A comprehensive soil characteristics study and finite element modeling of soil-structure behavior in Tuzla area

Abstract

ABSTRACT: Determination of soil characteristics is important for the design of foundations. The magnitude of settlement, bearing capacity, heave and various other engineering behaviors should be experimentally determined or initially predicted from models, before the design of structures. In order to assess the available in situ and experimental data and to model soil-structure interaction for local soils, Tuzla is chosen as the study area, which is the most disputable area in North Cyprus, regarding the soil formations and soil-structure interactions. The study consists of four phases: collection of all the available in situ and laboratory data and deriving soil profiles for each parcel in the area; using well known correlations to predict engineering parameters; finite element modeling of the soil-structure interaction and establishing a mathematical model for settlement. A database of the engineering parameters of soils in Tuzla area is formed based on 43 boreholes, and in situ and laboratory experimental data available. Borelogs were plotted and the soil profiles for each parcel of the Tuzla area, and water table profile for the entire area were obtained using RockWare. The SPT-N values were used to correlate with the engineering parameters, including the shear strength parameters and the bearing capacity using the methods available in NovoSPT. The bearing capacity was determined from the available correlations in the software as well as manually using well known methods, such as Burland and Burbidge (1985) and Bowels and Meyerhof (1976) correlations. In the soil-structure interaction part of the thesis, square mat foundations were modeled in different sizes, and placed at varying depths in the soil profile for the worst borehole location of BH-24 in Parcel No. XXIV 50 W2 Finite element method is implemented by PLAXIS 2D for the axis-symmetric case and using Mohr-Coulomb criterion. Elastic settlements and consolidation settlements at different time intervals, up to 50 years were studied. It was concluded that the bearing capacity should only be found in relation to consolidation settlement in the region. In the final phase, an exponential relationship is proposed for the prediction of total settlements for this specific location based on bearing capacity, foundation size, depth, and time. To generalize this relationship for the whole area, further research is required using all the borehole data and the profiles of the other parcels in the region. Keywords: SPT correlations, Bearing capacity, Settlement, Soil-structure interaction. ………………………………………………………………………………………………………………………… ÖZ: Zemin karakteristiğinin ve davranışının önceden tesbiti temel tasarımı için önemlidir. Zeminlerin yapılar altında olabilecek oturma miktarı, taşıma gücü, şişme ve diğer mühendislik özellikleri laboratuvarda çalışılmalı veya modeller kullanılarak binaların tasarımından önce ön tesbit yapılmalıdır. Bu araştırmanın ilk aşamasında Jeoloji ve Maden Dairesi, ve Doğu Akdeniz Üniversitesi’nde Geoteknik Ana Bilim Dalında tamamlanmış tez çalışmalarından elde edilen sondaj datasından ve zemin parametrelerinden Tuzla bölgesi için bir veri tabanı oluşturulmuştur. Bu veri tabanı 43 sondaj logunun GPS koordinatları, zemin katmanlarının sınıflandırılması, bölgenin topoğrafik haritası, ve yeraltı su seviyesi derinliklerini içermektedir. Bölgede bulunan 13 parselin zemin profilleri RockWare yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. SPT sonuçları kullanılarak, NovoSPT yazılımındaki empirik yaklaşımlarla zemin parametreleri elde edilmiştir. Bu parametreler ve sondaj loglarından en kötü sonuçların bulunduğu parsel için farklı boyutlarda radye temelin davranışı zamana bağlı olarak PLAXIS yazılımı kullanılarak modellenmiştir. Çalışma dört aşamada yapılmıştır: Birinci aşama data toplanması ve sondaj loglarının ve zemin profillerinin elde edilmesini içerir. Ayrıca yeraltı su seviyesi profili de bu aşamada belirlenmiştir. İkinci aşama NovoSPT yazılımından zemin parametrelerinin elde edilmesini içerir. 43 sondaj lokasyonu için tüm korelasyon sonuçları ve Jeoloji ve Maden Dairesi’nden elde edilen laboratuvar deney sonuçları toparlanmış ve istatistiki bir çalışma ile deneysel sonuçlarla korelasyonlardan elde edilenler karşılaştırılmıştır. Çalışmanın üçüncü aşaması elde edilen verilerle en kötü sondaj lokasyonunda kare radye temelin zemin-yapı etkileşiminin bir sonlu elemanlar yazılımı olan PLAXIS’le modellenmesini içerir. Sonlu elemanlar yöntemi ile farklı radye boyutları, temel derinlikleri için elastik ve zamana bağlı konsolidasyon oturmaları çalışılmış ve oturmaya bağlı zemin emniyet gerilmesi değerleri literatürde bulunan bazı analitik yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Bu yöntemler arasında sonlu elemanlardan elde edilen sonuçlara en yakın değerleri Burland and Burbidge (1985)’in verdiği tesbit edilmiştir. Tezin son aşamasında ise MATLAB yazılımı kullanılarak toplam oturma için taşıma gücü, temel boyutu, derinliği ve zamana bağlı olan bir eksponansiyel denklem elde edilmiştir. Bu denklem sadece bir lokasyon için elde edildiğinden, tüm bölge zeminleri için genelleme yapılamaz. Bu çalışmanın devamı olarak, daha kapsamlı bir araştırma programında irdelenecektir. Anahtar Kelimeler: Zemin karakteristiği, SPT, Sonlu elemanlar yöntemi, Oturmalar.