PARTICLE BREAKAGE AND SHAPE EVOLUTION OF GRANULAR SOILS: IMPACTS ON SHEAR STRENGTH. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Izzeldeen Alhashlamoun 202303770 Full Thesis LAST.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 6 October 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

تخضع الترب الحبيبية المستخدمة في تطبيقات الجيوتكنيك عالية الإجهاد لتفتّت الحبيبات، ما يعيد تشكيل التدرج الحبيبي ومورفولوجيا الحبيبات وينعكس مباشرة على الانضغاطية ومقاومة القص والانتفاخ الحجمي. تتناول هذه الأطروحة ثلاث مواد ممثلة، رمل صحراوي كوارتزي شبه مستدير، وحبيبات زجاجية كروية، ورمل حائل زاوي، خضعت لضغط أحادي البعد حتى 500 ميغاباسكال لإحداث تكسير مُتحكَّم به، تلاه اختبار القص المباشر وفق ASTM D3080 على الحالات بعد السحق. جرى تتبّع تطوّر توزيع الحجم باستخدام مؤشر هاردن للتفتت النسبي (Br)، ومعامل الانتظام (Cu)، والبعد الكسري (D)، بينما قُيِّم تطوّر شكل الحبيبات وآليات الكسر قبل السحق وبعده (بما في ذلك باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح). ظهرت إجهادات خضوع مميِّزة تحدد بدء التفتّت الشامل (≈20 ميغاباسكال للرمل الصحراوي، ≈55 ميغاباسكال للحبيبات الزجاجية، ≈10 ميغاباسكال لرمل حائل). ومع ازدياد الإجهاد، اتجهت جميع المواد نحو توزيعات ذات سلوك كسري (D ≈ 2.4–2.5)، وارتبط Br بقوة مع D، مؤكِّدًا فاعلية Br بوصفه واصفًا لشدة التفتّت. كان تطوّر الشكل خاصًا بكل مادة: تغيّر الرمل الصحراوي بشكل محدود؛ وحافظت الحبيبات الزجاجية على كروية شبه مثالية حتى حدوث تهشّم مفاجئ نتجت عنه شظايا زاوية؛ بينما شهد رمل حائل تحوّلًا شكليًا كبيرًا نحو أشكال أكثر تساويًا في الأبعاد (ازدادت الاستدارة بنحو 40% والكروية بنحو 30%). أظهرت الكروية والتحدّب ونسبة الأبعاد علاقةً تقريبًا خطيةً مع الإجهاد ضمن هذا النطاق، في حين بدت الاستدارة أكثر حساسيةً وغير خطية لإزالة البروزات الدقيقة. أدّى السحق المسبق بصورة منهجية إلى زيادة زاوية الاحتكاك القصوى (φ) مع كبح الانتفاخ الحجمي، مولِّدًا علاقات شبه خطية بين φ وكلٍّ من log σ وBr تتيح التنبؤ بالمقاومة انطلاقًا من إجهاد التصميم أو قياس التفتّت؛ إذ ازدادت φ في الرمل الصحراوي والحبيبات الزجاجية من نحو 26°–27° إلى ≈35°، وفي رمل حائل من نحو 35.5° إلى ≈40.2°. تكشف آليات الكسر المرصودة—تشقّق داخل الحبيبات وتفلّت حواف تدريجي في الرمال، وانفلاق/تقشُّر هش في الحبيبات الزجاجية، وتفتّت غير متجانس في رمل حائل—عن أساسٍ ميكانيكي يفسّر الاتجاهات الكلّية، وتُقدِّم أهداف معايرة لنماذج العناصر المنفصلة (DEM) لحبيبات قابلة للتفتّت ومتغيّرة الشكل. مجتمعةً، تربط النتائج بين شدة السحق المسبق وتطوّر التدرج/الشكل والاحتكاك المُتحقَّق ضمن إطارٍ متماسك قابلٍ للتطبيق في تصميم الأنظمة الحبيبية عالية الإجهاد.

English Abstract

Granular soils used in high-stress geotechnical applications undergo particle breakage, which reshapes their gradation and grain morphology, with direct consequences for compressibility, shear strength, and dilatancy. This thesis examines three archetypal materials, sub-rounded desert sand, spherical glass beads, and angular Hail sand, subjected to one-dimensional compression up to 500 MPa to induce controlled crushing, followed by ASTM D3080 direct shear tests on the pre-crushed states. Particle-size evolution was quantified via Hardin’s relative breakage index (Br), coefficient of uniformity (Cu), and fractal dimension (D). At the same time, grain-shape metrics and fracture modes were assessed (including SEM) before and after crushing. Distinct yield stresses marked the onset of pervasive breakage (≈20 MPa desert sand, ≈55 MPa glass beads, ≈10 MPa Hail sand). With increasing stress, all materials converged toward fractal-like gradations (D ≈ 2.4–2.5), and Br correlated strongly with D, confirming Br as an effective descriptor of breakage. Shape evolution was material-specific: desert sand changed modestly; glass beads preserved near-unity sphericity until abrupt shattering produced angular fragments; Hail sand underwent substantial rounding and more equant forms (roundness increased by approximately 40%, and sphericity increased by approximately 30%). Sphericity, convexity, and aspect ratio varied approximately linearly with applied stress in this regime, whereas roundness exhibited non-linear sensitivity to asperity removal. Pre-crushing systematically increased peak friction angle (φ) while suppressing dilatancy, yielding near-linear φ – logσ and φ – Br relations that enable prediction of strength from design stress or measured breakage; desert sand and glass beads strengthened from ~26°–27° to ≈35°, and Hail sand from ~35.5° to ≈40.2°. Observed fracture mechanisms, progressive intra-gr

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering Research > Engineering Petroleum
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Umair, Syed
Committee Members:	Aziz, Mubashir and Abu Mahfouz, Israa
Depositing User:	IZZELDEEN ALHASHLAMOUN (g202303770)
Date Deposited:	09 Oct 2025 07:44
Last Modified:	09 Oct 2025 07:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143715