En ny jordklassificering, och verktyg för att implementera det, hjälper till att förstå egenskaperna hos marken som ligger till grund för geotekniska projekt.

Medan de flesta av oss tar jordar för givet, forskare från KAUSTs Energy Geo-Engineering Laboratory vet bokstavligen jordar in och ut. Deras forskning har viktiga konsekvenser för olika geotekniska projekt, inklusive gruvdrift, oljeutvinning, bro och torn fundament, kust- och offshorestrukturer, analysera tunnlar och sänkhål, och designa jordbävningsbeständig infrastruktur.

Professor J. Carlos Santamarina, postdoc Junbong Jang (nu vid United States Geological Survey) och doktorand Junghee Park har designat ett nytt klassificeringssystem för världens jordar som gör det möjligt för ingenjörer att mer exakt förutsäga deras egenskaper och beteende baserat på enkla mätvärden.

För närvarande, de flesta av världens geotekniska studier använder Unified Soil Classification System (USCS), som har sina rötter i byggandet av andra världskrigets flygfält. Sedan dess, den har förfinats, men inte helt uppdaterad. Under tiden, markdata har ackumulerats omfattande och, Santamarina förklarar, "ledde till en djupare förståelse av sedimentegenskaper och beteende, " vilket tyder på behovet av en grundlig omvärdering av systemet.

Ett nytt materiatillstånd

Vi tenderar att betrakta materia som solid, vätska eller gas. Dock, partikelformiga material, som jordar, kan agera annorlunda än någon av dessa stater. Santamarina beskriver jordar, gåtfullt, som "inneboende olinjär, icke elastisk, porös, genomträngande och effektivt stressberoende."

USCS definierar jordtyper efter partikelstorlek och plasticitet, eller hur de deformeras när de blandas med vatten. Dock, jordar kan bestå av komplexa blandningar av partiklar av olika storlek, och dessutom är utrymmen mellan partiklar inte tomma utan fyllda med vätska, gas eller båda. Santamarina är entusiastisk, "Samexistensen av dessa material ger upphov till fascinerande framväxande fenomen och förbryllande svar, såsom likvefaktion."

Det nya reviderade jordklassificeringssystemet1, 2 tar inte bara hänsyn till kornstorlek utan form och ger en mer exakt representation av övergångszonerna mellan jordtyper. Det lägger större vikt vid de minsta jordpartiklarnas roll, så kallade böter, och kemin i den omgivande vätskan, vilket påverkar många geotekniska fenomen. Avgörande, det nya klassificeringssystemet gör det möjligt för ingenjörer att särskilja den jordfraktion som är primärt ansvarig för att bära den vikt som läggs på dem och den jordfraktion som styr vätskeflödet.

Jordklassificering är en relativt enkel process för att bestämma en uppsättning parametrar med hjälp av bänkenheter som är lätt tillgängliga i jordlaboratorier över hela världen. Dessa kan sedan läggas in i ekvationerna som beskrivs i KAUST-teamets publikationer, eller analyseras med hjälp av ett kalkylblad eller en mobilapp, båda finns på deras hemsida. Resultatet, för vilken jord som helst, är en tvådelad beskrivning som inkluderar både mekaniska egenskaper och vätskeflödesegenskaper; till exempel, 'S(F)' betecknar en jord med mekaniska egenskaper som kontrolleras av sand, men med permeabilitet som bestäms av dess fina partiklar.

En pågående strävan

Svaret på publiceringen av den reviderade klassificeringen har varit uppmuntrande och samarbetsvilligt. När teamet publicerade den första delen, täcker böter, "Forskare från hela världen reagerade och bidrog med exceptionella data för att stärka klassificeringen, ", säger Santamarina. "Vi förväntar oss ett liknande svar på den andra delen."

Han fortsätter, "Verkligheten med jordar är mer komplex än de idealiserade systemen som skapas i labbet eller på en dator." En kompletterande jorddatabas byggd på KAUST gör det möjligt för användare att göra robusta uppskattningar av de hydromekaniska egenskaperna hos naturliga jordar. Faktiskt, forskaren i Santamarinas laboratorium är inriktad på en kontinuerligt utvecklande uppsättning av ingenjörsanalys och designverktyg. Klassificeringen, säger Santamarina, är bara "ett första steg mot ett integrerat laboratorie-databas-IT-system som utvecklas med samarbetspartners över hela världen."

Ingen klassificering kan vara uttömmande:jordar gjorda av ovanliga korn, såsom kiselalger eller flygaska, kommer alltid att innebära speciella utmaningar som ingenjörer måste vara medvetna om. Dock, klassificeringen syftar till att vara tillräckligt robust för att kunna användas framgångsrikt även av dem utan fälterfarenhet.

Teamet arbetar för närvarande med en publikation som kommer att utöka tillämpningen och tolkningen av klassificeringen i praktiken.

Detta mångvetenskapliga arbete, som bygger på begrepp från geologi, fysik och kemi och inriktad på discipliner från civil- till miljö- och energigeoteknik – drar nytta av vad Santamarina kallar den exceptionella forskningsmiljön och expertis som finns på KAUST för att generera verktyg med applikationer mycket längre bort.