Isparta Ovası'ndaki volkanik zeminlerin jeo-mühendislik karakterizasyonu ve mekanik davranışının araştırılması
Geo-engineering characterization of the volcanic soils in the Isparta Plain and investigation of their mechanical behaviour
Yazar: ELİF AVŞAR
Danışman: PROF. DR. REŞAT ULUSAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering

Özet:
Dünya genelinde ve Türkiyede az pekişmiş volkanik zeminlerin jeo-mühendislik özelliklerinin ve davranışlarının araştırılmasına yönelik çalışmalar oldukça sınırlı sayıda olup, yumuşak kayalar ile zeminler arasında geçiş türünde olmaları nedeniyle jeomekanik açıdan diğer zeminlerden farklı davrandıkları bilinmektedir. Isparta kent merkezinin temel zeminini Gölcük volkanizması sonucu katmanlar halinde çökelmiş olan volkanik zeminler oluşturmaktadır. Bu çalışma; Isparta yerleşimindeki volkanik zeminin jeo-mühendislik karakterizasyonu, çökme potansiyeli ve makaslama yenilmesi gibi mekanik davranışlarının araştırılması ve basit laboratuvar deney yöntemlerinden belirlenen özellikler kullanılarak tek eksenli sıkışma dayanımının kestirimine yönelik görgül ilişkilerin geliştirilmesi amacıyla yapılmıştır. Bu çalışmayla, hem bu tür malzemelerin davranışlarıyla ilgili çalışmalara, hem de Isparta ve çevresi özelinde yerel anlamda katkı sağlanabileceği düşünülmüştür. Bu kapsamda; volkanik zeminin fiziksel ve jeomekanik özellikleri ile mikroyapısal özellikleri belirlenmiş, istatistiksel çözümlemeler yapılarak görgül ilişkiler önerilmiş, zeminin çökme potansiyeli ve makaslama dayanımı araştırılmış, bu zeminde açılmış şevler için duraylılık analizleri gerçekleştirilmiş ve ayrıca bu çalışmada incelenen volkanik zemin diğer bazı ülkelerde incelenmiş volkanik zeminlerle karşılaştırılmıştır. İncelenen volkanik zeminin 100 kPa?dan daha yüksek normal gerilmeler altında orta derecede çökme ve şiddetli çökme potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, 200 ile 300 kPa arasındaki normal gerilmelerin aşılmasıyla volkanik zeminin kohezyon ve içsel sürtünme açısında azalma olduğu ve makaslama dayanımının düşük ve yüksek normal gerilmeler altında çift doğrusal yenilme zarflarıyla daha iyi temsil edilebileceği sonucuna varılmıştır. Volkanik zeminin çökme potansiyeli ve makaslama dayanımıyla ilgili belirlenen söz konusu iki davranışın; yüksek normal gerilmeler altında yenilen bağlayıcı malzemenin dayanımının önemli ölçüde azalmasıyla ilişkili olduğu belirlenmiştir. Volkanik zeminin doygunluk derecesinin artmasına koşut olarak; tek eksenli sıkışma dayanımının önce arttığı, belirli doygunluklardan daha yüksek doygunluk düzeylerinde ise önemli ölçüde azaldığı saptanmış ve bu durumun muhtemelen su emmedeki artış ve azalmayla ilişkili olduğu şeklinde değerlendirilmiştir. Bunların yanı sıra, jeomekanik özelliklerin tayini için volkanik zeminden standartlara göre uygun boyutlarda örselenmemiş örnek hazırlanmasında önemli güçlükler yaşandığından, zeminin tek eksenli sıkışma dayanımının iğne batma indeksinden kestirimine yönelik ve belirleme katsayısı yüksek görgül bir ilişki önerilmiştir. Volkanik zemin içinde açılmış şevler için duraylılık analizleri de yapılmış olup, 5 m ile 20 m arasındaki şev yükseklikleri ve 600 ile 900 arasında değişen şev açıları için yapılan limit denge analizleri sonucunda güvenlik katsayılarının 1?den büyük olduğu sonucuna varılmış olup, bu sonuçlar inşaat kazılarında yapılan gözlemleri desteklemektedir. Ayrıca, bu çalışmada incelenen volkanik zemin ile diğer bazı ülkelerde incelenmiş volkanik zeminlerin; özellikle zayıf bağlayıcı malzeme içermeleri, mikroyapıları, düşük kuru birim hacim ağırlık ve yüksek gözenekliliğe sahip olmaları açısından benzer özellikler gösterdikleri saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Volkanik zemin, Isparta, tek eksenli sıkışma dayanımı, iğne 
batma indeksi, görgül ilişki, çift doğrusal yenilme zarfı, çökme potansiyeli, 
mikroyapı.

Abstract:
It is known that there are a quite limited number of researchs on volcanic soils, which are a transition form between soft rocks and soils, and their mechanical behaviours are different than those of other soils. The ground at Isparta city center is comprised of volcanic soils deposited as layers which derived from the Gölcük volcanism. This study aims to perform geo-engineering characterization of the volcanic soils at Isparta settlement, to investigate their collapse potential and shear failure behaviour and to recommend empirical relationships for predicting the uniaxial compressive strength from the properties determined from simple laboratory tests. It is considered that based on this study, some contributions to mechanical behaviours of such soils and local site conditions in Isparta would be provided. Within the scope of the study; physical, geomechanical and microstructural properties of the volcanic soil were determined, empirical relationships using statistical analyses were developed, collapse and shear failure behaviour of the soil were assessed, analysis for the stability of the slopes excavated in this soil were conducted and finally geo-engineering properties of the investigated volcanic soil was compared to those studied in some other countries. It was determined that the investigated volcanic soil has moderate and severe collapse potential under normal stresses greater than 100 kPa. In addition, it was concluded that cohesion and friction angle of the volcanic soil decrease when the normal stress exceeds 200 and 300 kPa and its shear strength is better represented by bi-linear failure envelopes under low and high normal stress levels. The collapse potential and shear strength behaviour of the volcanic soil are associated with a considerable decrease in the strength of the failed bonding material of the soil under high normal stresses. Depending on the increase in its degree of saturation, the uniaxial compressive strength of the volcanic soil first increases and then considerably decreases at certain degrees of saturation, and it was concluded that this behaviour is probably is due to the increase and decrease in suction. Besides, by considering the difficulties experienced during sampling from this soil according to testing standards, in order to estimate its uniaxial compressive strength from its needle penetration index, empirical relation with high coefficient of determination was also developed. Stability analyses of the slopes excavated in the volcanic soil revealed that for slope heights and slope angles varying between 5 and 20 m and 600 and 900, respectively, safety factors would be greater than unity and these results confirm the field observations conducted in foundation cuts. In addition, it was determined that the volcanic soil investigated have similar properties with those of the volcanic soils in some countries in terms of its weak bonding material, microstructure, low dry unit weight and high porosity.

Keywords: Volcanic soil, Isparta, uniaxial compressive strength, needle 
penetration index, empirical relationship, bi-linear failure envelope, collapse 
potential, micro-structure.