Visualisation de l'échec et du comportement mécanique associé à l'échelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X
Summary
Le protocole décrit les procédures visant à acquérir des images de tomographie calculée à haute résolution spatiale (CT) d’un sol granulaire pendant la compression triaxiale, et à appliquer des techniques de traitement d’image à ces images CT pour explorer le comportement mécanique à l’échelle du grain de le sol en charge.
Abstract
Le développement rapide des techniques d’imagerie par rayons X avec des compétences en traitement et en analyse d’images a permis l’acquisition d’images CT de sols granulaires avec des résolutions spatiales élevées. Sur la base de ces images CT, le comportement mécanique à l’échelle du grain, comme la cinématique des particules (c.-à-d. les traductions de particules et les rotations de particules), la localisation des souches et l’évolution du contact entre les particules des sols granulaires, peuvent être étudiés quantitativement. Cependant, cela est inaccessible en utilisant des méthodes expérimentales conventionnelles. Cette étude démontre l’exploration du comportement mécanique à l’échelle du grain d’un échantillon de sol granulaire sous compression triaxiale à l’aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X. Avec cette méthode, un appareil de chargement miniature spécialement fabriqué est utilisé pour appliquer des contraintes de confinement et d’axial à l’échantillon pendant l’essai triaxial. L’appareil est installé dans une configuration de tomographie à rayons X synchrotron de sorte que les images de CT à haute résolution spatiale de l’échantillon peuvent être recueillies à différentes étapes de chargement de l’essai sans aucune perturbation de l’échantillon. Avec la capacité d’extraire des informations à l’échelle macro (p. ex., les contraintes et les souches de limites d’échantillon de la configuration de l’appareil triaxial) et l’échelle du grain (p. ex., les mouvements des grains et les interactions de contact à partir des images CT), cette procédure fournit un méthodologie efficace pour étudier la mécanique à plusieurs échelles des sols granulaires.
Introduction
Il est largement reconnu que les propriétés mécaniques à l’échelle macro du sol granulaire, telles que la rigidité, la résistance au cisaillement et la perméabilité, sont essentielles à de nombreuses structures géotechniques, par exemple, les fondations, les pentes et les barrages de remplissage des roches. Pendant de nombreuses années, des tests sur place et des tests de laboratoire conventionnels (p. ex., des tests de compression unidimensionnelle, des tests de compression triaxiale et des tests de perméabilité) ont été utilisés pour évaluer ces propriétés dans différents sols. Des codes et des normes pour l’essai des propriétés mécaniques du sol ont également été élaborés à des fins d’ingénierie. Bien que ces propriétés mécaniques à l’échelle macro aient été étudiées de façon intensive, le comportement mécanique à l’échelle du grain (p. ex., la cinématique des particules, l’interaction avec les contacts et la localisation des souches) qui régit ces propriétés a attiré beaucoup moins d’attention de ingénieurs et chercheurs. L’une des raisons est l’absence de méthodes expérimentales efficaces disponibles pour explorer le comportement mécanique à l’échelle du grain des sols.
Jusqu’à présent, la plupart de la compréhension du comportement mécanique à l’échelle du grain des sols granulaires provenait de la modélisation discrète des éléments1 (DEM), en raison de sa capacité à extraire des informations à l’échelle des particules (p. ex., la cinématique des particules et le contact avec les particules forces). Dans des études antérieures sur l’utilisation de techniques DEM pour modéliser les comportements mécaniques du sol granulaire, chaque particule individuelle était simplement représentée par un seul cercle ou sphère dans le modèle. L’utilisation de telles formes de particules trop simplifiées a conduit à la surrotation des particules et donc à un comportement de force de pointe plus faible2. Pour obtenir une meilleure performance de modélisation, de nombreux chercheurs ont utilisé un modèle de résistance au roulement3,4,5,6 ou des formes de particules irrégulières7,8, 9,10,11,12 dans leurs simulations DEM. En conséquence, une compréhension plus réaliste du comportement cinématique des particules a été acquise. Mis à part la cinématique des particules, LE DEM est de plus en plus utilisé pour étudier l’interaction avec le contact avec les grains et pour développer des modèles théoriques. Cependant, en raison de l’exigence de reproduire des formes de particules réelles et l’utilisation de modèles de contact sophistiqués, DEM nécessite une capacité de calcul extrêmement élevée dans la modélisation des sols granulaires avec des formes irrégulières.
Récemment, le développement d’équipements optiques et de techniques d’imagerie (p. ex., le microscope, la tomographie assistée au laser, la tomographie par rayons X (TC) et la micro-tomographie par rayons X( TCD)) a fourni de nombreuses possibilités d’examen expérimental de la comportement mécanique à l’échelle du grain des sols granulaires. Par l’acquisition et l’analyse d’images d’échantillons de sol avant et après les essais triaxiaux, ces équipements et techniques ont été utilisés dans l’étude des microstructures du sol13,14,15,16 ,17,18,19. Plus récemment, les tests in situ avec CT à rayons X ou CT ont été de plus en plus utilisés pour étudier l’évolution du rapport vide20, distribution de souches21,22,23,24, mouvement de particules25,26,27,28, contact interpartie29,30,31 et concassage de particules32 de sols granulaires. Ici, « in situ » implique un balayage aux rayons X effectué en même temps que le chargement. Contrairement à la numérisation générale des rayons X, les tests in situ de balayage aux rayons X nécessitent un appareil de chargement spécialement fabriqué pour fournir des contraintes aux échantillons de sol. Avec l’utilisation combinée de l’appareil de chargement et de l’appareil CT à rayons X ou CT, les images CT des échantillons à différentes étapes de chargement des essais peuvent être acquises de manière non destructive. Sur la base de ces images CT, des observations à l’échelle des particules du comportement du sol granulaire peuvent être acquises. Ces observations basées sur l’image cT au niveau des particules sont extrêmement utiles pour vérifier les résultats numériques et pour obtenir de nouvelles informations sur le comportement mécanique à l’échelle du grain des sols granulaires.
Cet article vise à partager les détails de la façon dont un test de balayage in situ de rayons X d’un échantillon de sol peut être effectué, à l’aide d’une expérience exemplaire qui observe la cinématique des particules, la localisation des souches et l’évolution du contact interpartie au sein d’un échantillon de sol. Les résultats montrent que les tests de balayage in situ aux rayons X ont un grand potentiel pour explorer le comportement au niveau du grain des sols granulaires. Le protocole couvre le choix de l’appareil de radiographie et la préparation d’un appareil de chargement triaxial miniature, et des procédures détaillées pour effectuer le test sont fournies. En outre, les étapes techniques pour l’utilisation du traitement et de l’analyse de l’image pour quantifier la cinématique des particules (c.-à-d. la traduction des particules et la rotation des particules), la localisation des souches et l’évolution du contact entre les particules (c.-à-d. le contact, la perte de contact et contact) du sol sont décrits.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le micro-CT à rayons X à haute résolution spatiale et les techniques avancées de traitement et d’analyse des images ont permis l’étude expérimentale du comportement mécanique des sols granulaires sous cisaillement à plusieurs échelles (c.-à-d. à l’échelle macro, à l’échelle méso et niveaux à l’échelle du grain). Cependant, les études à l’échelle du meso et du grain basées sur l’image CT nécessitent l’acquisition d’images de CT à haute résolution spatiale d’échantillons de sol pendant le chargemen…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été appuyée par le Fonds général de recherche no. CityU 11213517 du Research Grant Council of the Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 de la National Science Foundation of China et la ligne de faisceau BL13W de la Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).
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 |
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