Visualización del fracaso y el comportamiento mecánico a escala de grano asociado de suelos granulares bajo cizallamiento mediante microtomografía de rayos X de sincrotrón
Summary
El protocolo describe los procedimientos para adquirir imágenes de tomografía computarizada de alta resolución espacial (TC) de un suelo granular durante la compresión triaxial, y para aplicar técnicas de procesamiento de imágenes a estas imágenes de TC para explorar el comportamiento mecánico a granescala de el suelo bajo carga.
Abstract
El rápido desarrollo de técnicas de imágenes de rayos X con habilidades de procesamiento y análisis de imágenes ha permitido la adquisición de imágenes por TC de suelos granulares con resoluciones de alta espacial. Sobre la base de estas imágenes de TC, el comportamiento mecánico a escala de grano, como la cinemática de partículas (es decir, las traducciones de partículas y las rotaciones de partículas), la localización de deformaciones unitarias y la evolución del contacto entre partículas de suelos granulares pueden ser investigados cuantitativamente. Sin embargo, esto es inaccesible utilizando métodos experimentales convencionales. Este estudio demuestra la exploración del comportamiento mecánico a escala de grano de una muestra de suelo granular bajo compresión triaxial utilizando microtomografía de rayos X de sincrotrón (CT). Con este método, se utiliza un aparato de carga en miniatura especialmente fabricado para aplicar tensións axiales y de confinamiento a la muestra durante la prueba triaxial. El aparato está instalado en una configuración de tomografía de rayos X de sincrotrón para que las imágenes de TC de alta resolución espacial de la muestra puedan ser recogidas en diferentes etapas de carga de la prueba sin ninguna perturbación en la muestra. Con la capacidad de extraer información a escala macro (por ejemplo, tensiones de contorno de muestra y tensiones de la configuración del aparato triaxial) y la escala de grano (por ejemplo, movimientos de grano e interacciones de contacto de las imágenes de TC), este procedimiento proporciona un metodología eficaz para investigar la mecánica multiescala de suelos granulares.
Introduction
Es ampliamente reconocido que las propiedades mecánicas macroescala del suelo granular, como la rigidez, la resistencia al cizallamiento y la permeabilidad, son fundamentales para muchas estructuras geotécnicas, por ejemplo, cimentaciones, pendientes y presas de relleno de rocas. Durante muchos años, se han utilizado pruebas in situ y pruebas de laboratorio convencionales (por ejemplo, pruebas de compresión unidimensionales, pruebas de compresión triaxial y pruebas de permeabilidad) para evaluar estas propiedades en diferentes suelos. También se han desarrollado códigos y normas para probar las propiedades mecánicas del suelo con fines de ingeniería. Si bien estas propiedades mecánicas a gran escala se han estudiado intensamente, el comportamiento mecánico a granel (por ejemplo, cinemática de partículas, interacción de contacto y localización de deformación unitaria) que rige estas propiedades ha atraído mucha menos atención de ingenieros e investigadores. Una razón es la falta de métodos experimentales eficaces disponibles para explorar el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos.
Hasta ahora, la mayor parte de la comprensión del comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares proviene del modelado de elementos discretos1 (DEM), debido a su capacidad para extraer información a escala de partículas (por ejemplo, cinemática de partículas y contacto con partículas fuerzas). En estudios anteriores sobre el uso de técnicas DEM para modelar comportamientos mecánicos granulares del suelo, cada partícula individual estaba representada simplemente por un solo círculo o esfera en el modelo. El uso de tales formas de partículas demasiado simplificadas ha llevado a la rotación excesiva de partículas y, por lo tanto, a un comportamiento de resistencia pico más baja2. Para lograr un mejor rendimiento de modelado, muchos investigadores han utilizado un modelo de resistencia a la rodaduramodelo 3,4,5,6 o formas de partículas irregulares7,8, 9,10,11,12 en sus simulaciones DEM. Como resultado, se ha adquirido una comprensión más realista del comportamiento cinemático de partículas. Aparte de la cinemática de partículas, DEM se ha utilizado cada vez más para investigar la interacción de contacto con granos y para desarrollar modelos teóricos. Sin embargo, debido al requisito de reproducir formas de partículas reales y el uso de modelos de contacto sofisticados, DEM requiere una capacidad computacional extremadamente alta en el modelado de suelos granulares con formas irregulares.
Recientemente, el desarrollo de equipos ópticos y técnicas de imagen (por ejemplo, el microscopio, la tomografía asistida por láser, la tomografía computarizada por rayos X (TC) y la microtomografía de rayos X (CT)) ha proporcionado muchas oportunidades para el examen experimental de la comportamiento mecánico a escala de granos de suelos granulares. Mediante la adquisición y análisis de imágenes de muestras de suelo antes y después de las pruebas triaxiales, tales equipos y técnicas se han utilizado en la investigación de las microestructuras del suelo13,14,15,16 ,17,18,19. Más recientemente, las pruebas in situ con TC de rayos X o TC se han utilizado cada vez más para investigar la evolución de la relación de vacío20, distribución de cepas21,22,23,24, movimiento de partículas25,26,27,28, contacto entre partículas29,30,31 y trituración de partículas32 de suelos granulares. Aquí, “in situ” implica el escaneo de rayos X realizado al mismo tiempo que la carga. A diferencia del escaneo general de rayos X, las pruebas de escaneo de rayos X in situ requieren un aparato de carga especialmente fabricado para proporcionar tensiones a las muestras de suelo. Con el uso combinado del aparato de carga y el dispositivo de TC de rayos X o CT, las imágenes de TC de las muestras en diferentes etapas de carga de las pruebas se pueden adquirir de forma no destructiva. Sobre la base de estas imágenes de TC, se pueden adquirir observaciones a escala de partículas del comportamiento granular del suelo. Estas observaciones a nivel de partículas basadas en imágenes de TC son extremadamente útiles para verificar los hallazgos numéricos y obtener nuevos conocimientos sobre el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares.
Este artículo tiene como objetivo compartir los detalles de cómo se puede llevar a cabo una prueba de escaneo in situ de rayos X de una muestra de suelo, utilizando un experimento ejemplar que observa la cinemática de partículas, la localización de la tensión y la evolución del contacto entre partículas dentro de una muestra de suelo. Los resultados muestran que las pruebas de exploración in situ de rayos X tienen un gran potencial para explorar el comportamiento a nivel de grano de los suelos granulares. El protocolo cubre la elección del dispositivo de rayos X de CT y la preparación de un aparato de carga triaxial en miniatura, y se proporcionan procedimientos detallados para llevar a cabo la prueba. Además, los pasos técnicos para utilizar el procesamiento y análisis de imágenes para cuantificar la cinemática de partículas (es decir, la traslación de partículas y la rotación de partículas), la localización de deformaciones unitarias y la evolución del contacto entre partículas (es decir, ganancia de contacto, pérdida de contacto y movimiento de contacto) del suelo.
Protocol
Representative Results
Discussion
La micro-TC de rayos X de alta resolución espacial y las técnicas avanzadas de procesamiento y análisis de imágenes han permitido la investigación experimental del comportamiento mecánico de suelos granulares bajo cizallamiento a niveles a varias escalas (es decir, a escala macro, mesoescala y niveles de escala de granos). Sin embargo, las investigaciones a escala de meso y grano basadas en imágenes de TC requieren la adquisición de imágenes de TC de alta resolución espacial de muestras de suelo durante la carg…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio fue apoyado por el Fondo General de Investigación No. CityU 11213517 del Consejo de Becas de Investigación de la RAE de Hong Kong, la Beca de Investigación No 51779213 de la Fundación Nacional de Ciencias de China, y la línea de haz BL13W del 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 |
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