Plaxis ile İstinat Yapısı ve Derin Kazı Analizi: Ankraj ve Fore Kazık

Özet

Derin kazılarda kazı yan yüzeyini tutmak için kullanılan ankrajlı ve fore kazıklı iksa (istinat) sistemleri, zemin ile yapısal elemanın birlikte çalıştığı, inşa sırasına bağlı problemlerdir. Bu tür problemlerde el hesabı (limit denge) yöntemleri yalnızca nihai dengeyi verirken, Plaxis 2D sonlu eleman yazılımı kazının her kademesindeki deplasmanı, perde eğilme momentini ve ankraj kuvvetini birlikte verir. Bu rehber, ankrajlı/fore kazıklı bir derin kazının Plaxis 2D'de kademeli inşa (staged construction) mantığıyla nasıl kurulduğunu; perdenin plate mi embedded beam row mu ile modelleneceğini; su tablası, öngerme ve arayüz tanımının nasıl yapılacağını ve sonuçların Eurocode 7 (EN 1997) ile Türkiye saha pratiği bağlamında nasıl değerlendirileceğini ele alır. Yazılımın genel kullanımı için kardeş makalemiz Plaxis ile Sonlu Eleman Geoteknik Analizi temel oluşturur; burada özellikle istinat/derin kazı problemine odaklanıyoruz.

Derin Kazı Probleminin Doğası

Derin bir kazıda zemin, yatay olarak yanal toprak basıncı uygular; bu basınç dengelenmediğinde kazı yüzeyi göçer. İksa sistemi bu yanal basıncı karşılar. Ancak problemin kritik yanı şudur: son durumdaki gerilme ve deplasman, izlenen inşa sırasına bağlıdır. Aynı kesit önce kazılıp sonra ankrajlanırsa, önce ankrajlanıp sonra kazılmasından farklı deplasman ve moment verir. Çünkü zemin doğrusal-olmayan davranır ve her kademede rijitliği değişen bir sisteme yük biner.

İksa sistemleri kabaca üç gruba ayrılır:

• Konsol (desteksiz) perde: Perde yalnızca gömme boyuyla (zemine soketlenme) tutulur; sığ kazılarda uygulanır.
• Ankrajlı perde: Perde, bir veya birkaç sıra zemin ankrajıyla (ground anchor) geriye doğru tutulur; derin kazıların en yaygın çözümüdür.
• Yatay destekli (strut) perde: Perde, karşılıklı çelik payandalarla tutulur; dar kazılarda kullanılır.

Plaxis 2D bu üç sistemi de modelleyebilir. Bu yazıda ankrajlı ve fore kazıklı (ayrık kazık + ankraj) sistem üzerine yoğunlaşıyoruz, çünkü Türkiye'deki şehir içi derin kazıların büyük çoğunluğu bu tiptedir.

Saha notu: Yanal deplasman sadece perdenin değil, komşu binanın da kaderini belirler. Şehir içinde bitişik nizam binaya yakın bir kazıda perde 2 cm öne yürürse, komşu binanın temeli oturur ve çatlar. Bu yüzden derin kazı analizi aslında bir "komşuyu koruma" problemidir.

Perde Sistemini Modelleme: Plate mi, Embedded Beam Row mu?

Plaxis 2D'de perdeyi modellemenin iki temel yolu vardır ve seçim, perdenin sürekli mi yoksa ayrık mı olduğuna bağlıdır:

Sürekli perde (diyafram duvar ya da kazıkların birbirine değdiği sekant perde) düzlem-dışında süreklidir; bu yüzden iki yüzünde arayüz (interface) tanımlanmış bir plate elemanıyla modellenir. Arayüz, zemin ile perde arasındaki sürtünme ve olası kaymayı (R_inter dayanım azaltma katsayısı) temsil eder.

Ayrık fore kazık (kazıklar arasında zemin boşluğu olan kontigü perde) ise düzlem-dışında zeminin kazıklar arasından akmasına izin verir. Bu davranış embedded beam row ile çok daha gerçekçi yakalanır; çünkü bu eleman, kiriş bileşenine gömülü arayüz elemanlarıyla hem kazık gövdesi boyunca hem de kazık ucunda zemin etkileşimini modeller. Plate kullanılırsa ayrık kazığın düzlem-dışı rijitliği abartılır ve güvenlik düzeyi olduğundan yüksek görünür.

Saha notu: "Hangisi doğru?" sorusunun pratik cevabı: sürekli/diyafram perde → plate; aralıklı fore kazık → embedded beam row. Yanlış eleman seçimi, perdeyi gereğinden rijit gösterip deplasmanı küçük çıkarır; bu "iyi haber" gibi görünür ama tasarımı emniyetsiz yapar.

Ankrajı Modelleme: Serbest Boy ve Aderans Boyu

Zemin ankrajı (ground anchor) Plaxis'te tek bir eleman değildir; iki ayrı parçayla temsil edilir:

1. Serbest boy (free length): Ankraj kafasından kök bölgesine kadar olan, yükü ileten ama zemine yapışmayan kısım. Node-to-node anchor (iki düğüm arası ankraj) elemanıyla modellenir. Bu eleman yalnızca eksenel kuvvet taşır; eğilme rijitliği yoktur.
2. Aderans/kök boyu (bond/grout length): Ankrajın zemine enjeksiyonla bağlandığı, çekme yükünü zemine aktaran kısım. Embedded beam veya geogrid ile modellenir; zeminle sürtünme yoluyla yük aktarır.

Öngerme (prestress) uygulaması staged construction'ın kalbidir. İlgili kazı fazında, node-to-node anchor seçilip Adjust prestress seçeneği işaretlenir ve hedef öngerme kuvveti (örneğin 400 kN) girilir. Bu faz çözüldüğünde perde geriye çekilir ve ankraj öngermeyi taşır. Bir sonraki kazı fazında öngerme artık "kilitli" kabul edilir; ankraj kuvveti, kazı derinleştikçe zeminle birlikte yeniden dağılır. Bu yüzden her ankraj sırasının öngermesi, kendi kuruluş kademesinde tanımlanmalıdır; tümünü tek fazda girmek inşa sırasını bozar.

Çok sıralı ankrajlı sistemlerin tasarımı için hesaplama araçlarımız ve geoteknik kategorisindeki diğer içerikler tamamlayıcı kontrol sağlar.

Kademeli İnşa (Staged Construction) Akışı

Tipik bir ankrajlı/fore kazıklı derin kazının Plaxis 2D fazları şöyle kurulur:

Kritik kurulum noktaları:

• Deplasman sıfırlama: Perde imalat fazında Reset displacements to zero seçilir; yoksa imalat öncesi başlangıç deformasyonu sonuçlara karışır.
• Drenaj koşulu: Killi zeminde kısa süreli kazı için undrained, kumda drained davranış; yanlış seçim taşıma gücünü ve oturmayı tamamen değiştirir.
• Zemin modeli: Kazı tabanı kabarması ve perde deplasmanı gibi servis-durumu (SLS) büyüklükleri için Hardening Soil veya HS-Small, basit Mohr-Coulomb'a göre çok daha gerçekçidir (yükleme/boşaltma rijitliğini ayrı tanımlar).
• Ağ (mesh) sıklığı: Perde ve kazı tabanı çevresinde ağ yerel olarak sıklaştırılmalı; kaba ağ moment ve deplasmanı yanlış verir.

Saha notu: En sık hata, tüm ankrajları ve kazıyı tek fazda tanımlamaktır. Bu, gerçekte adım adım gelişen yükü tek seferde bindirir; sonuçta perde momenti ve ankraj kuvveti gerçekteki değerden sapar. Staged construction'ın amacı tam da bu sırayı doğru yakalamaktır.

Su Tablası ve Sızma Etkisi

Derin kazıda su, çoğu zaman zeminin kendisinden daha kritiktir. Plaxis'te su iki şekilde ele alınır:

• Susuz (dry) kazı: Her kazı fazında kazı içi su seviyesi kazı tabanı kotuna düşürülür. Perde geçirimsizse, kazı dışındaki yüksek su ile içerideki düşük su arasındaki fark perdeye ek hidrostatik yük bindirir.
• Sızma (groundwater flow) analizi: Perde altından su sızıyorsa, kararlı/zamana bağlı akış analizi yapılır. Bu, gerçekçi boşluk suyu basıncı dağılımı verir ve kazı tabanında kaynama (heave/piping) riskini değerlendirmeye olanak sağlar.

Efektif gerilme yaklaşımı (effective stress analysis) tercih edilmelidir: kil için undrained davranış (A/B/C tipleri), kum için drained davranış. Su seviyesi farkı yükseldikçe hem perde momenti hem de taban kabarması artar; bu yüzden su yönetimi (drenaj, kuyu, geçirimsiz perde) tasarımın ayrılmaz parçasıdır.

İlgili güvenlik sınırları ve drenaj zorunlulukları için yönetmelikler bölümümüz ve TBDY 2018 ile EN 1997 hükümleri esas alınmalıdır.

Sonuçların Yorumlanması: Deplasman, Moment, Ankraj Kuvveti

Analiz tamamlandığında derin kazı için okunması gereken temel çıktılar:

• Perde yatay deplasmanı (|u_x|): En kritik kontrol. Türkiye pratiğinde konsol sistemlerde nihai kazı derinliğinin yaklaşık %1'i, ankraj/destekle tutulan sistemlerde %0,25-0,5'i ile sınırlanır. Örneğin 10 m'lik destekli bir kazıda hedef deplasman yaklaşık 2,5-5 cm mertebesindedir.
• Perde eğilme momenti (M) ve kesme (V): Perde donatısının (fore kazık donatısı, diyafram duvar donatısı) tasarımına esas olur. Plate elemanından doğrudan, embedded beam row'dan eleman içi kuvvet olarak okunur.
• Ankraj kuvveti (N): Her ankraj sırasındaki eksenel kuvvet; ankraj kapasitesi ve çekme deneyi (test yükü) ile karşılaştırılır.
• Kazı tabanı kabarması (heave): Boşaltma sonucu tabanın yukarı hareketi; aşırı kabarma taban stabilitesi ve sızma sorunu işaretidir.
• Global güvenlik sayısı (ΣMsf): phi-c reduction (Safety) hesabından gelir; genellikle ≥1,3-1,5 hedeflenir (yönetmelik ve duruma göre).

Eurocode 7 doğrulaması, Plaxis çıktısından sonra gelen ayrı bir adımdır. Kısmi katsayılar ya malzeme dayanımına uygulanıp analiz tekrar koşulur (Material Factor Approach), ya da hesaplanan dirençlere uygulanır. Servis-durumu (SLS) deplasman kontrolleri ise kısmi katsayısı 1,0 olan karakteristik yüklerle yapılır. Komşu binaya yakın kazılarda, izin verilen deplasman doğrudan binanın hassasiyetiyle (mevcut çatlak, temel tipi, açısal dönme toleransı) belirlenir.

Saha notu: Plaxis'in verdiği deplasman bir "tahmin"dir, gerçek değil. Bu yüzden derin kazılarda inklinometre ve ankraj yük hücresi ile gerçek deplasman ve kuvvet izlenmeli; ölçüm modelden saparsa zemin parametreleri (gözlemsel yöntem / observational method) güncellenmelidir.

Yaygın Hatalar ve Pratik Öneriler

Derin kazı modellemesinde sık karşılaşılan hatalar:

• Yanlış eleman seçimi: Ayrık fore kazığı plate ile modelleyip rijitliği abartmak (emniyetsiz yönde hata).
• Tek fazda kazı + ankraj: İnşa sırasını yok sayıp moment/kuvvet dağılımını bozmak.
• Mohr-Coulomb ile SLS: Tek rijitlikli model ile kazı tabanı kabarması ve perde deplasmanını yanlış (genelde fazla) tahmin etmek.
• Deplasman sıfırlamayı unutmak: Perde imalatı fazında deplasman sıfırlanmazsa başlangıç deformasyonu sonuçlara karışır.
• Su tablasını ihmal etmek: Geçirimsiz perdede su seviyesi farkını ve sızmayı modellememek; gerçek perde yükünü düşük tahmin etmek.
• Arayüz (interface) eksikliği: Plate'in iki yüzünde arayüz tanımlamamak; zemin-perde kaymasını yanlış modellemek.
• 2D'nin sınırı: Köşe etkileri, payanda noktasal yükleri ve düzensiz planlar düzlem-gerilme (plane strain) varsayımıyla tam temsil edilemez; karmaşık geometride 3D'ye geçmek gerekebilir.

Plaxis'in çelik/betonarme yapı yazılımlarından farkı, çıktının mühendislik yargısıyla birlikte değerlendirilmesi zorunluluğudur. Çelik tasarımda çelik kategorisi, genel yapısal yaklaşımda betonarme kategorisi ayrı referans sağlar; ancak derin kazıda nihai karar daima zemin parametrelerinin güvenilirliğine ve saha gözlemine dayanır. Yazılımın kurulum ve sürüm bilgisi için kardeş makalemiz Plaxis ile Sonlu Eleman Geoteknik Analizi referans alınmalıdır.

Sık Sorulan Sorular

Konsol fore kazık ile ankrajlı sistem arasında ne zaman seçim yapılır? Kazı derinliği arttıkça ve komşu yapı yaklaştıkça konsol sistemin deplasmanı kabul edilemez hale gelir. Genel pratikte birkaç metreyi geçen ve komşu binaya yakın kazılarda ankrajlı (veya destekli) sistem tercih edilir; konsol sistemler sığ ve serbest kazılarla sınırlıdır.

Embedded beam row için aks aralığı (spacing) neden kritik? Embedded beam row, tek bir kazığı düzlem-dışında belirli bir aralıkla tekrarlanan bir sıra olarak temsil eder. Aks aralığı yanlış girilirse kazığın rijitliği ve kazık-zemin etkileşimi orantısız çıkar; bu doğrudan perde deplasmanını ve momentini etkiler.

Plaxis sonucu ile el hesabı (limit denge) neden farklı çıkar? Limit denge yalnızca nihai göçme dengesini ve basınç dağılımını verir; deplasmanı ve inşa sırasını dikkate almaz. Plaxis ise her kademedeki deformasyonu ve yeniden dağılan kuvvetleri hesaplar. İkisi farklı amaçlara hizmet eder ve birbirini doğrulamak için birlikte kullanılmalıdır.

Kaynaklar

1. Bentley Systems / Seequent — PLAXIS 2D Tutorial Manual (güncel sürüm) — "Dry excavation using a tie back wall" dersi; diyafram perde, arayüz ve öngermeli ankraj modelleme: plaxis.com / files.seequent.com
2. Bentley — PLAXIS 2D Release Notes (güncel sürüm) — embedded beam, tunnel designer ve ankraj/kablo modelleme yenilikleri: communities.bentley.com
3. Sluis, Besseling et al. — Validation and Application of the Embedded Pile Row Feature in PLAXIS 2D — ayrık kazık sırası modelleme doğrulaması
4. Modelling of soldier pile walls in PLAXIS 2D — ISSMGE / NUMGE 2023 bildirisi; plate vs embedded beam row karşılaştırması: issmge.org
5. TS EN 1997-1 (Eurocode 7) — Geoteknik Tasarım, Genel Kurallar — kısmi katsayı yaklaşımı ve geoteknik doğrulama
6. Derin kazı destek sistemlerinin analizinde geoteknik modelleme farklılıkları — yatay deplasman sınırları ve iksa tasarım esasları (Türkiye uygulaması): dergipark.org.tr
7. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY 2018) — Resmî Gazete, 18 Mart 2018, sayı 30364 (mükerrer); sismik yük ve geoteknik hükümler