Granüler zeminlerin yüksek eksenel basınç altındaki davranışı

Abstract

Bu tez çalışmasında, granüler zeminlerin yüksek basınçlı eksenel sıkışma davranışı ve bu davranışa eşlik eden zemin bünyesinde gelişen dane kırılması incelendi. Çalışmanın ilk aşamasında, zemin numunelerini oluşturmaya aday bireysel daneler üzerinde çift-plaka ezme deneyi uygulandı ve bireysel danelerin tek dane ezilme dayanımı belirlendi. Dane boyutları 2.00 - 37.50 mm aralığında değişen dolomit, kalker ve bazalt kökenli kırmataş danelerinin tek dane ezilme dayanımı, dane kökenine, dane şekline ve dane boyutuna göre farklılık gösterdi. Bireysel danelerin tek dane ezilme dayanımı: dolomit kökenli daneler için 4.20 - 17.80 MPa, kalker kökenli daneler için 2.38 - 26.14 MPa, bazalt kökenli daneler için 5.29 - 48.29 MPa aralığında belirlendi. Bireysel danenin şekli mükemmel küreye eriştikçe ve bireysel dane boyutu arttıkça, danelerin tek dane ezilme dayanımı düşüş gösterdi. Tıraşlanarak küp şekline getirilmiş çeşitli boyutlardaki bireysel daneler üzerinde uygulanan basınç deneyleri sonucunda, bireysel danelerin elastisite modülünün de dane boyutu artışı ile düştüğü belirlendi. 7.50 - 12.00 mm boyut aralığındaki kalker kökenli bireysel danelerin elastisite modülü, 850 - 1230 MPa aralığında belirlendi. Çalışmanın ikinci aşamasında, granüler zemin davranışını incelemek üzere ortalama dane boyutları 2.00 - 25.00 mm aralığında olan kırmataş balast daneleri kullanılarak sekiz zemin numunesi hazırlandı. İlk grup zemin numunelerinde, tek değişken parametre dane kökeni idi. Bu grupta yer alan; Numune-1 kalker kökenli danelerden, Numune-2 ise bazalt kökenli danelerden oluşan üniform derecelenmeli zemin numuneleri idi. İkinci grup zemin numunelerinde, tek değişken başlangıç zemin ortalama dane boyutu idi. Bu grupta yer alan üniform derecelenmeli Numune-3, Numune-4 ve Numune-5'in başlangıç zemin ortalama dane boyutları sırası ile 22.00, 14.40 ve 6.80 mm idi. Üçüncü grup zemin numunelerinde, tek değişken başlangıç zemin üniformluk katsayısı idi. Bu grupta yer alan ve aynı başlangıç zemin ortalama dane boyutuna sahip olan Numune-6, Numune-7 ve Numune-8'in başlangıç zemin üniformluk katsayıları sırası ile 1.16, 1.98 ve 4.10 idi. Zemin numunelerinden en az 4 - 5 benzer hazırlandı. Her bir benzer numune, eksenel sıkışma deneyinde belirli bir ödometrik gerilme kademesine kadar monotonik yüklendi ve sonrasında numuneye yük boşaltması uygulandı. Bu şekilde, çeşitli ödometrik gerilme kademeleri için zemin numunelerinde oluşan değişim incelenebildi. Zemin numunelerine ait şu özelliklerin eksenel sıkışma esnasındaki anlık değerleri belirlendi: hacimsel deformasyon, boşluk oranı, dane dağılım eğrisi, indeks boşluk oranları, relative sıkılık, absorbsiyon, spesifik yüzey alanı, permeabilite. Uygulanan maksimum ödometrik gerilme olan 56.0 MPa, bütün zemin numuneleri için killerin konsolidasyon eğrisine benzeyen 3 evreli eksenel sıkışma davranışı sergilemesine yeterli oldu. Eksenel yükleme sırasında numunelerin: efektif dane boyutu, ortalama dane boyutu, indeks boşluk oranları, ve permeabilite değerleri düşüş; üniformluk katsayısı, ince dane içeriği, relative sıkılık, absorbsiyon ve spesifik yüzey alanı değerleri artış gösterdi. Numunelerin, 56.0 MPa'lık ödometrik gerilme seviyesinde: hacimsel deformasyonu % 34.7 - 42.8 aralığına, son sıkışma modülü 789.5 - 823.0 MPa aralığına, efektif dane boyutu 0.20 - 050 mm aralığına, üniformluk katsayısı 19.00 - 27.86 aralığına, ince dane içeriği % 1.7 - 3.9 aralığına, boşluk oranı 0.05 - 0.14 aralığına, minimum boşluk oranı 0.24 - 0.29 aralığına, maksimum boşluk oranı 0.62 - 0.68 aralığına, absorbsiyonu % 3.26 - 3.79 aralığına, spesifik yüzey alanı 68.62 - 80.69 cm2/cm3 aralığına, permeabilitesi 0.042 - 0.045 cm/sn aralığına erişti. Eksenel sıkışma esnasında zemin numunelerinin bünye özelliklerinde oluşan değişim, numunelerin bakir sıkışma hattı (VCL) ilk ödometrik gerilmesine erişmesi ile birlikte hız kazandı. Bu ödometrik gerilmeden sonra bakir sıkışma hattının son ödometrik gerilmesine kadar, zemin bünyesinde en şiddetli dane kırılmaları gelişti. Numunelerin bakir sıkışma hattı ilk gerilmesi 3.40 - 6.00 MPa aralığında, bakir sıkışma hattı son gerilmesi 11.70 - 26.00 MPa aralığında belirlendi. Numunelerin başlangıç zemin ortalama dane boyutu düştükçe, başlangıç zemin üniformluk katsayısı arttıkça ve bireysel danelerin tek dane ezilme dayanımı arttıkça, uygulanan ödometrik gerilme sonunda numunede oluşan: hacimsel deformasyon, sıkışabilirlik ve dane kırılması miktarı azalmakta; akma gerilmesi, bakir sıkışma hattı gerilmeleri, pekleşme gerilmesi artmaktadır. Çalışmanın son aşamasında, Numune-1'in eksenel sıkışma deneyindeki davranışı ABAQUS yazılımında 1:1 ölçekli model ile yeniden oluşturuldu. Modellerde zemin numunesi, pekleşme özelliği yansıtabilen Draker-Prager/cap malzeme modeli ile tanımlandı. ABAQUS analiz sonuçları ile, laboratuvarda belirlenmesi zor ve pahalı olan numunenin anlık radyal gerilme değerleri hakkında bilgi edinildi. Model sonuçlarında, eksenel yükleme safhasındaki Numune-1'in anlık radyal gerilme değerleri, K0 gerilme izine uygun şekilde gelişti. 56.0 MPa'lık ödometrik yükleme ve takip eden yük boşaltması sonunda, Numune-1 üzerinde kalıcı düşey ve radyal gerilmeler gözlendi. Uygulanan maksimum ödometrik gerilmenin yaklaşık 1/10'u, zemin bünyesinde kalıcı radyal gerilme olarak depolandığı belirlendi.