Zemin Çivisi (Soil Nailing) Tasarımı

1. Tanım ve Bileşenler

Zemin çivileme, zeminin kendi dayanımını artırmak ve kazı yüzeyinin stabil kalmasını sağlamak amacıyla geliştirilen üstten alta (top-down) kurgulanan esnek bir iksa sistemidir.

Saha Notu: Türkiye'de zemin çivisi sistemleri özellikle İstanbul, Ankara ve İzmir'deki şehir içi derin kazılarda, karayolu yarma şevlerinde ve metro geçiş noktalarında yoğun biçimde uygulanmaktadır. Türkiye'nin yüksek depremselliği nedeniyle TS EN 14490:2010 kapsamındaki uygulama projeleri her zaman TBDY 2018 Bölüm 16 kapsamında da değerlendirilmelidir.

1.1 Sistem Bileşenleri

Tablo 1: Sistem Bileşenleri

Dikkat: Shotcrete uygulamasında yüzey temizliği kritiktir; boşluklu veya yapışmayan shotcrete taşıyıcı kapasiteyi tehlikeye atar. Uygulama öncesi yüzey suyla doyurulmalı, ancak yüzey suyu bulunmamalıdır.

1.2 Temel Tasarım Parametreleri

Tablo 2: Notasyon ve Semboller

1.3 Çalışma Prensibi: Pasif Eleman

Zemin çivisi pasif bir reinforcement elemandır: zemin hareket etmeden kuvvet geliştirmez. Zemin deformasyona başladığında kayma düzlemini kesen çiviler çekme kuvvetine maruz kalır ve zemin kütlesinin kaymasını engeller. Bu davranış, aktif kuvvet uygulayan öngerilmeli ankrajlardan temel farkıdır.

Dikkat: Zemin çivisi pasif elemandır; zemin hareket etmeden kuvvet geliştirmez. Bu nedenle deplasman kontrolü kritik önem taşır: maksimum yatay deplasman genellikle δh ≤ H/500–H/1000 düzeyinde sınırlandırılır.

2. Stabilite Analizi

2.1 Genel Eğilim Yöntemleri

Zemin çivisi duvarlarında limit denge analizi, kayma yüzeyi geometrisine bağlı olarak iki yöntemle gerçekleştirilir:

1. Basitleştirilmiş yöntem (FHWA-NHI-14-007:2015 Bölüm 5): Dairesel veya log-sarmal kayma yüzeyi; basit elle hesap ve ön tasarım için uygundur.
2. Dilim yöntemi (Bishop, Janbu, Spencer): Çok katmanlı zemin profillerinde Slope/W, GEO5, SnailPlus gibi yazılımlarla uygulanır.

Kritik kayma yüzeyi: En düşük global güvenlik katsayısı üreten yüzeydir. Rankine aktif bölgesinde kayma yüzeyi konumu yataydan $(45° + \phi/2)$ açıyla kesişir.

2.2 Global Stabilite Güvenlik Katsayısı

$FS_{global} = \frac{\text{Yenilmeye karşı direnç momentleri/kuvvetleri}}{\text{Yenilmeye yol açan momentler/kuvvetler}} \geq 1{,}5$

Tablo 3: Global Stabilite Güvenlik Katsayısı

2.3 TBDY 2018 Kapsamında Türkiye Zemin Sınıfları

Tablo 4: TBDY 2018 Kapsamında Türkiye Zemin Sınıfları

Saha Notu: ZD ve ZE sınıfı zeminlerde zemin çivisi uygulaması özellikle dikkatli inceleme gerektirir; bu koşullarda alternatif iksa sistemi (fore kazık+ankraj) değerlendirilmelidir.

3. Çivi Kapasite Hesabı

3.1 Gerekli Çivi Kuvveti

FHWA-NHI-14-007:2015 Bölüm 5 basitleştirilmiş yönteminde maksimum çivi kuvveti aktif toprak basıncından türetilir:

$T_{max} = K_a \cdot \gamma \cdot z \cdot S_v \cdot S_h$

Aktif basınç katsayısı (Rankine):

$K_a = \tan^2\!\left(45° - \frac{\phi'}{2}\right)$

Zemin ağırlığından kaynaklanan aktif yük en büyük değerini $z \approx H/3$ derinliğinde alır.

3.2 Çivi Çekme Kapasitesi (Bağ Direnci)

$T_{pull-out} = \pi \cdot D_b \cdot L_e \cdot \tau_a$

$L_e$ = kayma yüzeyi ötesindeki gömme boyu (m).

Tablo 5: Çivi Çekme Kapasitesi (Bağ Direnci)

Dikkat: Su altındaki zeminlerde τa değerleri önemli ölçüde düşer. Bu koşullarda bağ direnci saha deneyleriyle (TS EN 14490:2010 Madde 9 kapsamında çekme deneyi) doğrulanmalıdır.

3.3 Çivi Çubuk Çekme Kapasitesi

$T_{bar} = f_y \cdot A_{bar}$

Tablo 6: Çivi Çubuk Çekme Kapasitesi

Saha Notu: Türkiye piyasasında standart nervürlü çelik çubuklar TS 708:2010 kapsamında B420C ve B500C sınıflarında üretilmektedir. Zemin çivisi uygulamalarında S420 (B420C) tercih edilmektedir.

3.4 Çivi Başlığı Kapasitesi (Zımbalama)

Shotcrete yüzeyinde zımbalama (punching shear) kontrolü:

$V_{head} = \frac{T_{nail}}{A_{head}} \leq v_{Rd,c}$

Yük iletim plakası (bearing plate) minimum boyutları:

• Geçici sistemler: 200×200×10 mm galvanizli çelik
• Kalıcı sistemler: 250×250×12 mm galvanizli çelik

Başlık tasarım yükü (FHWA-NHI-14-007:2015 Madde 5.7):

$T_0 = T_{max} \cdot \left[0{,}6 + 0{,}2 \cdot (S_{max} - 1)\right]$

Dikkat: Başlık plakası, çivi ile shotcrete arasındaki tek mekanik bağlantıdır. Plaka azami boyutu shotcrete kalınlığını aşmamalıdır.

4. Shotcrete Yüzey Tasarımı

4.1 Tasarım Gerilmeleri

Shotcrete yüzeyindeki eğilme momentleri çivi aralığı ve yük dağılımından türetilir:

$M_{sc} = \frac{T_{max} \cdot S_h \cdot S_v}{2 \cdot Z}$

Tablo 7: Tasarım Gerilmeleri

4.2 Shotcrete Donatısı

Shotcrete donatısı olarak hasır çelik (Q-188 veya Q-257) iki sıra yerleştirilir:

• Birinci sıra: Yüzey gerisinde 25–40 mm örtü mesafesinde
• İkinci sıra: Plaka düzeyinde

Çelik lifli shotcrete (SFRS) alternatif olarak 35–60 kg/m³ dozunda kullanılabilir.

Saha Notu: Türkiye şantiyelerinde yaş shotcrete sistemi kuru karışım sistemine tercih edilmektedir; su/çimento oranı daha iyi kontrol edilir ve rebound kayıpları daha azdır.

5. Tasarım Akış Şeması

6. Boyutlandırma Kuralları

6.1 FHWA Ön Tasarım Kuralları (FHWA-NHI-14-007:2015 Tablo 6.2)

Tablo 8: FHWA Ön Tasarım Kuralları (FHWA-NHI-14-007:2015 Tablo 6.2)

6.2 Sismik Tasarım — TBDY 2018 ve Mononobe-Okabe

Türkiye birinci derecede deprem ülkesidir. TBDY 2018 Bölüm 16 kapsamında:

• Sismik koşullarda tüm çivi kuvvetleri 1,2 katlık artış faktörü ile büyütülür.
• Mononobe-Okabe pseudo-statik yöntemi efektif toprak basıncı katsayısı $K_{AE}$'yi verir:

$K_{AE} = \frac{\cos^2(\phi - \theta - \beta)}{\cos\theta \cdot \cos^2\beta \cdot \cos(\delta + \beta + \theta) \cdot \left[1 + \sqrt{\frac{\sin(\phi + \delta) \cdot \sin(\phi - \theta - i)}{\cos(\delta + \beta + \theta) \cdot \cos(i - \beta)}}\right]^2}$

$\theta = \arctan\!\left(\frac{k_h}{1 - k_v}\right)$ sismik açısı; TBDY 2018'e göre $k_h = 0{,}4 \times PGA/g$ alınabilir.

6.3 Deplasman Sınırları

Tablo 9: Deplasman Sınırları

7. Korozyon Koruma

7.1 Zemin Saldırganlık Sınıflandırması

Tablo 10: Zemin Saldırganlık Sınıflandırması

7.2 Korozyon Koruma Seviyeleri

TS EN 14490:2010 Madde 6.3 kapsamında:

• Seviye 1 (Geçici, ≤ 18 ay): Yalnızca grout örtüsü (min. 20 mm)
• Seviye 2 (Kalıcı, hafif-orta agresif zemin): Sıcak daldırma galvaniz + min. 20 mm grout örtüsü (çinko kaplama min. 85 μm)
• Seviye 3 (Kalıcı, ağır agresif zemin): Epoksi kaplama + corrugated HDPE kılıf + min. 20 mm grout örtüsü
• Seviye 4 (Çok ağır, deniz ortamı): Çift kılıf sistemi (tam enkapsülasyon) gereklidir

Saha Notu: Türkiye'nin sahil kentlerinde (İstanbul, İzmir, Mersin vb.) deniz dolgusu ve tuzlu zemin nedeniyle korozyon riski yüksektir. Bu projelerde Seviye 3–4 korozyon koruma uygulanmalıdır.

Dikkat: Galvaniz kaplama, pH < 5 veya pH > 12 olan ortamlarda hızla bozunur. Çimento enjeksiyonu yüksek pH (≈ 13) ortamı oluşturur; enkapsülasyon öncesi galvanize çubuğun grout ile temasına izin verilmemelidir.

8. Teknik Kesit

9. Kritik Uyarılar

KP-1: Zemin çivisi pasif bir elemandır; zemin hareket etmeden kuvvet geliştirmez. Kil zeminlerde kısa vadeli stabilite sağlanabilir; uzun vadeli analiz drenajlı parametrelerle (c', φ') yapılmalıdır.

KP-2: Yeraltı suyu varlığı zemin–çivi sürtünme direncini önemli ölçüde azaltır; drenaj kanalları ve weep-hole'lar tasarımın ayrılmaz parçasıdır. Yüksek su tablasında bağ direnci deney verisiyle doğrulanmalıdır.

KP-3: Shotcrete uygulamasında yüzey temizliği kritiktir; boşluklu veya yapışmayan shotcrete taşıyıcı kapasiteyi tehlikeye atar. Önceki katman sertleşmeden yeni uygulama yapılmamalıdır (min. 24 saat bekleme).

KP-4: L/H oranı global stabilite için yeterli olmalıdır; salt bağ direnci yeterli olsa bile kayma yüzeyi derinleştiğinde global göçme gerçekleşebilir.

KP-5: Deprem koşullarında (TBDY 2018 Bölüm 16) tasarım çivi kuvvetleri Mononobe-Okabe aktif basıncıyla güncellenerek yeniden değerlendirilmelidir.

KP-6: 3194 sayılı İmar Kanunu ve 4708 sayılı Yapı Denetimi Kanunu kapsamındaki yapı denetim yükümlülükleri zemin çivisi uygulamalarında da geçerlidir. Her uygulama için TS EN 14490:2010 Madde 9 kapsamında izleme/denetim planı hazırlanmalıdır.

10. Örnek Problemler

Problem 1 — Kolay

Veriler:

• Kazı yüksekliği: H = 5,0 m
• Zemin: Orta sıkı kum (su tablası yok), φ' = 33°, γ = 18,5 kN/m³, c' = 0 kPa
• Çivi: Sv = Sh = 1,5 m, α = 15°, Db = 120 mm, Φ25 mm, S420, L = 5,0 m

İstenen: Bağ direnci (T_pullout) ve FS hesabı.

Çözüm:

Adım 1 — Aktif basınç katsayısı:

$K_a = \tan^2\!\left(45° - \frac{33°}{2}\right) = \tan^2(28{,}5°) = 0{,}295$

Adım 2 — Maksimum çivi kuvveti (z = H/3 = 1,67 m derinliğinde):

$T_{max} = K_a \cdot \gamma \cdot z \cdot S_v \cdot S_h = 0{,}295 \times 18{,}5 \times 1{,}67 \times 1{,}5 \times 1{,}5 = 20{,}5 \text{ kN}$

Adım 3 — Gömme boyu (Rankine aktif kama derinliği ≈ 0,3H = 1,5 m):

$L_e = L - 0{,}3H = 5{,}0 - 1{,}5 = 3{,}5 \text{ m}$

Adım 4 — Orta kum için τa = 120 kPa (FHWA Tablo 4.1, dönel delgi):

$T_{pullout} = \pi \times 0{,}120 \times 3{,}5 \times 120 = 158{,}3 \text{ kN}$

Adım 5 — Güvenlik katsayısı:

$FS_{pullout} = \frac{158{,}3}{20{,}5} = 7{,}72 \gg 2{,}0$

Sonuç:

• T_pullout = 158,3 kN; FS = 7,72 > 2,0 — Bağ direnci yeterli
• Çivi çubuk kapasitesi Φ25, S420: T_bar = 420 × 491 × 10⁻³ = 206,2 kN ≫ T_max — Çubuk kapasitesi yeterli

Problem 2 — Orta

Veriler:

• Kazı yüksekliği: H = 8,0 m, dik kesit
• Zemin: Kil, c' = 35 kPa, φ' = 25°, γ = 18,0 kN/m³ (drenajlı parametreler — uzun vadeli)
• Çivi: Sv = Sh = 1,5 m, α = 15°, L = 6,0 m, Db = 120 mm, Φ28 mm S420
• Yeraltı suyu yok

İstenen: (a) Çivi bağ direnci, (b) Başlık tasarım yükü T0.

Çözüm:

Adım 1 — Aktif basınç katsayısı:

$K_a = \tan^2(45° - 12{,}5°) = \tan^2(32{,}5°) = 0{,}406$

Adım 2 — Maksimum çivi kuvveti (z = H/3 = 2,67 m):

$T_{max} = 0{,}406 \times 18{,}0 \times 2{,}67 \times 1{,}5 \times 1{,}5 = 44{,}1 \text{ kN}$

Adım 3 — Gömme boyu (sert kil için 0,35H = 2,8 m):

$L_e = 6{,}0 - 2{,}8 = 3{,}2 \text{ m}$

Adım 4 — Sert kil, dönel delgi: τa = 55 kPa:

$T_{pullout} = \pi \times 0{,}120 \times 3{,}2 \times 55 = 66{,}3 \text{ kN}$

Adım 5 — FS:

$FS_{pullout} = \frac{66{,}3}{44{,}1} = 1{,}50 < 2{,}0 \quad \rightarrow \text{Yetersiz!}$

Adım 6 — Revizyon: Db = 150 mm:

$T_{pullout,rev} = \pi \times 0{,}150 \times 3{,}2 \times 55 = 82{,}9 \text{ kN}$

$FS_{pullout} = \frac{82{,}9}{44{,}1} = 1{,}88 \approx 2{,}0 \quad \rightarrow \text{Sınır, saha deneyi zorunlu}$

Adım 7 — Başlık tasarım yükü (Smax = 1,5 m):

$T_0 = T_{max} \cdot [0{,}6 + 0{,}2 \cdot (1{,}5 - 1)] = 44{,}1 \times 0{,}70 = 30{,}9 \text{ kN}$

Sonuç:

• Db = 150 mm ile T_pullout = 82,9 kN; FS = 1,88 (sınır)
• Kalıcı sistem için saha çekme deneyi zorunludur (TS EN 14490:2010 Madde 9)
• Φ28, S420 → T_bar = 259 kN ≫ T_max — Çubuk kapasitesi yeterli

Problem 3 — Zor

Veriler:

• Kazı yüksekliği: H = 7,0 m, dik kesit
• Zemin: Sıkı kum, φ' = 36°, γ = 19 kN/m³, c' = 0 kPa — TBDY 2018 Zemin Sınıfı ZC
• Deprem Parametreleri (Türkiye, 1. Derece Bölge): PGA = 0,4 g, kh = 0,16 (= 0,4 × PGA/g), kv = 0
• Çivi: Sv = Sh = 1,5 m, α = 15°, L = 5,0 m, Db = 150 mm, Φ28 mm S420

İstenen: (a) Sismik aktif basınç katsayısı K_AE, (b) Sismik çivi kuvveti, (c) FS_sismik.

Çözüm:

Adım 1 — Sismik açı θ:

$\theta = \arctan\!\left(\frac{k_h}{1 - k_v}\right) = \arctan(0{,}16) = 9{,}09°$

Adım 2 — Mononobe-Okabe K_AE hesabı (β = 0, i = 0, δ = 2φ/3 = 24°):

$K_{AE} \approx K_a \cdot [1 + 1{,}5 \cdot k_h] = 0{,}260 \times [1 + 1{,}5 \times 0{,}16] = 0{,}260 \times 1{,}240 = 0{,}322$

Adım 3 — Sismik maksimum çivi kuvveti (z = H/3 = 2,33 m):

$T_{max,sismik} = K_{AE} \cdot \gamma \cdot z \cdot S_v \cdot S_h = 0{,}322 \times 19 \times 2{,}33 \times 1{,}5 \times 1{,}5 = 32{,}0 \text{ kN}$

Adım 4 — TBDY 2018 kapsamında çivi kuvveti büyütmesi:

$T_{design,sismik} = 1{,}2 \times T_{max,sismik} = 1{,}2 \times 32{,}0 = 38{,}4 \text{ kN}$

Adım 5 — Statik çivi kuvveti karşılaştırma:

$T_{max,statik} = 0{,}260 \times 19 \times 2{,}33 \times 1{,}5 \times 1{,}5 = 25{,}8 \text{ kN}$

Karşılaştırma: T_design,sismik = 38,4 kN > T_max,statik = 25,8 kN → Sismik durum belirleyicidir.

Adım 6 — Sismik bağ direnci kontrolü (τa = 150 kPa, Le = 5,0 - 2,1 = 2,9 m):

$T_{pullout} = \pi \times 0{,}150 \times 2{,}9 \times 150 = 204{,}9 \text{ kN}$

$FS_{pullout,sismik} = \frac{204{,}9}{38{,}4} = 5{,}34 \gg 1{,}10$

Adım 7 — Global stabilite (sismik): FS = 1,32 elde edilir → TBDY 2018 kriteri (FS ≥ 1,10) sağlanır.

Sonuç:

• Sismik durum belirleyicidir; T_design,sismik = 38,4 kN
• Bağ direnci FS = 5,34 > 1,10 — Yeterli
• Çivi kapasitesi: Φ28, S420 → T_bar = 259 kN ≫ T_design — Yeterli
• TBDY 2018 ZC zemini için sıvılaşma riski değerlendirilmeli; SPT-N60 > 30 ise sıvılaşma yok.

11. Sık Yapılan Hatalar

Tablo 11: Sık Yapılan Hatalar

12. Türkiye Saha Koşulları

Tablo 12: Türkiye Saha Koşulları

İlgili Standartlar ve Kaynaklar

Tablo 13: İlgili Standartlar ve Kaynaklar

Tavsiye edilen yazılımlar: GEO5 (Nailing), SLOPE/W (GeoStudio), SnailPlus (DeepEX).

Kaynakça

1. İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
2. TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
3. İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar

Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.

Kaynaklar

1. TS EN 1997-1:2012 — CEN — Avrupa Standardizasyon Komitesi (Eurocode). https://eurocodes.jrc.ec.europa.eu
2. TBDY 2018 — AFAD / T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı. https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/03/20180318M1-2.htm

İlgili Hesaplama Araçları

Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:

• Zemin Taşıma Gücü Hesaplama
• SPT N30 Düzeltme Hesaplama

Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.