Visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto Shear utilizzando la microtografia a raggi X del synchrotron

È ampiamente riconosciuto che le proprietà meccaniche su macroscala del suolo granulare, come rigidità, resistenza all’taglio e permeabilità, sono fondamentali per molte strutture geotecniche, ad esempio fondazioni, pendenze e dighe di riempimento delle rocce. Per molti anni, sono stati utilizzati test in loco e test di laboratorio convenzionali (ad esempio, test di compressione unidimensionali, test di compressione triassiale e test di permeabilità) per valutare queste proprietà in terreni diversi. Sono stati sviluppati anche codici e standard per testare le proprietà meccaniche del suolo per scopi ingegneristici. Sebbene queste proprietà meccaniche su macroscala siano state studiate intensamente, il comportamento meccanico su scala del grano (ad esempio, la cinematica delle particelle, l’interazione di contatto e la localizzazione della deformazione) che governa queste proprietà ha attirato molta meno attenzione ingegneri e ricercatori. Uno dei motivi è la mancanza di metodi sperimentali efficaci disponibili per esplorare il comportamento meccanico su scala di grano dei suoli.

Fino ad ora, la maggior parte della comprensione del comportamento meccanico su scala di grana dei suoli granulari è venuto dalla modellazione di elementi discreti¹ (DEM), a causa della sua capacità di estrarre informazioni su scala di particelle (ad esempio, la cinematica delle particelle e il contatto con le particelle forze) ). Negli studi precedenti sull’utilizzo delle tecniche DEM per modellare i comportamenti meccanici granulari del suolo, ogni singola particella era semplicemente rappresentata da un singolo cerchio o sfera nel modello. L’uso di tali forme di particelle troppo semplificate ha portato alla sovrarotazione delle particelle e quindi a un comportamento di forza del picco inferiore². Per ottenere migliori prestazioni di modellazione, molti ricercatori hanno utilizzato un modello di resistenza al rotolamento^3,4,5,6 o particelle irregolari forme^{7,8, 9,10,11,12} nelle loro simulazioni DEM. Di conseguenza, è stata acquisita una comprensione più realistica del comportamento cinematico delle particelle. Oltre alla cinematica delle particelle, il DEM è stato sempre più utilizzato per studiare l’interazione di contatto con il grano e per sviluppare modelli teorici. Tuttavia, a causa della necessità di riprodurre forme di particelle reali e l’uso di modelli di contatto sofisticati, DEM richiede capacità computazionali estremamente elevate nella modellazione di terreni granulari con forme irregolari.

Recentemente, lo sviluppo di apparecchiature ottiche e tecniche di imaging (ad esempio, il microscopio, la tomografia con supporto al laser, la tomografia computerizzata a raggi X (TC) e la microtografia a raggi X comportamento meccanico su scala a grana dei suoli granulari. Attraverso l’acquisizione e l’analisi di immagini campione di suolo prima e dopo i test triassiali, tali attrezzature e tecniche sono state utilizzate nello studio delle microstrutture del suolo^{13,14,15,16 ,17,18,19}. Più di recente, i test in situ con TC a raggi X o cCT sono stati sempre più utilizzati per studiare l’evoluzione del rapporto di vuoto²⁰, distribuzione di deformazione^21,22,23,24, movimento delle particelle^25,26,27,28, contatto interparticelle^29,30,31 e particelle che schiacciano³² di terreni granulari. Qui, “in situ” implica la scansione a raggi X condotta contemporaneamente al caricamento. A differenza della scansione generale a raggi X, i test di scansione a raggi X in situ richiedono un apparato di carico appositamente fabbricato per fornire sollecitazioni ai campioni del suolo. Con l’uso combinato dell’apparato di carico e del dispositivo a raggi X CT o TC, le immagini TC dei campioni nelle diverse fasi di caricamento dei test possono essere acquisite in modo non distruttivo. Sulla base di queste immagini CT, è possibile acquisire osservazioni su scala di particelle del comportamento granulare del suolo. Queste osservazioni a livello di particelle basate su immagini CT sono estremamente utili per verificare i risultati numerici e per ottenere nuove informazioni sul comportamento meccanico su scala di grana dei suoli granulari.

Questo articolo ha lo scopo di condividere i dettagli di come un test di scansione a raggi X in situ di un campione di suolo può essere effettuato, utilizzando un esperimento esemplare che osserva la cinematica delle particelle, la localizzazione della deformazione e l’evoluzione del contatto tra particelle all’interno di un campione di suolo. I risultati mostrano che i test di scansione a raggi X in situ hanno un grande potenziale per esplorare il comportamento a livello di grano dei suoli granulari. Il protocollo riguarda la scelta del dispositivo a raggi X CT e la preparazione di un apparato di carico triaxiale in miniatura, nonché procedure dettagliate per eseguire il test. Inoltre, i passaggi tecnici per l’utilizzo dell’elaborazione e dell’analisi delle immagini per quantificare la cinematica delle particelle (ad esempio, la traslazione delle particelle e la rotazione delle particelle), la localizzazione della deformazione e l’evoluzione del contatto tra particelle (ad es. guadagno di contatto, perdita di contatto e contatto) del terreno.