Çöp sızıntı suyunun kumların davranışları üzerindeki etkisi
The effect of leachate on the behavior of sand
Yazar: AYTAÇ YAŞARGÜN
Danışman: PROF. DR. AYFER ERKEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Ekonomik sebeplerden ötürü katı atıkların depolanması ülkemizde halen en çok tercih edilen atık depolama yöntemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Düzenli katı atık depolama tesislerinde özensiz yapılan kil bariyerlerden sızan veya vahşi depolama şeklinde kontrolsüz depolanan evsel katı atıklar çevre ve insan sağlığı gibi problemlerin yanı sıra zemin tabakalarında da bazı değişikliklere neden olmaktadır. Depolanan evsel atıklar yağmur suları ile beraber çöp sızıntı suyu halini alarak zemin tabakalarına sızar. Farklı zemin tabakalarına ve yeraltı sularına karışan çöp sızıntı suyu içerdiği organik, inorganik maddeler ve ağır metaller ile birlikte zeminlerin endeks özelliklerinde değişikliklere neden olabilir. Bu davranış değişiklikleri kohezyonlu zeminler ile yapılan önceki çalışmalarda plastisitenin değişmesi, taşıma gücü kayıpları, düşük permeabilite vb. gibi birçok geoteknik özellikte farklılığa neden olmaktadır.
Bu araştırmada özensiz kil bariyerlerden sızan veya tamamen kontrolsüz olarak depolamadan kaynaklı farklı zemin tabakalarına ulaşan çöp sızıntı suyunun zaman içerisinde kumlu zeminlerin dinamik davranışı üzerine yapmış olduğu etkiler incelenmiştir. Bu çalışmada İstanbul ili Akpınar köyünden getirilmiş olan kum zemin kullanılmış olup, çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş kum zeminin dinamik davranışları temiz kum numunelerle karşılaştırmıştır.
Bu çalışmada 50 mm çapında ve 100 mm yüksekliğinde bir kalıp içerisinde hem temiz hem de kirlenmiş kum numuneler kuru yağmurlama yöntemiyle hazırlanmıştır. Üç eksenli basınç deney sistemine yerleştirilen temiz kum numunelerden doygun olması istenenlerden vakum altında numunelerin içerisinden CO2 gazı ve daha sonra da damıtık su geçirilerek numuneler doygun hale getirilmiştir. Doygun olmayan temiz numuneler ve çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş numunelerde ise vakum altında CO2 gazı ve damıtık su geçirme uygulaması yapılmamıştır. Bunun nedeni kirlenmiş zeminlerin yapısının bozmamak ve temiz zeminlerle kirlenmiş bu zeminleri karşılaştıracak eşdeğerde doygunluk elde etmektir. Daha sonra kuru yağmurlama yöntemi ile daha önceden hazırlanarak modifiye kalıplara yerleştirilen numuneler %100 kür oranındaki çöp sızıntı suyu havuzuna batırılarak kirletme işlemi başlatılmıştır. Bu aşamadan sonra farklı kür sürelerindeki numuneler çöp sızıntı suyu havuzundan çıkarılıp deney sistemine yerleştirilerek dinamik deneylere başlanmıştır. 
Çalışma kapsamında başlangıçta kirlenmiş numune kurulumunda kullanılan modifiye kalıp ve standart kalıpta hazırlanmış numunelerin dinamik durumdaki davranışı karşılaştırılmıştır. 
Araştırmada dinamik üç eksenli deney sisteminde yapılan deneyler üç gruba ayrılmıştır. İlk olarak doygun numuneler oluşturularak kullanılan Akpınar kumunun sıvılaşma davranışı belirlenmiştir. En büyük elastisite modülü hesaplamaları yapıldıktan sonra 100 kPa ve 30 kPa olmak üzere iki farklı basınç altında konsolidasyona bırakılan numunelere farklı gerilme seviyeleri uygulanarak kullanılan kum zeminin dinamik mukavemet eğrisi oluşturulmuştur. Oluşan bu eğri sonucunda 100 kPa konsolidasyon basıncı altındaki temiz kum numunelerde gerilme oranı ±σdev/2σ'c = 0.28 ve üzerine çıktığında, 30 kPa konsolidasyon basıncı altındaki temiz kum numunelerde ise gerilme oranı ±σdev/2σ'c = 0.48 ve üzerine çıktığında yüksek risk taşımakta ve zemin küçük çevrim sayılarında sıvılaşmaktadır. 
İkinci aşamaya geçtiğimizde farklı doygunluk değerlerinde hesaplanan temiz numunelerde doygunluğun dinamik davranışa etkileri araştırılmıştır. Laboratuvar ortamında hazırlanan numunelerde daha düşük seviyelerde doygunluk oluşturmak için bu aşamada vakum altında CO2 gazı ve damıtık su geçirme işlemleri yapılmamıştır. Farklı doygunlukta hesaplanan kısmi doygun temiz numunelerle dinamik üç eksenli deney aletinde ±σdev/2σ'c = 0.28 ve 0.30 gerilme aralığında yapılan deneyler sonucunda doygunluğun gerilme – şekil değiştirme ve boşluk suyu basıncı üzerinde etkileri incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda numunelerde skempton-B değerinin azalmasının sıvılaşmayı etkilediği görülmüştür. Benzer sıkılıkta hazırlanmış temiz kumlarda doygunluk değeri B=0.37 değerine düştüğünde ise sıvılaşma gözlenmemiştir. ±σdev/2σ'c = 0.28 gerilme oranında N=28 çevrimde sıvılaşan doygun kum numunesinin, kısmi doygun B= 0.49 ile 0.52 arasında olması durumunda yakın çevrim sayılarında (N=30) sıvılaşması için uygulanması gereken dinamik gerilme oranının σdev/2σ'c = 0.33 olduğu görülmüştür.
Çöp sızıntı suyu ile kirlenmenin araştırıldığı son bölümde ise dinamik üç eksenli deney aletinde tekrarlı yük uygulanan yapısı itibari ile kısmi doygun olan numuneler kullanılmıştır. Çöp sızıntı suyu ile kür havuzunda kirlenmeye bırakılan numuneler belli zaman aralıklarında alınarak dinamik deneyler yapılmıştır. Bu numunelerin kür süresi 1 gün ile 718 gün arasında değişmektedir. Farklı kür sürelerinde beklemiş numuneler benzer sıkılık oranlarına ve farklı doygunluk değerlerine sahiptir. 100 kPa konsolidasyon basıncı altında dinamik deneyler yapılan bu numunelerde çöp sızıntı suyunun neden olduğu zemin yapısı değişikliğini etkilememek için suya doygunluğu sağlayan vakum altında karbondioksit gazı ve damıtık su geçirme işlemleri uygulanmamıştır.
Bu çalışmada kısmi doygun kirlenmiş kum numunelerin farklı doygunluk değerlerinde yapılan dinamik deneyler sonucu davranışları incelenerek doygunluğun kirlenmiş numuneler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda doygunluk değerinin düşmesinin temiz kum numunelerde olduğu gibi çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş numunelerde de sıvılaşmaya karşı direnci artırdığı gözlenmiştir. Doygunluk değerinin B=0.25 değerine düştüğünde ise sıvılaşmanın oluşmadığı görülmüştür.
Kirlenmiş numunelerde kür süresinin etkisinin incelendiği çalışmanın devamında kısa kür sürelerindeki numuneler ile daha uzun kirlenmeye maruz kalmış numuneler kullanılmıştır. Çalışmanın bu bölümünde farklı kür sürelerinde kirlenmiş numunelerle yapılan çalışmalarda kür süresinin gerilme - şekil değiştirme davranışına etkileri incelenmiş ve benzer özellikteki temiz kum numuneleri ile davranışları karşılaştırılmıştır. Buna göre kısa kür süreli numunelerde (t=1-10 gün) düşük doygunluk değerlerinde temiz zemine benzer davranış sergilediği görülmüştür. Kür süresinin uzamasıyla birlikte numunelerde boşluk suyu basıncı ve dinamik eksenel deformasyon oluşumları daha erken sürelerde meydana gelmektedir. Doygunluk değerinin düşmesi numunelerde kirlenme ile sıvılaşma etkisinin azalmasına neden olmakta ve doygunluk B=0.50 değerinin altına düştüğünde ise kirlenme etkisi görülmemektedir. Hem temiz hem de çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş kumlarda yaklaşık olarak kritik deformasyon seviyesi εkritik =±%0.50 olarak hesaplanmış ve davranış biçimlerinin benzer olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
The most important problem for the solid waste landfill foundations is leachate wastewater which affects the quality of groundwater and underlying soil stratums. The organic and inorganic components of the leachate generated by the uncontrolled and haphazardly stored solid waste landfill through the rain mix with into the groundwater and soil layers and affect the geotechnical properties and dynamic behavior of the soil. Leachate mix with different soil layers and groundwater in the index characteristics of soils together with the organic, inorganic, and heavy metals it contains. The physical and chemical reactions of leachate can cause behavioral changes on the soils over time under the effect of cyclic loading. These behavioral changes have been reported in previous studies with cohesive soils, such as changes in plasticity, bearing capacity losses, low permeability, etc. causes differences in many geotechnical properties. The organic substances contained in leachate water, pH, and ion exchange generally have an effect on the geotechnical properties of cohesive floors.
In this research, the dynamic behavior change made by leachate over time, which leaks from sloppy clay barriers or reaches different ground layers caused by uncontrolled storage, was examined. Sands used in this study have been obtained from Akpınar district in İstanbul, Turkey and compared the dynamic behavior of the cohesionless sand samples polluted with leachate with clean sand samples. The samples used in the study were prepared both clean and polluted, with a diameter of 50 mm and a height of 100 mm, by dry pluviation method. Cyclic vertical loads at different stress levels were applied to the samples with various relative density from at the cyclic triaxial test system. During the saturation process from the clean samples desired to be saturated soils, firstly carbon dioxide (CO2) gas and then distilled water were applied under the vacuum at the cyclic triaxial test system but not to the sand samples including   %100 to avoid change of its characteristics and also partly saturated sand samples to compare with the polluted samples at similar saturation level.
To minimize the effect of preparation methods on structure of sand samples, reconstitute sand samples were prepared by dry pluviation in the modified splitted mold. The mold is covered by membrane and with a cap in the bottom. The mold has bottom and upper caps with small draining holes. After preparation of the sample, upper cap was put on the mold. A group of sand sample in the mold was put in the wastewater tank to keep for different cure time. Due to the chemical reactions that occur over time at the leachate tank, methane gas is discharged to the environment by opening the gas outlet valve at regular periods.
The pollution process has been started by soaking the samples placed in the previously prepared modified molds with the dry pluviation method in the leachate tank at 100% cure ratio. It was observed that some of the air in the samples came out as a result of the leachate entering through the drainage holes during the pollution process. 
Within the scope of this study firstly, the maximum elasticity modules of saturated soils were calculated and the dynamic behavior of the samples prepared in the standard mold and modified splitted mold used in polluted sample installation was examined.
In the research, experiments in the triaxial test system were divided into three groups. First, saturated clean samples were prepared and the liquefaction behavior of Akpınar sand was observed. Experiments in these samples, which were prepared and saturated with similar relative density, were kept the range of ±σdev/2σ'c = 0.28 and 0.30 stress ratio. At this stress range, all of the samples with a skempton - B value of 0.95 and above show a tendency to liquefy at N= 30 cycles and earlier, which shows that they pose a serious risk for earthquakes with Mw = 7.5 and above. Then, different stress levels were applied to the samples left to consolidate under two different pressures, 100 kPa and 30 kPa, creating the dynamic strength curve of Akpinar sand. According to this curve, there is a high risk when the stress ratio rises ±σdev/2σ'c = 0.28 and above at clean sand samples under 100 kPa consolidation pressure, and the stress ratio is ±σdev/2σ'c = 0.48 and above at clean sand samples under 30 kPa consolidation pressure. With the rapidly increasing in pore water pressure at saturated sand samples above these stress levels, strain are increases and the soil tends to liquefy.
At the second stage, the effects of saturation on dynamic behavior were investigated in clean samples calculated at different saturation levels. In order to create a low saturation degree prepared at the laboratory samples, carbon dioxide gas and distilled water passing processes under vacuum were skipped at this stage. As a result of the experiments carried out, the effects of saturation with partially saturated clean samples calculated at different saturation degree on stress-strain behavior at ±σdev/2σ'c = 0.28 and 0.30 stress ratio were examined. As a result of the experiments, it was seen that the decreasing in the skempton-B value affected liquefaction potential at clean samples. Liquification was not observed when the saturation value in clean sands decreased to B=0.37. 
In the last part of the study, in which polluted with leachate was investigated, partially saturated samples were used due to the cyclic load applied in the dynamic triaxial test instrument. The samples to be put into the leachate tank were taken at certain time periods and dynamic tests were carried out. The samples, which were kept in different pollution period from 1 day to 718 days, which is called curing time, have similar relative density and different saturation levels. In these samples, where dynamic tests were performed under 100 kPa consolidation pressure, carbon dioxide gas and distilled water processes were not applied under vacuum during the saturation process to avoid to change of its characteristics.
The dynamic behavior of partially saturated polluted sand samples at different saturation values was investigated, and the effect of saturation on polluted samples was examined. As a result of the experiments, it was observed that the decreasing the saturation level increased the resistance of liquefaction both polluted and clean sand samples. When the saturation level decreased to B=0.25, it was seen that liquefaction did not occur.
As a result of the experiments, it was observed that the decrease in the saturation value increased resistance to liquefaction in samples polluted with leachate as well as in clean sand samples. 
In the proceeding stage of the study, in which the effect of curing time was examined in polluted samples, samples with short curing times and longer polluted sand samples were used. Leachate disrupts the structure of soils over time due to its organic, inorganic, and heavy metal content. While the effect of organic substances was high in the content of leachate in the early period, the organic contents decreased as time passed and were placed to the effect of inorganic substances and heavy metal contents. In this part of the study, the effects of curing time on stress-strain behavior were examined carried out with samples polluted at different curing times, and their behavior was compared with the clean sand samples of similar properties. Accordingly, it is seen that at low saturation degree on short curing sand samples shows similar behavior with clean soil samples (t = 1–10 days). With the longer curing time, pore water pressure and dynamic axial deformation occur at the samples earlier. In other words, with the increasing of curing time, increases the liquefaction potential on polluted sand samples. The decrease in saturation value at polluted sand samples causes a decrease in the liquefaction potential of samples. and when saturation drops below B=0.50, there is no pollution effect. When the saturation degree is under the value of B=0.50, the effect of pollution is not observed. Approximately, the critical level of deformation was calculated as critical = ±0.50% at sand samples polluted with both clean and leachate, and their behavior has been shown to be similar.