Protokollen beskriver procedurer for erhvervelse af høj-rumlig opløsning computertomografi (CT) billeder af en granulær jord under triaksial komprimering, og at anvende billedbehandling teknikker til disse CT billeder til at udforske korn-skala mekanisk opførsel af jorden under lastning.
Den hurtige udvikling af røntgen billedbehandlings teknikker med billedbehandling og analyse færdigheder har gjort det muligt at erhverve CT-billeder af granulerede jorder med højrumlige opløsninger. Baseret på sådanne CT billeder, korn-skala mekanisk adfærd såsom partikel kinematik (dvs. partikel oversættelser og partikel rotationer), stamme lokalisering og Inter-partikel kontakt evolution af granulære jord kan undersøges kvantitativt. Men, dette er utilgængelige ved hjælp af konventionelle eksperimentelle metoder. Denne undersøgelse viser udforskning af den mekaniske opførsel i korn skala af en granulær jordprøve under triaksial komprimering ved hjælp af Synchrotron X-ray Micro-tomografi (μCT). Med denne metode anvendes et specielt fabrikeret miniature læsse apparat til at anvende begrænset og aksial belastning på prøven under den triaksiale test. Apparatet er monteret i et Synchrotron røntgen tomografi setup, således at der kan opsamles højrumlig opløsning CT-billeder af prøven på forskellige belastnings stadier af testen uden at forstyrre prøven. Med muligheden for at udtrække oplysninger på makro skalaen (f. eks. stress og belastninger fra det triaksiale apparat) og korn skalaen (f. eks. korn bevægelser og kontakt interaktioner fra CT-billederne) giver denne procedure en effektiv metode til at undersøge multi-skala mekanik af granulære jord.
Det er almindeligt anerkendt, at de makro-skala mekaniske egenskaber af granulær jord, såsom stivhed, forskydningsstyrke og permeabilitet, er afgørende for mange geotekniske strukturer, for eksempel fundamenter, skråninger og rock-fill dæmninger. I mange år er der blevet anvendt test på stedet og konventionelle laboratorietests (f. eks. endimensionelle kompressions tests, triaksiale kompressions tests og permeabilitet) til at evaluere disse egenskaber i forskellige jorde. Koder og standarder for afprøvning jord mekaniske egenskaber er også blevet udviklet til ingeniør formål. Selv om disse mekaniske egenskaber i makro skala er blevet intensivt undersøgt, har den mekaniske adfærd i korn skala (f. eks. partikel kinematik, kontakt interaktion og stamme lokalisering), der regulerer disse egenskaber, tiltrukket meget mindre opmærksomhed fra ingeniører og forskere. En af grundene er manglen på effektive eksperimentelle metoder til rådighed til at udforske korn-skala mekanisk opførsel af jord.
Indtil nu er det meste af forståelsen af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord er kommet fra diskrete element modellering1 (dem), på grund af sin evne til at udtrække partikel-skala oplysninger (f. eks partikel kinematik og partikel kontakt styrker). I tidligere undersøgelser af at bruge DEM teknikker til model granulære jord mekaniske adfærd, hver enkelt partikel var simpelthen repræsenteret ved en enkelt cirkel eller sfære i modellen. Brugen af sådanne overforenklede partikelformer har ført til over rotation af partikler og dermed en lavere spids styrke adfærd2. For at opnå en bedre modellering ydeevne, mange efterforskere har brugt en rullemodstand model3,4,5,6 eller uregelmæssige partikelformer7,8, 9,10,11,12 i deres dem simuleringer. Som et resultat, en mere realistisk forståelse af partikel kinematisk adfærd er blevet erhvervet. Bortset fra partikel kinematik er DEM i stigende grad blevet brugt til at undersøge samspillet mellem kontakt med korn og udvikle teoretiske modeller. Men på grund af kravet om at reproducere reelle partikelformer og brugen af sofistikerede kontakt modeller, DEM kræver ekstremt høj beregnings evne i modellering af granulære jord med uregelmæssige former.
For nylig har udviklingen af optisk udstyr og billedbehandlings teknikker (f. eks. mikroskop, laser støttet tomografi, røntgen computertomografi (CT) og røntgen mikrotomografi (μCT)) givet mange muligheder for eksperimentel undersøgelse af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord. Gennem erhvervelse og analyse af jordprøve billeder før og efter triaksial prøvning, er sådant udstyr og teknikker blevet udnyttet i undersøgelsen af jordens mikrostrukturer13,14,15,16 ,17,18,19. For nylig er in situ-tests med X-ray CT eller μct i stigende grad blevet anvendt til at undersøge udviklingen i Void ratio20, stamme fordeling21,22,23,24, partikel bevægelse25,26,27,28, Inter-partikel kontakt29,30,31 og partikel knusning32 af granulerede jorder. Her, “in situ” indebærer X-ray scanning udført på samme tid som lastning. I modsætning til generel røntgenscanning kræver in situ-røntgen scannings tests, at et specielt fabrikeret læsse apparat leverer belastninger til jordprøver. Med den kombinerede anvendelse af Læsseapparater og røntgen CT-eller μCT-udstyr kan CT-aftryk af prøverne på forskellige belastnings stadier i testene erhverves uden destruktiv adfærd. Baseret på disse CT billeder, partikel-skala observationer af granulære jord opførsel kan erhverves. Disse CT billed-baserede partikel-niveau observationer er yderst nyttigt at verificere numeriske fund og at få nye indblik i korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord.
Denne artikel har til formål at dele detaljerne om, hvordan en X-ray in situ scanning test af en jordprøve kan udføres, ved hjælp af en eksemplarisk eksperiment, der observerer partikel kinematik, stamme lokalisering og interpartikelkontakt evolution i en jordprøve. Resultaterne viser, at X-ray in situ scanning tests har et stort potentiale til at udforske korn-niveau opførsel af granulære jord. Protokollen dækker valget af røntgenudstyr og forberedelsen af et triaksialt læsse apparat med miniature, og der gives detaljerede procedurer for udførelse af prøvningen. Desuden de tekniske trin for brug af billedbehandling og analyse til at kvantificere partikel kinematik (dvs. partikel oversættelse og partikel rotation), stamme lokalisering og Inter-partikel kontakt Evolution (dvs. kontakt gevinst, kontakt tab og Kontakt bevægelse) af jorden beskrives.
High-spatial opløsning X-ray mikro-CT og avanceret billedbehandling og analyseteknikker har gjort det muligt eksperimentel undersøgelse af den mekaniske opførsel af granulære jord under forskydning i flere skala niveauer (dvs., på makro-skala, Meso-skala og niveauer i korn skala). Men CT-billedbaserede undersøgelser af Meso-og korn skala kræver, at man anskaffer en høj-rumlig opløsning CT billeder af jordprøver under lastning. Den mest udfordrende aspekt af denne proces er måske fabrikation af en miniature tri…
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev støttet af den generelle forskningsfond No. CITYU 11213517 fra forskningstilskuds Rådet i Hongkong SAR, forskning Grant No. 51779213 fra National Science Foundation i Kina, og BL13W strålinger af Shanghai Synchrotron stråling facilitet (ssrf).
Confining pressure offering device | GDS | STDDPC | |
De-aired water | N/A | N/A | Water de-aired in the lab |
Leighton Buzzard sand | Artificial Grass Cambridge | Drained Industrial Sand 25 kg | Can be replaced with different soils |
Miniature triaxial loading device | N/A | N/A | The miniature loading device is specially fabricated by the authors |
Silicon grease | RS company | RS 494-124 | |
Synchrotron radiation X-ray micro CT setup | Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF) | 13W1 | The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF |
Vacuum pump | Hong Kong Labware Co., ltd. | Rocker 300 |