Şişen killi zeminlerin kireç kolonu tekniği ile iyileştirilmesi sırasında iyon göçü ve kolon performansının şişen kil oranına bağlı olarak değerlendirilmesi
Evaluation of the ion migration and column performance depending on the swelling clay content during expansive clayey soil stabilization by lime column technique
Yazar: DERYA TOKSÖZ
Danışman: PROF. DR. IŞIK YILMAZ
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Şişen killi zeminlerin kireç kolonları ile iyileştirilmesinde temel amaç sönmüş veya sönmemiş kirecin zemin içerisine açılan deliklere doldurulduktan sonra kireç içerisindeki iyonların zamanla kolonu çevreleyen zemine göç etmesi ve kil mineralleri ile reaksiyona girerek zemini iyileştirmesidir. Kireç kolonu tekniği dünya çapında çeşitli ülkelerde başarılı bir biçimde uygulanmaktadır ancak kolonun iyileştirme mekanizması başlıca ulusal olmak üzere literatürde yeterince açıklanmış gözükmemektedir. Bu tez çalışmasının amaçlarından birisi de ulusal ve uluslararası literatürdeki eksiklikler de dikkate alınarak kireç kolonunun çalışma mekanizmasının anlaşılır bir şekilde ortaya konması olmuştur. Şişen killi zeminlerin kireç kolonu tekniği ile iyileştirilmesi aşamasındaki en önemli süreç kireç içerisindeki iyonların kolonu çevreleyen zemin içerisine göç etmesidir.  Killi zeminlerde iyon göçünü etkileyen pek çok faktör vardır. Bunlar; zeminin nem içeriği, geçirimliliği, gözenekliliği, kil mineralojisi, zemin içerisindeki kayma düzlemleri, zeminin emme basıncı, kür zamanı ve kür sıcaklığı olarak sayılabilir. Bu tez çalışmasının asıl amacı ise şişen killi zeminlerde kireç kolon tekniği ile iyileştirme sırasında şişen kil oranına bağlı olarak iyon göçü mesafesi ve kolon performansının incelenmesi ve değerlendirilmesidir. 
Arazi ölçeğinde zemin kütlesinin homojen ve izotrop olmayan yapısı değişik yöntemlerin karşılaştırılmasını, korelasyonunu olanaksız kılmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada laboratuvar ölçeğinde model çalışması gerçekleştirilmiştir. Amaca yönelik olarak değişik oranlarda Na-bentonit içeren zemin örnekleri hazırlanmış olup her zemin örneği için laboratuvar ölçekli modeller oluşturulmuştur. Hazırlanan zemin örneklerinin bentonit içeriği oranları %0, %20, %40, %60, %80 ve %100 olarak seçilmiştir. Kür süresi sonunda bütün zemin örneklerinde oluşan Ca+2 ve OH- iyon göçü mesafeleri kimyasal analizlerle belirlenerek bentonit içeriği ve iyon göçü mesafesi arasındaki ilişkiler ortaya konulmuştur. Ayrıca zemin örneklerinin şişme davranışlarındaki değişimler deneysel yöntemlerle belirlenerek bentonit içeriğinin kireç kolonunun iyileştirme yüzdesi ve iyileştirme mesafesi üzerine etkisi tanımlanmıştır. Son olarak laboratuvarda her zemin örneği için daha büyük ölçekli bir model oluşturularak örnek olay çalışması yapılmıştır. 
Bu tez çalışmasından elde edilen sonuçlar kireç içerisindeki Ca+2 ve OH- iyonlarının göç mesafelerinin zeminlerdeki bentonit içeriği arttıkça azaldığı ancak %60 bentonit içeriğinden sonra sabit bir seyir izlediği yönündedir. %0, %20, %40 bentonit içeren zemin örneklerinde Ca+2  iyonu OH- iyonuna göre daha geniş mesafelere göç etmiş ancak %60, %80 ve %100 bentonit içeren zemin örneklerinde OH- iyonu ile eşit mesafede göç etmiştir. Ayrıca en büyük iyon göçü mesafesi %0 bentonit içeren zemin örneğinde gözlenirken en yüksek iyileştirme yüzdesi %100 bentonit içeren zemin örneğinde belirlenmiştir. Büyük ölçekli modellerde ise kolon çapının artması bütün zemin örneklerinde kolonun iyileştirme mesafesini arttırmıştır. Bu tez çalışmasında, şişen killi zeminlerin kireç kolon tekniği ile iyileştirilmesi sırasında şişen kil oranının iyon göçü mesafesi ve kolon performansı üzerinde önemli ölçüde ve değişik şekillerde etkili olduğu sonucuna varılmıştır.  

Anahtar Kelimeler: Şişen kil, bentonit, kireç kolonu, kolon performansı, iyon göçü, modelleme.

Abstract:
The main purpose of construction of lime columns in the soil is to improve the surrounding soil as a result of clay-lime reaction sourced from the migration of ions from the column to the surrounding soil after adding lime into holes opened inside the soils. Lime columns have been successfully used in practice in several countries worldwide however it seems that mainly in the national literature, their mechanism has not been adequately explained. One of the aims of this study is to clearly explain their mechanism by considering lacks of national and international literature. The most important process of stabilisation of swelling clays with lime colums is migration of ions from the columns to the surrounding soil. Some of the factors affecting ion migration in clay soils are water content, permeability, clay mineralogy, porosity, slip planes, suction pressure, curing time and curing temperature. The main purpose of this study is to investigate and evaluate the effects of swelling clay mineral content in the soil on migration of ions and column performance during stabilization of expansive clay soils by lime column technique. 
Nonhomogenous and anisotroic nature of the soils make it imposible for comparison of different methods at land scale. Therefore, model studies were performed by creating the model of the land at laboratory scale. For the purpose of the study, soil samples which contain Na-bentonite in different percent amounts  were prepeared and laboratory scale models were built for each sample. Na-bentonite proportions of samples were chosen to be 0%, 20%, 40%, 60%, 80% and 100%. At the end of the curing time, migration of Ca2+ and OH- ions were determined by chemical analysis and the relations between bentonite proportion and migration distances of ions were revealed. Moreover, the changes on swelling behaviour of soil sapmles were also determined by using experimental methods, and the effects of bentonite proportion on stabilisation gain and stabilisation distance were then determined. Additionally, a case study was conducted to be a larger scale laboratory models for each sample. 
The results of this study reveals that migration distances of Ca2+ and OH- ions reduced with increasing bentonite content. But migration distances of ions followed a steady course after 60% of bentonite content. Ca2+ ion migrated to larger distances than OH- ions in the soils with 0%, 20%, 40% of bentonite while migration distance of the ions in soils with 60%, 80% and 100% of bentonite were the same. Additionally, the highest stabilisition was detected in the soil with 100% of bentonite although the bisggest migration distance was detected in the soil with 0% of bentonite. Finally, stabilisation distance increased with increasing column diameter in the larger scale models. The results of this study shows that the effects of swelling clay proportion in the soil on ion migration and column performance while stabilizing of swelling soils with lime column technique are quite important.

Keywords: Swelling soil, bentonite, lime column, column performance, ion migration, modelling.