KFUPM ePrints

Molecular Level Modeling of Natural and Compacted Expansive Clays

l Molecular Level Modeling of Natural and Compacted Expansive Clays. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF - Submitted Version
Restricted to Abstract Only until 01 February 2017.

18Mb

Arabic Abstract

تعتبر التربة الطينية القابلة للانتفاخ والسائدة على نطاق واسع كأحد المواضيع الاكثر تحديا في الجيوتقنية، الجيوبيئية ، هندسة البترول، والزراعة، والمجالات الدوائية. هذه الطين او التربة تتعرض لتغير في الحجم نتيجة تغيير في الرطوبة، مما يؤدي الى مشاكل استقرار الهياكل التي تأسست على مثل هذه الطبقات. هذا الطين القابل للانتفاخ يتوجد بشكل كبير في المملكة العربية السعودية ويتركز معظمها في المدن السكنية. وتتعتبر الحلول والصيغ التجريبية والاختبارية القائمة والمستخدمة للتنبؤ باحتمالية الانتفاخ لهذا النوع من الطين او التربة غير قادرة على توفير الفهم الشامل للتغيرات المحتملة في نسيج وهيكل التربة الطبيعي والمدموك. تلعب عمليات النانو أو الجزيئات دورا محوريا في تغيير السلوك الحجمي للطين المنتفخ، والذي يكون فقط في السلوك الحالي للنموذج و يفتقر إلى دمج النسيج الطبيعي للطين مع المعادن الطينية المتعددة، والطمي و شوائب الرمل، الصدوع صغيرة، والاسمنتية، وعالية التصلب، والميزات الأخرى. يتكون هذا البحث من أربعة مستويات رئيسية للتغلب على هذه التحديات؛ (أ) اختبار المستوى الكلي، (ب) التصوير والتحليل علي المستوى الجزئي، (ج) المحاكاة الجزيئية، و (د) النموذج الاساسي. ان النمذجة الجزيئية للسلوك الانتفاخي تم عملة باستخدام مفاهيم الميكانيكا الجزيئية (MM)، والديناميك الجزيئية (MD)، و تقنية محاكاة مونت كارلو (MC). وجمعت نتائج المحاكاة الجزيئية المتعلقة ب CECs المختلفة، الرطوبة ،الكثافة ،الكاتيونات القابلة للاستبدال، تاثير المواد الاسمنتية لتشكيل نموذج النانو وذلك لتحديد إمكانية انتفاخ التربة الطينة القابلة للانتفاخ. تم العثور على ان استخدام نموذج النانو للتنبؤ على إمكانية الانتفاخ، والكثافة الجافة النهائية، ومحتويات الرطوبة النهائية قريبة جدا للنتائج الحاصل عليها للعينات التي تم اختبرها في المعمل. ولذلك، فإن السطوح والمعادلات التأسيسية المستنتجة يمكن استخدامها بشكل شامل للترب الانتفاخية مع كل من الطين وغير الطين المعدني و احتمالية المزيج الممكن من CEC، ومحتوى الماء، والكثافة، ومجموع الكاتيونات، والكاتيونات القابلة للاستبدال. هذا النموذج يمكن تطبيقه لسلوك الطين او التربة في المجالات الاخرى بما في ذلك الجيوبيئية ، والمستحضرات الدوائية، والزراعة، والجيولوجيا، وهندسة البترول.

English Abstract

Expansive clays are widely prevalent as one of the most challenging subjects in geotechnical, geoenvironmental, petroleum engineering, agriculture, and pharmaceutical fields. These clays/soils undergo significant volume change with a change in the moisture regime, thereby posing problems to the stability of the structures founded on such strata. Expansive clays are also commonly present in Saudi Arabia and concentrate mostly in the populated cities. Empirical and experimental based solutions and formulae to predict the expansive potential of these clays/soils have not been able to provide a comprehensive understanding for possible variations in the fabric and structure of the natural and compacted environments. Nano or molecular level processes, considered to play a central role in the volume change behavior of the expansive clays, is only partially considered in the current behavior models and even this partial consideration lacks the incorporation of natural clay fabrics with multiple clay minerals, silt and sand inclusions, micro fissures, cementation, over-consolidation, induration, and other such features. This research constituted four major levels of activities to encompass such challenges; (i) macro level testing, (ii) micro level imaging and analysis, (iii) molecular level simulations, and (iv) constitutive modeling. Molecular scale modeling of the swelling behavior was carried out using the concepts of molecular mechanics (MM), molecular dynamics (MD), and Monte Carlo (MC) simulation techniques. The results of the molecular level simulations pertaining to different CECs, moisture, density, exchangeable cations, and cementation effects were compiled to form a nano model to determine the swelling potential of expansive clays. Swell potential, final dry densities, and final moisture contents predictions using the nano model have been found very close for the results from laboratory control samples. Therefore, the developed constitutive surfaces and equations can be comprehensively used for the expansive soils with both clay and non-clay minerals and all possible combinations of CEC, water content, density, total cations, and exchangeable cations. These models can also be applied to the clay/soil behavior in other fields including geoenvironmental, pharmaceutical, agriculture, geology, and petroleum engineering.



Item Type:Thesis (PhD)
Subjects:Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Divisions:College Of Engineering Sciences > Civil Engineering Dept
Committee Advisor:Abduljauwad, S. N.
Committee Co-Advisor:Dogan, A. U.
Committee Members:Hussein, I. A. and Baluch, M. H. and Abdulwahab, H. I.
ID Code:139417
Deposited By:AHMED HABIB-UR-REHMAN (g199302940)
Deposited On:11 Jan 2015 11:03
Last Modified:02 Feb 2015 11:16

Repository Staff Only: item control page