Fiber İle Güçlendirilmiş Kum Zeminlerin Statik Yükler Altındaki Davranışları

Abstract

İnşa edilen veya edilecek olan yapıların yumuşak ve zayif zeminlerde yapılması hem maddi hem de can güvenliği açısından birçok risk taşımaktadır zirâ bu tür zeminler oturmalara meyilli, düşük kayma direnci ve büyük oranda sıkışabilirlik gibi problemler potansiyeline sahipler. Zeminlerin mühendsilik özelliklerinin arttırılması ve zeminlerin iyileştirilmeleri için birçok yöntem kullanılmaktadır. Zemin mekaniği mühendisliğinde daha güvenli ve ekonomik bir proje yapmak için zemin iyileştirme yöntemleri gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Zemin iyileştirme yöntemleri zeminlerin mühendislik parametrelerini iyileştirmek amacıyla geliştirilmiş olan yönetimlerdir. Zeminler her zaman çeşitli yüklere maruz kalmışlardır ve son bir asırda gelişen teknoloji ve artan nüfusa bağlı olarak zeminler yüksek oranda statik ve dinamik yüklere maruz kalmaktadırlar. Daha güvenli ve ekonomik bir inşaat projesi uygulamak için zemin türlerine bağlı olarak değişik zemin iyileştirme yöntemleri kullanılmaktadır. Diğer sanayinin getirdiği gelişmelereler birlikte günümüzde son yıllarda yaygın hale gelen zemin iyileştirme yöntemlerinden biri de çeşitli zeminlerde çeşitli katkı maddeler kullanmasıdır. Genel anlamda zemin iyileştirmesi, zeminlerin sıkışabilirlik, kayma mukavemeti ve permabilite gibi mühendislik özelliklerinin daha elverişli duruma getirilmesi olarak tanımlanabilir. Burada elverişlilik ile anlatılmak istenen üzerine yapı yapılacak zeminin amaca uygun bir duruma getirilmesidir. Zemin iyileştirmesinin yapılma amaçlarının arasında şunlar öncelikle sayılabilir; zeminin stabilitesini arttırmak, taşıma gücünü arttırmak, oturma potansiyelini ve dolayısıyla oturmaları azaltmak, yatay deformasyonları engellemek. Günümüzde gelişen teknoloji ile beraber farklı prensiplere dayalı birçok zemin iyileştirme metodu geoteknik mühendislerince uygulanmaktadır. Son yıllarda önce laboratuvarda araştırılan daha sonra pratik mühendislik uygulamalarında kullanılan bir zemin iyileştirme methodu da doğal kaynaklardan veya suni olarak üretilmiş fiberlerin zeminle rastgele karıştırılarak homojen ve temiz zemine göre mühendislik özellikleri iyileşmiş zemin fiber karışımı elde etmektedir. Temel olarak, bitki liflerin veya köklerin zeminin stabilitesine sağladıkları katkı göz önüne alınarak geliştirilmeye çalışılan bu teknikte, fiber-zemin karışımı fiberlerin zemine göre çok yüksek olan çekme mukavemetlerinin sonucu olarak fibersiz zemine göre çok büyük olan kayma mukavemeti değerlerine ulaşabilmektedir. Bu nedenle özellikle efektif gerilmelerin buna bağlı olarak kayma mukavemetinin düşük olduğu yüzeye yakın zeminlerde, fiberlerin verimli olacağı düşünülmektedir. Bununla birlikte fiberlerin zemin iyileştirmedeki avantajları söyle sıralanabilir. Fiberlerin zemin ile karıştırılması stabilizasyon için kullanılan çimento ve kireç gibi diğer malzemelerin karıştırılması kadar kolaydır. Ayrıca, homojen karışımı sağlandığında, fiberler zemin içinde izotropik mukavemet sağlarlar. Diğer malzemeler ile maliyet açısından karşılaştırıldığında; diğer stabilizasyon malzemeler ile birim fiyatta yarışabilir hale gelmiştir. Ancak fiber ile iyileştirilirmiş bir zemin, çimento veya kireç ile iyileştirilmiş bir zemine göre ortam koşullarından (Y.A.S.S gibi) çok daha az etkilenmektedir. Fiber ile zemin iyileştirmesi için kullanılacak malzeme yelpazesi oldukça geniştir. Doğal fiberler (bitki kök ve lifleri) ile sentetik fiberler (polietilen, polipropilen) yanında geri dönüşümden elde edilen atıkların bir kısmı yine fiber olarak kullanılabilmektedir. Tüm bunların yanında fiberler mekanik olarak zeminde çekme gerilmelerinden oluşabilecek çatlakların göçme mekanizmalarını değişime uğratıp, zeminde ciddi mukavemet kaybını engellerler. Bahsedildiği gibi zeminler çeşitli yüklere maruz kalabilmektedir. Bu yükleme durumları basitçe statik yükler ve dinamik yükler adı altında iki alt başlıkta sınıflandırılabilir. Statik yükler bazen üstyapıdan gelen yükler; bazen hidrostatik kuvettler ve bazen de iksa ve istinat yapılarında olduğu gibi zeminin kendi ağırlığından dolayı oluşan yanal yükler olmaktadır. Diğer taraftan zeminler; deniz kenarına yakın bölgelerde dalga yükleri; fabrika veya büyük imalathanelerin temel altı zemindeki makine titreşim yükleri; patlamalar ve en önemlisi de deprem yükleri gibi dinamik etkilere maruz kalmaktadırlar. Depremler esnasında üstyapılarda zemin kaynaklı birçok hasar görülmektedir. Bu hasarlara neden olan en önemli olaylardan biri zeminlerin göçmesi ve sıvılaşmadır. Zemin iyileştirmesine ve hatta bir yapının yapılmadan önce yapılan en önemli işlerden biri zeminlerin özelliklerini Arazi ve Laboratuvar deneyleri ile belirlemektir. Arazide bir yapı temeli veya toprak altında kalacak veya herhangi bir başka yüklemeye maruz kalacak zemin tabakalarının gerilme-şekil değiştirme davranışlarını ve kayma mukavemetlerini belirlemek için bu tabakalardan numune almak ve bunları laboratuvarda deneye tabi tutmak amacı ile birçok deneysel yöntem geliştirilmiştir. Bunlar arasında, daha yaygın olarak kullanılan yöntemler Kesme Kutusu deneyi, serbest Basınç Deneyi, Dinamik Üç Eksenli Deneyleridir. Bu tez çalışmasında kum zeminlerin statik yükler altındaki davranışlarını katkısız ve de fiber katılarak Kesme Kutusu Deneyi ile incelenip ele alınmıştır. Kesme kutusu deneyinde, zemin numunesi dikdörtgen veya dairesel kesitli ve iki parçadan oluşan rijit bir kutu içinde yerleştirilmektedir. Uygulanan bir kesme kuvveti altında, kutunun bir parçası sabit tutulurken diğer parçası yatay bir düzlem üzerinde hareket edebilmekte ve böylece numunenin ortasından geçen yatay düzlem boyunca zemin kaymaya zorlanmaktadır. Numune üzerine normal bir gerilme uygulanarak, ve böylece önce zeminin konsolide olması ve kesme sırasında normal gerilmelerin kontrol altında tutulması mümkün olmaktadır. Bu deneyde zemin önceden belirlenmiş ( numunenin ortasından geçen) yatay bir düzlem boyunca kırılmaya (göçmeye) zorlamaktadır. Belirli bir normal gerilme altında, uygulanan kesme kuvveti ile meydana gelen yatay yer değiştirmeler ölçülmekte ve eğriler elde edilmektedir. Eğrilerin şekli zeminin cinsine ve başlangıç durumuna bağlıdır. Deney sırasında ulaşılan en büyük kayma gerilmesi veya göçme Kabul edilebilecek şekil değiştirmelere yol açan kayma gerilmesi zeminin belirli bir normal gerilme altında kayma mukavemetini vermektedir. Bu çalışmada deney değişik normal gerilmeler altında tekrarlanarak zeminin mukavemet zarfı elde edildi. Yani farklı normal gerilme değerleri için) farklı kayma mukavemeti değerlerini değişik fiber oranlarındaki hazırlanmış olan numunelerde bulunarak zarfları elde edildi. Bu zarflardan fiberli zemin numunelerine ait olan Mohr-Colomb kırılma zarfını sunmaktadır. Değişik normal gerilmeler altında elde edilen kayma mukavemetlerini bir eğride çizerek buradan kayma gerilmesi açısı elde edilmiştir. Kesme kutusu deneyleri, permabilite deneylerini kullanarak zeminin davranışı değişik fiber oranlarında ve değişik yükler altında incelenmiştir. Temiz kum ve fiberle güçlendirilmiş kum için Statik yükler altında gerilme-deformasyon davranışı ve kayma mukavemeti parametreleri belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan fiber ve kum çeşidi sabit tutularak çeşitli parametrelerin etkisi incelenmiştir. Ayrıca deneyleri iki değişik sıkılıklarda yani düşük (20%-37%) ve yüksek (60%-75%) rölatif sıkılıkta hazırlanıp test edilmiştir. Kesme kutusu deneyinde ilk olarak kum zeminin fiber katkısız olarak farklı statik yükler altına kayma mukavemeti parametrelerini elde etmek için test yapılmıştır. Daha sonra kuru kumun ağrılığının 0.1%, 0.5% ve 1.0% ağırlıklarında fiber karıştırılarak zemin aynı koşullarda test edilmiştir. Elde edilen bu sonuçlar karşılaştırılarak fiber oranının kayma mukavemetinde olan etkisi ve de yüksek ve düşük rölatif sıkılıkların kayma mukavemeti parametrelerindeki etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmanın ikinci kısmında ise kesme kutusunda kullanılan kumların aynı özellikler ve fiber oranları ile permabilite aletini kullanarak permabilite katsayısı ve fiberin buna olan etkisi incelenmiştir. Bu deneyde aynı kesme kutusu deneyindeki gibi kullanılan fiber ve kum çeşidi sabit tutularak permabilite parametrelerin incelenmiştir. Numunelerin belli bir rölatif sıkılıkta (55%) hazırlanıp permabilite katsayısı elde edilmiştir. Bu deney kapsamında fiberlerin kum zeminlerde içine alacak su muhtevası ile ilgili de deney yapılmıştır. İki değişik rölatif sıkılıkta (60% ve 70%) numuneler kalıplara koyularak 0.01-0.03 MPa vakum ve 1-3bar CO2 uygulanıp belli bir süre su geçirilerek fiberle donatılmış zeminlerin su absorbe potansiyeli ve numunelerin su hacmi incelenmiştir. Genel olarak, yapılan laboratuvar deneyleri sonucu fiberle güçlendirilmiş kum zeminlerin static yükler altında davranışlarının fibersiz zeminlere oranla iyileştiğini göstermektedir. Fiber miktarı arttıkça, kayma mukavemetinin artması gözlemlenmiştir. Ayrıca; gevşek ve sıkı koşullarda hazırlanmış olan numuneler üzerinde yapılan kesme kutusu deneyi sonucunda yüksek bir rölatif sıkılıkta hazırlanmış olan numunelerin daha yüksek bir kayma mukavemeti değerleri görülmüştür. Statik deneylerin sonuçlarına bakıldığında; fiber oranı arttıkça zeminin kayma mukavemeti artmıştır. 0.1% 'lik fiber muhtevasında bu değer çok önemli ölçüde değişmese de 0.5% ve 1.0%'lik numunelerde önemli ölçüde kayma mukavemetinin artışı gözlemlenmiştir. Özet olarak Bu çalışmada kum zeminlerin statik yükler altındaki davranışlarını katkısız ve de fiber katılarak incelenip ele alınmıştır. Kesme kutusu deneyleri, permabilite deneylerini kullanarak zeminin davranışı değişik fiber oranlarında ve değişik yükler altında incelenmiştir. Temiz kum ve fiberle güçlendirilmiş kum için statik yükler altında gerilme-deformasyon davranışı ve kayma mukavemeti parametreleri belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan fiber ve kum çeşidi sabit tutularak çeşitli parametrelerin etkisi incelenmiştir. Kesme kutusu deneyi sisteminde, temiz ve fiberle donatılı kumlar bu deney ile test edilmiştir. Bu deney çalışmasında değişik fiber oranları kullanarak kumun davranışları incelenmiştir. Fiber eklemenin kayma mukavemeti parametreleri üzerinde etkisi elde edilerek incelenmiştir bu sebeple ileride yapılacak olan çalışmalar ile, uygulamada kolaylık ve kontrol edilebilirlik açısından, fiber koyma şekilleri, fiber oranı ve fiber boy/genişlik oranı değişken parametreler olabilir.

Construction of building and other civil engineering structures on weak or soft soil is highly risky because such soil is susceptible to differential settlements, poor shear strength, and high compressibility. In civil engineering in order to make a safer and more economical construction, methods of soil improvement is gaining importance day by day by using new materials and technology. Soil improvement methods to improve engineering properties of soils are developing. Soils were always exposed to various loads and developing technology in the last century due to increasing population and a high proportion of soils are exposed to static and dynamic loads. In order to implement a construction project safer and more economical it has been used various ground improvements, depending on the ground type methods. Various soil improvement techniques have been used to enhance the engineering properties of soils. In the recent years by industrial development soil, improvement methods are developed by using of various additives materials. Soil reinforcements by fiber material is considered an effective ground improvement method because of its cost effectiveness, easy adaptability, and reproducibility. One of the most commonly used soil improvement type is the addition of substances such polypropylene fibers. Hence, in the present investigation, polypropylene fiber has been chosen as the reinforcement material, and it was randomly included into the sandy soil at three different percentage of fiber content, i.e., 0.1%, 0.5% and 1.0% by weight of soil. Mainly, fiber reinforced soil can be defined as mixing soil with discrete elements, fibers that are produced naturally or artificially of several materials as account, lingocellulosed, palm, straw, polyester, steel and polypropylenes. The soil and fiber mixture is not only combined with randomly distribution, but also they can be placed in layers. In this study the behavior of the soil under static loads are discussed and scrutinized by adding unadulterated as well as fiber. Conducted laboratory tests are Direct Shear test and consolidation test. The main objective of this research is to focus on the strength behavior of soil reinforced with randomly included VHP ( Virgin Homopolymer Polypropylene) fiber. The stress-strain response under monotonic loading and shear strength parameters are determined for unreinforced and reinforced sand specimens. While the type of fiber and sand is kept constant, effect of, different parameters are tested in each test. The main aim is to find the effect of fiber inclusion on the behavior of tested sand. In first type of the experimental study, direct shear tests are performed on unreinforced and reinforced samples. In the second part of that, permeability test was applied on samples to obtain Void Ratio and Relative densities of samples. The effect of fiber inclusion on the shear strength parameters are discussed by using the experimental results obtained from direct shear tests. As a conclusion, the results obtained from laboratory work presented that fiber inclusion improve static behavior of loose sand. It also makes soils more resistance against to earthquake-induced liquefaction, depending on the test condition and fiber content.