LOW-COST DIGITAL-TWIN SYSTEM FOR HYDRAULIC CONDUCTIVITY MONITORING WITH ENVIRONMENTAL VARIATIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Masters Thesis Dissertation) Adil_Bhameshan___Thesis_Report(Final).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 23 December 2026. Available under License Creative Commons GNU GPL (Software). Download (54MB)

Arabic Abstract

تزداد الحاجة إلى أجهزة قياس منخفضة التكلفة في الهندسة الجيوتقنية أهميةً وحرجاً بسبب التكلفة العالية وكثافة الجهد البشري في التجهيزات المعملية التقليدية، مما يحد من إمكانية الوصول وقابلية التوسع، خاصة في البيئات محدودة الموارد. تهدف هذه الرسالة إلى معالجة هذه التحديات من خلال دمج أجهزة استشعار منخفضة التكلفة مع أجهزة مفتوحة المصدر، مثل الأردوينو (Arduino) والرازبيري باي (Raspberry Pi)، لتمكين المراقبة المستمرة والآنية للموصلية الهيدروليكية. تم تطوير إطار عمل لتوأم رقمي (DT) لإنشاء نسخة افتراضية مطابقة للنظام المادي، مما يعزز التصور المرئي ويوفر تحكماً تجريبياً أساسياً. ومع ذلك، غالباً ما تفشل تقنيات قياس النفاذية التقليدية في توفير البيانات المستمرة والديناميكية اللازمة لتغذية التوأم الرقمي بفعالية، مما يحد من قدرته على محاكاة سلوك التربة بدقة. تم تصنيع جهاز فحص ذو الجهد المتناقص (falling-head)، وتمت معايرة جميع أجهزة الاستشعار. وبعد دمج المكونات، أُجريت دراستان تجريبيتان لتقييم كفاءة النظام في رصد سلوك الموصلية الهيدروليكية للتربة على النطاق الماكروي. ركزت الدراسة الأولى على التحقق من دقة وتكرارية قيم Ks عبر ثلاثة أنواع من التربة الرملية. حقق النظام الآلي قياسات متسقة بقيم Ks تتراوح بين 0.012 و 0.175 سم/ثانية، مظهراً توافقاً قوياً مع القراءات اليدوية وبحد أقصى للانحراف يقل عن ±5%. وأكد التحليل الإحصائي تكرارية عالية لنوعين من الرمال (p > 0.2) وتبايناً متوسطاً للرمل الأنعم بسبب إعادة توزيع الحبيبات الناعمة. فحصت الدراسة الثانية تربة السبخة، كحالة دراسية للتربة القابلة للذوبان، تحت تأثير الغسيل بالمحلول الملحي والمياه العذبة. أظهرت النتائج زيادة بمقدار الضعف إلى ثلاثة أضعاف في قيم Ks أثناء الغسيل بالمياه العذبة حيث أدت إذابة الأملاح إلى تفكك بنية التربة المتماسكة. علاوة على ذلك، ارتفع الأس الهيدروجيني (pH) من 6.5 إلى 7.5 بينما انخفض إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) بالتزامن من أكثر من ألف إلى ما يقرب من 200 جزء في المليون. بشكل عام، أظهر النظام المطور موثوقية في المراقبة الكمية والآنية للمعاملات الهيدروليكية والهيدروكيميائية. يوفر دمج الأجهزة مفتوحة المصدر مع إطار عمل التوأم الرقمي بديلاً غنياً بالبيانات لتطوير اختبارات التربة الهيدروليكية وتحليل السلوك البيئي. وبخلاف التحقق المعملي الحالي، يمتلك النظام أيضاً إمكانات قوية للمراقبة طويلة الأمد للمواد منخفضة النفاذية مثل البطانات الطينية وأنظمة حواجز الملوثات، حيث تعتبر التغيرات التدريجية في الموصلية الهيدروليكية وكيمياء المسام حاسمة لتقييم الأداء. علاوة على ذلك، فإن قدرته على رصد الاستجابات الهيدروليكية والكيميائية المقترنة تجعله مناسباً بشكل خاص لدراسة السلوك الماكروي للتربة القابلة للذوبان، حيث تؤثر عمليات الإذابة والترسيب بقوة على تطور النفاذية بمرور الوقت.

English Abstract

The need for low-cost instrumentation in geotechnical engineering is increasingly critical due to the high expense and labor intensity of traditional laboratory setups, which limit accessibility and scalability, particularly in resource-constrained settings. This thesis aims to address these challenges by integrating low-cost sensors with open-source hardware, such as Arduino and Raspberry Pi, to enable continuous and real-time monitoring of hydraulic conductivity. A digital twin (DT) framework is developed to create a virtual replica of the physical system, enhancing visualization and providing basic experimental control. However, conventional permeability measurement techniques often fail to deliver the continuous and dynamic data required to effectively feed the digital twin, limiting its ability to accurately simulate soil behavior. A falling-head setup was fabricated, and all sensors were calibrated. After integrating the components, two experimental studies were conducted to evaluate the system’s robustness in capturing soil hydraulic conductivity behavior at the macro scale. Study 1 focused on validating the precision and repeatability of Ks across three sandy soils. The automated system achieved consistent measurements with Ks values ranging from 0.012 to 0.175 cm/s, showing strong agreement with manual readings and a maximum deviation of less than ±5%. Statistical analysis confirmed high repeatability for two sands (p > 0.2) and moderate variability for finer sand due to fines redistribution. Study 2 examined sabkha, a case study for soluble soils, under brine and freshwater washing. The results showed a two- to threefold increase in Ks during freshwater flushing as dissolved salts disrupted the cemented soil structure. Moreover, the pH was increased from 6.5 to 7.5 while TDS decreased correspondingly from more than a thousand to close to 200 ppm. Overall, the developed system demonstrated reliable, quantitative, and real-time monitoring of hydraulic and hydro-chemical parameters. The integration of open-source hardware with a digital twin framework provides a data-rich alternative for advancing soil hydraulic testing and environmental behavior analysis. Beyond its current laboratory validation, the system also holds strong potential for long-term monitoring of low-permeability materials such as clay liners and contaminant barrier systems, where gradual changes in hydraulic conductivity and pore chemistry are critical for performance assessment. Furthermore, its ability to capture coupled hydraulic and chemical responses makes it particularly suitable for investigating the macro-scale behavior of soluble soils, where dissolution and precipitation processes strongly influence permeability evolution over time.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Alshammari, Ammar Mohammad
Committee Members:	Alnammi, Moayad Ahmed and Abdul Aziz, Mubashir Aziz
Depositing User:	ADIL BHAMESHAN (g202303510)
Date Deposited:	23 Dec 2025 07:18
Last Modified:	23 Dec 2025 07:18
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143842