Donma-çözülme ve katkı maddelerinin donmuş zeminin davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of freezing-thawing and additives on behavior of frozen soil
Yazar: YASEMİN PEKDEMİR
Danışman: PROF. DR. AHMET ŞAHİN ZAİMOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Donma-çözülme = Freezing-thawing ; Kil = Clay ; Taguchi yöntemi = Taguchi method

Özet:
Amaç: Soğuk iklim kuşağında yer alan yeryüzünün önemli bir kısmında bulunan zeminler senede birkaç defa donma-çözülmeye maruz kalmaktadırlar. Donma-çözülme özellikle soğuk iklim bölgelerinde ince ve iri taneli zeminlerin fiziksel ve mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu çalışmada farklı oranlarda katkı ve atık maddeleri ile stabilize edilen ince taneli zeminin farklı çevrimlerde donma-çözülme deneylerine tabi tutularak donmuş zeminin davranışının incelenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışma Taguchi Optimizasyon Yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Atık cam tozu (ACT), bazalt lif (BL), pirinç kabuğu külü (PK), geri dönüştürülmüş karbon karası (KK) ve kireç (K) parametre olarak seçilmmiştir. Bu parametrelerin seviyeleri ise sırasıyla %2-%4-%6-%8, %0,25-%0,50-%0,75-%1, %5-%10-%15-%20, %1-%3-%5-%7, %2-%4-%6-%8 olarak seçilmiştir. Taguchi Optimizasyon Yöntemi'nde kullanılan standart L16 ortogonal dizine göre 16 farklı deney grubu yapılmıştır. Her bir deney grubunun mekanik özelliklerini araştırmak amacıyla serbest basınç (7, 28 gün) ve donma çözülme (0, 1, 3, 5, 10, 15 çevrim) deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler her bir deney grubu için donmuş zeminin basınç dayanımını belirleyebilmek için üç eksenli basınç deney aletine uyumlu düşük sıcaklıklar altında zeminin dayanımını ölçen cihaz ile yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Taguchi Optimizasyon Yöntemi'ne göre yorumlanmıştır.
Bulgular: Deneylerden elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde 7 günlük donma-çözülme deneyi sonucunda serbest basınç dayanımı üzerinde 3. Çevrim (don hal) ve 5. çevrim (don hal) haricinde diğer çevrimlerin hem don hallerinde hemde çözülmüş hallerinde en etkili parametre kireç olarak belirlenmiştir.  28 günlük donma-çözülme deneyi sonucunda serbest basınç dayanımı üzerinde ise 0, 1, 3, 5, 10 ve 15.çevrimlerin hem don hallerinde hemde çözülmüş hallerinde en etkili parametre kireç olarak belirlenmiştir. 7 günlük ve 28 günlük her bir donma-çözülme çevrim sonunda don halde ve çözülmüş halde serbet basınç dayanımının maksimum olduğu değeri ve optimum karışım oranları Taguchi Optimizasyon Yöntemi ile belirlenmiştir.
Sonuç: Elde edilen bulgulardan donma çözülme çevrim sayıları arttıkça her bir deney için çözülmüş haldeki numunelerde serbest basınç dayanımının azaldığı belirlenmiştir. Donmuş durumda numunelerin serbest basınç dayanımlarının donma çözülme deneyine tabi tutulmayan hallerine göre (0.çevrim) daha yüksek olduğu görülmüştür. Donma çözülme çevrim sayıları arttıkça her bir deney için donmuş haldeki ve çözüldükten sonraki numunelerde serbest basınç dayanımının azaldığı görülmüştür. Donmuş haldeki numunelerin serbest basınç dayanımlarının 15.çevrim sonunda dahi donma çözülme deneyine tabi tutulmayan hallerinin dayanımından daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Ayrıca 7 ve 28 günlük serbest basınç sonuçları değerlendirildiğinde genel olarak tüm donma çözülme çevrimlerinde kirecin en etkili parametre olduğu tespit edilmiştir. 

Anahtar Kelimeler:  sürekli donmuş zemin, donmuş zemin, Taguchi Optimizasyon Yöntemi, kil, donma-çözülme

Abstract:
Purpose: The soils in a significant part of the earth in the cold climate zone are exposed to freeze-thaw several times a year. Freeze-thaw adversely affects the physical and mechanical properties of fine and coarse-grained soils, especially in cold climates. In this study, it is aimed to examine the behavior of the frozen soil by subjecting the fine-grained soil stabilized with additives and waste materials at different rates to freeze-thaw experiments in different cycles.
Method: This study was carried out using the Taguchi Optimization Method. Waste glass powder (ACT), basalt fiber (BL), rice husk ash (PK), recycled carbon black (KK) and lime (K) were chosen as parameters. The levels of these parameters were chosen as 2%-4%-6%-8%, 0.25%-0.50%-0.75%-1%, 5%-10%-15%-20%, 1%-3%-5%-7%, 2%-4%-6%-8% respectively. 16 different experimental groups were prepared according to the standard L16 orthogonal array used in the Taguchi Optimization Method. In order to investigate the mechanical properties of each experimental group, unconfined compressive (7, 28 days) and freezing-thawing (0, 1, 3, 5, 10, 15 cycles) tests were carried out. In order to determine the compressive strength of the frozen soil for each experimental group, these experiments were carried out with a device that measures the strength of the soil under low temperatures, compatible with a triaxial pressure test device. The results obtained were interpreted according to the Taguchi Optimization Method.
Findings: When the results obtained from the experiments were evaluated, lime was determined as the most effective parameter on the unconfined compressive strength as a result of the 7-day freeze-thaw test, both in the frost state and in the thawed state of the other cycles, except for the 3rd cycle (frost state) and the 5th cycle (frost state). As a result of the 28-day freeze-thaw test, the most effective parameter on the unconfined compressive strength was determined as lime in both frost and thawed states of the 0, 1, 3, 5, 10 and 15th cycles. At the end of each 7-day and 28-day freeze-thaw cycle, the maximum value of the unconfined compressive strength in frozen and thawed state and the optimum mixing ratios were determined by the Taguchi Optimization Method.
Results: The results obtained from the tests were evaluated and it was determined that as the number of freeze-thaw cycles increased, the unconfined compressive strength of the thawed samples decreased for each test. It was observed that the unconfined compressive strengths of the samples in the frozen state were higher than those that were not subjected to the freeze-thaw test. As the number of freeze-thaw cycles increased, it was observed that the unconfined compressive strength of the frozen and post-thawed samples decreased for each test. It was determined that the unconfined compressive strength of the frozen samples was higher than the strength of the samples that were not subjected to the freeze-thaw test, even at the end of the 15th cycle. In addition, when the 7, 28-day free pressure results are evaluated, it has been determined that lime is the most effective parameter in all freeze-thaw cycles.

Keywords:  permafrost, frozen soil, Taguchi Optimization Method, clay, freezing-thawing