Name: Visualización del fracaso y el comportamiento mecánico a escala de grano asociado de suelos granulares bajo cizallamiento mediante microtomografía de rayos X de sincrotrón (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Aprende a adquirir datos a escala de partícula en suelos granulares mediante microtomografía de rayos X y compresión triaxial. Este método revela la morfología, microestructura y mecanismos de deformación de materiales granulares.

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Este estudio fue apoyado por el Fondo General de Investigación No. CityU 11213517 del Consejo de Becas de Investigación de la RAE de Hong Kong, la Beca de Investigación No 51779213 de la Fundación Nacional de Ciencias de China, y la línea de haz BL13W del Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

Los autores no tienen nada que revelar.

La micro-TC de rayos X de alta resolución espacial y las técnicas avanzadas de procesamiento y análisis de imágenes han permitido la investigación experimental del comportamiento mecánico de suelos granulares bajo cizallamiento a niveles a varias escalas (es decir, a escala macro, mesoescala y niveles de escala de granos). Sin embargo, las investigaciones a escala de meso y grano basadas en imágenes de TC requieren la adquisición de imágenes de TC de alta resolución espacial de muestras de suelo durante la carga. El aspe...

Es ampliamente reconocido que las propiedades mecánicas macroescala del suelo granular, como la rigidez, la resistencia al cizallamiento y la permeabilidad, son fundamentales para muchas estructuras geotécnicas, por ejemplo, cimentaciones, pendientes y presas de relleno de rocas. Durante muchos años, se han utilizado pruebas in situ y pruebas de laboratorio convencionales (por ejemplo, pruebas de compresión unidimensionales, pruebas de compresión triaxial y pruebas de permeabilidad) para evaluar estas propiedades en diferentes suelos. También se han desarrollado códigos y normas para probar las propiedades mecánicas del suelo con fines de ingeniería. Si bien estas propiedades mecánicas a gran escala se han estudiado intensamente, el comportamiento mecánico a granel (por ejemplo, cinemática de partículas, interacción de contacto y localización de deformación unitaria) que rige estas propiedades ha atraído mucha menos atención de ingenieros e investigadores. Una razón es la falta de métodos experimentales eficaces disponibles para explorar el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos.
Hasta ahora, la mayor parte de la comprensión del comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares proviene del modelado de elementos discretos1 (DEM), debido a su capacidad para extraer información a escala de partículas (por ejemplo, cinemática de partículas y contacto con partículas fuerzas). En estudios anteriores sobre el uso de técnicas DEM para modelar comportamientos mecánicos granulares del suelo, cada partícula individual estaba representada simplemente por un solo círculo o esfera en el modelo. El uso de tales formas de partículas demasiado simplificadas ha llevado a la rotación excesiva de partículas y, por lo tanto, a un comportamiento de resistencia pico más baja2. Para lograr un mejor rendimiento de modelado, muchos investigadores han utilizado un modelo de resistencia a la rodaduramodelo 3,4,5,6 o formas de partículas irregulares7,8, 9,10,11,12 en sus simulaciones DEM. Como resultado, se ha adquirido una comprensión más realista del comportamiento cinemático de partículas. Aparte de la cinemática de partículas, DEM se ha utilizado cada vez más para investigar la interacción de contacto con granos y para desarrollar modelos teóricos. Sin embargo, debido al requisito de reproducir formas de partículas reales y el uso de modelos de contacto sofisticados, DEM requiere una capacidad computacional extremadamente alta en el modelado de suelos granulares con formas irregulares.
Recientemente, el desarrollo de equipos ópticos y técnicas de imagen (por ejemplo, el microscopio, la tomografía asistida por láser, la tomografía computarizada por rayos X (TC) y la microtomografía de rayos X (CT)) ha proporcionado muchas oportunidades para el examen experimental de la comportamiento mecánico a escala de granos de suelos granulares. Mediante la adquisición y análisis de imágenes de muestras de suelo antes y después de las pruebas triaxiales, tales equipos y técnicas se han utilizado en la investigación de las microestructuras del suelo13,14,15,16 ,17,18,19. Más recientemente, las pruebas in situ con TC de rayos X o TC se han utilizado cada vez más para investigar la evolución de la relación de vacío20, distribución de cepas21,22,23,24, movimiento de partículas25,26,27,28, contacto entre partículas29,30,31 y trituración de partículas32 de suelos granulares. Aquí, "in situ" implica el escaneo de rayos X realizado al mismo tiempo que la carga. A diferencia del escaneo general de rayos X, las pruebas de escaneo de rayos X in situ requieren un aparato de carga especialmente fabricado para proporcionar tensiones a las muestras de suelo. Con el uso combinado del aparato de carga y el dispositivo de TC de rayos X o CT, las imágenes de TC de las muestras en diferentes etapas de carga de las pruebas se pueden adquirir de forma no destructiva. Sobre la base de estas imágenes de TC, se pueden adquirir observaciones a escala de partículas del comportamiento granular del suelo. Estas observaciones a nivel de partículas basadas en imágenes de TC son extremadamente útiles para verificar los hallazgos numéricos y obtener nuevos conocimientos sobre el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares.
Este artículo tiene como objetivo compartir los detalles de cómo se puede llevar a cabo una prueba de escaneo in situ de rayos X de una muestra de suelo, utilizando un experimento ejemplar que observa la cinemática de partículas, la localización de la tensión y la evolución del contacto entre partículas dentro de una muestra de suelo. Los resultados muestran que las pruebas de exploración in situ de rayos X tienen un gran potencial para explorar el comportamiento a nivel de grano de los suelos granulares. El protocolo cubre la elección del dispositivo de rayos X de CT y la preparación de un aparato de carga triaxial en miniatura, y se proporcionan procedimientos detallados para llevar a cabo la prueba. Además, los pasos técnicos para utilizar el procesamiento y análisis de imágenes para cuantificar la cinemática de partículas (es decir, la traslación de partículas y la rotación de partículas), la localización de deformaciones unitarias y la evolución del contacto entre partículas (es decir, ganancia de contacto, pérdida de contacto y movimiento de contacto) del suelo.

<table><tbody><tr><td>Dispositivo de oferta</td><td>de presión de confinamiento GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>Agua desaireada</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Agua desaireada en el laboratorio</td></tr><tr><td>Leighton Arena de buitre</td><td>Césped artificial Cambridge</td><td>Arena industrial drenada 25 kg</td><td>Se puede reemplazar con diferentes suelos</td></tr><tr><td>Dispositivo de carga triaxial en miniatura</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>El dispositivo de carga en miniatura está especialmente fabricado por el autores</td></tr><tr><td>Grasa de silicona</td><td>RS empresa</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>Radiación de sincrotrón Configuración de micro TC de rayos X</td><td>Centro de la instalación de radiación sincrotrón de Shanghai (SSRF)</td><td>13W1</td><td>La prueba triaxial se lleva a cabo en la línea de haz BL13W de la bomba de vacío SSRF</td></tr><tr><td>Hong</td><td>Kong Labware Co., ltd.</td><td>Balancín 300</td><td></td></tr></tbody></table>

visualización del fracaso y el comportamiento mecánico a escala de grano asociado de suelos granulares bajo cizallamiento mediante microtomografía de rayos x de sincrotrón

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

El rápido desarrollo de técnicas de imágenes de rayos X con habilidades de procesamiento y análisis de imágenes ha permitido la adquisición de imágenes por TC de suelos granulares con resoluciones de alta espacial. Sobre la base de estas imágenes de TC, el comportamiento mecánico a escala de grano, como la cinemática de partículas (es decir, las traducciones de partículas y las rotaciones de partículas), la localización de deformaciones unitarias y la evolución del contacto entre partículas de suelos granulares pueden ser investigados cuantitativamente. Sin embargo, esto es inaccesible utilizando métodos experimentales convencionales. Este estudio demuestra la exploración del comportamiento mecánico a escala de grano de una muestra de suelo granular bajo compresión triaxial utilizando microtomografía de rayos X de sincrotrón (CT). Con este método, se utiliza un aparato de carga en miniatura especialmente fabricado para aplicar tensións axiales y de confinamiento a la muestra durante la prueba triaxial. El aparato está instalado en una configuración de tomografía de rayos X de sincrotrón para que las imágenes de TC de alta resolución espacial de la muestra puedan ser recogidas en diferentes etapas de carga de la prueba sin ninguna perturbación en la muestra. Con la capacidad de extraer información a escala macro (por ejemplo, tensiones de contorno de muestra y tensiones de la configuración del aparato triaxial) y la escala de grano (por ejemplo, movimientos de grano e interacciones de contacto de las imágenes de TC), este procedimiento proporciona un metodología eficaz para investigar la mecánica multiescala de suelos granulares.

La Figura 5 representa los resultados de la cinemática de partículas de una muestra de arena de Leighton Buzzard (LBS) en una rebanada 2D durante dos incrementos de cizallamiento típicos, I y II. La mayoría de las partículas se rastrean con éxito y sus traducciones y rotaciones se cuantifican siguiendo el protocolo anterior. Durante el primer incremento de cizallamiento, ni los desplazamientos de partículas ni las rotaciones de partículas muestran una localización clara. Sin embargo, se desa...

El protocolo describe los procedimientos para adquirir imágenes de tomografía computarizada de alta resolución espacial (TC) de un suelo granular durante la compresión triaxial, y para aplicar técnicas de procesamiento de imágenes a estas imágenes de TC para explorar el comportamiento mecánico a granescala de el suelo bajo carga.

Visualización del fracaso y el comportamiento mecánico a escala de grano asociado de suelos granulares bajo cizallamiento mediante microtomografía de rayos X de sincrotrón

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

Este protocolo permite adquirir datos de escala de partículas de suelos granulares utilizando microtomografía de rayos X y desarrollar una comprensión de los procesos y mecanismos a microescala subyacentes al comportamiento microscópico de materiales granulares. La principal ventaja de esta técnica es que proporciona un acceso completo a la información de escala de partículas de suelos granulares, incluyendo morfología de partículas, microestructura, rotura, desplazamiento y rotación dentro de la deformación de materiales granulares. Este método también se puede aplicar a la investigación de otros tipos de materiales naturales o sintéticos a base de piedra, como rocas, mezcla suelo-roca, hormigón, cerámica, asfalto e incluso compuestos poliméricos.Comience con el diseño del experimento con mucha antelación como se describe en el protocolo de texto. Determine el material de prueba, el tamaño de partícula, el tamaño de la muestra y la porosidad inicial de la muestra. Para preparar una muestra de suelo en la placa, primero agregue una pequeña cantidad de grasa de silicona alrededor de la superficie lateral del extremo superior de la placa base.A continuación, coloque una piedra porosa en su superficie superior. Coloque una membrana alrededor de la superficie lateral del extremo superior. Agregue una pequeña cantidad de grasa de silicona en las superficies de contacto entre las dos partes del fabricante de muestras y coloque el fabricante de muestras en la placa base para permitir que la membrana pase a través de ella.Bloquee el fabricante de muestras. Cree succión dentro de la toma de muestras a través de su boquilla utilizando una bomba de vacío. Fije la membrana a la superficie lateral de su extremo superior.Asegúrese de que la membrana esté unida a la superficie interior del fabricante de muestras. Suelte el material granular de prueba de una cierta altura en el sample maker utilizando un embudo hasta que esté completamente lleno. La superficie superior de la muestra de suelo debe ser del mismo nivel que el borde superior del fabricante de muestras.Coloque otra piedra porosa en la parte superior de la muestra de suelo. Aplique un poco de grasa de silicona alrededor de la superficie lateral de una placa de cojín de acero inoxidable y colóquela encima de la piedra porosa. Retire el lado superior de la membrana del fabricante de muestras y fíjelo a la placa de cojín.Retire la succión dentro de la boquilla del fabricante de muestras y cree succión dentro de la válvula en la placa base. Por último, retire el fabricante de muestras. Se produce una muestra en miniatura en seco.Ahora, fije la celda de confinamiento en la placa base y fije la placa superior de la cámara en la parte superior de la celda de confinamiento. Fije el resto del aparato de carga en la placa superior de la cámara. Añadir una presión de confinamiento constante de 25 kilopascales a la muestra y eliminar la succión dentro de la muestra.Aumente gradualmente la presión de confinamiento a un valor predeterminado utilizando el dispositivo de oferta de presión de confinamiento. Para escanear una sección de la muestra, establezca la tomografía computarizada o el escáner de TC en modo de captura de imágenes. A continuación, inicie la etapa de rotación para girar todo el aparato a lo largo de 180 grados a una velocidad de rotación constante predeterminada para capturar las proyecciones de TC de la muestra en diferentes ángulos.Para un escáner de TC de alta resolución espacial, un escaneo completo de la muestra generalmente requiere que la muestra sea escaneada a varias alturas diferentes. Aplique una carga axial en la muestra con una velocidad de carga constante. Aquí, se utiliza una tasa de carga de 0.2 por ciento por minuto.Los usuarios pueden establecer una velocidad de carga diferente según el requisito del experimento. Detenga la carga axial a una deformación axial predeterminada. Espere hasta que la fuerza axial medida alcance un valor constante y realice el siguiente escaneo.Repita estos pasos hasta el final de la carga. Construimos rebanadas de TC de la muestra basadas en las proyecciones de TC después de la recuperación de fase utilizando el software PITRE. Cargue las proyecciones en PITRE desde la imagen de carga del menú.Haga clic en el sinograma de proyección de iconos. Introduzca los parámetros relevantes en la ventana que aparece y haga clic en single para reconstruir un sector CT. Implemente el filtrado de imágenes en los sectores de TC.Se utiliza un filtro de difusión anisotrópico para realizar el filtrado de imágenes. Ahora, realice la binarización de imágenes en los sectores CT filtrados. Para ello, implemente la binarización de la imagen aplicando un umbral de valor de intensidad a los sectores de TC.Este valor se determina de acuerdo con el histograma de intensidad de las rebanadas CT utilizando el método de Otsu. Separe las partículas individuales de las rebanadas de TC binarizadas utilizando un algoritmo de cuenca hidrográfica basada en marcadores y almacene los resultados en una imagen etiquetada en 3D. Valide los resultados comparando la distribución del tamaño de partícula calculado de la imagen CT con las de una prueba de tamizado mecánico.Un script matlab se utiliza para extraer propiedades de partículas, incluido el volumen de partículas, el área de superficie de partícula, la orientación de partículas y las coordenadas centroide de partículas. Las funciones de matlab intrínsecas se utilizan para adquirir estas propiedades para cada partícula. Extraiga las trincheras de contacto de los sectores de TC binarizados mediante la implementación de una operación lógica y de operación entre la imagen binaria de los sectores de TC y la imagen binaria de las líneas de cuenca hidrográficas adquiridas de la implementación del algoritmo de cuenca hidrográfica basada en marcadores.Para cuantificar el campo de deformación unitaria de la muestra, utilice un método basado en cuadrícula para calcular el campo de deformación unitaria durante dos escaneos consecutivos, en función de la traslación de partículas y la rotación de partículas. Analizar la evolución del contacto entre partículas de la muestra. Basándose en las trincheras de contacto extraídas, las imágenes etiquetadas de partículas y los resultados de seguimiento de partículas, analizan la orientación vectorial de la rama de los contactos perdidos y los contactos ganados dentro de la muestra durante cada incremento de recurso compartido.Se muestran la curva de tensión-deformación unitaria y una rodaja 2D de una muestra de arena Leighton Buzzard bajo compresión triaxial. Aquí se muestran los resultados de la cinemática de partículas en la rebanada 2D durante la prueba. La mayoría de las partículas se rastrean con éxito y sus traducciones y rotaciones se cuantifican.Una banda localizada se desarrolla tanto en el mapa de desplazamiento de partículas como en el mapa de rotación de partículas al final de la prueba. Aquí se muestra la frecuencia de orientación normalizada de los vectores de bifurcación de contactos ganados y contactos perdidos en la muestra durante la prueba. Los contactos perdidos muestran una clara preferencia direccional hacia la dirección de tensión del principio menor durante la prueba.La calibración del eje de rotación como se detalla en el protocolo de texto es importante porque la reconstrucción exitosa de la rebanada de TC no sólo se basa en el posicionamiento adecuado de la etapa de rotación. Para evitar cualquier radiación ionizada a los cuerpos humanos desde la fuente de rayos X, es necesario asegurarse de que todas las puertas y ventanas de la sala de exploración estén correctamente cerradas antes de cada escaneo. Después de un procedimiento similar, se pueden realizar pruebas de instituto con difracción o dispersión de rayos X.Esto proporciona una herramienta para la medición de las fuerzas de contacto entre partículas y su propagación dentro de los materiales granulares de formación. Los datos experimentales adquiridos se pueden utilizar para el desarrollo de modelos constitutivos avanzados de arena, teniendo en cuenta sus comportamientos mecánicos a escala de grano, y para el modelado numérico de arenas bajo carga.

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Ingeniería

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