The Effect of Particle Shape of Coarse-Grained Materials on Spectral Induced Polarization Response and Its Relationship with Hydraulic Conductivity. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Approved MS Thesis) Approval Baraah's Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 25 December 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تُعدّ تقنية الاستقطاب المستحث الطيفي (SIP) من الطرق الجيوفيزيائية المعتمدة على التردد، حيث تُستخدم لدراسة الاستجابة الكهربائية المعقدة في الأوساط المسامية. وقد شهدت تطبيقات هذه التقنية في مجال الهندسة الجيوتقنية تزايدًا ملحوظًا خلال السنوات الأخيرة. وتتأثر استجابات SIP في المواد المسامية بعدة عوامل رئيسية، من أبرزها كيمياء السائل المسامي، وحجم الحبيبات، وهندسة الفراغات المسامية. ومع ذلك، فإن التأثير المستقل لشكل الحبيبات لم يحظَ بدراسة منهجية كافية ضمن ظروف مخبرية محكومة. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة تأثير شكل الحبيبات على معاملات الاستقطاب المستحث الطيفي ومعامل النفاذية الهيدروليكية في مواد سيليكا خشنة الحبيبات، وذلك من خلال برنامج تجريبي مخبري مُحكَم جرى فيه تثبيت التركيب المعدني للمواد المستخدمه، وتدرجات أحجام الحبيبات، وموصلية السائل المسامي، وطريقة تحضير العينات. وقد استُخدمت حبيبات زجاجية مستديرة وزجاج مكسر ذو حواف حادة، حيث جرى تحضير خمس فئات ذات أحجام موحّدة لكل مادة، بالإضافة إلى تحضير خلطات متدرجة من خلال مزج نسب متساوية (20%) من كل فئة حجمية. تم رصّ جميع العينات تحت ظروف جافة، ثم تشبيعها بمحلول كلوريد البوتاسيوم (KCl) ذي تركيز ثابت. بعد ذلك، أُجريت اختبارات النفاذية باستخدام نظام الرأس الهيدروليكي الثابت لتحديد معامل النفاذية، تلتها قياسات الاستقطاب المستحث الطيفي ضمن مجال ترددي يتراوح بين 0.1 و10 كيلوهرتز، بهدف تحديد معاملات التوصيلية الكهربائية المعقدة للعينات. أظهرت نتائج اختبارات النفاذية الهيدروليكية سلوكًا هيدروليكيًا منتظمًا يعتمد بشكل واضح على شكل الحبيبات؛ إذ سجلت الحبيبات المستديرة قيمًا أعلى لمعامل النفاذية عبر جميع الفئات الحجمية، في حين أظهرت الحبيبات الزاوية نفاذية أقل رغم امتلاكها مسامية أعلى. ويشير ذلك إلى أن هندسة أعناق المسام ودرجة تعرج مسارات الجريان تمثل العوامل الحاكمة للاستجابة الهيدروليكية، وليس الحجم الكلي للفراغات وحده. من جهة أخرى، بيّنت قياسات الاستقطاب المستحث الطيفي أن التوصيلية الكهربائية الحقيقية (σ′) تكاد تكون مستقلة عن التردد، وتتأثر بشكل ملحوظ بكلٍ من حجم الحبيبات وشكلها. فقد أظهرت المواد ذات الحبيبات المستديرة قيمًا أعلى للتوصيلية الحقيقية مقارنةً بالحبيبات الزاوية، كما ازدادت قيم σ′ مع تناقص الحجم الوسطي للحبيبات، وهو اتجاه معاكس تمامًا لما لوحظ في سلوك النفاذية الهيدروليكية. في المقابل، ظلت التوصيلية التخيلية (σ″) منخفضة جدًا ولم تُظهر ارتباطًا منتظمًا مع شكل الحبيبات أو حجمها، ويُعزى ذلك إلى ضعف آليات الاستقطاب البيني في المواد السيليكاتية. تتمثل المساهمة الرئيسة لهذه الدراسة في إثبات، من خلال تجارب مخبرية محكومة، أن التوصيلية الحقيقية (σ′) ترتبط بهندسة المسام المتحكم بها من خلال شكل الحبيبات حتى في الحالات التي تكون فيها التوصيلية التخيلية ضئيلة للغاية. ويشير هذا إلى أن الجزء الحقيقي من استجابة SIP يمكن أن يوفر معلومات بنيوية دقيقة على مقياس المسام في الترب خشنة الحبيبات. وتُسهم هذه النتائج في تحسين تفسير بيانات SIP في التطبيقات الجيوتقنية والبيئية، كما توفر مجموعة بيانات مرجعية مضبوطة يمكن الاعتماد عليها في الدراسات المستقبلية التي تبحث العلاقة بين الاستقطاب المستحث الطيفي ومعامل النفاذية الهيدروليكية

English Abstract

Spectral induced polarization (SIP) is a frequency-dependent geophysical technique that reveals complex electrical responses in porous media. SIP applications in geotechnical engineering have steadily increased. The characteristics of SIP signals in porous media are determined mostly by pore-fluid chemistry, grain size, and pore geometry. Still, the separate impact of the shape of the particle has not been rigorously scrutinized under controlled laboratory settings. This thesis investigates how particle morphology influences SIP parameters and hydraulic conductivity in coarse-grained silica materials through a controlled experimental program in which mineralogy, grain-size fractions, pore-fluid conductivity, and specimen preparation were held constant. Well-rounded glass beads and angular crushed glass were prepared in five mono-sized classes, plus graded mixtures were prepared by combining 20% from each size fraction. All the specimens were packed under dry conditions and then saturated with constant concentration KCl solution. These specimens were then tested under a constant hydraulic head to obtain hydraulic conductivity. After that, SIP measurements from 0.1 to 10 kHz were performed to determine complex electrical conductivities. The outcomes of hydraulic conductivity indicated a systematic hydraulic behavior that depended on the shape; rounded grains exhibited higher hydraulic conductivity across all size fractions, whereas angular grains showed lower conductivity despite having higher porosity. This represents that pore-throat geometry and tortuosity are the main factors controlling the hydraulic response rather than the bulk void ratio. SIP measurements showed that the real conductivity (σ′) was almost frequency-independent and strongly affected by grain size and morphology. Rounded particles continuously showed higher σ' than angular ones, and the σ′ was increased with decreasing the mean grain size, which was just opposite the trend found in hydraulic conductivity. The imaginary conductivity (σ″) was still very low and had no systematic correlation with the shape or the size due to the weak interfacial polarization in silica materials. The major contribution of this study is the demonstration in a controlled experiment that σ′ is associated with pore geometry that is controlled by particle shape even when σ″ is very small, indicating that the real part of SIP might give valuable microstructural information in coarse-grained soils. These results enhance interpretations of SIP for geotechnical and geoenvironmental uses and give a controlled reference dataset for future studies on the relationship between SIP and hydraulic conductivity.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering Earth Sciences Research > Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Shammari, Ammar
Committee Members:	ElHusseiny, Ammar and Naqvi, Syed Umair Ali
Depositing User:	BARAAH QAS ALRABABA'A (g202390730)
Date Deposited:	25 Dec 2025 08:15
Last Modified:	25 Dec 2025 08:15
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143890