使用同步加速器 X 射线微断层扫描技术，在剪切下对颗粒土壤的故障和相关的颗粒级机械性能进行可视化

Summary

该协议描述了在三轴压缩期间获取粒状土壤的高密度分辨率计算机断层扫描 （CT） 图像的过程，并将图像处理技术应用于这些 CT 图像，以探索正在装载的土壤。

Abstract

X射线成像技术与图像处理和分析技能的迅速发展，使得具有高空间分辨率的颗粒土壤的CT图像得以获取。基于这些CT图像，可以定量地研究颗粒运动学（即粒子平移和粒子旋转）、应变定位和颗粒间接触演化等颗粒尺度的机械行为。然而，这是不可接近使用传统的实验方法。本研究利用同步加速器X射线微断层扫描（μCT）对三轴压缩下粒状土壤样品的颗粒级机械特性进行了探索。该方法采用特制微型装载装置，在三轴试验期间对样品施加限制和轴向应力。该装置安装在同步辐射X射线断层扫描设置中，以便在测试的不同加载阶段收集样品的高精度分辨率CT图像，而不会对样品产生任何干扰。通过从宏观尺度提取信息（例如，来自三轴装置设置的样本边界应力和应变）和颗粒量程（例如，从 CT 图像中提取颗粒运动和接触交互），此过程提供了研究粒状土壤多尺度力学的有效方法。

Introduction

人们普遍认为，粒状土壤的宏观力学特性，如刚度、剪切强度和渗透性，对许多岩土结构（例如地基、斜坡和岩石填充水坝）至关重要。多年来，现场测试和常规实验室测试（例如，一维压缩测试、三轴压缩试验和渗透性测试）一直用于评估不同土壤中的这些特性。为工程目的，还制定了测试土壤机械性能的规范和标准。虽然对这些宏观规模的机械特性进行了深入的研究，但控制这些特性的颗粒级机械行为（例如，粒子运动学、接触相互作用和应变定位）对来自工程师和研究人员。原因之一是缺乏有效的实验方法来探索土壤的颗粒级机械性能。

到目前为止，对颗粒土壤颗粒尺度机械特性的大部分理解来自离散元素^{建模1（DEM），}因为它能够提取颗粒尺度信息（例如，粒子运动学和粒子接触）力）。在早期使用 DEM 技术对粒度土壤机械行为建模的研究中，每个单个粒子都简单地由模型中的单个圆或球体表示。使用这种过度简化的粒子形状导致了粒子的过度旋转，从而降低了峰值强度^行为2。为了达到更好的建模性能，许多研究者使用了滚动电阻^{模型3，4，5，6}或不规则的粒子^{形状7，8。9，10}，^11，12在他们的 DEM 模拟.因此，对粒子运动行为有了更现实的理解。除了粒子运动学之外，DEM 还越来越多地用于研究颗粒接触相互作用和开发理论模型。然而，由于需要重现真实颗粒形状和使用复杂的接触模型，DEM 在建模具有不规则形状的颗粒土壤时需要极高的计算能力。

最近，光学设备和成像技术的发展（例如显微镜、激光辅助断层扫描、X射线计算机断层扫描（CT）和X射线微断层扫描（μCT））为实验检查粒状土壤的颗粒级机械性能。通过三轴试验前后土壤样品图像的采集和分析，在土壤微观结构13、14、15、16的调查中采用了这些设备和技术。 ^{，17，18，19}.最近，使用X射线CT或_CT的原位测试已越来越多地用于研究空隙^比20、应变分布21、22、23、24的演化。粒子运动^{25、26、27、28}、 粒子间接触^29、30、31和粒子粉碎³²颗粒状土壤。在这里，”原位”意味着X射线扫描在装载的同时进行。与一般的 X 射线扫描不同，原位 X 射线扫描测试需要专门制造的装载设备来向土壤样品提供应力。结合装载装置和X射线CT或+CT装置，可以无损地采集不同测试装载阶段的样品CT图像。基于这些CT图像，可以获取粒状土壤行为的颗粒尺度观测。这些基于CT图像的粒子级观测结果对于验证数值发现和获得颗粒状土壤颗粒级机械特性的新见解非常有帮助。

本文旨在分享如何对土壤样品进行X射线原位扫描测试的细节，使用观察土壤样本中粒子运动学、应变定位和颗粒间接触演化的示范性实验。结果表明，X射线原位扫描试验对探索颗粒状土壤的颗粒级行为具有很大的潜力。该协议涵盖了X射线+CT器件的选择和微型三轴载荷装置的制备，并给出了进行试验的详细程序。此外，使用图像处理和分析来量化粒子运动学（即粒子平移和粒子旋转）、应变定位和粒子间接触演化的技术步骤（即接触增益、接触丢失和介绍了土壤的接触运动）。

Protocol

1. 提前设计实验 确定测试材料、颗粒大小、样品大小和样品初始孔隙度。注：使用直径为 0.15±0.30 mm、样品尺寸为 8 x 16 mm（直径 x 高度）的礼顿 Buzzard 沙为例，演示本研究的协议。其他沙，如福建沙，休斯顿沙，渥太华沙和凯科斯Ooids等，也可以使用类似的样品大小。 根据所需的空间分辨率和扫描区域选择合适的探测器（图1A），根据预定的?…

Representative Results

图 5描述了在两个典型的剪切增量 I 和 II 期间在 2D 切片处的莱顿 Buzzard 沙 （LBS） 样本的粒子运动学结果。大多数粒子都成功跟踪，其平移和旋转按照上述协议进行量化。在第一次剪切增量中，粒子位移和粒子旋转均不显示清晰的定位。但是，在第二个剪切增量期间，在粒子位移贴图和粒子旋转贴图中都开发了一个局部带。图 6显示了两个剪切增量期?…

Discussion

高空间分辨率X射线微CT和先进的图像处理和分析技术，使多尺度（即宏观尺度、中尺度和微量）下粒状土壤的机械性能得到实验性研究。粒级水平）。然而，基于CT图像的中显和颗粒尺度研究需要在装载过程中获取土壤样品的高分辨率CT图像。这个过程最具挑战性的方面也许是制造一个微型三轴装载装置，可以与X射线微型CT设备结合使用。除了X射线微CT设备的限制，如空间分辨率、扫描区域和旋转…

Materials

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