Yer Altı Suları Yükseldikçe: Yer Alması Bölgelerindeki Köprü Şöle Temellerinin Mekanik ve Deformasyon Özellikleri

ÖZET

Pekin–Tianjin–Hebei bölgesinde uzun süreli yeraltı suyu aşırı çekimi ciddi toprak batmalarına yol açarken, K’den G’ye Su Yönlendirme Projesi ile ilişkili yeraltı suyu seviyesi yükselmesi ve iklim ısınması altında artan yağış yeraltı suyu seviyesinin toparlanmasını teşvik etmiştir. Yükselen yeraltı suyu seviyeleri, kalın yumuşak toprağın hidromekanik davranışını değiştirebilir ve batma alanlarındaki köprü kazık temellerinin güvenliğini etkileyebilir. Xiong’an–Daxing raylı sistem projesinin köprü kazık temeli örnek alınarak, bu çalışma yeraltı suyu seviyesi yükselmesi altında kazık–toprak gerilme ve deformasyon yanıtlarını incelemek için sonlu farklar yöntemini kullanmaktadır. Toprak sönümlenmesini ve kazık–toprak etkileşimini karakterize etmek için nem içeriğine bağlı Burgers sönümlenme modeli oluşturulmuştur. Yeraltı suyu beslenmesi ve yağışın yol açtığı yeraltı suyu seviyesi yükselmesinin kazık temeli deformasyonu, taşıma kapasitesi, gözenek suyu basıncı ve toprak oturması üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Bulgular, önerilen modelin toprak oturmasının evreli gelişimini yakaladığını ve kazık taşı kapasitesinin yeraltı suyu seviyesi yükselmesine doğrusal olmayan biçimde tepki verdiğini göstermektedir. Bulgular, batma alanlarındaki yeraltı suyu seviyesi toparlanması sırasında köprü kazık temellerinin ve ilgili altyapının güvenliğinin değerlendirilmesine bir referans sağlamaktadır.

1. GİRİŞ

Bölgesel karasal alçalma, geniş bir alanda yüzey yüksekliğinin sürekli olarak düşmesi özelliği taşıyan ve ulaşım mühendisliği, kent yapıları, yer altı boru hatları ile diğer altyapıların uzun vadeli güvenliğini ciddi biçimde tehdit eden jeolojik bir risktir. Pekin–Tianjin–Hebei bölgesi, nispeten yüksek alçalma oranına ve geniş etkilenme alanına sahip olmasının yanı zamanda önemli bölgesel işlevlere ve yoğun altyapı ağına sahip, Çin’deki tipik bölgelerden biridir. Bu bölgede kalın yumuşak toprak birikintilerinin yaygın olarak görülmesi nedeniyle temellerin taşıma kapasitesi nispeten düşüktür ve yapısal taşıma ile deformasyon kontrolü gereksinimlerini karşılamak için mühendislik yapılarında genellikle kazık temeller benimsenir. Kuzeyden güneye su yönlendirme projesinin uygulanmasından bu yana, Pekin–Tianjin–Hebei bölgesinde yer altı suyu beslemesi sürekli olarak artırılmış; bu da yavaş yavaş birleşen yer altı suyu seviyeleriyle karasel alçalmayı etkili biçimde kontrol altına almış ve hafifletmiştir. Öte yandan küresel iklim ısınması altında bölgesel yağışlar genel olarak artış eğilimi göstermiş ve yer altı suyu seviyesi yükselişini daha da teşvik etmiştir. Yükselen yer altı suyu seviyeleri, kalın yumuşak toprak tabakalarındaki kazık temellerin taşıma davranışını, deformasyon özelliklerini ve kazık–toprak etkileşim mekanizmasını değiştirebilir. Bu nedenle, bu konunun sistematik biçimde incelenmesi gerekmektedir.

Günümüzde, yeraltı suyu seviyesinin yükselmesinin mühendislik yapıları üzerindeki etkilerine ilişkin çalışmalar, esas olarak kazı pompalamasının komşu bina ve yapılara gösterdiği etkilerle ilgilenmektedir. Wang ve ark. (2013) ve Zhou ve ark. (2010), saha pompalama deneyleri ve sayısal simülasyonlar kullanarak yeraltı suyu seviyesinin düşmesini ve bunun çevre zemin deformasyonlarına etkilerini incelemiş; Zeng ve ark. (2020) ise laboratuvar model deneyleriyle kazı çevresindeki sızma tepkisini modellenmiştir. Li ve ark. (2024) Şanghay’daki 101 pompalama projesini daha detaylı analiz etmiş ve yeraltı suyu seviyesinin düşmesini yönlendiren faktörleri ile bunların komşu bina ve yapılara gösterdiği etkileri değerlendirmiştir. Bu çalışmalar, yeraltı suyu kaynaklı zemin deformasyonları ve kazık-zemin etkileşimi konularında önemli bilgiler sağlamıştır. Ancak, kazı pompalaması ile yeraltı suyu seviyesinin yükselmesi farklı hidromekanik süreçler temsil eder: pompalama gözenek suyu basıncını azaltır ve etkili gerilmeyi artırabilirken, yeraltı suyu seviyesinin yükselmesi gözenek suyu basıncını artırır ve etkili gerilmeyi azaltır; bu da kazık-zemin Temas koşullarında ve yan sürtünme direncinde farklı değişimlere yol açabilir. Dolayısıyla, yeraltı suyu seviyesinin yükselmesi altında kazık temellerin mekanik tepkisi, yeraltı suyu seviyesinin düşmesine ilişkin çalışmalarından doğrudan çıkarılamaz ve taşıma ile deformasyon özelliklerinin daha detaylı incelenmesi gerekmektedir.

Mevcut bölgesel arazi alçalması araştırmaları çoğunlukla bunun nedenlerine, yeraltı suyu çekiminin etkisine ve buna bağlı gelişim mekanizmalarına odaklanmaktadır. Zhang ve ark. (2015), arazi alçalmasının ve geri dönüş yükselmesinin karakteristiklerini ve oluşum mekanizmalarını analiz etmek için saha gözlemleri ile laboratuvar deneylerini birleştirmiştir. Abidin ve ark. (2009), Endonezya’daki Bandung Havzası’nda yeraltı suyu çekiminin yol açtığı arazi alçalmasını GPS ölçümleri, InSAR uzaydan algılama ve yeraltı suyu seviyesi izlemesi kullanarak incelemiştir. Minderhoud ve ark. (2017), Vietnam’daki Mekong Deltası’nda yeraltı suyu çekiminin arazi alçalmasına etkisini, ölçülen verilerle doğrulanmış, boyutsal jeolojik bir modelle eşleştirilmiş bir boyutsal alçalma modülü temelinde nicel olarak değerlendirmiştir. Yong ve ark. (2019), Malezya’daki Kelantan’daki arazi alçalmasını etkileyen faktörleri GPS ölçümleri ve deformasyon analizi gibi jeodezik teknikler kullanarak incelemiştir. Bu çalışmalar çoğunlukla bölgesel arazi alçalmasının oluşumu ve gelişim mekanizmalarına odaklanırken, bölgesel arazi alçalması koşulları altında kazık temellerin mekanik ve deformasyon tepkilerine yönelik dikkat nispeten sınırlı kalmıştır.

Zemin batması alanlarında yeraltı suyu beslenmesi koşullarında yapılan çalışmalar çoğunlukla yeraltı suyu kalitesi ve su-çevre etkilerine odaklanmıştır. Verma ve ark. (2023), sayısal simülasyonlar, su kalitesi analizi ve istatistiksel veriler kullanarak büyük ölçekli atık su geri kazanımının yeraltı suyu beslenmesi, su kalitesi değişimleri ve tarım faaliyetleri üzerindeki etkilerini sistematik olarak değerlendirmiştir. Eusuff ve Lansey (2004), MODFLOW ve MT3D modellerini karışık karmaşık evrim algoritması ile eşleyerek yapay beslenmeyle yeraltına verilen suların taşınımı ve su kalitesi dönüşümünü simüle etmiştir. Whittemore ve ark. (1989), iklim endeksi analizi, korelasyon analizi ve regresyon analizi kullanarak beslenme değişimlerinin yeraltı suyu kalitesi üzerindeki etkilerini incelemiştir. Genel olarak mevcut çalışmalar başlıca su-çevre etkilerine odaklanırken, yeraltı suyu beslenmesinin ve yeraltı suyu seviyesinin geri kazanılmasının kazık temellerin çalışma davranışı üzerindeki etkisi yeterince incelenmemiştir.

Yumuşak zemin alanlarında farklı çalışma koşullarında kazık-zemin sistemlerinin mekanik tepkisi için yaygın olarak kullanılan araştırma yöntemleri saha deneyleri, sayısal simülasyonlar ve teoretik analizleri kapsamaktadır. Bu çalışmalar genellikle kazık-zemin etkileşim mekanizmalarını kazık eksenel kuvveti, negatif sürtünme ve kazık ucu direnci incelenerek ortaya koymaktadır. Saha deneyleri ve kazık temel izlemesi, kazık temellerinin taşıma davranışını anlamak için en doğrudan ve en etkili yaklaşımlardır. Örneğin, Zhou (2004), statik yük deneyleri ve kazık eksenel kuvvet ölçümleri yoluyla yumuşak zemindeki son derece uzun delme döküm yerinde döküm kazıkların taşıma karakteristiklerini ve yük aktarım mekanizmasını incelemiştir. Zhou ve ark. (2020), derin yumuşak kil içine gömülmüş önceden delinip enjekte edilen kazıklar ve delme kazıkların sıkıştırıcı taşıma davranışına saha deneyleri gerçekleştirmiştir. Zhussupbekov ve ark. (2019), delme kazıkların statik yük deneylerini kazık malzemesi, yapısal tasarım ve mekanik davranış açılarından kapsamlı biçimde analiz etmiştir. Ancak, son uzun delme kazıklara yönelik saha deneyleri genellikle maliyetli, zaman alıcı ve uygulanması zor olup, bu durum daha geniş mühendislik uygulamasını sınırlamaktadır.

Bu nedenle, saha izlemesi ile sayısal simülasyon veya teorisel analizin birleştirilmesi, bu tür problemleri çalışmada önemli bir teknik yaklaşım haline gelmiştir. Li (2024), teorisel analiz ile sayısal simülasyonu birleştirerek kazı dışındaki yeraltı suyu seviyesindeki değişimi, çevre toprağın oturmasını ve önceden suyu alma işleminin yakındaki kazık temelerde yol açtığı deformasyonu incelemiş ve farklı suyu alma faktörlerinin ile kazık parametrelerinin kazık–toprak tepkileri üzerindeki etkilerini daha detaylı analiz etmiştir. Huang ve ark. (2021), katmanlı zeminde tünelleme sonucunda yakındaki kazık temelerde oluşan düşey ve yatay yer değiştirmeler için Pasternak temel modeli esas alınarak teorisel çözümler türetmiş, üç boyutlu sonlu eleman modeli kurmuş ve saha ölçümlerini kullanarak farklı çalışma koşullarında pilye oturması ile kazık düşey yer değiştirmesini incelemiştir. Wu (2007), sonlu eleman yöntemiyle kazık–toprak arayüzlerinin muamelesini iyileştirmiş, kazık boyu etkisini analiz etmiş ve kazık boyunun artmasının tek kazığın taşıma kapasitesini bir ölçüde artırabileceğini belirtmiştir. Tang ve ark. (2020), Chalaping Köprüsü kazık temele ait jeolojik araştırma verileri ve ısı iletimi teorisinden yola çıkarak dondurulmuş toprak bölgelerindeki kazık temeler için bir ısıl analiz modeli geliştirmiş ve atmosferik ısınma koşullarında yeraltı suyunun donmuş toprak bölgelerindeki kazık temelerin sıcaklık alanı ile taşıma performansı üzerindeki etkisini araştırmıştır.

Mevcut çalışmalar, kazık temellerinin davranışını çoğunlukla taşıma kapasitesi ve kazık boyutu gibi öz kazık faktörleri perspektifinden analiz ederken, kazık-Toprak etkileşimi, kazık temel problemlerinin kritik bir yönü olarak, hala daha kapsamlı araştırmalara ihtiyaç duymaktadır. Bazı araştırmacılar, toprak tabakalaşmasının kazık temel tepkileri üzerindeki etkisini değerlendirmiştir; örneğin, Wu ve ark. (2024), toprak-yapı-su etkileşimi koşulları altında yapısal tepki özelliklerini incelemiştir. Yeraltı suyu seviyesindeki dalgalanma, kazık-Toprak etkileşimini etkileyen önemli faktörlerden biridir. Güncel çalışmalar, çoğunlukla kazıkların çevresindeki toprağın gözenek suyu basıncı, konsolidasyon derecesi ve oturma gibi izleme verilerine ya da doymuş-doymamış teori ve sıvı-katı eşleşme teorisini kullanan hesaplamalı analiz ve sayısal simülasyonlara dayanmaktadır. Örneğin, Tang ve ark. (2002), kazık çakılması sırasında tek bir kazığın çevresindeki fazla gözenek suyu basıncının büyüklüğünü, dağılımını ve etkilediği alanı incelemek için saha inşaat verilerini analiz etmiştir. Phoban ve ark. (2021), zamana bağlı yeraltı suyu akışını ve toprak deformasyonunu simüle etmek için PLAXIS 2D kullanarak tamamen eşleşmiş bir yeraltı suyu akış ve toprak deformasyon modeli geliştirmiştir. Beygi ve ark. (2020), sürtünmeli topraklarda yeraltı suyu seviyesindeki değişimlerin neden olduğu kazıklı radye temellerinin tepkisini değerlendirmek için üç boyutlu sonlu eleman yöntemini benimsemiştir.

Özetle, önceki çalışmalar yeraltı sıvılarının toprak deformasyonu ve kazık temelini mekanik davranışı üzerindeki etkisini çeşitli açılardan incelemiştir. Ancak, toprak sönümünün yeraltı su seviyesi değişimi altında kazık temel tepkilerini nasıl etkilediğine ilişkin mekanizma yeterince anlaşılmamıştır. Aslıında, toprak sönümü; kazık taşıma kapasitesi değişimi, negatif yüzey sürtünmesinin gelişimi ve kazık–toprak yük aktarımı süreçlerini etkileyen önemli faktörlerden biridir. Bu nedenle bu çalışma, toprak nisan içeriğinin etkisini dikkate alan bir sönüm yapısalsal modeli kurarak, toprak sönümü altında kazık–toprak etkileşim mekanizmasını analiz etmektedir. Beijing–Tianjin–Hebei bölgesindeki Xiongxing İfade Hızlı Yolu’nun yükseltilmiş kazık temelini projesi üzerinden, bu çalışma; yeraltı suyu beslenmesi ve yağmur sonucu oluşan yeraltı su seviyesi yükselmesi altında, yer alçalmas bölgelerinde kalın yumuşak toprak tabakaları içindeki kazık–toprak sisteminin mekanik özellikleri, yer değiştirme tepkisi, gözenek suyu basıncı değişimi ve yıkım özellikleri sistematik biçimde incelenmektedir. Elde edilen sonuçların, benzer mühendislik projelerinde yeraltı su seviyesi toparlanması altında kazık temel güvenli değerlendirmesi ve uzun süreli hizmet performansı analizi için bir referans sağlaması beklenmektedir.

2 Sönüm yapısalsal modeli

2.1 Toprak sönüm modeli

Klasik Mohr–Coulomb yapısalsal modeli, yeraltı su seviyesi değişimi altında toprağın zamana bağlı sönüm davranışını karakterize edememektedir. Bu nedenle, bu çalışmada farklı nem içeriğine sahip toprakların farklı sayıda ıslanma–kurulma döngüsünden sonra gösterdiği sönüm mekanik tepkilerindeki farkları analiz etmek amacıyla, Burgers modeline dayalı bir toprak sönüm yapısalsal modeli geliştirilmektedir. Ayrıca, toprağın ivmelenmiş sönüm aşaması sırasında yaşadığı hasar gelişimini betimlemek amacıyla bir hasar değişkeni daha modellenmektedir.

Öncelikle, sönüm modelinde B bileşenini oluşturmak için klasik Burgers modeli tanıtılmaktadır; bkz. Şekil 1. Bu bileşen, esas olarak jeomalzemelelerin sönüm sürecindeki sönimlenen sönüm aşaması ve durağan durum sönüm aşamasını betimlemek için kullanılmaktadır.

ŞEKİL 1

Sonrasında, B bileşeni; toprağın sönümleme sürünme evresi ile sabit sürünme hızı evresi sırasında mekanik davranışına başlangıç toprak nem içeriği ve ıslanma-kurulma döngülerinin etkilerini karakterize etmek amacıyla oluşturulur. B bileşeni iki parçadan oluşur. İlk kısım, kilin başlangıç nem içeriği ω ile ilişkili viskoelastik bir elemandır; Şekil 2’de gösterildiği gibidir. Nem içeriği ω ile ilişkili bir Maxwell cisminin, nem kontrol elemanı ile paralel olarak dizilmesinden oluşur. Kilin başlangıch nem içeriği ω arttıkça, toprağın sürünme eğilimi artar. Başlangıç nem içeriği minimum nem içeriği ω0’ı aştığında, nem kontrol anahtarı devreye girer ve kontrol elemanı ile paralel dizilen Maxwell cismi etkileşime başlayarak nem içeriğindeki artıştan kaynaklanan sürünme artışları E(ω) ve η(ω)’yı üretir.

ŞEKİL 2

B bileşeninin ikinci kısmı, nem-ıslanma döngü sayısı T ile ilişkili viskoelastik bir elemandır; Şekil 3’te gösterildiği gibidir. Döngü sayısı T ile ilişkili bir Maxwell cisminin, ıslanma-kurulma döngü kontrol elemanı ile paralel olarak dizilmesinden oluşur. Islanma-kurulma döngü sayısı T arttıkça, kilin sürünme eğilimi daha da artar. Toprak ıslanma-kurulma döngülerine maruz kaldıktan sonra, ıslanma-kurulma döngü kontrol anahtarı devreye girer ve onunla paralel dizilen Maxwell cismi etkileşime başlayarak ıslanma-kurulma döngülerinden kaynaklanan sürünme artışları E(T) ve η(T)’yi üretir.

ŞEKİL 3

Sitedeki toprağın farklı başlangıch nem içerikleri altında ve farklı sayıda ıslanma-kurulma döngüsünden sonra gösterdiği sürünme mekanik davranışındaki farkları karakterize etmek için, yukarıda tanımlanan iki element seri ve paralel olarak birleştirilerek B bileşeni oluşturulur; Şekil 4’te gösterildiği gibidir.

ŞEKİL 4

Component C, başlangıç nemi içeriğindeki değişimin ve ıslanma-kurulama döngülerinin toprak hasarına etkilerini ve ivmelenmiş akma evresinde toprağın mekanik tepkisi üzerindeki iç hasar birikiminin kontrol etkisini açıklamak amacıyla daha da geliştirilmiştir. C bileşeni, kilin başlangıç nemi içeriği ile ıslanma-kurulama döngü sayısıyla eşzamanlı olarak ilişkili olan hasara ilişkin bir sürtünmeli cisimdir. Paralel yerleştirilmiş bir sürtünmeli eleman ve bir gerilme-hasar anahtarından oluşur. Uygulanan gerilme, akma gerilme eşiğini aştığında, gerilme-hasar anahtarı devreye girer ve onunla paralel yerleştirilmiş sürtünmeli eleman, Şekil 5’te gösterildiği gibi, hasar gelişiminden kaynaklanan bir akma artışı η(ω, T) üretmeye başlar.

ŞEKİL 5

Son olarak, bu çalışmada önerilen toprak akma modeli elde etmek için A, B ve C bileşenleri sırayla birbirine bağlanır. Modelin genel yapısı Şekil 6’da gösterilmiştir.

ŞEKİL 6

2.2 Akma modelinin bünyesel ilişki

A bileşeni, klasik Burgers modeliyle temsil edilir ve bünyesel denklemi Denklem 1 ile ifade edilir:

Burada σ eksenel gerilmedir; E1 ve E2 sırasıyla Maxwell ve Kelvin cisimlerinin yay elemanlarının elastik modülüdür; η1 ve η2 sırasıyla Maxwell ve Kelvin cisimlerinin sönümlü elemanlarının viskoziteleridir; ve ε A bileşeninin eksenel şekil değiştirmesidir; ve gerilmenin sırasıyla birinci ve ikinci mertebe zaman türevleridir; ve şekil değiştirmenin sırasıyla birinci ve ikinci mertebe zaman türevleridir.

İlgili akma denklemi, Denklem 2 ile verilmiştir:

B bileşeninin ilk kısmı, kilin başlangıç nemi içeriği ω ile ilişkili viskoelastik bir elemandır. Başlangıç nemi içeriği ω>ω0 koşulunu sağladığında, nem kontrol anahtarı devreye girer ve buna karşılık gelen akma denklemi Denklem 3 ile ifade edilir. B bileşeninin ikinci kısmı, ıslanma-kurulma döngüsü sayısı T ile ilişkili viskoelastik bir elemandır. T > 0 olduğunda, ıslanma-kurulma döngüsü kontrol anahtarı devreye girer ve akma denklemi Denklem 4 ile ifade edilir. Bu iki elementin seri bağlanmasıyla, birleşik viskoelastik B bileşeni elde edilir. Çizisel süperpozisyon ilkesine göre, B bileşeninin akma denklemi Denklem 5 ile ifade edilebilir: burada σ eksenel gerilmedir; εB1 ve εB2 sırasıyla B1 ve B2 bileşenlerinin eksenel şekil değiştirmesidir; εB B bileşeninin eksenel şekil değiştirmesidir; ω kilin başlangıç nemi içeriğidir; E(ω) ve η(ω) başlangıç nemi içeriği ω ile değişen parametrelerdir; t zamandır; ve E(T) ve η(T) ıslanma-kurulma döngüsü sayısı T ile değişen parametrelerdir.

C bileşeni, gerilme hasarı anahtarı ile paralel yerleştirilmiş bir viskoz elemandan oluşur ve akma ilişkisi Denklem 6 ile ifade edilir: burada εC C bileşeninin eksenel şekil değiştirme hızıdır ve η(ω,T) başlangıç nemi içeriği ω ile ıslanma-kurulma döngüsü sayısı T tarafından ortaklaşa belirlenen bir parametremdir.

Kilin ivmelenmiş akma aşamasındaki hasar gelişim sürecini betimlemek için, Denklem 7 ile ek olarak zamana bağlı bir hasar fonksiyonu D(t) daha sonra tanımlanır: burada D hasar değişkenidir, α(ω) başlangıç nemi içeriği ω ile ilişkili bir parametremdir ve β(T) ıslanma-kurulma döngüsü sayısı T ile ilişkili bir parametremdir.

Bu temele dayanarak, bileşen C‘ye hasar eşiği σs ve zamana bağlı hasar fonksiyonu D(t) sokularak, bileşen C‘nin viskozite katsayısı 8. denklem ile ifade edilebilir; burada η3 viskozite katsayısıdır.

Buna göre C bileşeninin bünyesel denklemi ve krep denklemi sırasıyla 9 ve 10. denklemlerde gösterildiği gibi türetilebilir:

Yukarıdaki üç bileşenin seri olarak bağlanması ve doğrusal süperpozisyon prensipinin uygulanmasıyla, ıslanma-kuruma döngüleri altında farklı başlangıç nem içeriğine sahip toprağın krep denklemi 11 ve 12. denklemlerde gösterildiği gibi elde edilebilir.

T = 0 ve ω≤ω0 için:

T > 0 ve ω>ω0 için:

Yukarıdaki model üç boyutlu gerilme durumuna kadar genişletilir ve üç boyutlu gerilme koşulları altındaki toprağın krep modeli 13-15. denklemler ile ifade edilebilir.

T = 0 ve ω≤ω0 için:

T = 0 ve ω>ω0 için:

T > 0 ve ω>ω0 için:

Yukarıdaki denklemlerde, gerilmenin ilk invariant’idir; gerilme tensörü bileşenidir; deforme edici gerilme tensörü bileşenidir; K hacimsel moduldür; G kayma modülüdür ve G1 ve G2 sırasıyla Kelvin ve Maxwell cisimlerinin kayma modülleridir.

Geliştirilen bünyesel model, FLAC3D içine FISH tabanlı sayısal bir prosedür aracılığıyla uygulanmıştır, bkz. Şekil 7. Nem içeriğine bağlı Burgers parametreleri önce, deney sonuçlarından kurulan bünyesel ilişkiler doğrultusunda hesaplanmıştır. Bu parametreler ardından ilgili toprak bölgelerine atanmıştır. Her hesaplama adımında FISH prosedürü, güncel nem durumuna göre ilgili bünyesel parametreleri güncellemiş ve buna karşılık gelen zamana bağlı krep deformasyonunu hesaplamıştır. Güncellenmiş krep deformasyonu genel gerilme-deformasyon hesaplamasına dahil edilerek, toprağın krepinin, gerilmenin yeniden dağılmasının ve kazık-toprak etkileşiminin eşleşik evriminin modellenmesine olanak tanınmıştır.

ŞEKİL 7

3 Model kurulumu ve doğrulaması

3.1 Proje özeti

Çalışma alanı olarak, Xiong’an–Daxing raylı sistem hattının yerden yüksek bir köprüsünün bulunduğu kalın yumuşak toprak alanında seçilmiştir. Sahaın stratigrafik kesiti Şekil 8’de verilmiş, jeolojik araştırmadan elde edilen temel toprak parametreleri Tablo 1’de listelenmiştir. Çalışma alanında tabakalar esas olarak siltli kil, killi silt veya kumlu silt ile siltli kumdan oluşmaktadır.

ŞEKİL 8

TABLO 1

Toprak tabakası parametreleri.

3.2 Model kurulumu

Pili temeli ve çevresindeki toprak tabakaları için sonlu farklar yöntemiyle sayısal bir model kurulmuştur. Toprak, bu çalışmada geliştirilen krep bileşen modeliyle, pil temeli ise elastik malzeme olarak modellenmiştir.

Pil–toprak arayüz parametreleri, pile bitişik toprak tabakasının mekanik özellikleri ve pil ile çevre toprağı arasındaki Temas özelliklerine göre seçilmiştir, bkz. Tablo 2. Arayüz kohezyonu ve sürtünme açısı, ilgili toprak tabakasının kohezyonu ve sürtünme açısına referans alınarak belirlenmiştir. Normal ve teğetsel arayüz katılıkları, bitişik toprak tabakalarının katıklık özellikleri ve pil–toprak temas deformasyonunu temsil etmek için gereken sayısal gerekliliklere dayanarak belirlenmiştir. Buna göre, pil gövdesi boyunca değişen pil–toprak etkileşimini hesaba katmak için siltli kil, kiltli kil veya kumlu silt ve siltli kum tabakalarına farklı arayüz parametreleri atanmıştır.

Sayısal modelde kullanılan pil–toprak arayüz parametreleri.

Genel boyutlar 36 m × 36 m × 75 m’dir. Aşırı uzun pilin çapı 1.5 m ve toplam uzunluğu 70 m’dir. Pil yoğunluğu 2.5 × 103 kg/m3 olarak ayarlanmıştır; hacimsel katıklık 15600 MPa ve kayma katıklığı 11700 MPa’dır. Pil, Şekil 9’da görüldüğü gibi modelin merkezine yerleştirilmiştir.

ŞEKİL 9

3.3 Model doğrulama ve karşılaştırmalı analiz

2021 yılının Temmuz ayında çalışma alanında yoğun yağışlar görülmüş ve bu durum belirli ölçüde bir yüzey hareketine yol açarak yaklaşık 25 mm’lik bir oturma kaydedilmesine neden olmuştur. Bu ay sırasında çalışma alanında yeraltı suyu seviyesi derinliği yaklaşık 27 m düzeyindedir. Bu nedenle söz konusu dönem, model doğrulaması için arka plan koşulu olarak seçilmiştir. Modelde yeraltı suyu seviyesi −27 m olarak alınmış ve zemin yüzeyine 11 mm/saat yoğunluğunda bir sağanak yağış koşulu uygulanmıştır. Yağış sızması, zemin yüzeyinde sabit akı sınırı uygulanarak modellenmiş; sızma hızı, 11 mm/saat yağış yoğunluğuna eşittir (yani 3,06 × 10⁻⁶ m/s). Yanal ve alt sızma sınırları, Bölüm 3.2’de açıklanan ayarları izlemiştir (yanal sızdırılabilir sınırlar ve alt sızdırılamaz sınır). Sağanak yağış olayı, 11 mm/saat yoğunluğunda kesintisiz 24 saatlik yağış olarak modellenmiş ve toplam birikmeli yağış miktarı 264 mm’ye ulaşmıştır. Bu süre ve büyüklük, 2021 yılının Temmuz ayında çalışma alanında meydana gelen ve ölçülebilir bir zemin yüzeyi hareketine (yaklaşık 25 mm oturma) yol açan yoğun yağış olayıyla uyumludur ve sonraki model doğrulaması için temel sağlamıştır.

Pile-toprak sisteminin oturma evrimini analiz etmek için zemin yüzeyine ve pile gövdesinin etrafına izleme noktaları yerleştirilmiştir. Hesaplama adımlarına göre toprağın zaman-oturma eğrileri elde edilmiş, sonuçlar Şekil 10’da gösterilmiştir. Pozitif değerler oturmayı (aşağı yönlü yer değiştirme) ifade etmektedir.

ŞEKİL 10

Şekil 10’da görüldüğü gibi, model hesaplamasının erken aşamasında kazığa yakın ve yeraltı suyu seviyesinin üzerinde kalan toprak belirgin geri tepme göstermekte, çökme konturları eliptik bir dağılım sergilemektedir. Kazığa yakın toprağın deformasyon konturları zamanla kazık gövdesine doğru yoğunlaşırken, toprak tabakalarının genel çökme konturları kazık gövdesini merkez eksen olarak alan huni biçiminde bir dağılım göstermektedir. Kazıktan uzaklaştıkça toprak tabakalarının sıkışma çökmesi ve geri tepme genliği önemli ölçüde artmaktadır. Yeraltı suyu seviyesinin hem üstünde hem altında kalan ve kazık gövdesinden uzakta bulunan topraklarda nispeten büyük sıkışma çökmesi oluşmaktadır. Bunun temel nedeni, su kaynağına yakın kohezyonlu toprakların drenaj kaynaklı sıkışmaya daha yatkın olması ve böylece su kaynağından daha uzakta bulunan topraklara göre daha yüksek derecede konsolidasyon geçirmesidir.

Hesaplanan zemin oturması süreci yaklaşık olarak üç aşamaya ayrılabilir. İlk aşama, salınımlı oturma aşamasıdır; bu aşamada zemin sırasıyla hafif sıkışma, hafif geri tepme, büyük sıkışma ve büyük geri tepme süreçlerini ardışık olarak geçirir. Oturma önemli ölçüde salınırsa da, genel oturma nispeten küçük kalır. İlk tepe noktası yaklaşık 5 mm olup, bu, sönümlü akma evresine karşılık gelir; bu evrede hem sıkışma hem de geri tepme gerilim hızları kademeli olarak azalır. İkinci tepe noktası yaklaşık 21 mm olup, bu noktada zemin sıkışması ivmelenmiş akma evresine girer ve hesaplama adımlarıyla gerilim hızı artarken, zemin geri tepmesi sönümlü akmadan durağan akma evresine geçiş geçirir. İkinci aşama, durağan oturma aşamasıdır; bu aşamada zemin yalnızca sıkıştırıcı deformasyon gösterir ve sırasıyla durağan akma ve sönümlü akma süreçlerini geçirir. Genel olarak bu aşama, sönümlü akma sıkışması karakterizedir ve gerilim hızı yaklaşık sabit bir değerden azalır. Oturma son olarak yaklaşık 32 mm’lik bir tepeye ulaşır. Üçüncü aşama, sönümlü geri tepme aşamasıdır ve sönümlü akma geri tepmesiyle karakterizedir. Gerilim hızı kademeli olarak azalır ve oturma son olarak yaklaşık 27 mm’de durağanlığa yaklaşır; bu değer, çalışma alanında ölçülen 25 mm’lik oturmaya yakındır (Yan ve ark., 2023).

Model sonuçlarının makulülüğünü daha iyi doğrulamak ve önerilen modelin geleneksel Mohr–Coulomb modeline göre avantajlarını değerlendirmek için zemin tabakaları iki derinlik aralığına, 0–48 m ve 48–75 m, ayrılır. Çalışma alanında Ocak 2021’den Şubat 2022’ye yeraltı suyu seviyesi derinliğinde gözlemlenen değişime dayanarak, ilgili yeraltı suyu seviyesi koşulları oluşturulur ve simüle edilen oturma ölçülen oturma ile karşılaştırılır. Sonuçlar Şekil 11’de gösterilmiştir.

ŞEKİL 11

Şekil 11’de gösterilen yerleşme, belirli bir noktadaki yerleşmeyi temsil etmez. Her derinlik aralığındaki toprak tabakalarının kümülatif sıkışma yerleşmesini temsil eder. Her aralığın yerleşmesi, üst ve alt sınırları arasındaki dikey yer değiştirme farkı olarak hesaplanır. Yerleşme karşılaştırması için sınır olarak 48 m derinliği seçilmiştir. 48 m’nin üzerindeki topraklar kohezonlu yumuşak topraklardan oluşur ve belirli bir kalınlıkta doymamış bölge içerirken, 48 m’nin altındaki topraklar ana akiferle daha yakın bir hidrik bağlantıya sahiptir ve yer altı suyu seviyesindeki değişime karşı daha hassastır. Bu nedenle bu sınır, üst ve alt tabakaların farklı yerleşme tepkilerinin karşılaştırılması için uygundur.

C karşılaştırma sonuçları, 0–75 m’lik toprak kesitindeki deformasyonun zamanla genel olarak sıkışmaya dönüştüğünü ve 48–75 m aralığının yer altı suyu seviyesindeki değişime karşı daha hassas olduğunu göstermektedir. Yer altı suyu seviyesi hızla düştüğünde tabakalar hızlı sıkışma geçirirken, yer altı suyu seviyesi yükseldiğinde deformasyon hızı belirgin şekilde azalır ve belirgin plastik deformasyon özellikleri sergiler. Mohr–Coulomb modeliyle karşılaştırıldığında, önerilen sürünme modeliyle elde edilen yerleşme eğrisinin ölçülen yerleşme eğrisine daha iyi uyduğu görülmektedir. 0–48 m aralığında, iki modelin yer altı suyu seviyesi değişimi altında öngördüğü yerleşme eğilimleri genel olarak tutarlıdır. 48–75 m aralığında ise sürünme modeli, belirli bir toprak geri tepmesini yansıtabilir. Genel olarak, önerilen sürünme modeli, yer altı suyu seviyesi dalgalanmalarına daha makul bir tepki sunmakta ve simülasyon sonuçları gerçek yerleşme sürecine daha yakındır.

Şu noktaya dikkat çekilmelidir: son aşama simülasyon sonuçları ile ölçüm sonuçları arasında belirli uyumsuzluklar kalmaktadır. Bu uyumsuzluklar, modelde kullanılan jeolojik ve toprak parametreleri ile gerçek saha koşulları arasındaki sapmalarla ilişkili olabilir. Ayrıca, sıkıştırma katsayısı, doygunluk derecesi ve gözenek oranı gibi parametreler gerçek saha koşullarında derinleșme artışıyla düzensiz biçimde değişebilir; buna ek olarak çevresel ortamın ve insan kaynaklı bozucuların eşzamanlı etkileri bu simülasyonda dikkate alınmamıştır. Yine de model sonuçları, çalışma alanında tabakaların oturma gelişimini makul biçimde yansıtabilir ve pratik mühendislik referans değeri taşıyabilir.

4 Tartışma

Su seviyesinin yükselmesi, uzun delikli kazıkların etrafındaki toprakların doygunluk derecesini, etkili gerilme durumunu ve sıkışıklığını değiștirebilir; böylece kazık temellerin taşıma kapasitesini ve genel stabilitesini etkileyebilir. Yer altı suyu seviyesinin yükselmesi, kazıkların etrafındaki toprağın akışsal (krep) deformasyonunu ve yerel erozyonunu da tetikleyerek kazık oturma ve eğilme riskini artırabilir. Bu nedenle, su seviyesinin yükselmesinin kazık–toprak sistemine etkisinin sistematik biçimde incelenmesi, kazık temel tasarımı, inşaat kontrolü ve işletme güvenliğinin değerlendirilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Altta yatan mekanizmayı ortaya koymak için bu çalışma, kazık taşıma kapasitesini, maksimum ve minimum baş gerilmeleri, kazık–toprak deformasyonunu ve gözenek suyu basıncını analiz etmektedir.

4.1 Su seviyesinin yükselmesinin kazık taşıma kapasitesine etkisi

Bu bölümde, altı farklı su seviyesi koşulu dikkate alınmaktadır: −10 m, −20 m, −30 m, −40 m, −50 m ve −60 m. Kazık başına 2000 kN artışla kademeli olarak dikey bir yük uygulanmaktadır. Bu arada, kazık temelin farklı su seviyelerindeki son taşıma kapasitesindeki değişimi elde etmek için kazık başında bir kayma izleme noktası yerleştirilmektedir. Hesaplama sonuçları Şekil 12’de gösterilmektedir.

ŞEKİL 12

Paliye temelin nihai taşıma durumuna ulaşıp ulaşmadığını belirlemede önemli kriterlerden biri, palan başında ani bir yer değiştirme olup olmadığıdır. Şekil 12’de görüldüğü gibi, palan nihai taşıma kapasitesine ulaşmadan önce palan başındaki yer değiştirme, kademeli yük artışıyla yaklaşık orantılı olarak artar ve yük–yer değiştirme eğrisi genel olarak doğrusal bir ilişkiye yakındır. Palan nihai taşıma durumuna girdiğinde ise palan başındaki yer değiştirme keskin biçimde artar ve bu da paile–toprak sisteminin taşıma kararlılığının belirgin ölçüde azaldığını gösterir.

Farklı yer altı suyu seviyesi koşullarında, yük artışıyla birlikte palan batması genel eğilimi uyumlu olup, yük–yer değiştirme eğrileri L biçimli bir desen sergiler. Yer altı suyu seviyesi nispeten düşük olduğunda, farklı koşullardaki eğriler elastik evrede birbirine neredeyse denk düşer; bu da yer altı suyu seviyesi değişiminin palan temelinin genel taşıma davranışı ve elastik mekanik tepkisi üzerinde sınırlı bir etkisi olduğunu gösterir. Yer altı suyu seviyesi yükselmeye devam ettikçe palanın nihai taşıma kapasitesi kademeli olarak azalır ve elastik deformasyon evresine karşılık gelen yük aralığı belirgin biçimde daralır. Palanın nihai yükü yaklaşık 22000 kN değerine kadar düşebilir.

Şekil 13, farklı yeraltı suyu seviyeleri altında tek bir kazığın taşıma kapasitesinin ve son oturmasının değişimini sunmaktadır. Sonuçlar, tek kazığın taşıma kapasitesi ve son oturmasının farklı yeraltı suyu seviyesi koşullarında belirgin biçimde farklılaştığını ve yeraltı suyu seviyesi yükseldikçe doğrusal olmayan bir değişim gösterdiğini göstermektedir. Yeraltı suyu tablası derinliği açısından eğim, 20–40 m aralığında nispeten büyük, 10–20 m ve 40–60 m aralıklarında ise nispeten küçüktür. Stratigrafik dağılım ile birleştirildiğinde bu, yeraltı suyu seviyesi değişiminin etki alanının siltli ince kum tabakasına ulaştığında kazık taşıma kapasitesindeki farkın daha belirgin hale geldiğini göstermektedir. Bağkıllı toprak tabakalarıyla karşılaştırıldığında siltli ince kum tabakası, kazık yan direnci ve kazık-toprak etkileşim durumuna daha duyarlıdır. Yeraltı suyu seviyesi yükseldikçe siltli ince kum tabakasının doygunluk derecesi artmakta ve kazık-toprak temas koşulları ile yük aktarım mekanizması buna uygun biçimde ayarlanarak tek kazığın taşıma kapasitesi ve son oturmasında doğrusal olmayan bir değişim ortaya çıkmaktadır.

ŞEKİL 13

4.2 Yağışın kazık-toprak sisteminin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi

Kazık-toprak sisteminin mekanik özellikleri genellikle en büyük ve en küçük ana gerilmelerle karakterize edilebilir. Bu çalışmada, çekme gerilmesini değerli değerler, basma gerilmesini ise negatif değerler ifade etmektedir. Analiz arka planı olarak çalışma alanında Temmuz 2021’deki yağış koşulu daha ayrıntılı biçimde seçilmiştir. Yağış altında kazık-toprak sistemindeki en büyük ve en küçük ana gerilmelerin zaman içindeki evrimi hesaplanmış ve model kararlıktan sonraki gerilme konturları Şekil 14’te gösterilmiştir.

ŞEKİL 14

Hesaplama sonuçları, kazık temelin altındaki toprağın esas olarak sıkıştırıcı gerilme etkisi altında olduğunu göstermektedir. Kazık temeldeki minimum ana gerilme, çoğunlukla kazık ucunun yakınında yoğunlaşmakta ve yanal olarak yayılmaktadır. Kazığa etkiyen maximum ana gerilme genellikle sıkıştırıcı gerilme baskınken, çekici gerilme yalnızca yer yüzeyinin üzerinde kalan kazık bölümünde ortaya çıkmaktadır. Bu durum, yağmur ve yer altı su seviyesindeki değişimin birleşik etkileri altında kazık çökmesi meydana gelirse, kazığın üst bölümünde daha çok çekici-kalkma (uplift) çökme modunun, kazık ucu ve altındaki çevre toprağın ise çoğunlukla sıkıştırıcı etkiden sorumlu olmasının beklendiğini göstermektedir.

Kazık temelin mekanik özelliklerinin yer altı su seviyesindeki dalgalanma, yağmur sızıntısı ve kazık-toprak etkileşimi tarafından birlikte etkilenmesi göz önüne alınarak, kazığın şaftı boyunca altı izleme noktası yerleştirilmiş ve yağmur altında kazıkta meydana gelen gerilme değişiminin nicel analizi derinleştirilmiştir. İlk izleme noktası yer yüzeyinden 10 m derinlikte konumlandırılmış olup, komşu izleme noktaları arasındaki mesafe 10 m’dir. Hesaplama basamaklarına göre maximum ve minimum ana gerilmelerin eğrileri elde edilmiş, sonuçlar Şekil 15’te gösterilmiştir.

ŞEKİL 15

Kazık temenin minimum başıl geriliminin değişimi üç aşamaya ayrılabilir. İlk aşamada minimum başıl gerilim genel olarak azalır; önce sabit, ardından hızlanan azalma biçiminde bir gelişim gösterir. Peke ulaştıktan sonra ikinci aşama başlar; bu aşamada minimum başıl gerilim hızlanan bir oranla daha da azalır ve deformasyon hızı belirgin biçimde artar. Üçüncü aşamada minimum başıl gerilim eğrisi yavaş yavaş düzleşir ve son olarak sab bir değere ulaşır. Uzaysal dağılım açısından, −10 m ile −30 m arasındaki gerilim değişimi aritmetik dizi biçiminde artarken, −40 m ve −50 m izleme noktalarındaki sonuçlar birbirine nispeten yakındır. Kazık ucu direnci taşıyıcı destek sağladığından, −60 m izleme noktası diğer noktalardan belirgin biçimde ayrılır. Eğrisi hesaplamanın erken aşamasında yalnızca hafif dalgalanır, ardından yavaş yavaş kararır ve nispeten düşük sıkıştırma gerilimi düzeyine sahiptir.

4.3 Yağmur yağışının kazık-toprak sisteminin deformasyon özellikleri üzerindeki etkisi

Yağış koşulları altında farklı derinliklerdeki tabakaların deformasyon karakteristiklerini incelemek ve aynı zamanda kazık temelin çevre toprak tabakalarına sağladığı stabilizasyon etkisini de göz önüne almak amacıyla, kazık ekseninden yatay olarak 3 m ve 8 m uzaklıkta, pozitif x-ekeni boyunca iki dikey grup halinde on iki oturma izleme noktası yerleştirilmiştir. Her bir grupta, altı nokta yer yüzeyinden 10, 20, 30, 40, 50 ve 60 m derinliklere konulmuş olup, bu derinlikler 4.2 Bölümü’ndeki kazık gövdesi gerinç noktalarının derinlikleriyle uyumludur. Hesaplama sonuçları Şekil 16’da verilmiştir.

ŞEKİL 16

1–6 numaralı izleme noktalarının oturma eğrileri yaklaşık olarak iki aşamaya ayrılabilir. İlk aşama, sabit büyüme ve sönümlü büyümeden oluşur; bu sırada gerinim hızı sabit bir değerden kademeli olarak azalır. İkinci aşama da sabit büyüme ve sönümlü büyümeden oluşur, ancak büyüme eğilimi ilk aşamaya göre daha yumşaktır ve oturma son aşamada istikrara yaklaşır. Dikkat çekici olan, 1 numaralı izleme noktasının değişim örüntüsünün 3.3 Bölümü’nde betimlenen yer yüzeyi izleme noktasınınkine benzer olmasıdır. Her ikisi de yer altı su seviyesinin üzerinde konumlanır ve ikinci aşamada belirgin bir geri tepme etkisi sergiler; bu da tipik viskoelastik-plastik deformasyon karakteristiklerini yansıtır.

Yer altı su seviyesinin altında kalan diğer izleme noktalarında oturma tepkisi, hızlı su seviyesi düşüşü, hızlı tabaka sıkışması, su seviyesinin geri dönmesi ve deformasyon hızında belirgin azalma biçiminde bir evrimsel örüntü gösterir. Genel olarak bu noktalar belirgin plastik deformasyon karakteristikleri sergiler. Bu durum, yağışa bağlı su seviyesi değişiminin toprağın etkin gerinim durumunu değiştirdiğini ve böylece tabaka sıkışması ve geri tepme süreçlerini yönlendirdiğini göstermektedir.

7–12 izleme noktalarının değişim eğilimi, genel olarak 1–6 izleme noktalarının eğilimiyle uyumlu olup iki aşamaya ayrılabilir. Ancak öncekiler, yerleşim sabitlendikten sonra daha büyük bir birikimli sıkışma gösterir. Bu, aşırı uzun kazık kazılmış payandaların çevre tabakalar üzerinde belirli bir stabilizasyon etkisinin bulunduğunu ve payanda yakınındaki toprağın yerleşimini belirli bir menzil içinde azaltabildiğini, ancak toprağın genel yerleşim evrim eğilimini değiştirmediğini göstermektedir.

4.4 Yağışın kazık–toprak sistemindeki gözenek suyu basıncına etkisi

Bu bölümde, 4.3 bölümünde betimlenen saha koşulları ve izleme noktalarının düzenlemesi tekrar benimsenmekte ve gözenek suyu basıncındaki değişimi analiz etmek amacıyla ek bir yüzey izleme noktası eklenmektedir. Yeraltı suyu seviyesinin üstündeki ve altındaki toprakların farklı hidrolik durumlarda olduğu göz önüne alınarak, iki tür izleme noktasının gözenek suyu basıncı evrimi ayrı ayrı tartışılmaktadır. Sonuçlar Şekil 17’de verilmiştir.

ŞEKİL 17

Yeraltı suyu seviyesinin üstüne yerleştirilen üç izleme noktasında, gözenek suyu basıncı genel olarak artış eğilimi gösterir. Bunlar arasında, 1 izleme noktası, yani yüzey izleme noktası, en yüksek gözenek suyu basıncına sahip olup, genel evrim deseni olarak azalan artış ardından sabil artış gösterir. 1 ve 2 izleme noktalarındaki gözenek suyu basıncı, erken hesaplama aşamasında birbirine nispeten yakındır. Sonrasında, 2 izleme noktasındaki gözenek suyu basıncı yaklaşık olarak sabit bir biçimde artmaya devam eder ve artış eğilimi genel olarak 1 izleme noktasının eğilimiyle uyumludur. Buna karşılık, 3 izleme noktası belirgin bir değişim eğilimi göstermez ve gözenek suyu basıncı nispeten sabit kalır.

Yeraltı suyu seviyesinin altında yer alan üç izleme noktasında, gözenek suyu basıncının değişim hızı hesaplamanın erken aşamasında kademeli olarak azalmakta ve sönmeye ardından kararlılığa giden genel bir desen sergilemektedir. Yerel dalgalanmalar, genel eğilimle karşılaştırıldığında önemsizdir. Genel olarak karşılık gelen eğriler nispeten düzgündür ve belirgin bir değişim eğilimi göstermemektedir; bu da gözenek suyu basıncının genel olarak kararlı kaldığını göstermektedir. Bu arada, derinleştikçe 4, 5 ve 6 numaralı izleme noktasındaki gözenek suyu basıncı yaklaşık olarak geometrik bir artış sergilemektedir.

Gözenek suyu basıncındaki değişim, oturma evrimiyle yüksek derecede uyumludur. Hesaplamanın sonr aşamasında, yeraltı suyu seviyesinin üzerindeki toprak doygun olmayan durumdan doygun duruma kademeli olarak geçmekte ve konsolidasyon derecesi ile etkili gerilmede değişimler eşlik etmektedir. Bu nedenle, sürekli yağış altında daha fazla oturma meydana gelebilir. Buna karşılık, yeraltı suyu seviyesinin altındaki toprak zaten doygun durumdadır; ek dışsal bir etki olmadıkça ne yer değiştirme ne de gözenek suyu basıncı önemli ölçüde değişmekte ve ikisi de nihayetinde kararlı değerlere yaklaşmaktadır.

5 Sonuç

Xiong’an–Daxing raylı sistem projesinde yükseltilmiş bir köprünün kazık temelini mühendislik arka planı olarak alan bu çalışmada, nem içeriğine bağlı Burgers gevşeme modelini içeren sonlu fark modeli geliştirilmiş ve kazık–toprak sisteminin yeraltı suyu seviyesi değişimi ve yağış altındaki mekanik tepki ile deformasyon karakteristikleri incelenmiştir. Ana sonuçlar aşağıdaki gibidir.

• Önerilen akış modeli, sıkışma, geri sekmeye ve ardından gelen stabilizasyon dahil olmak üzere toprak deformasyonunun aşamalı gelişimini yeniden üretebilir ve zamanla değişen yerleşme davranışının daha gerçekçi bir betimlemesini, geleneksel Mohr–Coulomb modeliyle karşılaştırıldığında daha iyi sağlar. Sonuçlar, yeraltı suyu seviyesi ve yağmur etkisiyle toprak nemi ve etkili gerilmede meydana gelen değişimlerin toprak deformasyonunun gelişiminde önemli roller oynadığını göstermektedir.

• Yeraltı suyu seviyesindeki artış, yığın tepkisini başlangıçtaki elastik aşamada sınırlı düzeyde etkilerken, yeraltı suyu seviyesi yükseldikçe son taşıma kapasitesini kademeli olarak azaltır. Yük–yer değiştirme tepkisi genel olarak L şeklini korurken, son taşıma kapasitesi ve son yerleşme yeraltı suyu seviyesiyle doğrusal olmayan değişimler sergiler.

• Yağmur etkisi altında yığın–toprak sisteminin maksimum ve minimum baş gerilmeleri belirgin aşamalı gelişimler gösterdikten sonra kademeli olarak sabit değerlere yaklaşır. Yeraltı suyu seviyesinin üzerindeki toprak, nem kaynaklı deformasyon ve gecikmeli bir geri sekmeye tepki gösterirken, yeraltı suyu seviyesinin altındaki toprak yeraltı suyu seviyesinin toparlanmasının ardından nispeten stabil bir deformasyon sergiler. Süper uzun kazık yığın, çevredeki toprağın deformasyonunu bir ölçüde azaltabilir, ancak genel yerleşme eğilimini köklü biçimde değiştirmez.

• Yağmur kaynaklı gözenek suyu basıncındaki değişimler toprak deformasyonuyla yakından ilişkilidir. Yeraltı suyu seviyesinin üzerindeki toprakta kademeli ıslanma gözenek suyu basıncını artırır ve etkili gerilmeyi azaltarak toprağın yerleşmesinin sürmesine yol açar; yeraltı suyu seviyesinin altındaki toprakta ise toprak zaten doymuş olduğundan gözenek suyu basıncı ve yer değiştirme tepkileri kademeli olarak stabil hale gelir. Bu bulgular, yeraltı suyu değişimi, gözenek suyu basıncı, etkili gerilme ve akış deformasyonunun yığın–toprak sistemindeki eşlenik etkilerini ortaya koymaktadır.

Bu bulgulara rağmen birkaç kısıtlama kalmaktadır. Nem içeriğine bağlı Burgers modeli, toprağın anizotropisini, gerilim yolu bağımlılığını ve diğer doğrusal olmayan davranışları tam olarak dikkate almamaktadır. Yeraltı suyu seviyesindeki değişim, tamamen geçici hidrojelojik süreçler yerine öngörülen koşullar ile temsil edilmiş; kazık yüzey pürüzlülüğü, inşaat kaynaklı bozma ve toprak özelliklerinin mekânsal değişkenliği açıkça dikkate alınmamıştır. Ayrıca, uzun süreli saha izleme verilerinin sınırlı erişilebilirliği model doğrulamasında belirsizlik getirmektedir. Bu nedenle, nicels sonuçlar incelenen mühendislik koşulları bağlamında yorumlanmalı ve bulguların daha geniş geçerliliğini değerlendirmek için daha fazla saha izleme ve üç boyutlu hidromekanik analizlere ihtiyaç vardır.

Açıklamalar

Veri erişim açıklaması

Çalışmada sunulan özgün katkılar makale/ekle malzeme içinde yer almaktadır; daha ileri başvurular ilgili yazar yapılabilmektedir.

Finansman

Yazar(lar), bu çalışma ve/veya yayımı için finansal destek alındığını beyan etmiştir. Bu araştırma, Çin Ulusal Doğal Bilimler Vakfı (Birim no. 42277165) tarafından finanse edilmiştir.

Çıkar çatışması

Yazar(lar), bu çalışmanın ticari veya olası bir çıkar çatışması olarak değerlendirilebilecek herhangi bir ticari ya da finansal ilişki olmadan yürütüldüğünü beyan etmiştir.

Üretken yapay zekâ açıklaması

Yazar(lar), bu el yazısının oluşturulmasında üretken yapay zekânın kullanılmadığını beyan etmiştir.

Bu makaledeki şekillerle birlikte sağlanan alternatif metinler (alt text), Frontiers tarafından yapay zekâ desteğiyle oluşturulmuş ve olası tüm durumlarda yazarların incelemesini de içerek doğruluğun sağlanması için makul çabalar gösterilmiştir. Herhangi bir sorunu tespit ederseniz, lütfen bizimle iletişime geçin.

Yayıncının notu

Bu makalede ifade edilen tüm görüşler yalnızca yazarların görüşleridir ve bağlı oldukları kuruluşların, yayıncının, editörlerin veya hakemlerin görüşlerini zorunlu olarak yansıtmaz. Bu makalede değerlendirilebilecek herhangi bir ürün veya üreticisinin yapabileceği herhangi bir iddia, yayıncı tarafından garanti edilmez veya desteklenmez.

• Abidin H. Z., Andreas H., Gumilar I., Wangaatmaja S., Fukuda Y., Deguchi T. ve ark. (2009). Bandhav Havzasında Arazi Çökmesi ve Yer Altı Suyu Çıkarması, 20. Endonezya: IAHS Yayını, 145.

  • Google Scholar
  • Makaledeki referansı görüntüle

• Beygi M., Keshavarz A., Abbaspour M., Vali R. (2020). Sürtünmeli zeminde yer altı suyu seviyesindeki değişimler nedeniyle kazık kalın levha davranışının 3B sayısal çalışması. Uygulamalı Jeoteknik Muh.14 (6), 665–672. 10.1080/19386362.2019.1677326

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Makaledeki referansı görüntüle

• Eusuff M. M., Lansey K. E. (2004). Su kalitesi dönüşümleri göz önüne alınarak yapay yer altı suyu besleme sistemlerinin en iyi işletilmesi. Su Kaynakları Yönetimi.18, 379–405. 10.1023/b:warm.0000048486.46046.ee

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Makaledeki referansı görüntüle

• Huang K., Sun Y. W., Yang W. J., Kuang X. L., Zhou J. W., Li Y. J. ve ark. (2021). Sızıntı-gerilme eşleştirmesi temel alınarak yakınlarındaki kazık temel üzerine tünel kazısının etkisi. Orta Güney Çin Bilim ve Teknoloji Üniv.52 (03), 983–993.

  • Google Scholar
  • Makaledeki referansı görüntüle

• Li Y. X. (2024). Kazık Temellerin Ön Kurulama Altında Temel Çukuru Dışındaki Topraklarda Çökme ve Deformasyon Özellikleri. Yüksek Lisans Tezi. Nanchang: Doğu Çin Jiaotong Üniversitesi.

  • Google Scholar
  • Makaledeki referansı görüntüle

• Li X, Xu Y, Wang X, Wang W. (2024). Yumuşak zemin alanında temel kazısı suyunu alma sırasında yeraltı suyu seviyesini etkileyen faktörlerin analizi: bir derleme. Environ. Earth Sci.83 (17), 526. 10.1007/s12665-024-11819-4

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Minderhoud P S J, Erkens G, Pham V H, Bui V T, Erban L, Kooi H ve ark. (2017). Vietnam Mekong Deltasında 25 yıllık yeraltı suyu çekiminin çökme üzerindeki etkileri. Environ. Res. Lett.12 (6), 064006. 10.1088/1748-9326/aa7146

  • Pubmed Abstract
  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Phoban H, Seeboonruang U, Lueprasert P. (2021). Yükselen yeraltı suyu etkisi nedeniyle kazık davranışının sayısal incelenmesi. Int. J. Geomate20 (78), 171–176.

  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Tang S D, He L S, Fu Z. (2002). Yumuşak zemin temelinde tek kazık inşası tarafından oluşturulan fazla gözenek suyu basıncı. Rock Soil Mech.23 (06), 725–729+732.

  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Tang L Y, Yang L J, Jia H L ve ark. (2020). Yeraltı suyunun donmuş zeminlerdeki kazık temellerin taşıma performansına etkisi. Railw. Stand. Des.64 (11), 91–98.

  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Verma K, Manisha M, Santrupt R M, Anirudha T P, Goswami S, Sekhar M ve ark. (2023). Kapsamlı su geri dönüşümünün yeraltı suyu beslenme oranları, su kalitesi değişimleri ve tarımsal etkilerinin değerlendirilmesi. Sci. Total Environ.877, 162869. 10.1016/j.scitotenv.2023.162869

  • Pubmed Abstract
  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Wang J, Feng B, Yu H, Guo T, Yang G, Tang J. (2013). Büyük derin temel kazısında suyunlmanın sayısal çalışması. Environ. Earth Sci.69, 863–872. 10.1007/s12665-012-1972-9

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa bak

• Whittemore D. O., McGregor K. M., Marotz G. A. (1989). Recharge’deki değişimlerin yeraltı suyu kalitesi üzerindeki etkileri. J. Hydrology106 (1–2), 131–145. 10.1016/0022-1694(89)90170-4

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa makale içinde bakın

• Wu P. (2007). Şölen uzunluğunun aşırı uzun kazıkların taşıma performansı üzerindeki etkisine sonlu elemanlar analizi. Struct. Cond. Assess. Monit. Improv.19–21, 386–390.

  • Google Scholar
  • Kaynağa makale içinde bakın

• Wu T., Galindo R., Sun H. L., Cai Y. (2024). Toprak-yapı-su etkileşimi göz önüne alınarak gelgit dalgasının oluşturduğu kazık setinin dinamik tepkileri. Ships Offshore Struct.19 (3), 375–391. 10.1080/17445302.2023.2171557

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa makale içinde bakın

• Yan X. G., Lu Z. C., Zhang J. C., Zhao W. L., Chen Y., Luo H. M. ve ark. (2023). Xiong’an yeni alanının kuzeydoğu kısmında arazi alçalmasının nedenleri. Hydrogeology and Eng. Geol.50 (04), 173–184. 10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202207019

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa makale içinde bakın

• Yong C. Z., Denys P. H., Pearson C. F. (2019). Yeraltı suyu çekilmesinin yol açtığı arazi alçalması: Kelantan, Malezya’da jeometrik deformasyon oranı çalışması. J. Spatial Sci.64 (2), 275–286. 10.1080/14498596.2018.1429329

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa makale içinde bakın

• Zeng C. F., Xue X. L., Song W. W., Li M. K., Bai N. (2020). Ön kazı ile suyunu alma işleminin yol açtığı temel çukurunun deformasyon mekanizmasına model deney çalışması. Rock Soil Mech.41 (09), 2963–2972+2983. 10.16285/j.rsm.2019.6587

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • Kaynağa makale içinde bakın

• Zhang Y, Wu J, Xue Y, Wang Z, Yao Y, Yan X ve diğerleri (2015). Land subsidence and uplift due to long-term groundwater extraction and artificial recharge in Shanghai, China. Hydrogeology J. 23 (8), 1851–1866. 10.1007/s10040-015-1302-x

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • View reference in article

• Zhou D. B. (2004). Analysis of engineering behavior of super-long piles in soft soil foundations. Rock Soil Mech. 25 (S1), 87–90.

  • Google Scholar
  • View reference in article

• Zhou N, Vermeer P. A., Lou R, Tang Y, Jiang S. (2010). Numerical simulation of deep foundation pit dewatering and optimization of controlling land subsidence. Eng. Geol. 114 (3–4), 251–260. 10.1016/j.enggeo.2010.05.002

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • View reference in article

• Zhou J. J., Yu J. L., Gong X. N., Yan T. l. (2020). Field tests on behavior of pre-bored grouted planted pile and bored pile embedded in deep soft clay. Soils Found. 60 (2), 551–561. 10.1016/j.sandf.2020.03.013

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • View reference in article

• Zhussupbekov A, Iwasaki Y, Omarov A, Tanyrbergenova G, Akhazhanov S. (2019). Complex of static loading tests of bored piles. Int. J. Geomate 16 (58), 8–13. 10.21660/2019.58.4707

  • CrossRef
  • Google Scholar
  • View reference in article

Özet

Anhtar kelimeler

yer altı suyu seviyesinin yükselmesi, kara çökmesi, sayısal simülasyon, kazık temeli, kazık-toprak etkileşimi

Atıf

Zhong H, Liu Y ve You M (2026) Influence of rising groundwater levels on the mechanical and deformation characteristics of bridge pile foundations in land subsidence areas. Front. Earth Sci. 14:1922503. doi: 10.3389/feart.2026.1922503

Müracat tarihi

29 Haziran 2026

Düzeltme tarihi

02 Ekim 2026

Kabul tarihi

30 Ekim 2026

Yayınlanma tarihi

12 Kasım 2026

Cilt

14 – 2026

Düzenleyen

Yunhui Zhang, Southwest Jiaotong University, Çin

Feng Xu, Çin Bilimler Akademisi (CAS), Çin

Huaixin Li, Chang’an Üniversitesi, Çin

Tao Xiao, Guizhou Bilimler Akademisi, Çin

Hefu Pu, Shenzhen Üniversitesi, Çin

© 2026 Zhong, Liu ve You.

Bu makale Creative Commons Atıf Lisansı (CC BY) koşulları altında açık erişimli olarak dağıtılmıştır. Bu lisansın koşullarına uygun olmak kaydıyla, özgün yazar(lar)ın ve telif hakkı sahib(ler)inin atıf edilmesi ve bu dergideki özgün yayının belirtilmesi şartıyla, diğer platformlarda kullanım, dağıtım veya çoğaltma izin verilmektedir. Bu koşullara uymayan hiçbir kullanım, dağıtım veya çoğaltma izin verilmemektedir.

*İletişim: Minglong You, minglongyou@cug.edu.cn

Bu makalede ifade edilen tüm iddialar yalnızca yazarlara aittir ve bağlı oldukları kuruluşların, ya da yayıncının, editörlerin ve inceleyenlerin görüşlerini mutlaka yansıtmaz. Bu makalede değerlendirilebilecek herhangi bir ürün veya üreticisinin yapabileceği herhangi bir iddia, yayıncı tarafından garanti edilmez veya desteklenmez.