Summary

التصور من الفشل والسلوك الميكانيكية المرتبطة الحبوب علي نطاق التربة الحبيبية تحت القص باستخدام Synchrotron الاشعه السينية الدقيقة التصوير المقطعي

Published: September 29, 2019
doi:

Summary

ويصف البروتوكول الإجراءات اللازمة للحصول علي صور التصوير المقطعي (CT) عاليه الاستبانة المكانية للتربة الحبيبية اثناء الضغط ثلاثي المحاور ، ولتطبيق تقنيات معالجه الصور علي هذه الصور المقطعية لاستكشاف السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب التربة تحت التحميل.

Abstract

وقد مكن التطور السريع لتقنيات التصوير بالاشعه السينية مع مهارات معالجه الصور وتحليلها من اقتناء صور مقطعيه للتربة الحبيبية ذات الاستبانات المكانية العالية. واستنادا إلى هذه الصور المقطعية ، يمكن التحقيق كميا في السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب مثل الجسيمات الجزيئية (اي ترجمات الجسيمات وتناوب الجسيمات) وتوطين السلالات وتطور الاتصال بين الجسيمات من التربة الحبيبية. ومع ذلك ، لا يمكن الوصول اليها باستخدام الأساليب التجريبية التقليدية. وتبين هذه الدراسة استكشاف السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من عينه التربة الحبيبية تحت ضغط ثلاثي المحاور باستخدام السنكروتروني الاشعه السينية المجهرية التصوير المقطعي (μct). مع هذا الأسلوب ، يتم استخدام جهاز التحميل مصغره ملفقه خصيصا لتطبيق الضغوط الحصر والمحورية للعينه خلال اختبار ثلاثي المحاور. يتم تركيب الجهاز في التصوير المقطعي الاشعه السينية السنكروتروني بحيث يمكن جمع الصور المقطعية الدقة العالية المكانية للعينه في مراحل تحميل مختلفه من الاختبار دون اي إزعاج للعينه. مع القدرة علي استخراج المعلومات علي النطاق الكلي (علي سبيل المثال ، والضغوط عينه الحدود والسلالات من الاعداد الجهاز ثلاثي المحاور) ومقياس الحبوب (علي سبيل المثال ، حركات الحبوب والتفاعلات الاتصال من الصور المقطعية) ، وهذا الاجراء يوفر منهجيه فعاله للتحقيق في الميكانيكا متعددة المستويات من التربة الحبيبية.

Introduction

ومن المسلم به علي نطاق واسع ان الخواص الميكانيكية علي النطاق الكلي للتربة الحبيبية ، مثل الصلابة وقوه القص والنفاذيه ، هي ذات اهميه حاسمه بالنسبة للعديد من الهياكل الجيوتقنيه ، علي سبيل المثال ، الأسس والمنحدرات والسدود المليءه بالصخور. لسنوات عديده ، والاختبارات في الموقع والاختبارات المختبرية التقليدية (علي سبيل المثال ، اختبارات ضغط أحاديه البعد ، اختبارات ضغط ثلاثي المحاور واختبارات نفاذيه) وقد استخدمت لتقييم هذه الخصائص في التربة المختلفة. كما وضعت رموز ومعايير لاختبار الخواص الميكانيكية للتربة لأغراض هندسية. في حين ان هذه الخصائص الميكانيكية علي نطاق واسع قد درست بشكل مكثف ، والسلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب (علي سبيل المثال ، الجسيمات الجزيئية ، والتفاعل الاتصال وتوطين سلاله) التي تحكم هذه الخصائص قد اجتذبت اهتمام اقل بكثير من المهندسين والباحثين. أحد الأسباب هو عدم وجود طرق تجريبية فعاله متاحه لاستكشاف السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب للتربة.

وحتى الآن ، فان معظم فهم السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة الحبيبية قد جاء من النمذجة عنصر منفصل1 (DEM) ، وذلك بسبب قدرته علي استخراج المعلومات علي نطاق الجسيمات (علي سبيل المثال ، الجسيمات والاتصال الجسيمات قوات). في الدراسات السابقة لاستخدام تقنيات DEM لنمذجة السلوكيات الميكانيكية التربة الحبيبية ، وكان كل الجسيمات الفردية تمثل ببساطه من قبل دائره واحده أو المجال في النموذج. وقد ادي استخدام مثل هذه الاشكال الجسيمات الإفراط في التبسيط إلى الإفراط في دوران الجزيئات التالي انخفاض قوه الذروة السلوك2. لتحقيق أداء أفضل النمذجة ، وقد استخدمت العديد من المحققين نموذج مقاومه المتداول3،4،5،6 أو الجسيمات غير النظامية الاشكال7،8، 9،10،11،12 في المحاكاة الخاصة بهم DEM. ونتيجة لذلك ، تم الحصول علي فهم أكثر واقعيه للسلوك الحركي الجسيمات. وبصرف النظر عن الجسيمات الجزيئية ، فقد استخدمت DEM بشكل متزايد للتحقيق في تفاعل الحبوب وتطوير النماذج النظرية. ومع ذلك ، وبسبب الحاجة إلى أعاده إنتاج اشكال الجسيمات الحقيقية واستخدام نماذج الاتصال المتطورة ، DEM يتطلب قدره حسابيه عاليه للغاية في نمذجة التربة الحبيبية مع الاشكال غير النظامية.

وفي الاونه الاخيره ، أتاح تطوير المعدات البصرية وتقنيات التصوير (علي سبيل المثال ، المجهر ، والاشعه المقطعية بالليزر ، والصور المقطعية المحوسبة للاشعه السينية ، والاشعه المقطعية الدقيقة) العديد من الفرص للفحص التجريبي السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة الحبيبية. عن طريق الحصول علي وتحليل الصور عينه التربة قبل وبعد اختبار ثلاثي المحاور ، وقد استخدمت هذه المعدات والتقنيات في التحقيق في الهياكل المجهرية التربة13،14،15،16 و17و18و19. في الاونه الاخيره ، في الموقع الاختبارات مع الاشعه السينية ct أو μct وقد استخدمت بشكل متزايد للتحقيق في تطور نسبه الفراغ20، وتوزيع سلاله21،22،23،24، حركه الجسيمات25،26،27،28، الاتصال بين الجسيمات29،30،31 والجسيمات سحق32 من التربة الحبيبية. هنا ، “في الموقع” يعني المسح بالاشعه السينية التي أجريت في نفس الوقت التحميل. وعلي النقيض من المسح الضوئي العام للاشعه السينية ، فان اختبارات المسح بالاشعه السينية في الموقع تتطلب جهاز تحميل ملفق خصيصا لتسليم الإجهاد إلى عينات التربة. مع الاستخدام المشترك للجهاز التحميل والاشعه السينية CT أو جهاز μCT ، يمكن الحصول علي صور CT من العينات في مراحل تحميل مختلفه من الاختبارات غير مدمره. واستنادا إلى هذه الصور المقطعية ، يمكن الحصول علي ملاحظات علي مقياس الجسيمات لسلوك التربة الحبيبية. هذه الملاحظات علي مستوي الجسيمات المستندة إلى صوره CT مفيده للغاية للتحقق من النتائج العددية واكتساب رؤى جديده في السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة الحبيبية.

تهدف هذه المقالة إلى تبادل التفاصيل حول كيفيه اجراء فحص الاشعه السينية في الموقع من عينه التربة ، وذلك باستخدام تجربه مثاليه التي تلاحظ الجسيمات الجزيئية ، وتوطين سلاله وتطور الاتصال بين الجسيمات داخل عينه التربة. وتبين النتائج ان الاشعه السينية في الموقع اختبارات المسح لديها إمكانات كبيره لاستكشاف السلوك علي مستوي الحبوب من التربة الحبيبية. ويغطي البروتوكول اختيار جهاز الاشعه السينية μCT واعداد أجهزه التحميل ثلاثية المحاور المصغرة ، ويتم توفير إجراءات مفصله لتنفيذ الاختبار. الاضافه إلى ذلك ، فان الخطوات التقنية لاستخدام معالجه الصور وتحليلها لتحديد كميات الجسيمات الجزيئية (اي ترجمه الجسيمات ودوران الجسيمات) ، وتوطين السلالات ، وتطور الاتصال بين الجسيمات (اي كسب الاتصال ، وفقدان الاتصال اتصلت حركه) من التربة وصفت.

Protocol

1. تصميم التجربة مقدما بشكل جيد تحديد المواد الاختبار ، وحجم الجسيمات ، وحجم العينة وعينه المساميه الاوليه.ملاحظه: يستخدم الرمل لايتون بونار مع قطر 0.15 ~ 0.30 mm وحجم عينه من 8 × 16 ملم (قطر x الارتفاع) كمثال لإثبات بروتوكول هذه الدراسة. ويمكن أيضا ان تستخدم الرمال الأخرى مثل الرمل فوجيان ، ?…

Representative Results

ويصور الشكل 5 نتائج الجسيمات الجزيئية لعينه من الرمل لايتون بونار (رطل) في شريحة ثنائيه الابعاد خلال فترتين من زيادات القص النموذجية ، الأول والثاني. ويتم تعقب معظم الجزيئات بنجاح ويتم تحديد حجم ترجماتها وتناوبها بعد البروتوكول المذكور أعلاه. واثناء الزيادة الاولي في القص…

Discussion

وقد مكنت تقنيات الاستبانة العالية المكانية للاشعه السينية الدقيقة والمعالجة المتقدمة للصور وتحليلها من اجراء التحقيق التجريبي في السلوك الميكانيكي للتربة الحبيبية تحت القص علي مستويات متعددة النطاقات (اي علي النطاق الكلي والمتوسط مستويات حجم الحبوب). ومع ذلك ، فان التحقيقات التي تستند …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد حظيت هذه الدراسة بدعم صندوق البحوث العامة رقم CityU 11213517 من مجلس منح البحوث في منطقه هونغ كونغ الاداريه الخاصة ، ومنحه البحوث رقم 51779213 من المؤسسة الوطنية للعلوم في الصين ، وBL13W beamline من مرفق الإشعاع شنغهاي Synchrotron (S.SF).

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

Riferimenti

  1. Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
  2. Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
  3. Iwashita, K., Oda, M. Rolling resistance at contacts in simulation of shear band development by DEM. Journal of Engineering Mechanics. 124 (3), 285-292 (1998).
  4. Jiang, M. J., Yu, H. S., Harris, D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistance. Computers and Geotechnics. 32 (5), 340-357 (2005).
  5. Ai, J., Chen, J. F., Rotter, J. M., Ooi, J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations. Powder Technology. 206 (3), 269-282 (2011).
  6. Zhou, B., Huang, R., Wang, H., Wang, J. DEM investigation of particle anti-rotation effects on the micromechanical response of granular materials. Granular Matter. 15 (3), 315-326 (2013).
  7. Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
  8. Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
  9. Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
  10. Wiącek, J., Molenda, M., Horabik, J., Ooi, J. Y. Influence of grain shape and intergranular friction on material behavior in uniaxial compression: Experimental and DEM modeling. Powder Technology. , 435-442 (2012).
  11. Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
  12. Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
  13. Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
  14. Konagai, K., Tamura, C., Rangelow, P., Matsushima, T. Laser-aided tomography: a tool for visualization of changes in the fabric of granular assemblage. Structural Engineering/Earthquake Engineering. 9 (3), 193-201 (1992).
  15. Johns, R. A., Steude, J. S., Castanier, L. M., Roberts, P. V. Nondestructive measurements of fracture aperture in crystalline rock cores using X ray computed tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 98 (2), 1889-1900 (1993).
  16. Ohtani, T., Nakano, T., Nakashima, Y., Muraoka, H. Three-dimensional shape analysis of miarolitic cavities and enclaves in the Kakkonda granite by X-ray computed tomography. Journal of Structural Geology. 23 (11), 1741-1751 (2001).
  17. Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
  18. Fonseca, J., O’Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using directional parameters. Géotechnique. 63 (6), 487-499 (2013).
  19. Fonseca, J., O’Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using scalar parameters. Géotechnique. 63 (10), 818-829 (2013).
  20. Desrues, J., Chambon, R., Mokni, M., Mazerolle, F. Void ratio evolution inside shear bands in triaxial sand specimens studied by computed tomography. Géotechnique. 46 (3), 529-546 (1996).
  21. Lenoir, N., Bornert, M., Desrues, J., Bésuelle, P., Viggiani, G. Volumetric digital image correlation applied to X-ray microtomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock. Strain. 43 (3), 193-205 (2007).
  22. Higo, Y., Oka, F., Sato, T., Matsushima, Y., Kimoto, S. Investigation of localized deformation in partially saturated sand under triaxial compression using microfocus X-ray CT with digital image correlation. Soils and Foundations. 53 (2), 181-198 (2013).
  23. Alikarami, R., Andò, E., Gkiousas-Kapnisis, M., Torabi, A., Viggiani, G. Strain localisation and grain breakage in sand under shearing at high mean stress: insights from in situ X-ray tomography. Acta Geotechnica. 10 (1), 15-30 (2015).
  24. Cheng, Z., Wang, J. Quantification of the strain field of sands based on X-ray micro-tomography: A comparison between a grid-based method and a mesh-based method. Powder Technology. , 314-334 (2019).
  25. Hall, S. A., Bornert, M., Desrues, J., Pannier, Y., Lenoir, N., Viggiani, G., Bésuelle, P. Discrete and continuum analysis of localised deformation in sand using X-ray μCT and volumetric digital image correlation. Géotechnique. 60 (5), 315-322 (2010).
  26. Andò, E., Hall, S. A., Viggiani, G., Desrues, J., Bésuelle, P. Grain-scale experimental investigation of localised deformation in sand: a discrete particle tracking approach. Acta Geotechnica. 7 (1), 1-13 (2012).
  27. Watanabe, Y., Lenoir, N., Otani, J., Nakai, T. Displacement in sand under triaxial compression by tracking soil particles on X-ray CT data. Soils and Foundations. 52 (2), 312-320 (2012).
  28. Cheng, Z., Wang, J. A particle-tracking method for experimental investigation of kinematics of sand particles under triaxial compression. Powder Technology. 328, 436-451 (2018).
  29. Matsushima, T., Katagiri, J., Uesugi, K., Nakano, T., Tsuchiyama, A. Micro X-ray CT at Spring-8 for granular mechanics. Soil Stress-Strain Behavior: Measurement, Modeling and Analysis. A Collection of Papers of the Geotechnical Symposium in Rome. 146, 225-234 (2006).
  30. Andò, E., Viggiani, G., Hall, S. A., Desrues, J. Experimental micro-mechanics of granular media studied by X-ray tomography: recent results and challenges. Géotechnique Letters. 3, 142-146 (2013).
  31. Cheng, Z., Wang, J. Experimental investigation of inter-particle contact evolution of sheared granular materials using X-ray micro-tomography. Soils and Foundations. 58 (6), 1492-1510 (2018).
  32. Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Ooi, J. Y., Viggiani, G. Evolution of deformation and breakage in sand studied using X-ray tomography. Géotechnique. , 1-11 (2017).
  33. Cheng, Z., Wang, J. F., Coop, M. R., Ye, G. L. A miniature triaxial apparatus for investigating the micromechanics of granular soils with in-situ X-ray micro-tomography scanning. Frontiers of Structural and Civil Engineering. , (2019).
  34. Chen, R. C., Dreossi, D., Mancini, L., Menk, R., Rigon, L., Xiao, T. Q., Longo, R. PITRE: software for phase-sensitive X-ray image processing and tomography reconstruction. Journal of Synchrotron Radiation. 19 (5), 836-845 (2012).
  35. Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
  36. Karatza, Z. . Study of temporal and spatial evolution of deformation and breakage of dry granular materials using X-ray computed tomography and the discrete element method. , (2017).
  37. Shi, Y., Yan, W. M. Segmentation of irregular porous particles of various sizes from X-ray microfocus computer tomography images using a novel adaptive watershed approach. Géotechnique Letters. 5 (4), 299-305 (2015).
  38. Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
  39. Lai, Z., Chen, Q. Reconstructing granular particles from X-ray computed tomography using the TWS machine learning tool and the level set method. Acta Geotechnica. 14 (1), 1-18 (2019).
  40. Wiebicke, M., Andò, E., Herle, I., Viggiani, G. On the metrology of interparticle contacts in sand from x-ray tomography images. Measurement Science and Technology. 28 (12), 1-14 (2017).
  41. Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Viggiani, G., Ooi, J. Y. Effect of particle morphology and contacts on particle breakage in a granular assembly studied using X-ray tomography. Granular Matter. 21 (3), 1-13 (2019).
  42. Cheng, Z. . Investigation of the grain-scale mechanical behavior of granular soils under shear using X-ray micro-tomography. , (2018).
  43. Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
  44. Kruyt, N. P., Rothenburg, L. Probability density functions of contact forces for cohesionless frictional granular materials. International Journal of Solids and Structures. 39 (3), 571-583 (2002).
  45. Marketos, G., Bolton, M. D. Quantifying the extent of crushing in granular materials: a probability-based predictive method. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 55 (10), 2142-2156 (2007).
  46. Cheng, Z., Wang, J. Quantification of particle crushing in consideration of grading evolution of granular soils in biaxial shearing: A probability-based model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 42 (3), 488-515 (2018).
  47. Zhou, B., Wang, J., Wang, H. A new probabilistic approach for predicting particle crushing in one-dimensional compression of granular soil. Soils and Foundations. 54 (4), 833-844 (2014).
  48. Geng, J., Reydellet, G., Clément, E., Behringer, R. P. Green’s function measurements of force transmission in 2D granular materials. Physica D: Nonlinear Phenomena. 182, 274-303 (2003).
  49. Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
  50. Hurley, R. C., Hall, S. A., Andrade, J. E., Wright, J. Quantifying interparticle forces and heterogeneity in 3D granular materials. Physical Review Letters. 117 (9), 098005 (2016).
check_url/it/60322?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Cheng, Z., Wang, J. Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography. J. Vis. Exp. (151), e60322, doi:10.3791/60322 (2019).

View Video