Derin karıştırma kolonlarının performansını etkileyen faktörlerin model deneylerle araştırılması

Abstract

Bu tez çalışması ile killi bir zeminde imal edilen uçucu kül katkılı derin karıştırma kolonlarının (DKK) performansını etkileyen parametreler araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar, derin karıştırma makinesiyle imal edilen kolonlar (büyük ölçekli DKK) ve mikserle hazırlanan zemin-enjeksiyon karışımları (küçük ölçekli DKK) üzerinde yürütülmüştür. Deneysel çalışmaların tasarımı Taguchi yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Her bir araştırma alanında ve ilgili kür süreleri sonunda DKK'nın performans değerleri belirlenerek elde edilen sonuçlar S/N ve çok değişkenli varyans analizleri (ANOVA) ile değerlendirilmiş, regresyon analizleri ile matematiksel modeller kurulmuş, sonrasında optimizasyon çalışmaları yürütülmüştür. Büyük ölçekli DKK imalatlarının yapılabilmesi için öncesinde homojen ve sürekli DKK oluşumu için gerekli imalat parametreleri araştırılmıştır. Optimum imalat parametreleri olarak; çimento dozajı 325 kg/m3, karıştırma bıçaklarının dönme hızı 80 devir/dk, enjeksiyon deliklerinin çapı 3 mm ve zeminin likitlik indisi 1 şeklinde belirlenmiştir. Uçucu kül katkılı DKK tasarımlarında 7, 28 ve 56 gün kür süreleri sonunda DKK'nın serbest basınç (qu) ve üç eksenli basınç dayanımları (quu), zemin iyileştirme derecesi (RI), sıkışma indisi (Cc) ve permeabilite katsayısı (k) değerleri belirlenmiştir. DKK performansının en iyi olduğu durum için optimum imalat parametreleri; bağlayıcı dozajı 425 kg/m3, uçucu kül oranı %40, süper akışkanlaştırıcı katkı oranı %3, su/bağlayıcı oranı 0.8 ve zeminin likitlik indisi 1 olarak belirlenmiştir. DKK uygulamalarında %40 uçucu kül kullanılması ile çimento kullanımı ve enjeksiyon maliyeti %40 oranında azalmış olacaktır. Küçük ölçekli DKK'nın dayanım performansı büyük ölçekli DKK'nın performansına göre qu ve quu değerleri bakımından sırasıyla %40 ve %30 daha fazla iken, konsolidasyon ve permeabilite özelliklerini temsil eden Cc ve k değerlerine göre sırasıyla %20 ve %45 daha az elde edilmiştir. Küçük ve büyük ölçekli DKK tasarımlarında; kür süresi (t), bağlayıcı faktörü (?) ve içeriği (aw) arttığında qu, quu ve RI artarken, Cc ve k azalmaktadır. Karışımın toplam su/bağlayıcı oranı (WT:Wb) ve/veya likitlik indisi (IL,mix) arttıkça qu ve quu azalırken, Cc ve k artmaktadır. DKK performansının en iyi olduğu durum IL,mix=(1.2-1.3)IL olduğunda elde edilmiştir. SEM görüntüleri ile DKK içyapısındaki boşlukların durumu, C-S-H, C-A-H jelleri, CH plakaları ve etrenjit iğnelerinin oluşumu gözlenerek DKK performansı ile ilişkilendirilmiştir. Deneysel ve istatistiki çalışmalardan elde edilen sonuçlar literatürle uyumlu olmuştur.

In the scope of this thesis, parameters affecting the performance of fly ash additive deep mixing columns (DMC) manufactured in a clay soil were investigated. Experimental studies were carried out on columns manufactured with a deep mixing machine (large scale DMC) and soil-slurry mixtures prepared with mixer (small scale DMC). Designs of experiments were organized using the Taguchi method. The results obtained by determining the DMC performance values at each research area and at the end of the relevant curing periods were evaluated with S/N and multivariate variance analysis (ANOVA), and mathematical models were established with regression analysis and then optimization studies were carried out. In order to construct large scale DMC, the manufacturing parameters required for homogeneous and continuous DMC formation were investigated first. Optimum construction parameters were determined as cement dosage is 325 kg/m3, the rotation speed of the mixing blades is 80 rpm, the diameter of the grout nozzles is 3 mm and the liquidity index of the soil is 1. The unconfined compression (qu) and triaxial compressive strengths (quu), soil improvement ratio (RI), consolidation index (Cc) and permeability coefficient (k) values of fly ash additive DMC designs were determined at 7, 28 and 56 days of curing times. Optimum construction parameters for the best performance were determined as the binder dosage is 425 kg/m3, the fly ash ratio is 40%, the superplasticizer ratio is 3%, the water/binder ratio is 0.8 and the liquidity index of the soil is 1. The use of cement and slurry cost will be reduced by 40% by using 40% fly ash in DMC applications. While the strength performance of small scale DMC is 40% and 30% higher in qu and quu values, respectively, compared to the performance of large scale DMC, it is obtained 20% and 45% less in Cc and k values representing consolidation and permeability properties, respectively. In small and large scale DMC designs; when curing time (t), binder factor (?) and content (aw) increase, qu, quu and RI increase, Cc and k decrease. As the total water/binder ratio (WT:Wb) and/or the liquidity index (IL, mix) of the soil-slurry mixture increases, qu and quu decrease, while Cc and k increase. The best condition for DMC performance was obtained when IL,mix was (1.2-1.3)IL. With the SEM images, the condition of the voids and the formation of C-S-H, C-A-H gels, CH plates and etrenjit needles in the microstructure of DMC samples have been investigated and associated with DMC performance. The results obtained from experimental and statistical studies have been compatible with the literature.