Visualisierung von Versagen und dem damit verbundenen mechanischen Verhalten von granularen Böden unter Scherung mit Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie
Summary
Das Protokoll beschreibt Verfahren, um Hochräumliche Auflösung Scomputed Tomography (CT)-Bilder eines körnigen Bodens während der triaxialen Kompression zu erfassen und Bildverarbeitungstechniken auf diese CT-Bilder anzuwenden, um das mechanische Verhalten von den Boden unter der Belastung.
Abstract
Die schnelle Entwicklung von Röntgenbildgebungstechniken mit Bildverarbeitungs- und Analysefähigkeiten hat die Erfassung von CT-Bildern von körnigen Böden mit hohen räumlichen Auflösungen ermöglicht. Basierend auf solchen CT-Bildern können mechanische skaliante skaliante Sprossenwies wie Teilchenkinematik (d.h. Partikelübersetzungen und Partikelrotationen), Dehnungslokalisierung und interteilchenspezifische Kontaktentwicklung von körnigen Böden quantitativ untersucht werden. Dies ist jedoch mit konventionellen experimentellen Methoden nicht zugänglich. Diese Studie zeigt die Erforschung des mechanischen Verhaltens einer körnigen Bodenprobe unter triaxialer Kompression mittels Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie (CT). Bei diesem Verfahren wird eine speziell gefertigte Miniatur-Ladevorrichtung verwendet, um während der triaxialen Prüfung Konfinen und axiale Spannungen auf die Probe anzuwenden. Das Gerät ist in ein Synchrotron-Röntgentomographie-Setup eingebaut, so dass hochräumliche Auflösung CT-Bilder der Probe in verschiedenen Belastungsstufen des Tests ohne Störung der Probe gesammelt werden können. Mit der Möglichkeit, Informationen auf Makroskalen (z. B. Probengrenzspannungen und Dehnungen aus dem Triaxialapparataufbau) und der Kornskala (z. B. Kornbewegungen und Kontaktinteraktionen aus den CT-Bildern) zu extrahieren, bietet dieses Verfahren wirksame Methodik zur Untersuchung der mehrstufigen Mechanik von körnigen Böden.
Introduction
Es ist allgemein anerkannt, dass die makroskaligen mechanischen Eigenschaften von körnigen Böden, wie Steifigkeit, Scherfestigkeit und Durchlässigkeit, für viele geotechnische Strukturen, wie Fundamente, Hänge und Gesteinsfülldämme, von entscheidender Bedeutung sind. Seit vielen Jahren werden vor Ort Tests und konventionelle Labortests (z.B. eindimensionale Kompressionstests, triaxiale Kompressionstests und Permeabilitätstests) zur Bewertung dieser Eigenschaften in verschiedenen Böden eingesetzt. Auch für technische Zwecke wurden Codes und Standards zur Prüfung der bodenmechanischen Eigenschaften entwickelt. Während diese mechanischen Eigenschaften im Makromaßstab intensiv untersucht wurden, hat das mechanische Verhalten im Kornmaßstab (z. B. Partikelkinematik, Kontaktinteraktion und Dehnungslokalisierung), das diese Eigenschaften regelt, viel weniger Aufmerksamkeit von Ingenieure und Forscher. Ein Grund dafür ist der Mangel an effektiven experimentellen Methoden, um das mechanische Verhalten von Böden im Kornmaßstab zu erforschen.
Bisher stammt der größte Teil des Verständnisses des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden aus der diskreten Elementmodellierung1 (DEM), da es in der Lage ist, Partikel-Skala-Informationen zu extrahieren (z. B. Partikelkinematik und Partikelkontakt). Kräfte). In früheren Studien über die Verwendung von DEM-Techniken zur Modellierung granularer Bodenmechanikwurdedes wurde jedes einzelne Teilchen einfach durch einen einzelnen Kreis oder eine Kugel im Modell dargestellt. Die Verwendung solcher übervereinfachten Partikelformen hat zur Überrotation von Partikeln und damit zu einem niedrigeren Spitzenfestigkeitsverhalten2geführt. Um eine bessere Modellierungsleistung zu erreichen, haben viele Forscher ein Rollwiderstandsmodell3,4,5,6 oder unregelmäßige Partikelformen7,8, 9,10,11,12 in ihren DEM-Simulationen. Dadurch wurde ein realistischeres Verständnis des kinematischen Verhaltens von Partikeln gewonnen. Neben der Teilchenkinematik wird DEM zunehmend zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Kornkontaktunden und zur Entwicklung theoretischer Modelle eingesetzt. Aufgrund der Anforderung, reale Partikelformen zu reproduzieren, und der Verwendung anspruchsvoller Kontaktmodelle erfordert DEM jedoch eine extrem hohe Rechenfähigkeit bei der Modellierung von körnigen Böden mit unregelmäßigen Formen.
In jüngster Zeit hat die Entwicklung optischer Geräte und bildgebender Verfahren (z. B. Mikroskop, lasergestützte Tomographie, Röntgen-Computertomographie (CT) und Röntgenmikrotomographie (CT)) viele Möglichkeiten für eine experimentelle Untersuchung der mechanisches Verhalten von körnigen Böden. Durch die Erfassung und Analyse von Bodenprobenbildern vor und nach triaxialen Tests wurden solche Geräte und Techniken bei der Untersuchung von Bodenmikrostrukturen13,14,15,16 eingesetzt. ,17,18,19. In jüngerer Zeit wurden in situ-Tests mit Röntgen-CT oder -CT zunehmend verwendet, um die Entwicklung des Hohlraumverhältnisses20, Dehnungsverteilung21,22,23,24, Teilchenbewegung25,26,27,28, Interteilchenkontakt29,30,31 und Partikelzerkleinerung32 von körnigen Böden. Hier impliziert “in situ” Röntgenscans, die gleichzeitig mit dem Laden durchgeführt werden. Im Gegensatz zum allgemeinen Röntgenscannen erfordern In-situ-Röntgentests ein speziell gefertigtes Ladegerät, um Bodenproben zu belasten. Durch den kombinierten Einsatz des Ladegeräts und der Röntgen-CT- oder CT-Vorrichtung können CT-Bilder der Proben in verschiedenen Belastungsstufen der Prüfungen zerstörungsfrei erfasst werden. Anhand dieser CT-Bilder können Partikel-Skala-Beobachtungen des körnigen Bodenverhaltens erfasst werden. Diese CT-bildbasierten Beobachtungen auf Teilchenebene sind äußerst hilfreich, um numerische Befunde zu verifizieren und neue Erkenntnisse über das mechanische Verhalten von körnigen Böden zu gewinnen.
Dieser Artikel zielt darauf ab, die Details darüber zu teilen, wie ein Röntgen-in-situ-Scantest einer Bodenprobe durchgeführt werden kann, mit einem beispielhaften Experiment, das Partikelkinematik, Dehnungslokalisierung und Interteilchenkontaktentwicklung innerhalb einer Bodenprobe beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass Röntgen-In-situ-Scanning-Tests ein großes Potenzial haben, das Kornverhalten von körnigen Böden zu untersuchen. Das Protokoll umfasst die Wahl der Röntgen-CT-Vorrichtung und die Herstellung einer Miniatur-Triaxial-Ladevorrichtung, und es werden detaillierte Verfahren zur Durchführung der Prüfung bereitgestellt. Darüber hinaus sind die technischen Schritte zur Verwendung von Bildverarbeitung und -analyse zur Quantifizierung der Partikelkinematik (d. h. Partikeltranslation und Partikelrotation), dehnungslokalisierung und interteilchengebundener Kontaktentwicklung (d. h. Kontaktverstärkung, Kontaktverlust und Kontaktbewegung) des Bodens beschrieben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Röntgen-CT mit hoher räumlicher Auflösung und fortschrittliche Bildverarbeitungs- und Analysetechniken haben die experimentelle Untersuchung des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden unter Scherung auf mehreren Ebenen (d. h. auf Makromaßstab, Meso-Skala und Kornskala). CT-bildbasierte Meso- und Kornuntersuchungen erfordern jedoch die Erfassung von hochräumlichen Auflösungs-CT-Bildern von Bodenproben während der Beladung. Der schwierigste Aspekt dieses Prozesses ist vielleicht die Herstellung eines miniaturt…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde vom Allgemeinen Forschungsfonds Nr. CityU 11213517 vom Research Grant Council der Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 von der National Science Foundation of China und der BL13W Beamline der Shanghai Synchrotron Radiation Facility (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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