At transformere, hvordan vi tænker om jord fra bunden

En ny jordklassificering, og værktøjer til at implementere det, hjælper med at forstå jordens egenskaber, der ligger til grund for geo-ingeniørprojekter.

Mens de fleste af os tager jord for givet, forskere fra KAUSTs Energi Geo-Engineering Laboratory kender bogstaveligt talt jorden ud og ind. Deres forskning har vigtige konsekvenser for forskellige geotekniske projekter, herunder minedrift, olieudvinding, bro- og tårnfundamenter, kyst- og offshorestrukturer, analysere tunneller og synkehuller, og design af jordskælvsbestandig infrastruktur.

Professor J. Carlos Santamarina, postdoc Junbong Jang (nu ved United States Geological Survey) og ph.d.-studerende Junghee Park har designet et nyt klassifikationssystem for verdens jord, der vil gøre det muligt for ingeniører at forudsige mere præcist deres egenskaber og adfærd baseret på simple metrikker.

På nuværende tidspunkt de fleste af verdens geotekniske undersøgelser bruger Unified Soil Classification System (USCS), som har sine rødder i opførelsen af ​​anden verdenskrigs flyvepladser. Siden da, det er blevet forfinet, men ikke helt opdateret. I mellemtiden jorddata er akkumuleret omfattende og, Santamarina forklarer, "førte til en dybere forståelse af sedimentets egenskaber og adfærd, ", hvilket tyder på behovet for en grundig re-evaluering af systemet.

En ny tilstand af materien

Vi har en tendens til at betragte stof som solidt, væske eller gas. Imidlertid, partikelformige materialer, såsom jord, kan handle anderledes end nogen af ​​disse stater. Santamarina beskriver jord, gådefuldt, som "iboende ikke-lineær, ikke-elastisk, porøs, gennemtrængende og effektivt stressafhængig."

USCS definerer jordtyper efter partikelstørrelse og plasticitet, eller hvordan de deformeres, når de blandes med vand. Imidlertid, jord kan omfatte komplekse blandinger af partikler af forskellig størrelse, og desuden er mellemrum mellem partikler ikke tomme, men fyldt med væske, gas eller begge dele. Santamarina er begejstret, "Sameksistensen af ​​disse materialer giver anledning til fascinerende nye fænomener og forvirrende reaktioner, såsom likvefaktion."

Det nye reviderede jordklassificeringssystem1, 2 tager ikke kun hensyn til kornstørrelse, men form og giver en mere nøjagtig gengivelse af overgangszonerne mellem jordtyper. Det lægger større vægt på de mindste jordpartiklers rolle, kendt som bøder, og kemien i den omgivende væske, hvilket påvirker mange geotekniske fænomener. Afgørende, det nye klassifikationssystem gør det muligt for ingeniører at skelne mellem den jordfraktion, der primært er ansvarlig for at bære enhver vægt på dem, og den jordfraktion, der styrer væskestrømmen.

Jordklassificering er en relativt enkel proces til at bestemme et sæt parametre ved hjælp af bænk-top-enheder, der er let tilgængelige i jordlaboratorier verden over. Disse kan derefter indtastes i ligningerne beskrevet i KAUST-teamets publikationer, eller analyseret ved hjælp af et regneark eller mobiltelefon-app, begge tilgængelige på deres hjemmeside. Resultatet, for enhver given jord, er en todelt beskrivelse, der inkorporerer både mekaniske og væskestrømningsegenskaber; for eksempel, 'S(F)' betyder en jord med mekaniske egenskaber styret af sand, men med permeabilitet bestemt af dens fine partikler.

En løbende indsats

Responsen på offentliggørelsen af ​​den reviderede klassifikation har været opmuntrende og samarbejdende. Da holdet offentliggjorde den første del, dækker bøder, "Forskere fra hele verden reagerede og bidrog med exceptionelle data for at styrke klassificeringen, " siger Santamarina. "Vi forventer et lignende svar på anden del."

Han fortsætter, "Virkeligheden af ​​jord er mere kompleks end de idealiserede systemer skabt i laboratoriet eller på en computer." En komplementær jordbundsdatabase bygget på KAUST gør det muligt for brugerne at lave robuste skøn over de hydromekaniske egenskaber af naturlig jord. Faktisk, forskeren i Santamarinas laboratorium er gearet til et sæt af ingeniøranalyse- og designværktøjer i konstant udvikling. Klassifikationen, siger Santamarina, er blot "et første skridt hen imod et integreret laboratorie-database-IT-system, der udvikles med samarbejdspartnere over hele verden."

Ingen klassificering kan være udtømmende:jord lavet af ualmindelige korn, såsom kiselalger eller flyveaske, vil altid byde på særlige udfordringer, som ingeniører skal være opmærksomme på. Imidlertid, klassificeringen sigter mod at være robust nok til at blive brugt med succes selv af dem uden felterfaring.

Holdet arbejder i øjeblikket på en publikation, der skal udvide anvendelsen og fortolkningen af ​​klassifikationen i praksis.

Dette tværfaglige arbejde - der trækker på begreber fra geologi, fysik og kemi og orienteret mod discipliner fra civil til miljø- og energi geo-engineering - drager fordel af det, Santamarina kalder det exceptionelle forskningsmiljø og ekspertise, der er tilgængelig på KAUST til at generere værktøjer med applikationer meget længere væk.