Combined Effect of Particle Shape and Relative Size of Coarse-Grained Soils on the Extreme Void Ratios. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF EhabAlfuqaha_(Thesis).pdf Restricted to Repository staff only until 30 June 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الأطروحة دراسة التأثير المشترك لكلٍ من الشكل والحجم النسبي لحبيبات التربة الخشنة الحبيبات على أعلى وأدنى النسب للفراغات في التربة. فعلى الرغم من أن الدراسات السابقة ركزت بصورة رئيسية على تأثير الحجم النسبي بين حبيبات التربة الكبيرة والصغيرة، ونسبة المحتوى الناعم، ونوع هذا المحتوى سواء كان (لدنًا أو غير لدن) على خصائص تراص التربة، إلا أن تأثير تنوع أشكال الجسيمات لم يتم تناوله بشكل صريح ومنهجي . ومن هنا، تُعدّ دراسة تأثير شكل الجسيمات لكل من الحبيبات الناعمة والخشنة على نسب الفراغ القصوى في الترب الطبيعية فجوةً بحثية قائمة. ومن الجدير بالذكر أن معظم الترب الطبيعية تحتوي على نسبة من الحبيبات الناعمة، سواء كانت لدنة أو غير لدنة، بالإضافة إلى تدرج واسع في التوزيع الحجمي وتنوع لا نهائي في التركيب الحبيبي، والأشكال، والأحجام النسبية للجسيمات، مما يجعل خصائص التراص خاضعة لتأثير جميع هذه العوامل مجتمعة. تُسهم هذه الدراسة بشكل فريد في فهم التأثيرات المشتركة لشكل الجسيمات وحجمها النسبي على خصائص التراص في الخلطات الثنائية والترب ذات التدرج الجيد من الحبيبات الخشنة. تم تكوين خلطات ثنائية باستخدام ثلاث فئات حجمية (صغيرة، متوسطة، وكبيرة) وشكلين مختلفين (مدوّرة وزاويّة)، بحيث شملت الخلطات إمّا جسيمات متماثلة الشكل ومختلفة الحجم، أو خلطات تحتوي على تركيبات مختلفة من الشكل والحجم. كما تم تحضير خلطات مدرجة جيدًا مكونة من جسيمات مدوّرة وأخرى زاويّة، وجرى خلطها بنِسَب مختلفة من الجسيمات الصغيرة ذات الأشكال المتباينة (مدوّرة وزاويّة) لتقييم تأثيرها على خصائص التراص لتلك الخلطات. وقد أُجريت التجارب وفقًا للمعيار ASTM D4253 لتحديد الكثافة القصوى، والمعيار ASTM D4254 لتحديد الكثافة الدنيا. أظهرت النتائج أن القيمة الحدية التقليدية للانتقال من مرحلة ملء الفراغات إلى مرحلة الاستبدال الصلب، والتي تُقدّر عادةً في المراجع العلمية ما بين 30% إلى 40%، تتأثر بدرجة الاستدارة للجسيمات الكبيرة والصغيرة. إذ إن زيادة استدارة الجسيمات الكبيرة تؤدي إلى خفض هذه العتبة إلى أقل من 40%، في حين أن زيادة استدارة الجسيمات الصغيرة مقارنةً بالكبيرة تؤدي إلى تجاوز هذه العتبة لقيمة 40%. علاوة على ذلك، فإن إضافة جسيمات صغيرة ذات أشكال مختلفة إلى الخلطات المدرجة جيدًا من الجسيمات المدوّرة أو الزاويّة يؤدي إلى اضطراب مستمر وزيادة مطّردة في نسب الفراغ القصوى عبر جميع نسب المحتوى الناعم (من 0% إلى 100%)، بدلاً من أن تعمل على ملء الفراغات، وكان هذا التأثير أكثر وضوحًا عند استخدام الجسيمات الصغيرة الزاويّة. كما تُسهم هذه الدراسة في تطوير نموذج تنبؤي يقدّر نسب الفراغ القصوى للخلطات الثنائية والخلطات جيدة التدرج استنادًا إلى معايير شكل الجسيمات (مثل درجة التدوير ونسبة الطول إلى العرض) لكل من الحبيبات الكبيرة والصغيرة، بالإضافة إلى أحجامها النسبية. وأخيرًا، تم اقتراح تطبيقات هندسية عملية واتجاهات مستقبلية للبحث، استنادًا إلى النتائج الرئيسة لهذه الدراسة، وذلك بهدف دعم تطبيقات هندسية أكثر فعالية وتشجيع المزيد من الأبحاث حول تفاعلات الجسيمات على المستوى الدقيق في خلطات التربة الخشنة الحبيبات.

English Abstract

This thesis explores the combined effect of particle shape and relative size of the coarse-grained soils on the extreme void ratios. While previous research efforts primarily focused on the influence of the relative size between large and small fractions, the percentage of fine content, and the type of fine content (plastic or non-plastic) on soil packing properties, the effect of mixed particle shape is not investigated in an explicit and systematic manner. Therefore, understanding how particle shapes of the fine and coarse fractions affect extreme void ratios of natural soil is a research gap. It is worth noting that most natural soils contain an amount of plastic or non-plastic fines and particles with a wide range of gradation and infinite variety of grain composition, shapes, and relative sizes. As a result, the packing properties are influenced by all these factors. This study uniquely contributes to understanding the combined effects of particle shape and relative size on the packing properties of binary and well-graded coarse-grained soil mixtures. In this work, binary mixtures were formed using three different sizes (small, medium, and large) with two shapes (rounded and angular), creating mixtures with either identical shape but varying sizes or different combinations of size and shape. Well-graded rounded and angular mixtures were also prepared using both rounded and angular shape particles and mixed with variable proportion of small-sized particles of different shapes (rounded and angular) to assess their impact on the packing properties of the well-graded mixtures. Testing was conducted according to ASTM D4253 for maximum density and ASTM D4254 for minimum density. The results reveal that the normal threshold value from void filling to solid replacement, identified in previous literature as being between 30 percent and 40 percent, is influenced by the roundness of both the larger and smaller particles. Increasing the roundness of larger particles lowers this threshold to below 40 percent, while increasing the roundness of smaller particles relative to the large particles pushes the threshold above 40 percent. Furthermore, the addition of small-sized particles with varying shapes to both well-graded rounded and angular mixtures leads to a consistent disruption and continuous increase in the extreme void ratios across all fine content percentages from 0 percent to 100 percent rather than void filling in these mixtures, with a more pronounced effect for small-size angular particles. Additionally, this research contributes to the development of a predictive model that estimates the extreme void ratios of binary and well-graded mixtures based on the shape parameters (roundness and aspect ratio) of both small and large particle fractions, as well as their relative sizes. Finally, practical implications and future research directions have been proposed based on the key findings of this thesis, aiming to guide more effective engineering applications and encourage further exploration into particle-scale interactions in coarse-grained soil mixtures.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Shammari, Ammar
Committee Members:	Aziz, Mubashir and Naqvi, Syed Umair
Depositing User:	IHAB ALFUQAHA (g202314630)
Date Deposited:	01 Jul 2025 05:56
Last Modified:	01 Jul 2025 05:56
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143592