Protokollen beskriver prosedyrer for å erverve høy-romlig oppløsning beregnet tomografi (CT) bilder av en detaljert jord under triaxial komprimering, og å bruke bildebehandling teknikker til disse CT bilder å utforske korn-skalaen mekanisk oppførsel av jord under lasting.
Den raske utviklingen av X-ray Imaging teknikker med bildebehandling og analyse ferdigheter har aktivert oppkjøpet av CT bilder av granulat jord med høy romlig oppløsninger. Basert på slike CT-bilder, kan korn skala mekanisk atferd som partikkel kinematikk (dvs. partikkel oversettelser og partikkel rotasjoner), strekk lokalisering og inter-partikkel kontakt utviklingen av granulat jord bli kvantitativt undersøkt. Men dette er utilgjengelig ved hjelp av konvensjonelle eksperimentelle metoder. Denne studien demonstrerer utforskning av korn-skalaen mekanisk oppførsel av en detaljert jordprøve under triaxial komprimering bruker Synchrotron X-ray mikro-tomografi (Benvolum). Med denne metoden, en spesielt fabrikkert miniatyr lasting apparater brukes til å bruke confining og aksial påkjenninger til prøven under triaxial test. Apparatet er montert i et Synchrotron røntgen tomografi oppsett slik at høy romlig oppløsning CT-bilder av prøven kan samles på ulike lasting stadier av testen uten forstyrrelser i prøven. Med mulighet til å trekke ut informasjon på makro skalaen (f.eks. prøve grense belastninger og stammer fra det triaxial apparat oppsettet) og korn skalaen (f.eks. korn bevegelser og kontakt interaksjoner fra CT-bildene), gir denne prosedyren en effektiv metodikk for å undersøke multi-skala mekanikk av kornet jord.
Det er allment anerkjent at makro-skalaen mekaniske egenskaper av granulat jord, slik som stivhet, skjær styrke og permeabilitet, er avgjørende for mange Geotekniske strukturer, for eksempel stiftelser, bakker og rock-Fill dammer. For mange år, på stedet tester og konvensjonelle laboratorietester (for eksempel en-dimensjonal komprimering tester, triaxial komprimering tester og permeabilitet tester) har blitt brukt til å evaluere disse egenskapene i ulike jordsmonn. Koder og standarder for testing jord mekaniske egenskaper har også blitt utviklet for tekniske formål. Mens disse makro-skalaen mekaniske egenskaper har vært intensivt studert, korn-skalaen mekanisk atferd (f. eks partikkel kinematikk, kontakt interaksjon og stamme lokalisering) som regulerer disse egenskapene har tiltrukket seg mye mindre oppmerksomhet fra ingeniører og forskere. En grunn er mangelen på effektive eksperimentelle metoder tilgjengelig for å utforske korn-skalaen mekanisk oppførsel av jord.
Inntil nå, det meste av forståelsen av korn-skalaen mekanisk oppførsel av kornet jord har kommet fra diskret element modellering1 (dem), på grunn av sin evne til å trekke ut partikkel-skala informasjon (f. eks, partikkel kinematikk og partikkel kontakt og styrker). I tidligere studier av bruk DEM teknikker for å modellere kornet jord mekanisk atferd, hver enkelt partikkel var bare representert ved en enkelt sirkel eller sfære i modellen. Bruken av slike over-forenklede partikkel former har ført til over rotasjon av partikler og dermed en lavere topp styrke atferd2. For å oppnå en bedre modellering ytelse, har mange etterforskere brukt en rullende motstandmodell 3,4,5,6 eller uregelmessig partikkelfigurer 7,8, 9,10,11,12 i sine dem simuleringer. Som et resultat, har en mer realistisk forståelse av partikkel Kinematisk adferd blitt ervervet. Bortsett fra partikkel kinematikk, har DEM blitt stadig mer brukt til å undersøke korn kontakt interaksjon og for å utvikle teoretiske modeller. Men på grunn av kravet om å reprodusere ekte partikkel former og bruk av sofistikerte kontakt modeller, krever DEM ekstremt høy beregningsorientert evne i modellering av granulat jord med Uregelmessige former.
I den seneste tid, utviklingen av optisk utstyret og tenkelig teknikker (e.g., det mikroskop, laser-hjalp tomografi, X-rokke beregnet tomografi (CT) og X-rokke mikro–tomografi (Benvolum)) har forsynt mange Opportunities for eksperimentelle eksamen av det korn-skala mekanisk oppførsel av kornet jord. Via oppkjøp og analyse av jordprøve bilder før og etter triaxial testing, har slikt utstyr og teknikker blitt benyttet i etterforskningen av jord mikrostrukturen13,14,15,16 ,17,18,19. Flere nylig, in situ-tester med røntgen CT eller benvolum har blitt stadig mer brukt til å undersøke utviklingen av annullert ratio20, stamme distribusjon21,22,23,24, partikkel bevegelse25,26,27,28, Inter-partikkel kontakt29,30,31 og partikkel knusing32 av kornet jord. Her betyr “in situ” X-ray skanning utført på samme tid som lasting. I motsetning til generell X-ray skanning, in situ X-ray skanning tester krever en spesielt fabrikkert lasting apparat for å levere spenninger til jordprøver. Med den kombinerte bruken av laste apparatet og røntgen CT-eller Benvolum-enheten, kan CT-bilder av prøvene på ulike innlastings stadier av testene anskaffes som ikke-ødeleggende måte. Basert på disse CT-bilder, partikkel-skala observasjoner av granulat jord atferd kan skaffes. Disse CT image-baserte partikkel-nivå observasjoner er svært nyttig å verifisere numeriske funn og å få romanen innsikt i korn-skalaen mekanisk oppførsel av kornet jord.
Denne artikkelen tar sikte på å dele detaljene om hvordan en X-ray in situ skanning test av en jordprøve kan utføres, ved hjelp av en eksemplarisk eksperiment som observerer partikkel kinematikk, stamme lokalisering og inter-partikkel kontakt evolusjon innenfor en jordprøve. Resultatene viser at X-ray in situ skanning tester har et stort potensial til å utforske korn-nivå oppførsel av kornet jord. Protokollen dekker valg av X-ray Benvolum enhet og utarbeidelse av en miniatyr triaxial lasting apparat, og detaljerte prosedyrer for å utføre testen er gitt. I tillegg er de tekniske trinnene for bruk av bildebehandling og analyse for å kvantifisere partikkel kinematikk (dvs. partikkel oversettelse og partikkel rotasjon), strekk lokalisering, og inter-partikkel kontakt evolusjon (dvs. kontakt forsterkning, kontakt tap og Kontakt bevegelse) av jorda er beskrevet.
Høy-romlig oppløsning X-ray Micro-CT og avansert bildebehandling og analyse teknikker har aktivert eksperimentell undersøkelse av mekanisk atferd av kornet jord under skjær på multi-skala nivåer (dvs. på makro-skala, Meso-skala og korn-skala nivåer). Men CT bilde-baserte Meso-og korn-skala undersøkelser krever oppkjøpet av høy-romlig oppløsning CT bilder av jordprøver under lasting. Det mest utfordrende aspektet ved denne prosessen er kanskje fabrikasjon av en miniatyr triaxial lasting apparat som kan brukes…
The authors have nothing to disclose.
Denne studien ble støttet av General Research Fund no. CityU 11213517 fra Research Grant Council i Hong Kong SAR, Research Grant no. 51779213 fra National Science Foundation i Kina, og BL13W beamline av Shanghai Synchrotron stråling Facility (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 |