 1994b; Randolph, 1994; Poulos ve diğerleri, 1997). Teorik çalışmaların sayısının fazlalığına rağmen, bu konuda yapılmış model deneyleri oldukça yetersiz kalmıştır ve literatürde bu tür çalışmaların sayısı oldukça azdır. Bu çalışmalar arasında, Whitaker (1961), Ghosh (1975), Abdrabbo (1976), Wiesner ve Brown (1980), Horikoshi (1995) sayılabilir. Poulos (1991a, 1994a, 1994b) kazıklı radye temellerin analizinde kullanılan metodları incelemiş ve aşağıda belirtildiği gibi 6 grupta toplamıştır : (1) elastik ortamdaki kazık grubu ve radyenin incelenmesinde kullanılan teorik çalışmaları içeren, bilgisayar kullanımı gerektirmeyen yaklaşık hesap yöntemleri, (2) zemine oturan plak veya şeritlerin incelendiği metodların kullanılarak, kazıkların yaylar yardımıyla tanımlandığı geliştirilmiş çalışmalar, (3) radye ve kazıkların ayrı ayrı ele alınarak, elastisite teorisi yardımıyla aralarındaki etkileşimin gözönüne alındığı sınırlı elemanlar yöntemi, (4) zemin içinde kazıkların ve radyenin tek bir blok gibi kabul edildiği sonlu elemanlar yöntemi, (5) radyenin plak, kazıkların ise yaylarla tanımlandığı sonlu elemanlar yöntemi, (6) 3 boyutlu lineer sonlu elemanlar yöntemi. Kazıklı radye temellerin davranışını etkileyen faktörler ise aşağıdaki gibi dört ana grupta toplanabilir (Poulos, 1991a) : (1) radye özellikleri (rölatif rijitlik, şekil, ve boyutlar), (2) kazık özellikleri (sayı, uzunluk, çap, yerleşim, rijitlik), (3) uygulanan yükün özellikleri (tekil, düzgün yayılı), (4) zemin özellikleri (zemin profili, rijitlik, taşıma gücü). Poulos (1991a)'a göre kazıklı radye temellerin kullanımın en uygun olduğu durumlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir : : (1) sert killerin yeraldığı zemin profili, (2) sıkı kumların yeraldığı zemin profili, XX (3) kazıkların yer aldığı temel derinliğinde, yumuşak veya gevşek tabakaların bulunmadığı zemin profili. Bu sistemlerin kullanılmasının uygun olmayacağı durumlar ise : (1) zemin yüzüne yakın yumuşak kil tabakasının bulunduğu zemin profili, (2) zemin yüzüne yakın gevşek kumların bulunduğu zemin profili, (3) dış etkiler dolayısıyla konsolidasyon veya şişme oluşabilecek zemin tabakalarının bulunduğu zemin profili. İlk iki durumda, radye temel tek başına yeterli taşıma kapasitesine sahip olmayabilir. Sonuncu durumda ise zeminde oluşacak hareketlerden dolayı kazıklarda önemli ölçüde yük artışları meydan gelebilmektedir. Kazıklı radye temellerin analizinde, dış etkilerden dolayı oluşabilecek zemin hareketlerinden (şişme, büzülme, konsolidasyon gibi) dolayı sistemin davranışında görülebilecek değişiklikler, kullanılan analiz yöntemlerinde çok az dikkate alınmıştır ya da hemen hemen hiç dikkate alınmamıştır. Halbuki kazıklar ve radye arasındaki yük dağılımı, ve oturmalar bu zemin hareketlerinden büyük ölçüde etkilenmektedir. Poulos (1993X şişme veya büzülme sebebi ile zeminin yaptığı hareketlerin sebeb olduğu efektif gerilmedeki veya emme başmandaki değişikliklerin kazıklar-radye- zemin etkileşimi üzerinde meydana getirdiği etkiyi sınırlı elemanlar metodunu kullanarak incelemiş ve ulaştığı sonuçları aşağıdaki şekilde özetlemiştir : (1) konsolidasyona maruz kalan zeminlerde, negatif çevre sürtünmesinden dolayı kazıklarda basınç gerilmesi artışı meydana gelir ve radyenin ağırlığı da kazıklar tarafından taşınmaya başlar. (2) şişen zeminlerde ise, zeminin hareketinden ve radye altında oluşan gerilmelerden dolayı kazıklarda çekme gerilmesinde artış meydana gelir. Her iki durumda da, kazıklı radye temelde oluşacak hareket serbest kazık grubuna göre daha fazla olmaktadır. Bu sebeble, dış etkilerden dolayı düşey zemin hareketlerinin oluşabileceği durumlarda kazıklı radye sistemlerin kullanılmasından kaçınılması daha uygun bir çözümdür. Kazıklı radye temellerin boyutlandırılmasında kullanılacak metodların aşağıdaki şartlan içermesi gerekmektedir (Poulos ve diğerleri, 1997) : (1) kazık-radye-zemin etkileşiminin uygun bir şekilde dikkate alınması, (2) kazık sayısının, yerinin ve karakteristik özelliklerinin değişimi, (3) gerçekçi zemin profillerinin kullanılması, (4) kazıklar ve radye arasındaki yük dağılımının hesaplanması, XXI (5) kazıklarda (basınç ve çekme) taşıma kapasitesinin kullanılmasına ve temelin lineer olmayan yükleme-deformasyon davranışının oluşmasına imkan verilmesi, (6) tüm temel sisteminin toplam ve farklı oturma miktarlarının hesaplanması, (7) radyenin betonarme hesabı için eğilme momentlerinin ve kesme kuvvetlerinin hesaplanması, (8) metodun uygulamacılar tarafında farklı bir eğitim ve çaba gerektirmeden, mevcut bilgileri ile rahatça kullanılabilmesi. Kazıklı radye temellerin, radye temellerin taşıma kapasitesinin yeterli olduğu ancak kabul edilebilir oturma değerlerini aştığı durumlarda, klasik metodlarla hesaplanan kazıklı temellere alternatif olarak daha ekonomik ve uygun bir çözüm olduğu görülmektedir. Kazık sayısında ve radye boyutlarında büyük ölçüde ekonomi sağlamaktadır. Bu yüzden toplam veya farklı oturmaların azaltılmak istendiği durumlarda kazıklı radye sistemler geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Bu çalışma, literatürdeki kazıklı radye temellerin analizinde kullanılan mevcut yöntemleri yeniden değerlendirmeyi amaçladığı kadar fotoelastik laboratuvar deneyleri yardımıyla radye-kazık-zemin arasındaki etkileşimini, kazıklar ve radye arasındaki yük dağılımını ve oturma davranışım araştırmayı amaçlamaktadır. Test programı, farklı izafi rij itlikteki kazık ve radyelerden oluşan sistemlerin bir grup laboratuvar deneylerini içermektedir. Laboratuar deneyleri, Deneysel Mekanik Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Fotoelastik deneylerden elde edilen sonuçlar, bilgisayar analiz programı ile karşılaştırılmıştır. Fotoelastik deneylerde, iki ayrı sistem incelenmiştir. Her iki sistemde, 100x10x20 mm boyutlarında bir radyeden ve d=100 mm çapında, uzunlukları değişken olarak kullanılmış olan iki adet kazıktan meydana gelmiştir. Yükleme kazık merkezlerinden tekil yük olarak yapılmıştır. İlk grup deneyde, kazıklar radyeye rijit bir şekilde bağlanmışlardır. İkinci grup deneyde ise, kazıklar ve radye iki ayrı sistem gibi düşünülmüş ve birbirlerine herhangi bir şekilde bağlanmamıştır. Buradaki amaç ilk sistemde gözlenmiş olan radyeden kazıklara moment aktarılmasının önlenmesidir. Deney sistemleri fırında yüklenerek, oda şartlarında yükleme için gerekli olandan daha düşük yük değerleri kullanılması sağlanmıştır. Deneyler göstermektedir ki, kazıklı radye sistemlerde her elemanın (radye ve kazıklar) taşıma gücüne etkisi ayrı ayrı gözönüne alınmalıdır çünkü bu tür sistemlerde, yük hem zemin-radye hem de zemin-kazak arasında oluşan gerilmeler tarafından alttaki zemin tabakalarına aktarılmaktadır. Kazıklı radye temellerin davranışı, serbest kazık gruplarına göre artan taşıma gücü ve radyeye göre azalan oturma miktarı açısından incelenmelidir. Günümüzde, mevcut yöntemler kazıklı radye sistemlerin davranışını incelemede uygun sonuçlar veriyor olsa da, hala bu temellerin davranışının detaylı olarak elde edilebilmesi için daha çok teorik ve deneysel çalışmaya ihtiyaç olduğu kesindir.

Piled raft foundations are employed when the cap of a pile group has been cast on the ground and the piles were designed to carry all of the applied load. In the other case, piles are used to control settlements of a raft foundation where the applied loads are carried by the raft and settlements are controlled by the piles. In both cases, piled raft behaviour is observed. In the conventional method of analysis considering the contributions of raft and piles separately, the foundation is either a "raft foundation" (even it has piles as "settlement reducers") or a "piled foundation". In fact, piled raft foundations transmit the structural loads to the soil by means of both "pile-soil" and "raft-soil" contact stresses. The use of the conventional method would lead to an overconservative and uneconomical foundation design when piles have been introduced solely to reduce the settlements of the bearing capacity wise satisfactory raft. In a cost-effective design with an optimised performance, the effect of the raft's load bearing capacity must be incorporated with the pile capacities. The major objective in an economical and effective design should be to determine (1) the minimum number of piles, reduced with respect to more conventional piled foundation design, (2) to locate the most appropriate pile configuration, (3) the optimum raft thickness, pile size and spacing. It will then be possible to make significant cost saving in piling expenses, and in the general foundation design. In order to design piled raft foundations with more precision and economy, it is necessary to know how the structural loads are transferred to supporting soil by various foundation components, and furthermore, a clear understanding of the factors affecting to the overall behaviour of the piled raft system under working conditions. Analysis procedures of the raft-soil-pile system, based on linearly elastic behaviour of these three components, are already available but they are not generally accepted as a method of assessing the load distribution between such a raft and associated piles, and there are not many field tests and reliable measurements to confirm design methods and to evaluate the performance of piled raft foundations. In conclusion, while available analysis methods appears to provide a reasonable basis for estimating the overall behaviour of a piled raft foundation, there still is a need for further studies in order to improve the predictions of that behaviour. This study aims at a reappraisal of the existing work on this topic, as well as, investigating the "raft-soil-pile interaction" through theoretical analyses, laboratory model tests. Load sharing between the pile group and the raft and also the total and differential settlements of the foundation are examined against the variable relative stiffness of the piled raft system. The laboratory tests are used to verify theoretical analyses.