Granüler zeminlerin yüksek eksenel basınç altındaki davranışı
One-dimensional high pressure compression of crushable granular soils
Yazar: FARUK SEFİ
Danışman: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dolgu zeminler = Filling soils ; Granüler zeminler = Granular soils

Özet:
Bu tez çalışmasında, granüler zeminlerin yüksek basınçlı eksenel sıkışma davranışı ve bu davranışa eşlik eden zemin bünyesinde gelişen dane kırılması incelendi. 
Çalışmanın ilk aşamasında, zemin numunelerini oluşturmaya aday bireysel daneler üzerinde çift-plaka ezme deneyi uygulandı ve bireysel danelerin tek dane ezilme dayanımı belirlendi. Dane boyutları 2.00 - 37.50 mm aralığında değişen dolomit, kalker ve bazalt kökenli kırmataş danelerinin tek dane ezilme dayanımı, dane kökenine, dane şekline ve dane boyutuna göre farklılık gösterdi. Bireysel danelerin tek dane ezilme dayanımı: dolomit kökenli daneler için 4.20 - 17.80 MPa, kalker kökenli daneler için 2.38 - 26.14 MPa, bazalt kökenli daneler için 5.29 - 48.29 MPa aralığında belirlendi. Bireysel danenin şekli mükemmel küreye eriştikçe ve bireysel dane boyutu arttıkça, danelerin tek dane ezilme dayanımı düşüş gösterdi. Tıraşlanarak küp şekline getirilmiş çeşitli boyutlardaki bireysel daneler üzerinde uygulanan basınç deneyleri sonucunda, bireysel danelerin elastisite modülünün de dane boyutu artışı ile düştüğü belirlendi. 7.50 - 12.00 mm boyut aralığındaki kalker kökenli bireysel danelerin elastisite modülü, 850 - 1230 MPa aralığında belirlendi.
Çalışmanın ikinci aşamasında, granüler zemin davranışını incelemek üzere ortalama dane boyutları 2.00 - 25.00 mm aralığında olan kırmataş balast daneleri kullanılarak sekiz zemin numunesi hazırlandı. İlk grup zemin numunelerinde, tek değişken parametre dane kökeni idi. Bu grupta yer alan; Numune-1 kalker kökenli danelerden, Numune-2 ise bazalt kökenli danelerden oluşan üniform derecelenmeli zemin numuneleri idi. İkinci grup zemin numunelerinde, tek değişken başlangıç zemin ortalama dane boyutu idi. Bu grupta yer alan üniform derecelenmeli Numune-3, Numune-4 ve Numune-5'in başlangıç zemin ortalama dane boyutları sırası ile 22.00, 14.40 ve 6.80 mm idi. Üçüncü grup zemin numunelerinde, tek değişken başlangıç zemin üniformluk katsayısı idi. Bu grupta yer alan ve aynı başlangıç zemin ortalama dane boyutuna sahip olan Numune-6, Numune-7 ve Numune-8'in başlangıç zemin üniformluk katsayıları sırası ile 1.16, 1.98 ve 4.10 idi. Zemin numunelerinden en az 4 - 5 benzer hazırlandı. Her bir benzer numune, eksenel sıkışma deneyinde belirli bir ödometrik gerilme kademesine kadar monotonik yüklendi ve sonrasında numuneye yük boşaltması uygulandı. Bu şekilde, çeşitli ödometrik gerilme kademeleri için zemin numunelerinde oluşan değişim incelenebildi. Zemin numunelerine ait şu özelliklerin eksenel sıkışma esnasındaki anlık değerleri belirlendi: hacimsel deformasyon, boşluk oranı, dane dağılım eğrisi, indeks boşluk oranları, relative sıkılık, absorbsiyon, spesifik yüzey alanı, permeabilite. Uygulanan maksimum ödometrik gerilme olan 56.0 MPa, bütün zemin numuneleri için killerin konsolidasyon eğrisine benzeyen 3 evreli eksenel sıkışma davranışı sergilemesine yeterli oldu. Eksenel yükleme sırasında numunelerin: efektif dane boyutu, ortalama dane boyutu, indeks boşluk oranları, ve permeabilite değerleri düşüş; üniformluk katsayısı, ince dane içeriği, relative sıkılık, absorbsiyon ve spesifik yüzey alanı değerleri artış gösterdi. Numunelerin, 56.0 MPa'lık ödometrik gerilme seviyesinde: hacimsel deformasyonu % 34.7 - 42.8 aralığına, son sıkışma modülü 789.5 - 823.0 MPa aralığına, efektif dane boyutu 0.20 - 050 mm aralığına, üniformluk katsayısı 19.00 - 27.86 aralığına, ince dane içeriği % 1.7 - 3.9 aralığına, boşluk oranı 0.05 - 0.14 aralığına, minimum boşluk oranı 0.24 - 0.29 aralığına, maksimum boşluk oranı 0.62 - 0.68 aralığına, absorbsiyonu % 3.26 - 3.79 aralığına, spesifik yüzey alanı 68.62 - 80.69 cm2/cm3 aralığına, permeabilitesi 0.042 - 0.045 cm/sn aralığına erişti. Eksenel sıkışma esnasında zemin numunelerinin bünye özelliklerinde oluşan değişim, numunelerin bakir sıkışma hattı (VCL) ilk ödometrik gerilmesine erişmesi ile birlikte hız kazandı. Bu ödometrik gerilmeden sonra bakir sıkışma hattının son ödometrik gerilmesine kadar, zemin bünyesinde en şiddetli dane kırılmaları gelişti. Numunelerin bakir sıkışma hattı ilk gerilmesi 3.40 - 6.00 MPa aralığında, bakir sıkışma hattı son gerilmesi 11.70 - 26.00 MPa aralığında belirlendi. Numunelerin başlangıç zemin ortalama dane boyutu düştükçe, başlangıç zemin üniformluk katsayısı arttıkça ve bireysel danelerin tek dane ezilme dayanımı arttıkça, uygulanan ödometrik gerilme sonunda numunede oluşan: hacimsel deformasyon, sıkışabilirlik ve dane kırılması miktarı azalmakta; akma gerilmesi, bakir sıkışma hattı gerilmeleri, pekleşme gerilmesi artmaktadır.
Çalışmanın son aşamasında, Numune-1'in eksenel sıkışma deneyindeki davranışı ABAQUS yazılımında 1:1 ölçekli model ile yeniden oluşturuldu. Modellerde zemin numunesi, pekleşme özelliği yansıtabilen Draker-Prager/cap malzeme modeli ile tanımlandı. ABAQUS analiz sonuçları ile, laboratuvarda belirlenmesi zor ve pahalı olan numunenin anlık radyal gerilme değerleri hakkında bilgi edinildi. Model sonuçlarında, eksenel yükleme safhasındaki Numune-1'in anlık radyal gerilme değerleri, K0 gerilme izine uygun şekilde gelişti. 56.0 MPa'lık ödometrik yükleme ve takip eden yük boşaltması sonunda, Numune-1 üzerinde kalıcı düşey ve radyal gerilmeler gözlendi. Uygulanan maksimum ödometrik gerilmenin yaklaşık 1/10'u, zemin bünyesinde kalıcı radyal gerilme olarak depolandığı belirlendi.

Abstract:
This thesis study focuses on examining the high-pressure one-dimensional compression behavior of granular soils and the consequential grain breakage occurring within the soil structure. 
In the first stage of the study, a double-plate grain crushing test was conducted on individual grains selected as candidates for forming soil samples, and the single grain crushing strength of each individual grain was determined. The examined individual grains with dolomite, calcerous, and basalt origins exhibited shape characteristics of equent in form, angular in roundness, and rough in surface texture. Grains originating from calcerous and basalt were suitable for forming a granular fill layer or a railway sub-ballast layer. The average values of shape-form parameters for the tested grains, determined by measuring the orthogonal dimensions of the grains, were in the range of 0.70 - 0.75 for the elongation index and 0.69 - 0.70 for the flatness index. The single grain crushing strength of tested grains, with mean grain sizes ranging from 2.00 to 37.50 mm, exhibited variations based on grain origin, shape, and size. The single grain crushing strength of individual grains was determined to be in the range of 4.20 - 17.80 MPa for dolomite-origin grains, 2.38 - 26.14 MPa for calcerous-origin grains, and 5.29 - 48.29 MPa for basalt-origin grains. As the shape of individual grains approached a perfect sphere, and the size of individual grains increased, the single grain crushing strength of the grains exhibited a decrease. Based on the results obtained from pressure tests conducted on individual grains shaped into cubes, it was observed that the elastic modulus of individual grains decreases with an increase in grain size. The elastic modulus of calcerous-origin grains in the grain size range of 7.50 - 12.00 mm grains was determined to be in the range of 850 - 1230 MPa.
In the second stage of the study, eight soil samples were prepared for high-pressure one-dimensional compression tests to investigate the behavior of granular soils. These samples were formed using ballast grains of calcerous and basalt origin, with mean grain sizes ranging from 2.00 to 25.00 mm. In the first set of soil samples, the only variable parameter was the grain origin. This sample set consisted of Sample-1 (Numune-1), composed of calcerous-origin grains, and Sample-2 (Numune-2), composed of basalt-origin grains. In the second set of soil samples, the only variable parameter was the initial soil mean grain size. This sample set consisted of the uniformly graded Samples-3, Sample-4, and Sample-5 (Numune-3, 4, and 5), with initial soil mean grain sizes of 22.00, 14.40, and 6.80 mm, respectively. In the third set of soil samples, the only variable parameter was the initial soil uniformity coefficient. This sample set included Samples-6, Sample-7, and Sample-8 (Numune-6, 7, and 8), which had the same value of initial soil mean grain size. The initial soil uniformity coefficient values for these samples were 1.16, 1.98, and 4.10, respectively. Before the one-dimensional compression test, the initial values of soil sample properties were as follows: initial compression modulus in the range of 28.1 - 57.9 MPa, effective grain size within the range of 3.10 - 19.70 mm, uniformity coefficient ranging from 1.08 to 4.10, no fine grain content, void ratio within the range of 0.67 - 0.85, minimum void ratio ranging from 0.45 to 0.68, maximum void ratio in the range of 0.88 - 1.03, absorption in the range of 0.50 - 0.73 %, specific surface area within the range of 6.18 - 10.49 cm²/cm³, and permeability ranging from 0.122 to 0.135 cm/s. At least 4 - 5 similar soil samples were prepared. Each of those samples underwent monotonic loading in the one-dimensional compression test up to a predetermined oedometric stress, followed by unloading. This procedure facilitated the examination of changes occurring in the soil samples at various oedometric stress levels. In this way, the instantaneous values of the following characteristics of soil samples were determined during one-dimensional compression test: volumetric deformation, void ratio, grain size distribution curve, index void ratios, relative density, absorption, specific surface area, and permeability. The applied maximum oedometric stress of 56.0 MPa was sufficient for all soil samples to exhibit a three-stage one-dimensional compression curve resembling the consolidation curve of clays. Granular soils exhibit a yield stress, which is the boundary of elastic phase in one-dimensional compression behavior. For the examined soil samples, the yield stress was determined to be in the range of 1.90 - 3.30 MPa. The transition stress to the hardening phase in one-dimensional compression behavior of granular soils, known as the hardening stress, was found to be in the range of 19.00 - 37.00 MPa for the soil samples. Subsequently, after the hardening stress, both the compressibility of soil samples and the influence of grain breakage decreased.
During one-dimensional compression, the soil samples displayed a reduction in the instantenous values of effective grain size, mean grain size, index void ratios, and permeability, while showing an increase in the instantenous values of uniformity coefficient, fine grain content, relative density, absorption, and specific surface area. At the oedometric stress level of 56.0 MPa, the samples attained the following characteristic values: volumetric deformation in the range of 34.7 - 42.8 %, final compression modulus in the range of 789.5 - 823.0 MPa, effective grain size within the range of 0.20 - 0.50 mm, uniformity coefficient ranging from 19.00 to 27.86, fine grain content in the range of 1.7 - 3.9 %, void ratio within the range of 0.05 - 0.14, minimum void ratio ranging from 0.24 to 0.29, maximum void ratio in the range of 0.62 - 0.68, absorption in the range of 3.26 - 3.79 %, specific surface area within the range of 68.62 - 80.69 cm²/cm³, and permeability ranging from 0.042 to 0.045 cm/s. As the oedometric stress increased, the instantaneous values of soil sample properties such as mean grain size, effective grain size, permeability, and index void ratios exhibited an exponential decrease. Simultaneously, the tangent oedometric modulus values showed an exponential increase, while absorption and specific surface area values displayed a linear increase. 
During one-dimensional compression, the maximum grain size of soil remained constant. However, the exponential decrease in the mean grain size of the soil was expressed in relation to oedometric stress and the newly defined C-parameter. A higher C-parameter in the soil samples corresponds to a greater variation in soil mean grain size during oedometric loading. The C-parameter for the examined soil samples was determined to be in the range of 0.014 - 0.027, with the highest value obtained for Sample-3, which had the highest initial soil mean grain size value. The instantaneous grain size distribution curves of Sample-6 during one-dimensional compression were examined on a log-log plane. It was determined that the grain size distribution curves exhibited a linear trend on the log-log plane, particularly at high oedometric stress levels. Based on these observations, a relationship was presented that allows for the determination of the instantaneous grain size distribution curve of granular soils during one-dimensional compression, relying on three principles: 1) linearity of the sample's grain size distribution curve on the log-log plane, 2) constancy of the soil maximum grain size during oedometric loading, and 3) the ability to determine the instantaneous soil mean grain size using the C-parameter.
The changes in the properties of soil samples during one-dimensional compression intensified as the samples reached the initial oedometric stress of the virgin compression line (VCL). Subsequent to this oedometric stress, the most severe grain breakages in the soil structure continued until the final oedometric stress of the virgin compression line. The initial oedometric stress of the virgin compression line for the tested soil samples was determined to be in the range of 3.40 - 6.00 MPa, while the final oedometric stress of the virgin compression line was determined to be in the range of 11.70 - 26.00 MPa. Based on the results of the one-dimensional tests, a decrease in the initial soil mean grain size, an increase in the initial soil uniformity coefficient, and in the single grain crushing strength of individual grains forming the soil sample resulted in reduced soil volumetric deformation, compressibility, and amount of grain breakage, while leading to an increase in soil yield stress, initial and final oedometric stresses of the virgin compression line, and hardening stress.
In the final stage of the study, the volumetric deformation behavior of Sample-1 during the one-dimensional compression test was simulated by a 1:1 scaled model in ABAQUS software. The material characteristics of soil sample in the models were defined by the Drucker-Prager/cap plasticity material model, capable of exhibiting hardening behavior. The ABAQUS model analysis yielded insights into the instantaneous radial stress values of the sample, information that is typically challenging and costly to obtain through laboratory experiments. According to the model results, the radial stress variation of Sample-1 during the one-dimensional loading phase developed as a pattern similar to the K0 stress path. Following the oedometric loading of 56.0 MPa and the subsequent unloading, residual vertical and radial stresses were observed on Sample-1. It was determined that 1/10 of the applied maximum oedometric stress was stored as residual radial stress in the soil structure.