| Popis: |
Soğuk iklim bölgelerinde bulunan zeminler, periyodik donma-çözülme çevrimlerine maruz kalmaktadır. Bu bölgelerdeki zeminlerin mühendislik özellikleri, donma işlemi sırasında zemin daneleri arasında oluşan buz mercekleri ve çözülme işlemi sırasında oluşan su nedeniyle önemli değişikliklere uğrayabilmektedir. Donma-çözülmeye maruz kalan zeminlerin permeabilite, boşluk oranı, kıvam limitleri gibi fiziksel özellikleri ile konsolidasyon katsayısı, şişme basıncı ve serbest basınç mukavemeti gibi mühendislik özellikleri de olumsuz etkilenebilmektedir. Donma-çözülme etkisi altındaki zeminlerin taşıma kapasitesi, oturma ve şişme potansiyeli gibi geoteknik özelliklerindeki değişiklikler projelerin tasarım aşamasında dikkate alınmalıdır. Özellikle, yüksek şişme potansiyeline sahip killi zeminlerde inşa edilen veya edilecek yapılar üzerinde meydana gelecek deformasyonlar önemli bir problem teşkil etmektedir. Soğuk iklimin hakim olduğu bölgelerde şişme potansiyelinin belirlenmesi ile kil tabakası üzerine inşa edilecek yapılar, yol yapıları, otoyollar, kaldırımlarda meydana gelebilecek deformasyonlar ve hasarlar önlenecektir.Böylece, güvenlik artacak ve riskli bölgelerde oluşabilecek hasarların önüne geçip bakım maliyetleri azalacaktır.Bu çalışma kapsamında donma-çözülmeye maruz kalmış killerde şişme basıncına etki eden faktörlerin belirlenmesi hedeflenmiştir. Zemin numunelerinin erken dönem ve uzun dönem şişme karakteristiklerinin incelenmesi amacıyla farklı plastisiteye sahip ve farklı mineralojik yapıdaki killi zeminler değişken donma-çözülme çevrimlerine maruz bırakılmış, bu zeminlere ait numuneler üzerinde donma-çözülme öncesi ve sonrası şişme basıncı deneyleri yapılmıştır. Deneyler sonucunda belirlenen şişme basınçları ile zeminin endeks özellikleri arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Şişme basıncının, likit limit, plastik limit, plastisite indisi, maksimum kuru birim hacim ağırlık, optimum su muhtevası ve boşluk oranına bağlı olarak değişimi incelenmiştir.İstanbul Teknik Üniversitesi Geoteknik Laboratuvarlarında, yüksek plastisiteli killerin (CH3, CH4, CH5 ve CH6) ve düşük plastisiteli kilin (CL1) donma-çözülme sonrasındaki şişme basıncı davranışı incelenmiştir. Bu amaçla, tez kapsamında kullanılan numunelerin sınıflandırılması için elek analizi, hidrometre deneyi ve kıvam limitleri gibi endeks deneyleri yapılmıştır. Sonrasında, Harvard minyatür kompaksiyon aletinde optimum su muhtevasında numuneler hazırlanmış ve hazırlanan bu numuneler üzerinde 9 adet donma-çözülme çevrimi uygulanmıştır. 0, 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 ve 25 çevrim sonunda tüm numuneler üzerinde şişme basıncı deneyleri yapılmış ve donma-çözülmeye maruz kalan numunelerin şişme basıncındaki değişimler incelenmiştir. Çalışmada kullanılan numunelerin plastisite indisi, PI =%20-255 aralığında, likit limiti, LL=%36-296 aralığında ve plastik limiti PL=%16-41 aralığında değişmektedir.Sodyum bentonitin (CH3) kıvam limitleri belirlenmiştir. Likit limit, LL =%296, plastik limit, PL =%41, plastisite indisi, PI =%255 olarak belirlenmiştir. Modifiye Harvard kompaksiyon deneyi sonucunda, optimum su muhtevası (Wopt.) %37 ve γkmaks. 11.60 kN/m3 olarak belirlenmiştir. Kalsiyum bentonitin (CH4) kıvam limitleri belirlenmiştir. Likit limit, LL =%288, plastik limit, PL =%38, plastisite indisi, PI =%250 olarak belirlenmiştir. Modifiye Harvard kompaksiyon deneyi sonucunda, optimum su muhtevası (Wopt.) %30 ve γkurumaks. 12.40 kN/m3 olarak belirlenmiştir. CH5 için kıvam limitleri belirlenmiştir. Likit limit, LL =%68, plastik limit, PL =%20, plastisite indisi, PI =%48 olarak belirlenmiştir. Modifiye Harvard kompaksiyon deneyi sonucunda, optimum su muhtevası (Wopt.) %22 ve γkurumaks. 14.80 kN/m3 olarak belirlenmiştir. CH6 için kıvam limitleri belirlenmiştir. Likit limit, LL =%52, plastik limit, PL =%28, plastisite indisi, PI =%24 olarak belirlenmiştir. Modifiye Harvard kompaksiyon deneyi sonucunda, optimum su muhtevası (Wopt.) %23 ve γkmaks. 14.70 kN/m3 olarak belirlenmiştir. CL1 için kıvam limitleri belirlenmiştir. Likit limit, LL =%36, plastik limit, PL =%16, plastisite indisi, PI =%20 olarak belirlenmiştir. Modifiye Harvard kompaksiyon deneyi sonucunda, optimum su muhtevası (Wopt.) %15 ve γkmaks. 16 kN/m3 olarak belirlenmiştir.Proctor sıkılığında oluşturulan numunelerin donma-çözülme çevrimlerine maruz kalmadan yapılan şişme deneyleri için numunelerin altından ve üstünden olmak üzere 2 adet örnek alınıp şişme deneylerinde kullanılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda hazırlanan numunelerin altından ve üstünden elde edilen şişme basıncı sonuçlarında farklılıklar olduğu gözlenmiştir. Bu sebep ile hazırlanan numunelerin şişme basınçları, alt ve üst şişme basınçları olarak incelenmesine karar verilmiştir. ASTM D-4546 standardındaki C yöntemi kullanılarak tek boyutlu şişme basıncı deneyleri yapılmıştır.Zemin numuneleri, ASTM D560 No.'lu Standart 'da belirtilmiş yönteme uygun kapalı bir sistemde yapılan donma ve çözülme çevrimlerine maruz bırakılmıştır. Numuneler 24 saat boyunca başlangıç sıcaklığı (-23 ± 2° C)'de soğutma işlemine tabii tutulmuştur. Daha sonra soğutucudan çıkartılan numuneler laboratuvar koşullarında (23 ± 2° C) 24 saat boyunca desikatörlerde bekletilerek çözülmeye bırakılmıştır. Toplam 48 saat süren bu donma-çözülme işlemi 1 donma-çözülme çevrimi olarak belirlenmiş ve araştırma boyunca bu donma-çözülme çevrimleri kullanılarak deneylere devam edilmiştir. Numunelerin farklı donma-çözülme çevrimlerine göre şişme basıncı davranışlarını incelemek için araştırmanın başında belirlenmiş çevrimlere karşılık gelen şişme basınç deneyleri yapılmıştır.Donma-çözülme çevrimlerine maruz kalmış zeminlerin şişme basınçları ile likit limiti, plastisite indeksi, optimum su muhtevası, kuru birim hacim ağırlık arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda, bütün zemin örneklerinde artan donma-çözülme çevrim sayısı ile şişme basınçlarının azaldığı gözlemlenmiştir.Artan likit limit değerleri ile ölçülen şişme basıncı değerleri artma eğilimde olduğu belirlenmiştir. Aynı şişme basıncı davranışı, artan optimum su muhtevası ve plastisite indisi değerleri ile gözlemlenmiştir.Tüm şişme basıncı deneyi sonuçları, donma-çözülme çevrimlerine bağlı olarak yüksek ve düşük plastisiteli killer için ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmeler sonucunda yüksek plastisiteli killerde şişme basınçlarının artan donma-çözülme çevrimleri ile azaldığı ve belirli bir çevrim sayısından sonra stabil hale gelip fazla değişiklik göstermediği, düşük plastisiteli kilde gözlenen şişme basıncı azalışlarının ise yüksek plastisiteli killerdeki kadar belirgib olmadığı ve donma sayısının artmasıyla stabil hale geldiği gözlemlenmiştir. Yüksek plastisiteli killer için şişme basınçlarındaki azalma oranının, düşük plastisiteli kil numunesinden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Sodyum bentonit (CH3) ve kalsiyum bentonit (CH4) şişme basıncı deney sonuçları karşılaştırıldığında, sodyum bentonit şişme basınçları kalsiyum bentonit şişme basınçlarından daha fazla ölçülmüştür. Donma-çözülme deneyleri sonucunda sodyum bentonit şişme basıncı değerlerinde kalsiyum şişme basıncı değerlerine göre daha büyük düşüş gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, zeminlerin mineralojik farklılıkların şişme basıncı davranışına etkisi gözlemlenmiştir.Son olarak, kullanılan numunelerin boşluk oranları araştırılmış ve şişme basıncı davranışları ile boşluk oranları arasında bir ilişki kurulması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, numunelerin donma-çözülme çevrimleri sonrasında boşluk oranları belirlenmiştir. Artan donma-çözülme çevrimleri ile boşluk oranlarının arttığı gözlenmiştir. Şişme basınçlarının stabil hale geldiği donma-çözülme çevrimlerinden sonra, boşluk oranlarının çok fazla artmadığı ve rezidüel değerlere ulaştığı gözlemlenmiştir. Yüksek plastisiteli killerin boşluk oranlarındaki artışın, düşük plastisiteli kilden daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Plastisitenin boşluk oranlarındaki değişimi üzerine etkisi gözlenmiştir. Elde edilen bulgular, zeminlerin donma-çözülme çevrimlerinde sonra şişme davranışlarındaki farklar için açıklayıcı bir unsur olabilir. The soils that located in cold climatic regions are exposed to periodic freeze-thaw cycles. The mechanical properties of the soils in these regions are subject to significant changes due to the ice lenses formed between the soil particles during freezing process and the excess amount of water that occurs during the thawing process. Changes in the geotechnical engineering parameters such as bearing capacity, settlement and swelling potential of the soils under the effect of freeze-thaw should be considered in the design section of projects. Especially, the deformations occurring on the structures built on clayey soils with high swelling potential constitute an important part. The determination of the potential of swelling on clayey soils that susceptible to swell in cold regions will prevent deformations and damages that may be created on structures, road structures, motorways, sidewalks and substructures to be constructed or to be built on the clay layer. Thereby, the safety will be increased and the maintenance costs will be reduced in the risk regions where damages may occur.Within the scope of the master thesis, it is aimed to determine the parameters affecting the swelling pressure of clay soils which are exposed to freezing-thawing cycles. In order to investigate the short and long-term swelling characteristics of soil samples, clayey soils with different plasticity behaviors and different mineralogical characteristics were subjected to varying freeze and thaw cycles, and swelling pressure tests before and after freeze-thawing process were carried out on specimens obtained from these soils. Swelling presure tests were performed after 0, 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 and 25 F-T cycles of specimens were completed. The relationship between swelling pressures determined by experiments, soil index and mineralogical properties were investigated. The variation of swelling pressure of clay samples was investigated with respect to liquid limit, plastic limit, plasticity index, maximum dry unit volume weight, optimum water content and void ratio. According to the results of the laboratory tests obtained; an increase in swelling pressure was observed as the liquid limit and the plasticity index values of the soils increased. After exposed to freeze-thaw cycling, the swelling pressure values of the soils follow the decreasing trend and stabilize after a while. The void ratios of the soils have increased after exposure to freeze-thaw cycles. The volume of water in the sample expands due to freezing process. This physical process may be caused by ice lenses which formed in frozen soils. Ice lenses form through the horizontal lines. In the thawing process, these ice lenses melt and void ratio of the soil increases. The increasing void ratio and the segregation of the soil particles by irregular placement which causes the decomposition of flocculated soil structure may be reason for decrease in swelling pressure results.The samples were prepared by using the Harvard miniature compaction apparatus at the maximum dry unit weight and optimum water content that obtained from compaction tests. 2 swelling pressure samples were prepared from the upper and lower parts of the samples. It is expected that the bottom part of the sample will have more water content than the upper region due to the distribution of compaction energy. Therefore, the swelling pressure results will be different from each other. In order to inspect this phenomena, 2 bottom and 1 top sample prepared for each swelling pressure test. Under the guidance of C method of ASTM D-4546 standard, one-dimensional swelling tests were performed. As a result of the tests, the general tendency was determined as the swelling pressures obtained from the bottom samples were evaluated greater than the results of the top samples for all clay samples. . In accordance with the ASTM D560, the samples were freezed for 24 hours at the initial temperature (-23 ± 2 ° C). Then the samples removed from the refrigerant were allowed to dissolve in desiccators for 24 hours in laboratory conditions (23 ± 2 ° C). This 48 hours freeze-thaw process was determined as 1 freeze-thaw cycle and experiments were conducted by using these freeze-thaw cycles.After the F-T cycles, the relationship between the swelling pressures and liquid limit, plasticity index, optimum water content, dry unit weight of soils was investigated. Samples with high liquid limit have more swelling pressures and have decreased with the increasing F-T cycles. The same swelling pressure behavior was observed with the increasing plasticity index and optimum water content values after the F-T cycles. On the contrary, considering the increasing dry unit weights of samples, it was determined that the σs followed a decreasing trend.The results of the CH3 swelling pressure tests indicates that the bottom swelling pressures are higher than the top swelling pressure results. With the increase in the number of freeze-thaw cycles, the loss of swelling pressure rate decreased until the 10th cycle and became stable for the bottom samples. For top samples, the results of the swelling pressure were stabilized after the 5th F-T cycle. After the 25th F-T cycle, an average 59% decrease in swelling pressure results was observed. The swelling pressure results of the CH4 are followed by a decrease trend after being exposed to freeze-thaw cycles and become stabilized after the 10th F-T cycle for both top and bottom samples. After the 25th F-T cycle, an average 45% decrease in swelling pressure results was determined. In accordance with previous soil samples, the CH5 bottom swelling pressures are higher than the top results after F-T cycles and decrease rate of swelling pressure reduced, becomes stable after the 1st F-T cycle. Top swelling behavior follows a steady trend after 10th F-T cycle. After the 25th F-T cycle, 44% decrease in swelling pressure results was observed in bottom results and 67% in top results. For CH6 samples, small decreases were observed until the 10th cycle. After 10th F-T cycle, bottom swelling pressure values follow a steady trend. After the 25th F-T cycle, 67% decrease in swelling pressure results was observed in bottom results. For CL1 , after 10th F-T cycle bottom swelling behavior follows a steady trend and for top samples it is determined in the 3rd F-T cycle. After the 25th F-T cycle, 53% decrease in swelling pressure was observed in bottom results and 80% in top results.All swelling pressure test results were evaluated depending on the freeze-thaw cycles. It was observed that the swelling pressures in high plasticity clays decreased and became stable, whereas the observed decreases in low plasticity clay were not as high as the high plasticity clays and were stable with the increasing number of freeze-thaw cycles. It was determined that the rate of decrease in swelling pressures for high plasticity clays was higher than low plasticity clay sample. Compared to the Ca and Na bentonite results, sodium bentonite swelling pressures were found to be higher than the calcium bentonite swelling pressures and a greater swelling pressure decrease in sodium bentonite was observed as a result of the freeze-thaw experiments. In addition, the decrease in swelling pressure observed at the end of the 1st F-T cycle was more than the calcium bentonite. When these results were examined, the effect of mineralogical properties on swelling pressure behavior was investigated.The void ratios of the samples were investigated, and it is stated that with the increasing number of F-T cycles void ratios are increased. After the certain F-T cycle numbers, it was observed that the void ratios did not increase much and reached to the residual values. General behavior that observed from the results, the void ratios did not change much after the 10th F-T cycle and the increases in swelling pressures were stabilized accordingly. It was determined that the increase in the void ratio in high plasticity clays was higher than the low plasticity clay. This may be an explanatory reason for the difference in swelling behavior of soils. 163 |
