Kohezyonlu zeminlere oturan yüzeysel temellerin sayısal yöntemlerle analizi

Tez çalışması kapsamında, kohezyonlu zeminler üzerindeki sığ temellerin oturma davranışı sayısal ve analitik yaklaşımlar kullanılarak kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Çalışmada, yapısal gerilme (q0), temel genişliği (B), temel uzunluğunun genişliğine oranı (L/B), temel derinliği (Df), yeraltı su seviyesi (Dsu) ve zemin türü (yumuşak kil ve sert kil) gibi kritik parametreler dikkate alınmıştır ve Yanıt Yüzey Yöntemi kullanılarak toplam 42 farklı durum senaryosu geliştirilmiştir. Analitik hesaplamalar ile temel zeminindeki ani, konsolidasyon ve toplam oturma değerleri hesaplanmıştır. Detaylı sonlu eleman modellemesi PLAXIS 3D'de gerçekleştirilmiştir. Sayısal analizlerde, temel kazısı sırasındaki kabarma, yapısal yükleme sonundaki ani oturma ve %90 konsolidasyon aşamasındaki toplam oturmalar, boşluk suyu basıncı değişimleri, yapısal gerilme ile oturma etki derinlikleri ve radye temelde oluşan moment etkileri belirlenmiştir. Ayrıca, girdi değişkenlerinin önemini değerlendirmek ve farklı oturma aşamaları için regresyon tabanlı tahmin modelleri geliştirmek için Yanıt Yüzey Yöntemi ve varyans analizi (ANOVA) kullanılarak istatistiksel modelleme yapılmıştır. Yumuşak kil üzerine yerleştirilen sığ temeller hem yapısal yükleme hem de konsolidasyon aşamalarında sert kile kıyasla önemli ölçüde daha büyük oturma büyüklükleri sergilemektedirler. Sayısal analizlerde efektif gerilmelerin ve boşluk suyu basınçlarının zamanla ve derinlikle değişimleri killi zeminin oturma davranışını açık bir şekilde göstermiştir. Genellikle oturma etki derinliği, yapı gerilmesi etki derinliğinden ortalama %40 daha büyük belirlenmiştir. Bu durum, kil katmanındaki efektif gerilmeler değişmese bile zamana bağlı oturmaların devam ettiğini göstermektedir (düşük geçirimlilik ve artık boşluk suyu basıncı dengelenmesi). Killi zeminlerin zamana bağlı konsolidasyon davranışı önemli olmakla birlikte hem analitik hesaplama hem de sayısal analiz sonuçları toplam oturmaların büyük kısmının yapısal yükleme aşamasında (%40-100, ortalama %75) olduğunu göstermektedir. Analitik yöntemde, net taban basıncının (qnet=q0-ɤnDf) sıfır veya negatif olduğu durumlarda konsolidasyon oturması olmazken, sayısal analizlerde konsolidasyon oturması görülmüştür. Bu nedenle analitik hesaplamalarda, özellikle yumuşak killerde, kazı derinliğinin fazla olduğu (qnet<0 ve ɤnDf/qo>0.7) durumlarda net taban basıncı yerine yapı yükünün belli bir bölümü alınması tavsiye edilmektedir. Analitik yöntemde, elastik otuma üzerinde en etkili parametreler q0, B ve elastisite modülü (E) iken sayısal analizlerde bunlara ilave olarak etki derinliği ve temel kazısı sırasındaki kabarma-yeniden yükleme olaylarının etkili olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sayısal analizlerde elastik oturma Df<3m iken analitik hesaplardan büyük, Df>3m iken ise daha küçük elde edilmiştir. Çünkü, Df>3m iken temel kazısı sırasındaki kabarma miktarı elastik oturmanın %35'inden daha büyük olmaktadır. Temel kazısı sırasında, yumuşak killerde 191.5mm'ye kadar (ortalama 61.2mm), sert killerde ise 28.1mm'ye kadar (ortalama 12.3mm) kabarma gözlenmiştir. Sayısal analizlerden elde edilen önemli bir bulgu temel zeminindeki kabarmanın yapısal gerilmenin uygulanmasından sonra da devam edebileceğini göstermiştir. Derin kazının yapıldığı fakat yapı yüklerinin nispeten az olduğu durumlarda (ɤnDf/qo>1.5-2) yapısal gerilme aşamasında oturma gözlenirken, zamanla bu olay kabarmaya dönmüştür. Bu olaydaki kabarma miktarı çalışmadaki yapı-temel-zemin özelliklerine bağlı olarak en fazla 5-6mm olmasına rağmen, başka vakalar için zemin profilindeki kil mineralojisine göre daha yüksek değerlere ulaşma ihtimali göz ardı edilmemelidir. Analitik ve sayısal yöntemlerle temel zeminindeki düşey deformasyon değerlerini tahmin etmek için istatistiki çalışmalar yürütülmüş ve yüksek regresyon katsayılarına sahip denklemler üretilmiştir. Genel olarak, düşey deformasyonlar üzerinde yapısal gerilme (q0), temel genişliği (B) ve kazı derinliği (Df) en etkili parametreler olarak belirlenirken, etkileşim parametrelerinin (örneğin, q0xB, q0xDf, B2, (L/B)2) modellerde yer alması yapı-zemin etkileşiminin doğrusal olmayan davranışını benzetmeye olanak tanımıştır.

In this thesis, the settlement behavior of shallow foundations on cohesive soils was comprehensively analyzed using both numerical and analytical approaches. Critical parameters such as structural stress (q₀), foundation width (B), aspect ratio (L/B), foundation depth (Df), groundwater level (Dw), and soil type (soft clay and stiff clay) were considered. A total of 42 different scenario combinations were developed using the Response Surface Methodology (RSM). Analytical calculations were conducted to determine immediate, consolidation, and total settlement values in the foundation soil. Detailed finite element modeling was carried out using PLAXIS 3D. In the numerical analyses, settlements during excavation-induced heave, structural loading, and 90% consolidation phases, changes in pore water pressures, stress-influenced settlement depths, and bending moments in the raft foundation were examined. Furthermore, statistical modeling was performed using RSM and analysis of variance (ANOVA) to assess the significance of input variables and to develop regression-based prediction models for different stages of settlement. Shallow foundations placed on soft clay exhibited significantly higher settlements during both the structural loading and consolidation phases compared to those on stiff clay. The changes in effective stresses and pore water pressures over time and with depth clearly demonstrated the settlement behavior of cohesive soils. Typically, the depth of settlement influence was found to be on average 40% greater than the depth of structural stress influence. This indicates that time-dependent settlements continue even when effective stresses in the clay layer remain unchanged—mainly due to low permeability and delayed dissipation of excess pore water pressure. Although the time-dependent consolidation behavior of clayey soils is notable, both analytical and numerical results showed that the majority of the total settlements occurred during the structural loading phase (ranging from 40% to 100%, with an average of 75%). In analytical calculations, no consolidation settlement was observed when the net foundation pressure (qnet=q₀- γnDf) was zero or negative. However, in numerical analyses, consolidation settlements were still observed. Therefore, in analytical calculations, especially in soft soils, where the excavation depth is excessive (qnet<0 and ɤnDf/qo>0.7), it is recommended to use a certain portion of the structure load instead of the net base pressure. In the analytical method, the most effective parameters on elastic settlement are q0, B, and the elastic modulus (E), while numerical analyses have shown that the depth of influence and the heave-reloading phenomena during foundation excavation also play a significant role. In numerical analyses, elastic settlement is larger than analytical calculations when Df<3m and smaller when Df>3m. This is because, when Df>3m, the amount of heave during foundation excavation exceeds 35% of the elastic settlement. During excavation, heave values up to 191.5 mm (average: 61.2 mm) were observed in soft clays and up to 28.1 mm (average: 12.3 mm) in stiff clays. A key finding from the numerical analyses was that heaving in the foundation soil may continue even after the application of structural loads. In cases where deep excavation was performed but structural loads were relatively low (γnDf/q₀>1.5–2), settlements were initially observed during the loading phase but later transitioned into heave over time. Although the maximum heave in these scenarios was limited to 5–6 mm depending on the specific structure–foundation–soil properties studied, higher values may occur in other cases depending on the clay mineralogy in the soil profile and should not be overlooked. Statistical analyses were conducted to predict vertical deformation values in the foundation soil using both analytical and numerical methods, and regression equations with high correlation coefficients were developed. In general, structural stress (q₀), foundation width (B), and excavation depth (Df) were identified as the most influential parameters on vertical deformations. The inclusion of interaction terms (e.g., q₀×B, q₀×Df, B², (L/B)²) in the models enabled the representation of the nonlinear behavior of the structure–soil interaction.