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

本方案利用X射线显微断层扫描技术获取颗粒土的颗粒尺度数据，并建立对颗粒材料微观行为背后微观过程与机制的理解。该技术的主要优势在于能够全面获取颗粒土的颗粒尺度信息，包括颗粒形态、微观结构、破碎、位移和旋转等，这些信息均在颗粒材料变形过程中获得。该方法还可应用于其他类型的基于石质的天然或合成材料的研究，如岩石、土石混合物、混凝土、陶瓷、沥青甚至聚合物复合材料。

按照文本方案中所述，应提前充分设计实验。确定测试材料、颗粒尺寸、样品量以及样品的初始孔隙率。在板上制备土壤样品时，首先在底板顶端侧面周围涂抹少量硅脂。

然后将一块多孔石放置在其上表面。在顶部的侧面包上一层膜。在样品制备器两部分之间的接触面上涂抹少量硅脂，并将样品制备器放在底板上，使膜能够穿过底板。

锁定样品制备器。通过其喷嘴使用真空泵在样品制备器内部产生负压。将膜固定在其上端的侧表面。

确保滤膜紧贴在取样器的内表面。使用漏斗将待测颗粒材料从一定高度倒入取样器中，直至完全填满。土样上表面应与取样器上边缘齐平。

在土壤样品上方放置另一块多孔石。在不锈钢缓冲板的侧面涂抹适量硅脂，然后将其放置在多孔石上方。取下样品制备器膜片的上端，固定到缓冲板上。

移除样品制备器喷嘴内的吸力，并在底板的阀门内部产生吸力。最后，取下样品制备器，即可获得一个微型干燥样品。

现在，将围压室固定在底板上，并将腔室顶板固定在围压室顶部。将加载装置的其余部分安装在腔室顶板上。对样品施加25千帕的恒定围压，并消除样品内部的负压。

使用围压施加装置将围压逐步增加至预设值。为扫描样品的某一截面，将计算机断层扫描仪（CT扫描仪）设置为图像采集模式。然后，启动旋转台，以预设的恒定转速使整个装置旋转180度，从而在不同角度下采集样品的CT投影图像。

对于高空间分辨率的CT扫描仪，对样品进行完整扫描通常需要在多个不同高度对样品进行扫描。以恒定的加载速率对样品施加轴向载荷。此处采用的加载速率为每分钟0.2%。

用户可根据实验需求设置不同的加载速率。在预设的轴向应变处暂停轴向加载，待测得的轴向力达到稳定值后，进行下一次扫描。

重复这些步骤直至加载结束。我们使用 PITRE 软件在完成相位恢复后，根据 CT 投影数据构建样品的 CT 切片。通过菜单中的“加载图像”选项将投影数据加载到 PITRE 中。

单击投影正弦图图标。在弹出的窗口中输入相关参数，然后单击“单张”以重建一个CT切片。对CT切片进行图像滤波处理。

使用各向异性扩散滤波器进行图像滤波。接下来，对滤波后的CT切片执行图像二值化处理。为此，通过在CT切片上应用强度值阈值来实现图像二值化。

该值根据CT切片的强度直方图，采用Otsu方法确定。利用基于标记的分水岭算法将二值化CT切片中的单个颗粒分离，并将结果存储为三维标记图像。通过将CT图像计算得到的粒径分布与机械筛分试验结果进行比较，以验证结果的准确性。

使用 MATLAB 脚本提取颗粒特性，包括颗粒体积、颗粒表面积、颗粒取向以及颗粒质心坐标。通过 MATLAB 内置函数获取每个颗粒的上述特性。通过将 CT 切片的二值图像与基于标记的分水岭算法所获得的分水岭线的二值图像进行逻辑与运算，从二值化的 CT 切片中提取接触凹坑。

为了量化样品的应变场，采用基于网格的方法，根据颗粒平移和颗粒旋转，计算任意两次连续扫描期间的应变场。分析样品中颗粒间接触的演化过程。基于提取的接触缺失区域、颗粒的标记图像以及颗粒追踪结果，分析在每次剪切增量过程中样品内丢失接触和新增接触的分支矢量取向。

展示了Leighton Buzzard砂样在三轴压缩下的应力-应变曲线以及一个二维切片。图中显示了测试过程中该二维切片内颗粒运动学结果。大多数颗粒被成功追踪，并对其平移和旋转进行了量化。

在试验结束时，颗粒位移图和颗粒旋转图中均出现局部化条带。此处显示的是试验过程中试样内新增接触和丢失接触的分支向量的归一化取向频率。丢失的接触在试验期间明显倾向于向最小主应力方向集中。

如文本方案中所述，校准旋转轴至关重要，因为CT切片的成功重建不仅依赖于旋转台的适当定位。为避免人体受到X射线源产生的电离辐射，每次扫描前必须确保扫描室的所有门和窗均已正确关闭。采用类似流程，还可开展X射线衍射或散射的机构检测。

该工具可用于测量颗粒间接触力及其在成形颗粒材料内部的传播。所获得的实验数据可用于建立考虑砂土颗粒尺度力学行为的先进本构模型，以及对受荷载作用下的砂土进行数值模拟。