Визуализация отказа и связанного с зерном масштаба механического поведения гранулированных почв под стрижка с помощью синхротронной рентгеновской микротомографии
Summary
Протокол описывает процедуры получения высокопространственного разрешения компьютерной томографии (КТ) изображения гранулированной почвы во время трехосного сжатия, а также применять методы обработки изображений к этим КТ-изображениям для изучения механического поведения зернового масштаба почвы под погрузкой.
Abstract
Быстрое развитие методов рентгеновской визуализации с навыками обработки изображений и анализа позволило приобрести КТ-изображения гранулированных почв с высоким пространственным разрешением. На основе таких КТ-изображений можно количественно изучить механическое поведение зернового масштаба, такое как иинематика частиц (т.е. переводы частиц и вращения частиц), локализацию деформации и межчастицную контактную эволюцию гранулированных почв. Однако это недоступно с использованием обычных экспериментальных методов. Данное исследование демонстрирует исследование зернового механического поведения гранулированного образца почвы при трехосовом сжатии с помощью синхротронной рентгеновской микротомографии (ККТ). С помощью этого метода специально изготовленный миниатюрный погрузочный аппарат используется для нанесения ограничения и осевых нагрузок к образцу во время трехосного испытания. Аппарат устанавливается в синхронизронную рентгеновскую томографию, так что изображения КТ с высоким пространственным разрешением образца могут быть собраны на разных этапах загрузки теста без каких-либо помех для образца. С возможностью извлечения информации на макроуровне (например, выборочные пограничные напряжения и деформации от установки триосиального аппарата) и шкалы зерна (например, движения зерна и контактные взаимодействия с изображениями КТ), эта процедура обеспечивает эффективной методологии для исследования многомасштабной механики гранулированных почв.
Introduction
Широко признано, что макро-масштабные механические свойства гранулированной почвы, такие как жесткость, прочность сдвига и проницаемость, имеют решающее значение для многих геотехнических структур, например, фундаментов, склонов и плотин заливки пород. На протяжении многих лет для оценки этих свойств в различных почвах использовались тесты на месте и обычные лабораторные тесты (например, одномерные компрессионные тесты, трехосные компрессионные тесты и проницаемость). Для инженерных целей были разработаны также кодексы и стандарты для проверки почвенных механических свойств. Хотя эти макромасштабные механические свойства были интенсивно изучены, механическое поведение зерна (например, кинематика частиц, контактное взаимодействие и локализация деформации), которая регулирует эти свойства, привлекла гораздо меньше внимания со стороны инженеров и исследователей. Одной из причин этого является отсутствие эффективных экспериментальных методов для изучения механического поведения почв в масштабах зерна.
До сих пор большинство понимания зернового механического поведения гранулированных почв приходилось на дискретные элементы моделирования1 (DEM), из-за его способности извлекать информацию о масштабах частиц (например, кинематики частиц и контакта с частицами сил). В более ранних исследованиях использования методов DEM для моделирования механического поведения гранулированной почвы каждая отдельная частица была просто представлена одним кругом или сферой в модели. Использование таких чрезмерно упрощенных форм частиц привело к чрезмерному вращению частиц и тем самым более низкому пиковому поведению силы2. Для достижения лучшей производительности моделирования, многие исследователи использовали модель сопротивления качению3,4,5,6 или нерегулярные формы частиц7,8, 9,10,11,12 в своих dem моделирования. В результате было приобретено более реалистичное понимание кинематической поведения частиц. Помимо кинематики частиц, ЦМР все чаще используется для исследования взаимодействия контакта зерна и разработки теоретических моделей. Однако из-за необходимости воспроизвести реальные формы частиц и использование сложных контактных моделей, DEM требует чрезвычайно высоких вычислительных возможностей в моделировании гранулированных почв с нерегулярными формами.
В последнее время разработка оптического оборудования и методов визуализации (например, микроскоп, лазерная томография, рентгеновская компьютерная томография (КТ) и рентгеновская микротомография (КТ) предоставила множество возможностей для экспериментального изучения зерно-масштабное механическое поведение гранулированных почв. Через приобретение и анализ изображений образца почвы до и после трехосных испытаний, такое оборудование и методы были использованы в исследовании почвы микроструктур13,14,15,16 ,17,18,19. В последнее время, на месте тесты с рентгеновского КТ или ККТ все чаще используются для исследования эволюции пустоты соотношение20, распределениештамма 21,22,23,24, движение частиц25,26,27,28, межчастицный контакт29,30,31 и частицы дробления32 из гранулированных почв. Здесь “на месте” подразумеваетрентгенозание, проводимое одновременно с погрузкой. В отличие от общего рентгеновского сканирования, на рентгеновском сканировании на месте для рентгеновского сканирования требуется специально изготовленный погрузочный аппарат для доставки стрессов в образцы почвы. При комбинированном использовании погрузочного аппарата и рентгеновского КТ или ККТ-устройства КТ изображения образцов на различных стадиях погрузки тестов могут быть приобретены неразрушаю, а изображения образцов на различных стадиях погрузки. На основе этих КТ-изображений можно приобрести наблюдения за гранулированным поведением почвы в масштабах частиц. Эти наблюдения на основе КТ на основе частиц чрезвычайно полезны для проверки численных выводов и получения новых сведений о механическом поведении гранулированных почв в масштабе зерна.
Эта статья направлена на обмен подробной информацией о том, как рентген в situ сканирование испытания образца почвы может быть проведена, используя примерный эксперимент, который наблюдает сянематические частицы, локализации деформации и межчастицы контактэволюции в образце почвы. Результаты показывают, что рентгеновские снимки в тестах на situ situ имеют большой потенциал для изучения поведения гранулированных почв на уровне зерна. Протокол охватывает выбор рентгеновского аппарата и подготовку миниатюрного трехосного погрузочного аппарата, а также подробные процедуры для проведения испытания. Кроме того, технические шаги по использованию обработки изображений и анализа для количественной оценки кинематики частиц (т.е. перевода частиц и вращения частиц), локализации деформации и эволюции межчастицного контакта (т.е. контакта, потери контакта и контактное движение) почвы описаны.
Protocol
Representative Results
Discussion
Рентгеновское микро-КТ с высоким пространственным разрешением и передовые методы обработки и анализа изображений позволили экспериментально еждничать механическое поведение гранулированных почв под сдвигами на многомасштабных уровнях (т.е. на макро-масштабе, мезо-масштабе и уровня …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Генеральным исследовательским фондом No. CityU 11213517 от Научно-исследовательского гранта Совета САР Гонконга, научно-исследовательский грант No 51779213 от Национального научного фонда Китая, и BL13W луч Шанхай синхротронного радиационного фонда (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).
