Een nieuwe bodemclassificatie, en instrumenten om het uit te voeren, helpt bij het begrijpen van de eigenschappen van de grond die ten grondslag ligt aan geo-engineeringprojecten.

Terwijl de meesten van ons de bodem als vanzelfsprekend beschouwen, onderzoekers van het Energy Geo-Engineering Laboratory van KAUST kennen bodems letterlijk door en door. Hun onderzoek heeft belangrijke implicaties voor diverse geotechnische projecten, inclusief mijnbouw, olie extractie, brug en torenstichtingen, kust- en offshore-constructies, het analyseren van tunnels en zinkgaten, en het ontwerpen van aardbevingsbestendige infrastructuur.

Professor J. Carlos Santamarina, postdoc Junbong Jang (nu bij de United States Geological Survey) en promovendus Junghee Park hebben een nieuw classificatiesysteem voor bodems in de wereld ontworpen waarmee ingenieurs hun eigenschappen en gedrag nauwkeuriger kunnen voorspellen op basis van eenvoudige meetgegevens.

Momenteel, de meeste geotechnische studies ter wereld gebruiken het Unified Soil Classification System (USCS), die zijn wortels heeft in de aanleg van vliegvelden uit de Tweede Wereldoorlog. Vanaf dat moment, het is verfijnd, maar niet volledig bijgewerkt. In de tussentijd, bodemgegevens zijn uitgebreid verzameld en, Santamarina legt uit, "leidde tot een dieper begrip van sedimenteigenschappen en gedrag, " wat de noodzaak suggereert van een grondige herevaluatie van het systeem.

Een nieuwe stand van zaken

We hebben de neiging om materie als solide te beschouwen, vloeistof of gas. Echter, deeltjesvormige materialen, zoals bodems, kan anders handelen dan elk van deze staten. Santamarina beschrijft bodems, raadselachtig, als "inherent niet-lineair, niet-elastisch, poreus, doorlatend en effectief stressafhankelijk."

De USCS definieert bodemtypes door deeltjesgrootte en plasticiteit, of hoe ze vervormen wanneer ze worden gemengd met water. Echter, bodems kunnen complexe mengsels van deeltjes van verschillende grootte omvatten, en verder zijn ruimtes tussen deeltjes niet leeg maar gevuld met vloeistof, benzine of beide. Santamarina is enthousiast, "Het naast elkaar bestaan ​​van deze materialen geeft aanleiding tot fascinerende opkomende verschijnselen en raadselachtige reacties, zoals vloeibaar maken."

Het nieuwe herziene bodemclassificatiesysteem1, 2 houdt niet alleen rekening met de korrelgrootte maar ook met de vorm en geeft een nauwkeuriger beeld van de overgangszones tussen bodemsoorten. Het hecht meer belang aan de rol van de kleinste bodemdeeltjes, bekend als boetes, en de chemie van de omringende vloeistof, die veel geotechnische verschijnselen beïnvloedt. Cruciaal, het nieuwe classificatiesysteem stelt ingenieurs in staat om onderscheid te maken tussen de bodemfractie die primair verantwoordelijk is voor het dragen van het gewicht dat erop wordt geplaatst en de bodemfractie die de vloeistofstroom regelt.

Bodemclassificatie is een relatief eenvoudig proces voor het bepalen van een reeks parameters met behulp van tafelmodellen die gemakkelijk verkrijgbaar zijn in bodemlaboratoria over de hele wereld. Deze kunnen vervolgens worden ingevoerd in de vergelijkingen die worden beschreven in de publicaties van het KAUST-team, of geanalyseerd met behulp van een spreadsheet of mobiele telefoon-app, beide beschikbaar op hun website. Het resultaat, voor een bepaalde bodem, is een tweedelige beschrijving waarin zowel mechanische als vloeistofstroomeigenschappen zijn opgenomen; bijvoorbeeld, 'S(F)' betekent een bodem met mechanische eigenschappen die worden gecontroleerd door zand, maar met permeabiliteit bepaald door de fijne component.

Een voortdurende inspanning

De reacties op de publicatie van de herziene classificatie waren bemoedigend en collaboratief. Toen het team het eerste deel publiceerde, boetes dekken, "Onderzoekers van over de hele wereld reageerden en droegen uitzonderlijke gegevens bij om de classificatie te versterken, ", zegt Santamarina. "We verwachten een soortgelijke reactie op het tweede deel."

Hij gaat door, "De realiteit van bodems is complexer dan de geïdealiseerde systemen die in het laboratorium of op een computer zijn gemaakt." Een aanvullende bodemdatabase die bij KAUST is gebouwd, stelt gebruikers in staat om robuuste schattingen te maken van de hydromechanische eigenschappen van natuurlijke bodems. In feite, de onderzoeker in het laboratorium van Santamarina is gericht op een continu evoluerende reeks technische analyse- en ontwerptools. De classificatie, zegt Santamarina, is slechts "een eerste stap naar een geïntegreerd laboratorium-database-IT-systeem dat wordt ontwikkeld met medewerkers over de hele wereld."

Geen enkele classificatie kan volledig zijn:bodems gemaakt van ongewone granen, zoals diatomeeën of vliegas, zal altijd speciale uitdagingen met zich meebrengen waarvan ingenieurs zich bewust moeten zijn. Echter, de classificatie moet robuust genoeg zijn om zelfs door mensen zonder praktijkervaring met succes te worden gebruikt.

Het team werkt momenteel aan een publicatie die de toepassing en interpretatie van de classificatie in de praktijk zal uitbreiden.

Dit multidisciplinaire werk, gebaseerd op concepten uit de geologie, natuurkunde en scheikunde en gericht op disciplines van civiel tot milieu- en energie-geo-engineering - profiteert van wat Santamarina de uitzonderlijke onderzoeksomgeving en expertise noemt die beschikbaar zijn bij KAUST om tools te genereren met toepassingen veel verder weg.