Düşük plastisiteli bir kil zeminin mekanik özellikleri üzerine kenevir ve polipropilen liflerin etkilerinin deneysel olarak araştırılması ve sonuçların istatistiksel olarak değerlendirilmesi
Experimental investigation of the effects of hemp and polypropylene fibers on the mechanical properties of a low plasticity clay soil and statistical evaluation of the results
Yazar: MEHMET FATİH YAZICI
Danışman: PROF. DR. SIDDIKA NİLAY KESKİN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son zamanlarda özellikle ekonominin istikrarlı bir şekilde büyüdüğü ve yaşam standardının nispeten yüksek olduğu gelişmiş ülkelerde çevresel endişeler önceliklendirilmeye başlandı. Bu da çeşitli uygulamalarda çevre dostu ve sürdürülebilir kaynakların tercih edilmesine doğru bir değişime neden olmuştur. Bu çalışmada, geoteknik mühendisliği uygulamalarından biri olan zeminlerin güçlendirilmesinde sürdürülebilir ve çevre dostu malzemelerin kullanımı ile küresel ölçekte ilgi odağı olan bu amaca katkıda bulunmak amaçlanmıştır. Bu amaç için doğal bir lif türü olan kenevir lifi kullanılmıştır. Ayrıca kenevir liflerinden elde edilen bulgularla karşılaştırmak amacıyla kolay ulaşılabilirlikleri, yüksek çekme mukavemeti ve rijitliklerinden dolayı geoteknik araştırmacıların dikkatini çekmeyi başarmış olan polipropilen (PP) lif malzemesi tercih edilmiştir. Deneysel çalışmada kil zemin içerisine 6-12-19 mm uzunluklara sahip PP liflerinden ve 24-50 mm arasında değişen uzunluklara sahip kenevir liflerinden ağırlıkça %0.05, %0.10, %0.15 ve %0.20 miktarlarında katılarak silindir numuneler hazırlanmıştır. Bu numuneler konsolidasyonsuz-drenajsız (UU) üç eksenli basınç deneyinde üç farklı çevre basıncı altında (50, 100 ve 200 kPa) kırılmıştır. Deney sonuçları, zemin içerisine hem kenevir hem de PP lifinin eklenmesi ile güçlendirilmemiş zeminin gerilme-şekil değiştirme davranışının birim deformasyon yumuşamasından birim deformasyon pekleşmesine dönüştüğünü ve genel olarak tüm numunelerde yanal genişleme göçmesinin meydana geldiğini göstermiştir. Doğal zemine ait göçme anındaki deviatör gerilme, içsel sürtünme açısı ve enerji emme kapasitesinde (EEK) meydana gelen artışlar dikkate alındığında ham kenevir lifi (HKL), PP (6 mm), PP (12 mm) ve PP (19 mm) için optimum lif miktarlarının sırasıyla %0.10, %0.15, %0.15 ve %0.20 olduğu görülmüştür. HKL'leri biyolojik bozunmaya karşı korumak, zemin içerisinde meydana gelebilecek ıslanma-kuruma çevrimleri sonucunda lifte meydana gelebilecek şişme-büzülme etkilerinin önüne geçebilmek için lifler üç farklı su geçirmez kimyasal malzeme ile kaplanmıştır. HKL'nin %218 olarak ölçülen doğal su emme oranı; Akrilonitril Bütaiden Stiren (ABS), epoksi ve Crystal PIB 907 isimli su geçirmez malzemelerle kaplanması sonucu sırasıyla %127, %213 ve %159 oranlarında azaltılmıştır. HKL'lerin kaplanması neticesinde liflerin çapları, sürtünen yüzey alanları ve yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Bu nedenle ağırlıkça %0.10 KKL içeren numunelerin, HKL içeren numunelere göre daha yüksek deviatör gerilme, içsel sürtünme açısı ve EEK değerlerine sahip olduğu bulunmuştur. PP lif içeren numunelerde lif uzunluğunun artması ile tüm lif yüzdeleri için ölçülen göçme anındaki deviatör gerilme, içsel sürtünme açısı ve EEK değerleri genel olarak artmıştır. Diğer tüm numuneler ile karşılaştırıldığında göçme anındaki deviatör gerilme, kayma mukavemeti parametreleri ve EEK açısından en yüksek iyileşmeler ağırlıkça %0.20 miktarında 19 mm PP lif içeren numunelerde meydana gelmiştir. Ancak deviatör gerilmede %1'lik bir artışın (fayda) meydana gelmesi için gerekli güçlendirme maliyetleri dikkate alındığında düşükten yükseğe maliyet/fayda oranının HKL, KKL, PP (19 mm), PP (12 mm), PP (6 mm) şeklinde olduğu görülmüştür. Ayrıca PP lif ve HKL ile güçlendirilmiş numunelere ait göçme anındaki deviatör gerilme değerlerinin tahmini için yapay sinir ağı (YSA) ve çoklu lineer regresyon (ÇLR) tahmin denklemleri oluşturulmuştur. Araştırmacılar bu eşitliklerden faydalanarak PP lif ve HKL ile güçlendirilmiş düşük plastisiteli bir kil zeminin göçme anındaki deviatör gerilme değeri hakkında ön bilgi sahibi olabilirler.

Abstract:
Recently, people have prioritized environmental concerns, especially in developed countries, where the economy has been steadily growing for decades, and the standard of living is relatively high. This has led to a shift towards the preference for environmentally friendly and sustainable practices in various applications. This study aims to contribute to this aim, which is the focus of attention on a global scale, with the use of sustainable and environmentally friendly materials in the reinforcement of soils. For this purpose, hemp fiber, a natural fiber type, was used. In addition, to compare with the findings obtained from hemp fibers, PP fiber material, a synthetic fiber type that has managed to attract the attention of geotechnical researchers due to its easy accessibility, high tensile strength, and rigidity, was preferred. In the experimental study, cylindrical specimens were prepared by adding polypropylene (PP) fibers with lengths of 6-12-19 mm and hemp fibers with lengths ranging from 24-50 mm into the clay soil at 0.05%, 0.10%, 0.15%, and 0.20% by weight. These specimens were sheared under three different confining pressures (50, 100, and 200 kPa) in the unconsolidated-undrained (UU) triaxial compression test. The test results showed that the stress-strain behavior of the unreinforced soil changed from strain-softening to strain-hardening with the addition of both hemp and PP fiber into the soil, and in general, bulging failure occurred in all samples. Considering the increase in the deviator stress at failure, internal friction angle, and energy absorption capacity (EAC) of the natural soil, the optimum fiber contents for raw hemp fiber (RHF), PP (6 mm), PP (12 mm) and PP (19 mm) were found to be 0.10%, 0.15%, 0.15%, and 0.20%, respectively The fibers are coated with three different water-repellent materials to protect the RHFs against biodegradation and prevent the swelling-shrinking effects that may occur in the fiber due to the wetting-drying cycles in the soil. The water absorption capacity (WAC) of RHF, measured as 218%, decreased by 127%, 213%, and 159%, respectively, after coating Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), epoxy, and Crystal PIB 907. Fiber's diameters, friction surface areas, and surface roughness increased by coating RHFs. Consequently, it is found that specimens containing 0.10% by weight coated hemp fiber (CHF) had higher deviator stress, internal friction angle, and EAC values than those containing RHF. Deviator stress at failure, internal friction angle, and EAC values measured for all fiber contents generally increased with increasing fiber length in specimens containing PP fiber. Compared to all other specimens, the most considerable improvements in deviator stress at failure, shear strength parameters, and EAC occurred in samples containing 19 mm PP fiber at 0.20% by weight. However, considering the reinforcement costs required for a 1% increase (benefit) in the deviator stress to occur, it is seen that the cost/benefit order from low to high is HKL, KKL, PP (19 mm), PP (12 mm), PP (6 mm). In addition, artificial neural network (ANN) and multiple linear regression (CLR) equations were created to estimate the deviator stress at the failure of the specimens reinforced with PP fiber and RHF. Using these equations, researchers can have preliminary information about the deviator stress value at the failure of a low plasticity clay soil reinforced with PP fiber and HKL.