Name: Visualisation de léchec et du comportement mécanique associé à léchelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à laide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Découvrez la micro-tomographie aux rayons X pour étudier le comportement mécanique des sols granulaires sous compression triaxiale. Cette méthode révèle la morphologie, la rupture et la rotation des particules à l'échelle du grain.

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Cette étude a été appuyée par le Fonds général de recherche no. CityU 11213517 du Research Grant Council of the Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 de la National Science Foundation of China et la ligne de faisceau BL13W de la Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Le micro-CT à rayons X à haute résolution spatiale et les techniques avancées de traitement et d'analyse des images ont permis l'étude expérimentale du comportement mécanique des sols granulaires sous cisaillement à plusieurs échelles (c.-à-d. à l'échelle macro, à l'échelle méso et niveaux à l'échelle du grain). Cependant, les études à l'échelle du meso et du grain basées sur l'image CT nécessitent l'acquisition d'images de CT à haute résolution spatiale d'échantillons de sol pendant le chargement. L'aspect le plus diffi...

Il est largement reconnu que les propriétés mécaniques à l'échelle macro du sol granulaire, telles que la rigidité, la résistance au cisaillement et la perméabilité, sont essentielles à de nombreuses structures géotechniques, par exemple, les fondations, les pentes et les barrages de remplissage des roches. Pendant de nombreuses années, des tests sur place et des tests de laboratoire conventionnels (p. ex., des tests de compression unidimensionnelle, des tests de compression triaxiale et des tests de perméabilité) ont été utilisés pour évaluer ces propriétés dans différents sols. Des codes et des normes pour l'essai des propriétés mécaniques du sol ont également été élaborés à des fins d'ingénierie. Bien que ces propriétés mécaniques à l'échelle macro aient été étudiées de façon intensive, le comportement mécanique à l'échelle du grain (p. ex., la cinématique des particules, l'interaction avec les contacts et la localisation des souches) qui régit ces propriétés a attiré beaucoup moins d'attention de ingénieurs et chercheurs. L'une des raisons est l'absence de méthodes expérimentales efficaces disponibles pour explorer le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols.
Jusqu'à présent, la plupart de la compréhension du comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires provenait de la modélisation discrète des éléments1 (DEM), en raison de sa capacité à extraire des informations à l'échelle des particules (p. ex., la cinématique des particules et le contact avec les particules forces). Dans des études antérieures sur l'utilisation de techniques DEM pour modéliser les comportements mécaniques du sol granulaire, chaque particule individuelle était simplement représentée par un seul cercle ou sphère dans le modèle. L'utilisation de telles formes de particules trop simplifiées a conduit à la surrotation des particules et donc à un comportement de force de pointe plus faible2. Pour obtenir une meilleure performance de modélisation, de nombreux chercheurs ont utilisé un modèle de résistance au roulement3,4,5,6 ou des formes de particules irrégulières7,8, 9,10,11,12 dans leurs simulations DEM. En conséquence, une compréhension plus réaliste du comportement cinématique des particules a été acquise. Mis à part la cinématique des particules, LE DEM est de plus en plus utilisé pour étudier l'interaction avec le contact avec les grains et pour développer des modèles théoriques. Cependant, en raison de l'exigence de reproduire des formes de particules réelles et l'utilisation de modèles de contact sophistiqués, DEM nécessite une capacité de calcul extrêmement élevée dans la modélisation des sols granulaires avec des formes irrégulières.
Récemment, le développement d'équipements optiques et de techniques d'imagerie (p. ex., le microscope, la tomographie assistée au laser, la tomographie par rayons X (TC) et la micro-tomographie par rayons X( TCD)) a fourni de nombreuses possibilités d'examen expérimental de la comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires. Par l'acquisition et l'analyse d'images d'échantillons de sol avant et après les essais triaxiaux, ces équipements et techniques ont été utilisés dans l'étude des microstructures du sol13,14,15,16 ,17,18,19. Plus récemment, les tests in situ avec CT à rayons X ou CT ont été de plus en plus utilisés pour étudier l'évolution du rapport vide20, distribution de souches21,22,23,24, mouvement de particules25,26,27,28, contact interpartie29,30,31 et concassage de particules32 de sols granulaires. Ici, « in situ » implique un balayage aux rayons X effectué en même temps que le chargement. Contrairement à la numérisation générale des rayons X, les tests in situ de balayage aux rayons X nécessitent un appareil de chargement spécialement fabriqué pour fournir des contraintes aux échantillons de sol. Avec l'utilisation combinée de l'appareil de chargement et de l'appareil CT à rayons X ou CT, les images CT des échantillons à différentes étapes de chargement des essais peuvent être acquises de manière non destructive. Sur la base de ces images CT, des observations à l'échelle des particules du comportement du sol granulaire peuvent être acquises. Ces observations basées sur l'image cT au niveau des particules sont extrêmement utiles pour vérifier les résultats numériques et pour obtenir de nouvelles informations sur le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires.
Cet article vise à partager les détails de la façon dont un test de balayage in situ de rayons X d'un échantillon de sol peut être effectué, à l'aide d'une expérience exemplaire qui observe la cinématique des particules, la localisation des souches et l'évolution du contact interpartie au sein d'un échantillon de sol. Les résultats montrent que les tests de balayage in situ aux rayons X ont un grand potentiel pour explorer le comportement au niveau du grain des sols granulaires. Le protocole couvre le choix de l'appareil de radiographie et la préparation d'un appareil de chargement triaxial miniature, et des procédures détaillées pour effectuer le test sont fournies. En outre, les étapes techniques pour l'utilisation du traitement et de l'analyse de l'image pour quantifier la cinématique des particules (c.-à-d. la traduction des particules et la rotation des particules), la localisation des souches et l'évolution du contact entre les particules (c.-à-d. le contact, la perte de contact et contact) du sol sont décrits.

<table><tbody><tr><td>Dispositif d’offrande de pression de confinement</td><td>GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>Eau désairée</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Eau désaérée en laboratoire</td></tr><tr><td>Leighton Buzzard sable</td><td>Gazon artificiel Cambridge</td><td>Drained Industrial Sand 25 kg Peut</td><td>être remplacé par d’autres sols</td></tr><tr><td>Dispositif de chargement triaxial miniature</td><td>N/A N</td><td>/A</td><td>Le dispositif de chargement miniature est spécialement fabriqué par le auteurs</td></tr><tr><td>Graisse au silicium</td><td>RS company</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>Rayonnement synchrotron Micro CT setup Shanghai</td><td>Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)</td><td>13W1</td><td>Le test triaxial est effectué sur la ligne de faisceau BL13W de la pompe à vide SSRF</td></tr><tr><td></td><td>Hong Kong Labware Co., ltd.</td><td>Rocker 300</td><td></td></tr></tbody></table>

visualisation de l'échec et du comportement mécanique associé à l'échelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons x

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

Le développement rapide des techniques d'imagerie par rayons X avec des compétences en traitement et en analyse d'images a permis l'acquisition d'images CT de sols granulaires avec des résolutions spatiales élevées. Sur la base de ces images CT, le comportement mécanique à l'échelle du grain, comme la cinématique des particules (c.-à-d. les traductions de particules et les rotations de particules), la localisation des souches et l'évolution du contact entre les particules des sols granulaires, peuvent être étudiés quantitativement. Cependant, cela est inaccessible en utilisant des méthodes expérimentales conventionnelles. Cette étude démontre l'exploration du comportement mécanique à l'échelle du grain d'un échantillon de sol granulaire sous compression triaxiale à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X. Avec cette méthode, un appareil de chargement miniature spécialement fabriqué est utilisé pour appliquer des contraintes de confinement et d'axial à l'échantillon pendant l'essai triaxial. L'appareil est installé dans une configuration de tomographie à rayons X synchrotron de sorte que les images de CT à haute résolution spatiale de l'échantillon peuvent être recueillies à différentes étapes de chargement de l'essai sans aucune perturbation de l'échantillon. Avec la capacité d'extraire des informations à l'échelle macro (p. ex., les contraintes et les souches de limites d'échantillon de la configuration de l'appareil triaxial) et l'échelle du grain (p. ex., les mouvements des grains et les interactions de contact à partir des images CT), cette procédure fournit un méthodologie efficace pour étudier la mécanique à plusieurs échelles des sols granulaires.

La figure 5 représente les résultats de la cinématique des particules d'un échantillon de sable de Leighton Buzzard (LBS) à une tranche 2D au cours de deux incréments typiques de cisaillement, I et II. La plupart des particules sont suivies avec succès et leurs traductions et rotations sont quantifiées selon le protocole ci-dessus. Au cours de la première incrément ecaillement, ni les déplacements de particules ni les rotations de particules ne montrent une localisation claire. Cependant, un...

Le protocole décrit les procédures visant à acquérir des images de tomographie calculée à haute résolution spatiale (CT) d'un sol granulaire pendant la compression triaxiale, et à appliquer des techniques de traitement d'image à ces images CT pour explorer le comportement mécanique à l'échelle du grain de le sol en charge.

Visualisation de l'échec et du comportement mécanique associé à l'échelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X

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

Ce protocole permet d’acquérir des données à l’échelle des particules des sols granulaires à l’aide de la micro-tomographie aux rayons X et de développer une compréhension des processus et mécanismes à micro-échelle sous-jacents au comportement microscopique des matériaux granulaires. Le principal avantage de cette technique est qu’elle fournit un accès complet à l’information à l’échelle des particules des sols granulaires, y compris la morphologie des particules, la microstructure, la rupture, le déplacement et la rotation dans la déformation des matériaux granulaires. Cette méthode peut également être appliquée à l’étude d’autres types de matériaux naturels ou synthétiques à base de pierre tels que les roches, le mélange sol-roche, le béton, la céramique, l’asphalte et même les composites polymères.Commencez par la conception de l’expérience bien à l’avance comme décrit dans le protocole de texte. Déterminez le matériau d’essai, la taille des particules, la taille de l’échantillon et la porosité initiale de l’échantillon. Pour préparer un échantillon de sol sur la planche, ajoutez d’abord une petite quantité de graisse de silicone autour de la surface latérale de l’extrémité supérieure de la plaque de base.Placez ensuite une pierre poreuse sur sa surface supérieure. Placez une membrane autour de la surface latérale de l’extrémité supérieure. Ajouter une petite quantité de graisse de silicone sur les surfaces de contact entre les deux parties du fabricant de l’échantillon et placer le fabricant de l’échantillon sur la plaque de base pour permettre à la membrane de passer à travers elle.Verrouillez le fabricant de l’échantillon. Créer l’aspiration à l’intérieur du fabricant de l’échantillon à travers sa buse à l’aide d’une pompe à vide. Fixer la membrane à la surface latérale de son extrémité supérieure.Assurez-vous que la membrane est fixée à la surface intérieure du fabricant de l’échantillon. Déposez le matériau granulaire d’essai d’une certaine hauteur dans le fabricant de l’échantillon à l’aide d’un entonnoir jusqu’à ce qu’il soit complètement rempli. La surface supérieure de l’échantillon de sol doit être le même niveau que le bord supérieur du fabricant de l’échantillon.Placez une autre pierre poreuse sur l’échantillon de sol. Appliquez un peu de graisse de silicone autour de la surface latérale d’une plaque de coussin en acier inoxydable et placez-la sur la pierre poreuse. Retirez le côté supérieur de la membrane du fabricant de l’échantillon et fixez-le à la plaque de coussin.Retirez l’aspiration à l’intérieur de la buse du fabricant de l’échantillon et créez une aspiration à l’intérieur de la vanne sur la plaque de base. Enfin, retirez le fabricant de l’échantillon. Un échantillon sec miniature est produit.Maintenant, fixez la cellule de détention sur la plaque de base et fixez la plaque supérieure de la chambre sur le dessus de la cellule de clonage. Apposer le reste de l’appareil de chargement sur la plaque supérieure de la chambre. Ajouter une pression constante de 25 kilopascals à l’échantillon et enlever l’aspiration à l’intérieur de l’échantillon.Augmentez graduellement la pression de confinement à une valeur prédéterminée à l’aide de l’appareil d’offre de pression deage. Pour numériser une section de l’échantillon, réglez la tomographie calculée ou le scanner en mode capture d’image. Ensuite, commencez l’étape de rotation pour faire pivoter l’appareil entier à travers 180 degrés à un taux de rotation constant prédéterminé pour capturer les projections de CT de l’échantillon à différents angles.Pour un scanner à haute résolution spatiale, un balayage complet de l’échantillon nécessite généralement que l’échantillon soit scanné à plusieurs hauteurs différentes. Appliquer une charge axiaale sur l’échantillon avec un taux de chargement constant. Ici, un taux de chargement de 0,2 pour cent par minute est utilisé.Les utilisateurs peuvent définir un taux de chargement différent en fonction de l’exigence d’expérience. Mettre en pause la charge axiaale à une souche axiaale prédéterminée. Attendez que la force axiane mesurée atteigne une valeur constante et effectuez la prochaine analyse.Répétez ces étapes jusqu’à la fin du chargement. Nous construisons des tranches de CT de l’échantillon basées sur les projections CT après récupération de phase à l’aide du logiciel PITRE. Chargez les projections dans PITRE à partir de l’image de charge du menu.Cliquez sur le sinogram de projection d’icônes. Entrez les paramètres pertinents dans la fenêtre apparue et cliquez seul pour reconstruire une tranche CT. Implémentez le filtrage d’image sur les tranches de CT.Un filtre de diffusion anisotropique est utilisé pour effectuer le filtrage des images. Maintenant, effectuez la binarisation d’image sur les tranches filtrées de CT. Pour ce faire, implémentez la binarisation de l’image en appliquant un seuil de valeur d’intensité aux tranches CT.Cette valeur est déterminée en fonction de l’histogramme d’intensité des tranches de CT utilisant la méthode d’Otsu. Séparez les particules individuelles des tranches binariées de CT à l’aide d’un algorithme de bassin versant basé sur des marqueurs et stockez les résultats dans une image étiquetée 3D. Valider les résultats en comparant la distribution calculée de la taille des particules de l’image CT à celles d’un test de tamisage mécanique.Une écriture matlab est utilisée pour extraire les propriétés des particules, y compris le volume des particules, la surface des particules, l’orientation des particules et les coordonnées centroïdes des particules. Les fonctions intrinsèques de matlab sont utilisées pour acquérir ces propriétés pour chaque particule. Extraire les trous de renard de contact des tranches binariées de CT par la mise en œuvre d’une logique et d’une opération entre l’image binaire des tranches de CT et l’image binaire des lignes de bassin versant acquises à partir de la mise en œuvre de l’algorithme de bassin versant basé sur les marqueurs.Pour quantifier le champ de contrainte de l’échantillon, utilisez une méthode basée sur la grille pour calculer le champ de tension pendant deux balayages consécutifs, en fonction de la traduction des particules et de la rotation des particules. Analyser l’évolution du contact interparticules de l’échantillon. Sur la base des trous de renard de contact extraits, des images étiquetées des particules et des résultats de suivi des particules, analysez l’orientation du vecteur de branche des contacts perdus et les contacts acquis au sein de l’échantillon au cours de chaque augmentation de part.La courbe stress-contrainte et une tranche 2D d’un échantillon de sable Leighton Buzzard sous compression triaxiale sont indiquées. Ici sont affichés les résultats de cinématique des particules à la tranche 2D pendant le test. La plupart des particules sont suivies avec succès et leurs traductions et rotations sont quantifiées.Une bande localisée est développée à la fois dans la carte de déplacement des particules et dans la carte de rotation des particules à la fin de l’essai. On y voit la fréquence d’orientation normalisée des vecteurs de branche des contacts acquis et des contacts perdus dans l’échantillon pendant le test. Les contacts perdus présentent une nette préférence directionnelle à l’égard de la direction de stress du principe mineur pendant le test.L’étalonnage de l’axe de rotation tel que décrit dans le protocole de texte est important parce que la reconstruction réussie de la tranche CT repose non seulement sur le positionnement approprié de l’étape de rotation. Pour éviter tout rayonnement ionisé sur le corps humain à partir de la source de rayons X, il faut s’assurer que toutes les portes et fenêtres de la salle de numérisation sont correctement fermées avant chaque balayage. Suivant une procédure similaire, des tests d’institut avec diffraction ou diffusion de rayons X peuvent être effectués.Ceci fournit un outil pour mesurer les forces de contact interparticules et leur propagation dans les matériaux granulaires de formation. Les données expérimentales acquises peuvent être utilisées pour le développement de modèles constitutifs avancés de sable, compte tenu de leurs comportements mécaniques à l’échelle du grain, et pour la modélisation numérique des sables sous chargement.

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