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工学

싱크로트론 X선 마이크로 단층 촬영을 사용하여 전단 하에서 세분화된 토양의 고장 및 관련 곡물 스케일 기계적 거동 시각화

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

概要

이 프로토콜은 트라이축 압축 중에 세분화된 토양의 고공간 해상도 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지를 획득하고 이러한 CT 이미지에 이미지 처리 기술을 적용하여 입자 규모의 기계적 거동을 탐구하는 절차를 설명합니다. 하중의 토양.

Abstract

이미지 처리 및 분석 기술을 갖춘 X선 이미징 기술의 급속한 발전으로 높은 공간 해상도의 세분화된 토양의 CT 이미지를 수집할 수 있게 되었습니다. 이러한 CT 이미지를 기반으로 입자 운동학(즉, 입자 변환 및 입자 회전)과 같은 입자 스케일 기계적 거동, 변형 국소화 및 입자 간 접촉 진화를 정량적으로 조사할 수 있습니다. 그러나, 이것은 전통적인 실험 방법을 사용하여 접근할 수 없습니다. 이 연구는 싱크로트론 X선 미세 단층 촬영 (μCT)을 사용하여 삼축 압축하에서 과립 토양 샘플의 곡물 규모의 기계적 거동을 탐구하는 것을 보여줍니다. 이 방법을 사용하면 트라이축 테스트 중에 특수 제작된 미니어처 로딩 장치를 사용하여 시료에 밀착 및 축 응력을 적용합니다. 이 장치는 샘플의 고공간 해상도 CT 이미지가 샘플에 방해가되지 않고 테스트의 다른 로딩 단계에서 수집 될 수 있도록 싱크로트론 X 선 단층 촬영 설정에 장착됩니다. 매크로 스케일(예: 트라이축 장치 설정에서 샘플 경계 응력 및 변형)과 그레인 스케일(예: CT 이미지에서 의 입자 이동 및 접촉 상호 작용)에서 정보를 추출하는 기능을 통해 이 절차는 세분화 된 토양의 다중 스케일 역학을 조사하는 효과적인 방법론.

Introduction

강성, 전단 강도 및 투과성과 같은 과립 토양의 거시적 기계적 특성은 기초, 경사 및 암석 채우기 댐과 같은 많은 지질 공학 구조에 매우 중요하다는 것이 널리 인식되고 있습니다. 수년 동안 현장 테스트와 기존의 실험실 테스트(예: 1차원 압축 테스트, 트라이축 압축 테스트 및 투과성 테스트)는 다양한 토양에서 이러한 특성을 평가하는 데 사용되어 왔습니다. 토양 기계적 특성을 테스트하기 위한 코드 및 표준도 엔지니어링 목적으로 개발되었습니다. 이러한 거시 적 규모의 기계적 특성이 집중적으로 연구되었지만, 이러한 특성을 제어하는 입자 스케일 기계적 거동 (예 : 입자 운동학, 접촉 상호 작용 및 변형 변형 국소화)은 엔지니어와 연구원. 한 가지 이유는 토양의 곡물 규모의 기계적 거동을 탐구할 수 있는 효과적인 실험 방법의 부족입니다.

지금까지, 과립 토양의 곡물 규모의 기계적 거동에 대한 대부분의 이해는 입자 스케일 정보 (예 : 입자 운동학 및 입자 접촉)를 추출하는 능력 때문에 이산 요소 모델링1 (DEM)에서 비롯되었습니다. 힘)을 제공합니다. DEM 기술을 사용하여 세분화된 토양 기계적 거동을 모델링하는 이전 연구에서각 개별 입자는 단순히 모델의 단일 원 또는 구로 표현되었습니다. 이러한 지나치게 단순화 된 입자 모양의 사용은 입자의 과부하로 이끌려 더 낮은 피크 강도 거동2. 더 나은 모델링 성능을 달성하기 위해, 많은 조사자는 압연 저항 모델3,4,5,6 또는 불규칙한 입자 모양7,8을사용했다. 9,10,11,12 그들의 DEM 시뮬레이션. 그 결과, 입자 운동학적 행동에 대한 보다 현실적인 이해가 얻어졌습니다. 입자 운동학 이외에도 DEM은 입자 접촉 상호 작용을 조사하고 이론적 모델을 개발하는 데 점점 더 사용되고 있습니다. 그러나 실제 입자 모양을 재현하고 정교한 접촉 모델을 사용해야 하기 때문에 DEM은 불규칙한 모양의 세분화된 토양 모델링에서 매우 높은 계산 능력을 필요로 합니다.

최근, 광학 장비 및 이미징 기술(예를 들어, 현미경, 레이저 보조 단층 촬영, X선 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 X선 미세 단층 촬영(μCT)의 개발은 세분화 된 토양의 곡물 규모 기계적 거동. 삼축 검사 전후의 토양 시료 이미지의 수집 및 분석을 통해, 이러한 장비 및 기술은 토양 미세 구조물13,14,15,16의 조사에 활용되어 왔다. ,17,18,19. 최근에는 X선 CT 또는 μCT를 이용한 시험에서 공극비20,균주 분포21,22,23,24의진화를 조사하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다. 입자 운동25,26,27,28,입자 간 접촉29,30,31 및입자 분쇄32 세분화 된 토양. 여기서, “현장에서”는 로딩과 동시에 수행되는 X선 스캐닝을 의미한다. 일반적인 X선 스캐닝과는 달리, 현장에서 X선 스캐닝 테스트에는 토양 시료에 응력을 전달하기 위해 특별히 제작된 로딩 장치가 필요합니다. 로딩 장치 및 X선 CT 또는 μCT 장치의 결합된 사용으로, 시험의 상이한 로딩 단계에서 샘플의 CT 이미지는 비파괴적으로 획득될 수 있다. 이러한 CT 이미지를 기반으로, 세분화된 토양 거동에 대한 입자 스케일 관측을 획득할 수 있습니다. 이러한 CT 이미지 기반 입자 수준 관측은 수치 결과를 확인하고 세분화된 토양의 입자 규모 기계적 거동에 대한 새로운 통찰력을 얻는 데 매우 유용합니다.

이 문서는 토양 샘플 의 현장 스캐닝 테스트에서 X 선이 입자 운동학, 변형 국소화 및 토양 샘플 내의 입자 간 접촉 진화를 관찰하는 예시적 실험을 사용하여 수행 될 수있는 방법에 대한 세부 사항을 공유하는 것을 목표로합니다. 결과는 situ 스캐닝 시험에서 엑스레이가 세분화된 토양의 입자 수준 거동을 탐구하는 중대한 잠재력을 가지고 있다는 것을 보여줍니다. 이 프로토콜은 X선 μCT 장치의 선택과 소형 삼축 로딩 장치의 제조를 다루며, 시험을 수행하기 위한 상세한 절차가 제공됩니다. 또한, 이미지 처리 및 분석을 사용하여 입자 운동학(즉, 입자 변환 및 입자 회전), 변형 지역화 및 입자 간 접촉 진화(즉, 접촉 이득, 접촉 손실 및 접촉 운동)을 설명합니다.

Protocol

1. 실험을 사전에 잘 설계 시험 재료, 입자 크기, 샘플 크기 및 샘플 초기 다공성을 결정합니다.참고: 직경 이 0.15~0.30mm의 레이튼 버자드 모래와 8 x 16mm(직경 x 높이)의 샘플 크기가 이 연구의 프로토콜을 입증하는 예로 사용됩니다. 푸젠 모래, 휴스턴 샌드, 오타와 모래 및 카이코스 오이드 와 같은 다른 모래와 유사한 샘플 크기도 사용할 수 있습니다. 소정의 입자 크기 및 샘플 크?…

Representative Results

도 5는 2D 슬라이스에서 레이튼 버자드 모래(LBS) 샘플의 입자 운동학 결과를 2개의 전형적인 전단 증분, I 및 II를 도시한다. 대부분의 파티클이 성공적으로 추적되고 위의 프로토콜에 따라 변환 및 회전이 정량화됩니다. 첫 번째 전단 증분 동안 파티클 변위나 파티클 회전은 명확한 지역화를 나타내지 않습니다. 그러나 지역화된 대역은 두 번째 전단 증분 동안 입자 변위 맵과 …

Discussion

고공간 해상도 X-ray 마이크로 CT 및 고급 이미지 처리 및 분석 기법을 통해 다중 스케일 수준에서 전단 하에서 세분화된 토양의 기계적 거동에 대한 실험적 조사를 가능하게 했습니다(즉, 매크로 스케일, 메소 스케일 및 그레인 스케일 수준)을 참조하십시오. 그러나 CT 이미지 기반 메조 및 그레인 스케일 조사를 위해서는 적재 시 토양 샘플의 고공간 해상도 CT 이미지를 수집해야 합니다. 이 공정에?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 일반 연구 기금 번호에 의해 지원되었다. CityU 11213517 홍콩 특별 행정구의 연구 보조금 위원회에서, 연구 보조금 No. 51779213 중국의 국립 과학 재단에서, 상하이 싱크로트론 방사선 시설의 BL13W 빔 라인 (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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– 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

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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).
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