Deep soil mixing (DSM) is a method that is commonly employed in the field of civil
engineering construction in order to improve the physical and engineering properties
of weak problematic soils. The process involves penetrating the rotary augers into the
problematic soil and mixing it with different types of binder materials such as cement,
lime-cement or some waste materials, resulting in an increase in the strength and
reduction of compressibility of the soil. This study investigates the strength and
stability of loose sand that has been modified with Portland cement alone and in
combination with different waste replacement materials such as waste brick dust
(WBD) and waste marble dust (WMD) through a series of laboratory tests. The study
aims to develop a design procedure for assessing the highest strength and volume
change in deep soil mixing (DSM) application, considering the factors such as the type
of binder, binder-soil ratio (B/S), water-binder ratio (W/B) and curing time. The study
consists of two parts. The first part includes the determination of the most effective
soil-binder mixtures that will be used in the construction of the DSM columns. The
experimental investigations include sitting time, bulk density, unconfined compression
test, and microscopic image analysis using a stereoscopic microscope. In addition,
stress-strain behavior and modulus of elasticity of the soil-binder mixtures are
analyzed at different curing periods of 7 and 28 days. Second part of the study
evaluates the performance of the DSM columns constructed in the model test tank with
the loose sand placed in it. The behavior and performance of the DSM columns
constructed with using different replacement binder materials (WBD and WMD) and
with different binder-soil ratios (10, 15 and 20) are analyzed in the model test tank by
using one dimensional loading frame. In the study, ex-situ deep soil mixing method is
iv
used for the construction of the DSM columns. From the loading test, the loaddeformation curves are obtained for each binder-soil ratio and the failure modes of the
DSM columns, bearing capacity and subgrade modulus values are obtained. The
findings of the research indicate that utilization of 20% waste brick dust as a
replacement material in a binder-soil ratio of 20% leads to better improvement due to
strong interlocking between the sand particles and the binder materials and results in
higher strength of the DSM columns. Similarly, the optimal replacement percentage
of waste marble dust (WMD) is determined to be 10% at a binder-soil ratio of 20%. In
DSM model reinforced sand, it is observed that the bearing capacity of sand soil is
enhanced in all cases of DSM applications: single and group of ex-situ DSM column.
The columns with WMD exhibit the greatest bearing capacity and subgrade modulus
in both single and group of DSM columns and also in both end-bearing and floating
column application. Overall, the incorporation of WBD and WMD as replacement
materials in loose sand mitigation seems to be a promising technique for improving
the geotechnical properties of such soils and has the potential to generate significant
cost savings and environmental benefits.
ÖZ:
Derin zemin Derin zemin karıştırma (DSM), zayıf problemli zeminlerin fiziksel ve
mühendislik özelliklerini iyileştirmek için inşaat mühendisliği inşaat alanında yaygın
olarak kullanılan bir yöntemdir. Derin zemin karıştırma (DSM), döner burguların
problemli zemine nüfuz etmesini ve çimento, kireç-çimento veya bazı atık maddeler
gibi farklı bağlayıcı malzemelerle karıştırılmasını içerir, bu da toprağın mukavemetini
arttırır ve sıkıştırılabilirliğini azaltır. Bu çalışma, tek başına Portland çimentosu ve atık
tuğla tozu (WBD) ve atık mermer tozu (WMD) gibi farklı atık çimento ikame
malzemeleri ile kombinasyon halinde modifiye edilmiş gevşek kumun mukavemetini
ve stabilitesini bir dizi laboratuvar testiyle araştırmaktadır. Çalışma, bağlayıcı türü,
bağlayıcı-zemin oranı (B/S), su-bağlayıcı oranı (W/B) ve kür süresi gibi faktörleri göz
önünde bulundurarak derin zemin karıştırma (DSM) uygulamasında en yüksek
dayanım ve hacim değişimini değerlendirmek için bir tasarım prosedürü geliştirmeyi
amaçlamaktadır. Çalışma iki bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm, DSM
kolonlarının yapımında kullanılacak en etkili toprak-bağlayıcı karışımlarının
belirlenmesini içermektedir. Deneysel incelemeler arasında oturma süresi, kütle
yoğunluğu, serbest basınç testi ve stereoskopik mikroskop kullanılarak mikroskobik
görüntü analizi yer alır. Ayrıca, 7 ve 28 günlük farklı kür sürelerinde zemin-bağlayıcı
karışımlarının gerilme-deformasyon davranışı ve elastisite modülü analiz edilmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde, model test tankı içerisine yerleştirilen gevşek kum
içerisinde oluşturulan DSM kolonlarının performansı değerlendirilmektedir. Farklı
ikame bağlayıcı malzemeleri (WBD ve WMD) kullanılarak ve farklı bağlayıcı-zemin
oranlarına (10, 15 ve 20) sahip olarak inşa edilen DSM kolonlarının davranışı ve
performansı, tek boyutlu yükleme çerçevesi kullanılarak model test tankında analiz
vi
edilmiştir. Çalışmada DSM kolonlarının yapımında ex-situ derin zemin karıştırma
yöntemi kullanılmıştır. Yükleme testinden, her bağlayıcı-zemin oranı için yükdeformasyon eğrileri elde edilirek DSM kolonlarının göçme modları, taşıma gücü ve
zemin yatak katsayısı değerleri elde edilmiştir. Araştırmanın bulguları, %20 atık tuğla
tozunun %20'lik bir bağlayıcı-zemin oranında ikame malzeme olarak kullanılmasının,
kum parçacıkları ile bağlayıcı malzemeler arasındaki güçlü kenetlenme nedeniyle
DSM sütunlarında daha iyi bir iyileştirmeye yol açtığını ve daha yüksek mukavemetle
sonuçlandığını göstermektedir. Benzer şekilde, atık mermer tozunun (WMD) optimum
ikame yüzdesi, %20'lik bir bağlayıcı-zemin oranında %10 olarak belirlenmiştir. DSM
model donatılı kumda, DSM uygulamalarının tüm durumlarında: tek ve grup ex-situ
DSM kolonu, kum zeminin taşıma gücünün arttığı gözlemlenmiştir. WMD'li sütunlar,
hem tekli hem de gurup DSM sütunlarında ve ayrıca hem uç taşıyıcı hem de yüzer
sütun uygulamasında en yüksek taşıma kapasitesini ve yatak katsayısı değerlerini
sergiler. Genel olarak, WBD ve WMD'nin gevşek kum iyileştirmesinde ikame
malzemeler olarak kullanılmaları, bu tür zeminlerin geoteknik özelliklerini
iyileştirmede umut verici bir teknik gibi görünmektedir ve önemli maliyet tasarrufları
ve çevresel faydalar sağlama potansiyeline sahiptir.
