Name: Visualisierung von Versagen und dem damit verbundenen mechanischen Verhalten von granularen Böden unter Scherung mit Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Lernen Sie die Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie zur Analyse des mechanischen Verhaltens granularer Böden unter Scherung kennen. Diese Methode liefert detaillierte Einblicke in Partikelverformungen auf Mikroskala.

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Diese Studie wurde vom Allgemeinen Forschungsfonds Nr. CityU 11213517 vom Research Grant Council der Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 von der National Science Foundation of China und der BL13W Beamline der Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

Die Autoren haben nichts zu verraten.

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...

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 intensiv untersucht wurden, hat das mechanische Verhalten im Kornmaßstab (z. B. Partikelkinematik, Kontaktinteraktion und Dehnungslokalisierung), das diese Eigenschaften regelt, viel weniger Aufmerksamkeit von Ingenieure und Forscher. Ein Grund dafür ist der Mangel an effektiven experimentellen Methoden, um das mechanische Verhalten von Böden im Kornmaßstab zu erforschen.
Bisher stammt der größte Teil des Verständnisses des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden aus der diskreten Elementmodellierung1 (DEM), da es in der Lage ist, Partikel-Skala-Informationen zu extrahieren (z. B. Partikelkinematik und Partikelkontakt). Kräfte). In früheren Studien über die Verwendung von DEM-Techniken zur Modellierung granularer Bodenmechanikwurdedes wurde jedes einzelne Teilchen einfach durch einen einzelnen Kreis oder eine Kugel im Modell dargestellt. Die Verwendung solcher übervereinfachten Partikelformen hat zur Überrotation von Partikeln und damit zu einem niedrigeren Spitzenfestigkeitsverhalten2geführt. Um eine bessere Modellierungsleistung zu erreichen, haben viele Forscher ein Rollwiderstandsmodell3,4,5,6 oder unregelmäßige Partikelformen7,8, 9,10,11,12 in ihren DEM-Simulationen. Dadurch wurde ein realistischeres Verständnis des kinematischen Verhaltens von Partikeln gewonnen. Neben der Teilchenkinematik wird DEM zunehmend zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Kornkontaktunden und zur Entwicklung theoretischer Modelle eingesetzt. Aufgrund der Anforderung, reale Partikelformen zu reproduzieren, und der Verwendung anspruchsvoller Kontaktmodelle erfordert DEM jedoch eine extrem hohe Rechenfähigkeit bei der Modellierung von körnigen Böden mit unregelmäßigen Formen.
In jüngster Zeit hat die Entwicklung optischer Geräte und bildgebender Verfahren (z. B. Mikroskop, lasergestützte Tomographie, Röntgen-Computertomographie (CT) und Röntgenmikrotomographie (CT)) viele Möglichkeiten für eine experimentelle Untersuchung der mechanisches Verhalten von körnigen Böden. Durch die Erfassung und Analyse von Bodenprobenbildern vor und nach triaxialen Tests wurden solche Geräte und Techniken bei der Untersuchung von Bodenmikrostrukturen13,14,15,16 eingesetzt. ,17,18,19. In jüngerer Zeit wurden in situ-Tests mit Röntgen-CT oder -CT zunehmend verwendet, um die Entwicklung des Hohlraumverhältnisses20, Dehnungsverteilung21,22,23,24, Teilchenbewegung25,26,27,28, Interteilchenkontakt29,30,31 und Partikelzerkleinerung32 von körnigen Böden. Hier impliziert "in situ" Röntgenscans, die gleichzeitig mit dem Laden durchgeführt werden. Im Gegensatz zum allgemeinen Röntgenscannen erfordern In-situ-Röntgentests ein speziell gefertigtes Ladegerät, um Bodenproben zu belasten. Durch den kombinierten Einsatz des Ladegeräts und der Röntgen-CT- oder CT-Vorrichtung können CT-Bilder der Proben in verschiedenen Belastungsstufen der Prüfungen zerstörungsfrei erfasst werden. Anhand dieser CT-Bilder können Partikel-Skala-Beobachtungen des körnigen Bodenverhaltens erfasst werden. Diese CT-bildbasierten Beobachtungen auf Teilchenebene sind äußerst hilfreich, um numerische Befunde zu verifizieren und neue Erkenntnisse über das mechanische Verhalten von körnigen Böden zu gewinnen.
Dieser Artikel zielt darauf ab, die Details darüber zu teilen, wie ein Röntgen-in-situ-Scantest einer Bodenprobe durchgeführt werden kann, mit einem beispielhaften Experiment, das Partikelkinematik, Dehnungslokalisierung und Interteilchenkontaktentwicklung innerhalb einer Bodenprobe beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass Röntgen-In-situ-Scanning-Tests ein großes Potenzial haben, das Kornverhalten von körnigen Böden zu untersuchen. Das Protokoll umfasst die Wahl der Röntgen-CT-Vorrichtung und die Herstellung einer Miniatur-Triaxial-Ladevorrichtung, und es werden detaillierte Verfahren zur Durchführung der Prüfung bereitgestellt. Darüber hinaus sind die technischen Schritte zur Verwendung von Bildverarbeitung und -analyse zur Quantifizierung der Partikelkinematik (d. h. Partikeltranslation und Partikelrotation), dehnungslokalisierung und interteilchengebundener Kontaktentwicklung (d. h. Kontaktverstärkung, Kontaktverlust und Kontaktbewegung) des Bodens beschrieben.

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

visualisierung von versagen und dem damit verbundenen mechanischen verhalten von granularen böden unter scherung mit synchrotron-röntgen-mikrotomographie

Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography

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.

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...

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.

Visualisierung von Versagen und dem damit verbundenen mechanischen Verhalten von granularen Böden unter Scherung mit Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils ...

Dieses Protokoll ermöglicht es, Partikelmaßstabsdaten von körnigen Böden mittels Röntgenmikrotomographie zu erfassen und ein Verständnis der Mikroskalenprozesse und -mechanismen zu entwickeln, die dem mikroskopischen Verhalten von körnigen Materialien zugrunde liegen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen vollständigen Zugriff auf die Partikelskalainformationen von körnigen Böden bietet, einschließlich Partikelmorphologie, Mikrostruktur, Bruch, Verschiebung und Rotation innerhalb der Verformung von körnigen Materialien. Dieses Verfahren kann auch bei der Untersuchung anderer Arten von natürlichen oder synthetischen Steinmaterialien wie Gestein, Bodengesteinsgemisch, Beton, Keramik, Asphalt und sogar Polymerverbundwerkstoffen angewendet werden.Beginnen Sie mit dem Entwurf des Experiments, wie im Textprotokoll beschrieben. Bestimmen Sie das Testmaterial, die Partikelgröße, die Probengröße und die anfängliche Porosität der Probe. Um eine Bodenprobe auf der Platte vorzubereiten, fügen Sie zunächst eine kleine Menge Silikonfett um die seitliche Oberfläche des oberen Endes der Grundplatte hinzu.Dann legen Sie einen porösen Stein auf seine obere Oberfläche. Legen Sie eine Membran um die seitliche Oberfläche des oberen Endes. Fügen Sie eine kleine Menge Silikonfett auf die Kontaktflächen zwischen den beiden Teilen des Probenherstellers hinzu und legen Sie den Probenmacher auf die Grundplatte, damit die Membran durch die Membran hindurchgeht.Sperren Sie den Beispiel-Maker. Erzeugen Sie die Saugkraft im Inneren des Probenherstellers durch seine Düse mit einer Vakuumpumpe. Befestigen Sie die Membran an der seitlichen Oberfläche ihres oberen Endes.Stellen Sie sicher, dass die Membran an der Innenfläche des Probenherstellers befestigt ist. Lassen Sie das körnige Testmaterial aus einer bestimmten Höhe mit einem Trichter in den Probenhersteller, bis es vollständig gefüllt ist. Die obere Oberfläche der Bodenprobe sollte die gleiche Ebene wie die obere Kante des Probenherstellers haben.Legen Sie einen weiteren porösen Stein auf die Bodenprobe. Tragen Sie etwas Silikonfett um die Seitenoberfläche einer Edelstahl-Kissenplatte auf und legen Sie es auf den porösen Stein. Entfernen Sie die Oberseite der Membran vom Probenhersteller und fixieren Sie sie an der Kissenplatte.Entfernen Sie die Absaugung innerhalb der Probenmacherdüse und erzeugen Sie eine Absaugung innerhalb des Ventils auf der Grundplatte. Entfernen Sie schließlich den Probenhersteller. Es wird eine Miniatur-Trockenprobe hergestellt.Fixieren Sie nun die Einbauzelle auf der Grundplatte und fixieren Sie die Kammerplatte auf der Oberseite der Beauffestzelle. Befestigen Sie den Rest des Ladegeräts auf der Kammerplatte. Fügen Sie der Probe einen konstanten Eindringdruck von 25 Kilopascal hinzu und entfernen Sie die Absaugung innerhalb der Probe.Erhöhen Sie den Konfinzierungsdruck mit dem Konfinzierungsdruck-Angebotsgerät schrittweise auf einen vorgegebenen Wert. Um einen Abschnitt des Beispiels zu scannen, legen Sie die Computertomographie oder den CT-Scanner auf den Bildaufnahmemodus fest. Starten Sie dann die Rotationsstufe, um das gesamte Gerät mit einer vorgegebenen konstanten Rotationsrate über 180 Grad zu drehen, um CT-Projektionen der Probe in verschiedenen Winkeln zu erfassen.Bei einem CT-Scanner mit hoher räumlicher Auflösung erfordert ein vollständiger Scan der Probe in der Regel, dass die Probe in mehreren verschiedenen Höhen gescannt wird. Tragen Sie eine axiale Belastung auf die Probe mit einer konstanten Beladungsrate auf. Hier wird eine Laderate von 0,2 Prozent pro Minute verwendet.Benutzer können je nach Versuchsanforderung eine andere Laderate festlegen. Anhalten Sie die axiale Belastung bei einer vorgegebenen axialen Dehnung. Warten Sie, bis die gemessene Axialkraft einen stetigen Wert erreicht, und führen Sie den nächsten Scan durch.Wiederholen Sie diese Schritte bis zum Ende des Ladevorgangs. Wir konstruieren CT-Slices der Probe auf Basis der CT-Projektionen nach dem Phasenabruf mit der PITRE-Software. Laden Sie die Projektionen aus dem Menüladebild in PITRE.Klicken Sie auf das Symbolprojektionssinogramm. Geben Sie relevante Parameter in das angezeigte Fenster ein, und klicken Sie auf Single, um ein CT-Slice zu rekonstruieren. Implementieren Sie die Bildfilterung für die CT-Slices.Ein anisotroper Diffusionsfilter wird verwendet, um Bildfilterung durchzuführen. Führen Sie nun die Bildbinarisierung für die gefilterten CT-Slices durch. Implementieren Sie dazu die Bildbinarisierung, indem Sie einen Intensitätswertschwellenwert auf die CT-Slices anwenden.Dieser Wert wird anhand des Intensitätshistogramms der CT-Slices nach der Otsu-Methode bestimmt. Trennen Sie einzelne Partikel von den binarisierten CT-Slices mit einem markerbasierten Wassereinzugsgebietsalgorithmus und speichern Sie die Ergebnisse in einem 3D-beschrifteten Bild. Überprüfen Sie die Ergebnisse, indem Sie die berechnete Partikelgrößenverteilung aus dem CT-Bild mit denen eines mechanischen Siebtests vergleichen.Ein Matlab-Skript wird verwendet, um Partikeleigenschaften zu extrahieren, einschließlich Partikelvolumen, Partikeloberfläche, Partikelausrichtung und Partikelzentroidkoordinaten. Intrinsische Matlabfunktionen werden verwendet, um diese Eigenschaften für jedes Partikel zu erfassen. Extrahieren Sie Kontaktfuchslöcher aus den binarisierten CT-Slices durch Implementierung einer logischen und Operation zwischen dem binären Bild der CT-Slices und dem binären Bild von Wasserscheidenlinien, die aus der Implementierung des markerbasierten Wasserscheidealgorithmus gewonnen wurden.Um das Dehnungsfeld der Probe zu quantifizieren, verwenden Sie eine gitterbasierte Methode, um das Dehnungsfeld bei zwei aufeinanderfolgenden Scans basierend auf der Partikelübersetzung und partikelrotation zu berechnen. Analysieren Sie die Entwicklung des Kontakts zwischen Partikeln der Probe. Basierend auf den extrahierten Kontaktfuchslöchern, den beschrifteten Partikelbildern und den Partikelverfolgungsergebnissen analysieren Sie die Verzweigungsvektorausrichtung der verlorenen Kontakte und die gewonnenen Kontakte innerhalb der Probe während jedes Share-Schritts.Die Spannungs-Dehnungskurve und eine 2D-Scheibe einer Leighton Buzzard Sandprobe unter triaxialer Kompression werden gezeigt. Hier werden Partikelkinematik-Ergebnisse an der 2D-Scheibe während des Tests angezeigt. Die meisten Teilchen werden erfolgreich nachverfolgt und ihre Übersetzungen und Rotationen quantifiziert.Sowohl in der Partikelverschiebungskarte als auch in der Partikelrotationskarte wird am Ende des Tests ein lokalisiertes Band entwickelt. Hier ist die normalisierte Orientierungshäufigkeit von Verzweigungsvektoren gewonnener Kontakte und verlorener Kontakte in der Probe während des Tests zu sehen. Die verlorenen Kontakte weisen während des Tests eine klare Richtungspräferenz gegenüber der nebenbei verlaufenden Hauptspannungsrichtung auf.Die Kalibrierung der Rotationsachse, wie im Textprotokoll beschrieben, ist wichtig, da die erfolgreiche Rekonstruktion des CT-Slices nicht nur auf der entsprechenden Positionierung der Rotationsstufe beruht. Um ionisierte Strahlung auf menschliche Körper aus der Röntgenquelle zu vermeiden, muss man sicherstellen, dass alle Türen und Fenster des Scanraums vor jedem Scan ordnungsgemäß geschlossen sind. Nach einem ähnlichen Verfahren können Institutstests mit Röntgenbeugung oder Streuung durchgeführt werden.Dies bietet ein Werkzeug zur Messung der Interteilchen-Kontaktkräfte und deren Ausbreitung innerhalb der bildenden körnigen Materialien. Die erworbenen experimentellen Daten können für die Entwicklung fortschrittlicher konstitutiver Sandmodelle unter Berücksichtigung ihrer mechanischen Verhaltensweisen im Kornmaßstab und für die numerische Modellierung von Sanden unter Belastung verwendet werden.

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Research

Forschung

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Engineering

Ingenieurwesen

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