Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Summary

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Abstract

Szybki rozwój technik obrazowania rentgenowskiego z umiejętnościami przetwarzania i analizy obrazów umożliwił pozyskiwanie obrazów tomografii komputerowej ziarnistych gleb o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Na podstawie takich obrazów CT można ilościowo badać zachowania mechaniczne w skali ziarna, takie jak kinematyka cząstek (tj. translacje i rotacje cząstek), lokalizacja odkształceń i ewolucja kontaktu międzycząsteczkowego w glebach ziarnistych. Jest to jednak nieosiągalne przy użyciu konwencjonalnych metod eksperymentalnych. Badanie to demonstruje badanie mechanicznego zachowania ziarnistej próbki gleby w skali ziarna pod wpływem trójosiowego ściskania za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej (μCT). W tej metodzie stosuje się specjalnie wyprodukowane miniaturowe urządzenie ładujące do przykładania naprężeń ograniczających i osiowych do próbki podczas testu trójosiowego. Aparatura jest wyposażona w synchrotronową tomografię rentgenowską, dzięki czemu obrazy CT próbki o wysokiej rozdzielczości przestrzennej mogą być zbierane na różnych etapach ładowania testu bez żadnych zakłóceń w próbce. Dzięki możliwości wydobywania informacji w skali makro (np. naprężenia graniczne próbki i odkształcenia z układu aparatury trójosiowej) oraz skali ziarna (np. ruchy ziaren i interakcje kontaktowe z obrazów CT), procedura ta zapewnia skuteczną metodologię badania wieloskalowej mechaniki gleb ziarnistych.

Introduction

Powszechnie uznaje się, że właściwości mechaniczne granulowanego gruntu w skali makro, takie jak sztywność, wytrzymałość na ścinanie i przepuszczalność, są kluczowe dla wielu struktur geotechnicznych, na przykład fundamentów, zboczy i zapór skalnych. Od wielu lat do oceny tych właściwości w różnych glebach stosuje się testy na miejscu i konwencjonalne testy laboratoryjne (np. jednowymiarowe testy ściskania, testy ściskania trójosiowego i testy przepuszczalności). Do celów inżynieryjnych opracowano również kody i normy do badania właściwości mechanicznych gruntu. Podczas gdy te właściwości mechaniczne w skali makro były intensywnie badane, zachowanie mechaniczne w skal....

Protocol

1. Projektowanie eksperymentu z dużym wyprzedzeniem

1. Określić badany materiał, wielkość cząstek, wielkość próbki i początkową porowatość próbki.
   UWAGA: Piasek Leighton Buzzard o średnicy 0,15 ~ 0,30 mm i wielkości próbki 8 x 16 mm (średnica x wysokość) jest używany jako przykład w celu zademonstrowania protokołu tego badania. Można również użyć innych piasków, takich jak piasek Fujian, piasek Houston, piasek Ottawa i ooidy Caicos itp., a także próbki o podobnych rozmiarach.
2. Wybierz odpowiedni detektor (Rysunek 1A) zgodnie z wymaganą rozdzielczością przestrzenną i obszarem skanowania, które są ok....

Results

Rysunek 5 przedstawia wyniki kinematyki cząstek próbki piasku Leighton Buzzard (LBS) w warstwie 2D podczas dwóch typowych przyrostów ścinania, I i II. Większość cząstek jest z powodzeniem śledzona, a ich translacje i rotacje są określane ilościowo zgodnie z powyższym protokołem. Podczas pierwszego przyrostu ścinania ani przemieszczenia cząstek, ani rotacje cząstek nie wykazują wyraźnej lokalizacji. Jednak zlokalizowane pasmo jest rozwijane zarówno na mapie przemieszczenia cząstek, jak i na m.......

Discussion

Mikrotomografia komputerowa rentgenowska o wysokiej rozdzielczości przestrzennej oraz zaawansowane techniki przetwarzania i analizy obrazów umożliwiły eksperymentalne badanie mechanicznego zachowania gleb ziarnistych pod wpływem ścinania na poziomie wieloskalowym (tj. na poziomie makroskali, mezoskali i skali ziarna). Jednak badania w skali mezo- i ziarnistej oparte na obrazach CT wymagają uzyskania obrazów CT o wysokiej rozdzielczości przestrzennej próbek gleby podczas ładowania. Najtrudniejszym aspektem tego procesu je.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ograniczające urządzenie do wytwarzania ciśnienia	GDS	STDDPC
Odpowietrzenie wody	N/	A N/A	Woda odpowietrzeniona w laboratorium
Leighton Buzzard piasek	Sztuczna trawa Cambridge	Odwodniony piasek przemysłowy 25 kg	Może być zastąpiony różnymi glebami
Miniaturowe trójosiowe urządzenie ładujące	N/A	N/A	Miniaturowe urządzenie ładujące jest specjalnie produkowane przez autorzy
Smar silikonowy	RS firma	RS 494-124
Promieniowanie synchrotronowe Konfiguracja mikro CT promieniowania rentgenowskiego	Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)	13W1	Testy trójosiowe są przeprowadzane na linii wiązki BL13W pompy próżniowej SSRF
	Hong Kong Labware Co., ltd.	Kołyska 300