JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Ingegneria

Visualisering av svikt og tilhørende Grain-skala mekanisk oppførsel av kornet jord under Shear bruker Synchrotron X-ray Micro-tomografi

Published: September 29, 2019
doi:
10.3791/60322
,
1Department of Architecture and Civil Engineering,City University of Hong Kong, 2Shenzhen Research Institute of City University of Hong Kong

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. utforme eksperimentet i god tid Bestem test materiale, partikkelstørrelse, utvalgsstørrelse og prøve første porøsitet.Merk: Leighton Buzzard sand med en diameter på 0,15 ~ 0.30 mm og en utvalgsstørrelse på 8 x 16 mm (diameter x høyde) er brukt som et eksempel for å demonstrere protokollen av denne studien. Andre sanden som Fujian sand, Houston sand, Ottawa sand og Caicos ooider, etc. og lignende utvalgsstørrelser kan også brukes. Velg en passende detektor (figur…

Representative Results

Figur 5 viser partikkel kinematikk resultatene av en Leighton Buzzard sand (lbs) prøve på en 2D skive i løpet av to typiske skjær trinn, i og II. De fleste av partiklene er vellykket spores og deres oversettelser og rotasjoner er kvantifisert følgende protokollen ovenfor. Under den første skjær økningen, verken partikkel forskyvninger eller partikkel rotasjoner viser klar lokalisering. Imidlertid er en lokalisert band utviklet i både partikkel forskyvning kartet og partikkel rotasjo…

Discussion

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…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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).

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

– Granular Soils- Shear Behavior- Grain-scale- Micro-tomography- Particle Morphology- Microstructure- Particle Breakage- Particle Displacement- Particle Rotation- Soil Sample Preparation- Confining Cell- Loading Apparatus- X-ray Imaging- Microscopic Behavior- Granular Materials- Stone-based Materials- Soil-rock Mixture- Concrete- Ceramics- Asphalt- Polymer Composites
check_url/it/60322?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image