Name: Visualização da falha e do comportamento mecânico da escala de grãos associado de solos granulares cisalhamento usando microtomografia de raios X de síncrotron (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Aprenda a visualizar falhas e comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares sob cisalhamento usando microtomografia de raios X de síncrotron. Este método fornece dados detalhados sobre morfologia e microestrutura.

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Este estudo foi apoiado pelo fundo geral de pesquisa não. CityU 11213517 do Conselho de concessão da pesquisa do SAR de Hong Kong, concessão n. º 51779213 da pesquisa da Fundação Nacional da ciência de China, e do beamline BL13W da facilidade Synchrotron da radiação de Shanghai (SSRF).

Os autores não têm nada a revelar.

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...

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 ummodelo de resistênciaao rolamento3,4,5,6 ouformas de partículasirregulares7,8, 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 solo13,14,15,16 ,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 estirpe21,22,23,24, movimento departículas 25,26,27,28, contato entre partículas29,30,31 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.

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

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

Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography

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.

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 ...

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.

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

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils ...

Este protocolo permite adquirir dados de escala de partículas de solos granulares usando micro-tomografia de raios-X e desenvolver uma compreensão dos processos e mecanismos de microescaminha subjacentes ao comportamento microscópico dos materiais granulares. A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece acesso total às informações da escala de partículas de solos granulares, incluindo morfologia de partículas, microestrutura, quebra, deslocamento e rotação dentro da deformação de materiais granulares. Este método também pode ser aplicado à investigação de outros tipos de materiais naturais ou sintéticos à base de pedra, como rochas, mistura solo-rocha, concreto, cerâmica, asfalto e até compósitos de polímeros.Comece com o desenho do experimento com bastante antecedência, conforme descrito no protocolo de texto. Determine material de ensaio, tamanho das partículas, tamanho da amostra e porosidade inicial da amostra. Para preparar uma amostra de solo na placa, adicione primeiro uma pequena quantidade de graxa de silicone ao redor da superfície lateral da extremidade superior da placa base.Em seguida, coloque uma pedra porosa em sua superfície superior. Coloque uma membrana ao redor da superfície lateral da extremidade superior. Adicione uma pequena quantidade de graxa de silicone nas superfícies de contato entre as duas partes do fabricante da amostra e coloque o fabricante de amostras na placa base para permitir que a membrana passe por ela.Bloqueie o fabricante de amostras. Crie sucção dentro do fabricante de amostras através de seu bocal usando uma bomba de vácuo. Fixar a membrana na superfície lateral de sua extremidade superior.Certifique-se de que a membrana está presa à superfície interna do fabricante da amostra. Solte o material granular de teste de uma certa altura no fabricante da amostra usando um funil até que esteja completamente preenchido. A superfície superior da amostra do solo deve ser o mesmo nível da borda superior do fabricante da amostra.Coloque outra pedra porosa em cima da amostra do solo. Aplique um pouco de graxa de silicone ao redor da superfície lateral de uma placa de almofada de aço inoxidável e coloque-a em cima da pedra porosa. Remova a parte superior da membrana do fabricante da amostra e fixe-a na placa da almofada.Remova a sucção dentro do bocal do fabricante de amostras e crie sucção dentro da válvula na placa base. Finalmente, remova o fabricante de amostras. Uma amostra seca em miniatura é produzida.Agora, conserte a cela de confinamento na placa base e fixe a placa superior da câmara no topo da cela de confinamento. Afixe o resto do aparelho de carregamento na placa superior da câmara. Adicione uma pressão de confinamento constante de 25 quilopascals à amostra e remova a sucção dentro da amostra.Aumente gradualmente a pressão de confinamento para um valor predeterminado usando o dispositivo de oferta de pressão de confinamento. Para digitalizar uma seção da amostra, defina a tomografia computadorizada ou o tomógrafo computadorizado para o modo de captura de imagem. Em seguida, inicie o estágio de rotação para girar todo o aparelho em 180 graus a uma taxa de rotação constante pré-determinada para capturar projeções de tomografia da amostra em diferentes ângulos.Para um scanner de tomografia de alta resolução espacial, uma varredura completa da amostra geralmente requer que a amostra seja escaneada em várias alturas diferentes. Aplique uma carga axial na amostra com uma taxa de carregamento constante. Aqui, é usada uma taxa de carregamento de 0,2% por minuto.Os usuários podem definir uma taxa de carregamento diferente de acordo com o requisito do experimento. Pausa o carregamento axial em uma cepa axial pré-determinada. Aguarde até que a força axial medida atinja um valor constante e realize a próxima varredura.Repita estas etapas até o fim do carregamento. Construímos fatias de tomografia computadorizadas da amostra com base nas projeções de tomografia após a recuperação de fase usando o software PITRE. Carregue as projeções no PITRE a partir da imagem de carga do menu.Clique no sinograma de projeção de ícones. Digite parâmetros relevantes na janela que aparece e clique em single para reconstruir uma fatia ct. Implementar filtragem de imagem nas fatias de tomografia computadorizada.Um filtro de difusão anisotrópico é usado para realizar filtragem de imagem. Agora, realize a binarização de imagem nas fatias de tomografia filtradas. Para isso, implemente a binarização de imagem aplicando um limiar de valor de intensidade nas fatias de TC.Este valor é determinado de acordo com a intensidade histograma das fatias de tomografia usando o método de Otsu. Separe partículas individuais das fatias de TC binarizadas usando um algoritmo de bacia hidrográfica baseado em marcadores e armazene os resultados em uma imagem rotulada em 3D. Valide os resultados comparando a distribuição calculada do tamanho das partículas da imagem ct com as de um teste de peneira mecânica.Um script matlab é usado para extrair propriedades de partículas, incluindo volume de partículas, área de superfície de partículas, orientação de partículas e coordenadas de centroid de partículas. Funções intrínsecas do matlab são usadas para adquirir essas propriedades para cada partícula. Extrair trincheiras de contato das fatias de TOMOGRAFIA binarizadas por meio da implementação de uma lógica e operação entre a imagem binária das fatias de TOMOGRAFIA e a imagem binária das linhas de bacia hidrográfica adquiridas a partir da implementação do algoritmo de bacia hidrográfica baseado em marcadores.Para quantificar o campo de tensão da amostra, use um método baseado em grade para calcular o campo de tensão durante quaisquer duas varreduras consecutivas, com base na tradução de partículas e rotação de partículas. Analise a evolução do contato entre partículas da amostra. Com base nas trincheiras de contato extraídas, as imagens rotuladas de partículas e os resultados de rastreamento de partículas, analisam a orientação vetorial do ramo dos contatos perdidos e os contatos obtidos dentro da amostra durante cada incremento de compartilhamento.A curva de tensão e uma fatia 2D de uma amostra de areia Leighton Buzzard sob compressão triaxial são mostradas. Exibidos aqui estão os resultados da cinemática de partículas na fatia 2D durante o teste. A maioria das partículas são rastreadas com sucesso e suas traduções e rotações são quantificadas.Uma banda localizada é desenvolvida tanto no mapa de deslocamento de partículas quanto no mapa de rotação de partículas no final do teste. Aqui mostrada a frequência de orientação normalizada de vetores de ramificações de contatos obtidos e contatos perdidos na amostra durante o teste. Os contatos perdidos apresentam uma clara preferência direcional para a direção de estresse de princípio menor durante o teste.A calibração do eixo de rotação conforme detalhado no protocolo de texto é importante porque a reconstrução bem sucedida da parte TC não depende apenas do posicionamento adequado do estágio de rotação. Para evitar qualquer radiação ionizada aos corpos humanos da fonte de raios-X, é preciso ter certeza de que todas as portas e janelas da sala de varredura estão devidamente fechadas antes de cada varredura. Após um procedimento semelhante, podem ser realizados testes de instituto com difração de raios-X ou dispersão.Isso fornece uma ferramenta para a medição das forças de contato inter partículas e sua propagação dentro dos materiais granulares formadores. Os dados experimentais adquiridos podem ser utilizados para o desenvolvimento de modelos constitutivos avançados de areia, considerando seus comportamentos mecânicos em escala de grãos, e para modelagem numérica de areias sob carga.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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