Prefabrik düşey drenler (PDD) ile zemin iyileştirme yönteminde prefabrik düşey drenin performansını etkileyen faktörlerin belirlenmesi
Identification of the factors affecting the performance of prefabricated vertical drains in ground improvement with prefabricated vertical drains
Yazar: TAYFUN ŞENGÜL
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET BERİLGEN ; PROF. DR. KUTAY ÖZAYDIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kaolinit = Kaolinite ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Prefabrik Düşey Dren'li (PDD) ön yükleme ile zemin iyileştirme yönteminde proje süresi boyunca PDD'lerin performansını sürdürebilmesi, uygulanan zemin iyileştirme yönteminin hedeflenen sonuçlara ulaşması için çok önemlidir. Bu nedenle PDD'nin performansını etkileyen faktörlerin belirlenmesi ve PDD'ler kullanılarak önyükleme ile zemin iyileştirme yönteminin uygulandığı projelerin tasarımında bu belirlenen faktörlerin göz önünde bulundurulmasının, tasarımın ileriye dönük başarısını etkileyeceğine inanılmaktadır.Bu tez kapsamında ön yükleme ile zemin iyileştirme yönteminde PDD'nin performansını etkileyen faktörlerden, PDD'nin bir mandrel kullanılarak zemine yerleştirilmesi sırasında zeminde meydana gelen örselenme bölgesinin oluşumu ve bu örselenme bölgesindeki zeminin hidrolik iletkenliğindeki değişim Wisconsin-Madison Üniversitesi'nde tasarlanmış olan, büyük boyutlu ?örselenme bölgesi model deney sistemi? kullanılarak araştırılmıştır. İki farklı zemin türünde (Craney Adası çökelleri ve Kaolin) elde edilen sonuçlara göre, örselenme bölgesinin sıvanma ve geçiş bölgesi olarak iki farklı bölgeden oluştuğu, ayrıca bu bölgelerdeki zeminin hidrolik iletkenliğinin PDD'ye yaklaştıkça lineer olarak azaldığı belirlenmiştir. Örselenmiş bölgedeki zeminin hidrolik iletkenliğinin örselenmemiş zemine oranı olarak tanımlanan zemindeki örselenme derecesinin, farklı zemin türlerinde sıvanma bölgesi için 0.32-0.50 arasında, geçiş bölgesi için ise 0.57-0.82 arasında değiştiği belirlenmiştir. Sıvanma bölgesinin genişliğinin, zemin türlerine bağlı olarak eşdeğer mandrel çapının 2.3-3.3 katı arasında, geçiş bölgesinin genişliğinin ise bu değerin 5.2-7.3 katı arasında değiştiği belirlenmiştir.PDD'lerin performansını etkileyen önemli faktörlerden bir diğeri de PDD'nin boşaltma kapasitesidir. Bu nedenle dört farklı özellikteki PDD türü için, uygulanan hidrolik eğim, PDD'ye etkiyen yanal gerilme, PDD'nin uygulandığı zemin cinsi, PDD'nin yapısı ve bükülmeye karşı direnci gibi faktörler dikkate alınarak, zeminin konsolidasyonu sırasında oluşan PDD'nin deformasyonu ve çekirdek bölgesinin kirlenmesinin PDD'nin boşaltma kapasitesi üzerine etkileri Wisconsin-Madison Üniversitesi'nde tasarlanmış olan büyük boyutlu ?boşaltma kapasitesi model deney sistemi? kullanılarak araştırılmıştır. Sonuçlar değerlendirildiğinde, genel olarak başlangıçta düşük deformasyon seviyelerinde yüksek boşaltma kapasitesine sahip PDD'lerin boşaltma kapasitesi, bu çalışmada uygulanan en düşük ve en yüksek hidrolik eğim seviyeleri aralığında (0.10-1.00) hidrolik eğimin artmasıyla önemli bir miktarda (%57'ye kadar) azalırken, yüksek deformasyon seviyelerinde oldukça düşük boşaltma kapasitesine sahip olan PDD'lerde boşaltma kapasitesi üzerinde hidrolik eğimin etkisi ihmal edilebilir mertebelere düşmektedir. Zeminin konsolidasyonu sırasında farklı PDD türlerinde meydana gelen deformasyonunun boşaltma kapasitesi üzerindeki etkileri incelendiğinde, PDD'lerde %41.5 mertebesinde deformasyon meydana geldiğinde boşaltma kapasitesinin %68-%100 arasında azalabileceği, etkiyen yanal gerilmeye bağlı olarak ise, yanal gerilmenin 25 kPa değerinden 200 kPa'ya yükseltilmesi durumunda boşaltma kapasitesinde yaklaşık %40 azalma olduğu belirlenmiştir. PDD'nin çekirdek bölgesinin kirlenmesi, PDD'de meydana gelen deformasyon biçimleri, PDD'nin yapısı ve bükülmeye karşı direnci gibi faktörlerin de PDD'nin uygulandığı zemin cinsine göre boşaltma kapasitesi üzerinde değişik derecelerde etkileri olduğu gözlenmiştir.Deneysel araştırmalar kapsamında ayrıca iki farklı PDD türünün zeminin konsolidasyon davranışına olan etkilerinin belirlenmesi amacıyla, boşaltma kapasitesi model deney sistemi kullanılarak ?arazi uygulamaları benzeşimli model yükleme deneyleri? yapılmıştır. Bu model deneyler ile PDD kullanılan aşırı yumuşak zeminlerin konsolidasyon davranışı, aşırı yumuşak zeminlerde kullanılacak PDD'lerin konsolidasyonu hızlandırma verimliliği, PDD'nin zemine yerleştirilmesi sırasında ve daha sonraki aşamalarda zemindeki artık boşluk suyu basıncının değişimi incelenmiştir. Bu model deneyde gözlenen davranışının analizi, Plaxis V9.2 sonlu elemanlar programıyla ve klasik analitik çözümlerle gerçekleştirilmiş, her iki yöntemle elde edilen analiz sonuçlarının model deney davranışı ile uyumlu olduğu anlaşılmıştır.Bu tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçların, yumuşak zeminlerde düşey drenler kullanılarak yapılan ön yükleme ile zemin iyileştirilmesi yöntemine ilişkin literatürde bulunan dolaylı tahminlerle veya ölçüme dayalı deneysel araştırma sonuçlarıyla benzerlik gösterdiği gözlenmiştir.

Abstract:
It is crucial that the prefabricated vertical drains (PVDs) maintain their performance within the duration of a project in order to provide their expected goal as a soil improvement technique. It is believed that the success of designs based on soil improvement techniques involving PVDs is based on determining the relevant factors affecting the performance of PVDs and considering these factors in the design.Within this dissertation, the development of the disturbed zone in the soil during the insertion of the PVDs with a mandrel and the variation of the hydraulic conductivity within this zone is investigated with a large scale ?smear zone model testing device? designed and built at the University of Wisconsin-Madison. It is determined that the disturbed zone consists of smear and transition zones, and that the hydraulic conductivity decreases linearly towards the PVD, based on results obtained from tests conducted on two different soils (Craney Island dredgings and kaolinite). The degree of disturbance for different soil types, which is defined as the ratio of the hydraulic conductivities in the disturbed and undisturbed zones, is found to vary between 0.32 and 0.50 in the smear zone, and between 0.57 and 0.82 in the transition zone. The width of the smear and transition zones for the two tested soils varied from 2.3 to 3.3 times and 5.2 to 7.3 times the equivalent mandrel diameter, respectively.Another important factor affecting the performance of PVDs is their discharge capacity. ?Discharge capacity model testing system? designed at the University of Wisconsin-Madison is used in the experimental investigations. The effect of factors such as, the hydraulic gradient, lateral stresses on a PVD, the type of soil in which PVDs are placed, the structure of PVDs and their flexural stiffness are investigated. Four different types of PVDs are used to investigate the effects of PVD deformation during the consolidation of soil and clogging of the core area on the discharge capacity of PVDs. The discharge capacity of PVDs, which is generally large at low deformations, decrease significantly (up to 57%) within the range of hydraulic gradients applied in this study (0.10 to 1.00). At large deformations, PVDs have a lower discharge capacity and the change in hydraulic gradient has a negligible effect on the discharge capacity. On the other hand experimental observations have shown that the deformations occurring during consolidation of soils have an important effect on the discharge capacity of PVDs. For the type of PVDs used, it is found that the discharge capacity decreases by 68% to 100% when PVDs deform by 41.5%. Furthermore, a 40% decrease in discharge capacity is observed when lateral stress is increased from 25 kPa to 200 kPa. Clogging of the core zone, deformed shapes that develop, the structure and resistance against buckling have varying effects on the discharge capacity of PVDs depending on the soil type.The effect PVD type on soil consolidation behavior is investigated through ?laboratory model loading tests simulating field conditions? using two different PVD?s utilizing the discharge capacity model testing system. The consolidation behavior of very soft soils with PVD applications, and efficiency of PVDs in increasing rate of consolidation, the excess pore pressure changes during and after PVD application are investigated with these model tests. The behavior observed during the model testing are analyzed both analytically and numerically with Plaxis V9.2 which is a software based on the finite element method. The results of these analyses are observed to be compatible with the model test behavior.The results obtained from this research are also observed to be similar to results from indirect estimations methods used for the soft soil improvement applications utilizing preloading/vertical drains or findings of other experimental research.