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 int....

Protocol

1. Das Experiment rechtzeitig entwerfen

1. Bestimmen Sie das Prüfmaterial, die Partikelgröße, die Probengröße und die anfängliche Porosität der Probe.
   HINWEIS: Als Beispiel dient Leighton Buzzardsand mit einem Durchmesser von 0,15 x 0,30 mm und einer Probengröße von 8 x 16 mm (Durchmesser x Höhe), um das Protokoll dieser Studie zu demonstrieren. Andere Sande wie Fujian Sand, Houston Sand, Ottawa Sand und Caicos Ooids, etc. und ähnliche Probengrößen können auch verwendet werden.
2. Wählen Sie einen geeigneten Detektor (Abbildung 1A) entsprechend der erforderlichen räumlichen Auflösung und des Scanbereichs,....

Results

Abbildung 5 zeigt die Partikelkinematik-Ergebnisse einer Leighton Buzzard Sand (LBS)-Probe in einer 2D-Scheibe in zwei typischen Scherschritten, I und II. Die meisten Teilchen werden erfolgreich nachverfolgt und ihre Übersetzungen und Rotationen werden nach dem obigen Protokoll quantifiziert. Während des ersten Scherschritts zeigen weder Partikelverschiebungen noch Partikelrotationen eine klare Lokalisierung. Während des zweiten Scherschritts wird jedoch sowohl in der Partikelverschiebungska.......

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 miniaturtriaxialen.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Eingrenzungsdruckvorrichtung	GDS	STDDPC
Entlüftetes Wasser	N/A	N/A	Wasser im Labor entlüftetes Wasser
Leighton Buzzard Sand	Kunstrasen Cambridge	Entwässerter Industriesand 25 kg	Kann durch andere Böden ersetzt werden
Triaxiale Miniatur-Ladevorrichtung	N/A	N/A	Die Miniatur-Ladevorrichtung wird speziell von der Autoren
Silikonfett	RS Firma	RS 494-124
Synchrotronstrahlung Röntgen-Mikro-CT-Aufbau	Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)	13W1	Die triaxiale Prüfung wird an der BL13W-Strahllinie der SSRF-Vakuumpumpe
	Hong Kong Labware Co., Ltd. durchgeführt.	Wippe 300