Method Article

싱크로트론 X선 마이크로 단층 촬영을 사용하여 전단 하에서 세분화된 토양의 고장 및 관련 곡물 스케일 기계적 거동 시각화

DOI:

10.3791/60322

⸱

September 29th, 2019

 , 
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong, 2Shenzhen Research Institute of City University of Hong Kong

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 트라이축 압축 중에 세분화된 토양의 고공간 해상도 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지를 획득하고 이러한 CT 이미지에 이미지 처리 기술을 적용하여 입자 규모의 기계적 거동을 탐구하는 절차를 설명합니다. 하중의 토양.

Abstract

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이미지 처리 및 분석 기술을 갖춘 X선 이미징 기술의 급속한 발전으로 높은 공간 해상도의 세분화된 토양의 CT 이미지를 수집할 수 있게 되었습니다. 이러한 CT 이미지를 기반으로 입자 운동학(즉, 입자 변환 및 입자 회전)과 같은 입자 스케일 기계적 거동, 변형 국소화 및 입자 간 접촉 진화를 정량적으로 조사할 수 있습니다. 그러나, 이것은 전통적인 실험 방법을 사용하여 접근할 수 없습니다. 이 연구는 싱크로트론 X선 미세 단층 촬영 (μCT)을 사용하여 삼축 압축하에서 과립 토양 샘플의 곡물 규모의 기계적 거동을 탐구하는 것을 보여줍니다. 이 방법을 사용하면 트라이축 테스트 중에 특수 제작된 미니어처 로딩 장치를 사용하여 시료에 밀착 및 축 응력을 적용합니다. 이 장치는 샘플의 고공간 해상도 CT 이미지가 샘플에 방해가되지 않고 테스트의 다른 로딩 단계에서 수집 될 수 있도록 싱크로트론 X 선 단층 촬영 설정에 장착됩니다. 매크로 스케일(예: 트라이축 장치 설정에서 샘플 경계 응력 및 변형)과 그레인 스케일(예: CT 이미지에서 의 입자 이동 및 접촉 상호 작용)에서 정보를 추출하는 기능을 통해 이 절차는 세분화 된 토양의 다중 스케일 역학을 조사하는 효과적인 방법론.

Introduction

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강성, 전단 강도 및 투과성과 같은 과립 토양의 거시적 기계적 특성은 기초, 경사 및 암석 채우기 댐과 같은 많은 지질 공학 구조에 매우 중요하다는 것이 널리 인식되고 있습니다. 수년 동안 현장 테스트와 기존의 실험실 테스트(예: 1차원 압축 테스트, 트라이축 압축 테스트 및 투과성 테스트)는 다양한 토양에서 이러한 특성을 평가하는 데 사용되어 왔습니다. 토양 기계적 특성을 테스트하기 위한 코드 및 표준도 엔지니어링 목적으로 개발되었습니다. 이러한 거시 적 규모의 기계적 특성이 집중적으로 연구되었지만, 이러한 특성을 제어하는 입자 스케일 기계적 거동 (예 : 입자 운동학, 접촉 상호 작용 및 변형 변형 국소화)은 엔지니어와 연구원. 한 가지 이유는 토양의 곡물 규모의 기계적 거동을 탐구할 수 있는 효과적인 실험 방법의 부족입니다.

지금까지, 과립 토양의 곡물 규모의 기계적 거동에 대한 대부분의 이해는 입자 스케일 정보 (예 : 입자 운동학 및 입자 접촉)를 추출하는 능력 때문에 이산 요소 모델링1 (DEM)에서 비롯되었습니다. 힘)을 제공합니다. DEM 기술을 사용하여 세분화된 토양 기계적 거동을 모델링하는 이전 연구에서각 개별 입자는 단순히 모델의 단일 원 또는 구로 표현되었습니다. 이러한 지나치게....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 실험을 사전에 잘 설계

  1. 시험 재료, 입자 크기, 샘플 크기 및 샘플 초기 다공성을 결정합니다.
    참고: 직경 이 0.15~0.30mm의 레이튼 버자드 모래와 8 x 16mm(직경 x 높이)의 샘플 크기가 이 연구의 프로토콜을 입증하는 예로 사용됩니다. 푸젠 모래, 휴스턴 샌드, 오타와 모래 및 카이코스 오이드 와 같은 다른 모래와 유사한 샘플 크기도 사용할 수 있습니다.
  2. 소정의 입자 크기 및 샘플 크기에 따라 결정되는 필요한 공간 분해능 및 스캐닝 영역에 따라 적절한 검출기(도1A)를선택한다. 예를 들어, 6.5 μm의 공간 분해능을 가진 검출기가 본 연구에서 사용된다. 2048 x 860 픽셀 (즉, 13.3 × 5.6 mm)의 효과적인 스캔 영역을 가지고 있습니다.
    참고: 트라이축 압축 테스트 중에 변형된 샘플은 검출기의 스캐닝 영역에 남아 있어야 합니다. 개별 입자가 적절한 입자 특성 추출을 위해 충분한 복셀을 포함할 수 있도록 고공간 분해능 검출기를 사용해야 합니다.
  3. 시험 재료 및 샘플 크기에 따라 X선소스(그림 1A)의필요한 에너지와 노출 시간을 결정....

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Results

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도 5는 2D 슬라이스에서 레이튼 버자드 모래(LBS) 샘플의 입자 운동학 결과를 2개의 전형적인 전단 증분, I 및 II를 도시한다. 대부분의 파티클이 성공적으로 추적되고 위의 프로토콜에 따라 변환 및 회전이 정량화됩니다. 첫 번째 전단 증분 동안 파티클 변위나 파티클 회전은 명확한 지역화를 나타내지 않습니다. 그러나 지역화된 대역은 두 번째 전단 증분 동안 입자 변위 맵과 파티클 회전 맵 모두에서 개발됩니다. 도 6은 두 전단 증분 동안 샘플의 옥타트족 및 체적 변형 맵을 나타낸다. 두 번째 전단 증분의 변형 맵에서 명확한 지역화 영역이 관찰되어 트라이축 전단하에서 모래 고장을 시각화하는 방법의 기능을 보여줍니다. 그림 7은 두 전단 증분 동안 샘플에서 얻은 접점 및 손실된 접점의 분기 벡터의 정규화된 방향 주파수를 나타냅니다. 손실된 접수는 두 전단 증분 동안 사소.......

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Discussion

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고공간 해상도 X-ray 마이크로 CT 및 고급 이미지 처리 및 분석 기법을 통해 다중 스케일 수준에서 전단 하에서 세분화된 토양의 기계적 거동에 대한 실험적 조사를 가능하게 했습니다(즉, 매크로 스케일, 메소 스케일 및 그레인 스케일 수준)을 참조하십시오. 그러나 CT 이미지 기반 메조 및 그레인 스케일 조사를 위해서는 적재 시 토양 샘플의 고공간 해상도 CT 이미지를 수집해야 합니다. 이 공정에서 가장 어려운 측면은 아마도 X 선 마이크로 CT 장치와 함께 사용할 수있는 소형 삼축 로딩 장치의 제작입니다. 공간 해상도, 스캐닝 영역 및 회전 단계의 부하 용량과 같은 X 선 마이크로 CT 장치의 제한 외에도 필요한 샘플 크기, 로딩 응력 및 속도를 전반적으로 고려해야합니다.

최적의 X선 에너지와 노출 시간을 결정하는 것은 시간이 오래 걸리지만 고품질 CT 이미지를 획득하는 데 매우 중요합니다. 사용자가 첫 번째 스캔 중에 다른 에너지와 노출 시간을 시도하고 재구성된 슬라이스의 .......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 일반 연구 기금 번호에 의해 지원되었다. CityU 11213517 홍콩 특별 행정구의 연구 보조금 위원회에서, 연구 보조금 No. 51779213 중국의 국립 과학 재단에서, 상하이 싱크로트론 방사선 시설의 BL13W 빔 라인 (SSRF).

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
제한 압력 제공 장치GDSSTDDPC
방파 물N/AN/A 실험실에서 방열 된 물
Leighton Buzzard 모래 인공잔디 Cambridge배수 산업용 모래 25kg다른 토양으로 교체 가능
소형 삼축 적재 장치N/AN/A 소형 적재 장치는 특별히 제작됩니다. 저자
실리콘 그리스RS 회사RS 494-124
싱크로트론 방사선 X선 마이크로 CT 설정상하이 싱크로트론 방사선 시설 센터(SSRF)13W1BL13W 빔 라인에서 수행됩니다
.로커 300
삼축 테스트는 SSRF 진공 펌프 Hong Kong Labware Co., ltd.의

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
  2. Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42

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