Kırıkkale ilinde yer alan yüksek plastisiteli kil zeminlerin şişme potansiyellerinin uçucu kül kolonu yöntemi ile iyileştirilmesi ve bu iyileştirmenin yapıların deprem davranışına etkileri
Reducing the swelling potential of high plastics clay soil in the city of Kirikkale with the fly ash column method and the effects of this improvement on earthquake behavior of structures
Yazar: BARAN TOPRAK
Danışman: DOÇ. DR. İLKER KALKAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kırıkkale = Kırıkkale ; Uçucu kül = Fly ash ; Zemin oturması = Ground subsidence ; Zemin şişmesi = Soil swell

Özet:
Zeminlerin şişme potansiyeli, mevsimsel etkiler altında zeminin bünyesine su almasıyla artan ve üzerindeki yapıya olumsuz etkiyen bir unsurdur. Birçok zemin, fiziksel durumuna bağlı olarak bünyesine su aldığı taktirde şişme eğilimi gösterir. Zeminlerde şişme potansiyeli, üzerindeki yapının önemine bağlı olarak kontrol edilmesi gereken bir durumdur. Montmorillonit ve İllit tipi killer, bünyelerine su aldıkları zaman yüksek miktarda hacim genişlemesine maruz kalan zemin türleridir. Bu durumun tersi olarak, bu zeminlerin bünyesinden su uzaklaştığı zaman ise zeminde hacim daralması ile beraber çatlamalar meydana gelir. Bölgesel olarak, yerleşim alanlarında yer alan şişme potansiyeli yüksek zeminlerin konumlarının bilinmesi, o bölgede inşa edilecek yapıların tasarımlarının daha güvenli olması için gereklidir. Yüksek şişme potansiyeline sahip killerin oluşturduğu zeminlerin belirlenmesinde, o yerleşim alanında önceden yapılan sondajların incelenmesi en etkili yöntemdir. Kırıkkale İli; bölgesel olarak, yüksek şişme potansiyeline sahip zemin içeren, kırktan fazla şehrin geçiş noktası olan ve jeopolitik öneme sahip askeri fabrikalar, hidroelektrik santraller, rafineri ve sanayi bölgesi barındıran bir Cumhuriyet şehridir.

Bu çalışmanın ilk aşamasında, bir atık madde olan uçucu külün, zeminde açılan sondaj delikleri yardımı ile bir kolon şeklinde zemine uygulanması ve zemindeki şişme potansiyelinin azaltılmasına katkısı irdelenmiştir. Şişme potansiyelinin azaltılmasında, uçucu külün zemine ağırlıkça belli oranlarda karıştırılması yöntemi önceden yapılan çalışmalarda defalarca araştırılmış bir uygulamadır. Bu çalışmada, uçucu külün zemine ağırlıkça belli oranlarda karıştırılması uygulaması ile aynı zeminin uçucu kül kolonu yöntemi ile güçlendirilmesi karşılaştırılmıştır. Değişik kür sürelerinde ve değişik uzaklıklarda uygulanan uçucu kül kolonlarının, zeminin şişme potansiyeline etkisi incelenmiştir. Elde edilen deney sonuçları ile, yüksek şişme potansiyeline sahip zeminlerin iyileştirilmesi için ağırlıkça belli oranlarda tüm zemine uçucu kül karıştırmak yerine uçucu kül kolonu şeklinde uygulamanın son derece basit, ekonomik ve etkin olduğu belirlenmiştir.

Çalışmanın ikinci aşamasında ise, zeminde elde edilen bu iyileştirmenin betonarme yapıların deprem davranışı üzerindeki etkileri nümerik olarak araştırılmıştır. Bu bağlamda, referans ve güçlendirilmiş zeminlerin SPT ölçümlerine bağlı olarak belirlenen zemin yatak katsayıları, yapısal modellerde kullanılmıştır. Halihazırda kullanımda olan betonarme bir yapının  nümerik modeli farklı yer hareketi kayıtları kullanılarak, zaman-tanım alanında doğrusal deprem analizlerine tabi tutulmuştur. Yapısal çerçeve, rijit bir temel üzerine oturtulmuş ve bu temel de zemini sembolize eden düşey yaylara bağlanmıştır. Zemin güçlendirmesinin yapı davranışı üzerindeki etkilerini anlayabilmek amacıyla, taban kesme kuvveti, taban devrilme momenti, taban eksenel kuvveti ve temel oturması ölçütleri kullanılmıştır. Yapılan analizler, uçucu kül kolonu güçlendirme yönteminin yapının temel oturması ve taban eksenel kuvveti değerlerini önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Bu önemli sonuç, özellikle yapılara deprem esnasında önemli hasarlar veren ikincil mertebe etkilerin sınırlandırılmasında zemin güçlendirmesinin büyük katkısını ortaya koymuştur.

Abstract:
The swelling potential of soils is a factor that increases with the water intake under the seasonal effects and has a negative effect on the structures. Many soil types tend to swell if they take water to the body depending on their physical condition. The swelling potential of soil is a condition that needs to be controlled depending on the importance of the structure on it. Montmorillonite and Illit type clays have a large volume expansion when they receive water. In contrast to this, when the water moves away from the soil, cracking occurs with volume shrinkage. Regionally, swelling potential of the ground is a factor affecting the design parameters of the structures that will be built in the region with the risk of swelling. In determining the clayey soils with high swelling potential, it is the most effective method to examine the pre-made drillings in the settlement area. The city of Kırıkkale is a republican city with high swelling potential, a crossing point for more than forty cities and has military factories with geopolitical importance, hydroelectric power plants, refinery and industrial zone.

In this study, the contribution of the fly ash columns, which is a waste material, with the help of the drilling holes on the ground to the reduction of the soil swelling potential was examined. The effect of fly ash columns on the swelling potential of the ground at different distances and at different curing times was also investigated. In order to reduce the swelling potential, the method of mixing the fly ash to the ground in certain proportions has been investigated repeatedly in previous studies. In this study, mixing the fly ash to the ground at certain proportions was examined together with the fly ash column method in the presence of identical soil conditions. The effect of fly ash columns on the swelling potential of the ground was investigated for different curing times and different distances. The tests indicated that the application of fly ash column instead of mixing fly ash to all the ground in certain proportions for the purpose of improving the grounds with high swelling potential is extremely simple, economical and efficient. 

In the second part of the study, the effect of this soil strengthening application on the earthquake behavior of reinforced concrete structures was investigated numerically. In this respect, the bedding values of the plain reference and strengthened soil was determined from the real SPT measurements and used in the structural models. The structural model of an existing  reinforced concrete structure was examined with the help of linear time-history analyses under different ground motion records. The structural frame was seated on a rigid foundation and connected to vertical springs, representing the ground. In order to comprehend the effect of soil strengthening on the structural behavior, base shear force, base overturning moment, base axial force and foundation settlement criteria were adopted. The analyses indicated that the fly ash column soil strengthening method resulted in a significant decrease in the foundation setlement and base axial force values.  This important outcome implies that soil strengthening has a major contribution to reducing the second-order effects of forces in an earthquake, which have devastating effects on structures during earthquakes.