Summary
Das Protokoll beschreibt Verfahren, um Hochräumliche Auflösung Scomputed Tomography (CT)-Bilder eines körnigen Bodens während der triaxialen Kompression zu erfassen und Bildverarbeitungstechniken auf diese CT-Bilder anzuwenden, um das mechanische Verhalten von den Boden unter der Belastung.
Abstract
Die schnelle Entwicklung von Röntgenbildgebungstechniken mit Bildverarbeitungs- und Analysefähigkeiten hat die Erfassung von CT-Bildern von körnigen Böden mit hohen räumlichen Auflösungen ermöglicht. Basierend auf solchen CT-Bildern können mechanische skaliante skaliante Sprossenwies wie Teilchenkinematik (d.h. Partikelübersetzungen und Partikelrotationen), Dehnungslokalisierung und interteilchenspezifische Kontaktentwicklung von körnigen Böden quantitativ untersucht werden. Dies ist jedoch mit konventionellen experimentellen Methoden nicht zugänglich. Diese Studie zeigt die Erforschung des mechanischen Verhaltens einer körnigen Bodenprobe unter triaxialer Kompression mittels Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie (CT). Bei diesem Verfahren wird eine speziell gefertigte Miniatur-Ladevorrichtung verwendet, um während der triaxialen Prüfung Konfinen und axiale Spannungen auf die Probe anzuwenden. Das Gerät ist in ein Synchrotron-Röntgentomographie-Setup eingebaut, so dass hochräumliche Auflösung CT-Bilder der Probe in verschiedenen Belastungsstufen des Tests ohne Störung der Probe gesammelt werden können. Mit der Möglichkeit, Informationen auf Makroskalen (z. B. Probengrenzspannungen und Dehnungen aus dem Triaxialapparataufbau) und der Kornskala (z. B. Kornbewegungen und Kontaktinteraktionen aus den CT-Bildern) zu extrahieren, bietet dieses Verfahren wirksame Methodik zur Untersuchung der mehrstufigen Mechanik von körnigen Böden.
Introduction
Es ist allgemein anerkannt, dass die makroskaligen mechanischen Eigenschaften von körnigen Böden, wie Steifigkeit, Scherfestigkeit und Durchlässigkeit, für viele geotechnische Strukturen, wie Fundamente, Hänge und Gesteinsfülldämme, von entscheidender Bedeutung sind. Seit vielen Jahren werden vor Ort Tests und konventionelle Labortests (z.B. eindimensionale Kompressionstests, triaxiale Kompressionstests und Permeabilitätstests) zur Bewertung dieser Eigenschaften in verschiedenen Böden eingesetzt. Auch für technische Zwecke wurden Codes und Standards zur Prüfung der bodenmechanischen Eigenschaften entwickelt. Während diese mechanischen Eigenschaften im Makromaßstab intensiv untersucht wurden, hat das mechanische Verhalten im Kornmaßstab (z. B. Partikelkinematik, Kontaktinteraktion und Dehnungslokalisierung), das diese Eigenschaften regelt, viel weniger Aufmerksamkeit von Ingenieure und Forscher. Ein Grund dafür ist der Mangel an effektiven experimentellen Methoden, um das mechanische Verhalten von Böden im Kornmaßstab zu erforschen.
Bisher stammt der größte Teil des Verständnisses des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden aus der diskreten Elementmodellierung1 (DEM), da es in der Lage ist, Partikel-Skala-Informationen zu extrahieren (z. B. Partikelkinematik und Partikelkontakt). Kräfte). In früheren Studien über die Verwendung von DEM-Techniken zur Modellierung granularer Bodenmechanikwurdedes wurde jedes einzelne Teilchen einfach durch einen einzelnen Kreis oder eine Kugel im Modell dargestellt. Die Verwendung solcher übervereinfachten Partikelformen hat zur Überrotation von Partikeln und damit zu einem niedrigeren Spitzenfestigkeitsverhalten2geführt. Um eine bessere Modellierungsleistung zu erreichen, haben viele Forscher ein Rollwiderstandsmodell3,4,5,6 oder unregelmäßige Partikelformen7,8, 9,10,11,12 in ihren DEM-Simulationen. Dadurch wurde ein realistischeres Verständnis des kinematischen Verhaltens von Partikeln gewonnen. Neben der Teilchenkinematik wird DEM zunehmend zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Kornkontaktunden und zur Entwicklung theoretischer Modelle eingesetzt. Aufgrund der Anforderung, reale Partikelformen zu reproduzieren, und der Verwendung anspruchsvoller Kontaktmodelle erfordert DEM jedoch eine extrem hohe Rechenfähigkeit bei der Modellierung von körnigen Böden mit unregelmäßigen Formen.
In jüngster Zeit hat die Entwicklung optischer Geräte und bildgebender Verfahren (z. B. Mikroskop, lasergestützte Tomographie, Röntgen-Computertomographie (CT) und Röntgenmikrotomographie (CT)) viele Möglichkeiten für eine experimentelle Untersuchung der mechanisches Verhalten von körnigen Böden. Durch die Erfassung und Analyse von Bodenprobenbildern vor und nach triaxialen Tests wurden solche Geräte und Techniken bei der Untersuchung von Bodenmikrostrukturen13,14,15,16 eingesetzt. ,17,18,19. In jüngerer Zeit wurden in situ-Tests mit Röntgen-CT oder -CT zunehmend verwendet, um die Entwicklung des Hohlraumverhältnisses20, Dehnungsverteilung21,22,23,24, Teilchenbewegung25,26,27,28, Interteilchenkontakt29,30,31 und Partikelzerkleinerung32 von körnigen Böden. Hier impliziert "in situ" Röntgenscans, die gleichzeitig mit dem Laden durchgeführt werden. Im Gegensatz zum allgemeinen Röntgenscannen erfordern In-situ-Röntgentests ein speziell gefertigtes Ladegerät, um Bodenproben zu belasten. Durch den kombinierten Einsatz des Ladegeräts und der Röntgen-CT- oder CT-Vorrichtung können CT-Bilder der Proben in verschiedenen Belastungsstufen der Prüfungen zerstörungsfrei erfasst werden. Anhand dieser CT-Bilder können Partikel-Skala-Beobachtungen des körnigen Bodenverhaltens erfasst werden. Diese CT-bildbasierten Beobachtungen auf Teilchenebene sind äußerst hilfreich, um numerische Befunde zu verifizieren und neue Erkenntnisse über das mechanische Verhalten von körnigen Böden zu gewinnen.
Dieser Artikel zielt darauf ab, die Details darüber zu teilen, wie ein Röntgen-in-situ-Scantest einer Bodenprobe durchgeführt werden kann, mit einem beispielhaften Experiment, das Partikelkinematik, Dehnungslokalisierung und Interteilchenkontaktentwicklung innerhalb einer Bodenprobe beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass Röntgen-In-situ-Scanning-Tests ein großes Potenzial haben, das Kornverhalten von körnigen Böden zu untersuchen. Das Protokoll umfasst die Wahl der Röntgen-CT-Vorrichtung und die Herstellung einer Miniatur-Triaxial-Ladevorrichtung, und es werden detaillierte Verfahren zur Durchführung der Prüfung bereitgestellt. Darüber hinaus sind die technischen Schritte zur Verwendung von Bildverarbeitung und -analyse zur Quantifizierung der Partikelkinematik (d. h. Partikeltranslation und Partikelrotation), dehnungslokalisierung und interteilchengebundener Kontaktentwicklung (d. h. Kontaktverstärkung, Kontaktverlust und Kontaktbewegung) des Bodens beschrieben.
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Protocol
1. Das Experiment rechtzeitig entwerfen
- Bestimmen Sie das Prüfmaterial, die Partikelgröße, die Probengröße und die anfängliche Porosität der Probe.
HINWEIS: Als Beispiel dient Leighton Buzzardsand mit einem Durchmesser von 0,15 x 0,30 mm und einer Probengröße von 8 x 16 mm (Durchmesser x Höhe), um das Protokoll dieser Studie zu demonstrieren. Andere Sande wie Fujian Sand, Houston Sand, Ottawa Sand und Caicos Ooids, etc. und ähnliche Probengrößen können auch verwendet werden. - Wählen Sie einen geeigneten Detektor (Abbildung 1A) entsprechend der erforderlichen räumlichen Auflösung und des Scanbereichs, die entsprechend der vorgegebenen Partikelgröße und Stichprobengröße bestimmt werden. In dieser Studie wird z. B. ein Detektor mit einer räumlichen Auflösung von 6,5 m verwendet. Es hat eine effektive Scanfläche von 2048 x 860 Pixeln (d. h. 13,3 x 5,6 mm).
HINWEIS: Während eines triaxialen Kompressionstests sollte die verformte Probe im Scanbereich des Detektors verbleiben. Es sollte ein hochauflösender Detektor mit hoher räumlicher Auflösung eingesetzt werden, damit einzelne Partikel genügend Voxel für die entsprechende Extraktion von Partikeleigenschaften enthalten. - Bestimmen Sie die benötigte Energie der Röntgenquelle (Abbildung 1A) und die Belichtungszeit entsprechend dem Prüfmaterial und der Probengröße. Im Allgemeinen sollte eine höhere Energie für eine größere Probe verwendet werden, die aus einem dichteren Material besteht. Verwenden Sie eine Röntgenenergie von 25 keV und eine Belichtungszeit von 0,05 s für die Sandproben in dieser Studie.
HINWEIS: Die erforderliche Röntgenenergie und Belichtungszeit kann durch Versuch und Irrtum anhand einer gescannten Projektion der Probe bestimmt werden. Das Verhältnis der minimalen Grauskalaintensität der Projektion zu ihrem Maximalwert sollte nicht unter 0,2 liegen. Andernfalls sollte eine höhere Röntgenenergie oder eine längere Belichtungszeit verwendet werden. - Bestimmen Sie die erforderliche Rotationsgeschwindigkeit (Grad pro Sekunde) für die Rotationsstufe (Abbildung 1A) des Röntgengeräts. Die Rotationsgeschwindigkeit wird nach der erforderlichen Anzahl von Projektionen N (z.B. N = 1.080) für die CT-Scheibenrekonstruktion berechnet.
ANMERKUNG: s=180 Vs/N. Hier bei Vs ist die Scangeschwindigkeit des Röntgengeräts, d.h. die Anzahl der pro Sekunde gescannten und aufgezeichneten Röntgenaufnahmen. Vs wird hauptsächlich durch die Leistung des Detektors und die mit dem Detektor verbundene Hardware wie der Computer beeinflusst. - Herstellung eines triaxialen Ladegeräts(Abbildungen 1B,C, siehe auch Referenz 33), das in Verbindung mit dem Röntgengerät CT verwendet werden soll. Das Gerät sollte die gleichen Hauptfunktionen haben wie eine herkömmliche triaxiale Kompressionsvorrichtung. Bei der Konstruktion sollten die Anforderungen an die Stichprobengröße, den Bereich der Einspannungen und die Belastungsraten berücksichtigt werden.
ANMERKUNG: Das Gerät sollte in der Lage sein, in das Röntgen-CT-Gerät zu passen und leicht zu sein, um seine Drehung über die Rotationsstufe zu erleichtern. Die triaxiale Zelle sollte für Röntgenstrahlen transparent sein. Unter Berücksichtigung der Transparenzanforderung können Acryl und Polycarbonat zur Herstellung der triaxialen Zelle verwendet werden. - Führen Sie einen Test mit dem gleichen Druck, der gleichen Ladegeschwindigkeit und den gleichen Probeneigenschaften (z. B. Material, Probengröße und anfängliche Porosität) außerhalb des Röntgen-CT-Scanners durch, um zu planen, wann die Beladung für CT-Scans angehalten werden soll.
2. Durchführung von in situ triaxialen Kompressionstests
- Stellen Sie die triaxiale Beladeeinrichtung und das Prüfmaterial vor Ort auf.
HINWEIS: Das Ladegerät und das Druckgerät (siehe Materialtabelle) befinden sich im Röntgen-CT-Scanraum, während sich die Datenerfassungs- und Steuerungsgeräte außerhalb befinden. Die triaxiale Beladung und das CT-Scannen der Probe werden dann außerhalb des Scanraums betrieben. - Befestigen Sie eine Hebebühne auf der Platine des Röntgenmikro-CT-Geräts (Abbildung 1B). Befestigen Sie eine Kippstufe auf der Hebebühne und eine Drehstufe auf der Kippstufe(Abbildung 1B).
HINWEIS: Die Hebebühne und die Kippstufe sollten über eine ausreichende Belastbarkeit verfügen, um die entsprechenden Geräte zu bewegen. - Passen Sie die Position und Ausrichtung der Rotationsstufe über die Kippstufe so an, dass jedes einzelne Röntgenbild die gleichen Punkte innerhalb der Probe durchläuft, wenn es um 180 Grad um die Achse der Rotationsstufe gedreht wird.
HINWEIS: Die Schritte 2.2 bis 2.3 gelten für das Röntgen-Mikro-CT-Gerät im Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). Bei Röntgen-Mikro-CT-Geräten, die speziell für in situ-Triaxialtests verwendet werden, können diese Schritte nach der sorgfältigen Positionierung und Fixierung der Rotationsstufe weggelassen werden. - Bereiten Sie eine Bodenprobe auf der Platine nach den folgenden Verfahren vor.
- Fügen Sie eine kleine Menge Silikonfett um die seitliche Oberfläche des oberen Endes der Grundplatte hinzu und legen Sie einen porösen Stein auf die Oberseite. Legen Sie eine Membran um die seitliche Oberfläche des oberen Endes(Abbildung 2A).
- Fügen Sie eine kleine Menge Silikonfett auf die Kontaktflächen zwischen den beiden Teilen des Probenherstellers hinzu und verriegeln Sie es. Legen Sie den Probenmacher auf die Grundplatte und lassen Sie die Membran durch sie passieren (Abbildung 2B).
- Erzeugen Sie Saugung (z.B. 25 kPa) im Probenbild durch die Düse mit einer Vakuumpumpe. Befestigen Sie die Membran an der seitlichen Oberfläche ihres oberen Endes. Stellen Sie sicher, dass die Membran an der Innenfläche des Probenherstellers befestigt ist (Abbildung 2C).
- Lassen Sie das körnige Testmaterial aus einer bestimmten Höhe mit einem Trichter in den Probenhersteller, bis es vollständig gefüllt ist. Die obere Oberfläche der Bodenprobe sollte die gleiche Ebene wie die obere Kante des Probenherstellers haben (Abbildung 2D).
- Legen Sie einen weiteren porösen Stein auf die Bodenprobe und eine Edelstahl-Kissenplatte auf den porösen Stein. Tragen Sie etwas Silikonfett um die seitenseitige Oberfläche der Kissenplatte auf. Entfernen Sie die Oberseite der Membran vom Probenhersteller und fixieren Sie sie an der Kissenplatte (Abbildung 2E).
- Entfernen Sie die Absaugung innerhalb der Probenmacherdüse und erzeugen Sie eine Absaugung innerhalb des Ventils auf der Grundplatte. Entfernen Sie schließlich den Probenhersteller. Es wird eine Miniatur-Trockenprobe hergestellt, wie in Abbildung 2F zu sehenist.
HINWEIS: In diesem Schritt wird das Verfahren zur Herstellung einer Miniatur-Bodenprobe mit der Luftpluviationsmethode veranschaulicht. Die traditionelle Trockenverdichtungsmethode kann auch zur Herstellung der Probe verwendet werden.
- Fixieren Sie die Einbauzelle auf der Grundplatte und fixieren Sie die Kammerplatte oben auf der Oberseite der Begestelle (Abbildung 1C).
- Fixieren Sie die Kolbenwelle der Zelle auf der Kammerplatte (Abbildung 1C).
- Positionieren Sie die Grundplatte zusammen mit der begrenzenden Zelle und der Kammerplatte auf der Rotationsstufe. Ein Rahmen wird verwendet, um die Höhe der Probe für ct-Scanning anzupassen (Abbildung 1B).
HINWEIS: Dieser Rahmen wird aufgrund des begrenzten Bewegungsumfangs der Hubstufe bei SSRF verwendet. Es ist nicht notwendig, einen Rahmen zu verwenden, wenn eine Hebebühne mit einem großen Bewegungsbereich verwendet wird. - Befestigen Sie den Rest des Ladegeräts auf der Kammerplatte.
- Installieren Sie den linearen variablen Differentialtransformator (LVDT), die Wägezelle und den Schrittmotor und aktivieren Sie diese (Abbildung 1C).
- Füllen Sie die Zelle mit entlüftetem Wasser durch das Zelldruckventil (CP) (siehe Abbildung 1C) mit dem Wasser, das von einem Grenzdruck-Angebotsgerät geliefert wird (siehe Tabelle der Materialien). Schließen Sie das Wasseraustrittsventil (WE) (siehe Abbildung 1C), wenn das Wasser aus dem Ventil zu fließen beginnt.
HINWEIS: Stellen Sie das Druckgerät mit einem sehr niedrigen konstanten Druckwert (z. B. 10 kPa) auf den Konstantdruckmodus ein. - Fügen Sie der Probe einen konstanten Eindringdruck von 25 kPa hinzu und entfernen Sie die Absaugung innerhalb der Probe.
- Erhöhen Sie den Konfinzierungsdruck mit dem Konfinzierungsdruck-Angebotsgerät schrittweise auf einen vorgegebenen Wert.
- Führen Sie den ersten Scan der Probe durch. Für einen CT-Scanner mit hoher räumlicher Auflösung (z.B. mit einer Pixelgröße von 6,5 m) erfordert ein vollständiger Scan der Probe (z. B. mit einer Höhe von 16 mm) in der Regel, dass die Probe in mehreren verschiedenen Höhen gescannt wird (d. h. der Scan ist in mehrere Abschnitte unterteilt).
HINWEIS: Wenn ein Detektor mit geringer räumlicher Auflösung und eine Stichprobe mit geringer Größe verwendet werden, reicht der Scanbereich möglicherweise aus, um einen vollständigen Scan der Probe mit einem einzigen Abschnitt zu erfassen.- Scannen Sie einen Abschnitt des Beispiels. Stellen Sie den CT-Scanner auf den Bildaufnahmemodus ein, und starten Sie dann die Rotationsphase, um das gesamte Gerät mit einer vorgegebenen konstanten Rotationsrate (z. B. 3,33 Grad/s) über 180 Grad zu drehen, um CT-Projektionen der Probe in verschiedenen Winkeln zu erfassen.
HINWEIS: Es wird vorgeschlagen, dass die Probe von unten nach oben gescannt wird (d. h. der erste Abschnitt enthält alle Partikel, die sich am unteren Rand der Probe befinden). - Deaktivieren Sie den Bildaufnahmemodus, wenn die Drehung beendet ist. Drehen Sie das Gerät zurück in die Ausgangsposition.
- Heben Sie die Probe zusammen mit dem gesamten Gerät mit der Hebestufe(Abbildung 1B) um eine bestimmte Höhe (z. B. 4 mm) an, um den nächsten Abschnitt der Probe zu scannen.
ANMERKUNG: Das Heben sollte sicherstellen, dass es eine Überlappung zwischen dem aktuellen Abschnitt und dem letzten Abschnitt gibt (d. h. es gibt eine Überlappung zwischen zwei aufeinander folgenden Abschnitten). Die Überlappung sollte mindestens 10 Pixel betragen, um deren Nähte zu erleichtern. - Wiederholen Sie die Schritte 2.13.1-2.13.3, bis der letzte Abschnitt der Probe gescannt wird.
- Scannen Sie einen Abschnitt des Beispiels. Stellen Sie den CT-Scanner auf den Bildaufnahmemodus ein, und starten Sie dann die Rotationsphase, um das gesamte Gerät mit einer vorgegebenen konstanten Rotationsrate (z. B. 3,33 Grad/s) über 180 Grad zu drehen, um CT-Projektionen der Probe in verschiedenen Winkeln zu erfassen.
- Tragen Sie eine axiale Belastung auf die Probe mit einer konstanten Beladungsrate auf. Hierbei wird eine Laderate von 0,2%/min in dieser Studie verwendet. Benutzer können je nach Versuchsanforderung eine andere Laderate festlegen.
- Anhalten Sie die axiale Belastung bei einer vorgegebenen axialen Dehnung. Warten Sie, bis die gemessene Axialkraft einen stetigen Wert erreicht (in der Regel innerhalb von 2 min) und führen Sie den nächsten Scan durch. Die Scanprozeduren sind die gleichen wie in Schritt 2.13 gezeigt.
- Wiederholen Sie die Schritte 2.14 und 2.15 bis zum Ende des Ladens.
- Entladen Sie den Test und entfernen Sie die Probe aus dem Triaxialgerät.
- Installieren Sie die Grundplatte und die Einsteckzelle auf der Rotationsstufe, um mehrere flache Projektionen (in der Regel 10 Projektionen) vom Detektor zu erfassen. Fahren Sie die Röntgenquelle herunter, um die gleiche Anzahl dunkler Projektionen vom Detektor zu erhalten.
HINWEIS: Flache und dunkle Projektionen werden für den Phasenabruf von rohen CT-Projektionen verwendet. Die Implementierung der flachen und dunklen Korrektur verstärkt den Kontrast zwischen der Probe und dem umgebenden Hintergrund in den rekonstruierten CT-Slices. Es hilft auch, die Ringartefakte zu lindern, die aus defekten Pixeln des Detektors resultieren.
3. Bildverarbeitung und -analyse
- Bildverarbeitung
- Implementieren Sie den Phasenabruf (Abbildung 3B) von rohen CT-Projektionen (Abbildung 3A) des Beispiels mit der freien Software PITRE34. Laden Sie Projektionen (einschließlich der flachen und dunklen Projektionen) aus dem Menü Bild ladenin PITRE. Klicken Sie auf das Symbol PPCI. Geben Sie die entsprechenden Scanparameter ein, und klicken Sie auf Einzeln, um den Phasenabruf zu implementieren.
ANMERKUNG: Die Implementierung des Phasenabrufs ermöglicht die Verbesserung von Schnittstellen zwischen verschiedenen Phasen (d. h. der Leer- und der Festphase) in den rekonstruierten CT-Slices, was für die nachfolgende bildbasierte Analyse interpartikelkontakte. - Rekonstruieren Sie CT-Slices der Probe mit PITRE auf der Grundlage der CT-Projektionen nach Demphasenabruf (Abbildung 3C). Laden Sie die Projektionen aus dem Menü Bild ladenin PITRE . Klicken Sie auf das Symbol ProjSino. Geben Sie relevante Parameter in das angezeigte Fenster ein, und klicken Sie auf Einzeln, um ein CT-Slice zu rekonstruieren.
HINWEIS: Überprüfen Sie horizontale Scheiben, um sicherzustellen, dass es keine schweren Strahlhärtenden Artefakte oder Ringartefakte gibt. Andernfalls sind eine Änderung der aktuellen Scanparameter und ein erneuter Scan der Probe erforderlich. Überprüfen Sie vertikale Slices. Wenn die Probe vor der Scherung stark geneigt ist, gilt der Test als erfolglos. - Implementieren Sie die Bildfilterung für die CT-Slices. Zur Bildfilterung wird ein anisotroper Diffusionsfilter verwendet (Abbildung 3D).
- Führen Sie die Bildbinarisierung für die gefilterten CT-Slices durch. Implementieren Sie die Bildbinarisierung (Abbildung 3E) durch Anwenden eines Intensitätswertschwellenwerts auf die CT-Slices, der anhand des Intensitätshistogramms der CT-Slices mit der Otsu-Methode35bestimmt wird.
ANMERKUNG: Bei CT-Slices mit einem Graustufen-Intensitätshistogramm, das eine signifikante Überlappung der Intensitäten zwischen der Volumen- und der Void-Phase aufweist, ist eine Validierung der Bildbinarisierung unter Verwendung der Masse der Festkörperphase36erforderlich. - Trennen Sie einzelne Partikel von den binarisierten CT-Slices mit einem markerbasierten Wassereinzugsgebietsalgorithmus und speichern Sie die Ergebnisse in einem 3D-beschrifteten Bild (Abbildung 3F). Überprüfen Sie die Ergebnisse, indem Sie die berechnete Partikelgrößenverteilung aus dem CT-Bild mit denen eines mechanischen Siebtests vergleichen.
HINWEIS: Das Modul Separate Objects der Software Avizo Fire kann verwendet werden, um diesen Algorithmus zu implementieren. Entfernen Sie die porösen Steine aus den binarisierten CT-Scheiben mit dem Modul Border Kill of Avizo Fire. Um zuverlässige Ergebnisse zur Partikeltrennung zu erhalten, wird den Lesern empfohlen, verschiedene Partikelsegmentierungsalgorithmen37,38,39auszuprobieren.
- Implementieren Sie den Phasenabruf (Abbildung 3B) von rohen CT-Projektionen (Abbildung 3A) des Beispiels mit der freien Software PITRE34. Laden Sie Projektionen (einschließlich der flachen und dunklen Projektionen) aus dem Menü Bild ladenin PITRE. Klicken Sie auf das Symbol PPCI. Geben Sie die entsprechenden Scanparameter ein, und klicken Sie auf Einzeln, um den Phasenabruf zu implementieren.
- Bildanalyse
- Extrahieren Sie Partikeleigenschaften aus dem beschrifteten Bild. Ein MATLAB-Skript wird verwendet, um Partikeleigenschaften wie Partikelvolumen, Partikeloberfläche, Partikelausrichtung und Partikelzentroidkoordinaten zu extrahieren.
HINWEIS: Die intrinsischen MATLAB-Funktionen regionprops, bwprim und pca werden verwendet, um diese Eigenschaften jedes Partikels zu erfassen. Eine ausführlichere Beschreibung dieser Verfahren finden Sie in der Arbeit von Cheng und Wang28. - Extrahieren Sie Kontaktvoxel aus den binarisierten CT-Slices durch Implementierung einer logischen Operation UND zwischen dem binären Bild der CT-Slices (Abbildung 4) und einem binären Bild von Wasserscheidenlinien, die aus der Implementierung der Marker-basierten Wendepunktalgorithmus31.
HINWEIS: Eine Übererkennung von Kontaktvoxeln kann aufgrund des partiellen Volumeneffekts und des zufälligen Rauschens von CT-Bildern40,41auftreten. Eine leichte Überdetektion von Interpartikelkontakten hätte jedoch keine signifikanten Auswirkungen auf den Gesamttrend des Interteilchenkontaktentwicklungsverhaltens42.
- Extrahieren Sie Partikeleigenschaften aus dem beschrifteten Bild. Ein MATLAB-Skript wird verwendet, um Partikeleigenschaften wie Partikelvolumen, Partikeloberfläche, Partikelausrichtung und Partikelzentroidkoordinaten zu extrahieren.
4. CT-bildbasierte Erforschung des mechanischen Verhaltens von Böden im Kornmaßstab
HINWEIS: Die folgende bildbasierte Analyse ist nicht auf idealistisch sphärische Partikel oder Proben mit sehr engen Abstufungsbereichen (d. h. monodisperse Proben) anwendbar. Bei Partikeln mit hoher Rundheit und schlechter Einstufung (z. B. 0,3 x 0,6 mm Glasperlen) liefert die Methodik jedoch gute Ergebnisse (siehe Cheng und Wang31).
- Quantifizieren Sie die Partikelkinematik der Probe. Verwenden Sie eine Partikelverfolgungsmethode, um einzelne Partikel innerhalb der Probe bei verschiedenen Scans basierend auf dem Partikelvolumen oder der Partikeloberfläche zu verfolgen. Eine detaillierte Beschreibung dieser Methode finden Sie in Cheng und Wang28.
- Berechnen Sie die Übersetzung jedes Partikels während zweier aufeinander folgender Scans. Er wird als Differenz in den Partikelzentroidkoordinaten zwischen den beiden Scans berechnet.
- Bestimmen Sie den Drehwinkel jedes Partikels entsprechend dem Unterschied in den Hauptachsenausrichtungen zwischen den beiden Scans.
- Quantifizieren Sie das Stammfeld der Probe. Verwenden Sie eine gitterbasierte Methode, um das Dehnungsfeld bei zwei aufeinanderfolgenden Scans basierend auf der Partikelübersetzung und Partikelrotation zu berechnen.
HINWEIS: Die Methode erfordert die beschrifteten Bilder der Probe sowohl aus Scans als auch aus den Ergebnissen der Partikelkinematik. Die Leser werden für eine detaillierte Beschreibung auf ein früheres Werk24 verwiesen. - Analysieren Sie die Entwicklung des Kontakts zwischen Partikeln der Probe. Anhand der extrahierten Kontaktvoxel, der beschrifteten Partikelbilder und der Partikelverfolgungsergebnisse analysieren Sie die Verzweigungsvektorausrichtung der verlorenen Kontakte und die gewonnenen Kontakte innerhalb der Probe während jedes Scherschritts.
HINWEIS: Eine vollständige Beschreibung dieser Methode ist in Cheng und Wang31angegeben.
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Representative Results
Abbildung 5 zeigt die Partikelkinematik-Ergebnisse einer Leighton Buzzard Sand (LBS)-Probe in einer 2D-Scheibe in zwei typischen Scherschritten, I und II. Die meisten Teilchen werden erfolgreich nachverfolgt und ihre Übersetzungen und Rotationen werden nach dem obigen Protokoll quantifiziert. Während des ersten Scherschritts zeigen weder Partikelverschiebungen noch Partikelrotationen eine klare Lokalisierung. Während des zweiten Scherschritts wird jedoch sowohl in der Partikelverschiebungskarte als auch in der Partikelrotationskarte ein lokalisiertes Band entwickelt. Abbildung 6 zeigt die oktaeder nundedrischen Dehnungskarten der Probe während der beiden Scherschritte. In den Dehnungskarten wird beim zweiten Scherschritt eine klare Lokalisierungszone beobachtet, die die Fähigkeit der Methode demonstriert, Sandfehler unter triaxialer Scherung zu visualisieren. Abbildung 7 zeigt die normalisierte Orientierungshäufigkeit von Zweigvektoren gewonnener Kontakte und verlorener Kontakte in der Probe während der beiden Scherschritte. Die verlorenen Kontakte weisen in beiden Scherschritten eine klare Richtungspräferenz in Richtung der nebensähten Hauptspannungsrichtung (d.h. der horizontalen Richtung) auf.
Abbildung 1: Röntgen-Mikro-CT-Setup und triaxiale Ladevorrichtung. (A) Ein triaxiales Gerät, das in Verbindung mit einem Röntgenmikro-CT-Setup verwendet wird. (B) Eine vergrößerte Ansicht der Installation der Triaxialvorrichtung während der triaxialen Prüfung. (C) Triaxialapparate aus einem anderen Blickwinkel. Diese Zahl wurde von Cheng und Wang28geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Der Prozess der Erstellung einer Probe. (A) Einbau eines porösen Steins und einer Membran auf der Grundplatte, (B) Installation eines Probenherstellers, (C) Erzeugung von Absaugung innerhalb des Probenherstellers, (D) Abwurf von Sandpartikeln in den Probenhersteller, (E) Installation eines weiteren porösen Steins und einer Kissenplatte auf der Oberseite der Sandprobe und (F) Entfernung des Probenherstellers von der Grundplatte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Bildverarbeitung von CT-Bildern. (A) Raw CT-Projektion, (B) die CT-Projektion nach Phasenabruf, (C) ein rekonstruiertes horizontales CT-Slice, (D) das CT-Slice nach Bildfilterung, (E) das CT-Segment nach der Bild-Binarisierung und (F) die CT-Scheibe nach Partikeltrennung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Abbildung der Extraktion von Interpartikelkontakten von LBS in 2D-Scheiben. (A) Implementierung einer logischen Operation UND zwischen dem binären Bild eines CT-Slices und dem binären Bild von Wasserscheidelinien und (B) einem typischen Kontakt zweier LBS-Teilchen im 3D-Raum (Partikel werden in Grün und Blau angezeigt und Kontakt wird rot). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Typische Partikelkinematikergebnisse einer LBS-Probe in zwei Scherschritten. (A) Spannungs-Dehnungskurve der Probe unter triaxialer Kompression, (B) Partikelverschiebungen und Partikelrotationen der Probe während des Scherschritts I und (C) Partikelverschiebungen und Partikelrotationen der Probe während der Scherinkrement II. Diese Zahl wurde von Cheng und Wang24geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Typische Dehnungsfelder von LBS in zwei Scherschritten.
(A) Octaeder-Scherdehnung und volumetrische Belastung der Probe während des Scherschritts I. (B) Octaedralscherdehnung und volumetrische Belastung der Probe während des Scherschritts II. Diese Zahl wurde von Cheng und Wang24geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Typische Ergebnisse der Interpartikelkontaktentwicklung von LBS in zwei Scherschritten. (A) Normalisierte Orientierungshäufigkeit von Zweigvektoren gewonnener Kontakte und verlorener Kontakte von LBS während des Scherschritts I. (B) Normalisierte Orientierungshäufigkeit von Zweigvektoren gewonnener Kontakte und verlorener Kontakte von LBS während der Scherung Inkrement II. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Röntgen-CT mit hoher räumlicher Auflösung und fortschrittliche Bildverarbeitungs- und Analysetechniken haben die experimentelle Untersuchung des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden unter Scherung auf mehreren Ebenen (d. h. auf Makromaßstab, Meso-Skala und Kornskala). CT-bildbasierte Meso- und Kornuntersuchungen erfordern jedoch die Erfassung von hochräumlichen Auflösungs-CT-Bildern von Bodenproben während der Beladung. Der schwierigste Aspekt dieses Prozesses ist vielleicht die Herstellung eines miniaturtriaxialen Ladegeräts, das in Verbindung mit einem Röntgenmikro-CT-Gerät verwendet werden kann. Neben den Einschränkungen von Röntgen-Mikro-CT-Geräten wie der räumlichen Auflösung, dem Scanbereich und der Tragfähigkeit der Rotationsstufe sollte eine Gesamtbetrachtung der erforderlichen Probengröße, der Belastungsspannungen und -raten berücksichtigt werden.
Die Bestimmung optimaler Röntgenenergie und Belichtungszeit kann zeitaufwändig sein, ist aber entscheidend für die Erfassung hochwertiger CT-Bilder. Es wird empfohlen, dass Benutzer verschiedene Energien und Belichtungszeiten während ihres ersten Scans ausprobieren und eine geeignete Energie- und Belichtungszeit entsprechend der Qualität der rekonstruierten Scheiben bestimmen. Außerdem können Proben mit unterschiedlichen Anfangsporositäten während der Probenvorbereitung durch Abwurf von Sandpartikeln aus verschiedenen Höhen in die Probenform hergestellt werden. Aufgrund des geringen Stichprobenumfangs ist es jedoch schwieriger, eine Probe mit einer spezifischen Anfangsporosität zu erzeugen, im Vergleich zu herkömmlichen triaxialen Tests. Um eine Probe mit einer anfänglichen Porosität zu erstellen, die nahe an einem bestimmten Wert für triaxiale Tests mit CT-Scanning liegt, wird Benutzern empfohlen, die Herstellung von Proben im Voraus zu üben.
Im Vergleich zu herkömmlichen triaxialen Tests hat die Miniatur-in-situ-Triaxialprüfung den Vorteil, dass sie das mechanische Verhalten von körnigen Böden, einschließlich Kornkinematik, Dehnungslokalisierung und Interpartikelkontakt, untersuchen können. Interaktion usw. Derzeit ist DEM eine beliebte alternative Methode zur Untersuchung des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden. Obwohl diese Technik die Modellierung des mechanischen Sandverhaltens unter komplexen Belastungsbedingungen ermöglicht, sind Kornformen und Kontaktmodelle in der Regel zu stark vereinfacht, um in den meisten DEM-Studien eine hohe Recheneffizienz zu erzielen. In diesem Fall sind die Informationen auf Kornskala, die mit diesem Protokoll aus echtem Sand extrahiert werden, für eine verbesserte Validierung von DEM-Modellen auf mehreren Ebenen erforderlich. Ein weiterer Vorteil der eingeführten Methode zur CT-bildbasierten Dehnungsberechnung ist die Einbeziehung der Partikelrotation in die Dehnungsberechnung. Die Dehnungsberechnungsmethode hat gezeigt, dass sie zuverlässigere Dehnungsergebnisse liefert als eine Netzbasismethode, ohne die Auswirkungen von Partikelrotationen zu berücksichtigen24.
Trotz seiner vielen Vorteile kann die Verwendung von Röntgenmikro-CT zur Untersuchung der interteilchenförmigen Kontaktentwicklung von körnigen Böden unter einer Überdetektion von Interpartikelkontakten leiden. Die Genauigkeit der Ergebnisse der Interpartikeldetektion hängt stark von der räumlichen Auflösung des Röntgen-Mikro-CT ab. Dies ist auf den partiellen Volumeneffekt des Röntgenmikro-CT zurückzuführen, bei dem zwei isolierte Teilchen mit einem Abstand kleiner als die Größe eines Voxels als zwei kontaktierende Teilchen identifiziert werden können. Glücklicherweise wurde festgestellt, dass der allgemeine Trend der Interteilchenkontaktentwicklung innerhalb granularer Böden durch die Überdetektion von Interpartikelkontakten nicht beeinflusst wurde. In der Zwischenzeit ist die Unfähigkeit, interteilchengebundene Kontaktkräfte in körnigen Böden zu extrahieren, ein weiterer Nachteil von Röntgenmikro-CT im Vergleich zu DEM-Studien43,44,45,46,47 und fotoelastische Studien48,49. Aufgrund der oben genannten CT-Bild-basierten Kornskala-Untersuchung, die erforderlich ist, um einzelne Partikel aus CT-Bildern korrekt zu identifizieren und zu extrahieren, wird die Anwendung dieses Verfahrens auf Böden mit hochunregelmäßigen Partikelformen oder zerkleinerbare Böden, die unregelmäßige Partikelhohlräume enthalten, sind sehr anspruchsvoll.
In Zukunft werden in situ-Triaxialtests, die umfangreiche Daten über Kornform und Kornkinematik liefern, die Einbeziehung realer Partikelformen in die DEM-Modellierung erleichtern. Anschließend wird die BILDbasierte CT-Modellierung der AB-Bauart ein besseres Verständnis des mechanischen Verhaltens von körnigen Böden unter Belastung ermöglichen. In der Zwischenzeit wird angesichts der Fähigkeit, interteilchenübergreifende Kontaktkräfte50zu extrahieren, eine Kombination aus Röntgenbeugung mit Röntgenmikro-CT für in situ triaxiale Tests für die Extraktion von Informationen im gesamten Kornmaßstab hilfreich sein (d. h. sowohl Korn-Skalen- als auch Kinematik und Kornkontaktkräfte) aus körnigen Böden unter Scheren.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Studie wurde vom Allgemeinen Forschungsfonds Nr. CityU 11213517 vom Research Grant Council der Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 von der National Science Foundation of China und der BL13W Beamline der 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 |
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