シンクロトロンX線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動

サマリー

このプロトコルは、三軸圧縮時に粒状土壌の高空間分解能コンピュータ断層撮影(CT)画像を取得し、これらのCT画像に画像処理技術を適用して、粒状の機械的挙動を探索する手順を説明する。積み込み中の土壌。

要約

画像処理と解析技術を用いてX線画像技術を急速に発達させ、空間分解能の高い粒状土壌のCT画像の取得を可能にしました。このようなCT画像に基づいて、粒子運動学などの粒状の機械的挙動(すなわち、粒子の移動および粒子の回転)、粒状土壌の歪み局在化および粒子間接触進化を定量的に調べることができる。しかし、これは従来の実験方法ではアクセスできません。本研究では、シンクロトロンX線マイクロ断層撮影(μCT)を用いた三軸圧縮下での粒状土壌試料の粒状機械的挙動の探索を示す。この方法では、特別に製造されたミニチュアローディング装置を使用して、三軸試験中に試料に閉じ込めと軸応力を適用します。装置はサンプルの高空間分解能CTイメージがサンプルに妨害されることなくテストの異なったローディング段階で集めることができるようにシンクロトロンX線断層撮影のセットアップに合う。マクロスケールで情報を抽出する機能(例えば、三軸装置のセットアップからサンプル境界応力と歪み)と粒度スケール(例えば、CT画像からの穀物の動きおよび接触相互作用)を提供する。粒状土壌の多スケール力学を調査するための効果的な方法論。

概要

硬さ、せん断強度、透過性などの粒状土壌のマクロスケールの機械的特性は、基礎、斜面、岩盤埋立ダムなど、多くの地質構造にとって極めて重要であると広く認識されています。長年にわたり、オンサイトテストと従来の実験室試験(例えば、1次元圧縮試験、三軸圧縮試験、透過性試験)は、異なる土壌でこれらの特性を評価するために使用されてきました。土壌の機械的特性をテストするためのコードと規格も、エンジニアリング目的で開発されています。これらのマクロスケールの機械的特性は集中的に研究されてきたが、これらの特性を支配する粒規模の機械的挙動(例えば、粒子運動学、接触相互作用および歪み局在化)は、より少ない注目を集めている。エンジニアや研究者。その理由の一つは、土壌の穀物スケールの機械的挙動を調べるために利用できる効果的な実験方法の欠如である。

これまで、粒状土壌の粒状機械的挙動の理解のほとんどは、粒子スケール情報(例えば、粒子運動学および粒子接触)を抽出する能力のために、離散要素^{モデリング1(DEM)}から来ている。フォース)。DEM技術を使用して粒状の土壌機械的挙動をモデル化する以前の研究では、個々の粒子は単にモデル内の単一の円または球で表されていました。このような過度に単純化された粒子形状の使用は、粒子の過剰回転につながり、それによって低いピーク強度の挙^動2.より良いモデリング性能を達成するために、多くの研....

プロトコル

1. 事前に実験をうまく設計する

1. 試験材料、粒子サイズ、サンプルサイズ、サンプル初期気孔性を決定します。
   注:直径0.15~0.30mm、サンプルサイズ8 x 16mm(直径x高さ)のレイトン・バザード砂を例に、本研究のプロトコルを実証します。福建砂、ヒューストンサンド、オタワ砂、カイコスオイドなどの他の砂や同様のサンプルサイズも使用できます。
2. 所定の粒径とサンプルサイズに応じて決定される、必要な空間分解能および走査領域に応じて適切な検出器(図1A)を選択する。たとえば、この研究では、空間分解能が 6.5 μm の検出器を使用します。それは2048 x 860ピクセル(すなわち、13.3 ×5.6 mm)の有効なスキャン区域を有する。
   注:三軸圧縮試験中は、変形したサンプルが検出器の走査領域に残る必要があります。個々のパーティクルにパーティクルプロパティの適切な抽出に十分なボクセルが含まれるように、高空間分解能検出器を使用する必要があります。
3. 試験材料とサンプルサイズに応じて、X線源(図1A)の必要エネルギーと露光時間を決定する。一般に、より高いエネルギーは、より密度の高い材料で構成されるより大きなサンプルに使用する必要があります。本研究では、25 keVのX線エネルギーと0....

結果

図5は、レイトン・バザード・サンド(LBS)サンプルの粒子運動学の結果を、2つの典型的なせん断増分(IおよびII)の間に2Dスライスで示した。パーティクルのほとんどは正常に追跡され、その移動と回転は上記のプロトコルに従って定量化されます。最初のせん断増分では、パーティクルの変位もパーティクルの回転も明確な局在化を示しません。ただし、ローカライズされたバンドは、2 番目のせん断増分の間にパーティクルディスプレイスメント マップとパーティクル回転マップの両方で開発されます。図6は、2つのせん断増分におけるサンプルの八点平および体積ひずみマップを示す。2番目のせん断増分のひずみマップで明確な局在ゾーンが観察され、三軸せん断下での砂の故障を可視化する方法の能力を実証します。図 7は、2 つのせん断増分の間にサンプル内で得られた接触と失われた接触の分岐ベクトルの正規化された方向周波数を示しています。失われた接触は、両方のせん断増分の間にマイナーな主応力方向(すなわち、水.......

ディスカッション

高空間分解能X線マイクロCTと高度な画像処理・解析技術により、多スケールレベルでのせん断下の粒状土壌の機械的挙動の実験的調査を可能にしました(すなわち、マクロスケール、メソスケールおよび粒度レベル)。しかし、CT画像ベースのメソおよび穀物スケールの調査では、積載時に土壌サンプルの高空間分解能CT画像を取得する必要があります。このプロセスの最も挑戦的な側面は、おそらくX線マイクロCT装置と共に使用することができる小型三軸負荷装置の製造である。空間分解能、スキャン領域、回転ステージの負荷容量などのX線マイクロCTデバイスの制限に加えて、必要なサンプルサイズ、負荷応力、速度を総合的に考慮する必要があります。

最適なX線エネルギーと露光時間の決定は時間がかかりますが、高品質のCT画像の取得には非常に重要です。ユーザーは、最初のスキャン中に異なるエネルギーと露出時間を試してみて、再構築されたスライスの品質に応じて適切なエネルギーと露出時間を決定することをお勧めします。また、異なる初期気孔を持つサンプルは、異なる高さからサンプル金型に砂粒子を落とすことによって、サンプル調製中に生成することがで.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
閉じ込め圧力提供装置	GDS	STDDPC
空気を抜いた水	N/A	N/	A 実験室で空気を抜いた水
レイトン バザード砂	人工芝 ケンブリッジ	排水 工業用砂 25 kg	異なる土壌と交換可能
ミニチュア三軸ローディング装置	N/A	N/A	ミニチュアローディング装置は、著者
シリコングリース	RS 会社	RS 494-124
放射光X線マイクロCTセットアップ	上海シンクロトロン放射線施設センター(SSRF)	13W1	三軸試験は、SSRF真空ポンプ香港ラボウェア株式会社のBL13Wビームラインで実施されます
	。	ロッカー300