Summary
Het protocol beschrijft procedures voor het verkrijgen van hoge-ruimtelijke resolutie computertomografie (CT) beelden van een korrelige bodem tijdens triaxiale compressie, en het toepassen van beeldverwerkingstechnieken om deze CT-beelden te verkennen van de korrel schaal mechanisch gedrag van de bodem onder het laden.
Abstract
De snelle ontwikkeling van Röntgen beeldvormingstechnieken met beeldverwerkings-en analyse vaardigheden heeft de overname van CT-beelden van korrelvormige bodems met hoge ruimtelijke resoluties mogelijk gemaakt. Op basis van dergelijke CT-afbeeldingen kan mechanisch gedrag op korrel schaal, zoals deeltjes kinematica (d.w.z. deeltjes vertalingen en deeltjes rotaties), de lokalisatie van de stam en de onderlinge contact evolutie van korrelige bodems kwantitatief worden onderzocht. Dit is echter niet toegankelijk met conventionele experimentele methoden. Deze studie toont de verkenning van het mechanische gedrag op korrel schaal van een korrelig bodemmonster onder triaxiale compressie met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie (μCT). Met deze methode wordt een speciaal vervaardigde miniatuur laadinrichting gebruikt voor het aanbrengen van opsteek-en axiale spanningen op het monster tijdens de triaxiale test. Het apparaat is ingebouwd in een Synchrotron X-Ray computertomografie Setup, zodat hoge ruimtelijke resolutie CT-beelden van het monster kunnen worden verzameld in verschillende laad stadia van de test zonder verstoring van het monster. Met de mogelijkheid om informatie op de macro schaal te extraheren (bijvoorbeeld de grens spanningen en-stammen van de triaxiale installatie) en de korrel schaal (bv. korrel bewegingen en contact interacties van de CT-beelden), biedt deze procedure een effectieve methodologie om de Multi-Scale mechanica van korrelvormige bodems te onderzoeken.
Introduction
Het wordt alom erkend dat de mechanische eigenschappen van korrelvormige grond, zoals stijfheid, afschuifsterkte en permeabiliteit, van cruciaal belang zijn voor vele geotechnische constructies, bijvoorbeeld stichtingen, hellingen en rotsvuldammen. Gedurende vele jaren zijn tests ter plaatse en conventionele laboratoriumtests (bijv. eendimensionale compressie tests, triaxiale compressie tests en permeabiliteit tests) gebruikt om deze eigenschappen in verschillende bodems te evalueren. Codes en normen voor het testen van bodem mechanische eigenschappen zijn ook ontwikkeld voor technische doeleinden. Hoewel deze mechanische eigenschappen van de macro schaal intensief zijn bestudeerd, heeft het mechanische gedrag op korrel schaal (bijv. deeltjes kinematica, contact interactie en de lokalisatie van de stam) die deze eigenschappen regelt, veel minder aandacht gekregen van ingenieurs en onderzoekers. Een van de redenen is het gebrek aan effectieve experimentele methoden om het mechanische gedrag van de bodem op graan schaal te onderzoeken.
Tot nu is het grootste deel van het begrip van het mechanische gedrag van korrelvormige bodems afkomstig van discrete element Modeling1 (DEM), vanwege het vermogen om deeltjes schaal informatie te extraheren (bijv. deeltjes kinematica en deeltjes contact krachten). In eerdere studies van het gebruik van DEM-technieken om korrelig bodem mechanisch gedrag te modelleren, werd elk afzonderlijk deeltje simpelweg vertegenwoordigd door een enkele cirkel of bol in het model. Het gebruik van dergelijke over-vereenvoudigde deeltjes vormen heeft geleid tot de overmatige rotatie van deeltjes en daardoor een lager piek sterkte-gedrag2. Om een betere modellerings prestatie te bereiken, hebben veel onderzoekers een rolweerstandmodel 3,4,5,6 of onregelmatig deeltjesvormen 7,8, 9,10,11,12 in hun dem-simulaties. Als gevolg hiervan is een realistischer begrip van het gedrag van deeltjes KINEMATISCH verkregen. Naast deeltjes kinematica wordt DEM steeds vaker gebruikt om de interactie tussen granen en contact te onderzoeken en theoretische modellen te ontwikkelen. Vanwege de eis om echte deeltjes vormen en het gebruik van geavanceerde contact modellen te reproduceren, vereist DEM echter een extreem hoge computationele capaciteit bij het modelleren van korrelvormige bodems met onregelmatige vormen.
Onlangs heeft de ontwikkeling van optische apparatuur en beeldvormingstechnieken (bijv. de Microscoop, laser-aided computertomografie, x-ray computer computertomografie (CT) en x-ray micro-computertomografie (μct)) veel mogelijkheden geboden voor het experimentele onderzoek van de mechanisch gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems. Via acquisitie en analyse van bodemmonster afbeeldingen vóór en na triaxiaal testen zijn dergelijke apparatuur en technieken gebruikt bij het onderzoek naar bodem microstructuren13,14,15,16 ,17,18,19. Meer recentelijk zijn in-situ tests met X-Ray CT of μct steeds vaker gebruikt om de evolutie van de void ratio20, stam verdeling21,22,23,24, deeltjes beweging25,26,27,28, tussen deeltjes contact29,30,31 en deeltjes verbrijzelen32 van korrelvormige bodems. Hier impliceert "in situ" X-ray scanning uitgevoerd op hetzelfde moment als het laden. In tegenstelling tot algemene X-ray scanning, vereisen X-ray scanning tests in situ een speciaal vervaardigd laadapparaat om spanningen te leveren aan bodemmonsters. Met het gecombineerde gebruik van het laadapparaat en X-Ray CT-of μCT-apparaat kunnen CT-beelden van de monsters in verschillende laad stadia van de tests niet-destructief worden verkregen. Op basis van deze CT-beelden kunnen observaties van korrelig bodem gedrag op deeltjes schaal worden verkregen. Deze op deeltjes niveau gebaseerde observaties van CT-beelden zijn uiterst nuttig om numerieke bevindingen te controleren en nieuwe inzichten te verwerven in het mechanische gedrag van korrelvormige bodems.
Dit artikel is bedoeld om de details te delen van hoe een X-Ray in situ Scanning test van een bodemmonster kan worden uitgevoerd, met behulp van een voorbeeldig experiment dat deeltjes kinematica, strain lokalisatie en interdeeltjes contact evolutie in een bodemmonster observeert. De resultaten tonen aan dat X-Ray in situ Scanning tests een groot potentieel hebben om het korrelvormige gedrag van korrelvormige bodems te verkennen. Het protocol heeft betrekking op de keuze van X-Ray μCT apparaat en de bereiding van een miniatuur triaxiaal laadapparaat, en gedetailleerde procedures voor het uitvoeren van de test worden geleverd. Daarnaast zijn de technische stappen voor het gebruik en de analyse van beeldverwerking om de deeltjes kinematica (d.w.z. deeltjes translatie en deeltjes rotatie), de lokalisatie van de stam en de contact evolutie tussen deeltjes te kwantificeren (d.w.z. contactversterking, contact verlies en contact verplaatsing) van de bodem worden beschreven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. het experiment goed op voorhand ontwerpen
- Bepaal het testmateriaal, de deeltjesgrootte, de monstergrootte en de initiële porositeit van het monster.
Opmerking: Leighton Buzzard Sand met een diameter van 0,15 ~ 0,30 mm en een steekproefgrootte van 8 x 16 mm (diameter x hoogte) wordt gebruikt als voorbeeld om het Protocol van dit onderzoek aan te tonen. Andere zandstranden zoals Fujian Sand, Houston Sand, Ottawa Sand en Caicos ooids, etc. en soortgelijke steekproefgroottes kunnen ook worden gebruikt. - Kies een geschikte detector (Figuur 1A) volgens de vereiste ruimtelijke resolutie en scangebied, die worden bepaald volgens de vooraf bepaalde deeltjesgrootte en steekproefgrootte. In deze studie wordt bijvoorbeeld een detector met een ruimtelijke resolutie van 6,5 μm gebruikt. Het heeft een effectief scan oppervlak van 2048 x 860 pixels (d.w.z. 13,3 × 5,6 mm).
Opmerking: tijdens een triaxiale Compressietest moet het vervormde monster in het scangebied van de detector blijven. Een hoge ruimtelijke resolutie detector moet worden gebruikt, zodat afzonderlijke deeltjes voldoende voxels voor de juiste extractie van deeltjes eigenschappen bevatten. - Bepaal de benodigde energie van de röntgenbron (Figuur 1A) en de blootstellingstijd volgens het testmateriaal en de steekproefgrootte. Over het algemeen moet een hogere energie worden gebruikt voor een groter monster dat bestaat uit een dichtere stof. Gebruik een Röntgen energie van 25 keV en een belichtingstijd van 0,05 s voor de zand monsters in deze studie.
Opmerking: de vereiste X-Ray energie en belichtingstijd kunnen worden bepaald door trial and error met behulp van een gescande projectie van het monster. De verhouding van de minimale intensiteit van de grijs schaal van de projectie tot de maximumwaarde mag niet lager zijn dan 0,2. Anders moet een hogere Röntgen energie of langere blootstellingstijd worden gebruikt. - Bepaal de vereiste rotatiesnelheid ω (graden per seconde) voor de rotatie fase (afbeelding 1A) van het röntgenapparaat. De rotatiesnelheid ω wordt berekend op basis van het vereiste aantal projecties N (bijv. N = 1.080) voor de reconstructie van CT-segmenten.
Opmerking: ω = 180 Vs/N. Hier is Vs de scansnelheid van het röntgenapparaat, d.w.z. het aantal gescande en opgenomen radiografieën per seconde. Vs wordt voornamelijk beïnvloed door de prestaties van de detector en de hardware die is gekoppeld aan de detector, zoals de computer. - Fabriceren een triaxiaal laadapparaat (figuren 1B, C, zie ook referentie 33) voor gebruik in combinatie met het X-Ray μct apparaat. Het apparaat moet dezelfde hoofdfuncties hebben als een conventioneel triaxiaal compressie apparaat. Het ontwerp moet rekening houden met de eis van de steekproefgrootte, het bereik van de ophoud spanningen en de laadsnelheden.
Opmerking: het apparaat moet in staat zijn om in het X-Ray μCT-apparaat te passen en licht zijn om de rotatie te vergemakkelijken met behulp van de rotatie fase. De triaxiale cel moet transparant zijn voor röntgenstralen. Gezien de transparantievereiste, kunnen acryl en polycarbonaat worden gebruikt om de triaxiale cel te fabriceren. - Voer een test uit met dezelfde opsteek druk, laadsnelheid en monster eigenschappen (d.w.z. materiaal, steekproefgrootte en initiële porositeit) buiten de X-Ray CT-scanner om te plannen wanneer het laden voor CT-Scanning moet worden onderbroken.
2. uitvoering in situ triaxiaal compressie testen
- Plaats de triaxiaal laadapparatuur en het testmateriaal ter plaatse.
Opmerking: de laadapparatuur en de ophoud druk die het apparaat aanbiedt (Zie de tabel met materialen) worden in de X-Ray CT-scan ruimte geplaatst, terwijl de gegevensverzameling en de controle van apparaten zich buiten bevinden. Triaxiaal laden en CT-scanning van het monster worden vervolgens buiten de scan ruimte bediend. - Bevestig een hijs fase op het moederbord van het X-Ray micro CT-apparaat (Figuur 1B). Een kantel fase op het hefpodium en een rotatie fase op de kantel fase, respectievelijk (Figuur 1B).
NB: de heffase en de kantel fase moeten voldoende laadvermogen hebben om de desbetreffende apparatuur te verplaatsen. - Pas de positie en oriëntatie van de rotatie fase aan via de kantel fase, zodat een enkele röntgenstraal door dezelfde punten in het monster stroomt wanneer deze over 180 graden rond de as van de rotatie fase wordt gedraaid.
Opmerking: de stappen 2,2 tot en met 2,3 zijn van toepassing op het X-Ray micro CT-apparaat van het Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). Voor X-Ray micro CT-apparaten die specifiek worden gebruikt voor in-situ triaxiaal testen, kunnen deze stappen worden weggelaten na de zorgvuldige positionering en fixatie van de rotatie fase. - Bereid een bodemmonster op het bord volgens de volgende procedures.
- Voeg een kleine hoeveelheid siliconen vet toe rond het laterale oppervlak van het bovenste uiteinde van de basisplaat en plaats een poreuze steen op het bovenoppervlak. Plaats een membraan rond het laterale oppervlak van het bovenste uiteinde (Figuur 2a).
- Voeg een kleine hoeveelheid siliconen vet toe op de contactoppervlakken tussen de twee delen van de monster maker en vergrendel deze. Plaats de monster Maker op de basisplaat en laat het membraan door het passeren (Figuur 2B).
- Creëer zuigkracht (bijv. 25 kPa) in de monster Maker via de nozzle met behulp van een vacuümpomp. Bevestig het membraan op het laterale oppervlak van zijn bovenste uiteinde. Zorg ervoor dat het membraan op het binnenoppervlak van de monster Maker is bevestigd (Figuur 2C).
- Laat het korrelige materiaal van een bepaalde hoogte in de monster Maker vallen met behulp van een trechter totdat deze volledig is gevuld. Het bovenste oppervlak van het bodemmonster moet gelijk zijn aan de bovenrand van de monster Maker (Figuur 2D).
- Plaats een andere poreuze steen bovenop het bodemmonster en een roestvrijstalen kussen plaat bovenop de poreuze steen. Breng wat siliconen vet aan rond het laterale oppervlak van de kussen plaat. Verwijder de bovenzijde van het membraan van de monster maker en bevestig het aan de kussen plaat (Figuur 2E).
- Verwijder de zuigkracht in het mondstuk van de monster maker en creëer zuigkracht in de klep op de bodemplaat. Verwijder ten slotte de monster Maker. Een miniatuur droog monster wordt geproduceerd, zoals te zien in Figuur 2F.
Opmerking: deze stap toont de procedure voor het produceren van een miniatuur bodemmonster met behulp van de lucht pluviatie methode. De traditionele droge verdichtings methode kan ook worden gebruikt om het monster te produceren.
- Bevestig de cel op de basisplaat en bevestig de bovenste plaat van de kamer op de bovenkant van de cel (Figuur 1C).
- Bevestig de zuiger schacht van de cel op de bovenste plaat van de kamer (figuur 1c).
- Plaats de basisplaat samen met de opcel en de bovenste plaat van de kamer op de rotatie fase. Een frame wordt gebruikt om de hoogte van het monster voor CT-Scanning aan te passen (Figuur 1B).
Opmerking: dit frame wordt gebruikt als gevolg van het beperkte bewegingsbereik van het hefpodium bij SSRF. Het is niet nodig om een frame te gebruiken als er een hefpodium met een groot bewegingsbereik wordt gebruikt. - Bevestig de rest van het laadapparaat op de bovenste plaat van de kamer.
- Installeer de lineaire variabele differentiaal transformator (LVDT), Load Cell en Stepping motor en activeer ze (Figuur 1C).
- Vul de cel met de-uitgezonden water door de celdruk (CP) ventiel (Zie Figuur 1C) met behulp van het water dat wordt geleverd door een opzijdruk aanbod apparaat (Zie tabel van de materialen). Sluit de water uitgang (we) ventiel (Zie Figuur 1C) wanneer het water uit de klep begint te stromen.
Opmerking: Stel de ophoud druk van het apparaat in op de constante druk modus met een zeer lage constante drukwaarde (bijv. 10 kPa). - Voeg een constante druk van 25 kPa toe aan het monster en verwijder de zuigkracht in het monster.
- Verhoog geleidelijk de opschrijf druk tot een vooraf bepaalde waarde met behulp van de opdruk inrichting.
- Voer de eerste scan van het monster uit. Voor een hoge ruimtelijke resolutie CT-scanner (bijv. met een pixelgrootte van 6,5 μm) vereist een volledige scan van het monster (bijv. met een hoogte van 16 mm) meestal dat het monster op verschillende hoogtes wordt gescand (d.w.z. dat de scan in meerdere secties is onderverdeeld).
Opmerking: als een lage ruimtelijke resolutie detector en een klein formaat monster worden gebruikt, kan het scangebied volstaan om een volledige scan van het monster met behulp van een enkele sectie te verwerven.- Een gedeelte van het voorbeeld scannen. Stel de CT-scanner in op de opnamemodus voor beeld en start vervolgens de rotatie fase om het hele apparaat over 180 graden te roteren bij een vooraf bepaalde constante rotatiesnelheid (bijv. 3,33 graden/s) om CT-projecties van het monster in verschillende hoeken vast te leggen.
Opmerking: er wordt gesuggereerd dat het monster van de bodem naar boven wordt gescand (d.w.z. dat de eerste sectie alle deeltjes bevat die zich aan de onderkant van het monster bevinden). - Schakel de opnamemodus voor afbeeldingen uit wanneer de rotatie is voltooid. Draai het apparaat terug naar de beginpositie.
- Til het monster samen met het gehele apparaat omhoog met behulp van de heffase (Figuur 1B) met een bepaalde hoogte (bijvoorbeeld 4 mm) voor het scannen van het volgende deel van het monster.
Opmerking: het opheffen moet ervoor zorgen dat er een overlap is tussen de huidige sectie en het laatste gedeelte (d.w.z. dat er een overlap is tussen twee opeenvolgende secties). De overlapping moet ten minste 10 pixels zijn om de stiksels te vergemakkelijken. - Herhaal de stappen 2.13.1-2.13.3 totdat het laatste gedeelte van het voorbeeld wordt gescand.
- Een gedeelte van het voorbeeld scannen. Stel de CT-scanner in op de opnamemodus voor beeld en start vervolgens de rotatie fase om het hele apparaat over 180 graden te roteren bij een vooraf bepaalde constante rotatiesnelheid (bijv. 3,33 graden/s) om CT-projecties van het monster in verschillende hoeken vast te leggen.
- Breng een axiale belasting op het monster met een constante laadsnelheid. Hier wordt in deze studie een laadsnelheid van 0,2%/min gebruikt. Gebruikers kunnen een andere laadsnelheid instellen volgens de vereiste experiment.
- Pauzeer de axiale belasting bij een vooraf bepaalde axiale stam. Wacht tot de gemeten axiale kracht een constante waarde bereikt (meestal binnen 2 min) en voer de volgende scan uit. De scan procedures zijn hetzelfde als gedemonstreerd in stap 2,13.
- Herhaal de stappen 2,14 en 2,15 tot het einde van het laden.
- Ontlaad de test en verwijder het monster uit het triaxiaal apparaat.
- Installeer de basisplaat en de opcel in de rotatie fase om verschillende platte projecties (over het algemeen 10 projecties) van de detector te verkrijgen. Sluit de X-Ray-bron af om hetzelfde aantal donkere projecties van de detector te verkrijgen.
Opmerking: vlakke en donkere projecties worden gebruikt voor het faseren van ruwe CT-projecties. De uitvoering van vlakke en donkere correctie verbetert het contrast tussen het monster en de omringende achtergrond in de gereconstrueerde CT-segmenten. Het helpt ook om de ring artefacten als gevolg van defecte pixels van de detector te verlichten.
3. beeldverwerking en-analyse
- Beeldverwerking
- Fase opvraging (Figuur 3B) van onbewerkte CT-projecties (Figuur 3A) van het monster uitvoeren met behulp van de vrije software Pitre34. Load projecties (inclusief de vlakke en donkere projecties) in PITRE vanuit het menu afbeelding laden. Klik op het pictogram Ppci. Voer de relevante scanparameters in en klik op Single om het ophalen van de fase te implementeren.
Opmerking: de implementatie van fase retrieval biedt een verbetering van de interfaces tussen verschillende fasen (d.w.z. de leegte fase en de vaste fase) in de gereconstrueerde CT-segmenten, wat van groot belang is voor de daaropvolgende op afbeeldingen gebaseerde analyse van contacten tussen deeltjes. - Reconstrueren CT-segmenten van het monster met behulp van PITRE op basis van de CT-projecties na fase ophalen (Figuur 3C). Laad de projecties in PITRE vanuit het menu afbeelding laden. Klik op het pictogram Projsino. Voer relevante parameters in het verschenen venster in en klik op Single om een CT-segment te reconstrueren.
Opmerking: Controleer de horizontale segmenten om er zeker van te zijn dat er geen verhardings artefacten of ring artefacten zijn. Anders zijn de huidige Scanparameters en opnieuw scannen van het monster vereist. Controleer de verticale segmenten. Als het monster vóór de afschuiving ernstig wordt gekanteld, wordt de test als niet succesvol beschouwd. - Implementeer het filteren van afbeeldingen op de CT-segmenten. Een anisotrope diffusie filter wordt gebruikt om beeld filtering uit te voeren (Figuur 3D).
- Voer beeld Binarisatie uit op de gefilterde CT-segmenten. Implementeer de beeld Binarisatie (Figuur 3E) door een intensiteitswaarde toe te passen op de CT-segmenten, die wordt bepaald op basis van het intensiteits histogram van de CT-segmenten met behulp van otsu-methode35.
Opmerking: voor CT-segmenten met een lichtsterkte histogram met een grijs schaal die een aanzienlijke overlapping van intensiteiten tussen de vaste fase en de void-fase vertoont, is een validatie van de beeld Binarisatie vereist met behulp van de massa van de vaste fase36. - Scheid afzonderlijke deeltjes van de in CT-segmenten met behulp van een op een marker gebaseerd waterscheiding-algoritme en sla de resultaten op in een 3D-gelabeld beeld (Figuur 3F). Valideer de resultaten door de berekende deeltjesgrootteverdeling van de CT-afbeelding te vergelijken met die van een mechanische zeeftest.
Opmerking: de module afzonderlijke objecten van de software Avizo Fire kan worden gebruikt om dit algoritme te implementeren. Verwijder de poreuze stenen van de in CT-segmenten met behulp van de module Border Kill van avizo Fire. Om een betrouwbare deeltjes scheidings resultaten te verwerven, worden lezers voorgesteld om verschillende algoritmen voor deeltjes segmentatie te proberen37,38,39.
- Fase opvraging (Figuur 3B) van onbewerkte CT-projecties (Figuur 3A) van het monster uitvoeren met behulp van de vrije software Pitre34. Load projecties (inclusief de vlakke en donkere projecties) in PITRE vanuit het menu afbeelding laden. Klik op het pictogram Ppci. Voer de relevante scanparameters in en klik op Single om het ophalen van de fase te implementeren.
- Beeldanalyse
- Extract deeltjes eigenschappen van de gelabelde afbeelding. Een MATLAB-script wordt gebruikt om deeltjes eigenschappen te extraheren, waaronder deeltjesvolume, deeltjesoppervlak, deeltjes oriëntatie en deeltjes centroïde-coördinaten.
Opmerking: de intrinsieke MATLAB-functies regionprops, bwprim en PCA worden gebruikt om deze eigenschappen van elk deeltje te verwerven. Een gedetailleerdere beschrijving van deze procedures is te vinden in het werk van Cheng en Wang28. - Neem contact voxels uit de in CT-segmenten op door de uitvoering van een logische bewerking en tussen het binaire beeld van de CT-segmenten (Figuur 4) en een binair beeld van de waterloods lijnen die zijn verworven bij de implementatie van de op marker gebaseerde algoritme voor waterberging31.
Opmerking: overmatige detectie van contact voxels kan optreden als gevolg van het gedeeltelijke volume effect en de willekeurige ruis van CT-beelden40,41. Een lichte overdetectie van contacten tussen deeltjes zou echter geen significante effecten hebben op de algehele trend van het gedrag van de Inter-particle contact evolutie42.
- Extract deeltjes eigenschappen van de gelabelde afbeelding. Een MATLAB-script wordt gebruikt om deeltjes eigenschappen te extraheren, waaronder deeltjesvolume, deeltjesoppervlak, deeltjes oriëntatie en deeltjes centroïde-coördinaten.
4. CT beeld-gebaseerde verkenning van de korrel schaal mechanisch gedrag van de bodem
Opmerking: de volgende analyse op basis van een afbeelding is niet van toepassing op idealistisch sferische deeltjes of monsters met zeer smalle gradatie marges (d.w.z. deeltjes monsters). Voor deeltjes met een hoge rondheid en een slechte sortering (bijv. 0,3 ~ 0,6 mm glas kralen) levert de methodologie echter goede resultaten op (Zie Cheng en Wang31).
- Kwantiseer de deeltjes kinematica van het monster. Gebruik een deeltjes volgmethode om individuele deeltjes in het monster bij verschillende scans bij te houden op basis van deeltjesvolume of deeltjesoppervlak. Een gedetailleerde beschrijving van deze methode wordt gegeven in Cheng en Wang28.
- Bereken de vertaling van elk deeltje tijdens twee opeenvolgende scans. Het wordt berekend als het verschil in de deeltjes centroïde coördinaten tussen de twee scans.
- Bepaal de rotatiehoek van elk deeltje volgens het verschil in de belangrijkste hoofdas oriëntaties tussen de twee scans.
- Het stam veld van het monster kwantificeren. Gebruik een op een raster gebaseerde methode om het veld spanning te berekenen tijdens twee opeenvolgende scans op basis van de deeltjes translatie en deeltjes rotatie.
Opmerking: de methode vereist de gelabelde afbeeldingen van het voorbeeld van beide scans en de deeltjes-kinematica-resultaten. Lezers worden verwezen naar een vorige werk24 voor een gedetailleerde beschrijving. - Analyseer de contact evolutie tussen deeltjes van het monster. Op basis van de geëxtraheerde contact voxels, de gelabelde afbeeldingen van deeltjes en de deeltjes tracerings resultaten, analyseert u de vertakkings vector oriëntatie van de verloren contacten en de opgedane contacten in het voorbeeld tijdens elke afschuif stap.
Opmerking: een volledige beschrijving van deze methode wordt gegeven in Cheng en Wang31.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 5 toont de deeltjes kinematica resultaten van een Leighton Buzzard Sand (lbs) sample op een 2D slice tijdens twee typische shear stappen, I en II. De meeste deeltjes worden met succes bijgehouden en hun vertalingen en rotaties worden gekwantificeerd volgens het bovenstaande protocol. Tijdens de eerste shear increment vertonen geen deeltjes verplaatsingen of deeltjes rotaties een duidelijke lokalisatie. Echter, een gelokaliseerde band is ontwikkeld in zowel de partikel verplaatsing kaart en deeltjes rotatie kaart tijdens de tweede shear increment. Figuur 6 toont de Octahedrale en volumetrische stam kaarten van het monster tijdens de twee afschuif stappen. Een duidelijke lokalisatie zone wordt waargenomen in de strain Maps bij de tweede shear increment, het aantonen van de mogelijkheid van de methode om zand falen onder triaxiaal scheren te visualiseren. Afbeelding 7 toont de genormaliseerde oriëntatie frequentie van de vertakkings vectoren van verworven contacten en verloren contacten in het monster tijdens de twee afschuif stappen. De verloren contacten vertonen een duidelijke directionele voorkeur ten opzichte van de kleine hoofd spannings richting (d.w.z. de horizontale richting) tijdens beide afschuif stappen.
Figuur 1: X-Ray micro CT Setup en triaxiaal laadapparaat. A) eentriaxiaal apparaat dat wordt gebruikt in combinatie met een X-Ray micro CT-installatie. B) een vergrote weergave van de installatie van het triaxiaal apparaat tijdens triaxiaal testen. C) triaxiaal apparaat vanuit een andere hoek. Dit cijfer is gewijzigd van Cheng en Wang28. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: het proces van het maken van een monster. A) plaatsing van een poreuze steen en een membraan op de bodemplaat,B) installatie van een monster Maker, (C) het creëren van afzuiging in de monster machine, (D) zand deeltjes in de monster Maker laten vallen, (E) installatie van een andere poreuze steen en een kussen plaat bovenop het zand monster, en (F) verwijdering van de monster maker van de basisplaat. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 3: beeldverwerking van CT-beelden. A) ruwe CT-projectie, (B) de CT-projectie na het ophalen van de fase, (C) een gereconstrueerd horizontaal CT-segment, (D) het CT-segment na het filteren van de afbeelding, (E) het CT-segment na beeld Binarisatie, en (F) de CT-segment na scheiding van deeltjes. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: illustratie van de extractie van contacten tussen deeltjes van lbs in 2D plakjes. A) deuitvoering van een logische operatie en tussen het binaire beeld van een CT-segment en het binaire beeld van de waterloods lijnen, en (B) een typisch contact van twee lbs-deeltjes in de 3D-ruimte (deeltjes worden weergegeven in groen en blauw en contact is weergegeven in rood). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: typische deeltjes kinematica resultaten van een lbs-monster tijdens twee afschuif stappen. A) stress-stam curve van het monster onder triaxiale compressie, (B) deeltjes verplaatsingen en deeltjes rotaties van het monster tijdens de shear increment I, en (C) deeltjes verplaatsingen en deeltjes rotaties van het monster tijdens shear increment II. Dit cijfer is gewijzigd van Cheng en Wang24. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: typische stam velden van LBS tijdens twee afschuif stappen.
A) octaëdrisch afschuif stam en volumetrische stam van het monster tijdens afschuiving I.B) octaëdrisch afschuif stam en volumetrische stam van het monster tijdens afschuif stap II. Dit cijfer is gewijzigd van Cheng en Wang24. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: typische contact evolutie van de Inter-particle resultaten van lbs tijdens twee afschuif stappen. (A) genormaliseerde oriëntatie frequentie van de tak vectoren van verworven contacten en verloren contacten van lbs tijdens shear increment I.B) genormaliseerde oriëntatie frequentie van de tak vectoren van verworven contacten en verloren contacten van lbs tijdens shear Increment II. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hoge-ruimtelijke resolutie X-Ray micro-CT en geavanceerde beeldverwerkings-en analysetechnieken hebben het experimentele onderzoek naar het mechanische gedrag van korrelvormige bodems onder afschuiving op multi-schaalniveaus mogelijk gemaakt (d.w.z. op macro schaal, meso-schaal en niveaus van korrelgrootte). Echter, CT-beeld-gebaseerde meso-en korrel-Scale onderzoeken vereisen de verwerving van hoge-ruimtelijke resolutie CT beelden van bodemmonsters tijdens het laden. Het meest uitdagende aspect van dit proces is misschien de fabricage van een miniatuur triaxiaal laadapparaat dat kan worden gebruikt in combinatie met een X-Ray micro CT-apparaat. Men moet een algemene afweging maken tussen de vereiste steekproefgrootte, belasting belastingen en-percentages, naast de beperkingen van X-Ray micro CT-apparaten zoals de ruimtelijke resolutie, het scangebied en de laadcapaciteit van de rotatie fase.
De bepaling van optimale Röntgen energie en belichtingstijd kan tijdrovend zijn, maar is cruciaal voor de aanschaf van hoogwaardige CT-beelden. Het wordt aanbevolen dat gebruikers verschillende energieën en blootstellings tijden proberen tijdens hun eerste scan en een geschikte energie-en blootstellingstijd bepalen volgens de kwaliteit van de gereconstrueerde segmenten. Bovendien kunnen monsters met verschillende initiële membraanporositeiten worden geproduceerd tijdens de monstervoorbereiding door zand deeltjes in de monster schimmel van verschillende hoogten te laten vallen. Vanwege de kleine steekproefgrootte is het produceren van een monster met een specifieke initiële porositeit echter moeilijker in vergelijking met conventionele triaxiale tests. Voor het produceren van een monster met een initiële porositeit die dicht bij een specifieke waarde voor triaxiaal testen met CT-Scanning, gebruikers worden aanbevolen om te oefenen met het produceren van monsters van tevoren.
In vergelijking met conventionele triaxiaal testen heeft miniatuur in situ triaxiaal testen het voordeel dat ze het korrelvormige mechanische gedrag van korrelvormige bodems kunnen onderzoeken, waaronder graan Kinematics, stam lokalisatie en interdeeltjes contact interactie, enz. Op dit moment, een populaire alternatieve methode voor het onderzoeken van de korrel schaal mechanisch gedrag van korrelvormige bodems is DEM. Hoewel deze techniek het modelleren van mechanisch zand gedrag onder complexe belastingscondities mogelijk maakt, zijn korrel vormen en contact modellen over het algemeen over-vereenvoudigd om in de meeste DEM-studies een hoge reken efficiëntie te bereiken. In deze situatie is de korrel-schaal informatie die met dit protocol uit echt zand wordt geëxtraheerd nodig voor een betere validering van DEM-modellen op multi-schaalniveaus. Een ander voordeel van de geïntroduceerde methode voor CT image-based stam berekening is de opname van deeltjes rotatie in de berekening van de stam. De methode voor het berekenen van de stam werd aangetoond om betrouwbaarder stam resultaten te produceren dan een mesh-base methode zonder rekening te hebben met de effecten van deeltjes rotaties24.
Zelfs met zijn vele voordelen kan het gebruik van X-Ray micro CT om de Inter-particle contact evolutie van korrelige bodems te bestuderen, last hebben van overmatige detectie van contacten tussen deeltjes. De nauwkeurigheid van de detectieresultaten tussen deeltjes is sterk afhankelijk van de ruimtelijke resolutie van de X-Ray micro-CT. Dit is te wijten aan het gedeeltelijke volume effect van de X-Ray micro-CT, waarbij twee geïsoleerde deeltjes met een afstand kleiner dan de grootte van een Voxel kunnen worden geïdentificeerd als twee contact deeltjes. Gelukkig bleek de algemene trend van de onderlinge contact evolutie tussen deeltjes binnen granulaire bodems niet beïnvloed te worden door de overmatige detectie van contacten tussen deeltjes. Ondertussen is het onvermogen om contactkrachten tussen deeltjes te extraheren binnen granulaire bodems een ander nadeel van X-Ray micro-CT in vergelijking met dem-studies43,44,45,46,47 en foto-elastische studies48,49. Bovendien is de toepassing van deze methode op bodems met zeer onregelmatige deeltjes vormen of ten gevolge van het bovengenoemde CT-beeld gebaseerde onderzoek op graan schaal vereist voor het correct identificeren en extraheren van afzonderlijke deeltjes uit CT-beelden. vergankelijke bodems die onregelmatige intra partikel holtes bevatten, zijn zeer uitdagend.
In de toekomst zal in situ triaxiaal testen met ruime gegevens over korrelvorm en graan kinematica de opname van echte deeltjes vormen in DEM Modeling vergemakkelijken. Vervolgens zorgt CT-image-based DEM Modeling voor een beter begrip van het mechanische gedrag van korrelvormige bodems onder het laden. Ondertussen zal, gezien de mogelijkheid om de contactkrachten tussen deeltjes50te extraheren, een combinatie van röntgendiffractie met x-ray micro-CT voor in-situ triaxiaal testen nuttig zijn voor de extractie van volledige korrel-schaal informatie (d.w.z. beide graan kinematica en graan contactkrachten) van korrelvormige bodems onder het scheren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Deze studie werd gesteund door het General Research Fund No. CityU 11213517 van de onderzoekssubsidie Raad van de Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 van de National Science Foundation of China, en de BL13W beamline van de Shanghai Synchrotron Radiation Facility (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).
