On some of the factors influencing the engineering properties of improved clayey soils

Abstract

Alternative materials and techniques are constantly being investigated within the scope of innovative solutions for the construction of earth structures. Improvement of soft soils for the structures, such as subgrades of highway embankments and shallow foundation soils, can be critical for implementing sustainable and economic applications, especially in the cases where alternative materials are used in soft soils. During this thesis, the high plasticity clay was mixed with class C fly ash which is a recycled material, and two different synthetic fibers in order to stabilize clayey soil. Furthermore, fly ash combined with each copolymer and polypropylene fiber was added to the high plasticity clay to observe more effective improvement. In this thesis, findings from both laboratory and numerical analysis executed with particular emphasis on the use of mentioned alternative materials were represented. First, the compaction and unconfined compression tests were performed on all mixtures. On the other hand, the influence of adding alternative materials to high plasticity clayey soil was studied from analytical aspects by modifying and suggesting new versions of the Duncan-Chang hyperbolic model for the unconfined compression test results. After gathering the unconfined compression test results of mentioned mixtures, the initial tangent modulus (Ei) and the tangent modulus at half of the maximum stress (Et50) were found using the modified Duncan-Chang model. Then, the secant modulus at failure point (Esf) and the secant modulus at half of the maximum stress (Es50) were determined by suggested new equations in terms of the initial tangent modulus and the tangent modulus at half of the maximum stress. The relationship between each soil moduli and the unconfined compression strength of all tested samples were also presented. Finally, obtained soil moduli values of high plasticity clay mixtures improved that mentioned alternative materials and increased the strength and load-deformation properties of high plasticity clayey soil with different percentages.

Toprak yapıların inşası için yenilikçi çözümler geliştirme kapsamında sürekli alternatif malzeme ve teknikler araştırılmaktadır. Başta dayanımları olmak üzere elverişsiz mühendislik özelliklerine sahip olan yumuşak zeminlerin tekrar tasarlanarak geliştirilmesi zemin iyileştirme olarak tanımlanmaktadır. Zemin boşluklarının çeşitli bileşimdeki karışımlarla doldurularak zemin boşluk oranının azaltılması zemin iyileştirme yöntemlerinin temel amaçlarındandır. Otoyol dolgularının zeminleri ve yüzeysel temellerin zeminleri gibi yapılar için, özellikle alternatif malzemelerin kullanıldığı durumlarda yumuşak zeminlerin iyileştirilmesi sürdürülebilir ve ekonomik uygulamaların sağlanması için kritik olabilmektedir. Sonuç olarak, alternatif malzemelerle zayıf mühendislik özelliklerine sahip mevcut zeminin belirli oranlarda karıştırılması, sıkça kullanılan, maliyet ve zaman açısından büyük tasarruflara sebep olan bir yöntem olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma boyunca, yüksek plastisiteli kil, geri dönüştürülmüş bir malzeme olan C tipi uçucu kül ve iki farklı sentetik fiber ile killi zemini stabilize etmek için karıştırılmıştır. Ayrıca, hem kopolmer hem de polipropilen ile ayrı ayrı birleştirilmiş uçucu kül, daha verimli bir zemin iyileştirmesi gözlemlemek için yüksek plastisiteli kile karıştırılmıştır. Bu çalışmada, hem ekonomik hem de çevresel etkiler açısından azalmaya sebep olan bahsedilen alternatif malzemelerin kullanımına özel vurgu yapılarak uygulanan laboratuvar ve sayısal analizlerden elde edilen bulgular gösterilmiştir. Öncelikle, kompaksiyon ve serbest basınç deneyleri tüm karışımlar üzerinde uygulanmıştır. Bir diğer yandan, Duncan-Chang hiperbolik modeli serbest basınç deney sonuçları için modifiye edilerek ve yeni formüller önerilerek, yüksek plastisiteli killi zeminlere alternatif malzemeler eklenmesinin etkisi analitik yönlerden incelenmiştir. Bahsedilen karışımların serbest basınç deney sonuçları toplandıktan sonra, başlangıç tanjant modülü (Ei) ve maksimum aksiyel gerilmenin yarısındaki tanjant modülü (Et50) modifiye edilmiş Duncan-Chang modeli kullanılarak bulunmuştur. Sonrasında, göçme noktasındaki sekant modülü (Esf) ve maksimum aksiyel gerilmenin yarısındaki sekant modülü (Es50), başlangıç tanjant ve maksimum aksiyel gerilmenin yarısındaki tanjant modülleri cinsinden önerilen yeni formüller ile saptanmıştır. Deneye tabii tutulmuş tüm numuneler için, her bir zemin modülü ile serbest basınç dayanımı arasındaki ilişki ayrıca sunulmuştur. Son olarak, yüksek plastisiteli kil karışımlarının elde edilmiş zemin modül değerleri doğrultusunda, bahsedilen alternatif malzemelerin yüksek plastisiteli killi zeminin mukavemetini ve yük-deformasyon özelliklerini farklı yüzdelerde arttırdığı tespit edilmiştir.