利用同步辐射X射线显微断层扫描技术观察颗粒土在剪切作用下的破坏过程及相关颗粒尺度力学行为

摘要

本方案描述了在三轴压缩过程中获取颗粒土高空间分辨率计算机断层扫描（CT）图像的步骤，并介绍了对这些CT图像应用图像处理技术，以研究加载条件下土体颗粒尺度上的力学行为。

摘要

X射线成像技术结合图像处理与分析方法的快速发展，使得获取具有高空间分辨率的颗粒土CT图像成为可能。基于此类CT图像，可对颗粒尺度的力学行为进行定量研究，例如颗粒运动学（即颗粒平移与旋转）、应变局部化以及颗粒间接触的演化过程，而这些信息是传统实验方法无法获取的。本研究展示了利用同步辐射X射线显微断层扫描（μCT）技术探究颗粒土试样在三轴压缩条件下的颗粒尺度力学行为。该方法采用特制的微型加载装置，在三轴试验过程中对试样施加围压和轴向应力，并将该装置集成于同步辐射X射线断层扫描系统中，从而能够在不扰动试样的情况下，在试验的不同加载阶段连续获取试样的高空间分辨率CT图像。该方法兼具从宏观尺度（例如，由三轴装置获取的试样边界应力与应变）和颗粒尺度（例如，由CT图像提取的颗粒运动与接触相互作用）提取信息的能力，为研究颗粒土的多尺度力学行为提供了一种有效的技术途径。

引言

人们普遍认识到，颗粒土的宏观力学特性（如刚度、抗剪强度和渗透性）对许多岩土工程结构（例如基础、边坡和堆石坝）至关重要。多年来，现场试验和常规室内试验（如一维压缩试验、三轴压缩试验和渗透试验）一直被用于评估不同土体的这些特性。针对土体力学性能测试的规范和标准也已为工程目的而制定。尽管这些宏观力学特性已被广泛研究，但控制这些特性的颗粒尺度力学行为（如颗粒运动学、接触相互作用和应变局部化）却较少受到工程师和研究人员的关注。其中一个原因是缺乏有效的实验方法来探究土体的颗粒尺度力学行为。

迄今为止，由于离散元法（DEM）能够提取颗粒尺度的信息（例如颗粒运动学和颗粒接触力），人们对颗粒土颗粒尺度力学行为的大部分认识都来自于离散元模拟¹。在早期利用DEM技术模拟颗粒土力学行为的研究中，每个颗粒在模型中通常仅用一个圆形或球体表示。这种过度简化的颗粒形状导致颗粒发生过度旋转，从而表现出较低的峰值强度²。为了获得更优的模拟效果，许多研究者在其DEM模拟中采用了滚动阻力模型^3,4,5,6或不规则颗粒形状⁷

方案

1. 提前精心设计实验

1. 确定测试材料、颗粒粒径、样品尺寸和样品初始孔隙率。
   注：本研究以粒径为0.15~0.30 mm、样品尺寸为8 × 16 mm（直径 × 高度）的Leighton Buzzard砂为例，说明本研究的实验流程。其他砂类材料，如福建砂、休斯顿砂、渥太华砂和凯科斯鲕粒等，以及类似尺寸的样品也可使用。
2. 根据预设的颗粒粒径和样品尺寸，选择合适的探测器（图1A），以确定所需的空间分辨率和扫描区域。例如，本研究采用空间分辨率为6.5 μm的探测器，其有效扫描区域为2048 × 860像素（即13.3 × 5.6 mm）。
   注：在三轴压缩试验过程中，变形后的样品应始终保持在探测器的扫描区域内。应选用高空间分辨率的探测器，以确保单个颗粒包含足够的体素，便于准确提取颗粒特性。
3. 根据测试材料和样品尺寸，确定X射线源（图1A）所需的能量和曝光时间。通常，对于由更致密材料构成的较大样品，应使用更高的能量。本研究中砂样采用25 keV的X射线能量和0.05 s的曝光时间。
   注：可通过试错法利用样品的投影图像来确定所需的X射线能量和曝光时间。投影图像中最小灰度强度与最大灰度强度之比不应低于0.2；否则应采用更高的X射线能量或更长的曝光时间。
....

结果

图5展示了Leighton Buzzard砂（LBS）样品在两个典型剪切增量I和II期间，某一二维切片上的颗粒运动学结果。大多数颗粒被成功追踪，并根据上述方案量化了其平移和旋转。在第一个剪切增量期间，颗粒位移和颗粒旋转均未表现出明显的局部化现象。然而，在第二个剪切增量期间，颗粒位移图和颗粒旋转图中均出现了一个局部化带。图6显示了样品在两个剪切增量期间的八面体应变和体积应变图。在第二个剪切增量的应变图中可观察到一个清晰的局部化区域，表明该方法能够可视化三轴剪切条件下砂土的破坏过程。图7展示了在两个剪切增量期间，样品中新生成接触和丢失接触的分支向量归一化取向频率。在两个剪切增量期间，丢失的接触均明显倾向于朝向最小主应力方向（即水平方向）。

讨论

高空间分辨率X射线显微CT技术，结合先进的图像处理与分析方法，使得在多尺度水平（即宏观、介观和颗粒尺度）上实验研究颗粒状土壤在剪切作用下的力学行为成为可能。然而，基于CT图像的介观和颗粒尺度研究需要在加载过程中获取土壤样品的高空间分辨率CT图像。该过程中最具挑战性的环节或许是设计并制造一种微型三轴加载装置，使其能够与X射线显微CT设备联用。在设计时，除需考虑X射线显微CT设备的空间分辨率、扫描区域以及旋转台承载能力等限制因素外，还应综合考虑样品尺寸、所需施加的应力及加载速率等因素。

确定最佳X射线能量和曝光时间可能耗时较长，但对获取高质量的CT图像至关重要。建议用户在首次扫描时尝试不同的能量和曝光时间，并根据重建切片的质量来确定合适的能量和曝光时间。此外，在样品制备过程中，可通过将砂粒从不同高度落入样品模具中，制备出具有不同初始孔隙率的样品。然而，由于样品尺寸较小，相较于常规三轴试验，制备具有特定初始孔隙率的样品更为困难。为了在结合CT扫描的三轴试验中获得接近特定值的初始孔隙率样品，建议用户提前进行样品制备练习。

与传统的三轴.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
围压施加装置	GDS	STDDPC
脱气水	N/A	N/A	实验室中脱除气体的水
莱顿巴扎德砂	Artificial Grass Cambridge	Drained Industrial Sand 25 kg	可用不同类型的土壤替代
微型三轴加载装置	N/A	N/A	该微型加载装置由作者特别定制
硅脂	RS公司	RS 494-124
同步辐射X射线显微CT系统	上海同步辐射光源中心（SSRF）	13W1	三轴试验在SSRF的BL13W光束线上进行
真空泵	香港实验仪器有限公司	Rocker 300