JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Visualisering af fiasko og den dertil knyttede mekaniske opførsel i korn skala af granulerede jorder under forskydning ved hjælp af Synchrotron X-ray mikro-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 procedurer for erhvervelse af høj-rumlig opløsning computertomografi (CT) billeder af en granulær jord under triaksial komprimering, og at anvende billedbehandling teknikker til disse CT billeder til at udforske korn-skala mekanisk opførsel af jorden under lastning.

Abstract

Den hurtige udvikling af røntgen billedbehandlings teknikker med billedbehandling og analyse færdigheder har gjort det muligt at erhverve CT-billeder af granulerede jorder med højrumlige opløsninger. Baseret på sådanne CT billeder, korn-skala mekanisk adfærd såsom partikel kinematik (dvs. partikel oversættelser og partikel rotationer), stamme lokalisering og Inter-partikel kontakt evolution af granulære jord kan undersøges kvantitativt. Men, dette er utilgængelige ved hjælp af konventionelle eksperimentelle metoder. Denne undersøgelse viser udforskning af den mekaniske opførsel i korn skala af en granulær jordprøve under triaksial komprimering ved hjælp af Synchrotron X-ray Micro-tomografi (μCT). Med denne metode anvendes et specielt fabrikeret miniature læsse apparat til at anvende begrænset og aksial belastning på prøven under den triaksiale test. Apparatet er monteret i et Synchrotron røntgen tomografi setup, således at der kan opsamles højrumlig opløsning CT-billeder af prøven på forskellige belastnings stadier af testen uden at forstyrre prøven. Med muligheden for at udtrække oplysninger på makro skalaen (f. eks. stress og belastninger fra det triaksiale apparat) og korn skalaen (f. eks. korn bevægelser og kontakt interaktioner fra CT-billederne) giver denne procedure en effektiv metode til at undersøge multi-skala mekanik af granulære jord.

Introduction

Det er almindeligt anerkendt, at de makro-skala mekaniske egenskaber af granulær jord, såsom stivhed, forskydningsstyrke og permeabilitet, er afgørende for mange geotekniske strukturer, for eksempel fundamenter, skråninger og rock-fill dæmninger. I mange år er der blevet anvendt test på stedet og konventionelle laboratorietests (f. eks. endimensionelle kompressions tests, triaksiale kompressions tests og permeabilitet) til at evaluere disse egenskaber i forskellige jorde. Koder og standarder for afprøvning jord mekaniske egenskaber er også blevet udviklet til ingeniør formål. Selv om disse mekaniske egenskaber i makro skala er blevet intensivt undersøgt, har den mekaniske adfærd i korn skala (f. eks. partikel kinematik, kontakt interaktion og stamme lokalisering), der regulerer disse egenskaber, tiltrukket meget mindre opmærksomhed fra ingeniører og forskere. En af grundene er manglen på effektive eksperimentelle metoder til rådighed til at udforske korn-skala mekanisk opførsel af jord.

Indtil nu er det meste af forståelsen af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord er kommet fra diskrete element modellering1 (dem), på grund af sin evne til at udtrække partikel-skala oplysninger (f. eks partikel kinematik og partikel kontakt styrker). I tidligere undersøgelser af at bruge DEM teknikker til model granulære jord mekaniske adfærd, hver enkelt partikel var simpelthen repræsenteret ved en enkelt cirkel eller sfære i modellen. Brugen af sådanne overforenklede partikelformer har ført til over rotation af partikler og dermed en lavere spids styrke adfærd2. For at opnå en bedre modellering ydeevne, mange efterforskere har brugt en rullemodstand model3,4,5,6 eller uregelmæssige partikelformer7,8, 9,10,11,12 i deres dem simuleringer. Som et resultat, en mere realistisk forståelse af partikel kinematisk adfærd er blevet erhvervet. Bortset fra partikel kinematik er DEM i stigende grad blevet brugt til at undersøge samspillet mellem kontakt med korn og udvikle teoretiske modeller. Men på grund af kravet om at reproducere reelle partikelformer og brugen af sofistikerede kontakt modeller, DEM kræver ekstremt høj beregnings evne i modellering af granulære jord med uregelmæssige former.

For nylig har udviklingen af optisk udstyr og billedbehandlings teknikker (f. eks. mikroskop, laser støttet tomografi, røntgen computertomografi (CT) og røntgen mikrotomografi (μCT)) givet mange muligheder for eksperimentel undersøgelse af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord. Gennem erhvervelse og analyse af jordprøve billeder før og efter triaksial prøvning, er sådant udstyr og teknikker blevet udnyttet i undersøgelsen af jordens mikrostrukturer13,14,15,16 ,17,18,19. For nylig er in situ-tests med X-ray CT eller μct i stigende grad blevet anvendt til at undersøge udviklingen i Void ratio20, stamme fordeling21,22,23,24, partikel bevægelse25,26,27,28, Inter-partikel kontakt29,30,31 og partikel knusning32 af granulerede jorder. Her, “in situ” indebærer X-ray scanning udført på samme tid som lastning. I modsætning til generel røntgenscanning kræver in situ-røntgen scannings tests, at et specielt fabrikeret læsse apparat leverer belastninger til jordprøver. Med den kombinerede anvendelse af Læsseapparater og røntgen CT-eller μCT-udstyr kan CT-aftryk af prøverne på forskellige belastnings stadier i testene erhverves uden destruktiv adfærd. Baseret på disse CT billeder, partikel-skala observationer af granulære jord opførsel kan erhverves. Disse CT billed-baserede partikel-niveau observationer er yderst nyttigt at verificere numeriske fund og at få nye indblik i korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord.

Denne artikel har til formål at dele detaljerne om, hvordan en X-ray in situ scanning test af en jordprøve kan udføres, ved hjælp af en eksemplarisk eksperiment, der observerer partikel kinematik, stamme lokalisering og interpartikelkontakt evolution i en jordprøve. Resultaterne viser, at X-ray in situ scanning tests har et stort potentiale til at udforske korn-niveau opførsel af granulære jord. Protokollen dækker valget af røntgenudstyr og forberedelsen af et triaksialt læsse apparat med miniature, og der gives detaljerede procedurer for udførelse af prøvningen. Desuden de tekniske trin for brug af billedbehandling og analyse til at kvantificere partikel kinematik (dvs. partikel oversættelse og partikel rotation), stamme lokalisering og Inter-partikel kontakt Evolution (dvs. kontakt gevinst, kontakt tab og Kontakt bevægelse) af jorden beskrives.

Protocol

1. design af eksperimentet i god i forvejen Bestem testmateriale, partikelstørrelse, stikprøvestørrelse og prøve indledende porøsitet.Bemærk: Leighton Buzzard sand med en diameter på 0,15 ~ 0,30 mm og en prøvestørrelse på 8 x 16 mm (diameter x højde) bruges som et eksempel til at demonstrere protokollen af denne undersøgelse. Andre sand, såsom Fujian sand, Houston sand, Ottawa sand og Caicos ooider, etc. og lignende prøvestørrelser kan også anvendes. Vælg en passende detektor (<st…

Representative Results

Figur 5 skildrer partikel kinematik resultaterne af en Leighton Buzzard sand (lbs) prøve på et 2D skive under to typiske forskydnings intervaller, i og II. De fleste af partiklerne spores med succes, og deres oversættelser og rotationer kvantificeres efter ovenstående protokol. Under den første forskydnings forøgelse viser hverken partikel forskydninger eller partikel rotation en klar lokalisering. Der udvikles dog et lokaliseret bånd i både partikel forskydnings kortet og partikel r…

Discussion

High-spatial opløsning X-ray mikro-CT og avanceret billedbehandling og analyseteknikker har gjort det muligt eksperimentel undersøgelse af den mekaniske opførsel af granulære jord under forskydning i flere skala niveauer (dvs., på makro-skala, Meso-skala og niveauer i korn skala). Men CT-billedbaserede undersøgelser af Meso-og korn skala kræver, at man anskaffer en høj-rumlig opløsning CT billeder af jordprøver under lastning. Den mest udfordrende aspekt af denne proces er måske fabrikation af en miniature tri…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne undersøgelse blev støttet af den generelle forskningsfond No. CITYU 11213517 fra forskningstilskuds Rådet i Hongkong SAR, forskning Grant No. 51779213 fra National Science Foundation i Kina, og BL13W strålinger af Shanghai Synchrotron stråling facilitet (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

References

  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/60322?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image