Demiryolu balast ve altbalast malzemelerinin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical properties of railway ballast and subballast materials
Yazar: FATMA DEMİR
Danışman: PROF. DR. MEHMET SALTAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Balast malzemeleri = Ballast materials ; Demir yolları = Railways ; Esneklik = Flexibility ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Üç eksenli deneyler = Triaxial test system

Özet:
Demiryolu hatlarında taban zemininin veya dolgu zeminin üzerinde, altbalast ve balast tabakaları bulunmaktadır. Balast ve altbalast tabakası demiryolu üstyapısına elastik bir yapı sağlamaktadır. Balast tabakasında kullanılan malzemenin doğru seçimi, demiryolları inşaatlarında kalite ve uzun ömürlü kullanım açısından önemlidir. Demiryolu hattı inşaasında kullanılan granüler malzemelerin mühendislik davranışları birbirinden farklılık göstermektedir. Granüler malzeme olarak kullanılan balast ve altbalast malzemelerinin mekanik özelliklerinin belirlenebilmesi için malzemelerin indeks özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Tane boyutu, tane şekli, aşınma direnci malzemenin indeks özelliklerindendir ve bu özellikleri anlayabilmek laboratuvar deneyleri ile mümkün olmaktadır. Laboratuvar deneyleri ile elde edilen fiziko-mekanik inceleme sonuçlarına göre demiryolu hattında granüler malzeme olarak kullanılabilir nitelikte olup olmadığına karar verilmektedir.

Tez çalışmasının temel araştırma konusu; farklı türdeki kayaçlardan oluşan demiryolu balast ve altbalast malzemelerinin mekanik özelliklerinin incelenmesidir. Bu tez çalışması ile Isparta ve çevresinde yer alan dört farklı kayaç örneğinin, mineralojik, petrografik, mekanik ve fiziksel özellikleri belirlenmiş ve demiryolu balast ve altbalast malzemesi olarak kullanılabilirliği incelenmiştir.  

Tez, geometrik özelliklerin belirlenmesi, mekanik ve fiziksel özelliklerin belirlenmesi, termal ve bozunma özelliklerinin belirlenmesi, bağlayıcısız granüler malzemelerin özelliklerinin belirlenmesi olmak üzere dört aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşama agregaların geometrik özelliklerinin belirlenmesi aşamasıdır. Bu aşamada agregaların geometrik özellikleri için elek analizi, şekil indeksi, yassılık indeksi değerleri belirlenmiştir. İkinci aşamada, mekanik ve fiziksel özellikleri için Los Angeles katsayısı, darbe katsayısı, mikro-Deval katsayısı belirlenmiştir. Üçüncü aşamada termal ve bozunma özellikleri için donma çözülmeye karşı direnci, magnezyum sülfat katsayısı, sonnenbrand katsayısı tespit edilmiştir. Son aşama bağlayıcısız karışımlar için Kaliforniya taşıma oranı, modifiye proktor değeri, permeabilite katsayıları ve laboratuvar ortamında hazırlanan silindir numunelere (300x600mm) uygulanan büyük ölçekli dinamik üç eksenli deneyi ile esneklik modülü, poisson oranları ve plastik deformasyon değerleri belirlenmiştir. 

Tez çalışması sonucunda granüler malzemelerin uygulamada kullanılabilirliği sırasıyla Kayıköy bazaltı, Eğirdir olivin, Karakuyu kireçtaşı ve Direkli fonolit agregasına aittir. Kayıköy bazalt agregası ve Eğirdir olivin agregası malzeme mekanik özelliklerine göre değerlendirildiğinde en iyi agregalardır. Mekanik özellikleri temsil eden birçok parametre incelendiğinde fonolit agregası en kötü sonuçları vermiştir.

Bu tez çalışması sonuçları, Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryolları (TCDD) ve yerel yönetimlere temel bilgi sağlayacak nitelikte olup, ilerleyen süreçte ülkemizde yapılacak olan demiryolu yapım ve yenileme çalışmalarında çok büyük ekonomik getiriler sağlayacaktır. Türkiye'de ilk defa kurulan büyük ölçekli dinamik üç eksenli deney aleti Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Ulaştırma laboratuvarına kazandırılmıştır. Bu deney aleti ile demiryolu hatlarında kullanılacak olan granüler malzemelerin trenden kaynaklanan dinamik tekrarlı yükler altındaki gerilme deformasyon ilişkisi hazırlanan numuneler ile gerçeğe en yakın şekilde belirlenebilecektir.

Abstract:
In the construction of railway lines, sub-ballast and ballast are placed on the subgrade or on the fill, respectively. Ballast and sub-ballast layer provide an elastic structure to the railway superstructure. The correct selection of the material used in the ballast layer is important in terms of quality and long-lasting use in railway constructions. The engineering behaviors of the granular materials used in the construction of the railway line differ from each other. In order to determine the mechanical properties of ballast and sub-ballast materials used as granular materials, it is necessary to know the index properties of the materials. Grain size, grain shape, wear resistance are the index properties of the material and it is possible to understand these properties with laboratory experiments. According to the results of the physico-mechanical test obtained through laboratory tests, it is decided whether it can be used as a granular material on the railway line.

The main research subject of the thesis is examination of the mechanical properties of railway ballast and sub-ballast materials consisting of different types of rocks. In this thesis, mineralogical, petrographic, mechanical and physical properties of four different rock samples in and around Isparta were determined and their usability as railway ballast and sub-ballast material was investigated.

The thesis consists of four stages: determination of geometric properties, determination of mechanical and physical properties, determination of thermal and degradation properties, determination of properties of binderless granular materials. The first stage is the determination of the geometric properties of the aggregates. At this stage, sieve analysis, shape index and flakiness index values were determined for the geometric properties of the aggregates. In the second stage, Los Angeles abrationcoefficient, impact factor, micro-Deval coefficient were determined for their mechanical and physical properties. In the third stage, freeze-thaw resistance, magnesium sulfate test and sonnenbrand test were determined for thermal and weathering properties. For the final stage unbound materials, California bearing ratio, modified Proctor value, permeability coefficients and elastic modulus, poisson ratios and plastic deformation values were determined by a large-scale dynamic triaxial test applied to cylindrical samples (300x600mm) prepared in the laboratory.

As a result of the thesis study, the usability of granular materials in practice belong to Kayıköy basalt, Eğirdir olivine, Karakuyu limestone and Direkli phonolite aggregate, respectively. Kayıköy basalt aggregate and Eğirdir olivine aggregate are the best aggregates when evaluated according to the mechanical properties of the material. The worst is Direkli phonolite aggregate.

The results of this thesis study will provide basic information to the Republic of Turkey State Railways (TCDD) and local governments, and will provide great economic returns in the railway construction and renovation works to be carried out in our country in the future. Large-scale dynamic triaxial test instrument, which was established for the first time in Turkey, was brought to Süleyman Demirel University Engineering Faculty Civil Engineering Transportation laboratory. With this test instrument, the stress-strain relationship of granular materials to be used on railway lines under dynamic repetitive loads originating from the train can be determined as close to reality with the prepared samples.