ויזואליזציה של כישלון והתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרעיניות תחת הטיה באמצעות סינכרוטרון X-Ray מיקרו טומוגרפיה
Summary
הפרוטוקול מתאר הליכים לרכישת טומוגרפיה מרחבית ברזולוציה גבוהה (CT) של אדמה גרעינית במהלך דחיסת טריצירית, ולהחיל טכניקות עיבוד תמונה לתמונות CT אלה כדי לחקור את ההתנהגות המכנית של התבואה הקרקע תחת טעינה.
Abstract
הפיתוח המהיר של טכניקות הדמיה רנטגן עם עיבוד תמונה ומיומנויות ניתוח אפשרה רכישת תמונות CT של קרקעות גרגירים עם רזולוציות גבוהות-מרחבית. בהתבסס על תמונות CT כאלה, התנהגות מכנית בקנה מידה גרעיניות כגון חלקיקים כגון חלקיק (כלומר, תרגומי חלקיקים וסבבים של חלקיקים), לוקליזציה של זנים והתפתחות בין חלקיקים של קרקעות גרגירים ניתן לכמת. עם זאת, הדבר אינו נגיש באמצעות שיטות נסיוניות קונבנציונליות. מחקר זה מדגים את החקירה של התנהגות מכנית בקנה מידה תבואה של מדגם קרקע גרעינית תחת דחיסת triaxial באמצעות סינכרוטרון רנטגן מיקרו טומוגרפיה (μCT). בשיטה זו, מנגנון העמסה מיניאטורי במיוחד משמש להחלת מתחים והעצמה מהירה על המדגם במהלך הבחינה הטריצימית. המנגנון מצויד לתוך ההתקנה טומוגרפיה רנטגן סינכרוטרון כך ברזולוציה גבוהה מרחבית תמונות CT של המדגם ניתן לאסוף בשלבי טעינה שונים של הבדיקה ללא כל הפרעה למדגם. עם היכולת של חילוץ מידע בקנה מידה של המאקרו (למשל, לדוגמה מדגיש גבולות וזנים מתוך הגדרת מנגנון triaxial) ואת סולם התבואה (למשל, תנועות גרעיניות ואינטראקציות מגע מתמונות CT), הליך זה מספק מתודולוגיה אפקטיבית לחקור את מכניקת רב היקף של קרקעות גרגירים.
Introduction
הוא מוכר באופן נרחב כי תכונות מכניות בקנה מידה של אדמה גרעינית, כגון נוקשות, הטיה חוזק וחדירות, הם קריטיים למבנים גיאוטכניים רבים, למשל, יסודות, מדרונות ומילוי רוק סכרים. במשך שנים רבות, בדיקות באתר ובדיקות מעבדה קונבנציונליות (לדוגמה, בדיקות דחיסה חד ממדיות, בדיקות דחיסה טריצידיות ובדיקות חדירות) שימשו להערכת מאפיינים אלה בקרקעות שונות. קודים ותקנים לבדיקת תכונות מכניות קרקע פותחו גם למטרות הנדסיות. בעוד התכונות המכאניות בקנה מידה אלה נחקרו באופן אינטנסיבי, התנהגות מכנית בקנה מידה מכני (למשל, כגון חלקיקים, אינטראקציה מגע ולוקליזציה של זנים) השולטת במאפיינים אלה משכה הרבה פחות תשומת לב מ מהנדסים וחוקרים. אחת הסיבות לכך היא חוסר שיטות נסיוניות אפקטיביות הזמינות לחקור את ההתנהגות המכנית בקנה מידה של קרקעות.
עד עכשיו, רוב ההבנה של התנהגות מכנית בקנה מידה של התבואה של קרקעות גרגירים הגיע מידול אלמנט דיסקרטית1 (DEM), בשל יכולתה לחלץ מידע בקנה מידה של חלקיק (למשל, החלקיקים החלקיק והחלקיקים קשר כוחות). במחקרים קודמים של שימוש בטכניקות DEM למודל התנהגויות קרקע מכניות, כל חלקיק בודד היה מיוצג רק על ידי מעגל אחד או כדור במודל. השימוש בצורות חלקיקים מסוג זה, הוביל לסיבוב החלקיקים הנמוך ביותר, ובכך התנהגות נמוכה יותר בשיא העוצמה2. כדי להשיג ביצועי מידול טוב יותר, חוקרים רבים השתמשו במודל התנגדות מתגלגל3,4,5,6 או חלקיקים חריגים7,8, 9,10,11,12 . בסימולציות שלהם כתוצאה מכך, הושגה הבנה מציאותית יותר של התנהגות קיגמטית החלקיקים. מלבד קינמטיקה החלקיקים, DEM כבר שימש יותר ויותר לחקור אינטראקציה המגע הדגן ולפתח מודלים תיאורטיים. עם זאת, בשל הדרישה לשכפל צורות חלקיקים אמיתיים ושימוש במודלים ליצירת קשר מתוחכמים, DEM דורש יכולת חישובית גבוהה במיוחד במידול קרקעות גרגירים עם צורות חריגות.
לאחרונה, פיתוח של ציוד אופטי וטכניקות דימות (למשל, המיקרוסקופ, טומוגרפיה בעזרת לייזר, טומוגרפיה ממוחשבת של X-ray (CT) ו-X-ray מיקרו-טומוגרפיה (μCT)) סיפקה הזדמנויות רבות לבדיקה ניסויית של התנהגות מכנית בקנה מידה דגנים של קרקעות גרגירים. באמצעות רכישת וניתוח של תמונות לדגימת הקרקע לפני ואחרי בדיקות triaxial, ציוד וטכניקות כאלה כבר נוצל בחקירת מיקרו מבנים13,14,15,16 ,17,18,19. לאחרונה, במבחנים באתרו עם X-ray ct או μct שימשו יותר ויותר לחקור את האבולוציה של יחס void20, התפלגות הזנים21,22,23,24, תנועת חלקיקים25,26,27,28, אינטר-חלקיק קשר29,30,31 ו החלקיקים מוחצת32 של קרקעות גרגירים. כאן, “באתרו” מרמז על סריקת רנטגן שנערכה באותו זמן כמו טעינת. בניגוד סריקת רנטגן כללית, בבדיקות רנטגן באתרו בדיקות מחייב מכשיר העמסה מפוברק במיוחד כדי לספק מתחים לדגימות אדמה. עם שימוש משולב של מנגנון הטעינה ו-X-ray CT או התקן μCT, תמונות CT של דגימות בשלבי טעינה שונים של הבדיקות ניתן לרכוש ללא ההרס. בהתבסס על אלה תמונות CT, בקנה מידה חלקיקים תצפיות של התנהגות קרקע גרעינית ניתן לרכוש. תצפיות אלה ברמת החלקיקים המבוססות על תמונות CT מועילות מאוד כדי לאמת ממצאים מספריים ולקבל תובנות הרומן להתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרגירים.
מאמר זה שואפת לשתף את הפרטים של איך צילום רנטגן באיתור באתרו של דגימת אדמה ניתן לבצע, תוך שימוש בניסוי מופתי המתבונן בקינמטיקה של חלקיקים, לוקליזציה של מתח ואבולוציה בין חלקיקים בתוך דגימת אדמה. התוצאות מראות כי רנטגן בדיקות סריקה באתרו יש פוטנציאל גדול לחקור את ההתנהגות ברמת הדגן של קרקעות גרגירים. הפרוטוקול מכסה את הבחירה של מכשיר X-ray μCT והכנת מנגנון טעינה מיניאטורי triaxial, והליכים מפורטים לביצוע הבדיקה מסופקים. בנוסף, השלבים הטכניים לשימוש בעיבוד ובניתוח של התמונה כדי לכמת את החלקיקים החלקיסטים (כלומר, תרגום חלקיקים וסיבוב החלקיקים), לוקליזציה של זנים, והתפתחות בין-חלקיק (כלומר, יצירת קשר, הפסד ומ תנועת המגע) של האדמה מתוארת.
Protocol
Representative Results
Discussion
High-מרחבית רזולוציה רנטגן מיקרו-CT ועיבוד תמונה מתקדמת וטכניקות ניתוח אפשרו את החקירה ניסיוני של התנהגות מכנית של קרקעות גרגירים תחת הטיה ברמות רב בקנה מידה (כלומר, בסולם המאקרו, מזו-scale ו רמות גרעיניות). עם זאת, CT מבוססי תמונה מבוסס-ובקנה מידה התבואה החקירות דורשות רכישת תמונות CT ברזולוציה ג?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי הקרן למחקר כללי לא. CityU 11213517 מהמועצה להענקת מחקר של הונג קונג SAR, מלגת מחקר מס ‘ 51779213 מן הקרן הלאומית למדע של סין, BL13W beamline של שנגחאי סינכרוטרון מתקן קרינה (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 |
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).
