Визуализация отказа и связанного с зерном масштаба механического поведения гранулированных почв под стрижка с помощью синхротронной рентгеновской микротомографии

Summary

Протокол описывает процедуры получения высокопространственного разрешения компьютерной томографии (КТ) изображения гранулированной почвы во время трехосного сжатия, а также применять методы обработки изображений к этим КТ-изображениям для изучения механического поведения зернового масштаба почвы под погрузкой.

Abstract

Быстрое развитие методов рентгеновской визуализации с навыками обработки изображений и анализа позволило приобрести КТ-изображения гранулированных почв с высоким пространственным разрешением. На основе таких КТ-изображений можно количественно изучить механическое поведение зернового масштаба, такое как иинематика частиц (т.е. переводы частиц и вращения частиц), локализацию деформации и межчастицную контактную эволюцию гранулированных почв. Однако это недоступно с использованием обычных экспериментальных методов. Данное исследование демонстрирует исследование зернового механического поведения гранулированного образца почвы при трехосовом сжатии с помощью синхротронной рентгеновской микротомографии (ККТ). С помощью этого метода специально изготовленный миниатюрный погрузочный аппарат используется для нанесения ограничения и осевых нагрузок к образцу во время трехосного испытания. Аппарат устанавливается в синхронизронную рентгеновскую томографию, так что изображения КТ с высоким пространственным разрешением образца могут быть собраны на разных этапах загрузки теста без каких-либо помех для образца. С возможностью извлечения информации на макроуровне (например, выборочные пограничные напряжения и деформации от установки триосиального аппарата) и шкалы зерна (например, движения зерна и контактные взаимодействия с изображениями КТ), эта процедура обеспечивает эффективной методологии для исследования многомасштабной механики гранулированных почв.

Introduction

Широко признано, что макро-масштабные механические свойства гранулированной почвы, такие как жесткость, прочность сдвига и проницаемость, имеют решающее значение для многих геотехнических структур, например, фундаментов, склонов и плотин заливки пород. На протяжении многих лет для оценки этих свойств в различных почвах использовались тесты на месте и обычные лабораторные тесты (например, одномерные компрессионные тесты, трехосные компрессионные тесты и проницаемость). Для инженерных целей были разработаны также кодексы и стандарты для проверки почвенных механических свойств. Хотя эти макромасштабные механические свойства были интенсивно изучены, механическое поведение зерна (например, кинематика частиц, контактное взаимодействие и локализация деформации), которая регулирует эти свойства, привлекла гораздо меньше внимания со стороны инженеров и исследователей. Одной из причин этого является отсутствие эффективных экспериментальных методов для изучения механического поведения почв в масштабах зерна.

До сих пор большинство понимания зернового механического поведения гранулированных почв приходилось на дискретные элементы моделирования¹ (DEM), из-за его способности извлекать информацию о масштабах частиц (например, кинематики частиц и контакта с частицами сил). В более ранних исследованиях использования методов DEM для моделирования механического поведения гранулированной почвы каждая отдельная частица была просто представлена одним кругом или сферой в модели. Использование таких чрезмерно упрощенных форм частиц привело к чрезмерному вращению частиц и тем самым более низкому пиковому поведению силы^2. Для достижения лучшей производительности моделирования, многие исследователи использовали модель сопротивления качению^3,4,5,6 или нерегулярные формы частиц^{7,8, 9,10,11,12} в своих dem моделирования. В результате было приобретено более реалистичное понимание кинематической поведения частиц. Помимо кинематики частиц, ЦМР все чаще используется для исследования взаимодействия контакта зерна и разработки теоретических моделей. Однако из-за необходимости воспроизвести реальные формы частиц и использование сложных контактных моделей, DEM требует чрезвычайно высоких вычислительных возможностей в моделировании гранулированных почв с нерегулярными формами.

В последнее время разработка оптического оборудования и методов визуализации (например, микроскоп, лазерная томография, рентгеновская компьютерная томография (КТ) и рентгеновская микротомография (КТ) предоставила множество возможностей для экспериментального изучения зерно-масштабное механическое поведение гранулированных почв. Через приобретение и анализ изображений образца почвы до и после трехосных испытаний, такое оборудование и методы были использованы в исследовании почвы микроструктур^{13,14,15,16 ,17,18,19}. В последнее время, на месте тесты с рентгеновского КТ или ККТ все чаще используются для исследования эволюции пустоты соотношение²⁰, распределение^{штамма 21,22,23,24}, движение частиц^25,26,27,28, межчастицный контакт^29,30,31 и частицы дробления³² из гранулированных почв. Здесь "на месте" подразумеваетрентгенозание, проводимое одновременно с погрузкой. В отличие от общего рентгеновского сканирования, на рентгеновском сканировании на месте для рентгеновского сканирования требуется специально изготовленный погрузочный аппарат для доставки стрессов в образцы почвы. При комбинированном использовании погрузочного аппарата и рентгеновского КТ или ККТ-устройства КТ изображения образцов на различных стадиях погрузки тестов могут быть приобретены неразрушаю, а изображения образцов на различных стадиях погрузки. На основе этих КТ-изображений можно приобрести наблюдения за гранулированным поведением почвы в масштабах частиц. Эти наблюдения на основе КТ на основе частиц чрезвычайно полезны для проверки численных выводов и получения новых сведений о механическом поведении гранулированных почв в масштабе зерна.

Эта статья направлена на обмен подробной информацией о том, как рентген в situ сканирование испытания образца почвы может быть проведена, используя примерный эксперимент, который наблюдает сянематические частицы, локализации деформации и межчастицы контактэволюции в образце почвы. Результаты показывают, что рентгеновские снимки в тестах на situ situ имеют большой потенциал для изучения поведения гранулированных почв на уровне зерна. Протокол охватывает выбор рентгеновского аппарата и подготовку миниатюрного трехосного погрузочного аппарата, а также подробные процедуры для проведения испытания. Кроме того, технические шаги по использованию обработки изображений и анализа для количественной оценки кинематики частиц (т.е. перевода частиц и вращения частиц), локализации деформации и эволюции межчастицного контакта (т.е. контакта, потери контакта и контактное движение) почвы описаны.

Protocol

1. Проектирование эксперимента заблаговременно

1. Определите испытательный материал, размер частиц, размер образца и начальную пористость образца.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Leighton Buzzard песок с диаметром 0,15 -0,30 мм и размером образца 8 х 16 мм (Диаметр х высота) используется в качестве примера, чтобы продемонстрировать протокол этого исследования. Другие пески, такие как фуцзянь песок, Хьюстон песок, Песок Оттава и Кайкос ooids и т.д., и аналогичные размеры выборки также могут быть использованы.
2. Выберите подходящий детектор(рисунок 1А) в соответствии с требуемым пространственным разрешением и областью сканирования, которые определяются в соответствии с заранее определенным размером частицы и размером выборки. Например, в этом исследовании используется детектор с пространственным разрешением 6,5 мкм. Он имеет эффективную область сканирования 2048 х 860 пикселей (т.е. 13,3 и 5,6 мм).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Во время трехосного сжатия тест, деформированный образец должен оставаться в области сканирования детектора. Детектор высокого пространственного разрешения должен использоваться таким образом, чтобы отдельные частицы содержали достаточное количество вокселей для надлежащей извлечения свойств частиц.
3. Определите необходимую энергию рентгеновского источника(рисунок 1А)и время экспозиции в соответствии с испытательным материалом и размером выборки. Как правило, более высокая энергия должна использоваться для большего образца, состоящего из более плотного материала. Используйте рентгеновскую энергию 25 кэВ и время воздействия 0,05 с для образцов песка в этом исследовании.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимая рентгеновская энергия и время экспозиции могут быть определены методом проб и ошибок с помощью отсканированной проекции образца. Соотношение минимальной интенсивности серой шкалы проекции к ее максимальному значению не должно быть ниже 0,2. В противном случае следует использовать более высокую рентгеновскую энергию или более длительное время экспозиции.
4. Определите требуемую скорость вращения (градус ы в секунду) для этапа вращения(рисунок 1A) рентгеновского устройства. Скорость вращения рассчитывается в соответствии с требуемым количеством проекций N (например, N - 1080) для реконструкции КТ-ломтика.
   ПРИМЕЧАНИЕ: 180 В_с/Н. Здесь V_s — это скорость сканирования рентгеновского аппарата, т.е. количество сканированных и записанных радиографов в секунду. V_s в основном зависит от производительности детектора и оборудования, связанного с детектором, таких как компьютер.
5. Изготовить трехосный погрузочный аппарат(рисунки 1B,C, см. также ссылку 33), который будет использоваться в сочетании с рентгеновским устройством. Аппарат должен иметь те же основные функции, что и обычный трехосный компрессионный аппарат. При проектировании следует учитывать требования размера выборки, диапазон ограничивающих напряжений и коэффициентов загрузки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Аппарат должен быть в состоянии вписаться в рентгеновское устройство и быть легким, чтобы облегчить его вращение с помощью стадии вращения. Триосиальная клетка должна быть прозрачной для рентгеновских лучей. Учитывая требование прозрачности, акрил и поликарбонат могут быть использованы для изготовления триосовой клетки.
6. Провести тест с тем же ограничивающим давлением, скоростью загрузки и свойствами образца (т.е. материал, размер образца и начальную пористость) вне рентгеновского кТ-сканера, чтобы спланировать, когда приостановить загрузку для КТ.

2. Проведение в situ триосиального сжатия тестирования

1. Поместите трехосовое погрузочное оборудование и испытательный материал на месте.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Погрузочный аппарат и ограничивающее давление, предлагающее устройство (см. Таблица Материалов),размещаются в комнате рентгеновской кТ-сканирования, в то время как устройства для сбора данных и управления находятся снаружи. Триаксиальная погрузка и КТ-сканирование образца затем прооперированы за пределами сканирующего помещения.
2. Зафиксировать подъемную стадию на доске рентгеновского микрокт-устройства(рисунок 1B). Зафиксировать наклонную сцену на стадии подъема и этап вращения на стадии наклона, соответственно(рисунок 1B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этап подъема и наклонная ступень должны иметь достаточную грузоподъемность для перемещения соответствующего оборудования, размещенного на них.
3. Отрегулируйте положение и ориентацию стадии вращения через этап наклона таким образом, чтобы любой отдельный рентгеновский снимок проходил через те же точки в образце, когда он вращается через 180 градусов вокруг оси стадии вращения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги от 2.2 до 2.3 применимы к рентгеновскому микроКТ-устройству в Шанхайском синхротронном радиационном центре (SSRF). Для рентгеновских микро-КТ устройств, специально используемых для в situ триосиального тестирования, эти шаги могут быть опущены после тщательного позиционирования и фиксации стадии вращения.
4. Подготовка образца почвы на доске в соответствии со следующими процедурами.
   1. Добавьте небольшое количество силиконовой смазки вокруг боковой поверхности верхнего конца базовой пластины и поместите пористую поверхность камня. Положите мембрану вокруг боковой поверхности верхнего конца(рисунок 2A).
   2. Добавьте небольшое количество силиконовой смазки на контактные поверхности между двумя частями образца и зафиксируйте его. Поместите образец maker на базовой пластине и позволить мембране пройти через него(Рисунок 2B).
   3. Создание всасывания (например, 25 кПа) внутри образца производителя через его сопло с помощью вакуумного насоса. Закрепите мембрану на боковой поверхности ее верхнего конца. Убедитесь, что мембрана прикреплена к внутренней поверхности образца производителя(рисунок 2C).
   4. Бросьте тестовый гранулированный материал с определенной высоты в образец с помощью воронки, пока он не будет полностью заполнен. Верхняя поверхность образца почвы должна быть на том же уровне, что и верхний край образца(рисунок 2D).
   5. Поместите другой пористый камень на верхней части образца почвы, и нержавеющей стали подушки пластины на верхней части пористого камня. Нанесите немного силиконовой смазки вокруг боковой поверхности пластины подушки. Удалите верхнюю сторону мембраны из образца производителя и зафиксировать его на пластину подушки(Рисунок 2E).
   6. Удалите всасывание внутри сопла создателя образца и создайте всасывание внутри клапана на базовой пластине. Наконец, удалите образец Maker. Миниатюрный сухой образец производится, как видно на рисунке 2F.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг демонстрирует процедуру производства миниатюрного образца почвы с использованием метода флувиации воздуха. Традиционный метод сухого уплотнения также может быть использован для получения образца.
5. Зафиксировать ограничивающую ячейку на базовой пластине и зафиксировать верхнюю пластину камеры в верхней части ограничивающей ячейки(рисунок 1C).
6. Зафиксировать поршневый вал ячейки на верхней пластине камеры(рисунок 1С).
7. Расположите базовую пластину вместе с ограничивающей ячейкой и камерной верхней пластиной на этапе вращения. Рама используется для регулировки высоты образца для КТ сканирования(рисунок 1B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот кадр используется из-за ограниченного диапазона движения подъемной ступени на SSRF. Нет необходимости использовать раму, если используется подъемная ступень с большим диапазоном движения.
8. Прикрепите остальную часть погрузочного аппарата на верхней пластине камеры.
9. Установите линейный переменный дифференциальный трансформатор (LVDT), загрузите ячейку и ступенчатый двигатель и активируйте их(рисунок 1C).
10. Заполните ячейку с де-воздух воды через клапан давления ячейки (CP) (см. Рисунок 1C) с помощью воды, поставляемой из ограничивающего давления предлагая устройство (см. Таблица материалов). Закройте клапан выхода из воды (см. рисунок 1C),когда вода начнет вытекать из клапана.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Установите ограничивающее давление, предлагая устройство в режим постоянного давления с очень низким постоянным значением давления (например, 10 кПа).
11. Добавьте в образец постоянное давление 25 кПа и удалите всасывание внутри образца.
12. Постепенно увеличивайте давление ограничения до заранее определенного значения с помощью ограничивающего устройства предложения давления.
13. Провести первое сканирование образца. Для томографа с высоким разрешением (например, размером с пиксель 6,5 мкм) полное сканирование образца (например, высотой 16 мм) обычно требует сканирования образца на нескольких различных высотах (т.е. сканирование делится на несколько секций).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если используется детектор с низким пространственным разрешением и небольшой образец размера, область сканирования может быть достаточной для получения полного поля сканирования образца с помощью одного раздела.
    1. Сканирование раздела образца. Установите компьютерный томограф в режим захвата изображения, а затем запустите этап вращения, чтобы повернуть весь аппарат на 180 градусов при заранее определенной скорости вращения (например, 3,33 градуса/с) для захвата КТ-проекций образца под разными углами.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Предполагается, что образец сканируется с низа вверх (т.е. первый раздел содержит все частицы, расположенные в нижней части образца).
    2. Выключите режим захвата изображения после завершения вращения. Поверните аппарат обратно в исходное положение.
    3. Поднимите образец вместе со всем аппаратом с помощью подъемной стадии(рисунок 1В)определенной высотой (например, 4 мм) для сканирования следующего участка образца.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Подъем должен гарантировать, что между текущим и последним разделом существует перекрытие (т.е. существует перекрытие между любыми двумя последовательными секциями). Перекрытие должно быть не менее 10 пикселей, чтобы облегчить их сшивание.
    4. Повторите шаги 2.13.1-2.13.3 до последнего раздела образца сканируется.
14. Нанесите осевую нагрузку на образец с постоянной скоростью загрузки. Здесь в этом исследовании используется коэффициент загрузки 0,2%/мин. Пользователи могут устанавливать различную скорость загрузки в соответствии с требованиями эксперимента.
15. Приостановите осевую нагрузку при заранее определенном осевом напряжении. Подождите, пока измеренная ось сила достигнет устойчивого значения (как правило, в течение 2 минут) и провести следующее сканирование. Процедуры сканирования такие же, как показано в шаге 2.13.
16. Повторите шаги 2.14 и 2.15 до конца загрузки.
17. Выгрузите тест и удалите образец из трехосного аппарата.
18. Установите базовую пластину и ограничивающую ячейку на стадии вращения, чтобы приобрести несколько плоских проекций (как правило, 10 проекций) от детектора. Выключите рентгеновский источник, чтобы получить такое же количество темных проекций от детектора.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Плоские и темные проекции используются для фазового поиска необработанных КТ-проекций. Реализация плоской и темной коррекции усиливает контраст между образцом и окружающим фоном в реконструированных срезах КТ. Это также помогает облегчить кольцо артефактов в результате дефектных пикселей детектора.

3. Обработка и анализ изображений

1. Обработка изображений
   1. Реализация фазы поиска(рисунок 3B) необработанных КТ-проекций(рисунок 3A) образца с использованием свободного программного обеспечения PITRE³⁴. Проекции нагрузки (включая плоские и темные проекции) в PITRE из изображения загрузкименю. Нажмите на значок PPCI. Введите соответствующие параметры сканирования и нажмите Single для реализации фазового поиска.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Реализация фазового поиска обеспечивает улучшение интерфейсов между различными фазами (т.е. фазы пустоты и твердой фазы) в реконструированных срезах КТ, что имеет важное значение для последующего анализа изображений межчастицы контактов.
   2. Реконструкция КТ фрагментов образца с использованием PITRE на основе кТ-проекций после фазы поиска(рисунок 3C). Загрузите проекции в PITRE из изображения загрузкименю. Нажмите на значок ProjSino. Введите соответствующие параметры в появившемся окне и нажмите Single, чтобы реконструировать срез КТ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Проверьте горизонтальные ломтики, чтобы убедиться, что нет тяжелых лучей затвердевания артефактов или кольца артефактов. В противном случае требуется изменение текущих параметров сканирования и повторное сканирование образца. Проверьте вертикальные ломтики. Если образец сильно наклонен до сдвига, тест считается неудачным.
   3. Реализация фильтрации изображений на срезах КТ. Для фильтрации изображений используется анисотропный диффузионный фильтр(рисунок 3D).
   4. Выполните бинаризацию изображений на отфильтрованных срезах КТ. Реализация бинареизации изображения(рисунок 3E) путем применения порога значения интенсивности к срезам КТ, который определяется в соответствии с интенсивностью гистограммы срезов КТ с помощью метода Otsu³⁵.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для КТ ломтики с серой интенсивности гистограммы интенсивность выставке значительное перекрытие интенсивности между твердой фазы и фазы пустоты, проверка бинаризации изображения требуется с использованием массы твердой фазы³⁶.
   5. Отделить отдельные частицы от бинарализированных срезов КТ с помощью алгоритма водораздела на основе маркера и хранить результаты в 3D-изображении(рисунок 3F). Проверка результатов путем сравнения распределения размера вычисленных частиц от КТ-изображения с результатами механического теста сито.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Модуль Отдельные объекты программного обеспечения Avizo Fire могут быть использованы для реализации этого алгоритма. Удалите пористые камни из бинаризированных ломтиков КТ с помощью модуля Border Kill of Avizo Fire. Чтобы получить надежные результаты разделения частиц, читателям предлагается попробовать различные алгоритмы сегментации частиц^37,38,39.
2. Анализ изображений
   1. Извлеките свойства частиц из маркированного изображения. Скрипт MATLAB используется для извлечения свойств частиц, включая объем частиц, площадь поверхности частиц, ориентацию частиц и координаты центроидов частиц.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Внутренние функции MATLAB regionprops, bwprim и pca используются для приобретения этих свойств каждой частицы. Более подробное описание этих процедур можно найти в работе Чэн и Ван²⁸.
   2. Извлеките контактные воксели из binarized срезов КТ путем реализации логической операции И между двоичным изображением срезов КТ(рисунок 4) и бинарным изображением водораздельных линий, полученных в результате реализации маркера на основе алгоритм водораздела³¹.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чрезмерное обнаружение контактных вокселей может произойти из-за эффекта частичного объема и случайного шума КТ изображений^40,41. Однако, небольшое чрезмерное обнаружение межчастицных контактов не окажет существенного влияния на общую тенденцию межчастицного контактного поведения эволюции^42.

4. КТ-изображение на основе исследования зернового масштаба механического поведения почв

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующий анализ на основе изображений не применим к идеалистически сферическим частицам или образцам с очень узкими диапазонами сортировки (т.е. к образу образцам монодисперсов). Однако для частиц с высокой округлостью и плохой сортировкой (например, 0,3-0,6 мм стеклянные бусы), методология дает хорошие результаты (см. Чэн и Ван³¹).

1. Количественная кинематика частиц образца. Используйте метод отслеживания частиц для отслеживания отдельных частиц в образце при различных сканах на основе объема частиц или области поверхности частицы. Подробное описание этого метода дается в Чэн и Ван²⁸.
   1. Рассчитайте перевод каждой частицы во время любых двух последовательных сканирований. Он рассчитывается как разница в частицах центроидных координат между двумя сканами.
   2. Определите угол вращения каждой частицы в соответствии с разницей в ее основных ориентациях оси между двумя сканами.
2. Количественная оценка поля деформации образца. Используйте метод на основе сетки для расчета поля напряжения во время любых двух последовательных сканирований на основе перевода частиц и вращения частиц.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Метод требует помеченных изображений образца как с точки зрения сканирования, так и результатов кинематики частиц. Читатели ссылаются на предыдущую работу²⁴ для подробного описания.
3. Проанализируйте эволюцию межчастицного контакта образца. На основе извлеченных контактных вокселей, помеченных изображений частиц и результатов отслеживания частиц, анализировать векторовую ориентацию потерянных контактов и полученные контакты в образце во время каждого приращения сдвига.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Полное описание этого метода дается в Чэн и Ван³¹.

Results

На рисунке 5 изображены результаты кинематики частиц из образца песка Лейтона Баззарда (LBS) на 2D-ломтике в течение двух типичных сдвига, I и II. Большинство частиц успешно отслеживаются, а их переводы и вращения количественно осваиваются в соответствии с вышеуказанным протоколом. Во время первого приращения сдвига ни смещения частиц, ни вращения частиц не показывают четкой локализации. Однако локализованная полоса разрабатывается как на карте смещения частиц, так и на карте вращения частиц...

Discussion

Рентгеновское микро-КТ с высоким пространственным разрешением и передовые методы обработки и анализа изображений позволили экспериментально еждничать механическое поведение гранулированных почв под сдвигами на многомасштабных уровнях (т.е. на макро-масштабе, мезо-масштабе и уровня хлещет). Тем не менее, КТ-изображения на основе мезо- и зерна масштаба исследований требуют получения высокого пространственного разрешения КТ изображения образцов почвы во время погрузки. Наиболее сложным аспектом этого процесса является, пожа...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ограничивающее устройство подачи давления	GDS	STDDPC
Обезвреживаемая вода	Н/Д	Н/Д	Вода, деаэрируемая в лаборатории
Песок Leighton Buzzard	Искусственная трава Кембриджский	дренажный промышленный песок 25 кг	Может быть заменен различными грунтами
Миниатюрное трехосное загрузочное устройство	Н/Д	Н/Д	Миниатюрное загрузочное устройство специально изготовлено
авторы Кремниевая смазка	RS компания	RS 494-124
Установка рентгеновской микрокомпьютерной томографии с синхротронным излучением	Шанхайский центр синхротронного излучения (SSRF)	13W1	Трехосное испытание проводится на пучковой линии BL13W вакуумного насоса SSRF
Hong	Kong Labware Co., ltd.	Коромысло 300