Turay, Osman (2026) Shear Behavior of Rough Infilled Rock Joints Under Different Conditions. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Osman Deen Turay_MS Thesis (Geotechnical Engineering)_Final..pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 14 July 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

المستخلص الاسم: عثمان دين توراي عنوان الرسالة: السلوك القصي للفواصل الصخرية الخشنة المملوءة تحت ظروف مختلفة التخصص الرئيسي: الهندسة المدنية تاريخ الدرجة العلمية: مايو، ٢٠٢٦م تقتصر المحاكاة المختبرية الحالية للسلوك القصي للفواصل الصخرية اللينة غير المستوية -باستخدام نماذج صخرية اصطناعية- بشكل أساسي على النتوءات الكلية (MAs)، والتي تُمثَّل بتموجات سطحية على شكل أسنان المنشار، بينما غالبًا ما يتم تجاهل النتوءات الدقيقة (mAs) المتأصلة والموجودة على الأسطح الصخرية الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، تركز معظم الدراسات المتعلقة بالفواصل الصخرية المملوءة على الرمال النقية، أو الطين النقي، أو المخاليط التي يغلب عليها الطين، في حين لا يزال سلوك الحشوات الثنائية (الخلائط) التي تحتوي على نسب طين أقل بكثير من القيمة الانتقالية البالغة حوالي ٢٠٪ دون تقييم كافٍ. بحثت هذه الدراسة في السلوك القصي للفواصل الصخرية المملوءة تحت ظروف مختلفة من خلال النمذجة المختبرية، والتحليل العددي، والتحقق التحليلي. تم صب نماذج صخرية اصطناعية ذات أسطح فواصل مثلثة على شكل أسنان المنشار باستخدام الجبس المائي (البلاستر) لمحاكاة سلوك الحجر الجيري الطبيعي. كما تم تطوير بروفيل (مقطع) فواصل ثانٍ يجمع بين النتوءات الكلية والدقيقة لتقييم التحسين المحتمل لنماذج الفواصل المختبرية. تكونت مادة الحشو من تربة معاد تشكيلها تحتوي على ١٠٪ طين و٩٠٪ رمل، بهدف أن تسلك سلوك الرمل الطيني الاحتكاكي. تَمَّ أولًا تحديد خصائص القص الأساسية لمادة الحشو من خلال اختبارات القص المباشر عند كثافة نسبية تبلغ ٣٥٪ ومحتويات رطوبة بنسب ٠٪، و٣٪، و١٣٪. بعد ذلك، جرى اختبار نماذج الفواصل تحت تأثير الحمل الطبيعي الثابت (CNL) عند سماكات حشو تبلغ ٠، و٢، و٤، و٦ ملم، وهي ما يقابل نسب سماكة الحشو إلى ارتفاع النتوءات البالغة ٠، و٠.٥، و١، و١.٥ على التوالي. أدى الحشو بسماكة ٢ ملم إلى خفض مقاومة القص للفواصل إلى أقل من نصف مقاومة الفواصل النظيفة. ومع اقتراب سماكة الحشو من ٦ ملم، اقتربت معاملات القص للفواصل من معاملات مادة الحشو نفسها، حيث أصبحت زاوية الاحتكاك الظاهرية وقيمة التماسك متساويتين تقريبًا مع قيم مادة الحشو. وأظهر مقطعا السطح (البروفيلان) سلوكًا عامًا متشابهًا، مع وجود اختلافات طفيفة فقط في قيم إجهاد القص الأقصى والمعاملات ذات الصلة. ومع ذلك، أظهرت الفواصل ذات النتوءات الدقيقة (mAs) سلوكًا أكثر وضوحًا ثنائي القمة، واستجابة الالتصاق والانزلاق (stick-slip) ما بعد القمة، والتقسية الانفعالية عند سماكة الحشو المنخفضة والإجهاد الطبيعي المنخفض. وكان لمحتوى الرطوبة تأثير محدود فقط على سلوك القص، حيث إن زيادة محتوى الرطوبة إلى ١٣٪ لم تؤدِ إلى اختلافات جوهرية، لا سيما عند سماكات الحشو المنخفضة. جاءت نتائج التحليل العددي في توافق جيد مع النتائج التجريبية، خاصة ضمن النطاق المرن وصولاً إلى القمة. وعلاوة على ذلك، أظهر التحقق التحليلي من خلال تحليل التشابه أن كلا نوعي الفواصل قد حَاكَيَا سلوك فواصل الحجر الجيري بشكل كافٍ، في حين تنبأ نموذج "بارتون-بانديس" (Barton–Bandis) بشكل أفضل بسلوك الفواصل ذات النتوءات الدقيقة. يشير هذا إلى أن إدراج النتوءات الدقيقة في النماذج المختبرية يوفر تمثيلاً أكثر واقعية للأسطح الصخرية الطبيعية. ومن خلال التحليل المقارن، يتوافق سلوك القص للفواصل في هذه الدراسة بشكل قوي مع البيانات المنشورة في الأبحاث السابقة. ومع ذلك، فإن سلوك القص للفواصل الصخرية المملوءة بالرمل الطيني ذي المحتوى الطيني المنخفض لا يختلف اختلافًا كبيرًا عن الفواصل المملوءة بمواد حبيبية نقي

English Abstract

ABSTRACT Name: Osman Deen Turay Thesis Title: Shear Behavior of Rough Infilled Rock Joints under Different Conditions Major Field: Civil Engineering Date of Degree: May, 2026. Current laboratory simulations of the shear behavior of non-planar soft rock joints using synthetic rock models mainly consider macro-asperities (MAs), represented by sawtooth surface undulations, while the inherent micro-asperities (mAs) present on natural rock surfaces are often ignored. Also, most studies on infilled rock joints focus on pure sands, pure clays, or clay-dominated mixtures, whereas the behavior of binary infills with clay contents far below the transitional value of about 20% remains under-evaluated. This study investigated the shear behavior of infilled rock joints under different conditions through laboratory modeling, numerical analysis, and analytical validation. Artificial rock models with triangular sawtooth joint surfaces were cast from gypsum plaster to simulate natural limestone behavior. A second joint profile combining MAs and mAs was developed to assess the potential optimization of laboratory joint models. The infill material consisted of a reconstituted soil containing 10% clay and 90% sand, intended to behave as a frictional clayey sand. The basic shear properties of the infill were first determined through direct shear tests at a relative density of 35% and moisture contents of 0%, 3%, and 13%. The joint models were then tested in direct shear under constant normal load conditions at infill thicknesses of 0, 2, 4, and 6 mm, corresponding to thickness-to-asperity ratios of 0, 0.5, 1, and 1.5, respectively. A 2 mm thick infill reduced the shear strength of the joints to less than half of that of the clean joints. As the infill thickness approached 6 mm, the shear parameters of the joints approached those of the infill material, with the apparent friction angle and cohesion intercept becoming approximately equal to those of the infill. The two surface profiles showed similar overall behavior, with only minor differences in peak shear stress magnitudes and related parameters. However, the joints with mAs exhibited more pronounced two-peak behavior, post-peak stick-slip response, and strain softening at low infill thickness and normal stress. Moisture content had only a limited influence on the shear behavior, as increasing the moisture content to 13% did not produce substantial differences, particularly at low infill thicknesses. Results from the numerical analysis were in good agreement with the experimental results, especially within the elastic regime up to the peak. Analytical validation through similitude analysis further showed that both joint types adequately simulated limestone joint behavior, while the Barton–Bandis model better predicted the behavior of joints with mAs. This suggests that the inclusion of mAs in laboratory models provides a more realistic representation of natural rock surfaces. Through comparative analysis, the shear behavior of the joints in the present study is in strong consensus with published literature data. However, the shear behavior of rock joints filled with clayey sand with low clay content is not significantly different from joints filled with pure granular materials.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering Research Research > Petroleum Research > Engineering Petroleum Petroleum > Reservoir Characterization Petroleum > Rock and Fluid Properties
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Naser Al-shayea,
Thesis Committee Members:	Abdulazeez Abdulraheem, Mohammed Alosta,
Depositing User:	OSMAN TURAY
Date Deposited:	15 Jul 2026 11:04
Last Modified:	15 Jul 2026 11:04
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144655