An Investigation of the Freezing Resistance in Liquefiable Soil Containing Gel

Abstract

The liquefaction phenomenon may originate in fine sandy - silty type of soils subjected to dynamic effects, low plasticity clays and even in soils with gravels based on the magnitude of applied acceleration. The mechanical or chemical soil improvement techniques have been used to prevent this problem. The mixing or grouting operations of sodium polyacrylate, which has a high-water absorption capacity, is one of the chemical soil improvement techniques. The frost behavior of this material, which turns into a gel form when react with the water in the environment, is not known in the permafrost areas. Within this purpose, sandy specimens including 5.00%, 10.00%, 15.00%, and 20.00% sodium polyacrylate gel as well as reference ones, were frozen at −20C° and unconfined compression tests were applied. Moreover, the tests were repeated for additional specimens containing 5.00% bentonite clay by weight. Although the unconfined compressive strength of all samples improved according to the increase in the amount of water with the gel content, about 14.00% lower values were obtained in specimens containing bentonite. On the other hand, the unit strain values of frozen samples without bentonite increased, while reduction observed in samples with bentonite. The viscous structure, that is in gel form inside the soil, dissipates volume increase during the freezing process and prevents the frost heave problem. However, the loss of bearing capacity should be considered in case of insufficient saturation in liquefaction sensitive sandy soils improved with sodium polyacrylate.

Keywords

• Freezing Resistance
• Unconfined Compressive Strength
• Liquefaction
• Bentonite
• 3D Printer

Project Number

219M397 numaralı 1001 projesi ve ilgili projedeki 2247-C STAR programı

Jel İçeren Sıvılaşabilir Zeminde Donma Direncinin İncelenmesi

Abstract

Dinamik etkilere maruz kalan ince kumlu-siltli zeminlerde, düşük plastisiteli killerde ve hatta gelen ivmenin büyüklüğüne bağlı olarak çakıllı zeminlerde dahi sıvılaşma olayı meydana gelebilmektedir. Bu sorunu önlemek amacıyla mekanik veya kimyasal zemin iyileştirme teknikleri kullanılmaktadır. Yüksek su emme kapasitesine sahip sodyum poliakrilatın zemine karıştırılması veya enjeksiyonu da kimyasal zemin iyileştirme tekniklerindendir. Ortamdaki su ile etkileşime girdiğinde jel forma dönüşen bu malzemenin, dona maruz kalan bölgelerde zemin içerisinde donması durumundaki davranışı bilinmemektedir. Bu amaçla, referans numuneleriyle birlikte %5,00, %10,00, %15,00 ve %20,00 oranlarında sodyum poliakrilat jeli içeren kumlu zemin numuneleri −20℃’de dondurulmuş ve serbest basınç deneyi uygulanmıştır. Ayrıca, kumlu numunelere ağırlıkça %5,00 oranında bentonit kili eklenerek deneyler tekrarlanmıştır. Jel içeriğiyle birlikte su muhtevasının artmasına bağlı olarak tüm numunelerin serbest basınç dayanımları artmasına rağmen, bentonit içeren numunelerde ortalama %14,00 daha düşük değerler elde edilmiştir. Diğer taraftan bentonit içermeyen donmuş numunelerde genel olarak birim şekil değiştirme değerleri artarken, bentonitli numunelerde azalmaktadır. Zemin içerisinde jel formda olan viskoz yapı, donma işlemi sırasında meydana gelen hacim artışını sönümleyerek donma kabarması sorununu engellemektedir. Ancak, sodyum poliakrilat ile iyileştirilen sıvılaşmaya karşı hassas kumlu zeminlerde yetersiz doygunluk durumunda taşıma kapasitesi kayıplarının dikkate alınması gerekmektedir.

Keywords

• Donma Direnci
• Serbest Basınç Dayanımı
• Sıvılaşma
• Bentonit
• 3B Yazıcı

Supporting Institution

Tübitak

Project Number

219M397 numaralı 1001 projesi ve ilgili projedeki 2247-C STAR programı

Thanks

Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından kabul edilen 219M397 numaralı 1001 projesi ve ilgili projedeki 2247-C STAR programı kapsamında desteklenmiştir.

References

1. Özbakan, N. (2021). Sodyum poliakrilat ve geçirimsiz tabaka uygulamalarının zemin sıvılaşma potansiyeline etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir.
2. Güler, Ö. F., Özbakan, N., & Evirgen, B. (2021). Aşırı boşluk suyu basıncının sönümlenmesi için sodyum poliakrilat uygulamalarının değerlendirilmesi. 6. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı. 13-15 Ekim, Kocaeli.
3. Evirgen, B., Onur, M. I., Tuncan, M., & Tuncan, A. (2014). Determination of the freezing effect on unconfined compression strength and permeability of saturated granular soils. Fourth International Conference on Geotechnique, Construction Materials and Environment. 19-21 November, Brisbane, 300-304.
4. Zhao, X., Zhou, G., & Wang, J. (2013). Deformation and strength behaviors of frozen clay with thermal gradient under uniaxial compression. Tunnelling and Underground Space Technology, 38, 550-558.
5. Zhang, Z., Zhang, H., Zhang, J., & Chai, M. (2019). Effectiveness of Ionic Polymer Soil Stabilizers on Warm Frozen Soil. KSCE Journal of Civil Engineering, 23, 2867-2876.
6. Li, F., Su, L., Wan, H., Niu, F., & Ling, X. (2021). Experimental investigation on dynamic characteristics of sandy gravel infrozen region. Cold Regions Science and Technology, 185,103251.
7. Keskin, S. N., Sungur, A., Akan, R., & Uzundurukan, S. (2017). İnce daneli zeminlerde katkı maddelerinin ve donma-çözülme çevriminin serbest basınç dayanımına etkisi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 5, 473-478.
8. Yu, W., Lai, Y., Zhang, X., Zhang, S., & Xiao, J. (2004). Laboratory investigation on cooling effect of coarse rock layer and fine rock layer in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology,38, 31-42.

9. Thornley, J. D., & Moran, N. (2017). Estimating liquefaction potential of thawing permafrost soils, an evaluation of frozen and recently thawed soils. Congress on Technical Advancement 2017: Cold Regions Engineering, 141-150.
10. TS 1900-1. (2006). İnşaat mühendisliğinde zemin laboratuvar deneyleri-Bölüm 1: Fiziksel özelliklerin tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Bakanlıklar, Ankara.
11. ASTM D2487-17e1. (2017). Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System), West Conshohocken, USA.