Prediction of Undrained Shear Strength by the GMDH-Type Neural Network Using SPT-Value and Soil Physical Properties

This study presents a novel method for predicting the undrained shear strength (c(u)) using artificial intelligence technology. The c(u) value is critical in geotechnical applications and difficult to directly determine without laboratory tests. The group method of data handling (GMDH)-type neural network (NN) was utilized for the prediction of c(u). The GMDH-type NN models were designed with various combinations of input parameters. In the prediction, the effective stress (sigma(v)'), standard penetration test result (N-SPT), liquid limit (LL), plastic limit (PL), and plasticity index (PI) were used as input parameters in the design of the prediction models. In addition, the GMDH-type NN models were compared with the most commonly used method (i.e., linear regression) and other regression models such as random forest (RF) and support vector regression (SVR) models as comparative methods. In order to evaluate each model, the correlation coefficient (R-2), mean absolute error (MAE), and root mean square error (RMSE) were calculated for different input parameter combinations. The most effective model, the GMDH-type NN with input parameters (e.g., sigma(v)', N-SPT, LL, PL, PI), had a higher correlation coefficient (R-2 = 0.83) and lower error rates (MAE = 14.64 and RMSE = 22.74) than other methods used in the prediction of c(u) value. Furthermore, the impact of input variables on the model output was investigated using the SHAP (SHApley Additive ExPlanations) technique based on the extreme gradient boosting (XGBoost) ensemble learning algorithm. The results demonstrated that using the GMDH-type NN is an efficient method in obtaining a new empirical mathematical model to provide a reliable prediction of the undrained shear strength of soils.Chungnam National University; National Research Foundation of Korea (NRF) - Korea government (MSIT) [NRF2022R1C1C1011477]This work was supported by research fund of Chungnam National University and National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No. NRF2022R1C1C1011477)

Three-Dimensional Finite Element analysis of the seismic behavior of pile foundations

Bu çalışmada; özellikle kayma modülleri arasında belirgin fark olan zemin tabakalarındaki zeminlerin doğrusal olmayan davranışlarının incelenebilmesi amacıyla deprem yükleri altındaki kazıklı temellerin doğrusal olmayan bir dinamik analiz işlemi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmanın yardımıyla, deprem sarsıntıları sırasında kazıklarda meydana gelen gerilmelere, diğer yapısal ayrıntılar aynı kalırken, zemin şartlarında değişik koşulları temsil eden basitçe iki durum göz önünde bulundurularak, zemin tabakasının etkisinin çok belirgin olduğu gösterilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sayısal sonuçlar, zayıf zemin koşullarındaki kazık tasarımlarında, yerin deformasyon davranışının etkilerini yeterince göz önünde bulundurulmasına gereksinim duyulduğunu sergilemektedir. Anahtar Kelimeler: Sonlu elemanlar, kazık-zemin etkileşimi, kazıklı temeller, üç boyutlu, sismik davranış, kesme kuvveti, eğilme momenti.In this study a general nonlinear dynamic analysis procedure for pile foundations has been applied successfully to investigate the nonlinear behaviors of soils, being particularly large at interfaces soil layers which sharply differing shear module, under earthquake loads. Generally, long piles penetrating deep layered deposit, particularly when there is a sudden change in soil stiffness are likely to be exerted by large ground response forces. However, such as ground forces are termed simply as "ground response effects" in dynamic pile-soil interaction, which are generally neglected in the pile design practice. Investigations on damage to piles during the past earthquakes provide some basic information concerning the nature of failures in piles at locations with deep soil deposit under strong ground shaking. Remarkably significant instance of the damage is reported to have occurred at deeper parts along the pile, particularly in relatively longer piles. Evidently, the location of pile damage at the intermediate part in longer piles also tends to coincide with changes in soil layering, giving rise to stiffness contrast interface. By means of this study, considering two simple variations in soil condition, other structural details remaining the same, it is shown that the influence of soil layering on the stresses developed in piles during earthquake shaking can bevery dominant. Numerical results obtained from this study show the need for adequate consideration of the ground deformation response effects in the pile design in relatively soil conditions. Keywords: Finite elements, pile-soil interaction, pile foundations, three dimensional, seismic behavior, shear force, bending moment

An Investigation On The Nonlinear Seismic Response Of The Pile Foundation Analysis In The Layered Soils

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2005Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2005Bu çalışmada, üst yapı-kazıklı temel-zemin sisteminin sonlu eleman kullanılarak modellenmesi, farklı katmanlardan oluşan zemin profillerinde deprem etkisindeki kazıkların davranışının belirlenmesi ve klasik çözümlerin bu davranışı tanımlamada basit yaklaşımlar olduğunun gösterilmesi amaçlanmaktadır. Üst yapı-kazıklı temel-zemin sisteminin, sismik yükler altındaki davranışı, çoğunlukla sistem parçalara ayrılarak ve her bir parçanın ayrı ayrı incelenmesi şeklinde gerçekleştirilmektedir. Sistemin bu şekilde parçalara ayrılması, doğrusal olmayan bir problemde önemli basitleştirmeler yapıldığı, başka ifade ile kaba yaklaşımlarda kalındığı anlamındadır. Problemin bütün olarak alınamaması, başta hesaplama tekniği olmak üzere, verilerin belirlenmesinde farklı mühendislik disiplinlerine ait bilgi gereksinmesi, ortak çalışma alışkanlığının yaygın olmayışı vb sorunlardan kaynaklanmaktadır. Bu genel düşünceler içerisinde, üst yapı-kazıklı temel-zemin sisteminin doğrusal olmayan malzeme özellikleriyle incelenmesi önemli bir bütün olarak görülmektedir. Bu amaçla, zemin ortamının sonlu elemanlarla tanımlanması, modelleme ve çözüm tekniği açısından bizlere önemli olanaklar sunmaktadır. Bu çalışmayla, elasto-plastik malzeme davranışı ile büyük deformasyon etkilerinin dikkate alındığı ve zaman alanlı üç boyutlu bir dinamik sonlu eleman yöntemi kullanılarak üst yapı-kazıklı temel-zemin sistemi modellenmiştir. Sismik yükler altında üst yapı-kazıklı temel-zemin etkileşiminin incelendiği bu çalışmada, değişik zemin ve yapı koşullarını temsil eden iki model (Model-A ve Model-B) üzerinde, uç ve sürtünme kazıklarının kullanıldığı iki farklı durum için, maksimum yer ivmesi 0.1 g, 0.2 g ve 0.3 g olan üç deprem kaydı kullanılarak analizler yapılmıştır. Bulunan sayısal değerlerden, çözüm sonuçlarını yansıtan grafik ve tablolar oluşturulmuştur. Sonuç olarak, statik yükler altında, kazık boyunca donatı yerleştirme gerekli olmadığı halde, belli yönetmelikler uyarınca kazıkların donatılı olarak imal edilmesi hususu, bu tez çalışmasında yapılan analizlerden de görüldüğü üzere deprem etkisi altında önem taşımaktadır. Bu etki uç kazıklarında çok daha önemli olup, uygulamada özen gösterilmesi gerekmektedir.In this study, it is aimed to model superstructure-piled foundation-soil system by using finite elements, to determine the behaviour of piles located into layered soil deposits under earthquake loading and to show that usual solution methods are being simple approaches on defining the behaviour. The behaviour of superstructure-piled foundation-soil system under seismic loads is usually carried out by dividing system into parts and examining in a form each of the parts separately. In a nonlinear problem, dividing the system into parts means that it is too much simplified. Main sources of the simplification are assumed to be solution technique as being first, necessity of information from various engineering disciplines, and inexistence of working jointly as habit. Investigation of superstructure-piled foundation-soil system with nonlinear material properties within these general ideas is considered as an important content. For this purpose, defining soil medium with finite elements presents very important advantageous in view of modelling and analysis technique. With this study, superstructure-piled foundation-soil system has been modelled considering large deformation effects with elasto-plastic material behaviour by using 3-D dynamic finite element method in time domain. In this study investigating superstructure-piled foundation-soil interaction under seismic loads, analysis has been carried out by using earthquake records with 0.1g, 0.2g, 0.3g of maximum ground acceleration values for two different cases using skin and end-bearing piles within the models (model-A and Model-B) representing different soil and structure conditions. Numerical results obtained from the analysis are presented in form of graphs and tables. As a result, although there is no need to reinforce a pile under static loading conditions, as shown in the analysis performed in this study reinforcement of piles according to certain codes has great importance under earthquake loading conditions. This effect has more importance in the case of end-bearing piles and care should be taken in practise.DoktoraPh

AXISYMMETRIC SPILLED POLLUTANT ANALYSIS IN STEADY-STATE USING FINITE DIFFERENCE METHOD

Water resources in our world are decreasing day by day. Therefore, maintaining the cleanliness of water sources is very important. Spilled pollutants or seepage from garbage may sometimes cause contamination of groundwater resources. Diffusion equation is difficult to solve. It is also hard to calculate the spilled pollutant quantity. In this study, assuming that the soil is homogenous and its temperature and permeability is constant, infiltration from a surface with cylindrical symmetry into the soil is analyzed and the Laplace equation of the pollutant concentration in steady-state is solved in the cylindrical coordinates considering the axial symmetry by the finite difference method and then the velocity of the pollutant is calculated by post-processing of the solved concentration using Darcy's law in vector form. The concentration leaking from a small pond into the ground is assumed to be constant. The normalized concentration within the ground is given with respect to soil depth. This method given here can be modified to use for the more sophisticated soil models to analyze pollutants

Kumlu zeminlerin iyileştirilmelerinde atık lastiklerin kullanılması üzerine bir araştırma

The aim of this investigation is to research the improvement of sandy soils with additive materials. California Bearing Ratio (CBR) is commonly used to determine the characteristics of sandy soils which are improved by using additives. The CBR test estimates behavior of subbase and granular layers for flexible superstructures. Waste shredded tires are used as additives in accordance with the purpose of this study. A great majority of materials, which are considered as wastes in the world, consist of recyclable materials. Recycling these materials is imperative for being able to preserve environmental and natural balance, minimizing the damage inflicted upon nature and also for the country’s economy. The improvement of ground with additive materials has been widely used since it is more economical than other stabilization methods. Recently, usage of industrial waste materials as additive materials has become popular. Investigations on utilization of waste tires in geotechnical engineering are being carried not only in our country but also in the rest of the world.Bu inceleme çalışmasının amacı kumlu zeminlerin katkı malzemeleriyle iyileştirilmesinin araştırılmasıdır. Katkılarla iyileştirilen kumlu zeminlerin karakteristiklerinin tespit edilmesinde, Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneyi kullanılır. CBR esnek üst yapılar için alt temel ve granüler tabakaların davranışını belirler. Çalışmanın amacı doğrultusunda katkı malzemesi olarak atık lastik parçacıkları kullanılmıştır. Dünya üzerinde atık olarak değerlendirilen maddelerin büyük bir kısmı geri dönüştürülebilir malzemelerden oluşmaktadır. Bu malzemelerin yeniden kullanılarak geri dönüşüme katılması çevrenin ve doğanın dengesinin korunabilmesi, doğaya verilen zararın minimuma indirilebilmesi ve ülke ekonomisi açısından oldukça önemlidir. Zeminlerin katkı maddeleri ile İyileştirilmesi diğer iyileştirme yöntemlerine göre daha ekonomik olmasından dolayı çok geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Son zamanlarda endüstriyel atık maddelerin bu amaç için kullanımı ön plana çıkmıştır. Geoteknik Mühendisliği alanında da atık lastiklerin kullanılabilirliği araştırmaları tüm dünyada ve ülkemizde sürdürülmektedir

Atık Lastiklerin Zemin İyileştirilmesinde Kullanımı

Bu proje çalı?masının amacı kumlu zeminlerin katkı malzemeleriyle iyile?tirilmesinin ara?tırılmasıdır. Katkılarla iyile?tirilen kumlu zeminlerin karakteristiklerinin tespit edilmesinde, Kaliforniya Ta?ıma Oranı (CBR) deneyi kullanılır. CBR esnek üst yapılar için alt temel ve granüler tabakaların davranı?ını belirler. Çalı?manın amacı doğrultusunda katkı malzemesi olarak atık lastik parçacıkları kullanılmı?tır. Dünya üzerinde atık olarak değerlendirilen maddelerin büyük bir kısmı geri dönü?türülebilir malzemelerden olu?maktadır. Bu malzemelerin yeniden kullanılarak geri dönü?üme katılması çevrenin ve doğanın dengesinin korunabilmesi, doğaya verilen zararın minimuma indirilebilmesi ve ülke ekonomisi açısından oldukça önemlidir. Büyük bir çoğunluğunu karayollarında kullanılan araçların olu?turduğu, atık lastiklerle ilgili problemler her geçen gün hızla artmaktadır. Günümüzde, ömrünü tamamlamı? ta?ıt lastikleri, bol olmasının yanında, değersiz bir atık konumundadırlar. Ayrıca; çevre kirliliğine sebebiyet vermekte ve insan sağlığı ile doğal dengeyi olumsuz bir ?ekilde etkilemektedir. Bu sorunları ortadan kaldırmanın en etkin yollarından biri; atık lastiklerin yeniden i?lenerek, endüstride farklı uygulamalarda kullanılmasıdır. Zeminlerin katkı maddeleri ile ?yile?tirilmesi diğer iyile?tirme yöntemlerine göre daha ekonomik olmasından dolayı çok geni? bir ?ekilde kullanılmaktadır. Son zamanlarda endüstriyel atık maddelerin bu amaç için kullanımı ön plana çıkmı?tır. Geoteknik Mühendisliği alanında da atık lastiklerin kullanılabilirliği ara?tırmaları tüm dünyada ve ülkemizde sürdürülmektedir. Deney sonuçları, atık lastik parçalarının kumlu zeminlerin CBR değerlerini etkilemediğini göstermiştir. Gerçekleştirilen deney sonuçlarından, kumlu zemin numunelerinin, lastik parçacıkları ile belli oranlarda karı?tırılması durumunda CBR değerlerinde belirgin bir azalma olduğu görülmü?tür. Yaptığımız çalı?ma, atık lastikler kullanılarak kumlu zeminlerin CBR değerlerinde istenilen yönde artı?ların meydana gelmediği ve diğer katkı malzemeleri ile birlikte kullanılması gerektiğini göstermektedir.The aim of this project is to research the improvement of sandy soils with additive materials. California Bearing Ratio (CBR) is commonly used to determine the characteristics of sandy soils which are improved by using additives. The CBR test estimates behavior of subbase and granular layers for flexible superstructures. Waste shredded tires are used as additives in accordance with the purpose of this study. A great majority of materials, which are considered as wastes in the world, consist of recyclable materials. Recycling these materials is imperative for being able to preserve environmental and natural balance, minimizing the damage inflicted upon nature and also for the country’s economy. The problems related to waste tires, which are created by a large majority of the road vehicles, increase rapidly every day. Nowadays, in addition to being abundant, the vehicle tires that completed their useful lives are in the position of being worthless wastes. Moreover, they cause environmental pollution, influence natural balance and human health in negative ways. One of the most effective ways to eliminate this problem is to process the waste tires again and use them for different applications in the industry. The improvement of ground with additive materials has been widely used since it is more economical than other stabilization methods. Recently, usage of industrial waste materials as additive materials has become popular. Investigations on utilization of waste tires in geotechnical engineering are being carried not only in our country but also in the rest of the world. Experimental results have showed that waste tire shreds do not affect the CBR values of sandy soils. It was seen that the CBR values of sandy soils reduce significantly when the sand samples are mixed with certain percentages of tire shreds. This study has showed that using the waste tire shreds does not result in increments in the CBR values of sandy soils in the desired direction and, therefore the waste tire shreds should be used with the other additive materials

Examination of Soil Improvement with Reused Tires and Pets

Various studies have been executed for the aim of obtaining new products via reused waste materials or to use such materials as admixture materials in already available products. The widespread, worldwide popularity of automobile traffic and increasing quantity of PET (polyethylene terephthalate) pose risks for human health, environmental safety and aesthetical concerns, etc. However, the reuse of waste tires and plastic materials in various applications has been encouraged and increased globally. The objective of the present study is to analyze not only the usability of such wastes by adding waste tire and waste PET materials into the soil but also to determine their effects on the soil characteristics. Sieve analysis, hydrometer test, pycnometer, and compaction and CBR (California bearing ratio) tests have been conducted on a sample soil from Corlu region. In optimum water content, CBR tests have preliminarily been conducted on a natural soil sample, which was then ensued by adding into the soil sample 2% ratio of tire, 2% ratio of PET, 4% ratio of PET + 0.5% ratio of tire, and 0.5% ratio of PET + 4% ratio of tire (by weight), respectively. The results of the laboratory tests performed revealed that a significant change was not observed in the CBR values of the waste tire, while the PET admixture led to an increase in the CBR values