Visualização da falha e do comportamento mecânico da escala de grãos associado de solos granulares cisalhamento usando microtomografia de raios X de síncrotron

Summary

O protocolo descreve procedimentos para adquirir imagens de tomografia computadorizada (TC) de alta resolução espacial de um solo granular durante a compressão triaxial, e aplicar técnicas de processamento de imagem a essas imagens de TC para explorar o comportamento mecânico em escala de grãos de o solo carga.

Abstract

O rápido desenvolvimento de técnicas de imagiologia por raios X com habilidades de processamento e análise de imagem permitiu a aquisição de imagens tomográficas de solos granulares com resoluções de alto espaço. Baseado em tais imagens do CT, o comportamento mecânico da grão-escala tal como a cinemática da partícula (isto é, traduções da partícula e rotações da partícula), a localização da tensão e a evolução do contato da Inter-partícula de solos granulados podem ser investigados quantitativamente. No entanto, isso é inacessível usando métodos experimentais convencionais. Este estudo demonstra a exploração do comportamento mecânico da grão-escala de uma amostra granular do solo a compressão triaxial usando o microtomography do raio X do síncrotron (μct). Com este método, um instrumento de carregamento em miniatura especialmente fabricado é usado para aplicar tensões axiais e confinantes à amostra durante o teste triaxial. O aparelho é cabido em uma instalação do tomography do raio X do síncrotron de modo que as imagens High-Spatial da definição CT da amostra possam ser coletadas em estágios de carregamento diferentes do teste sem nenhum distúrbio à amostra. Com a capacidade de extrair informações na escala macro (por exemplo, tensões de limite de amostra e cepas da configuração do aparelho triaxial) e a escala de grãos (por exemplo, movimentos de grãos e interações de contato das imagens de TC), este procedimento fornece uma metodologia eficaz para investigar a mecânica multiescala de solos granulares.

Introduction

É amplamente reconhecido que as propriedades mecânicas de macro escala do solo granular, como rigidez, resistência ao cisalhamento e permeabilidade, são críticas para muitas estruturas geotécnicas, por exemplo, fundações, encostas e barragens de aterro. Durante muitos anos, testes no local e testes laboratoriais convencionais (por exemplo, testes unidimensionais de compressão, testes de compressão triaxial e testes de permeabilidade) têm sido utilizados para avaliar essas propriedades em diferentes solos. Os códigos e as normas para testar as propriedades mecânicas do solo também foram desenvolvidos para fins de engenharia. Embora essas propriedades mecânicas em escala de macro tenham sido intensivamente estudadas, o comportamento mecânico em escala de grãos (por exemplo, cinemática de partículas, interação de contato e localização de deformação) que rege essas propriedades tem atraído muito menos atenção do engenheiros e pesquisadores. Uma razão é a falta de métodos experimentais eficazes disponíveis para explorar o comportamento mecânico da grão-escala dos solos.

Até agora, a maior parte da compreensão do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares vem da modelagem discreta de elementos¹ (DEM), devido à sua capacidade de extrair informações em escala de partícula (por exemplo, cinemática de partículas e contato de partículas forças armadas). Em estudos anteriores do uso de técnicas DEM para modelar comportamentos mecânicos do solo granular, cada partícula individual foi simplesmente representada por um único círculo ou esfera no modelo. O uso de tais formas de partícula over-simplificadas conduziu à excesso-rotação das partículas e desse modo um comportamento mais baixo da força do pico². Para alcançar um melhor desempenho de modelagem, muitos investigadores usaram um^{modelo de resistência}ao rolamento^3,4,5,6 ou^{formas de partículas}irregulares^{7,8, 9,10,11,12} em suas simulações DEM. Como resultado, uma compreensão mais realista do comportamento cinemática das partículas foi adquirida. Além da cinemática de partículas, o DEM tem sido cada vez mais utilizado para investigar a interação de contato com grãos e desenvolver modelos teóricos. No entanto, devido à exigência de reproduzir formas de partículas reais e o uso de modelos de contato sofisticados, o DEM requer capacidade computacional extremamente alta na modelagem de solos granulares com formas irregulares.

Recentemente, o desenvolvimento de equipamentos ópticos e técnicas de imagem (por exemplo, o microscópio, tomografia assistida por laser, tomografia computadorizada de raios X (TC) e microtomografia de raios-X (μCT)) tem proporcionado muitas oportunidades para o exame experimental do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares. Através da aquisição e análise de imagens de amostras de solos antes e após o teste triaxial, tais equipamentos e técnicas têm sido utilizados na investigação de microestruturas do solo^{13,14,15,16 ,17,18,19}. Mais recentemente, testes in situ com TC de raios X ou μct têm sido cada vez mais utilizados para investigar a evolução da relação nula²⁰, distribuição de estirpe^21,22,23,24, movimento de^{partículas 25,26,27,28}, contato entre partículas^29,30,31 e esmagamento de partículas³² de solos granulares. Aqui, “in situ” implica a varredura do raio X conduzida ao mesmo tempo que carregando. Em contraste com a varredura geral do raio X, os testes de varredura in situ do raio X exigem um instrumento de carregamento especialmente fabricado para entregar tensões às amostras do solo. Com o uso combinado do instrumento do carregamento e do dispositivo do raio X CT ou do μCT, as imagens do CT das amostras em estágios diferentes do carregamento dos testes podem ser adquiridas não-destrutiva. Com base nestas imagens do CT, as observações da partícula-escala do comportamento granulado do solo podem ser adquiridas. Estas observações de nível de partícula baseadas em imagem do CT são extremamente úteis verificar resultados numéricos e ganhar introspecções novas no comportamento mecânico da grão-escala de solos granulados.

Este artigo tem como objetivo compartilhar os detalhes de como um teste de varredura in situ de raios X de uma amostra de solo pode ser realizado, utilizando um experimento exemplar que observa cinemática de partículas, localização de deformação e evolução do contato entre partículas dentro de uma amostra de solo. Os resultados mostram que os testes de varredura in situ do raio X têm um grande potencial explorar o comportamento do grão-nível de solos granulados. O protocolo abrange a escolha do dispositivo de raios-X μCT e a preparação de um aparelho de carregamento triaxial em miniatura, e procedimentos detalhados para realizar o teste são fornecidos. Além disso, as etapas técnicas para o uso de processamento e análise de imagens para quantificar a cinemática de partículas (i.e., tradução de partículas e rotação de partículas), localização de deformação e evolução do contato entre partículas (i.e., ganho de contato, perda de contato e movimento de contato) do solo são descritos.

Protocol

1. projetando o experimento com bastante antecedência Determine o material de teste, o tamanho da partícula, o tamanho da amostra e a porosidade inicial.Nota: a areia de Leighton Buzzard com um diâmetro de 0,15 ~ 0,30 mm e um tamanho amostral de 8 x 16 mm (diâmetro x altura) é utilizada como exemplo para demonstrar o protocolo deste estudo. Outras areias como a areia de Fujian, a areia de Houston, a areia de Ottawa e os ooids de Caicos, etc. e tamanhos similares da amostra podem igualmente ser usados.<…

Representative Results

A Figura 5 retrata os resultados da cinemática da partícula de uma amostra de areia de Leighton Buzzard (lbs) em uma fatia 2D durante dois incrementos típicos de cisalhamento, I e II. A maioria das partículas são controladas com sucesso e suas traduções e rotações são quantificadas seguindo o protocolo acima. Durante o primeiro incremento de cisalhamento, nem deslocamentos de partículas nem rotações de partículas mostram uma localização clara. No entanto, uma banda localizada…

Discussion

A alta resolução espacial de raios X micro-TC e técnicas avançadas de processamento e análise de imagens permitiram a investigação experimental do comportamento mecânico de solos granulares cisalhamento em níveis multiescala (i.e., em escala macro, meso-Scale e níveis de grão-escala). No entanto, as investigações de meso-e de grão-escala baseadas em TC requerem a aquisição de imagens de TC de alta resolução espacial de amostras de solo durante o carregamento. O aspecto mais desafiador deste processo é …

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