Arazi verileri kullanılarak zeminlerin üç boyutlu litolojik modellenmesi ve geliştirilen metodun optimum karışım oranları ile imal edilen derin karıştırma kolonlarının nümerik analizinde kullanımı
Three-dimensional lithological modelling of soils using field data and utilisation of the developed method in numerical analysis of deep mixing columns constructed with optimum mixing ratios
Yazar: ARDA BURAK EKMEN
Danışman: PROF. DR. HALİL MURAD ALĞIN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Arazi testlerinden elde edilen zemin özelliklerinin derinliğe bağlı değişiminden yararlanarak görüntü işleme tekniği ile zemin ortamının üç boyutlu hassas litolojik modellenmesine olanak sağlayan bazı yazılımlar, bu doktora tezi kapsamında kodlanmış ve örnek bir derin karıştırma kolon (DKK) arazi uygulaması üzerinde test edilmiştir. Gerçekleştirilen DKK uygulamaları için karışım oranları ve gerekli katkı malzemelerini belirlemek amacıyla, laboratuvar ortamında çok sayıda numune üzerinde çeşitli deneyler yapılmıştır. Elde edilen bu laboratuvar verileri kullanılarak performansa dayalı karışım oranları belirlenmiştir. Hedef Odaklı Metot (Goal Attainment Method, GAM) bu doktora çalışması sürecinde geliştirilmiş olup Tepki Yüzey Metodu (Response Surface Method, RSM) optimizasyon uygulamalarında kullanılan Çok-Amaçlı Arzu Edilebilirlik (Multi-Objective Desirability) metodolojisi, mevcut GAM optimizasyon algoritmasına eklenmiştir. Bu sayede, RSM optimizasyonunda mümkün olmayan, istenen regresyon modellerinin sürece dahil edilebilmesi olanağı sağlanarak daha yüksek düzeyli korelasyonların optimizasyonda kullanılabilmesi mümkün olmuştur. Uluslararası rehberlerin önerdiği hedeflenen serbest basınç değerlerine göre, optimum bağımsız değişkenler (çimento, uçucu kül, karbon elyaf) ve elastite modülü değerleri DKK karışımlarının optimizasyonu ile belirlenmiştir. Optimize edilen karışım oranları kullanılarak arazide bir DKK uygulaması yapılmış ve dört adet kolon imal edilmiştir. Bu DKK'lar üzerinde yapılan yükleme testlerinden yük-deformasyon değişimleri elde edilmiş ve bu veriler gerçekleştirilen üç boyutlu nümerik analizlerin doğrulanmasında kullanılmıştır. Uygulama alanındaki zeminin hem üç boyutlu litolojik hem de topolojik gerçek değişimleri, yapılan arazi testlerinden elde edilen tüm arazi verilerine dayanarak nümerik modele yansıtılmıştır. Geliştirilen bu metodoloji sayesinde, mevcut geoteknik literatüründe ilk defa, görüntü işleme metodu temelli bir kodlama yapılarak, sonlu elemanlar modellerinin, tüm farklı noktalarda ve derinliklerde elde edilen arazi test sonuçlarına bağlı olarak üç boyutlu oluşturulabilmesi sağlanmıştır. Bu metodolojik katkılara ek olarak, DKK karışımlarında 1 MPa ve 2.1 MPa'lık hedeflenen serbest basınç değerleri için optimum elastisite modüllerinin yaklaşık olarak sırasıyla 425-435 MPa ve 846-863 MPa aralığında değiştiği, karbon elyaf takviyesinin DKK'ların mekanik özelliklerini anlamlı düzeyde iyileştirdiği, arazi şartlarında kıyaslamalı daha yüksek dayanıma uçucu kül ve karbon elyaf içeren DKK'nın sahip olduğu gibi birçok pratik sonuca ulaşılmıştır.

Abstract:
A number of algorithms allowing the three-dimensional detailed lithological modelling of soils using the image processing technique have been developed and coded in this Ph.D. thesis by employing data obtained from the field tests, and these developed algorithms have been applied to a deep mixing column (DMC) application in practice. Various laboratory experiments were conducted to determine the optimum mixing ratios of DMCs with the additives that can be included in the mixture. Using these laboratory data, the required optimum mixing ratios based on the performance of DMC material were determined. Goal Attainment Method (GAM) was modified further in this Ph.D. study and the methodology of Multi-Objective Desirability currently used in Response Surface Method (RSM) optimization was included in the GAM optimisation algorithm. This modification is allowed to use the higher-level correlations in the optimisation process by providing the opportunity to include the desired regression models unlike the RSM optimisation. Complying with the targeted unconfined compressive strength (UCS) values suggested by international guidelines, the optimum independent variables (i.e., cement, fly ash and carbon fibre) and the values of elasticity modulus were specified using the optimisation analysis on the DMC mixtures. Utilizing the optimised mixing ratios, a DMC application was conducted in the field and four columns were constructed. The obtained load-deformation variations from the loading tests were accordingly considered to verify the performed three-dimensional numerical analyses. Both the three-dimensional lithological and topological variations of the soil in the application area were considered in the numerical model using all of the field data obtained from the field tests. By means of this developed methodology, the first time in the current geotechnical literature, the proceeding algorithm based on the image processing method was developed and the finite element models were simulated in three dimensions depending on the field test results obtained from all varying surface locations and depths. In addition to these methodological contributions, the many conclusions having the practical implications were obtained such as the optimum elasticity modules varying in the range of approximately 425-435 MPa and 846-863 MPa in turn were specified for the targeted UCS values of 1 MPa and 2.1 MPa in DMCs; the carbon fibre reinforcement significantly improves the mechanical properties of DMCs and the incorporation of fly ash and carbon fibre combination in DMC field application provides relatively higher loading capacity.