Artykuł metodologiczny

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

DOI:

10.3791/60322

⸱

29 września 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

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.

Streszczenie

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

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.

Wprowadzenie

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

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 skali ziarna (np. kinematyka cząstek, interakcja kontaktowa i lokalizacja odkształceń), które rządzi tymi właściwościami, przyciągnęło znacznie mniej uwagi inżynierów i badaczy. Jednym z powodów jest brak skutecznych metod eksperymentalnych do badania mechanicznego zachowania gleb w skali ziarna.

Do tej pory większość wiedzy na temat mechanicznego zachowania ziarnistych gleb w skali ziarna pochodziła z modelowania elementów dyskretnych1 (DEM), ze względu na jego zdolność do wydobywania informacji w skali cząstek (np. kinematyki cząstek i sił kontaktu cząstek). We wcześniejszych badaniach nad wykorzystaniem technik DEM do modelowania zachowań mechanicznych ziarnistej gleby, każda pojedyncza cząstka była po prostu reprezentowana przez pojedynczy okrąg lub kulę w modelu. Użycie takich nadmiernie uproszczonych kształtów cząstek doprowadziło do nadmiernej rotacji cząstek, a tym samym do obniżenia zachowania siły szczytowej2. Aby osiągnąć lepszą wydajność modelowania, wielu badaczy korzystało z modelu oporu toczenia3,4,5,6 lub nieregularne kształty cząstek7,8,9,10,11,12 w swoich symulacjach DEM. W rezultacie uzyskano bardziej realistyczne zrozumienie zachowania kinematycznego cząstek. Oprócz kinematyki cząstek, DEM jest coraz częściej wykorzystywany do badania interakcji kontaktu ziaren i opracowywania modeli teoretycznych. Jednak ze względu na wymóg odtworzenia rzeczywistych kształtów cząstek i zastosowanie zaawansowanych modeli kontaktowych, DEM wymaga niezwykle wysokich zdolności obliczeniowych w modelowaniu ziarnistych gruntów o nieregularnych kształtach.

Ostatnio, rozwój sprzętu optycznego i technik obrazowania (np. mikroskopu, tomografii laserowej, rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) i mikrotomografii rentgenowskiej (μCT)) dostarczył wielu możliwości eksperymentalnego badania mechanicznego zachowania ziarnistych gleb w skali ziarna. Poprzez akwizycję i analizę obrazów próbek gleby przed i po testach trójosiowych, takie urządzenia i techniki zostały wykorzystane do badania mikrostruktur gleby13,14,15,16,17,18,19. Ostatnio testy in situ z rentgenowskim tomografem komputerowym lub μCT są coraz częściej wykorzystywane do badania ewolucji współczynnika pustek20, rozkład odkształceń21,22,23,24, ruch cząstek25,26,27,28, Inter-Particle Contact29,30,31 i kruszenie cząstek32 gleb ziarnistych. W tym przypadku "in situ" oznacza skanowanie rentgenowskie przeprowadzane w tym samym czasie co ładowanie. W przeciwieństwie do ogólnego skanowania rentgenowskiego, testy skanowania rentgenowskiego in situ wymagają specjalnie wyprodukowanego aparatu ładującego, aby dostarczyć naprężenia do próbek gleby. Dzięki połączonemu zastosowaniu aparatury ładującej i urządzenia rentgenowskiego CT lub μCT, obrazy CT próbek na różnych etapach ładowania testów mogą być uzyskiwane w sposób nieniszczący. Na podstawie tych obrazów CT można uzyskać obserwacje zachowania ziarnistej gleby w skali cząstek. Te oparte na obrazie CT obserwacje na poziomie cząstek są niezwykle pomocne w weryfikacji wyników numerycznych i uzyskaniu nowego wglądu w mechaniczne zachowanie ziarnistych gleb w skali ziarna.

Ten artykuł ma na celu podzielenie się szczegółami na temat tego, jak można przeprowadzić test skanowania rentgenowskiego in situ próbki gleby, korzystając z przykładowego eksperymentu, który obserwuje kinematykę cząstek, lokalizację odkształceń i ewolucję kontaktu międzycząsteczkowego w próbce gleby. Wyniki pokazują, że testy rentgenowskie in situ mają ogromny potencjał w zakresie badania zachowania gleb ziarnistych na poziomie ziarna. W protokole omówiono wybór urządzenia rentgenowskiego μCT oraz przygotowanie miniaturowego trójosiowego aparatu ładującego, a także przedstawiono szczegółowe procedury przeprowadzenia testu. Ponadto opisano etapy techniczne wykorzystania przetwarzania i analizy obrazu do ilościowego określenia kinematyki cząstek (tj. translacji i rotacji cząstek), lokalizacji odkształceń i ewolucji kontaktu między cząstkami (tj. wzmocnienia kontaktu, utraty kontaktu i ruchu kontaktu) gleby.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

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 określane zgodnie z wcześniej określoną wielkością cząstek i wielkością próbki. Na przykład w tym badaniu wykorzystano detektor o rozdzielczości przestrzennej 6,5 μm. Ma efektywny obszar skanowania 2048 x 860 pikseli (tj. 13,3 × 5,6 mm).
    UWAGA: Podczas trójosiowej próby ściskania zdeformowana próbka powinna pozostać w obszarze skanowania detektora. Należy użyć detektora o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, tak aby poszczególne cząstki zawierały wystarczającą ilość wokseli do właściwej ekstrakcji właściwości cząstek.
  3. Określ wymaganą energię źródła promieniowania rentgenowskiego (Rysunek 1A) i czas ekspozycji zgodnie z badanym materiałem i wielkością próbki. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku większej próbki złożonej z gęstszego materiału należy użyć wyższej energii. Dla próbek piasku w tym badaniu należy użyć energii promieniowania rentgenowskiego 25 keV i czasu ekspozycji 0,05 s.
    UWAGA: Wymaganą energię promieniowania rentgenowskiego i czas ekspozycji można określić metodą prób i błędów, korzystając z zeskanowanej projekcji próbki. Stosunek minimalnej intensywności rzutu w skali szarości do jego wartości maksymalnej nie powinien być niższy niż 0,2. W przeciwnym razie należy zastosować wyższą energię promieniowania rentgenowskiego lub dłuższy czas ekspozycji.
  4. Określ wymaganą prędkość obrotową ω (stopnie na sekundę) dla etapu obrotu (Rysunek 1A) urządzenia rentgenowskiego. Prędkość obrotową ω oblicza się zgodnie z wymaganą liczbą występów N (np. N = 1,080) dla rekonstrukcji warstwy CT.
    UWAGA: ω=180 Vs/N. Tutaj Vs to prędkość skanowania urządzenia rentgenowskiego, tj. liczba zdjęć rentgenowskich skanowanych i rejestrowanych na sekundę. Na Vs ma największy wpływ wydajność detektora i sprzętu związanego z czujnikiem, takiego jak komputer.
  5. Wykonać trójosiowy aparat ładujący (rysunki 1B, C, patrz również odniesienie 33), który będzie używany w połączeniu z urządzeniem rentgenowskim μCT. Aparat powinien mieć te same główne funkcje, co konwencjonalny trójosiowy aparat uciskowy. Projekt powinien uwzględniać wymóg wielkości próbki, zakres naprężeń ograniczających i szybkości obciążenia.
    UWAGA: Aparat powinien mieścić się w urządzeniu rentgenowskim μCT i być lekki, aby ułatwić jego obracanie za pomocą stolika obrotowego. Komórka trójosiowa powinna być przezroczysta dla promieni rentgenowskich. Biorąc pod uwagę wymóg przezroczystości, do produkcji ogniwa trójosiowego można użyć akrylu i poliwęglanu.
  6. Przeprowadzić test przy tym samym ciśnieniu ograniczającym, prędkości ładowania i właściwościach próbki (tj. materiale, wielkości próbki i porowatości początkowej) poza tomografem rentgenowskim, aby zaplanować, kiedy należy wstrzymać ładowanie w celu skanowania CT.

2. Przeprowadzanie testów kompresji trójosiowej in situ

  1. Umieść trójosiowy sprzęt załadowczy i badany materiał na miejscu.
    UWAGA: Aparat załadowczy i urządzenie do wytwarzania ciśnienia ograniczającego (patrz Tabela materiałów) są umieszczone w pomieszczeniu tomografii rentgenowskiej, podczas gdy urządzenia do akwizycji i kontroli danych znajdują się na zewnątrz. Ładowanie trójosiowe i tomografia komputerowa próbki są następnie wykonywane poza pomieszczeniem skanowania.
  2. Zamocuj stopień podnoszenia na płycie urządzenia do mikrotomografii komputerowej rentgenowskiej (Rysunek 1B). Zamocuj odpowiednio stopień przechylania na stopniu podnoszenia i stopień obrotu na stoliku przechylania (Rysunek 1B).
    UWAGA: Stopień podnoszenia i stopień przechylania powinny mieć wystarczający udźwig, aby przesunąć umieszczony na nich odpowiedni sprzęt.
  3. Dostosuj położenie i orientację stolika obrotowego za pomocą stolika przechylającego w taki sposób, aby każde pojedyncze promieniowanie rentgenowskie przechodziło przez te same punkty w próbce, gdy jest obracane o 180 stopni wokół osi stolika obrotu.
    UWAGA: Kroki od 2.2 do 2.3 mają zastosowanie do urządzenia rentgenowskiego do mikrotomografii komputerowej w Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Szanghaju (SSRF). W przypadku mikrotomografii rentgenowskiej stosowanej specjalnie do badań trójosiowych in situ, etapy te można pominąć po starannym ustawieniu i zamocowaniu stopnia obrotu.
  4. Przygotuj próbkę gleby na tablicy zgodnie z poniższymi procedurami.
    1. Dodaj niewielką ilość smaru silikonowego wokół bocznej powierzchni górnego końca płyty podstawy i umieść porowaty kamień na jej górnej powierzchni. Umieść membranę wokół bocznej powierzchni górnego końca (Rysunek 2A).
    2. Dodać niewielką ilość smaru silikonowego na powierzchnie styku między dwiema częściami urządzenia do pobierania próbek i zablokować je. Umieść urządzenie do pobierania próbek na płycie podstawy i pozwól, aby membrana przez nią przeszła (Rysunek 2B).
    3. Wytworzyć ssanie (np. 25 kPa) wewnątrz urządzenia do pobierania próbek przez jego dyszę za pomocą pompy próżniowej. Przymocuj membranę do bocznej powierzchni jej górnego końca. Upewnij się, że membrana jest przymocowana do wewnętrznej powierzchni urządzenia do pobierania próbek ( Rysunek 2C).
    4. Upuść badany materiał granulowany z pewnej wysokości do urządzenia do pobierania próbek za pomocą lejka, aż zostanie całkowicie wypełniony. Górna powierzchnia próbki gleby powinna znajdować się na tym samym poziomie, co górna krawędź urządzenia do pobierania próbek (Rysunek 2D).
    5. Umieść kolejny porowaty kamień na próbce gleby, a na wierzchu porowatego kamienia płytkę poduszkową ze stali nierdzewnej. Nałóż trochę smaru silikonowego na boczną powierzchnię płyty poduszki. Zdejmij górną stronę membrany z urządzenia do pobierania próbek i przymocuj ją do płytki amortyzującej (Rysunek 2E).
    6. Usuń ssanie z dyszy urządzenia do pobierania próbek i wytwórz ssanie wewnątrz zaworu na płycie podstawy. Na koniec wyjmij maszynę do próbki. Wytwarzana jest miniaturowa sucha próbka, jak widać na Rysunek 2F.
      UWAGA: Ten krok demonstruje procedurę wytwarzania miniaturowej próbki gleby przy użyciu metody pluwiacji powietrza. Do produkcji próbki można również zastosować tradycyjną metodę zagęszczania na sucho.
  5. Zamocuj komórkę ograniczającą na płycie podstawy i zamocuj górną płytę komory na górze komory ograniczającej (Rysunek 1C).
  6. Zamocuj wałek tłokowy ogniwa na górnej płycie komory ( Rysunek 1C).
  7. Umieść płytę podstawy razem z komorą ograniczającą i płytą górną komory na stoliku obrotowym. Ramka służy do regulacji wysokości próbki do tomografii komputerowej (Rysunek 1B).
    UWAGA: Ta rama jest używana ze względu na ograniczony zakres ruchu stopnia podnoszenia w SSRF. Nie ma potrzeby stosowania ramy, jeśli używany jest stopień podnoszenia o dużym zakresie ruchu.
  8. Resztę aparatu załadowczego umieścić na górnej płycie komory.
  9. Zainstaluj liniowy zmienny transformator różnicowy (LVDT), ogniwo obciążnikowe i silnik krokowy i aktywuj je (Rysunek 1C).
  10. Napełnij celę odpowietrzeną wodą przez zawór ciśnieniowy ogniwa (CP) (patrz Rysunek 1C) używając wody dostarczanej z urządzenia do oferowania ciśnienia ograniczającego (patrz Tabela materiałów). Zamknij zawór odpływu wody (WE) (patrz Rysunek 1C), gdy woda zacznie wypływać z zaworu.
    UWAGA: Ustaw urządzenie oferujące ciśnienie ograniczające na tryb stałego ciśnienia z bardzo niską stałą wartością ciśnienia (np. 10 kPa).
  11. Dodać do próbki stałe ciśnienie ograniczające wynoszące 25 kPa i usunąć ssanie wewnątrz próbki.
  12. Stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające do wcześniej określonej wartości za pomocą urządzenia do oferowania ciśnienia ograniczającego.
  13. Przeprowadzić pierwsze skanowanie próbki. W przypadku tomografu komputerowego o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (np. o rozmiarze piksela 6,5 μm) pełne skanowanie próbki (np. o wysokości 16 mm) zwykle wymaga zeskanowania próbki na kilku różnych wysokościach (tj. skan jest podzielony na kilka sekcji).
    UWAGA: Jeśli używany jest detektor o niskiej rozdzielczości przestrzennej i próbka o małym rozmiarze, obszar skanowania może być wystarczający do uzyskania skanu pełnego pola próbki przy użyciu jednego przekroju.
    1. Zeskanuj fragment próbki. Ustaw tomograf komputerowy w trybie przechwytywania obrazu, a następnie rozpocznij etap rotacji, aby obrócić całe urządzenie o 180 stopni z ustaloną stałą szybkością obrotu (np. 3.33 stopnia/s), aby uchwycić projekcje CT próbki pod różnymi kątami.
      UWAGA: Sugeruje się, aby próbka była skanowana od dołu do góry (tj. pierwsza sekcja zawiera wszystkie cząstki znajdujące się na dnie próbki).
    2. Wyłącz tryb przechwytywania obrazu po zakończeniu obracania. Obróć urządzenie z powrotem do pozycji wyjściowej.
    3. Podnieś próbkę wraz z całym aparatem do góry za pomocą stopnia podnoszącego (Rysunek 1B) o określoną wysokość (np. 4 mm) w celu zeskanowania następnej sekcji próbki.
      UWAGA: Podnoszenie powinno zapewnić, że bieżąca sekcja i ostatnia sekcja nakładają się na siebie (tj. występuje nakładanie się dowolnych dwóch kolejnych sekcji). Zakładka powinna wynosić co najmniej 10 pikseli, aby ułatwić ich zszycie.
    4. Powtarzać kroki 2.13.1-2.13.3 aż do zeskanowania ostatniej sekcji próbki.
  14. Przykładać obciążenie osiowe do próbki ze stałą szybkością obciążenia. W tym badaniu zastosowano szybkość ładowania 0,2%/min. Użytkownicy mogą ustawić inną szybkość ładowania zgodnie z wymaganiami eksperymentu.
  15. Wstrzymaj obciążenie osiowe przy wcześniej określonym odkształceniu osiowym. Poczekaj, aż zmierzona siła osiowa osiągnie stałą wartość (zwykle w ciągu 2 minut) i przeprowadź następne skanowanie. Procedury skanowania są takie same, jak pokazano w kroku 2.13.
  16. Powtarzaj kroki 2.14 i 2.15 aż do końca ładowania.
  17. Rozładować test i usunąć próbkę z aparatu trójosiowego.
  18. Zamontuj płytę podstawy i komórkę ograniczającą na stoliku obrotowym, aby uzyskać kilka płaskich projekcji (zwykle 10 projekcji) z detektora. Wyłącz źródło promieniowania rentgenowskiego, aby uzyskać taką samą liczbę ciemnych projekcji z detektora.
    UWAGA: Płaskie i ciemne projekcje są używane do odzyskiwania fazowego surowych projekcji CT. Zastosowanie korekcji płaskiej i ciemnej zwiększa kontrast między próbką a otaczającym tłem w zrekonstruowanych wycinkach tomografii komputerowej. Pomaga również złagodzić artefakty pierścieniowe wynikające z wadliwych pikseli detektora.

3. Przetwarzanie i analiza obrazu

  1. Przetwarzanie obrazu
    1. Zaimplementuj pobieranie fazowe (Rysunek 3B) surowych projekcji CT (Rysunek 3A) próbki za pomocą wolnego oprogramowania PITRE34. Załaduj projekcje (w tym płaskie i ciemne) do PITRE z menu Załaduj obraz. Kliknij ikonę PPCI. Wprowadź odpowiednie parametry skanowania i kliknij przycisk Pojedyncza, aby zaimplementować pobieranie fazy.
      UWAGA: Implementacja odzyskiwania faz zapewnia poprawę interfejsów między różnymi fazami (tj. fazą pustki i fazą stałą) w zrekonstruowanych warstwach CT, co ma istotne znaczenie dla późniejszej analizy obrazowej kontaktów międzycząsteczkowych.
    2. Zrekonstruuj wycinki CT próbki za pomocą PITRE na podstawie projekcji CT po pobraniu fazy (Rysunek 3C). Załaduj projekcje do PITRE z menu Załaduj obraz. Kliknij ikonę ProjSino. Wprowadź odpowiednie parametry w wyświetlonym oknie i kliknij Pojedynczy, aby zrekonstruować wycinek CT.
      UWAGA: Sprawdź poziome plasterki, aby upewnić się, że nie ma ciężkich artefaktów utwardzania wiązki lub artefaktów pierścieniowych. W przeciwnym razie wymagana jest zmiana aktualnych parametrów skanowania i ponowne zeskanowanie próbki. Sprawdź pionowe plasterki. Jeśli próbka zostanie mocno przechylona przed ścinaniem, test uważa się za nieudany.
    3. Zaimplementuj filtrowanie obrazów w wycinkach CT. Anizotropowy filtr dyfuzyjny służy do filtrowania obrazu (Rysunek 3D).
    4. Wykonaj binaryzację obrazu na przefiltrowanych wycinkach CT. Zaimplementuj binaryzację obrazu (Rysunek 3E), stosując próg wartości intensywności do wycinków CT, który jest określany zgodnie z histogramem intensywności wycinków CT przy użyciu metody Otsu35.
      UWAGA: W przypadku wycinków CT z histogramem intensywności w skali szarości wykazującym znaczne nakładanie się intensywności między fazą stałą a fazą pustki, wymagana jest walidacja binaryzacji obrazu przy użyciu masy fazy stałej36.
    5. Oddziel pojedyncze cząstki od binaryzowanych wycinków CT za pomocą algorytmu zlewni opartego na markerze i zapisz wyniki na obrazie oznaczonym w 3D (Rysunek 3F). Zatwierdzić wyniki, porównując obliczony rozkład wielkości cząstek z obrazu CT z rozkładem z testu przesiewania mechanicznego.
      UWAGA: Do realizacji tego algorytmu można wykorzystać moduł Separate Objects oprogramowania Avizo Fire. Usuń porowate kamienie z binaryzowanych warstw antyterrorystów za pomocą modułu Border Kill of Avizo Fire. Aby uzyskać wiarygodne wyniki separacji cząstek, czytelnicy powinni wypróbować różne algorytmy segmentacji cząstek37,38,39.
  2. Analiza obrazu
    1. Wyodrębnij właściwości cząstek z oznaczonego obrazu. Skrypt MATLAB służy do wyodrębniania właściwości cząstek, w tym objętości cząstek, pola powierzchni cząstek, orientacji cząstek i współrzędnych środka ciężkości cząstek.
      UWAGA: Wewnętrzne funkcje MATLAB regionprops, bwprim i pca są używane do uzyskania tych właściwości każdej cząstki. Bardziej szczegółowy opis tych procedur można znaleźć w pracy Cheng i Wang28.
    2. Wyodrębnij woksele kontaktowe z binaryzowanych wycinków CT poprzez implementację operacji logicznej AND między binarnym obrazem warstw CT (Rysunek 4) a binarnym obrazem linii zlewiska uzyskanym w wyniku implementacji algorytmu zlewni opartego na markerach31.
      UWAGA: Nadmierne wykrywanie wokseli kontaktowych może wystąpić z powodu efektu częściowej głośności i losowego szumu obrazów CT40,41. Jednak niewielkie nadmierne wykrywanie kontaktów międzycząsteczkowych nie miałoby znaczącego wpływu na ogólny trend ewolucji zachowań kontaktów międzycząsteczkowych42.

4. Badanie mechanicznego zachowania gleb w skali ziarna oparte na obrazie CT

UWAGA: Poniższa analiza oparta na obrazie nie ma zastosowania do idealistycznie sferycznych cząstek lub próbek o bardzo wąskich zakresach gradacji (np. próbek monodyspersyjnych). Jednak w przypadku cząstek o dużej okrągłości i słabej gradacji (np. kulki szklane o średnicy 0,3 ~ 0,6 mm) metodologia daje dobre wyniki (patrz Cheng i Wang31).

  1. Określić ilościowo kinematykę cząstek próbki. Użyj metody śledzenia cząstek, aby śledzić poszczególne cząstki w próbce przy różnych skanach w oparciu o objętość cząstek lub powierzchnię cząstek. Szczegółowy opis tej metody znajduje się w Cheng and Wang28.
    1. Oblicz translację każdej cząstki podczas dowolnych dwóch kolejnych skanów. Oblicza się ją jako różnicę we współrzędnych środka ciężkości cząstek między dwoma skanami.
    2. Określ kąt obrotu każdej cząstki zgodnie z różnicą w jej orientacjach głównych osi głównych między dwoma skanami.
  2. Określić ilościowo pole odkształcenia próbki. Użyj metody opartej na siatce, aby obliczyć pole odkształcenia podczas dowolnych dwóch kolejnych skanów w oparciu o translację cząstek i rotację cząstek.
    UWAGA: Metoda wymaga oznaczonych obrazów próbki zarówno ze skanów, jak i wyników kinematyki cząstek. Czytelnicy są odsyłani do poprzedniego worka24 w celu uzyskania szczegółowego opisu.
  3. Przeanalizuj ewolucję kontaktu międzycząsteczkowego próbki. Na podstawie wyodrębnionych wokseli kontaktowych, oznaczonych obrazów cząstek i wyników śledzenia cząstek, przeanalizuj orientację wektora rozgałęzień utraconych kontaktów i uzyskanych kontaktów w próbce podczas każdego przyrostu ścinania.
    UWAGA: Pełny opis tej metody znajduje się w Cheng and Wang31.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

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...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

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...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

To badanie było wspierane przez Ogólny Fundusz Badawczy nr. CityU 11213517 z Rady Grantów Badawczych Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkong, Grant Badawczy nr 51779213 z Narodowej Fundacji Nauki Chin oraz linia badawcza BL13W z Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Ograniczające urządzenie do wytwarzania ciśnieniaGDSSTDDPC
Odpowietrzenie wodyN/A N/AWoda odpowietrzeniona w laboratorium
Leighton Buzzard piasekSztuczna trawa CambridgeOdwodniony piasek przemysłowy 25 kgMoże być zastąpiony różnymi glebami
Miniaturowe trójosiowe urządzenie ładująceN/AN/AMiniaturowe urządzenie ładujące jest specjalnie produkowane przez autorzy
Smar silikonowyRS firmaRS 494-124
Promieniowanie synchrotronowe Konfiguracja mikro CT promieniowania rentgenowskiegoShanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)13W1Testy trójosiowe są przeprowadzane na linii wiązki BL13W pompy próżniowej SSRF
Hong Kong Labware Co., ltd.Kołyska 300

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 (1), 79-95 (1992).
  3. Iwashita, K., Oda, M. Rolling resistance at contacts in simulation of shear band development by DEM. Journal of Engineering Mechanics. 124 (3), 285-292 (1998).
  4. Jiang, M. J., Yu, H. S., Harris, D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistance. Computers and Geotechnics. 32 (5), 340-357 (2005).
  5. Ai, J., Chen, J. F., Rotter, J. M., Ooi, J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations. Powder Technology. 206 (3), 269-282 (2011).
  6. Zhou, B., Huang, R., Wang, H., Wang, J. DEM investigation of particle anti-rotation effects on the micromechanical response of granular materials. Granular Matter. 15 (3), 315-326 (2013).
  7. Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
  8. Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
  9. Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
  10. Wiącek, J., Molenda, M., Horabik, J., Ooi, J. Y. Influence of grain shape and intergranular friction on material behavior in uniaxial compression: Experimental and DEM modeling. Powder Technology. , 435-442 (2012).
  11. Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
  12. Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
  13. Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
  14. Konagai, K., Tamura, C., Rangelow, P., Matsushima, T. Laser-aided tomography: a tool for visualization of changes in the fabric of granular assemblage. Structural Engineering/Earthquake Engineering. 9 (3), 193-201 (1992).
  15. Johns, R. A., Steude, J. S., Castanier, L. M., Roberts, P. V. Nondestructive measurements of fracture aperture in crystalline rock cores using X ray computed tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 98 (2), 1889-1900 (1993).
  16. Ohtani, T., Nakano, T., Nakashima, Y., Muraoka, H. Three-dimensional shape analysis of miarolitic cavities and enclaves in the Kakkonda granite by X-ray computed tomography. Journal of Structural Geology. 23 (11), 1741-1751 (2001).
  17. Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
  18. Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using directional parameters. Géotechnique. 63 (6), 487-499 (2013).
  19. Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using scalar parameters. Géotechnique. 63 (10), 818-829 (2013).
  20. Desrues, J., Chambon, R., Mokni, M., Mazerolle, F. Void ratio evolution inside shear bands in triaxial sand specimens studied by computed tomography. Géotechnique. 46 (3), 529-546 (1996).
  21. Lenoir, N., Bornert, M., Desrues, J., Bésuelle, P., Viggiani, G. Volumetric digital image correlation applied to X-ray microtomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock. Strain. 43 (3), 193-205 (2007).
  22. Higo, Y., Oka, F., Sato, T., Matsushima, Y., Kimoto, S. Investigation of localized deformation in partially saturated sand under triaxial compression using microfocus X-ray CT with digital image correlation. Soils and Foundations. 53 (2), 181-198 (2013).
  23. Alikarami, R., Andò, E., Gkiousas-Kapnisis, M., Torabi, A., Viggiani, G. Strain localisation and grain breakage in sand under shearing at high mean stress: insights from in situ X-ray tomography. Acta Geotechnica. 10 (1), 15-30 (2015).
  24. Cheng, Z., Wang, J. Quantification of the strain field of sands based on X-ray micro-tomography: A comparison between a grid-based method and a mesh-based method. Powder Technology. , 314-334 (2019).
  25. Hall, S. A., Bornert, M., Desrues, J., Pannier, Y., Lenoir, N., Viggiani, G., Bésuelle, P. Discrete and continuum analysis of localised deformation in sand using X-ray μCT and volumetric digital image correlation. Géotechnique. 60 (5), 315-322 (2010).
  26. Andò, E., Hall, S. A., Viggiani, G., Desrues, J., Bésuelle, P. Grain-scale experimental investigation of localised deformation in sand: a discrete particle tracking approach. Acta Geotechnica. 7 (1), 1-13 (2012).
  27. Watanabe, Y., Lenoir, N., Otani, J., Nakai, T. Displacement in sand under triaxial compression by tracking soil particles on X-ray CT data. Soils and Foundations. 52 (2), 312-320 (2012).
  28. Cheng, Z., Wang, J. A particle-tracking method for experimental investigation of kinematics of sand particles under triaxial compression. Powder Technology. 328, 436-451 (2018).
  29. Matsushima, T., Katagiri, J., Uesugi, K., Nakano, T., Tsuchiyama, A. Micro X-ray CT at Spring-8 for granular mechanics. Soil Stress-Strain Behavior: Measurement, Modeling and Analysis. A Collection of Papers of the Geotechnical Symposium in Rome. 146, 225-234 (2006).
  30. Andò, E., Viggiani, G., Hall, S. A., Desrues, J. Experimental micro-mechanics of granular media studied by X-ray tomography: recent results and challenges. Géotechnique Letters. 3, July-September 142-146 (2013).
  31. Cheng, Z., Wang, J. Experimental investigation of inter-particle contact evolution of sheared granular materials using X-ray micro-tomography. Soils and Foundations. 58 (6), 1492-1510 (2018).
  32. Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Ooi, J. Y., Viggiani, G. Evolution of deformation and breakage in sand studied using X-ray tomography. Géotechnique. , 1-11 (2017).
  33. Cheng, Z., Wang, J. F., Coop, M. R., Ye, G. L. A miniature triaxial apparatus for investigating the micromechanics of granular soils with in-situ X-ray micro-tomography scanning. Frontiers of Structural and Civil Engineering. , (2019).
  34. Chen, R. C., Dreossi, D., Mancini, L., Menk, R., Rigon, L., Xiao, T. Q., Longo, R. PITRE: software for phase-sensitive X-ray image processing and tomography reconstruction. Journal of Synchrotron Radiation. 19 (5), 836-845 (2012).
  35. Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
  36. Karatza, Z. Study of temporal and spatial evolution of deformation and breakage of dry granular materials using X-ray computed tomography and the discrete element method. , University of Edinburgh. PhD Thesis (2017).
  37. Shi, Y., Yan, W. M. Segmentation of irregular porous particles of various sizes from X-ray microfocus computer tomography images using a novel adaptive watershed approach. Géotechnique Letters. 5 (4), 299-305 (2015).
  38. Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
  39. Lai, Z., Chen, Q. Reconstructing granular particles from X-ray computed tomography using the TWS machine learning tool and the level set method. Acta Geotechnica. 14 (1), 1-18 (2019).
  40. Wiebicke, M., Andò, E., Herle, I., Viggiani, G. On the metrology of interparticle contacts in sand from x-ray tomography images. Measurement Science and Technology. 28 (12), 1-14 (2017).
  41. Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Viggiani, G., Ooi, J. Y. Effect of particle morphology and contacts on particle breakage in a granular assembly studied using X-ray tomography. Granular Matter. 21 (3), 1-13 (2019).
  42. Cheng, Z. Investigation of the grain-scale mechanical behavior of granular soils under shear using X-ray micro-tomography. , City University of Hong Kong. PhD Thesis (2018).
  43. Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
  44. Kruyt, N. P., Rothenburg, L. Probability density functions of contact forces for cohesionless frictional granular materials. International Journal of Solids and Structures. 39 (3), 571-583 (2002).
  45. Marketos, G., Bolton, M. D. Quantifying the extent of crushing in granular materials: a probability-based predictive method. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 55 (10), 2142-2156 (2007).
  46. Cheng, Z., Wang, J. Quantification of particle crushing in consideration of grading evolution of granular soils in biaxial shearing: A probability-based model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 42 (3), 488-515 (2018).
  47. Zhou, B., Wang, J., Wang, H. A new probabilistic approach for predicting particle crushing in one-dimensional compression of granular soil. Soils and Foundations. 54 (4), 833-844 (2014).
  48. Geng, J., Reydellet, G., Clément, E., Behringer, R. P. Green's function measurements of force transmission in 2D granular materials. Physica D: Nonlinear Phenomena. 182, 274-303 (2003).
  49. Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079(2005).
  50. Hurley, R. C., Hall, S. A., Andrade, J. E., Wright, J. Quantifying interparticle forces and heterogeneity in 3D granular materials. Physical Review Letters. 117 (9), 098005(2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Synchrotron X Ray Micro TomographyGranular SoilsParticle KinematicsStrain LocalizationInter Particle Contact EvolutionTriaxial CompressionMiniature Loading ApparatusCT Image ReconstructionParticle TrackingContact Foxholes

Powiązane artykuły