Maden atık malzemesi geoteknik özelliklerinin ve oturma davranışının belirlenmesi
Determination of geotechnical properties and settelement behavior of mine waste materials
Yazar: TAYFUN BİLGİ
Danışman: PROF. DR. RECEP İYİSAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Maden atık barajlarının geoteknik tasarımı, baraj stabilitesinin sağlanabilmesi için işletme ve kapatılma aşamasında dikkate alınması gereken önemli bir husustur. Dünyada ve ülkemizde cevher ihtiyacının artması ile maden işletmeleri çoğalmakta ve buna bağlı olarak maden atıklarının bertaraf edilmesi için oluşturulan atık barajlarının sayısı da artmaktadır. Atık barajları vadi içerisinde ve tepe yamacında inşa edilebildiği gibi, kazı çukuru oluşturularak düz alanlarda da yapılabilmektedir. Atık barajlarında çevrelemenin sağlanabilmesi için seddeler inşa edilmekte olup bu seddeler memba, mansap ve merkez hattı ilerleme yönünde oluşturulabilmektedir. Seddelerin yapım yöntemlerinin farklı geoteknik açılardan avantajları ve dezavantajları bulunmakta olup tasarım aşamasında bu özellikler dikkate alınmalıdır.
Maden atık barajları, tasarlanan kapama kotuna ulaştıktan sonra uzun dönem stabilitesi sağlanacak şekilde geçirimsiz tabaka ile kapatılması gerekmektedir. 2015 yılında yayınlanan Maden Atıkları Yönetmeliği uyarınca, atık barajlarının kapama tabakası teşkil edilmeden önce, atıkların kayma ve çökme riskine karşı, depolanan atık kütlesinin yeterince oturduğunun tespit edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla atık malzemesinin sıkışabilirlik parametrelerinin belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Zeminlerin sıkışabilirlik parametreleri laboratuvar deneyleri ile belirlenebilmekte ancak özellikle zayıf dayanımlı atık malzemelerinden alınan numunelerin örselenmesi gibi durumlar göz önüne alındığında arazi deneyleri ile birlikte desteklenmesi gerekmektedir. Özellikle balçık kıvamındaki atık malzemelerde numune alınmasının zorluğu ve SPT deneylerinin gerçekleştirilemeyeceği düşünüldüğünde, sıkışabilirlik parametrelerinin belirlenmesinde CPT deneylerinin yapılması büyük önem teşkil etmektedir.
Bu çalışma kapsamında, ülkemizde yer alan ve kapatılma aşamasında olan altın madeni atık barajı atık malzemesinin indeks, dayanım ve sıkışabilirlik özellikleri atık malzeme üzerinde yapılan arazi ve laboratuvar deneyleri kullanılarak değerlendirilmiş ve belirlenmiştir. Atık malzemesinin oturma davranışının belirlenebilmesi için yaklaşık 1.5 m yüksekliğinde deneme dolguları teşkil edilmiş ve yaklaşık 5 aylık süre boyunca oturmalar takip edilmiştir. Saha verileri, laboratuvar ve arazi deney sonuçları ile birlikte değerlendirilerek atık malzemenin oturma davranışı irdelenmiştir. Konsolidasyon oturmasının belirlenmesinde kullanılan en önemli parametre hacimsel sıkışma modülüdür. Hacimsel sıkışma modülü, laboratuvarda ödometre deneyi ile belirlenebildiği gibi CPT deney verileri kullanılarak da belirlenebilmektedir. Atık malzemenin hacimsel sıkışma modülü, atık kalınlığı ve dolgu yüklemesinden kaynaklanan gerilme artışının derinlikle azalımı dikkate alınarak sahada ölçülen gerçek oturma değerleri ile birlikte değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirme sonucunda, CPT deneyleri ile elde edilen düzeltilmiş koni uç direnci ve zemin davranış indeksine bağlı olarak hacimsel sıkışma modülünün belirlenmesinde kullanılan parametreler için bağıntılar geliştirilmiştir.
Arazi ve laboratuvar deneylerinin birlikte değerlendirilmesi ile belirlenen parametreler dikkate alınarak atık malzemenin oturma davranışı sonlu elemanlar programında incelenmiş ve elde edilen sonuçlar saha verileri ile karşılaştırılmıştır. Yapılan değerlendirmeler sonucunda belirlenen parametreler ile yapılan analizin gerçek değerler ile uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür.
Atık barajlarının kapatılmasında yapılacak olan sürşarj dolgularının ve seddelerin genel stabilite analizleri sonlu elemanlar programı ile incelenmiştir. Analizlerde statik ve dinamik durum göz önüne alınmış ve sonuçlar yorumlanmıştır. Dinamik analizler eşdeğer statik yöntem ile gerçekleştirilmiş ve farklı eşdeğer yatay ivme katsayısı değerleri kullanılarak atık barajı için eşik ivme değeri belirlenmiştir. Yapılan analizler değerlendirildiğinde, atık barajlarının tasarımında statik durum analizleri ile birlikte mutlaka dinamik durumun da göz önüne alınması gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The geotechnical design of mine tailings dams is an important issue that should be considered during operation and closure in order to ensure the stability of the dam. With the increase in the need for ore in the world and in Turkey, mining industry are increasing and accordingly, the number of tailing dam is also increasing because of the tailing disposals. Tailing dams can be built on the edge of the valley and on the hill slope, as well as on flat areas by creating an excavation pit. In order to provide enclosure in the tailings dams, raised embankments are built and these embankments can be constructed by using upstream, downstream and centerline method. Construction methods of embankments have both advantages and disadvantages in terms of different geotechnical aspects, and these parameters should be taken into account during the design phase.
After reaching the designed closure level, the mine tailings dams should be closed with an impermeable layer to ensure long-term stability. According to the Mining Waste Regulation published in 2015, before the closing layer of the tailings dams is constructed, the consolidation settlement of stored tailings must be completed to reduce the risk of slipping and collapsing of the dam. For this reason, it is so importance to determine the compressibility parameters of the tailing material. Compressibility parameters of soils can be determined by laboratory tests, but it should be supported with in-situ tests, especially when the samples taken from low strength tailing materials are taken into consideration. Considering the difficulty of sampling especially in slime-like tailing materials and the fact that SPT tests cannot be performed, CPT tests are of great importance in determining the compressibility parameters.
Within the scope of this study, the physical, strength and compressibility properties of tailing material which is produced from the gold mine tailings dam in Turkey, were determined by using in-situ and laboratory tests on the tailing material. In order to determine the settlement behavior of the tailings, approximately 1.5 m high trial embankment were constructed by using local fill materials and settlements were monitored over a 4 to 5 month period. The settlement behavior of the tailing material was examined by evaluating the obtained data from monitoring together with the laboratory and in-situ test results. The most important parameter used in determining the consolidation settlement is the compression modulus. The compression modulus can be determined by the oedometer test in the laboratory as well as by using the CPT test data. The compression modulus of the tailing material was evaluated by considering the settlement values measured by geodesic method, stress increase due to filling and the tailing thickness. As a result of the evaluation, equations have been developed for the parameters used in the determination of the compression modulus depending on the net cone tip resistance obtained by the CPT tests and the soil behavior index.
Considering the parameters determined by evaluating the in-situ and laboratory tests, the settlement behavior of the tailing material was examined in the finite element program and the results were compared with the field data. As a result of the evaluations, it was seen that the analysis made with the determined parameters gave coherent results with the observed settlements.
The global stability analyzes of the surcharge fills and embankments to be made in closing the tailings dams were examined with the finite element program. Static and dynamic situations were taken into consideration in the analyzes and the results were interpreted. Dynamic analyzes were carried out with the pseudostatic method and the yield acceleration value for the tailings dam was determined by using different equivalent horizontal seismic coefficient values. When the analyzes were evaluated, it was concluded that the dynamic analysis should definitely be taken into account along with the static analyzes in the design of the tailings dams.