Method Article

التصور من الفشل والسلوك الميكانيكية المرتبطة الحبوب علي نطاق التربة الحبيبية تحت القص باستخدام Synchrotron الاشعه السينية الدقيقة التصوير المقطعي

DOI:

10.3791/60322

⸱

September 29th, 2019

 , 
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong, 2Shenzhen Research Institute of City University of Hong Kong

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويصف البروتوكول الإجراءات اللازمة للحصول علي صور التصوير المقطعي (CT) عاليه الاستبانة المكانية للتربة الحبيبية اثناء الضغط ثلاثي المحاور ، ولتطبيق تقنيات معالجه الصور علي هذه الصور المقطعية لاستكشاف السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب التربة تحت التحميل.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد مكن التطور السريع لتقنيات التصوير بالاشعه السينية مع مهارات معالجه الصور وتحليلها من اقتناء صور مقطعيه للتربة الحبيبية ذات الاستبانات المكانية العالية. واستنادا إلى هذه الصور المقطعية ، يمكن التحقيق كميا في السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب مثل الجسيمات الجزيئية (اي ترجمات الجسيمات وتناوب الجسيمات) وتوطين السلالات وتطور الاتصال بين الجسيمات من التربة الحبيبية. ومع ذلك ، لا يمكن الوصول اليها باستخدام الأساليب التجريبية التقليدية. وتبين هذه الدراسة استكشاف السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من عينه التربة الحبيبية تحت ضغط ثلاثي المحاور باستخدام السنكروتروني الاشعه السينية المجهرية التصوير المقطعي (μct). مع هذا الأسلوب ، يتم استخدام جهاز التحميل مصغره ملفقه خصيصا لتطبيق الضغوط الحصر والمحورية للعينه خلال اختبار ثلاثي المحاور. يتم تركيب الجهاز في التصوير المقطعي الاشعه السينية السنكروتروني بحيث يمكن جمع الصور المقطعية الدقة العالية المكانية للعينه في مراحل تحميل مختلفه من الاختبار دون اي إزعاج للعينه. مع القدرة علي استخراج المعلومات علي النطاق الكلي (علي سبيل المثال ، والضغوط عينه الحدود والسلالات من الاعداد الجهاز ثلاثي المحاور) ومقياس الحبوب (علي سبيل المثال ، حركات الحبوب والتفاعلات الاتصال من الصور المقطعية) ، وهذا الاجراء يوفر منهجيه فعاله للتحقيق في الميكانيكا متعددة المستويات من التربة الحبيبية.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ومن المسلم به علي نطاق واسع ان الخواص الميكانيكية علي النطاق الكلي للتربة الحبيبية ، مثل الصلابة وقوه القص والنفاذيه ، هي ذات اهميه حاسمه بالنسبة للعديد من الهياكل الجيوتقنيه ، علي سبيل المثال ، الأسس والمنحدرات والسدود المليءه بالصخور. لسنوات عديده ، والاختبارات في الموقع والاختبارات المختبرية التقليدية (علي سبيل المثال ، اختبارات ضغط أحاديه البعد ، اختبارات ضغط ثلاثي المحاور واختبارات نفاذيه) وقد استخدمت لتقييم هذه الخصائص في التربة المختلفة. كما وضعت رموز ومعايير لاختبار الخواص الميكانيكية للتربة لأغراض هندسية. في حين ان هذه الخصائص الميكانيكية علي نطاق واسع قد درست بشكل مكثف ، والسلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب (علي سبيل المثال ، الجسيمات الجزيئية ، والتفاعل الاتصال وتوطين سلاله) التي تحكم هذه الخصائص قد اجتذبت اهتمام اقل بكثير من المهندسين والباحثين. أحد الأسباب هو عدم وجود طرق تجريبية فعاله متاحه لاستكشاف السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب للتربة.

وحتى الآن ، فان معظم فهم السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة الحبيبية قد جاء من النمذجة عنصر منفصل1 (DEM) ، وذلك بسبب قدرته علي استخراج المعلومات علي نطاق الجسيمات (علي سبيل المثال ، الجسيمات والاتصال الجسيمات قوات). في الدراسات السابقة لاستخدام تقنيات DEM لنمذجة السلوكيات الميكانيكية التربة الحبيبية ، وكان كل الجسيمات الفردية تمثل ببساطه من قبل دائره واحده أو المجال في النموذج. وقد ادي استخدام مثل هذه الاشكال الجسيمات الإفراط في التبسيط إلى الإفراط في دوران الجزيئات التالي انخفاض قوه الذروة السلوك2. لتحقيق أداء أفضل النمذجة ، وقد استخدمت العديد من المحققين نموذج مقاومه المتداول3،4،5،6 أو الجسيمات غير النظامية الاشكال7،8، 9،10،11،12 في المحاكاة الخاصة بهم DEM. ونتيجة لذلك ، تم الحصول علي فهم أكثر واقعيه للسلوك الحركي الجسيمات. وبصرف النظر عن الجسيمات الجزيئية ، فقد استخدمت DEM بشكل متزايد للتحقيق في تفاعل الحبوب وتطوير النماذج النظرية. ومع ذلك ، وبسبب الحاجة إلى أعاده إنتاج اشكال الجسيمات الحقيقية واستخدام نماذج الاتصال المتطورة ، DEM يتطلب قدره حسابيه عاليه للغاية في نمذجة التربة الحبيبية مع الاشكال غير النظامية.

وفي الاونه الاخيره ، أتاح تطوير المعدات البصرية وتقنيات التصوير (علي سبيل المثال ، المجهر ، والاشعه المقطعية بالليزر ، والصور المقطعية المحوسبة للاشعه السينية ، والاشعه المقطعية الدقيقة) العديد من الفرص للفحص التجريبي السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة الحبيبية. عن طريق الحصول علي وتحليل الصور عينه التربة قبل وبعد اختبار ثلاثي المحاور ، وقد استخدمت هذه المعدات والتقنيات في التحقيق في الهياكل المجهرية التربة13،14،15،16 و17و18و19. في الاونه الاخيره ، في الموقع الاختبارات مع الاشعه السينية ct أو μct وقد استخدمت بشكل متزايد للتحقيق في تطور نسبه الفراغ20، وتوزيع سلاله21،22،23،24، حركه الجسيمات25،26،27،28، الاتصال بين الجسيمات29،30،31 والجسيمات سحق32 من التربة الحبيبية. هنا ، "في الموقع" يعني المسح بالاشعه السينية التي أجريت في نفس الوقت التحميل. وعلي النقيض من المسح الضوئي العام للاشعه السينية ، فان اختبارات المسح بالاشعه السينية في الموقع تتطلب جهاز تحميل ملفق خصيصا لتسليم الإجهاد إلى عينات التربة. مع الاستخدام المشترك للجهاز التحميل والاشعه السينية CT أو جهاز μCT ، يمكن الحصول علي صور CT من العينات في مراحل تحميل مختلفه من الاختبارات غير مدمره. واستنادا إلى هذه الصور المقطعية ، يمكن الحصول علي ملاحظات علي مقياس الجسيمات لسلوك التربة الحبيبية. هذه الملاحظات علي مستوي الجسيمات المستندة إلى صوره CT مفيده للغاية للتحقق من النتائج العددية واكتساب رؤى جديده في السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة الحبيبية.

تهدف هذه المقالة إلى تبادل التفاصيل حول كيفيه اجراء فحص الاشعه السينية في الموقع من عينه التربة ، وذلك باستخدام تجربه مثاليه التي تلاحظ الجسيمات الجزيئية ، وتوطين سلاله وتطور الاتصال بين الجسيمات داخل عينه التربة. وتبين النتائج ان الاشعه السينية في الموقع اختبارات المسح لديها إمكانات كبيره لاستكشاف السلوك علي مستوي الحبوب من التربة الحبيبية. ويغطي البروتوكول اختيار جهاز الاشعه السينية μCT واعداد أجهزه التحميل ثلاثية المحاور المصغرة ، ويتم توفير إجراءات مفصله لتنفيذ الاختبار. الاضافه إلى ذلك ، فان الخطوات التقنية لاستخدام معالجه الصور وتحليلها لتحديد كميات الجسيمات الجزيئية (اي ترجمه الجسيمات ودوران الجسيمات) ، وتوطين السلالات ، وتطور الاتصال بين الجسيمات (اي كسب الاتصال ، وفقدان الاتصال اتصلت حركه) من التربة وصفت.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تصميم التجربة مقدما بشكل جيد

  1. تحديد المواد الاختبار ، وحجم الجسيمات ، وحجم العينة وعينه المساميه الاوليه.
    ملاحظه: يستخدم الرمل لايتون بونار مع قطر 0.15 ~ 0.30 mm وحجم عينه من 8 × 16 ملم (قطر x الارتفاع) كمثال لإثبات بروتوكول هذه الدراسة. ويمكن أيضا ان تستخدم الرمال الأخرى مثل الرمل فوجيان ، هيوستن الرمل ، اوتاوا الرمل وكايكوس ooids ، الخ واحجام عينه مماثله.
  2. اختيار كاشف المناسبة (الشكل 1ا) وفقا لدقه المكانية المطلوبة ومنطقه المسح الضوئي ، والتي يتم تحديدها وفقا لحجم الجسيمات سلفا وحجم العينة. علي سبيل المثال ، يتم استخدام كاشف مع دقه المكانية من 6.5 μm في هذه الدراسة. لديها مساحة مسح فعاله من 2048 x 860 بكسل (اي 13.3 × 5.6 مم).
    ملاحظه: اثناء اختبار ضغط ثلاثي المحاور ، يجب ان تبقي العينة المشوهة في منطقه المسح الضوئي للكشف. وينبغي استخدام كاشف الاستبانة المكانية العالية بحيث تحتوي الجزيئات الفردية علي voxels كافيه لاستخراج خصائص الجسيمات بالشكل المناسب.
  3. تحديد الطاقة المطلوبة من مصدر الاشعه السينية (الشكل 1ا) ووقت التعرض وفقا لماده الاختبار وحجم العينة. عموما ، ينبغي استخدام طاقة اعلي لعينه أكبر تتالف من ماده أكثر كثافة. استخدام طاقة الاشعه السينية من 25 كيلو ووقت التعرض 0.05 s لعينات الرمل في هذه الدراسة.
    ملاحظه: يمكن تحديد طاقة الاشعه السينية المطلوبة ووقت التعرض بواسطة التجربة والخطا باستخدام إسقاط ممسوح ضوئيا للعينه. وينبغي الا تقل نسبه كثافة الحجم الرمادي الأدنى للإسقاط إلى قيمته القصوى عن 0.2. والا ، ينبغي استخدام طاقة الاشعه السينية الأعلى أو وقت التعرض الأطول.
  4. تحديد سرعه الدوران المطلوبة ω (درجات في الثانية) لمرحله الدوران (الشكل 1ا) من جهاز الاشعه السينية. يتم احتساب سرعه دوران ω وفقا للعدد المطلوب من الإسقاطات N (علي سبيل المثال ، N = 1,080) لأعاده بناء شريحة CT.
    ملاحظه: ω = 180 Vs/N. هنا ، Vs هو سرعه المسح الضوئي للجهاز الاشعه السينية ، اي عدد الاشعه الممسوحة ضوئيا وسجلت في الثانية الواحدة. يتاثر Vs بشكل رئيسي بأداء الكاشف والاجهزه المرتبطة بالكاشف مثل الكمبيوتر.
  5. افتعال جهاز تحميل ثلاثي المحاور (الأرقام 1B ، C، انظر أيضا المرجع 33) لاستخدامها بالاقتران مع جهاز الاشعه السينية μct. يجب ان يكون الجهاز نفس الوظائف الرئيسية كجهاز ضغط ثلاثي محوري التقليدية. يجب ان التصميم النظر في متطلبات حجم العينة ، ومجموعه من الضغوط حصر ومعدلات التحميل.
    ملاحظه: يجب ان يكون الجهاز قادرا علي احتواء جهاز الاشعه السينية μCT ويكون خفيفا لتسهيل دورانه باستخدام مرحله الدوران. يجب ان تكون الخلية ثلاثية المحاور شفافة للاشعه السينية. النظر إلى متطلبات الشفافية ، يمكن استخدام الأكريليك والبولي لافتعال الخلية ثلاثية المحاور.
  6. اجراء اختبار مع نفس الضغط الحصر ، وسرعه التحميل وخصائص العينة (اي المواد ، وحجم العينة والمساميه الاولي) خارج الاشعه السينية CT الماسح الضوئي للتخطيط عند إيقاف التحميل للمسح المقطعي المحوسب.

2. اجراء اختبار ضغط ثلاثي المحاور في الموقع

  1. وضع معدات التحميل ثلاثي المحاور ومواد الاختبار في الموقع.
    ملاحظه: يتم وضع جهاز التحميل وحصر الضغط التي تقدم الاجهزه (انظر جدول المواد) في غرفه المسح المقطعي الاشعه السينية ، في حين ان الحصول علي البيانات والسيطرة علي الاجهزه تقع خارج. ثم يتم تشغيل التحميل ثلاثي المحاور والمسح المقطعي المحوسب للعينه خارج غرفه المسح الضوئي.
  2. إصلاح مرحله رفع علي متن جهاز الاشعه السينية الصغرى CT (الشكل 1ب). إصلاح مرحله أماله علي مرحله رفع ومرحله التناوب علي مرحله أماله ، علي التوالي (الشكل 1ب).
    ملاحظه: يجب ان يكون مرحله رفع وأماله المرحلة قدره التحميل كافيه لنقل المعدات ذات الصلة وضعت عليها.
  3. اضبط موضع واتجاه مرحله الاستدارة عبر مرحله الاماله بحيث يمر اي أشعه سينية واحده عبر نفس النقاط داخل العينة عندما يتم تدويرها عبر 180 درجه حول محور مرحله التدوير.
    ملاحظه: الخطوات 2.2 إلى 2.3 قابله للتطبيق علي جهاز CT الاشعه السينية الصغرى في مركز الإشعاع شنغهاي Synchrotron (SSRF). بالنسبة للاجهزه المقطعية الدقيقة للاشعه السينية المستخدمة خصيصا للاختبار ثلاثي المحاور في الموقع ، يمكن حذف هذه الخطوات بعد التحديد الدقيق للموقع وتثبيت مرحله التدوير.
  4. اعداد عينه التربة علي متن السفينة وفقا للإجراءات التالية.
    1. أضافه كميه صغيره من الشحوم سيليكون حول السطح الجانبي من الطرف العلوي من لوحه قاعده ووضع حجر مساميه علي سطحه العلوي. وضع غشاء حول السطح الجانبي للنهاية العليا (الشكل 2ا).
    2. أضافه كميه صغيره من الشحوم سيليكون علي أسطح الاتصال بين جزاين من صانع عينه وقفل عليه. وضع صانع عينه علي لوحه قاعده والسماح لغشاء لتمرير من خلال ذلك (الشكل 2ب).
    3. إنشاء شفط (علي سبيل المثال ، 25 كيلو باسكال) داخل صانع عينه من خلال فوهه لها باستخدام مضخة فراغ. إصلاح الغشاء إلى السطح الجانبي من نهايته العليا. تاكد من إرفاق الغشاء بالسطح الداخلي لصانع العينة (الشكل 2ج).
    4. إسقاط المواد الحبيبية اختبار من ارتفاع معين في صانع عينه باستخدام قمع حتى يتم ملؤها تماما. وينبغي ان يكون السطح العلوي لعينه التربة هو نفس مستوي الحافة العليا لصانع العينة (الشكل 2د).
    5. وضع حجر مساميه آخر علي راس عينه التربة ، ولوحه وساده الفولاذ المقاوم للصدا علي راس الحجر مساميه. تطبيق بعض الشحوم سيليكون حول السطح الجانبي للوحه وساده. أزاله الجانب العلوي من الغشاء من صانع عينه وإصلاحه إلى لوحه وساده (الشكل 2ه).
    6. أزاله شفط داخل فوهه صانع عينه وخلق شفط داخل صمام علي لوحه قاعده. وأخيرا ، قم بازاله صانع العينة. ويتم إنتاج عينه جافه مصغره ، كما يتبين من الشكل 2واو.
      ملاحظه: توضح هذه الخطوة الاجراء الخاص بإنتاج عينه تربه مصغره باستخدام أسلوب pluviation الهواء. ويمكن أيضا استخدام طريقه الضغط الجاف التقليدية لإنتاج العينة.
  5. إصلاح الخلية حصر علي لوحه قاعده وإصلاح لوحه اعلي الغرفة في الأعلى من الخلية حصر (الشكل 1ج).
  6. إصلاح رمح المكبس من الخلية علي لوحه اعلي الغرفة (الشكل 1C).
  7. ضع اللوحة الاساسيه مع الخلية التي تم حصرها واللوحة العلوية للغرفة في مرحله التدوير. ويستخدم اطار لضبط ارتفاع العينة للمسح المقطعي المحوسب (الشكل 1ب).
    ملاحظه: يتم استخدام هذا الإطار نظرا لنطاق حركه محدوده من مرحله رفع في SSRF. ليست هناك حاجه لاستخدام الإطار إذا تم استخدام مرحله رفع مع نطاق حركه كبيره.
  8. افيكس بقية جهاز التحميل علي لوحه اعلي الغرفة.
  9. تثبيت المحولات التفاضلية المتغيرة الخطية (LVDT) ، خليه التحميل والمحرك يخطو وتفعيلها (الشكل 1ج).
  10. ملء الخلية مع أزاله المياه من خلال صمام ضغط الخلية (CP) (انظر الشكل 1ج) باستخدام المياه الموردة من جهاز عرض الضغط الحصر (انظر جدول المواد). إغلاق صمام الخروج (WE) المياه (انظر الشكل 1ج) عندما يبدا الماء في التدفق من الصمام.
    ملاحظه: اضبط الضغط الذي يوفره الجهاز علي وضع الضغط المستمر مع قيمه ضغط ثابت منخفضه جدا (علي سبيل المثال ، 10 كيلو باسكال).
  11. أضافه ضغط ثابت الحصر من 25 كيلو باسكال إلى العينة وأزاله الشفط داخل العينة.
  12. زيادة تدريجيا الضغط الحصر إلى قيمه محدده مسبقا باستخدام الجهاز الضغط الحصر العرض.
  13. اجراء المسح الضوئي الأول من العينة. بالنسبة لماسح الاشعه المقطعية عالي المساحة (مثلا ، بحجم البكسل 6.5 ميكرومتر) ، فان الفحص الكامل للعينه (علي سبيل المثال ، بارتفاع 16 مم) يتطلب عاده مسح العينة علي عده ارتفاعات مختلفه (اي ان المسح ينقسم إلى عده أقسام).
    ملاحظه: إذا تم استخدام كاشف دقه مكانيه منخفضه وعينه صغيره الحجم ، قد تكون منطقه المسح كافيه للحصول علي فحص حقل كامل من العينة باستخدام مقطع واحد.
    1. مسح مقطع من العينة. تعيين الماسح الضوئي CT إلى وضع التقاط الصورة ومن ثم بدء مرحله الدوران لتدوير الجهاز بأكمله عبر 180 درجه في معدل دوران ثابت محدد مسبقا (علي سبيل المثال ، 3.33 درجه/ثانيه) للتقاط إسقاطات CT للعينه في زوايا مختلفه.
      ملاحظه: ويقترح ان يتم مسح العينة من أسفل إلى اعلي (اي ، القسم الأول يحتوي علي جميع الجزيئات الموجودة في الجزء السفلي من العينة).
    2. قم بإيقاف تشغيل وضع التقاط الصورة عند انتهاء الاستدارة. تدوير الجهاز مره أخرى إلى الموقف الاولي.
    3. رفع العينة مع الجهاز بأكمله حتى باستخدام مرحله رفع (الشكل 1ب) بارتفاع معين (علي سبيل المثال ، 4 مم) لمسح المقطع التالي من العينة.
      ملاحظه: ينبغي ان يضمن الرفع وجود تداخل بين القسم الحالي والقسم الأخير (اي ان هناك تداخلا بين المقطعين المتتاليين). يجب ان يكون التداخل 10 بكسل علي الأقل لتسهيل خياطه منها.
    4. كرر الخطوات 2.13.1-2.13.3 حتى يتم مسح المقطع الأخير من العينة.
  14. تطبيق تحميل محوري علي العينة مع معدل تحميل ثابت. هنا ، يتم استخدام معدل تحميل 0.2 ٪/دقيقه في هذه الدراسة. يمكن للمستخدمين تعيين معدل تحميل مختلف وفقا لمتطلبات التجربة.
  15. وقفه التحميل المحوري في سلاله محوريه محدده مسبقا. انتظر حتى تصل القوه المحورية المقاسه إلى قيمه ثابته (عموما في غضون 2 دقيقه) وتنفيذ الفحص التالي. إجراءات المسح الضوئي هي نفسها كما هو موضح في الخطوة 2.13.
  16. كرر الخطوات 2.14 و 2.15 حتى نهاية التحميل.
  17. تفريغ الاختبار وأزاله العينة من جهاز triaxial.
  18. قم بتركيب اللوحة الاساسيه والخلية التي تم حصرها في مرحله الدوران للحصول علي عده إسقاطات مسطحه (عموما 10 إسقاطات) من الكاشف. اغلق مصدر الاشعه السينية للحصول علي نفس العدد من الإسقاطات المظلمة من الكاشف.
    ملاحظه: يتم استخدام الإسقاطات المسطحة والداكنة لاستعاده المرحلة من إسقاطات CT الخام. ويعزز تنفيذ التصحيح المسطح والغامق التباين بين العينة والخلفية المحيطة بها في الشرائح المقطعية المعاد بناؤها. كما انه يساعد علي تخفيف القطع الاثريه الحلقة الناتجة عن بكسل معيبه للكشف.

3-معالجه الصور وتحليلها

  1. معالجه الصور
    1. تنفيذ استرجاع المرحلة (الشكل 3ب) من إسقاطات CT الخام (الشكل 3ا) من العينة باستخدام البرمجيات الحرة pitre34. إسقاطات التحميل (بما في ذلك الإسقاطات المسطحة والداكنة) في PITRE من القائمة تحميل الصورة. انقر فوق الرمز Ppci. ادخل معلمات المسح الضوئي ذات الصلة وانقر فوق Single لتنفيذ استرداد المرحلة.
      ملاحظه: يوفر تنفيذ استرجاع المرحلة تعزيز الوصلات البينية بين المراحل المختلفة (اي مرحله الفراغ والمرحلة الصلبة) في الشرائح المقطعية المعاد بناؤها ، والتي تكتسي اهميه كبيره بالنسبة للتحليل اللاحق المستند إلى الصور اتصالات بين الجسيمات.
    2. أعاده بناء شرائح CT من العينة باستخدام PITRE استنادا إلى إسقاطات الاشعه المقطعية بعد استرجاع المرحلة (الشكل 3ج). تحميل الإسقاطات في PITRE من القائمة تحميل الصورة. انقر فوق الرمز بروجسينو. ادخل المعلمات ذات الصلة في نافذه ظهرت وانقر فوق واحد لأعاده بناء شريحة CT.
      ملاحظه: تحقق من الشرائح الافقيه للتاكد من عدم وجود شعاع ثقيل تصلب التحف أو التحف الدائرية. والا فان تغيير معلمات المسح الضوئي الحالية وأعاده تفحص العينة مطلوبه. تحقق من الشرائح العمودية. إذا كانت العينة مائله بشده قبل القص ، يعتبر الاختبار غير ناجح.
    3. تنفيذ تصفيه الصور علي شرائح CT. يستخدم فلتر نشر متباين الخواص لاجراء تصفيه الصور (الشكل 3د).
    4. قم باجراء عمليه التقطير بالصور علي الشرائح المقطعية المصفاة. تنفيذ الصورة التقطير (الشكل 3ه) عن طريق تطبيق عتبه قيمه الكثافة إلى شرائح ct ، والذي يتحدد وفقا لكثافة الرسم البياني للشرائح ct باستخدام أسلوب اوتسو35.
      ملاحظه: بالنسبة لشرائح CT مع الرسم البياني كثافة رمادية النطاق التي تظهر تداخل كبير من الكثافة بين المرحلة الصلبة ومرحله الفراغ ، والتحقق من صحة صوره التقطير مطلوب باستخدام كتله المرحلة الصلبة36.
    5. افصل الجزيئات الفردية من الشرائح المقطعية المحوسبة باستخدام خوارزميه مستجمعات المياه القائمة علي العلامات وخزن النتائج في صوره مسماه ثلاثية الابعاد (الشكل 3و). التحقق من صحة النتائج عن طريق مقارنه توزيع حجم الجسيمات المحسوبة من الصورة CT إلى تلك من اختبار الغربلة الميكانيكية.
      ملاحظه: الوحدة النمطية كائنات منفصلة من البرنامج Avizo النار يمكن استخدامها لتنفيذ هذه الخوارزميه. أزاله الحجارة مساميه من شرائح CT بيناريزيد باستخدام وحده الحدود قتل افيزو النار. للحصول علي نتائج فصل الجسيمات يمكن الاعتماد عليها ، ويقترح القراء لمحاولة مختلفه الجسيمات تجزئه خوارزميات37،38،39.
  2. تحليل الصور
    1. استخراج خصائص الجسيمات من الصورة المسمية. ويستخدم البرنامج النصي matlab لاستخراج خصائص الجسيمات بما في ذلك حجم الجسيمات, منطقه سطح الجسيمات, اتجاه الجسيمات وإحداثيات الجسيمات متمركز.
      ملاحظه: يتم استخدام وظائف MATLAB المضمنة الاقليميه، bwprim و pca للحصول علي هذه الخصائص لكل الجسيمات. ويمكن الاطلاع علي وصف أكثر تفصيلا لهذه الإجراءات في عمل تشنغ وانغ28.
    2. استخراج voxels الاتصال من الشرائح CT بواسطة تنفيذ عمليه منطقيه وبين الصورة الثنائية من شرائح ct (الشكل 4) وصوره ثنائيه من خطوط مستجمعات المياه المكتسبة من تنفيذ القائم علي علامة خوارزميه مستجمعات المياه31.
      ملاحظه: يمكن ان يحدث الإفراط في الكشف عن voxels الاتصال بسبب تاثير الصوت الجزئي والضوضاء العشوائية من الصور المقطعية40،41. ومع ذلك ، فان الكشف المفرط الطفيف للاتصالات بين الجسيمات لن يكون له اثار كبيره علي الاتجاه العام للسلوك الاتصال بين الجسيمات42.

4. CT القائم علي الصورة التنقيب عن السلوك الميكانيكي علي نطاق الحبوب من التربة

ملاحظه: لا ينطبق التحليل التالي المستند إلى الصورة علي الجزيئات الكروية المثالية أو العينات ذات نطاقات التقدير الضيقة جدا (اي عينات أحاديه التشتت). ومع ذلك ، بالنسبة للجسيمات ذات الاستدارة العالية والدرجات الضعيفة (علي سبيل المثال ، 0.3 ~ 0.6 مم الخرز الزجاجي) ، والمنهجية تعطي نتائج جيده (انظر تشنغ وانغ31).

  1. قياس الجسيمات الجزيئية للعينه. استخدام طريقه تتبع الجسيمات لتتبع الجزيئات الفردية داخل العينة في الفحص المختلفة استنادا إلى حجم الجسيمات أو منطقه سطح الجسيمات. ويرد وصف مفصل لهذه الطريقة في تشنغ وانغ28.
    1. حساب ترجمه كل الجسيمات خلال اي اثنين من المسح المتتالية. ويحسب الفرق في إحداثيات الجسيمات المركزية بين عمليتي المسح.
    2. تحديد زاوية دوران كل الجسيمات وفقا للفرق في توجات محورها الرئيسي الرئيسي بين عمليتي المسح.
  2. قياس حقل السلالة من العينة. استخدم طريقه قائمه علي الشبكة لحساب حقل السلالة خلال اي عمليتي مسح متتاليتين استنادا إلى ترجمه الجسيمات ودوران الجسيمات.
    ملاحظه: يتطلب الأسلوب الصور المسمية من العينة من كل من المسح الضوئي ونتائج الجسيمات. يشار إلى القراء بالعمل السابق24 للحصول علي وصف مفصل.
  3. تحليل تطور الاتصال بين الجسيمات من العينة. بناء علي voxels الاتصال المستخرجة ، والصور المسمية من الجزيئات ونتائج تتبع الجسيمات ، وتحليل الاتجاه ناقلات فرع من الاتصالات المفقودة والاتصالات المكتسبة داخل العينة خلال كل زيادة القص.
    ملاحظه: يتم إعطاء وصف كامل لهذه الطريقة في تشنغ وانغ31.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويصور الشكل 5 نتائج الجسيمات الجزيئية لعينه من الرمل لايتون بونار (رطل) في شريحة ثنائيه الابعاد خلال فترتين من زيادات القص النموذجية ، الأول والثاني. ويتم تعقب معظم الجزيئات بنجاح ويتم تحديد حجم ترجماتها وتناوبها بعد البروتوكول المذكور أعلاه. واثناء الزيادة الاولي في القص ، لا تظهر عمليات أزاحه الجسيمات ولا تناوب الجسيمات تعريبا واضحا. ومع ذلك ، يتم تطوير النطاق الموضعي في كل من خريطة أزاحه الجسيمات وخريطة دوران الجسيمات اثناء زيادة القص الثانية. ويبين الشكل 6 خ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد مكنت تقنيات الاستبانة العالية المكانية للاشعه السينية الدقيقة والمعالجة المتقدمة للصور وتحليلها من اجراء التحقيق التجريبي في السلوك الميكانيكي للتربة الحبيبية تحت القص علي مستويات متعددة النطاقات (اي علي النطاق الكلي والمتوسط مستويات حجم الحبوب). ومع ذلك ، فان التحقيقات التي تستند إلى صور الاشعه المقطعية المتوسطة والحبوب تتطلب اقتناء صور مقطعيه عاليه الاستبانة لعينات التربة اثناء التحميل. ولعل الجانب الأكثر تحديا في هذه العملية هو تلفيق جهاز التحميل ثلاثي المحاور المصغرة التي يمكن استخدامها بالاقتران مع جهاز CT الاشع...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد حظيت هذه الدراسة بدعم صندوق البحوث العامة رقم CityU 11213517 من مجلس منح البحوث في منطقه هونغ كونغ الاداريه الخاصة ، ومنحه البحوث رقم 51779213 من المؤسسة الوطنية للعلوم في الصين ، وBL13W beamline من مرفق الإشعاع شنغهاي Synchrotron (S.SF).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
جهاز عرض الضغطالحصر GDSSTDDPC
المياه غير الهوائيةN / AN /A المياه غير الهوائية في المختبر
لايتون الصقر الرملالعشب الاصطناعي كامبريدجالرمل الصناعي المصفى 25 كجميمكن استبداله بتربة مختلفة
جهاز تحميل ثلاثي المحاور مصغرN / AN / Aالتحميل المصغر مصنوع خصيصا من قبل المؤلفون
شحم السيليكونRS شركةRS 494-124
إعداد الأشعة السينية الإشعاعيةمرفق الإشعاع السنكروترون شنغهاي (SSRF)13W1الاختبار ثلاثي المحاور في خط شعاع BL13W لمضخة التفريغ SSRF
شركة هونغ كونغ Labware Co.، ltd.الروك 300
جهاز السنكروترون مركز يتم إجراء

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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, July-September 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. , University of Edinburgh. PhD Thesis (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. , City University of Hong Kong. PhD Thesis (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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Synchrotron X Ray Micro TomographyGranular SoilsParticle KinematicsStrain LocalizationInter Particle Contact EvolutionTriaxial CompressionMiniature Loading ApparatusCT Image ReconstructionParticle TrackingContact Foxholes

Related Articles