Visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie
Summary
Het protocol beschrijft procedures voor het verkrijgen van hoge-ruimtelijke resolutie computertomografie (CT) beelden van een korrelige bodem tijdens triaxiale compressie, en het toepassen van beeldverwerkingstechnieken om deze CT-beelden te verkennen van de korrel schaal mechanisch gedrag van de bodem onder het laden.
Abstract
De snelle ontwikkeling van Röntgen beeldvormingstechnieken met beeldverwerkings-en analyse vaardigheden heeft de overname van CT-beelden van korrelvormige bodems met hoge ruimtelijke resoluties mogelijk gemaakt. Op basis van dergelijke CT-afbeeldingen kan mechanisch gedrag op korrel schaal, zoals deeltjes kinematica (d.w.z. deeltjes vertalingen en deeltjes rotaties), de lokalisatie van de stam en de onderlinge contact evolutie van korrelige bodems kwantitatief worden onderzocht. Dit is echter niet toegankelijk met conventionele experimentele methoden. Deze studie toont de verkenning van het mechanische gedrag op korrel schaal van een korrelig bodemmonster onder triaxiale compressie met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie (μCT). Met deze methode wordt een speciaal vervaardigde miniatuur laadinrichting gebruikt voor het aanbrengen van opsteek-en axiale spanningen op het monster tijdens de triaxiale test. Het apparaat is ingebouwd in een Synchrotron X-Ray computertomografie Setup, zodat hoge ruimtelijke resolutie CT-beelden van het monster kunnen worden verzameld in verschillende laad stadia van de test zonder verstoring van het monster. Met de mogelijkheid om informatie op de macro schaal te extraheren (bijvoorbeeld de grens spanningen en-stammen van de triaxiale installatie) en de korrel schaal (bv. korrel bewegingen en contact interacties van de CT-beelden), biedt deze procedure een effectieve methodologie om de Multi-Scale mechanica van korrelvormige bodems te onderzoeken.
Introduction
Het wordt alom erkend dat de mechanische eigenschappen van korrelvormige grond, zoals stijfheid, afschuifsterkte en permeabiliteit, van cruciaal belang zijn voor vele geotechnische constructies, bijvoorbeeld stichtingen, hellingen en rotsvuldammen. Gedurende vele jaren zijn tests ter plaatse en conventionele laboratoriumtests (bijv. eendimensionale compressie tests, triaxiale compressie tests en permeabiliteit tests) gebruikt om deze eigenschappen in verschillende bodems te evalueren. Codes en normen voor het testen van bodem mechanische eigenschappen zijn ook ontwikkeld voor technische doeleinden. Hoewel deze mechanische eigenschappen van de macro schaal intensief zijn bestudeerd, heeft het mechanische gedrag op korrel schaal (bijv. deeltjes kinematica, contact interactie en de lokalisatie van de stam) die deze eigenschappen regelt, veel minder aandacht gekregen van ingenieurs en onderzoekers. Een van de redenen is het gebrek aan effectieve experimentele methoden om het mechanische gedrag van de bodem op graan schaal te onderzoeken.
Tot nu is het grootste deel van het begrip van het mechanische gedrag van korrelvormige bodems afkomstig van discrete element Modeling1 (DEM), vanwege het vermogen om deeltjes schaal informatie te extraheren (bijv. deeltjes kinematica en deeltjes contact krachten). In eerdere studies van het gebruik van DEM-technieken om korrelig bodem mechanisch gedrag te modelleren, werd elk afzonderlijk deeltje simpelweg vertegenwoordigd door een enkele cirkel of bol in het model. Het gebruik van dergelijke over-vereenvoudigde deeltjes vormen heeft geleid tot de overmatige rotatie van deeltjes en daardoor een lager piek sterkte-gedrag2. Om een betere modellerings prestatie te bereiken, hebben veel onderzoekers een rolweerstandmodel 3,4,5,6 of onregelmatig deeltjesvormen 7,8, 9,10,11,12 in hun dem-simulaties. Als gevolg hiervan is een realistischer begrip van het gedrag van deeltjes KINEMATISCH verkregen. Naast deeltjes kinematica wordt DEM steeds vaker gebruikt om de interactie tussen granen en contact te onderzoeken en theoretische modellen te ontwikkelen. Vanwege de eis om echte deeltjes vormen en het gebruik van geavanceerde contact modellen te reproduceren, vereist DEM echter een extreem hoge computationele capaciteit bij het modelleren van korrelvormige bodems met onregelmatige vormen.
Onlangs heeft de ontwikkeling van optische apparatuur en beeldvormingstechnieken (bijv. de Microscoop, laser-aided computertomografie, x-ray computer computertomografie (CT) en x-ray micro-computertomografie (μct)) veel mogelijkheden geboden voor het experimentele onderzoek van de mechanisch gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems. Via acquisitie en analyse van bodemmonster afbeeldingen vóór en na triaxiaal testen zijn dergelijke apparatuur en technieken gebruikt bij het onderzoek naar bodem microstructuren13,14,15,16 ,17,18,19. Meer recentelijk zijn in-situ tests met X-Ray CT of μct steeds vaker gebruikt om de evolutie van de void ratio20, stam verdeling21,22,23,24, deeltjes beweging25,26,27,28, tussen deeltjes contact29,30,31 en deeltjes verbrijzelen32 van korrelvormige bodems. Hier impliceert “in situ” X-ray scanning uitgevoerd op hetzelfde moment als het laden. In tegenstelling tot algemene X-ray scanning, vereisen X-ray scanning tests in situ een speciaal vervaardigd laadapparaat om spanningen te leveren aan bodemmonsters. Met het gecombineerde gebruik van het laadapparaat en X-Ray CT-of μCT-apparaat kunnen CT-beelden van de monsters in verschillende laad stadia van de tests niet-destructief worden verkregen. Op basis van deze CT-beelden kunnen observaties van korrelig bodem gedrag op deeltjes schaal worden verkregen. Deze op deeltjes niveau gebaseerde observaties van CT-beelden zijn uiterst nuttig om numerieke bevindingen te controleren en nieuwe inzichten te verwerven in het mechanische gedrag van korrelvormige bodems.
Dit artikel is bedoeld om de details te delen van hoe een X-Ray in situ Scanning test van een bodemmonster kan worden uitgevoerd, met behulp van een voorbeeldig experiment dat deeltjes kinematica, strain lokalisatie en interdeeltjes contact evolutie in een bodemmonster observeert. De resultaten tonen aan dat X-Ray in situ Scanning tests een groot potentieel hebben om het korrelvormige gedrag van korrelvormige bodems te verkennen. Het protocol heeft betrekking op de keuze van X-Ray μCT apparaat en de bereiding van een miniatuur triaxiaal laadapparaat, en gedetailleerde procedures voor het uitvoeren van de test worden geleverd. Daarnaast zijn de technische stappen voor het gebruik en de analyse van beeldverwerking om de deeltjes kinematica (d.w.z. deeltjes translatie en deeltjes rotatie), de lokalisatie van de stam en de contact evolutie tussen deeltjes te kwantificeren (d.w.z. contactversterking, contact verlies en contact verplaatsing) van de bodem worden beschreven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoge-ruimtelijke resolutie X-Ray micro-CT en geavanceerde beeldverwerkings-en analysetechnieken hebben het experimentele onderzoek naar het mechanische gedrag van korrelvormige bodems onder afschuiving op multi-schaalniveaus mogelijk gemaakt (d.w.z. op macro schaal, meso-schaal en niveaus van korrelgrootte). Echter, CT-beeld-gebaseerde meso-en korrel-Scale onderzoeken vereisen de verwerving van hoge-ruimtelijke resolutie CT beelden van bodemmonsters tijdens het laden. Het meest uitdagende aspect van dit proces is misschi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gesteund door het General Research Fund No. CityU 11213517 van de onderzoekssubsidie Raad van de Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 van de National Science Foundation of China, en de BL13W beamline van de 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 |
Riferimenti
- Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
- Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
- Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
- Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
- 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).
- Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
- Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
- Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
- 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).
- 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).
- 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).
- Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
- 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).
- 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).
- Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cheng, Z. . Investigation of the grain-scale mechanical behavior of granular soils under shear using X-ray micro-tomography. , (2018).
- Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
- 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).
