Investigating the Potentials of Utilizing Recycled Construction Materials in Stone Columns. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Completed and approved Thesis) Complete and Approved Thesis G202205040.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 27 July 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

تُعد الأعمدة الحجرية من أكثر طرق تحسين التربة فعالية في تعزيز قدرة التحمل وتقليل الهبوط في الترب الطرية. في الآونة الأخيرة، ظهر استخدام ركام الخرسانة المعاد تدويره (RCA) كمادة بديلة واعدة في الأعمدة الحجرية، لما يوفره من فوائد بيئية واقتصادية. ومع ذلك، لا تزال أداؤه مقارنة بالركام الطبيعي غير مدروس بشكل كافٍ. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم ملاءمة ركام الخرسانة المعاد تدويره في تطبيقات الأعمدة الحجرية من خلال التجارب المخبرية والنمذجة العددي ة . أظهرت التجارب المخبرية أن للركام المعاد تدويره خصائص ميكانيكية مشابهة للركام الطبيعي، مع اختلافات بسيطة في بعض الخصائص الرئيسية. بلغت قيمة تفتت الركام المعاد تدويره 25 %، وهي أعلى قليلاً من قيمة الركام الطبيعي البالغة 22 %. كما أظهر ركام الخرسانة المعاد تدويره مقاومة أفضل للصدمات، حيث بلغ مؤشر الصدمات 20.3 % مقارنة ب 21.5 % للركام الطبيعي. وأشارت اختبارات الدمك إلى سلوك مشابه، حيث بلغ أقصى كثافة جافة للركام المعاد تدويره 1560 كجم/م ³ مقارنة ب 1586 كجم/م ³ للركام الطبيعي . تم إجراء اختبارات تحميل لوحي على ثلاث حالات: رمل غير معالج، ورمل مدعّم بأعمدة حجرية من الركام الطبيعي، ورمل مدعّم بأعمدة حجرية من ركام الخرسانة المعاد تدويره. وقد تم تحميل جميع الأعمدة تدريجيًا حتى الوصول إلى هبوط مقداره 60 مم. أظهرت الأعمدة الحجرية من كلا النوعين تحسنا ملحوظا في قدرة التحمل مقارنة بالتربة غير المعالجة. عند هبوط 50 مم، زادت الأعمدة من الركام الطبيعي قدرة التحمل بنسبة 46.9 % لتصل إلى 26.37 كيلوباسكال، في حين حققت أعمدة الركام المعاد تدويره تحسنا أكبر بنسبة 58.8 % لتصل إلى 28.50 كيلوباسكال. وقد لوحظت اتجاهات مماثلة عند هبوط 25 مم، حيث قدمت أعمدة الركام المعاد تدويره تحسنا بنسبة 50.2 % مقارنة ب 22.9 % للأعمدة الطبيعية . تم إجراء محاكاة عددية باستخدام نمذجة العناصر المحدودة لدراسة سلوك الأعمدة الحجرية بشكل أعمق، واستكشاف تأثيرات مختلف معايير التصميم. تم معايرة النموذج العددي ليتطابق مع النتائج التجريبية، وكانت الفروقات في قدرة التحمل المتوقعة أقل من 3%. أظهرت التحليلات أن طول العمود يؤثر بشكل كبير على الأداء، حيث كانت أفضل النتائج عند أطوال تتراوح بين 4 إلى 6 أضعاف قطر العمود. كما أدى تأثير المجموعة إلى تقليل الكفاءة بنسبة تصل إلى 26 % عند التباعد النموذجي بمقدار 1.5 ضعف القطر. ولعبت سماكة الطبقة العلوية دورًا أيضًا: حيث أدت الأعمدة من الركام الطبيعي إلى أفضل أداء عند استخدام طبقة بسماكة 20 مم، بينما وصلت أعمدة الركام المعاد تدويره إلى أداء مثالي بدون طبقة . كما تناولت الدراسة تأثيرات التركيب باستخدام نمذجة عددية ثلاثية الأبعاد بالاعتماد على رمال وترب سبخة من المنطقة الشرقية في المملكة العربية السعودية. أظهرت النتائج أن تمدد التجويف يزيد بشكل كبير من الضغط الجانبي وصلابة التربة. ففي الرمل، ارتفع معامل الضغط الجانبي (K) ليصل إلى 3.7 ، بينما ارتفع في السبخة إلى 2.9 . كما زادت الصلابة (E) بنسبة تصل إلى 70 % في الرمل، على الرغم من أن التحسن توقف بعد توسع بنسبة 25 %. أما في السبخة، فكان التحسن في الصلابة محدودًا بنسبة 20 %. كما أظهرت الأعمدة الأقصر قيما أعلى لمعامل K ؛ ففي الرمل انخفضت القيم من 3.3 لعمود بطول 4 أمتار إلى 1.35 لعمود بطول 12 مترًا، وفي السبخة انخفضت من2.7 إلى 0.9 . وتحسنت الصلابة بنسبة 35 – 65 % في الرمل ولكن بحوالي 10 % فقط في السبخة. كما أن تغيير صلابة التربة المحيطة لم يكن له تأثير كبير، خاصة في السبخة. وقد كانت أفضل نسب لتوسع التجويف تتراوح بين 2 – 10 % للرمل و 6 – 10 % للسبخة، وكانت قيم K الناتجة أعلى من تلك المسجلة عادةً في طرق التحسين الأخرى . أكدت المحاكاة المتقدمة ثلاثية الأبعاد أن حتى التوسعات الصغيرة للتجويف ) 2 – 10 %( يمكن أن تحسن الأداء بشكل كبير. وأدت ظروف التركيب العملية إلى زيادة قدرة التحمل بنسبة 132.7 % في الرمل و 65.9 % في السبخة. وتم تحقيق أقصى تحسين عند نطاقات توسع أكبر، حيث بلغت الزيادة 442.8 % في الرمل و 151.6 % في السبخة. وتُظهر هذه النتائج أن أخذ تأثيرات التركيب في الاعتبار يؤدي إلى تنبؤات أكثر دقة وتحسين التصميم. كما أظهر الرمل حساسية أكبر لمعلمات التركيب مقارنة بالسبخة، مما يبرز أهمية اتباع نهج تصميم خاص بنوع التربة. وبشكل عام، تؤكد الدراسة صلاحية ركام الخرسانة المعاد تدويره كمادة فعالة في الأعمدة الحجرية، وتُبرز أهمية مراعاة تأثيرات التركيب في التصميم والتحليل. ويوصى بإجراء تحقق ميداني لدعم التطبيق العملي لهذه النتائج . بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تقييم دورة الحياة (LCA) لمقارنة الأثر البيئي لكل من الركام الطبيعي والمعاد تدويره. وعلى الرغم من أن الأدبيات تميل إلى تفضيل ركام الخرسانة المعاد تدويره من حيث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واستهلاك المياه، إلا أن هذه الدراسة وجدت أن الركام الطبيعي أدى بشكل أفضل في كلا الجانبين ضمن الظروف المحلية، ويُعزى ذلك بشكل رئيسي إلى مسافات النقل الطويلة والطاقة العالية المطلوبة لمعالجة الركام المعاد تدويره. قد تكون هذه النتائج متأثرة أيضًا بمحدودية البيانات المتوفرة، حيث اعتمدت الدراسة على قواعد بيانات أوروبية تم تعديلها بشكل تقريبي لتتناسب مع ظروف المملكة. ومع ذلك، لا يزال ركام الخرسانة المعاد تدويره يتمتع بميزة واضحة من حيث الحفاظ على الموارد الطبيعية، كونه يعيد استخدام المخلفات ويقلل الحاجة إلى الاستخراج الأولي. وتؤكد هذه النتائج أهمية تطوير قواعد بيانات محلية وتحسين دقة البيانات الإقليمية لتحقيق مقارنات أكثر موثوقية في تقييمات الاستدامة المستقبلية . الكلمات المفتاحية: عمود حجري، ركام طبيعي، ركام خرسانة معاد تدويره، تأثيرات التركيب، الهبوط، تقييم دورة الحياة

English Abstract

Stone columns are one of the most effective ground improvement methods for enhancing the bearing capacity and reducing settlement of soft soils. Recently, recycled concrete aggregate (RCA) has emerged as a promising alternative material for stone columns, offering both environmental and economic benefits. However, its performance compared to natural aggregate remains insufficiently studied. This research investigates the suitability of RCA in stone column applications through physical testing and numerical modeling. Laboratory tests demonstrate that RCA has mechanical properties comparable to natural aggregate, with only minor differences in key characteristics. The aggregate crushing value of RCA was 25%, slightly higher than the 22% recorded for natural aggregate. RCA also showed better resistance to impact, with an aggregate impact value of 20.3% compared to 21.5% for natural aggregate. Compaction tests indicated similar behavior, with RCA reaching a maximum dry density of 1560 kg/m³ compared to 1586 kg/m³ for natural aggregate. Plate load tests were conducted on three configurations: untreated loose sand, sand reinforced with natural aggregate stone columns, and sand reinforced with RCA stone columns. All columns were loaded incrementally up to 60 mm settlement. Both types of stone columns significantly improved bearing capacity over untreated soil. At 50 mm settlement, natural aggregate columns increased the stress capacity by 46.9%, reaching 26.37 kPa, while RCA columns showed a higher improvement of 58.8%, reaching 28.50 kPa. Similar trends were observed at 25 mm settlement, with RCA columns providing a 50.2% improvement compared to 22.9% for natural aggregate columns. Numerical simulations using finite element modeling were conducted to further examine stone column behavior and to explore the effects of various design parameters. The numerical model was calibrated to match experimental results, with predicted bearing capacities within 3% of measured values. The analysis showed that column length strongly influences performance, with the best results achieved at lengths 4–6 times the column diameter. Group effects reduced efficiency by up to 26% at typical spacing of 1.5 times the diameter. Cap thickness also played a role: natural aggregate columns performed best with 20 mm thick caps, whereas RCA columns reached optimal performance without a cap.The study also examined installation effects using 3D numerical simulations based on local sand and sabkha soils from the Eastern Province of Saudi Arabia. The results revealed that cavity expansion significantly increases lateral earth pressure and soil stiffness. In sand, the lateral earth pressure coefficient (K) increased up to 3.7, while in sabkha it rose to 2.9. Stiffness (E) improved by up to 70% in sand, although gains stopped increasing after 25% expansion. In Sabkha, the stiffness improvement was limited to 20%. Shorter columns produced higher K-values: in sand, values dropped from 3.3 for a 4 m column to 1.35 for a 12 m column; in sabkha, the decrease was from 2.7 to 0.9. Stiffness improved by 35–65% in sand but only around 10% in sabkha. Changing the stiffness of surrounding soil had little impact, especially in sabkha. The best cavity expansion ranges were 2–10% for sand and 6–10% for sabkha, with the observed K-values exceeding those typically reported for other improvement methods. Advanced 3D simulations further confirmed that even small cavity expansions (2–10%) can substantially improve performance. Practical installation conditions resulted in bearing capacity increases of 132.7% in sand and 65.9% in sabkha. Peak improvements were achieved at higher cavity ranges—442.8% in sand and 151.6% in sabkha. These results show that considering installation effects leads to more accurate performance predictions and better design optimization. Sand demonstrated greater sensitivity to installation parameters than sabkha, highlighting the need for soil-specific design approaches. Overall, the study confirms the viability of recycled concrete aggregate as an effective stone column material and emphasizes the importance of accounting for installation effects in both design and analysis. Field validation is recommended to support practical application of these findings. In addition, a life cycle assessment (LCA) was conducted to compare the environmental impacts of recycled and natural aggregates. Despite literature generally favoring RCA in terms of CO₂ emissions and water use, this study found that natural aggregate performed better in both categories under local conditions—mainly due to long transport distances and the energy- and water-intensive processing required for RCA. These results may also be influenced by limitations in the available data: the study relied on European datasets, adapted with rough approximations to reflect Saudi conditions. However, RCA still showed clear advantages in natural resource conservation, as it reuses waste material and reduces the demand for virgin extraction. These findings highlight the importance of developing localized LCA datasets and improving regional data accuracy to enable more reliable comparisons in future sustainability assessments. Keywords: Stone column, Natural aggregate, Recycled concrete aggregate, Installation effects, Settlement, Life cycle assessment.

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-Shayea, Naser
Committee Members:	Aziz, Mubashir and Alshammari, Ammar
Depositing User:	AMMAR MUSTAFA (g202205040)
Date Deposited:	28 Jul 2025 10:22
Last Modified:	28 Jul 2025 10:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143624