Summary
Protokollen beskriver procedurer for erhvervelse af høj-rumlig opløsning computertomografi (CT) billeder af en granulær jord under triaksial komprimering, og at anvende billedbehandling teknikker til disse CT billeder til at udforske korn-skala mekanisk opførsel af jorden under lastning.
Abstract
Den hurtige udvikling af røntgen billedbehandlings teknikker med billedbehandling og analyse færdigheder har gjort det muligt at erhverve CT-billeder af granulerede jorder med højrumlige opløsninger. Baseret på sådanne CT billeder, korn-skala mekanisk adfærd såsom partikel kinematik (dvs. partikel oversættelser og partikel rotationer), stamme lokalisering og Inter-partikel kontakt evolution af granulære jord kan undersøges kvantitativt. Men, dette er utilgængelige ved hjælp af konventionelle eksperimentelle metoder. Denne undersøgelse viser udforskning af den mekaniske opførsel i korn skala af en granulær jordprøve under triaksial komprimering ved hjælp af Synchrotron X-ray Micro-tomografi (μCT). Med denne metode anvendes et specielt fabrikeret miniature læsse apparat til at anvende begrænset og aksial belastning på prøven under den triaksiale test. Apparatet er monteret i et Synchrotron røntgen tomografi setup, således at der kan opsamles højrumlig opløsning CT-billeder af prøven på forskellige belastnings stadier af testen uden at forstyrre prøven. Med muligheden for at udtrække oplysninger på makro skalaen (f. eks. stress og belastninger fra det triaksiale apparat) og korn skalaen (f. eks. korn bevægelser og kontakt interaktioner fra CT-billederne) giver denne procedure en effektiv metode til at undersøge multi-skala mekanik af granulære jord.
Introduction
Det er almindeligt anerkendt, at de makro-skala mekaniske egenskaber af granulær jord, såsom stivhed, forskydningsstyrke og permeabilitet, er afgørende for mange geotekniske strukturer, for eksempel fundamenter, skråninger og rock-fill dæmninger. I mange år er der blevet anvendt test på stedet og konventionelle laboratorietests (f. eks. endimensionelle kompressions tests, triaksiale kompressions tests og permeabilitet) til at evaluere disse egenskaber i forskellige jorde. Koder og standarder for afprøvning jord mekaniske egenskaber er også blevet udviklet til ingeniør formål. Selv om disse mekaniske egenskaber i makro skala er blevet intensivt undersøgt, har den mekaniske adfærd i korn skala (f. eks. partikel kinematik, kontakt interaktion og stamme lokalisering), der regulerer disse egenskaber, tiltrukket meget mindre opmærksomhed fra ingeniører og forskere. En af grundene er manglen på effektive eksperimentelle metoder til rådighed til at udforske korn-skala mekanisk opførsel af jord.
Indtil nu er det meste af forståelsen af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord er kommet fra diskrete element modellering1 (dem), på grund af sin evne til at udtrække partikel-skala oplysninger (f. eks partikel kinematik og partikel kontakt styrker). I tidligere undersøgelser af at bruge DEM teknikker til model granulære jord mekaniske adfærd, hver enkelt partikel var simpelthen repræsenteret ved en enkelt cirkel eller sfære i modellen. Brugen af sådanne overforenklede partikelformer har ført til over rotation af partikler og dermed en lavere spids styrke adfærd2. For at opnå en bedre modellering ydeevne, mange efterforskere har brugt en rullemodstand model3,4,5,6 eller uregelmæssige partikelformer7,8, 9,10,11,12 i deres dem simuleringer. Som et resultat, en mere realistisk forståelse af partikel kinematisk adfærd er blevet erhvervet. Bortset fra partikel kinematik er DEM i stigende grad blevet brugt til at undersøge samspillet mellem kontakt med korn og udvikle teoretiske modeller. Men på grund af kravet om at reproducere reelle partikelformer og brugen af sofistikerede kontakt modeller, DEM kræver ekstremt høj beregnings evne i modellering af granulære jord med uregelmæssige former.
For nylig har udviklingen af optisk udstyr og billedbehandlings teknikker (f. eks. mikroskop, laser støttet tomografi, røntgen computertomografi (CT) og røntgen mikrotomografi (μCT)) givet mange muligheder for eksperimentel undersøgelse af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord. Gennem erhvervelse og analyse af jordprøve billeder før og efter triaksial prøvning, er sådant udstyr og teknikker blevet udnyttet i undersøgelsen af jordens mikrostrukturer13,14,15,16 ,17,18,19. For nylig er in situ-tests med X-ray CT eller μct i stigende grad blevet anvendt til at undersøge udviklingen i Void ratio20, stamme fordeling21,22,23,24, partikel bevægelse25,26,27,28, Inter-partikel kontakt29,30,31 og partikel knusning32 af granulerede jorder. Her, "in situ" indebærer X-ray scanning udført på samme tid som lastning. I modsætning til generel røntgenscanning kræver in situ-røntgen scannings tests, at et specielt fabrikeret læsse apparat leverer belastninger til jordprøver. Med den kombinerede anvendelse af Læsseapparater og røntgen CT-eller μCT-udstyr kan CT-aftryk af prøverne på forskellige belastnings stadier i testene erhverves uden destruktiv adfærd. Baseret på disse CT billeder, partikel-skala observationer af granulære jord opførsel kan erhverves. Disse CT billed-baserede partikel-niveau observationer er yderst nyttigt at verificere numeriske fund og at få nye indblik i korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord.
Denne artikel har til formål at dele detaljerne om, hvordan en X-ray in situ scanning test af en jordprøve kan udføres, ved hjælp af en eksemplarisk eksperiment, der observerer partikel kinematik, stamme lokalisering og interpartikelkontakt evolution i en jordprøve. Resultaterne viser, at X-ray in situ scanning tests har et stort potentiale til at udforske korn-niveau opførsel af granulære jord. Protokollen dækker valget af røntgenudstyr og forberedelsen af et triaksialt læsse apparat med miniature, og der gives detaljerede procedurer for udførelse af prøvningen. Desuden de tekniske trin for brug af billedbehandling og analyse til at kvantificere partikel kinematik (dvs. partikel oversættelse og partikel rotation), stamme lokalisering og Inter-partikel kontakt Evolution (dvs. kontakt gevinst, kontakt tab og Kontakt bevægelse) af jorden beskrives.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. design af eksperimentet i god i forvejen
- Bestem testmateriale, partikelstørrelse, stikprøvestørrelse og prøve indledende porøsitet.
Bemærk: Leighton Buzzard sand med en diameter på 0,15 ~ 0,30 mm og en prøvestørrelse på 8 x 16 mm (diameter x højde) bruges som et eksempel til at demonstrere protokollen af denne undersøgelse. Andre sand, såsom Fujian sand, Houston sand, Ottawa sand og Caicos ooider, etc. og lignende prøvestørrelser kan også anvendes. - Vælg en passende detektor (figur 1A) i henhold til den påkrævede rumlige opløsnings-og scanningsområde, som bestemmes efter den forudbestemte partikelstørrelse og stikprøvestørrelse. For eksempel anvendes en detektor med en rumlig opløsning på 6,5 μm i dette studie. Det har et effektivt scanningsområde på 2048 x 860 pixels (dvs. 13,3 × 5,6 mm).
Bemærk: under en triaksial kompressions test bør den deformerede prøve forblive i detektorens scanningsområde. Der bør anvendes en højrumlig opløsnings detektor, således at enkelte partikler indeholder tilstrækkelige voxels til en passende udvinding af partikel egenskaber. - Bestem den påkrævede energi af røntgen kilden (figur 1A) og eksponeringstid i henhold til testmaterialet og stikprøvestørrelsen. Generelt bør der anvendes en højere energi til en større prøve sammensat af et tættere materiale. Brug en røntgen energi på 25 keV og en eksponeringstid på 0,05 s for sand prøverne i dette studie.
Bemærk: den påkrævede røntgen energi og eksponeringstid kan bestemmes ved prøve og fejl ved hjælp af en scannet projektion af prøven. Forholdet mellem den mindste gråskala intensitet af projektion og dens maksimale værdi bør ikke være lavere end 0,2. Ellers bør der anvendes en højere røntgen energi eller længere eksponeringstid. - Bestem den ønskede rotationshastighed ω (grader pr. sekund) for rotations stadiet (figur 1A) for røntgen enheden. Rotationshastigheden ω beregnes i henhold til det påkrævede antal projektioner N (f. eks. N = 1.080) til genopbygning af CT-skiver.
Bemærk: ω = 180 Vs/n. Her, Vs er scanningshastigheden af X-ray-enhed, dvs antallet af røntgenbilleder scannet og indspillet per sekund. Vs påvirkes hovedsageligt af detektorens ydeevne og den hardware, der er forbundet med detektoren, f. eks. - Fabrikere et triaksialt læsse apparat (figur 1b, C, se også reference 33), der skal anvendes sammen med røntgen enheden. Apparatet skal have de samme hovedfunktioner som et konventionelt triaksialt kompressions apparat. Konstruktionen bør tage hensyn til kravet om stikprøvestørrelse, rækken af begrænser belastninger og laste hastigheder.
Bemærk: apparatet skal være i stand til at passe ind i røntgen enheden og være let for at lette rotationen ved hjælp af rotations stadiet. Den triaksiale celle skal være transparent for røntgenstråler. I betragtning af kravet om gennemsigtighed kan akryl og polycarbonat anvendes til at fremstille den triaksiale celle. - Udfør en prøvning med det samme tryk, belastnings hastighed og prøve egenskaber (dvs. materiale, stikprøvestørrelse og indledende porøsitet) uden for røntgen-CT-scanneren for at planlægge, hvornår indlæsning af CT-scanning skal afbrydes midlertidigt.
2. udførelse af triaksial kompressions prøvning in situ
- Placer det triaksiale læsseudstyr og testmaterialet på stedet.
Bemærk: læsse apparatet og det trykbærende udstyr (Se tabellen over materialer) anbringes i røntgen CT-scannings rummet, mens dataindsamlings-og kontrolenhederne er placeret udenfor. Triaksial lastning og CT-scanning af prøven betjenes derefter uden for scannings rummet. - Fastgør et løfte trin på brættet af røntgen Micro CT-enheden (figur 1B). Fastgør en vippe fase på løfte stadiet og en rotations fase på henholdsvis vippe stadiet (figur 1B).
Bemærk: løfte stadiet og vippe stadiet skal have tilstrækkelig lasteevne til at flytte det relevante udstyr, som placeres på dem. - Juster rotations punkternes position og retning via vippe stadiet, således at en enkelt røntgen passerer gennem de samme punkter i prøven, når den drejes på tværs af 180 grader omkring rotations stadiet.
Bemærk: trin 2,2 til 2,3 er gældende for X-ray Micro CT-enheden på Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). For røntgen mikroct-enheder, der specifikt anvendes til in situ-triaksial prøvning, kan disse trin udelades efter omhyggelig positionering og fiksering af rotations stadiet. - Forbered en jordprøve på tavlen i henhold til følgende procedurer.
- Tilsæt en lille mængde silikone fedt rundt om den laterale overflade på den øverste ende af bundpladen og Placer en porøs sten på dens øvre overflade. Anbring en membran rundt om den øverste ende på den laterale overflade (figur 2a).
- Tilsæt en lille mængde silikone fedt på kontaktfladerne mellem de to dele af prøve maskinen, og Lås den. Anbring prøve maskinen på bundpladen, og lad membranen passere gennem den (figur 2B).
- Lav suge (f. eks. 25 kPa) ind i prøve maskinen gennem dysen ved hjælp af en vakuumpumpe. Fastgør membranen til den laterale overflade af sin øvre ende. Sørg for, at membranen er fastgjort til den indvendige overflade af prøve maskinen (figur 2C).
- Slip testen granulært materiale fra en vis højde i prøve maskinen ved hjælp af en tragt, indtil den er helt fyldt. Den øvre overflade af jordprøven skal være det samme niveau som den øverste kant af prøve maskinen (figur 2D).
- Placer endnu en porøs sten oven på jordprøven og en pude plade i rustfrit stål på toppen af den porøse sten. Påfør noget silikone fedt rundt om pude pladens sideflade. Fjern den øverste side af membranen fra prøve maskinen, og fastgør den til pude pladen (figur 2E).
- Fjern Sugningen inde i prøve Rens dyse, og Opret sug i ventilen på bundpladen. Fjern endelig prøve maskinen. En miniature tør prøve produceres, som det ses i figur 2F.
Bemærk: dette trin demonstrerer proceduren for fremstilling af en miniature jordprøve ved hjælp af Air pluviation metode. Den traditionelle tørre komprimeringsmetode kan også anvendes til at fremstille prøven.
- Fastgør den begrænsede celle på bundpladen og fastgør kammer toppladen på toppen af den begrænsede celle (figur 1C).
- Fastgør cellens stempel aksel på kammer toppladen (figur 1c).
- Placer bundpladen sammen med den begrænsede celle og kammer toppladen på rotations stadiet. En ramme bruges til at justere højden af prøven til CT-scanning (figur 1B).
Bemærk: denne ramme bruges på grund af den begrænsede bevægelses række af løfte stadiet på SSRF. Der er ingen grund til at bruge en ramme, hvis der anvendes en løfte fase med et stort bevægelsesområde. - Fastgør resten af læsse apparatet på kammer toppladen.
- Installer den lineære variabel differentiale transformator (LVDT), belastningscellen og Step-motoren, og Aktivér dem (figur 1C).
- Fyld cellen med afluftet vand gennem celletrykket (CP) ventilen (Se figur 1C) ved hjælp af det vand, der leveres af et begrænset tryk, der tilbyder anordning (Se tabel over materialer). Luk vand afgangen (vi) ventilen (Se figur 1C), når vandet begynder at flyde ud af ventilen.
Bemærk: Indstil det begrænsede tryk, der giver enheden, til konstant tryk tilstand med en meget lav konstant trykværdi (f. eks. 10 kPa). - Der tilsættes et konstant begrænset Tryk på 25 kPa til prøven, og indsugningen fjernes i prøven.
- Gradvist øge det begrænsede tryk til en forudbestemt værdi ved hjælp af begrænse trykket tilbyder enhed.
- Udfør den første scanning af prøven. For en CT-scanner med høj rumlig opløsning (f. eks. med en pixelstørrelse på 6,5 μm) kræver en fuld scanning af prøven (f. eks. med en højde på 16 mm) normalt, at prøven scannes i flere forskellige højder (dvs. at scanningen er inddelt i flere sektioner).
Bemærk: Hvis der anvendes en lav afstandssensor og en lille stikprøve, kan scanningsområdet være tilstrækkeligt til at erhverve en fuld felt scanning af prøven ved hjælp af et enkelt afsnit.- Scan en del af eksemplet. Indstil CT-scanneren til billed optagelses tilstand, og start derefter rotations stadiet for at rotere hele apparatet på tværs af 180 grader ved en forudbestemt konstant rotationshastighed (f. eks. 3,33 grader/s) for at opfange CT-projektioner af prøven i forskellige vinkler.
Bemærk: det foreslås, at prøven scannes fra bunden opad (dvs. det første afsnit indeholder alle partiklerne i bunden af prøven). - Deaktiver billed optagelses tilstanden, når rotationen er færdig. Drej apparatet tilbage til udgangspositionen.
- Prøven løftes sammen med hele apparatet ved hjælp af løfte stadiet (figur 1B) med en vis højde (f. eks. 4 mm) for at scanne næste del af prøven.
Bemærk: ophævelsen skal sikre, at der er en overlapning mellem den aktuelle sektion og det sidste afsnit (dvs. at der er en overlapning mellem to på hinanden følgende sektioner). Overlapningen skal være mindst 10 pixels for at lette sømmen af dem. - Gentag trin 2.13.1-2.13.3, indtil den sidste del af eksemplet scannes.
- Scan en del af eksemplet. Indstil CT-scanneren til billed optagelses tilstand, og start derefter rotations stadiet for at rotere hele apparatet på tværs af 180 grader ved en forudbestemt konstant rotationshastighed (f. eks. 3,33 grader/s) for at opfange CT-projektioner af prøven i forskellige vinkler.
- Påfør en aksial belastning på prøven med en konstant belastnings hastighed. Her anvendes en belastnings hastighed på 0,2%/min i dette studie. Brugerne kan angive en anden indlæsningshastighed i henhold til eksperiment kravet.
- Sæt den aksiale belastning på pause ved en forudbestemt aksial belastning. Vent, indtil den målte aksiale kraft når en konstant værdi (normalt inden for 2 minutter), og udfør den næste scanning. Scannings procedurerne er de samme som vist i trin 2,13.
- Gentag trin 2,14 og 2,15 indtil slutningen af indlæsningen.
- Testen fjernes, og prøven udtages fra det triaksiale apparatur.
- Installer bundpladen og den begrænsede celle på rotations stadiet for at erhverve flere flade projektioner (normalt 10 projektioner) fra detektoren. Luk X-ray-kilden for at få det samme antal mørke projektioner fra detektoren.
Bemærk: der anvendes flade og mørke projektioner til fase genfinding af rå CT-projektioner. Gennemførelsen af en flad og mørk korrektion øger kontrasten mellem prøven og den omgivende baggrund i de rekonstruerede CT-skiver. Det hjælper også til at lindre ring artefakter som følge af defekte pixels af detektoren.
3. billedbehandling og analyse
- Billedbehandling
- Gennemførelse af fase udtagning (figur 3B) af rå CT-fremskrivninger (figur 3A) i prøven ved hjælp af den frie software Pitre34. Belastnings fremskrivninger (herunder de flade og mørke projektioner) i PITRE fra menuindlæsnings billedet. Klik på ikonet Ppci. Indtast de relevante scanningsparametre, og klik på single for at implementere fase hentning.
Bemærk: gennemførelsen af fase hentning giver mulighed for at forbedre grænsefladerne mellem forskellige faser (dvs. nulfasen og den faste fase) i de rekonstruerede CT-skiver, hvilket er af væsentlig betydning for den efterfølgende billedbaserede analyse af mellem partikel kontakter. - Rekonstruere CT skiver af prøven ved hjælp af PITRE baseret på CT fremskrivninger efter fase hentning (figur 3C). Læg fremskrivningerne i PITRE fra menuindlæsnings billedet. Klik på ikonet Projsino. Angiv relevante parametre i det viste vindue, og klik på enkelt for at rekonstruere et CT-udsnit.
Bemærk: Kontroller vandrette skiver for at sikre, at der ikke er nogen tung stråle hærdning artefakter eller ring artefakter. Ellers er det nødvendigt at ændre de aktuelle scanningsparametre og scanne prøven igen. Kontroller lodrette udsnit. Hvis prøven er alvorligt vippes før vridningen, anses testen for mislykket. - Implementer billed filtrering på CT-udsnit. Et Anisotropisk diffusionsfilter bruges til at udføre billed filtrering (figur 3D).
- Udfør billed-binarisering på de filtrerede CT-udsnit. Implementer billed-binariseringen (figur 3E) ved at anvende en INTENSITETSværdi tærskel på CT-skiver, som bestemmes i henhold til intensitets histogrammet for CT-udsnittene ved hjælp af Otsu-metoden35.
Bemærk: for CT-skiver med en gråskala intensitet histogram udviser en betydelig overlapning af intensiteter mellem den faste fase og void fase, en validering af billedet binarisering er påkrævet ved hjælp af massen af den faste fase36. - Adskil individuelle partikler fra de binariserede CT-skiver ved hjælp af en markør baseret vand skuret algoritme, og opbevar resultaterne i et 3D-mærket billede (figur 3F). Valider resultaterne ved at sammenligne den beregnede partikelstørrelsesfordeling fra CT-billedet med dem fra en mekanisk sigtning.
Bemærk: modulet separate objekter af softwaren Avizo brand kan bruges til at gennemføre denne algoritme. Fjern de porøse sten fra de binarized CT skiver ved hjælp af modulets grænse drab af Avizo brand. For at erhverve en pålidelig partikel separation resultater, er læserne foreslået at prøve forskellige partikel segmentering algoritmer37,38,39.
- Gennemførelse af fase udtagning (figur 3B) af rå CT-fremskrivninger (figur 3A) i prøven ved hjælp af den frie software Pitre34. Belastnings fremskrivninger (herunder de flade og mørke projektioner) i PITRE fra menuindlæsnings billedet. Klik på ikonet Ppci. Indtast de relevante scanningsparametre, og klik på single for at implementere fase hentning.
- Billedanalyse
- Uddrag partikel egenskaber fra det mærkede billede. En MATLAB script bruges til at udtrække partikel egenskaber, herunder partikel volumen, partikeloverfladeareal, partikel orientering og partikel barycentrum koordinater.
Bemærk: de iboende MATLAB funktioner regionrekvisitter, bwprim og PCA bruges til at erhverve disse egenskaber af hver partikel. En mere detaljeret beskrivelse af disse procedurer kan findes i arbejdet i Cheng og Wang28. - Uddrag kontakt voxels fra de binarized CT skiver ved implementering af en logisk operation og mellem det binære billede af CT skiver (figur 4) og en binær billede af vandskel linjer erhvervet fra gennemførelsen af markør-baserede skelsættende algoritme31.
Bemærk: over-detektion af kontakt voxels kan forekomme på grund af den delvise volumen effekt og den tilfældige støj af CT-billeder40,41. En mindre over-detektion af interpartikulære kontakter ville imidlertid ikke have væsentlige virkninger på den overordnede tendens til interpartikelkontakt Evolution Behavior42.
- Uddrag partikel egenskaber fra det mærkede billede. En MATLAB script bruges til at udtrække partikel egenskaber, herunder partikel volumen, partikeloverfladeareal, partikel orientering og partikel barycentrum koordinater.
4. CT image-baseret udforskning af korn-skala mekanisk opførsel af jord
Bemærk: følgende billedbaserede analyse er ikke anvendelig på idealitiske sfæriske partikler eller prøver med meget smalle klassificerings intervaller (dvs. monodispers prøver). Men for partikler med høj rundhed og dårlig sortering (f. eks. 0,3 ~ 0,6 mm glasperler) giver metodologien gode resultater (Se Cheng og Wang31).
- Kvantificere partikel kinematik i prøven. Brug en partikel sporingsmetode til at spore individuelle partikler i prøven ved forskellige scanninger baseret på enten partikel volumen eller partikeloverfladeareal. En detaljeret beskrivelse af denne metode er angivet i Cheng og Wang28.
- Beregn oversættelsen af hver partikel under to på hinanden følgende scanninger. Det beregnes som forskellen i partikel barycentrum koordinater mellem de to scanninger.
- Bestem rotationsvinklen for hver partikel i henhold til forskellen i dens vigtigste hovedakse retninger mellem de to scanninger.
- Kvantificere prøvens stamme felt. Brug en gitter baseret metode til at beregne stamme feltet under to på hinanden følgende scanninger baseret på partikel oversættelsen og partikel rotationen.
Bemærk: metoden kræver de mærkede billeder af prøven fra både scanninger og partikel kinematik resultaterne. Læserne henvises til et tidligere arbejde24 for en detaljeret beskrivelse. - Analysér interpartikelkontaktudviklingen af prøven. Baseret på den ekstraherede kontakt voxels, de mærkede billeder af partikler og partikel sporingsresultaterne, analysere filialens vektor orientering af de tabte kontakter og de indhøstede kontakter i prøven under hver forskydnings forøgelse.
Bemærk: en komplet beskrivelse af denne metode er angivet i Cheng og Wang31.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 5 skildrer partikel kinematik resultaterne af en Leighton Buzzard sand (lbs) prøve på et 2D skive under to typiske forskydnings intervaller, i og II. De fleste af partiklerne spores med succes, og deres oversættelser og rotationer kvantificeres efter ovenstående protokol. Under den første forskydnings forøgelse viser hverken partikel forskydninger eller partikel rotation en klar lokalisering. Der udvikles dog et lokaliseret bånd i både partikel forskydnings kortet og partikel rotations kortet under den anden forskydnings forøgelse. Figur 6 viser prøvens oktaeder og volumetriske stamme kort i de to forskydnings intervaller. En klar lokaliserings zone observeres i stamme kortene ved den anden forskydnings forøgelse, hvilket demonstrerer metodens evne til at visualisere sand fejl under triaksial klipning. Figur 7 viser den normaliserede orienterings hyppighed for forgrenings vektorer for vundne kontakter og mistede kontakter i prøven under de to forskydnings intervaller. De mistede kontakter udviser en klar retnings præference i retning af den mindre hoved stress retning (dvs. den vandrette retning) under begge forskydnings intervaller.
Figur 1: X-ray Micro CT-opsætning og triaksial indlæsnings anordning. A) et triaksial apparat, der anvendes sammen med et RØNTGEN mikroct-setup. B) et udvidet syn på monteringen af triaksial apparatet under triaksial prøvning. C) triaksial apparatur fra en anden vinkel. Dette tal er blevet ændret fra Cheng og Wang28. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: processen med at lave en prøve. A) installation af en porøs sten og en membran på bundpladen, (B) installation af en prøve Maker,C) opsugning i prøve maskinen, (D) nedkastning af sandpartikler i prøve maskinen, (E) montering af en anden porøs sten og en pude plade oven på sand prøven og (F) fjernelse af prøve Maker fra bundpladen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: billedbehandling af CT-billeder. A) rå CT-projektion, (B) CT-projektion efter fase udtagning, (C) et rekonstrueret vandret CT-skive, (D) CT-skive efter billed filtrering, (E) CT-skive efter billed-binarisering ogf) CT skive efter partikel adskillelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: illustration af ekstraktionen af Inter-partikel kontakter af lbs i 2D skiver. (A) gennemførelse af en logisk operation og mellem det BINÆRE billede af en CT-skive og det binære billede af vandskuret linjer, og (B) en typisk kontakt af to lbs-partikler i 3D-rum (partikler vises med grønt og blåt, og kontakten er vist med rødt). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: typiske partikel kinematik resultater af en lbs prøve under to forskydnings intervaller. A) stress – stamme kurven for prøven under triaksial kompression,B) partikel forskydninger og partikel rotationer af prøven under forskydnings trin i, og (C) partikel forskydninger og partikel rotationer af prøven under forskydning trin II. Dette tal er blevet ændret fra Cheng og Wang24. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: typiske stamme felter af LBS under to forskydnings intervaller.
A) den octahedral forskydnings stamme og prøvens volumetriske stamme under forskydnings intervallet i.B) prøve af octahedral forskydnings stamme og prøvens volumetriske stamme under forskydnings trin II. Dette tal er blevet ændret fra Cheng og Wang24. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: typiske Inter-partikel kontakt Evolution resultater af lbs i to forskydnings intervaller. (A) normaliseret orientering hyppigheden af gren vektorer af vundne kontakter og mistede kontakter af lbs under shear tilvækst i. (B) normaliseret orientering hyppigheden af gren vektorer af vundne kontakter og mistede kontakter af lbs under forskydning tilvækst II. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
High-spatial opløsning X-ray mikro-CT og avanceret billedbehandling og analyseteknikker har gjort det muligt eksperimentel undersøgelse af den mekaniske opførsel af granulære jord under forskydning i flere skala niveauer (dvs., på makro-skala, Meso-skala og niveauer i korn skala). Men CT-billedbaserede undersøgelser af Meso-og korn skala kræver, at man anskaffer en høj-rumlig opløsning CT billeder af jordprøver under lastning. Den mest udfordrende aspekt af denne proces er måske fabrikation af en miniature triaksiale lastning apparater, der kan bruges i forbindelse med en røntgen Micro CT-enhed. Man bør gøre en samlet overvejelse af den krævede stikprøvestørrelse, lastning belastninger og satser, ud over de begrænsninger af røntgen mikroct enheder såsom rumlig opløsning, scanning område og belastningsevne af rotations stadiet.
Bestemmelsen af den optimale røntgen energi og eksponeringstid kan være tidskrævende, men er afgørende for erhvervelsen af CT-billeder af høj kvalitet. Det anbefales, at brugerne prøve forskellige energier og eksponeringstider under deres første scanning og bestemme en passende energi og eksponeringstid i henhold til kvaliteten af de rekonstruerede skiver. Udover, prøver med forskellige indledende porøsiteter kan produceres under prøveforberedelse ved at droppe sandpartikler i prøven skimmel fra forskellige højder. På grund af den lille stikprøvestørrelse er det imidlertid vanskeligere at producere en prøve med en specifik start porøsitet sammenlignet med konventionelle triaksiale tests. For at fremstille en prøve med en indledende porøsitet, der er tæt på en specifik værdi for triaksial prøvning med CT-scanning, anbefales det, at brugerne praktiserer fremstilling af prøver på forhånd.
Sammenlignet med konventionel triaksial prøvning har miniature in situ-triaksial prøvning den fordel, at den kan undersøge den mekaniske opførsel i korn skala af granulerede jorder, herunder korn kinematik, stamme lokalisering og interpartikelkontakt interaktion osv. I øjeblikket, en populær alternativ metode til at undersøge korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord er DEM. Selv om denne teknik muliggør modellering af sand mekanisk opførsel under komplekse belastningsforhold, er korn former og kontakt modeller generelt overforenklede for at opnå høj databehandlings effektivitet i de fleste DEM-undersøgelser. I denne situation er det nødvendigt med en bedre validering af DEM på flere skala niveauer af de oplysninger om korn, der udvindes fra ægte sand ved hjælp af denne protokol. En anden fordel ved den indførte metode til CT billede-baseret stamme beregning er inkorporering af partikel rotation i stammen beregning. Stamme beregningsmetoden blev påvist at producere mere pålidelige stamme resultater end en mesh-base metode uden at overveje virkningerne af partikel rotationer24.
Selv med sine mange fordele, ved hjælp af X-ray Micro CT at studere Inter-partikel kontakt udviklingen af granulære jord kan lide af over-påvisning af interpartikulære kontakter. Nøjagtigheden af Inter-partikel detekterings resultater er stærkt afhængig af den rumlige opløsning af røntgen Micro-CT. Dette skyldes den delvise volumen effekt af røntgen Micro-CT, hvor to isolerede partikler med en afstand, der er mindre end størrelsen af en voxel kan identificeres som to kontakt partikler. Heldigvis blev den generelle tendens til interpartikelkontakt evolution i granulære jorder fundet upåvirket af over-påvisning af interpartikulære kontakter. I mellemtiden er den manglende evne til at udtrække Inter-partikel kontakt kræfter i granulære jord er en anden ulempe ved røntgen Micro-CT sammenlignet med dem undersøgelser43,44,45,46,47 og foto-elastiske studier48,49. På grund af den ovennævnte CT-billedbaseret undersøgelse af korn, som kræves for at identificere og udtrække individuelle partikler fra CT-billeder korrekt, anvendes denne metode desuden på jord med meget uregelmæssige partikelformer eller stærkt let fordærvelige jorder med uregelmæssige intra-partikel-hulrum er meget udfordrende.
I fremtiden vil triaksial prøvning in situ, der giver rigelig data om korn form og korn kinematik, lette inkorporeringen af virkelige partikelformer i DEM-modellering. Efterfølgende, CT image-baserede DEM modellering vil give en bedre forståelse af korn-skala mekanisk opførsel af granulære jord under lastning. I betragtning af evnen til at udtrække Inter-partikel kontakt kræfter50, en kombination af røntgen diffraktion med RØNTGEN mikroct for in situ triaksial test vil være nyttigt for udvinding af fuldkorn-skala oplysninger (dvs., både korn kinematik og korn kontakt kræfter) fra granulerede jorder under klipning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev støttet af den generelle forskningsfond No. CITYU 11213517 fra forskningstilskuds Rådet i Hongkong SAR, forskning Grant No. 51779213 fra National Science Foundation i Kina, og BL13W strålinger af Shanghai Synchrotron stråling facilitet (ssrf).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Confining pressure offering device | GDS | STDDPC | |
| De-aired water | N/A | N/A | Water de-aired in the lab |
| Leighton Buzzard sand | Artificial Grass Cambridge | Drained Industrial Sand 25 kg | Can be replaced with different soils |
| Miniature triaxial loading device | N/A | N/A | The miniature loading device is specially fabricated by the authors |
| Silicon grease | RS company | RS 494-124 | |
| Synchrotron radiation X-ray micro CT setup | Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF) | 13W1 | The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF |
| Vacuum pump | Hong Kong Labware Co., ltd. | Rocker 300 |
References
- Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
- Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
- Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
- Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
- 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).
- Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
- Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
- Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
- 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).
- 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).
- 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).
- Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
- 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).
- 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).
- Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
- 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).
