Dairesel enkesitli şaftlara gelen yanal toprak basınçlarının sayısal analizlerle incelenmesi

Abstract

Şaftlar, yatayla 45 ila 90 derece arası eğimi olan, diğer yeraltı yapılarına bağlantılı ve özellikle düşeydeki uzunluğu yataydaki uzunluğundan fazla olan yeraltı yapıları olarak tariflenebilir. Şaft yapıları, karayolu ve metro tünelleri, köprü ankraj blokları ve maden ocakları vb. mühendislik uygulamalarında geçici veya kalıcı olarak kullanılmaktadır. Şaft yapılarının tasarımı genellikle dikey kemerlenme etkisinden faydalanmak için dairesel enkesitte olmaktadır. Bu sebeple dairesel en kesitli şaftlarda yanal toprak basınçlarını plastik denge ile belirlemek için konik göçme yüzeyine dayalı çözümlerin yapılması daha gerçekçi sonuçlar verecektir. Fakat günümüzde özellikle kalıcı şaft kaplamalarına etkiyen yanal toprak basınçlarının hesaplanması için klasik toprak basıncı teorileri tercih edilmektedir. Bu teoriler düzlem gerilme koşulları altında bulunan sonsuz uzunluktaki duvarlar için geliştirilmiş olduklarından şaft kazıları için kullanılmalarının çok uygun olmadığı açıktır. Bu sebepten dolayı birçok araştırmacı dairesel şaft duvarına etkiyen yanal toprak basınçlarının hesaplanması için yaptıkları teorik ve deneysel çalışmalar sonucunda klasik toprak basıncı teorileri dışında yeni yaklaşımlar geliştirmişlerdir. Bununla beraber gelişen bilgisayar ve yazılım olanakları sayesinde sonlu elemanlar metodu kullanılarak yapılan çözümler sayesinde daha hızlı ve gerçek durumu daha iyi yansıtan değerler hesaplanabilmektedir. Bu çalışmada dairesel en kesitli şaftlarda yanal toprak basınçlarını plastik denge ile belirlemek için konik göçme yüzeyine dayalı yapılan çözüm yaklaşımları kısaca açıklanmış ve akademik çalışmalardan yararlanılarak bu yöntemlerin birbirleri ile klasik yöntemlerle ve santrifüj testleri ile karşılaştırılmaları verilmiştir. Bu çalışmasının sayısal analiz kısmında hem kohezyonlu zeminler için hemde granüler zeminler için elastisite modülünün yanal toprak basıncına ve şaft duvarı arkasında meydana gelen yerdeğiştirmelere etkisini incelemek için sonlu elemanlar analizleri yapılmış ve elde edilen sonuçlar hem klasik toprak basıncı teorileri ile hem de eksenel simetrik koşullar için geliştirilen yöntemlerlerden elde edilen değerler ile karşılaştırılarak zemin kohezyonunun, kayma mukavemeti açısının ve elastisite modülünün dikey kemerlenme üzerindeki olumlu etkisi ortaya koyulmuştur. Bu yapılan çözümlemeler ve karşılaştırmalardan elde edilen sonuçlardan şaft duvarında meydana gelen yanal toprak basıncının mertebe olarak sukunetteki toprak basıncına çok yakın olduğu tespit edilerek, şaft yapısına ait yükseklik ve çap ile orantılı ampirik bir kemerlenme katsayısı çalışması yapılarak şaft duvarına etkiyen yanal toprak basıncını sonlu elemanlar çözümüne yakın mertebede veren bir denklem geliştirilmiştir. Bir sonraki aşamada sabit bir metro şaftı modeli için zemin koşulları belirlenerek, kazı destek sistemi elemanlarının özelliklerinde ve şaft geometrisinde yapılan değişikliklerin şaft duvarında meydana gelen yanal toprak basıncına etkisi incelenmiştir. Son olarak kazı destek sistemindeki yatay destek elemanlarının dikey kemerlenmeye katkısı incelenerek kuşak kirişlerin şaft kazı destek sistemlerinin tasarımına olan ekonomik etkisi ortaya koyulmuştur.