Visualização da falha e do comportamento mecânico da escala de grãos associado de solos granulares cisalhamento usando microtomografia de raios X de síncrotron

Summary

O protocolo descreve procedimentos para adquirir imagens de tomografia computadorizada (TC) de alta resolução espacial de um solo granular durante a compressão triaxial, e aplicar técnicas de processamento de imagem a essas imagens de TC para explorar o comportamento mecânico em escala de grãos de o solo carga.

Abstract

O rápido desenvolvimento de técnicas de imagiologia por raios X com habilidades de processamento e análise de imagem permitiu a aquisição de imagens tomográficas de solos granulares com resoluções de alto espaço. Baseado em tais imagens do CT, o comportamento mecânico da grão-escala tal como a cinemática da partícula (isto é, traduções da partícula e rotações da partícula), a localização da tensão e a evolução do contato da Inter-partícula de solos granulados podem ser investigados quantitativamente. No entanto, isso é inacessível usando métodos experimentais convencionais. Este estudo demonstra a exploração do comportamento mecânico da grão-escala de uma amostra granular do solo a compressão triaxial usando o microtomography do raio X do síncrotron (μct). Com este método, um instrumento de carregamento em miniatura especialmente fabricado é usado para aplicar tensões axiais e confinantes à amostra durante o teste triaxial. O aparelho é cabido em uma instalação do tomography do raio X do síncrotron de modo que as imagens High-Spatial da definição CT da amostra possam ser coletadas em estágios de carregamento diferentes do teste sem nenhum distúrbio à amostra. Com a capacidade de extrair informações na escala macro (por exemplo, tensões de limite de amostra e cepas da configuração do aparelho triaxial) e a escala de grãos (por exemplo, movimentos de grãos e interações de contato das imagens de TC), este procedimento fornece uma metodologia eficaz para investigar a mecânica multiescala de solos granulares.

Introduction

É amplamente reconhecido que as propriedades mecânicas de macro escala do solo granular, como rigidez, resistência ao cisalhamento e permeabilidade, são críticas para muitas estruturas geotécnicas, por exemplo, fundações, encostas e barragens de aterro. Durante muitos anos, testes no local e testes laboratoriais convencionais (por exemplo, testes unidimensionais de compressão, testes de compressão triaxial e testes de permeabilidade) têm sido utilizados para avaliar essas propriedades em diferentes solos. Os códigos e as normas para testar as propriedades mecânicas do solo também foram desenvolvidos para fins de engenharia. Embora essas propriedades mecânicas em escala de macro tenham sido intensivamente estudadas, o comportamento mecânico em escala de grãos (por exemplo, cinemática de partículas, interação de contato e localização de deformação) que rege essas propriedades tem atraído muito menos atenção do engenheiros e pesquisadores. Uma razão é a falta de métodos experimentais eficazes disponíveis para explorar o comportamento mecânico da grão-escala dos solos.

Até agora, a maior parte da compreensão do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares vem da modelagem discreta de elementos¹ (DEM), devido à sua capacidade de extrair informações em escala de partícula (por exemplo, cinemática de partículas e contato de partículas forças armadas). Em estudos anteriores do uso de técnicas DEM para modelar comportamentos mecânicos do solo granular, cada partícula individual foi simplesmente representada por um único círculo ou esfera no modelo. O uso de tais formas de partícula over-simplificadas conduziu à excesso-rotação das partículas e desse modo um comportamento mais baixo da força do pico². Para alcançar um melhor desempenho de modelagem, muitos investigadores usaram um^{modelo de resistência}ao rolamento^3,4,5,6 ou^{formas de partículas}irregulares^{7,8, 9,10,11,12} em suas simulações DEM. Como resultado, uma compreensão mais realista do comportamento cinemática das partículas foi adquirida. Além da cinemática de partículas, o DEM tem sido cada vez mais utilizado para investigar a interação de contato com grãos e desenvolver modelos teóricos. No entanto, devido à exigência de reproduzir formas de partículas reais e o uso de modelos de contato sofisticados, o DEM requer capacidade computacional extremamente alta na modelagem de solos granulares com formas irregulares.

Recentemente, o desenvolvimento de equipamentos ópticos e técnicas de imagem (por exemplo, o microscópio, tomografia assistida por laser, tomografia computadorizada de raios X (TC) e microtomografia de raios-X (μCT)) tem proporcionado muitas oportunidades para o exame experimental do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares. Através da aquisição e análise de imagens de amostras de solos antes e após o teste triaxial, tais equipamentos e técnicas têm sido utilizados na investigação de microestruturas do solo^{13,14,15,16 ,17,18,19}. Mais recentemente, testes in situ com TC de raios X ou μct têm sido cada vez mais utilizados para investigar a evolução da relação nula²⁰, distribuição de estirpe^21,22,23,24, movimento de^{partículas 25,26,27,28}, contato entre partículas^29,30,31 e esmagamento de partículas³² de solos granulares. Aqui, "in situ" implica a varredura do raio X conduzida ao mesmo tempo que carregando. Em contraste com a varredura geral do raio X, os testes de varredura in situ do raio X exigem um instrumento de carregamento especialmente fabricado para entregar tensões às amostras do solo. Com o uso combinado do instrumento do carregamento e do dispositivo do raio X CT ou do μCT, as imagens do CT das amostras em estágios diferentes do carregamento dos testes podem ser adquiridas não-destrutiva. Com base nestas imagens do CT, as observações da partícula-escala do comportamento granulado do solo podem ser adquiridas. Estas observações de nível de partícula baseadas em imagem do CT são extremamente úteis verificar resultados numéricos e ganhar introspecções novas no comportamento mecânico da grão-escala de solos granulados.

Este artigo tem como objetivo compartilhar os detalhes de como um teste de varredura in situ de raios X de uma amostra de solo pode ser realizado, utilizando um experimento exemplar que observa cinemática de partículas, localização de deformação e evolução do contato entre partículas dentro de uma amostra de solo. Os resultados mostram que os testes de varredura in situ do raio X têm um grande potencial explorar o comportamento do grão-nível de solos granulados. O protocolo abrange a escolha do dispositivo de raios-X μCT e a preparação de um aparelho de carregamento triaxial em miniatura, e procedimentos detalhados para realizar o teste são fornecidos. Além disso, as etapas técnicas para o uso de processamento e análise de imagens para quantificar a cinemática de partículas (i.e., tradução de partículas e rotação de partículas), localização de deformação e evolução do contato entre partículas (i.e., ganho de contato, perda de contato e movimento de contato) do solo são descritos.

Protocol

1. projetando o experimento com bastante antecedência

1. Determine o material de teste, o tamanho da partícula, o tamanho da amostra e a porosidade inicial.
   Nota: a areia de Leighton Buzzard com um diâmetro de 0,15 ~ 0,30 mm e um tamanho amostral de 8 x 16 mm (diâmetro x altura) é utilizada como exemplo para demonstrar o protocolo deste estudo. Outras areias como a areia de Fujian, a areia de Houston, a areia de Ottawa e os ooids de Caicos, etc. e tamanhos similares da amostra podem igualmente ser usados.
2. Escolha um detector apropriado (Figura 1a) deacordo com a resolução espacial exigida e a área de digitalização, que são determinadas de acordo com o tamanho de partícula predeterminado e o tamanho da amostra. Por exemplo, um detector com uma resolução espacial de 6,5 μm é usado neste estudo. Tem uma área de exploração eficaz de 2048 x 860 pixéis (isto é, 13.3 × 5,6 milímetros).
   Nota: durante um teste de compressão triaxial, a amostra deformada deve permanecer na região de digitalização do detector. Um detetor High-Spatial da definição deve ser usado de modo que as partículas individuais contenham voxels suficientes para a extração apropriada de propriedades da partícula.
3. Determine a energia necessária da fonte de raios-X (Figura 1a) e o tempo de exposição de acordo com o material de teste e o tamanho da amostra. Geralmente, uma energia mais elevada deve ser usada para uma amostra maior compor de um material mais denso. Use uma energia de raios-X de 25 keV e um tempo de exposição de 0, 5 s para as amostras de areia neste estudo.
   Nota: a energia do raio X e o tempo de exposição exigidos podem ser determinados pela experimentação e pelo erro usando uma projeção digitalizada da amostra. A proporção da intensidade mínima da escala cinzenta da projeção para o seu valor máximo não deve ser inferior a 0,2. Caso contrário, uma maior energia de raios-X ou maior tempo de exposição deve ser usado.
4. Determine a velocidade de rotação exigida ω (graus por segundo) para a fase de rotação (Figura 1a) do dispositivo de raio X. A velocidade de rotação ω é calculada de acordo com o número necessário de projeções N (por exemplo, N = 1.080) para a reconstrução da fatia de TC.
   Nota: ω = 180 V_s/N. Aqui, V_s é a velocidade de digitalização do dispositivo de raios-X, ou seja, o número de radiografias digitalizadas e gravadas por segundo. O V_s é afetado principalmente pelo desempenho do detector e pelo hardware associado ao detector, como o computador.
5. Fabricar um aparelho de carga triaxial (Figuras 1B, C, ver também referência 33) para ser utilizado em conjunto com o dispositivo de raios-X μct. O aparelho deve ter as mesmas funções principais que um aparelho convencional de compressão triaxial. O projeto deve considerar a exigência do tamanho da amostra, a escala de confinar tensões e taxas de carregamento.
   Nota: o aparelho deve poder caber no dispositivo do μCT do raio X e ser claro para facilitar sua rotação usando a fase da rotação. A célula triaxial deve ser transparente para raios-X. Considerando a exigência da transparência, o acrílico e o policarbonato puderam ser usados para fabricar a pilha triaxial.
6. Realize um teste com a mesma pressão confinante, velocidade de carregamento e propriedades da amostra (ou seja, material, tamanho da amostra e porosidade inicial) fora do scanner de TC de raios-X para planejar quando pausar o carregamento para a digitalização de TC.

2. realização de testes de compressão triaxial in situ

1. Coloque o equipamento de carregamento triaxial e o material de teste no local.
   Nota: o aparelho de carga e a pressão confinante que oferece o dispositivo (veja a tabela de materiais) são coloc na sala de varredura do CT do raio X, quando a aquisição de dados e os dispositivos controlando forem situados fora. O carregamento triaxial e a varredura do CT da amostra são operados então fora da sala de exploração.
2. Fixe um estágio de elevação na placa do micro dispositivo do CT do raio X (Figura 1B). Fixar um estágio de inclinação no estágio de elevação e um estágio de rotação no estágio de inclinação, respectivamente (Figura 1B).
   Nota: o estágio de elevação e o estágio de inclinação devem ter capacidade de carga suficiente para mover o equipamento relevante colocado sobre eles.
3. Ajuste a posição e a orientação do estágio de rotação através do estágio de inclinação de modo que qualquer único raio-X passe pelos mesmos pontos dentro da amostra quando ele é girado em 180 graus em torno do eixo do estágio de rotação.
   Nota: as etapas 2,2 a 2,3 são aplicáveis ao micro dispositivo do CT do raio X no centro de radiação de Synchrotron de Shanghai (SSRF). Para os micro dispositivos do CT do raio X usados especificamente para o teste triaxial in situ, estas etapas podem ser omitidas após o posicionamento e a fixação cuidadosos do estágio da rotação.
4. Prepare uma amostra de solo no tabuleiro de acordo com os seguintes procedimentos.
   1. Adicione uma pequena quantidade de graxa de silicone em torno da superfície lateral da extremidade superior da placa de base e coloque uma pedra porosa em sua superfície superior. Coloque uma membrana em torno da superfície lateral da extremidade superior (Figura 2a).
   2. Adicione uma pequena quantidade de graxa de silicone nas superfícies de contato entre as duas partes do fabricante da amostra e bloqueie-a. Coloque o fabricante da amostra na placa de base e deixe que a membrana passe por ela (Figura 2B).
   3. Crie a sucção (por exemplo, 25 kPa) dentro do fabricante da amostra através de seu bocal usando uma bomba de vácuo. Fixe a membrana à superfície lateral da extremidade superior. Assegure-se de que a membrana esteja unida à superfície interna do fabricante da amostra (Figura 2C).
   4. Descarte o material granular de teste de uma determinada altura no fabricante de amostra usando um funil até que ele esteja completamente preenchido. A superfície superior da amostra de solo deve ser o mesmo nível que a borda superior do fabricante da amostra (Figura 2D).
   5. Coloc uma outra pedra porosa sobre a amostra do solo, e uma placa do coxim do inoxidável-aço sobre a pedra porosa. Aplique alguma graxa do silicone em torno da superfície lateral da placa do coxim. Retire o lado superior da membrana do fabricante da amostra e fixe-o na placa de almofada (Figura 2e).
   6. Remova a sucção dentro do bocal do fabricante da amostra e crie a sucção dentro da válvula na placa baixa. Finalmente, remova o fabricante da amostra. Uma amostra seca em miniatura é produzida, como visto na Figura 2F.
      Nota: esta etapa demonstra o procedimento de produzir uma amostra diminuta do solo usando o método da pluviação do ar. O método tradicional da compactação seca pode igualmente ser usado para produzir a amostra.
5. Fixar a célula confinante na placa de base e fixar a placa superior da câmara na parte superior da célula confinante (Figura 1C).
6. Fixar o eixo do pistão da célula na placa superior da câmara (Figura 1C).
7. Posicione a placa de base juntamente com a célula confinante e a placa superior da câmara na fase de rotação. Um frame é usado para ajustar a altura da amostra para a exploração do CT (Figura 1B).
   Nota: Este frame é usado devido à escala limitada do movimento do estágio de levantamento em SSRF. Não há nenhuma necessidade de usar um frame se um estágio de levantamento com uma grande escala do movimento for usado.
8. Fixe o resto do aparelho de carga na placa superior da câmara.
9. Instale o transformador diferencial variável linear (LVDT), a célula de carga e o motor de piso e ative-os (Figura 1C).
10. Encha a pilha com a água de-arejada através da válvula da pressão de pilha (CP) (veja Figura 1C) usando a água fornecida de um dispositivo de oferecimento da pressão confinando (veja a tabela dos materiais). Feche a válvula de saída de água (We) (ver Figura 1C) quando a água começa a fluir para fora da válvula.
    Nota: defina o dispositivo de oferta de pressão confinante no modo de pressão constante com um valor de pressão constante muito baixo (por exemplo, 10 kPa).
11. Adicione uma pressão confinante constante de 25 kPa à amostra e retire a sucção dentro da amostra.
12. Aumente gradualmente a pressão confinando a um valor pre-determinado usando o dispositivo de oferecimento da pressão confinando.
13. Realize a primeira varredura da amostra. Para um scanner de TC de alta resolução espacial (por exemplo, com um tamanho de pixel de 6,5 μm), uma varredura completa da amostra (por exemplo, com uma altura de 16 mm) geralmente requer que a amostra seja digitalizada em várias alturas diferentes (ou seja, a digitalização é dividida em várias seções).
    Observação: se um detector de baixa resolução espacial e uma amostra de tamanho pequeno forem usados, a área de digitalização poderá ser suficiente para adquirir uma varredura de campo completo da amostra usando uma única seção.
    1. Digitalizar uma seção da amostra. Ajuste o varredor do CT ao modo da captação da imagem e comece então o estágio da rotação para girar o instrumento inteiro através de 180 graus em uma taxa de rotação constante pre-determinada (por exemplo, 3,33 graus/s) para capturar projeções do CT da amostra em ângulos diferentes.
       Nota: sugere-se que a amostra é digitalizada a partir de sua parte inferior para cima (ou seja, a primeira seção contém todas as partículas localizadas na parte inferior da amostra).
    2. Desative o modo de captura de imagem quando a rotação for concluída. Gire o aparelho de volta para a posição inicial.
    3. Levante a amostra juntamente com todo o aparelho usando o estágio de elevação (Figura 1B) por uma determinada altura (por exemplo, 4 mm) para digitalizar a próxima seção da amostra.
       Observação: o levantamento deve garantir que haja uma sobreposição entre a seção atual e a última seção (ou seja, há uma sobreposição entre duas seções consecutivas). A sobreposição deve ser de pelo menos 10 pixels para facilitar a costura deles.
    4. Repita as etapas 2.13.1-2.13.3 até que a última seção do exemplo seja digitalizada.
14. Aplique uma carga axial na amostra com uma taxa de carregamento constante. Aqui, uma taxa de carregamento de 0,2%/min é usada neste estudo. Os usuários podem definir uma taxa de carregamento diferente de acordo com a exigência de experimento.
15. Pause o carregamento axial em uma cepa axial pré-determinada. Aguarde até que a força axial medida atinja um valor constante (geralmente dentro de 2 min) e realize a próxima varredura. Os procedimentos de digitalização são os mesmos demonstrados na etapa 2,13.
16. Repita as etapas 2,14 e 2,15 até o final do carregamento.
17. Descarregue o teste e retire a amostra do aparelho triaxial.
18. Instale a placa de base e a célula confinante no estágio de rotação para adquirir várias projeções planas (geralmente 10 projeções) do detector. Desligue a fonte de raios-X para adquirir o mesmo número de projeções escuras do detector.
    Nota: projeções planas e escuras são usadas para a recuperação de fase de projeções de TC RAW. A aplicação da correção Lisa e escura realça o contraste entre a amostra e o fundo circunvizinho nas fatias reconstruídas do CT. Também ajuda a aliviar os artefatos de anel resultantes de pixels defeituosos do detector.

3. processamento e análise de imagens

1. Processamento de imagem
   1. Implementar a recuperação de fase (Figura 3B) de projeções RAW CT (Figura 3a) da amostra utilizando o software livre Pitre³⁴. Projecções de carga (incluindo as projecções planas e escuras) no PITRE a partir da imagem de carregamentodo menu. Clique no ícone Ppci. Insira os parâmetros de digitalização relevantes e clique em único para implementar a recuperação de fase.
      Nota: a implementação da recuperação de fase proporciona o aprimoramento das interfaces entre as diferentes fases (ou seja, a fase nula e a fase sólida) nas fatias de TC reconstruídas, o que é de importância significativa para a subsequente análise baseada em imagem de contatos entre partículas.
   2. Reconstruir as fatias de TC da amostra utilizando PITRE com base nas projeções tomográficas após a recuperação da fase (Figura 3C). Carregue as projeções no PITRE a partir da imagem de carregamentodo menu. Clique no ícone Projsino. Insira os parâmetros relevantes na janela exibida e clique em único para reconstruir uma fatia de TC.
      Nota: Verifique as fatias horizontais para garantir que não existam artefatos de endurecimento de feixe pesado ou artefactos de anel. Caso contrário, é necessário alterar os parâmetros de digitalização atuais e o Rescan da amostra. Verifique as fatias verticais. Se a amostra for severamente inclinada antes da tesoura, o teste é considerado sem êxito.
   3. Implemente a filtragem de imagens nas fatias de TC. Um filtro de difusão anisotrópico é usado para executar a filtragem de imagem (Figura 3D).
   4. Executar a binarização da imagem nas fatias de TC filtradas. Implementar a binarização da imagem (Figura 3E) aplicando um limiar de valor de intensidade para as fatias de TC, que é determinada de acordo com o histograma de intensidade das fatias de TC usando o método de Otsu³⁵.
      Nota: para as fatias de TC com um histograma de intensidade em escala cinzenta exibindo uma sobreposição significativa de intensidades entre a fase sólida e a fase nula, é necessária uma validação da binarização da imagem utilizando a massa da fase sólida³⁶.
   5. Separe as partículas individuais das fatias de TC binarizadas usando um algoritmo de divisor de águas baseado em marcadores e armazene os resultados em uma imagem rotulada em 3D (Figura 3F). Valide os resultados comparando a distribuição de tamanho de partícula calculada da imagem de TC com as de um teste de peneiramento mecânico.
      Nota: o módulo separar objetos do software Avizo Fire pode ser usado para implementar este algoritmo. Remova as pedras porosas das fatias binarizadas do CT usando a beira do módulo matança do fogo de Avizo. Para adquirir um resultado confiável de separação de partículas, os leitores são sugeridos para tentar diferentes algoritmos de segmentação de partículas^37,38,39.
2. Análise de imagem
   1. Extraia as propriedades das partículas da imagem rotulada. Um script MATLAB é usado para extrair propriedades de partículas, incluindo volume de partículas, área de superfície de partícula, orientação de partículas e coordenadas centróides de partículas.
      Observação: as funções intrínsecas do MATLAB regionprops, bwprim e PCA são usadas para adquirir essas propriedades de cada partícula. Uma descrição mais detalhada destes procedimentos pode ser encontrada no trabalho de Cheng e Wang²⁸.
   2. Extraia voxels do contato das fatias binarizadas do CT pela execução de uma operação lógica e entre a imagem binária das fatias do CT (Figura 4) e uma imagem binária das linhas bacia hidrográfica adquiridas da aplicação do marcador-baseado algoritmo da bacia hidrográfica³¹.
      Nota: o excesso de detecção de voxels de contato pode ocorrer devido ao efeito de volume parcial e ao ruído aleatório das imagens CT^40,41. No entanto, um ligeiro excesso de detecção de contatos entre partículas não teria efeitos significativos sobre a tendência geral do comportamento de evolução de contato entre partículas⁴².

4. exploração da TC baseada em imagem do comportamento mecânico em escala de grãos de solos

Nota: a seguinte análise baseada em imagem não é aplicável a partículas ou amostras Idealisticamente esféricas com faixas de nivelamento muito estreitas (i.e., amostras monodispersa). No entanto, para partículas com alta redondez e baixa classificação (por exemplo, 0,3 ~ 0.6 mm contas de vidro), a metodologia produz bons resultados (ver Cheng e Wang³¹).

1. Quantificar a cinemática de partículas da amostra. Use um método de rastreamento de partículas para rastrear partículas individuais dentro da amostra em diferentes varreduras com base em volume de partículas ou área de superfície de partícula. Uma descrição detalhada deste método é dada em Cheng e Wang²⁸.
   1. Calcule a tradução de cada partícula durante duas verificações consecutivas. É calculado como a diferença nas coordenadas centróides de partículas entre as duas varreduras.
   2. Determine o ângulo de rotação de cada partícula de acordo com a diferença em suas principais orientações do eixo principal entre as duas varreduras.
2. Quantifique o campo de deformação da amostra. Use um método baseado em grade para calcular o campo de deformação durante quaisquer duas verificações consecutivas com base na conversão de partículas e na rotação de partículas.
   Observação: o método requer as imagens rotuladas da amostra de ambas as varreduras e os resultados de cinemática de partícula. Os leitores são encaminhados para um trabalho anterior²⁴ para uma descrição detalhada.
3. Analise a evolução do contato entre partículas da amostra. Com base nos voxels de contato extraídos, nas imagens rotuladas de partículas e nos resultados de rastreamento de partículas, analise a orientação vetorial de ramificação dos contatos perdidos e os contatos obtidos dentro da amostra durante cada incremento de cisalhamento.
   Nota: uma descrição completa deste método é dada em Cheng e Wang³¹.

Results

A Figura 5 retrata os resultados da cinemática da partícula de uma amostra de areia de Leighton Buzzard (lbs) em uma fatia 2D durante dois incrementos típicos de cisalhamento, I e II. A maioria das partículas são controladas com sucesso e suas traduções e rotações são quantificadas seguindo o protocolo acima. Durante o primeiro incremento de cisalhamento, nem deslocamentos de partículas nem rotações de partículas mostram uma localização clara. No entanto, uma banda localizada é desenvolvida ...

Discussion

A alta resolução espacial de raios X micro-TC e técnicas avançadas de processamento e análise de imagens permitiram a investigação experimental do comportamento mecânico de solos granulares cisalhamento em níveis multiescala (i.e., em escala macro, meso-Scale e níveis de grão-escala). No entanto, as investigações de meso-e de grão-escala baseadas em TC requerem a aquisição de imagens de TC de alta resolução espacial de amostras de solo durante o carregamento. O aspecto mais desafiador deste processo é talvez a fabricação...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dispositivo de oferta de pressão confinante	GDS	STDDPC
Água desarejada	N/A	N/A	Água desarejada no laboratório
Areia de urubu Leighton	Grama artificial Cambridge	Areia industrial drenada 25 kg	Pode ser substituído por diferentes solos
Dispositivo de carregamento triaxial em miniatura	N/A	N/A	O dispositivo de carregamento em miniatura é especialmente fabricado pelo autores
Graxa de silicone	RS empresa	RS RS 494-124
Radiação síncrotron Micro CT setup Shanghai	Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)	13W1	O teste triaxial é realizado na linha de feixe BL13W da bomba de vácuo SSRF
	Hong Kong Labware Co., ltd.	Balancim 300