सिन्क्रोट्रॉन एक्स-रे माइक्रो-टॉमोग्राफी का उपयोग करके शीर के तहत Granular मिट्टी की विफलता और एसोसिएटेड अनाज-स्केल मैकेनिकल व्यवहार का दृश्य
Summary
प्रोटोकॉल triaxial संपीड़न के दौरान एक दानेदार मिट्टी की उच्च स्थानिक संकल्प गणना टोमोग्राफी (सीटी) छवियों को प्राप्त करने के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन करता है, और अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार का पता लगाने के लिए इन सीटी छवियों के लिए छवि प्रसंस्करण तकनीक लागू करने के लिए लोडहोरहाई के तहत मिट्टी.
Abstract
छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण कौशल के साथ एक्स-रे इमेजिंग तकनीकों के तेजी से विकास उच्च स्थानिक संकल्प के साथ दानेदार मिट्टी के सीटी छवियों के अधिग्रहण में सक्षम किया गया है। ऐसी सीटी छवियों के आधार पर, कण शुद्ध गति विज्ञान (यानी, कण अनुवाद और कण rotations) के रूप में अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार, तनाव स्थानीयकरण और दानेदार मिट्टी के अंतर कण संपर्क विकास मात्रात्मक जांच की जा सकती है। हालांकि, यह पारंपरिक प्रयोगात्मक विधियों का उपयोग कर दुर्गम है। यह अध्ययन सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे माइक्रो-टोमोग्राफी (जेडसीटी) का उपयोग करके ट्राइअक्षीय संपीड़न के तहत एक दानेदार मिट्टी के नमूने के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार की खोज को दर्शाता है। इस विधि के साथ, एक विशेष रूप से गढ़े लघु लोडिंग उपकरण triaxial परीक्षण के दौरान नमूने के लिए सीमित और अक्षीय तनाव लागू करने के लिए प्रयोग किया जाता है। उपकरण एक सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे टोमोग्राफी सेटअप में फिट किया गया है ताकि नमूने के उच्च स्थानिक संकल्प सीटी छवियों को नमूने के लिए किसी भी अशांति के बिना परीक्षण के विभिन्न लोड िंग चरणों में एकत्र किया जा सकता है। मैक्रो पैमाने पर जानकारी निकालने की क्षमता के साथ (जैसे, नमूना सीमा तनाव और triaxial उपकरण सेटअप से उपभेदों) और अनाज पैमाने (जैसे, अनाज आंदोलनों और सीटी छवियों से संपर्क बातचीत), इस प्रक्रिया प्रदान करता है एक दानेदार मिट्टी के बहु पैमाने यांत्रिकी की जांच करने के लिए प्रभावी पद्धति।
Introduction
यह व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है कि दानेदार मिट्टी के मैक्रो पैमाने पर यांत्रिक गुण, जैसे कठोरता, कतरनी शक्ति और पारगम्यता, कई भू-तकनीकी संरचनाओं के लिए महत्वपूर्ण हैं, उदाहरण के लिए, नींव, ढलानों और रॉक-फिल बांध। कई वर्षों के लिए, साइट पर परीक्षण और पारंपरिक प्रयोगशाला परीक्षण (उदाहरण के लिए, एक आयामी संपीड़न परीक्षण, triaxial संपीड़न परीक्षण और पारगम्य परीक्षण) विभिन्न मिट्टी में इन गुणों का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. इंजीनियरिंग प्रयोजनों के लिए मृदा यांत्रिक गुणों के परीक्षण के लिए संहिताओं और मानकों को भी विकसित किया गया है। जबकि इन मैक्रो पैमाने पर यांत्रिक गुणों गहन अध्ययन किया गया है, अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार (जैसे, कण शुद्धगतिक, संपर्क बातचीत और तनाव स्थानीयकरण) कि इन गुणों को नियंत्रित करता है बहुत कम ध्यान से आकर्षित किया है इंजीनियरों और शोधकर्ताओं. एक कारण मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार का पता लगाने के लिए उपलब्ध प्रभावी प्रयोगात्मक तरीकों की कमी है.
अब तक, दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार की समझ के अधिकांश असतत तत्व मॉडलिंग से आया है1 (डीईएम), क्योंकि कण पैमाने पर जानकारी निकालने की क्षमता (जैसे, कण शुद्ध गति और कण संपर्क बल)। कण दानेदार मिट्टी यांत्रिक व्यवहार मॉडल करने के लिए डीईएम तकनीक का उपयोग करने के पहले के अध्ययन में, प्रत्येक व्यक्ति कण बस मॉडल में एक एकल चक्र या क्षेत्र द्वारा प्रतिनिधित्व किया गया था. इस तरह के अति-सरलीकृत कण आकृतियों के उपयोग से कणों का अति-घूर्णन हुआ है और इस प्रकार कम शिखर शक्ति व्यवहार2हुआ है। एक बेहतर मॉडलिंग प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए, कई जांचकर्ताओं एक रोलिंग प्रतिरोध मॉडल3,4,5,6 या अनियमित कण आकार7,8काइस्तेमाल किया है, 9,10,11,12 उनके DEM सिमुलेशन में. नतीजतन, कण शुद्ध व्यवहार की एक अधिक यथार्थवादी समझ हासिल कर ली गई है। कण शुद्ध गति विज्ञान के अलावा, DEM तेजी से अनाज संपर्क संपर्क की जांच करने के लिए और सैद्धांतिक मॉडल विकसित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, वास्तविक कण आकार और परिष्कृत संपर्क मॉडल के उपयोग को पुन: पेश करने की आवश्यकता के कारण, डीईएम को अनियमित आकृतियों के साथ दानेदार मिट्टी की मॉडलिंग में अत्यंत उच्च अभिकलन क्षमता की आवश्यकता होती है।
हाल ही में, ऑप्टिकल उपकरण और इमेजिंग तकनीक (उदाहरण के लिए, माइक्रोस्कोप, लेजर सहायता प्राप्त टोमोग्राफी, एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (सीटी) और एक्स-रे माइक्रो-टोमोग्राफी (जेडसीटी) के विकास ने प्रयोगात्मक परीक्षा के लिए कई अवसर प्रदान किए हैं दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार. त्रिअक्षीय परीक्षण से पहले और बाद में मिट्टी के नमूने छवियों के अधिग्रहण और विश्लेषण के माध्यम से, ऐसे उपकरणों और तकनीकों का उपयोग मिट्टी सूक्ष्म संरचनाओं की जांच में किया गया है13,14,15,16 ,17,18,19. हाल ही में, एक्स-रे सीटी या जेडसीटी के साथ सीटू परीक्षणों में तेजी से शून्य अनुपात20के विकास की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया है , तनाव वितरण21,22,23,24, कण संचलन25,26,27,28, अंतर-कण संपर्क29,30,31 और कण कुचल32 के दानेदार मिट्टी. यहाँ, “सीटू में” लोड हो रहा है के रूप में एक ही समय में आयोजित एक्स-रे स्कैनिंग का अर्थ है। सामान्य एक्स-रे स्कैनिंग के विपरीत, स्थिति में एक्स-रे स्कैनिंग परीक्षण मिट्टी के नमूनों के लिए तनाव देने के लिए एक विशेष रूप से गढ़े लोडिंग उपकरण की आवश्यकता होती है। लोडिंग उपकरण और एक्स-रे सीटी या जेडसीटी डिवाइस के संयुक्त उपयोग के साथ, परीक्षणों के विभिन्न लोडिंग चरणों में नमूनों की सीटी छवियों को गैर-विनाशकारी रूप से प्राप्त किया जा सकता है। इन सीटी छवियों के आधार पर, दानेदार मिट्टी व्यवहार के कण पैमाने पर टिप्पणियों का अधिग्रहण किया जा सकता है। ये सीटी छवि आधारित कण स्तर टिप्पणियों संख्यात्मक निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए और दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार में उपन्यास अंतर्दृष्टि हासिल करने के लिए अत्यंत उपयोगी होते हैं।
इस लेख का उद्देश्य यह विवरण साझा करना है कि मिट्टी के नमूने के सीटू स्कैनिंग परीक्षण में एक्स-रे कैसे किया जा सकता है, एक अनुकरणीय प्रयोग का उपयोग करते हुए जो कण शुद्ध गति विज्ञान, तनाव स्थानीयकरण और मिट्टी के नमूने के भीतर अंतर-कण संपर्क विकास का निरीक्षण करता है। परिणाम बताते हैं कि सीटू स्कैनिंग परीक्षणों में एक्स-रे में दानेदार मिट्टी के अनाज स्तर के व्यवहार का पता लगाने की एक महान क्षमता है। प्रोटोकॉल में एक्स-रे जेडसीटी डिवाइस के चुनाव और एक लघु ट्राइअक्षियल लोडिंग उपकरण की तैयारी को शामिल किया गया है, और परीक्षण करने के लिए विस्तृत प्रक्रियाएं प्रदान की गई हैं। इसके अलावा, छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण का उपयोग करने के लिए कण शुद्ध गति की मात्रा (यानी, कण अनुवाद और कण रोटेशन), तनाव स्थानीयकरण, और अंतर कण संपर्क विकास (यानी, संपर्क लाभ, संपर्क हानि और मिट्टी के संपर्क आंदोलन) का वर्णन कर रहे हैं.
Protocol
Representative Results
Discussion
उच्च स्थानिक संकल्प एक्स-रे माइक्रो-सीटी और उन्नत छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण तकनीकों ने बहु-स्केल स्तरों पर कतरनी के तहत दानेदार मिट्टी के यांत्रिक व्यवहार की प्रयोगात्मक जांच को सक्षम किया है (यानी, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस अध्ययन को जनरल रिसर्च फंड नं. हांगकांग एसएआर के अनुसंधान अनुदान परिषद से CityU 11213517, अनुसंधान अनुदान नहीं 51779213 चीन के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन से, और शंघाई Synchrotron विकिरण सुविधा (SSRF) के BL13W बीमलाइन.
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 |
References
- 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).
