Kapiler bariyer drenaj kapasitesinin model deney ve sayısal analizlerle incelenmesi
Investigation of capillary barrier drainage capacity using laboratory models and numerical analyses
Yazar: AYŞENUR ASLAN FİDAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET MUHİT BERİLGEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Kapiler bariyer, şevler veya düzenli depolama sahaları için sızmayı sınırlamak veya katı atıklar için bir örtü sağlamak gibi çeşitli geoteknik uygulamalarda yaygın olarak kullanılan bir tür zemin örtü sistemidir. Bu doktora tezinde, kapiler bariyerin farklı bir uygulama alanında, tarihi Kemaliye Evlerinin geleneksel düz toprak damlarında uygulanması araştırması amaçlanmıştır. Araştırmanın ilk aşamasında, tarihi evlerin düz toprak damlarında kullanılan 'Gavcin'' ve 'Yaşkuru' adlı yerel zeminler temin edilerek doygun ve doygun olmayan hidrolik özellikleri belirlenmiştir. Bir boyutlu sızma deneyleriyle, farklı yağış etkisinde farklı başlangıç koşullarına sahip zemin kolonlarında sızma ve drenaj davranışı incelenmiştir. Deney sonuçları, Kemaliye evlerinin toprak damlarında kullanılan geleneksel zeminler ve orjinal yapım yöntemiyle kapiler bariyer etkisinden faydalanıldığını göstermektedir. Tarihi düz toprak damlarda kapiler bariyer etkisini arttırmak amacıyla yeni bir konfigürasyon geliştirilmiş ve üç tabakalı bir örtü tasarlanmıştır. Bu örtüde üst iki tabaka kapiler bariyer olarak tasarlanırken alt tabaka, sızdırmazlığı arttırmak ve örtüye sızan suyu orta tabaka aracılığıyla uzaklaştırmayı sağlamak amacıyla eklenmiştir. Orta tabakada kullanılan farklı dane boyutlarına sahip granüler zeminlerin kapiler bariyere etkisi bir boyutlu sızma deneyleriyle araştırılmıştır. Üç tabakalı konfigürasyonda en iyi performansı gösteren iki kesit geodren eklenerek ve eklenmeden zemin tankı içerisinde ve gerçek yağışı simüle eden yağış sisteminde model deneylerle incelenmiştir. Model deneyler, üst tabakada bulunan killi kumun düşük geçirgenliği nedeniyle uygulanan kısa süreli ve çok kuvvetli yağışta sızmayı sınırlandırmış ve bu süreçte kapiler bariyer etkisi devam ettiğinden atılım ve yanal drenaj gözlemlenememiştir. Bu etki, zemin kolonu deney sonuçları kullanılarak yapılan geri analizlerle SEEP/w yazılımında kalibre edilen nümerik modeller ile araştırılmıştır. 
Sayısal analizler, hem iki tabakalı geleneksel dam kesitinin kapiler bariyer etkisi ve yanal sapma uzunluğunun farklı yağışlar altında araştırılmasını sağlamış hem de özellikle iklim koşulları nedeniyle donma-çözülme ve kuruma çatlaklarının kapiler bariyere olan etkisi üst tabakanın permeabilitesi artırılarak incelemiştir. Benzer şekilde üç tabakalı zemin kolonu deneylerinin sonuçları, geri analizlerde kullanılarak üç tabakalı sayısal modeller kalibre edilmiştir. Daha sonra, orta tabakanın yanal sapma uzunluğuna, bariyer etkisi ortadan kalktıktan sonra yanal drenaja ve örtüden süzülen su miktarına olan etkisi nümerik olarak araştırılmıştır. Laboratuvar deneyleri ve sayısal modeller dikkate alınarak geliştirilen kesitin saha uygulamasının sonuçları, uygulanan üç tabakalı geodrenli örtünün istenilen performansı sağladığını ve yıl boyunca tüm iklimsel etkilere rağmen yapıya sızıntıyı önlediğini göstermiştir. Damdaki zemin tabakalarından alınan ölçümler ilkbahar ve yaz aylarında meydana gelen yağışlarda kapiler bariyerin etkili olduğunu, sonbahar aylarındaki tekrarlı yağış ve düşük buharlaşma nedeniyle bariyerin ortadan kalktığını göstermiştir. Kış aylarında hava sıcaklığının 0°C'nin altına düştüğü donlu günlerde zemin tabakalarının donduğu ve hava sıcaklıklarının yükselmesiyle erime meydana geldikten sonra üst tabakanın porozitesinin arttığı ve yağışlar sırasında orta tabakaya suyun sızdığı görülmüştür. Ancak bu durumda da geodren tabakası ve alt zemin tabakası suyun yapıya sızıntısını engellemiştir.

Abstract:
The capillary barrier is widely used in various geotechnical applications, such as limiting seepage for the slopes and landfills, or providing a cover for solid waste. This Ph. D. Thesis is condcuted to investigates its application in a different context, specifically the traditional flat earthen roofs of the historic Kemaliye houses. In the first part of the investigation, local soils known as 'Gavcin' and 'Yaşkuru', used in the flat earthen roofs, were obtained to determine their saturated and unsaturated hydraulic properties. One-dimensional infiltration experiments were conducted to analyze the infiltration and drainage behavior of soil columns with varying initial conditions under precipitation. The results showed the utilization of the capillary barrier effect with the traditional soils and the original construction method used in the earthen roofs of Kemaliye houses. In order to improve the capillary barrier effect in these historical roofs, a new configuration was developed - a three-layer cover. This configuration features capillary barriers in the top two layers, while the bottom layer is designed to increase the impermeability and drain water infiltrating into the cover through the middle layer. One-dimensional infiltration experiments were conducted to investigate the effect of granular soils with different grain sizes in the middle layer on the capillary barrier. Model experiments were conducted to analyze the two best performing cross sections in the three-layer configuration, with and without the addition of Geodrain layer, both in a soil tank and in a rainfall system simulating actual rainfall. However, the model experiments indicated that the low permeability of the clayey sand in the upper layer limited infiltration during heavy rainfall events and prevented adequate observation of the breakthrough and lateral drainage during precipitation. To further study this effect, numerical models calibrated with back analysis using three layer soil column experimental results were used in the SEEP/w software. The numerical analyses allowed the investigation of the capillary barrier effect and the lateral diversion length of the two-layer traditional roof section under different rainfall conditions. In addition, the effects of freeze-thaw cycles and drying cracks on the capillary barrier, mainly due to climatic conditions, were studied. Similarly, the results of the three-layer soil column experiments were used in the back analysis to calibrate the three-layer numerical models. Subsequently, the middle layer was investigated by numerical analysis for lateral diversion length and lateral drainage post-barrier effect, as well as the amount of water percolating through the cover. One of the three-layer models was selected and applied to the flat earthen roof of a historical mill in Kemaliye, where measurements and observations were made for one year. These observations indicated that the three-layer cover with Geodrain provided the desired performance, effectively preventing leakage into the structure despite the varying climatic effects throughout the year. Measurements taken from the soil layers of the flat earthen roof showed that the capillary barrier was effective during rainfall in the spring and summer seasons, but diminished in the fall season due to repeated rainfall and low evaporation. In winter, when the air temperature dropped below 0°C, the soil layers froze and the porosity of the soil layers increased. After subsequent thawing with rising air temperatures, causing water infiltration into the middle layer during rainfall. However, the Geodrain layer and the bottom layer prevented water from percolating into the structure.