Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon - 277 - Polimerler ile Stabilize Edilmi Kumlarn Kesme Kutusu Deneyleri ile Kayma Mukavemetinin Belirlenmesi Neval Uysal Ara. Gör., Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, naat Mühendislii Bölümü, nuysal@sakarya.edu.tr, (264) 295 7290 Özet Bu aratrmada, stanbul Silivri bölgesine ait sar renkli bir kum numunesinin kayma mukavemetinin belirlenmesi kapsamnda, a yapl kopolimer (KP) katksyla içsel sürtünme açsnn arttrlmasna yönelik bir deneysel çalma yaplmtr. Zeminin granülometri analizine göre snf (SP) kötü derecelenmi kum olarak belirlenmitir. Rölatif sklk deerleri % 20, % 30 ve % 40 olan katksz zemin numunelerine ek olarak, kuru zemin arlnn % 0.50, % 1.00 ve % 1.50 si oranlarnda KP malzemesi katlarak karmlar hazrlanmtr. 12 farkl deney seti üzerinde kesme kutusu deneyi yaplm, rölatif sklklarn ve katk malzemesinin kayma mukavemeti üzerine etkisi gözlemlenmitir. Deneysel çalmalarn sonucunda, hazrlanan farkl rölatif sklklardaki numunelerde, skl fazla olan numunenin daha yüksek kayma mukavemetine sahip olduu ve hazrlanan birleimlerde katk malzemesi oran arttkça kayma mukavemeti açsnn da artt gözlenmitir. Anahtar kelimeler: Kum, kayma mukavemeti, kesme kutusu, fiber katk malzemesi, rölatif sklk Determination of Shear Strength of Stabilized Sands Using Polymers by Shear Tests Abstract In this research, a sand soil taken from Silivri region in Istanbul and a type of copolymer fiber (CP) are used. The aim is to increase the shearing strength of sand soil by use of additive material such as a copolymer to the sand. The grain-size analysis performed on the clean sand has been classified and determined as poorly graded sand (SP). The tests were performed to determine the shearing strength of the specimens having the different relative density values With the relative density values of 20%, 30% and 40%, the CP ratios of 0.50%, 1.00% and 1.50% by the weight of dry sand-cp mixtures were prepared. Then the shear box tests were done as the 12 different experiments set. It shows that how different relative density values and the additional material effect the shearing strength. The result of the experimental studies proves that the shearing strength values are higher when the ratio of the relative density and additional material is getting higher percentage. Key words: Sand, shear strength, direct shear, fiber additive material, relative density
- 278 - Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon 1. Giri nsanlk tarihinde zemin, çeitli amaçlar için inaat malzemesi olarak kullanlmdr. Günümüzde, karayolu ve havaalan gibi ulam sistemlerinin, baraj ve balama gibi su toplama ve depolama yaplarnn, binalarn ve uzay araçlarnn yüzey kaplamalarnn inasnda çeitli zeminler, malzeme olarak kullanlmaktadr. Bu aratrma kapsamnda, kötü derecelenmi bir kum numnesinin farkl rölatif sklklardaki ve farkl oranlarda polimerlerle stabilize edilmi karmlarn kayma mukavemeti deerlerini hesaplamak için bir laboratuvar çalmas yaplmtr. lk olarak, aratrmada kullanlan kum zeminin mühendislik özellikleri çeitli laboratuvar deneyleri ile elde edilmitir. Daha sonra elde edilen deerlere göre zemin istenilen rölatif sklklarda, arlklarnn yüzdelerine göre belirli oranlarda kopolimer katk malzemelesi katlmtr. Elde edilen sade ve katkl farkl rölatif sklklardaki numunelerin kayma mukavemeti deerlerini hesaplanmak için kesme kutusu deneyi yaplmtr. Numunelerin kayma mukavemeti açlar hesaplanarak aralarndaki fark incelenmitir. Bu çalmadaki amaç; Kohezyonsuz zeminlere polimer katk malzemesi katldnda kayma mukavemetindeki deiimi incelemek, Rölatif sklk ile kayma mukavemeti açs arasndaki ilikiyi aratrmak, Farkl oranlardaki polimer katk malzemelerinin farkl rölatif sklklardaki zemin numunelerinde kayma mukavemeti açlarn nasl deitirdiini gözlemlemektir. Laboratuvarda yaplan deneysel çalmada mevcut kum zeminin içerisine %0.5, %1 ve %1.5 oranlarnda kopolimer katk malzemesi katlarak, zeminin 3 farkl rölatif sklklarnda karmlar hazrlanmtr. Aratrmann bu ksmnda kayma mukavemeti deerlerini belirlenmek üzere toplam 12 set kesme kutusu deneyi yaplmtr. 2. Önceki Çalmalar Geoteknik literatüründe, kum ile katk malzemesi karmlarnn mühendislik özelliklerinin belirlenmesi ile ilgili birçok deneysel çalma mevcuttur. Çalmalar genel olarak sade kumum mühendislik özelliklerinin karmlar ile iyiletirilmesine yöneliktir. Bunun için fiber polimerler kullanld gibi çeitli endüstriyel atklar da kullanlabilmektedir. Bu çalmalar genel olarak karmn kayma mukavemeti açsnn iyilemesi üzerine olsa da dier mühendislik özelliklerinin iyiletii de gözlemlenmitir. Keskin ve Laman (2012) tarafndan kuma hacimce farkl oranlarda atk lastik eklenerek sabit rölatif sklkta (Dr= %65) büyük ölçekli kesme kutusu deneyi yaplmtr. Atk lastiklerin boylar 10-25 mm, genilikleri 2-4 mm arasnda deien çalmalarnda hacimce atk lastik oranlar %5, %10, %15, %20, %30, %40 ve %50 dir. Çalmann neticesinde % 100 kumun kayma mukavemeti açs 42,4 iken %50 kum - %50 atk lastik karmda 29dir. En yüksek kayma mukavemeti açsnn %85 kum - %15 atk lastik karmnda 46,6 olduu görülmütür. (Tablo 1) Tablo 1. Kum ve lastik karmnn kayma mukavemeti açs deerleri Karm () %100 kum + %0 lastik 42.4 %95 kum + %5 lastik 45.2 %90 kum + %10 lastik 46.5 %85 kum + %15 lastik 46.6 %80 kum + %20 lastik 44.9 %70 kum + %30 lastik 39.3 %60 kum + %40 lastik 33.9 %50 kum + %50 lastik 29
Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon - 279 - Zaimolu (2011) tarafndan yaplan çalmada kuma borik alç katlarak kayma mukavemeti açs gözlemlenmitir. Sade kum halinde kayma mukavemeti açs 43 iken; %10 borik alç - %90 kum durumunda kayma mukavemeti açs 42, %20 borik alç - %80 kum halinde kayma mukavemeti açs 41, %30 borik alç - %70 kum halinde kayma mukavemeti açs 39, %40 borik alç - %60 kum halinde kayma mukavemeti açs 45 dir. (Tablo 2) Tablo 2. Kum ve borik alç karmnn kayma mukavemeti açs deerleri Karm () %100 kum + %0 BA 43 %90 kum + %10 BA 42 %80 kum + %20 BA 41 %70 kum + %30 BA 39 %60 kum + %40 BA 45 Çabalar ve Çanakç, (2011) yaptklar çalmada katk malzemesi olarak ksantan sakz (Xanthan gum) kullanmlardr. %1, %3 ve %5 oranlarnda kullandklar malzemeyi ayn zamanda suyla da kartrp 7, 26 ve 50 gün kür etmiler daha sonra deney yapmlardr. Kür süresinin kayma mukavemeti açs üzerinde pek etkili olmad, sade kumun kür süresine göre 30 dolaylarnda; %1 ksantan sakz katldnda sade kumdan daha düük, 20 dolaylarnda ; %3 ksantan sakz katldnda sade kumdan daha yüksek, 40 dolaylarnda ; %5 katldnda ise en yüksek kayma mukavemeti açs 50 dolaylarnda deeri elde edildii gözlemlenmitir. Carraro ve arkadalar (2009) tarafndan yaplan çalmada sade kum, siltli kum ve killi kumun kayma mukavemeti açlar belirlenmeye çallmtr. Sade kumun kayma mukavemeti açs 29,5 iken kuma % 2 orannda kaolin katldnda 28.5, %10 kaolin kil katldnda ise 29,1 kayma mukavemeti açs bulunmutur. Non-plastik silt ekledikçe de kayma mukavemeti açsnn artt görülmütür. Kumun içine %5 non-plastik silt eklendiinde 31 ve %15 nonplastik silt eklendiinde de 32.9 kayma mukavemeti açs bulunmutur. (Tablo 3) Tablo 3. Kum ve kaolin kil ile non-plastik silt karmlarnn kayma mukavemeti açs deerleri Karm () %100 kum 29.5 %98 kum + %2 kaolin kil 28.5 %95 kum + %5 kaolin kil 28.6 %90 kum + %10 kaolin kil 29.1 %95 kum + %20 non-plastik silt 31 %90 kum + %10 non-plastik silt 32 %85 kum + %15 non-plastik silt 32.9 Sezer ve arkadalar (2012) yaptklar çalmada, fiber katksnn kumlarn dayanm özelliine etkisi aratrlmtr. Üç deiik boydaki ve iki farkl medyan çaptaki fiber farkl iki kum zemine %1 orannda kartrlarak iki deiik sklkta hazrlanan örnekler üzerinde kesme kutusu deneyleri yaplmtr. Q1 ve Q2 srasyla kaba ve orta kumu, FM6, FM12 ve FM19 srasyla 6, 12 ve 19 mm boyutunda fiberi, DR30 ve DR70, srasyla % 30 ve % 70 rölatif skl göstermektedir. Fiber katkl zeminin hem krlma esnasndaki kayma gerilmesinde ve içsel sürtünme açs deerlerinde kayda deer artlar gözlenmitir. Bununla birlikte, bu
- 280 - Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon etkilerin rölatif skln artmas ile daha belirgin olduu ve artan fiber uzunluunun zemin örneklerinin kayma mukavemeti açsn pozitif olarak etkiledii gözlemlenmitir. (Tablo 4) Tablo 4. Kum ve karmlarn kayma mukavemeti açs deerleri Örnek () Dr= %30 Dr=%70 Q1 34.7 36.8 Q1FM6 41.3 39.2 Q1FM12 40.8 44.1 Q1FM19 47.1 48.8 Q2 31.8 33.9 Q2FM6 35 35.5 Q2FM12 39.7 40.1 Q2FM19 39.6 40.5 Literatür çalmalar, katk malzemelerinin, kumun mekanik özelliklerini iyiletirdiini göstermektedir. Bunun yan sra, kum içerisine katlan malzeme oranlarnn eklinin ve boyutlarnn, karmn kayma mukavemeti açsn ise belirli derecede olumlu etkiledii görülmektedir. 3. Malzemeler Zemin Deneysel çalmada kullanlan zemin, stanbul un Silivri bölgesinden alnmtr. Araziden alnan zemin numunesi üzerinde elek analizi deneyi yaplm ve numunenin %99 orannda kum olduu belirlenmitir. Birletirilmi Zemin Snflandrmas na göre zemin snf (SP) kötü derecelenmi kum olarak saptanmtr. Kopolimer Kopolimer fiberler (lifler) betonarme döeme imalatlarnda beton içerisinde donat amaçl kullanlabilen, dayanm yüksek, polimer esasl, sentetik fiberlerdir. ASTM C-1116 gerekliliklerine uygun kopolimer fiberlerin fiziksel özellikleri Tablo 5 te verilmektedir. Tablo 5. Deneylerde kullanlan kopolimerin fiziksel özellikleri Malzeme Kopolimer (KP) Renk Gri Form Tekil Fiber Asit/Alkali Direnci Mükemmel Younluk 0.91 Su Emme Yok Çekme Gerilmesi 570 MPa Uygunluk ASTM C-1116 ve CE Uzunluk 54 mm
Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon - 281 - Gri renkte ve sert bir dokuya sahip olan kopolimer fiberler fabrikasyon olarak burulmu bir yapya sahiptir. Deneylerde, bu malzemenin burgular açlarak lifler taker taker ele alnmtr. Bu eskitilmi kopolimer malzemenin yüzeyi bu ilem sonucunda pürüzlü bir yüzeye sahip olmutur. Bu pürüz malzemenin yüzey sürtünmesini arttrmaya yöneliktir. Herhangi bir balayc yapya sahip olmaya kopolimer fiberlerin original ve deforme halleri ekil 1 de görülmektedir. ekil 1. Normal ve deforme edilmi kopolimer fiberler 4. Verilerin Deerlendirilmesi Laboratuvar deneyleri kapsamnda önce yaln numuneler %20, %30 ve %40 rölatif sklk deerlerinde direkt kesme kutusu deneyine tabii tutulmutur. Ardndan bu 3 farkl rölatif sklktaki yaln numune arlkça %0.5, %1 ve %1.5 oranlarnda kopolimer fiberle kartrlmtr. Çalmada toplam olarak 12 farkl numune seti üzerinde deney yaplmtr. Kayma mukavemeti açsnn farkl rölatif sklk ve farkl oranlardaki polimer fiberle karmdan nasl etkilendii aratrlmtr. Deneyler sonucunda elde edilen kayma mukavemeti açlar Tablo 6 da verilmitir. Tablo 6. Kum ve kum-kp karmlarn kayma mukavemeti açs deerleri % Dr Kum Karm (% 0.5 KP) Karm (% 1 KP) Karm (%1.5 KP) 20 28 29 30 32 30 31 32 33 35 40 33 34 35 37 Farkl rölatif sklk deerlerinin ve katk malzemesi oranlarnn kayma mukavemeti açsn nasl etkiledii ekil 2 de gösterilmitir. Rölatif sklk deerinin ve katk malzemesi orannn arttkça kayma mukavemeti açsnn da artt görülmütür. Krlma zarflarnn gösterildii ekil 3 te de kum numunelerinin kayma mukavemetinin kütlece belli oranlardaki kopolimer fiber ile kartrlmas halinde arttrlabilecei görülmütür.
- 282 - Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon Kayma Mukavemeti Açs (º) 39 37 35 33 KP - Dr %20 31 KP - Dr %30 29 KP - Dr %40 27 25 0 0,5 1 1,5 Katk Malzemeleri Oran, (%) ekil 2. Kayma mukavemeti açs ile katk malzemesi yüzdeler arasndaki iliki Kayma Gerilmesi, (kn/m2) 250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 Normal Gerilme, (kn/m2) sade %0.5 KP %1 KP %1.5 KP ekil 3. Zemin ve karmlarn kesme kutusu deneyi sonuçlar Sonuçlar Bir çeit kopolimer malzeme ilave edilerek, yaln haldeki kum zeminin kayma mukavemeti parametrelerinin arttrlmasna yönelik deneysel çalmay içeren bu çalmadan elde edilen sonuçlar aadaki ekilde özetlenebilir. Deney numunelerinden elde edilen veriler, deerlendirmelere göre; Zemin numunesinin rölatif sklnn artmas ile doal olarak zeminin kayma mukavemetini artrd gözlenmitir, Yaln numuneleree kopolimer fiber malzemenin katlmas ile zeminin kayma mukavemetini arttrd saptanmtr, Deney numunelerindeki kopolimer fiber malzemenin kütlece yüzde (%) oranlarnn belirli oranda artmasnn zeminin kayma mukavemeti açsn arttrd gözlemlenmitir,
Takn ve Heyelan Sempozyumu / 24-26 Ekim 2013, Trabzon - 283 - Yaplan 12 deney setinde, en düük kayma mukavemeti açsnn, kum numunenin %20 rölatif sklktaki katk malzemesi katlmam yaln numunenin 28º kayma mukavemeti açsna sahip olduu durumdur, En yüksek kayma mukavemeti açs ise numunenin %40 rölatif sklktaki durumunun kütlece %1.5 kopolimer fiber içerdii 37º kayma mukavemeti sahip olduu durumdur, Yaplan bu çalmada laboratuvarda küçük ölçekli kesme kutusu deney cihaz kullanld için polimer fiberler belli orana dek kullanlabilmitir. Katk malzemesi oran arttkça kayma mukavemeti açsnn artmaya devam edip etmeyecei büyük ölçekli kesme kutusu deney düzenei ile çallmas ileriye dönük aratrlmann bir sonraki aamas olabilir, Sonuç olarak, bu çalma kapsamnda kopolimer (KP) fiberlerin kütlece oranna göre fazla hacim kaplamalar ve günümüzde ekonomik, hafif olmalar nedeniyle kumlu zemin stabilizasyonu çalmalarnda alternatif yöntem olarak kullanlabilecei gözlemlenmitir. Kaynaklar ASTM C-1116, Standard Specification for Fiber-Reinforced Concrete, American SocietY for Testing and Materials, USA Çabalar, A.. ve Çanakci, H. (2011). Direct Shear Tests on Sand Treated with Xanthan gum Ground Improvement, Issue GI2, Pages 57 64 Carraro, J. A. H.; Prezzi, M. ve Salgado, R. (2009). Shear Strength and Stiffness of Sands Containing Plastic or Nonplastic Fines Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ASCE / 116 Keskin, S., Laman, M. (2012). Atk Lastik - Kum Karmlarnn Kayma Mukavemetinin Laboratuar Deneyleriyle ncelenmesi Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlk Fakültesi Dergisi, 27(2), ss. 27-35, Adana Sezer, A. ve dierleri. (2012). Poliprepilen Fiber ile yiletirilen Kumlarn Kayma Direnci Zemin Mekanii ve Temel Mühendislii Ondördüncü Ulusal Kongresi Zaimolu, A.. (2011). Engineering properties of sand stabilised with borogypsum Proceedings of the Institution of Civil Engineers Geotechnical Engineering, Issue GE4, Pages 277 282