シンクロトロンX線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動
Summary
このプロトコルは、三軸圧縮時に粒状土壌の高空間分解能コンピュータ断層撮影(CT)画像を取得し、これらのCT画像に画像処理技術を適用して、粒状の機械的挙動を探索する手順を説明する。積み込み中の土壌。
Abstract
画像処理と解析技術を用いてX線画像技術を急速に発達させ、空間分解能の高い粒状土壌のCT画像の取得を可能にしました。このようなCT画像に基づいて、粒子運動学などの粒状の機械的挙動(すなわち、粒子の移動および粒子の回転)、粒状土壌の歪み局在化および粒子間接触進化を定量的に調べることができる。しかし、これは従来の実験方法ではアクセスできません。本研究では、シンクロトロンX線マイクロ断層撮影(μCT)を用いた三軸圧縮下での粒状土壌試料の粒状機械的挙動の探索を示す。この方法では、特別に製造されたミニチュアローディング装置を使用して、三軸試験中に試料に閉じ込めと軸応力を適用します。装置はサンプルの高空間分解能CTイメージがサンプルに妨害されることなくテストの異なったローディング段階で集めることができるようにシンクロトロンX線断層撮影のセットアップに合う。マクロスケールで情報を抽出する機能(例えば、三軸装置のセットアップからサンプル境界応力と歪み)と粒度スケール(例えば、CT画像からの穀物の動きおよび接触相互作用)を提供する。粒状土壌の多スケール力学を調査するための効果的な方法論。
Introduction
硬さ、せん断強度、透過性などの粒状土壌のマクロスケールの機械的特性は、基礎、斜面、岩盤埋立ダムなど、多くの地質構造にとって極めて重要であると広く認識されています。長年にわたり、オンサイトテストと従来の実験室試験(例えば、1次元圧縮試験、三軸圧縮試験、透過性試験)は、異なる土壌でこれらの特性を評価するために使用されてきました。土壌の機械的特性をテストするためのコードと規格も、エンジニアリング目的で開発されています。これらのマクロスケールの機械的特性は集中的に研究されてきたが、これらの特性を支配する粒規模の機械的挙動(例えば、粒子運動学、接触相互作用および歪み局在化)は、より少ない注目を集めている。エンジニアや研究者。その理由の一つは、土壌の穀物スケールの機械的挙動を調べるために利用できる効果的な実験方法の欠如である。
これまで、粒状土壌の粒状機械的挙動の理解のほとんどは、粒子スケール情報(例えば、粒子運動学および粒子接触)を抽出する能力のために、離散要素モデリング1(DEM)から来ている。フォース)。DEM技術を使用して粒状の土壌機械的挙動をモデル化する以前の研究では、個々の粒子は単にモデル内の単一の円または球で表されていました。このような過度に単純化された粒子形状の使用は、粒子の過剰回転につながり、それによって低いピーク強度の挙動2.より良いモデリング性能を達成するために、多くの研究者は転がり抵抗モデル3、4、5、6または不規則な粒子形状7、8を使用しているDEMシミュレーションでは9、10、11、12。その結果、粒子運動行動のより現実的な理解が得られた。粒子運動学とは別に、DEMは穀物接触相互作用を調査し、理論モデルを開発するためにますます使用されています。しかし、実際の粒子形状を再現する必要があり、高度な接触モデルを使用するため、DEMは不規則な形状を持つ粒状土壌のモデリングにおいて非常に高い計算能力を必要とします。
近年、光学機器や画像技術(顕微鏡、レーザー支援断層撮影、X線コンピュータ断層撮影(CT)及びX線マイクロ断層撮影(μCT)など)の開発により、粒状土壌の粒状の機械的挙動。三軸試験前後の土壌サンプル画像の取得・分析を通じて、土壌微細構造物13、14、15、16の調査に利用されている装置や技術 ,17,18,19.最近では、X線CTまたはμCTを用いての現場試験では、空隙比20、歪み分布21、22、23、24の進化を調べるためにますます使用されている。粒子運動25,26,27,28, 粒子間接触29,30,31および粒子破砕32粒状の土壌。ここで、「ininu」とは、積載と同時に行われるX線スキャンを意味する。一般的なX線スキャンとは対照的に、現場でX線スキャン試験では、土壌サンプルに応力を提供するために特別に製造されたローディング装置が必要です。ローディング装置とX線CTまたはμCT装置を組み合わせることで、試験の異なるローディング段階でのサンプルのCT画像を非破壊的に取得することができます。これらのCT画像に基づいて、粒状土壌挙動の粒子スケール観測を得ることができる。これらのCT画像ベースの粒子レベル観測は、数値所見を検証し、粒状土壌の粒状の機械的挙動に関する新しい洞察を得るのに非常に役立ちます。
この記事では、土壌サンプルのその場でのX線検査を行う方法の詳細を共有することを目的としており、土壌サンプル内の粒子運動学、歪み局在化、粒子間接触進化を観察する例示的な実験を用いて行う。その結果、現場スキャン検査におけるX線は、粒状土壌の粒状の挙動を探索する大きな可能性を秘めていることが示された。このプロトコルは、X線μCT装置の選択と小型三軸荷重装置の調製をカバーし、試験を実施するための詳細な手順が提供されます。さらに、画像処理と解析を使用して粒子キネマティクス(粒子移動および粒子回転)を定量化するための技術的なステップ、歪みの局在化、および粒子間接触進化(すなわち、接触ゲイン、接触損失および土壌の接触運動)が記載されている。
Protocol
1. 事前に実験をうまく設計する 試験材料、粒子サイズ、サンプルサイズ、サンプル初期気孔性を決定します。注:直径0.15~0.30mm、サンプルサイズ8 x 16mm(直径x高さ)のレイトン・バザード砂を例に、本研究のプロトコルを実証します。福建砂、ヒューストンサンド、オタワ砂、カイコスオイドなどの他の砂や同様のサンプルサイズも使用できます。 所定の粒径とサンプルサイズ…
Representative Results
図5は、レイトン・バザード・サンド(LBS)サンプルの粒子運動学の結果を、2つの典型的なせん断増分(IおよびII)の間に2Dスライスで示した。パーティクルのほとんどは正常に追跡され、その移動と回転は上記のプロトコルに従って定量化されます。最初のせん断増分では、パーティクルの変位もパーティクルの回転も明確な局在化を示しません。ただし、ローカライズさ?…
Discussion
高空間分解能X線マイクロCTと高度な画像処理・解析技術により、多スケールレベルでのせん断下の粒状土壌の機械的挙動の実験的調査を可能にしました(すなわち、マクロスケール、メソスケールおよび粒度レベル)。しかし、CT画像ベースのメソおよび穀物スケールの調査では、積載時に土壌サンプルの高空間分解能CT画像を取得する必要があります。このプロセスの最も挑戦的な側面は、お?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、一般研究基金第1号によって支援されました。香港特別行政区研究助成評議会のCityU 11213517、中国国家科学財団の研究助成第51779213号、上海シンクロトロン放射線施設(SSRF)のBL13Wビームライン。
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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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).