JoVE Journal > Engineering
概要
Abstract
Introduction
Protocol
結果
Discussion
開示
Acknowledgements
Materials
参考文献
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工学

Synchrotron X-Ray Mikro-Tomografi sayarı altında Hatanın Görüntülenmesi ve Taneli Toprakların İlişkili Tane Ölçeğimekanik Davranışı

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

Protokol, triaksiyel sıkıştırma sırasında taneli bir toprağın yüksek uzamsal çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi (BT) görüntülerini elde etme ve bu BT görüntülerine görüntü işleme tekniklerini uygulayarak, tane ölçeğinde mekanik davranışını keşfetme prosedürlerini açıklar. yükleme altında toprak.

Abstract

Görüntü işleme ve analiz becerileri ile X-Ray görüntüleme tekniklerinin hızlı gelişimi, yüksek uzamsal çözünürlüklerle tanecikli toprakların CT görüntülerinin elde edilmesine olanak sağlamıştır. Bu tür CT görüntülerine dayanarak, parçacık kinematiği (parçacık çevirileri ve parçacık rotasyonları) gibi tane ölçeğinde mekanik davranışlar, tanecikli toprakların gerinim lokalizasyonu ve parçacıklar arası temas evrimi nicel olarak araştırılabilir. Ancak, bu geleneksel deneysel yöntemler kullanılarak erişilemez. Bu çalışma, senkrotron X-ışını mikrotomografisi (μCT) kullanılarak triaksiyel kompresyon altında taneli toprak örneğinin tane ölçekli mekanik davranışının araştırılmasını göstermektedir. Bu yöntemle, triaksiyel test sırasında numuneye konsültif ve eksenel gerilmeler uygulamak için özel olarak imal edilmiş minyatür yükleme aparatı kullanılır. Cihaz, numunenin yüksek uzamsal çözünürlüklü CT görüntülerinin numuneye herhangi bir rahatsızlık duymadan testin farklı yükleme aşamalarında toplanabilmeleri için bir senkrotron X-ışını tomografisi kurulumuna monte edilir. Makro ölçekte bilgi ayıklama yeteneği (örneğin, triaksiyel cihaz kurulumundan örnek sınır gerilmeleri ve suşları) ve tane ölçeği (örneğin, ct görüntülerinden tane hareketleri ve temas etkileşimleri) ile bu yordam, taneli toprakların çok ölçekli mekaniğini araştırmak için etkili bir metodoloji.

Introduction

Sertlik, kesme mukavemeti ve geçirgenlik gibi taneli toprağın makro ölçekli mekanik özelliklerinin, temeller, eğimler ve kaya dolgulu barajlar gibi birçok jeoteknik yapı için kritik öneme sahip olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir. Uzun yıllar boyunca, farklı topraklarda bu özellikleri değerlendirmek için yerinde testler ve konvansiyonel laboratuvar testleri (örneğin, tek boyutlu sıkıştırma testleri, triaksiyel sıkıştırma testleri ve geçirgenlik testleri) kullanılmıştır. Toprak mekanik özelliklerinin test edilmesine yönelik kurallar ve standartlar da mühendislik amacıyla geliştirilmiştir. Bu makro ölçekli mekanik özellikler yoğun bir şekilde incelenmekle birlikte, bu özellikleri yöneten tane ölçekli mekanik davranış (örneğin, parçacık kinematiği, temas etkileşimi ve gerinim lokalizasyonu) mühendisler ve araştırmacılar. Bunun nedenlerinden biri, toprağın tahıl ölçekli mekanik davranışını araştırmak için etkili deneysel yöntemlerin bulunmamasıdır.

Şimdiye kadar, taneli toprakların tane ölçekli mekanik davranışının anlaşılmasının çoğu, parçacık ölçeğinde bilgi ayıklama yeteneği (örneğin, parçacık kinematiği ve parçacık teması) nedeniyle ayrık eleman modelleme1’den (DEM) çıkmıştır. kuvvetleri). Taneli toprak mekanik davranışlarını modellemek için DEM tekniklerini kullanma nın daha önceki çalışmalarında, her bir parçacık modelde sadece tek bir daire veya küre ile temsil edilmiştir. Bu tür aşırı basitleştirilmiş parçacık şekillerinin kullanımı parçacıkların aşırı dönmeve böylece daha düşük bir tepe gücü davranışı yol açmıştır2. Daha iyi bir modelleme performansı elde etmek için, birçok araştırmacı bir haddeleme direnci modeli kullandık3,4,5,6 veya düzensiz parçacık şekilleri7,8, 9,10,11,12 kendi DEM simülasyonları. Sonuç olarak, parçacık kinematik davranış daha gerçekçi bir anlayış elde edilmiştir. Dem, parçacık kinematiği dışında, tahıl teması etkileşimini araştırmak ve teorik modeller geliştirmek için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Ancak, gerçek parçacık şekilleri ve gelişmiş temas modellerinin kullanımı çoğaltma gereksinimi nedeniyle, DEM düzensiz şekilli taneli toprakların modellemesinde son derece yüksek hesaplama yeteneği gerektirir.

Son zamanlarda optik ekipman ve görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi (örneğin, mikroskop, lazer destekli tomografi, X-ışını bilgisayarlı tomografi (BT) ve X-ışını mikrotomografisi (μCT)) taneli toprakların tane ölçekli mekanik davranışı. Triaksiyel test öncesi ve sonrası toprak numune görüntülerinin edinimi ve analizi ile toprak mikroyapılarının araştırılmasında bu tür ekipman ve teknikler kullanılmıştır13,14,15,16 ,17,18,19. Daha yakın zamanda, X-ışını BT veya μCT ile yerinde testler giderek boşluk oranı20evrimini araştırmak için kullanılmıştır , gerinim dağılımı21,22,23,24, partikül hareketi25,26,27,28, parçacık arası temas29,30,31 ve parçacık kırma32 tanecikli topraklar. Burada”in in situ”, yükleme ile aynı anda yapılan X-ışını taraması anlamına gelir. Genel X-Ray taramasının aksine, yerinde X-Ray tarama testleri toprak numunelerine gerilmeler sağlamak için özel olarak imal edilmiş bir yükleme aparatı gerektirir. Yükleme cihazının ve X-ışını CT veya μCT cihazının birlikte kullanılmasıyla, testlerin farklı yükleme aşamalarındaki numunelerin CT görüntüleri tahribatsız olarak elde edilebilir. Bu CT görüntülerine dayanarak, tanecikli toprak davranışıparçacık ölçekli gözlemler elde edilebilir. Bu CT görüntü tabanlı parçacık düzeyinde gözlemler sayısal bulguları doğrulamak ve tanecikli toprakların tane ölçeğinde mekanik davranışlar hakkında yeni bilgiler elde etmek için son derece yararlıdır.

Bu makalede, bir toprak örneğinin yerinde tarama testinde bir X-ışınının nasıl yapılabileceği, partikül kinematiği, gerinim lokalizasyonu ve bir toprak numunesi içinde parçacıklar arası temas evrimini gÃ1/4neÅ leyen örnek bir deney kullanarak yapılabilir. Sonuçlar, yerinde tarama testlerinde X-Ray’in taneli toprakların tane düzeyindeki davranışını keşfetmek için büyük bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Protokol, X-ışını μCT cihazının seçimini ve minyatür bir triaksiyel yükleme cihazının hazırlanmasını kapsamaktadır ve testi gerçekleştirmek için ayrıntılı prosedürler sağlanmaktadır. Buna ek olarak, parçacık kinematiği (örneğin, parçacık çevirisi ve parçacık rotasyonu), gerinim lokalizasyonu ve parçacıklar arası temas evrimini (örneğin, temas kazancı, temas kaybı ve temas hareketi) toprak tansılandır.

Protocol

1. Deneyi önceden tasarlamak Test materyalini, parçacık boyutunu, numune boyutunu ve numune ilk gözenekliliğini belirleyin.NOT: Leighton Şahin kumu çapı 0.15~0.30 mm ve örneklem büyüklüğü 8 x 16 mm (Çap x Yükseklik) ile bu çalışmanın protokolünü göstermek için örnek olarak kullanılmaktadır. Fujian kum, Houston Kum, Ottawa kum ve Caicos ooidler, vb ve benzeri örnek boyutları gibi diğer kumlar da kullanılabilir. Önceden belirlenmiş parçacık boyutuna ve örnek boyut…

Representative Results

Şekil 5 iki tipik kesme artışlar sırasında 2D dilim bir Leighton Şahin kum (LBS) örnek parçacık kinematik sonuçları tasvir, I ve II. Parçacıkların çoğu başarıyla izlenir ve bunların çevirileri ve dönüşleri yukarıdaki protokole göre ölçülür. İlk kesme artış sırasında, ne parçacık yer değiştirmeleri ne de parçacık rotasyonları net yerelleştirme göstermez. Ancak, ikinci kesme artış sırasında hem parçacık yer değiştirme haritasında hem de parç…

Discussion

Yüksek uzamsal çözünürlükx-ışını mikro-BT ve gelişmiş görüntü işleme ve analiz teknikleri, çok ölçekli düzeylerde (yani makro ölçekli, mezo-ölçekli ve makas altında granüler toprakların mekanik davranışlarının deneysel olarak araştırılmasını sağlamıştır tane ölçeği düzeyleri). Ancak, CT görüntü tabanlı meso- ve tane ölçekli araştırmalar yükleme sırasında toprak örneklerinin yüksek uzamsal çözünürlükTE CT görüntülerinin elde edilmesini gerektirir. Bu süreci…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Genel Araştırma Fonu No. CityU 11213517 Hong Kong SAR Araştırma Hibe Konseyi, Araştırma Grant No 51779213 Çin Ulusal Bilim Vakfı ve Şangay Synchrotron Radyasyon Tesisi (SSRF) BL13W ışın hattı.

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

参考文献

  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).

タグ

– 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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
記事を引用
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).
引用ダウンロード
転載と許可

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image