A UNIVERSAL NANO-LEVEL CONSTITUTIVE (MECHANO-VOLUME CHANGE) MODEL FOR SWELLING CLAYEY SOILS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 201805320_PhD_Thesis - 02.pdf Restricted to Repository staff only until 3 January 2025. Download (10MB)

Arabic Abstract

تُظهر المعادن الطينية الموجودة في التربة والصخور تغيرًا كبيرًا في الحجم عند التعرض للماء، ويصبح هذا السلوك أكثر تعقيدًا عندما تتعرض الطبقات للضغط بسبب الأحمال الهندسية والبيئية. لذلك، فإن التنبؤ الواقعي بالسلوك الهيدروميكانيكي للتربة المتضخمة يمثل دائمًا تحديًا بسبب استجابتها الميكانيكية للانتفاخ في حالات كثيرة مثل: المشاكل الهندسية الجيوتقنية والجيو بيئية، تخزين النفايات النووية في المستودعات المصنوعة من الطين، إستخراج الغاز الصخري. وغيرها من استخدامات الطين في الصناعة التحويلية. جميع نماذج السلوك الحالية لها تطبيقات مقيدة في الهندسة وغيرها من التطبيقات المختلفة وذلك يرجع أساسًا إلى الاعتبار الجزئي لبنية ونسيج التربة المعرض للانتفاخ في صياغة النموذج. في هذه الدراسة، تمت صياغة نموذج للسلوك الهيدروميكانيكي باستخدام المعامل المأخوذة من عمليات المحاكاة على المستوى الجزيئّي ونمذجة تغير الحجم وسلوك الإجهاد والانفعال للتربة المنتفخة. تم إجراء الميكانيكا الجزيئّية والمحاكاة الديناميكية الجزيئّية على التركيب الطبيعي للتربة المنتفخة المحضرة باستخدام تقنية ما تسمى (تقنية مونت كارلو (Monte Carlo technique . يمكن للنموذج الحسابي الذي تم تطويره من نتائج المحاكاة، التنبؤ بالسلوك الهيدروميكانيكي العام للتربة المنتفخة لجميع التركيبات الممكنة من المعادن سوا كانت المعادن المكونة او غير المكونة للطين أو الأملاح المسببة لتماسك بنية التربة / الصخور أوالضغوط المحصورة أو مستويات الإجهاد المستحثة. تم التحقق من صحة النموذج المطور بنجاح من خلال الاختبارات المعملية والميدانية على التربة المنتفخة في كل من المناطق المرنة وغير المرنة لسلوك الإجهاد والانفعال. بالإضافة إلى نوعين من التربة المنتفخة(MX-80 وFEBEX Bentonite). الموجودة في المقالات السابقة ، مما يدعم صحة ودقة نموذج المحاكاة الذي تم إنشاؤه.

English Abstract

Clay minerals in soils and rocks exhibit large volume change upon exposure with water and this behavior becomes even more complex when the strata are being stressed by the engineering and environmental loads. Therefore, a realistic prediction of the hydro-mechanical behavior of the swelling soils is always a challenge due to their coupled swelling-mechanical response in the cases of geotechnical and geoenvironmental engineering problems, nuclear waste storage in clay-bearing rock repositories, shale gas extraction, and other uses of clay in the manufacturing industry. All the existing behavior models have restricted applications in engineering and other fields of practice mainly due to the partial consideration of the structure and fabric of swelling soils in the model formulation. In this study, a hydro-mechanical behavior model was formulated using the parameters acquired from the molecular-level simulations and modeling of the volume change and stress-strain behavior of the swelling soils. The molecular mechanics and molecular dynamic simulations were performed on the natural structure of the swelling soils formulated using the Monte Carlo technique. The mathematical model, developed from the simulation results, can predict the overall hydro-mechanical behavior of swelling soils for all possible combinations of clay minerals, non-clay minerals, salts causing cementation of the soil/rock structure, confining pressures, and the induced strain levels. The developed model has successfully been validated through laboratory and field testing on the swelling soils in both the elastic and elastoplastic regions of the stress-strain behavior and also from the data of two (02) swelling clays (MX-80 and FEBEX Bentonite) from the existing literature, supporting the universal nature of the developed behavior model.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Prof. Omar S. Baghabra, Al-Amoudi
Committee Members:	Dr. Habib ur Rehman, Ahmed and Prof. Naser Abdul Rahman, Al-Shayea and Prof. Tawfik A. Saleh, Awadh
Depositing User:	MUHAMMAD ABDUL WAHEED (g201805320)
Date Deposited:	04 Jan 2024 07:41
Last Modified:	04 Jan 2024 07:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142730