Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

सिन्क्रोट्रॉन एक्स-रे माइक्रो-टॉमोग्राफी का उपयोग करके शीर के तहत Granular मिट्टी की विफलता और एसोसिएटेड अनाज-स्केल मैकेनिकल व्यवहार का दृश्य

Published: September 29, 2019 doi: 10.3791/60322

Summary

प्रोटोकॉल triaxial संपीड़न के दौरान एक दानेदार मिट्टी की उच्च स्थानिक संकल्प गणना टोमोग्राफी (सीटी) छवियों को प्राप्त करने के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन करता है, और अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार का पता लगाने के लिए इन सीटी छवियों के लिए छवि प्रसंस्करण तकनीक लागू करने के लिए लोडहोरहाई के तहत मिट्टी.

Abstract

छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण कौशल के साथ एक्स-रे इमेजिंग तकनीकों के तेजी से विकास उच्च स्थानिक संकल्प के साथ दानेदार मिट्टी के सीटी छवियों के अधिग्रहण में सक्षम किया गया है। ऐसी सीटी छवियों के आधार पर, कण शुद्ध गति विज्ञान (यानी, कण अनुवाद और कण rotations) के रूप में अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार, तनाव स्थानीयकरण और दानेदार मिट्टी के अंतर कण संपर्क विकास मात्रात्मक जांच की जा सकती है। हालांकि, यह पारंपरिक प्रयोगात्मक विधियों का उपयोग कर दुर्गम है। यह अध्ययन सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे माइक्रो-टोमोग्राफी (जेडसीटी) का उपयोग करके ट्राइअक्षीय संपीड़न के तहत एक दानेदार मिट्टी के नमूने के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार की खोज को दर्शाता है। इस विधि के साथ, एक विशेष रूप से गढ़े लघु लोडिंग उपकरण triaxial परीक्षण के दौरान नमूने के लिए सीमित और अक्षीय तनाव लागू करने के लिए प्रयोग किया जाता है। उपकरण एक सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे टोमोग्राफी सेटअप में फिट किया गया है ताकि नमूने के उच्च स्थानिक संकल्प सीटी छवियों को नमूने के लिए किसी भी अशांति के बिना परीक्षण के विभिन्न लोड िंग चरणों में एकत्र किया जा सकता है। मैक्रो पैमाने पर जानकारी निकालने की क्षमता के साथ (जैसे, नमूना सीमा तनाव और triaxial उपकरण सेटअप से उपभेदों) और अनाज पैमाने (जैसे, अनाज आंदोलनों और सीटी छवियों से संपर्क बातचीत), इस प्रक्रिया प्रदान करता है एक दानेदार मिट्टी के बहु पैमाने यांत्रिकी की जांच करने के लिए प्रभावी पद्धति।

Introduction

यह व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है कि दानेदार मिट्टी के मैक्रो पैमाने पर यांत्रिक गुण, जैसे कठोरता, कतरनी शक्ति और पारगम्यता, कई भू-तकनीकी संरचनाओं के लिए महत्वपूर्ण हैं, उदाहरण के लिए, नींव, ढलानों और रॉक-फिल बांध। कई वर्षों के लिए, साइट पर परीक्षण और पारंपरिक प्रयोगशाला परीक्षण (उदाहरण के लिए, एक आयामी संपीड़न परीक्षण, triaxial संपीड़न परीक्षण और पारगम्य परीक्षण) विभिन्न मिट्टी में इन गुणों का मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. इंजीनियरिंग प्रयोजनों के लिए मृदा यांत्रिक गुणों के परीक्षण के लिए संहिताओं और मानकों को भी विकसित किया गया है। जबकि इन मैक्रो पैमाने पर यांत्रिक गुणों गहन अध्ययन किया गया है, अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार (जैसे, कण शुद्धगतिक, संपर्क बातचीत और तनाव स्थानीयकरण) कि इन गुणों को नियंत्रित करता है बहुत कम ध्यान से आकर्षित किया है इंजीनियरों और शोधकर्ताओं. एक कारण मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार का पता लगाने के लिए उपलब्ध प्रभावी प्रयोगात्मक तरीकों की कमी है.

अब तक, दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार की समझ के अधिकांश असतत तत्व मॉडलिंग से आया है1 (डीईएम), क्योंकि कण पैमाने पर जानकारी निकालने की क्षमता (जैसे, कण शुद्ध गति और कण संपर्क बल)। कण दानेदार मिट्टी यांत्रिक व्यवहार मॉडल करने के लिए डीईएम तकनीक का उपयोग करने के पहले के अध्ययन में, प्रत्येक व्यक्ति कण बस मॉडल में एक एकल चक्र या क्षेत्र द्वारा प्रतिनिधित्व किया गया था. इस तरह के अति-सरलीकृत कण आकृतियों के उपयोग से कणों का अति-घूर्णन हुआ है और इस प्रकार कम शिखर शक्ति व्यवहार2हुआ है। एक बेहतर मॉडलिंग प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए, कई जांचकर्ताओं एक रोलिंग प्रतिरोध मॉडल3,4,5,6 या अनियमित कण आकार7,8काइस्तेमाल किया है, 9,10,11,12 उनके DEM सिमुलेशन में. नतीजतन, कण शुद्ध व्यवहार की एक अधिक यथार्थवादी समझ हासिल कर ली गई है। कण शुद्ध गति विज्ञान के अलावा, DEM तेजी से अनाज संपर्क संपर्क की जांच करने के लिए और सैद्धांतिक मॉडल विकसित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, वास्तविक कण आकार और परिष्कृत संपर्क मॉडल के उपयोग को पुन: पेश करने की आवश्यकता के कारण, डीईएम को अनियमित आकृतियों के साथ दानेदार मिट्टी की मॉडलिंग में अत्यंत उच्च अभिकलन क्षमता की आवश्यकता होती है।

हाल ही में, ऑप्टिकल उपकरण और इमेजिंग तकनीक (उदाहरण के लिए, माइक्रोस्कोप, लेजर सहायता प्राप्त टोमोग्राफी, एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (सीटी) और एक्स-रे माइक्रो-टोमोग्राफी (जेडसीटी) के विकास ने प्रयोगात्मक परीक्षा के लिए कई अवसर प्रदान किए हैं दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार. त्रिअक्षीय परीक्षण से पहले और बाद में मिट्टी के नमूने छवियों के अधिग्रहण और विश्लेषण के माध्यम से, ऐसे उपकरणों और तकनीकों का उपयोग मिट्टी सूक्ष्म संरचनाओं की जांच में किया गया है13,14,15,16 ,17,18,19. हाल ही में, एक्स-रे सीटी या जेडसीटी के साथ सीटू परीक्षणों में तेजी से शून्य अनुपात20के विकास की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया है , तनाव वितरण21,22,23,24, कण संचलन25,26,27,28, अंतर-कण संपर्क29,30,31 और कण कुचल32 के दानेदार मिट्टी. यहाँ, "सीटू में" लोड हो रहा है के रूप में एक ही समय में आयोजित एक्स-रे स्कैनिंग का अर्थ है। सामान्य एक्स-रे स्कैनिंग के विपरीत, स्थिति में एक्स-रे स्कैनिंग परीक्षण मिट्टी के नमूनों के लिए तनाव देने के लिए एक विशेष रूप से गढ़े लोडिंग उपकरण की आवश्यकता होती है। लोडिंग उपकरण और एक्स-रे सीटी या जेडसीटी डिवाइस के संयुक्त उपयोग के साथ, परीक्षणों के विभिन्न लोडिंग चरणों में नमूनों की सीटी छवियों को गैर-विनाशकारी रूप से प्राप्त किया जा सकता है। इन सीटी छवियों के आधार पर, दानेदार मिट्टी व्यवहार के कण पैमाने पर टिप्पणियों का अधिग्रहण किया जा सकता है। ये सीटी छवि आधारित कण स्तर टिप्पणियों संख्यात्मक निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए और दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार में उपन्यास अंतर्दृष्टि हासिल करने के लिए अत्यंत उपयोगी होते हैं।

इस लेख का उद्देश्य यह विवरण साझा करना है कि मिट्टी के नमूने के सीटू स्कैनिंग परीक्षण में एक्स-रे कैसे किया जा सकता है, एक अनुकरणीय प्रयोग का उपयोग करते हुए जो कण शुद्ध गति विज्ञान, तनाव स्थानीयकरण और मिट्टी के नमूने के भीतर अंतर-कण संपर्क विकास का निरीक्षण करता है। परिणाम बताते हैं कि सीटू स्कैनिंग परीक्षणों में एक्स-रे में दानेदार मिट्टी के अनाज स्तर के व्यवहार का पता लगाने की एक महान क्षमता है। प्रोटोकॉल में एक्स-रे जेडसीटी डिवाइस के चुनाव और एक लघु ट्राइअक्षियल लोडिंग उपकरण की तैयारी को शामिल किया गया है, और परीक्षण करने के लिए विस्तृत प्रक्रियाएं प्रदान की गई हैं। इसके अलावा, छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण का उपयोग करने के लिए कण शुद्ध गति की मात्रा (यानी, कण अनुवाद और कण रोटेशन), तनाव स्थानीयकरण, और अंतर कण संपर्क विकास (यानी, संपर्क लाभ, संपर्क हानि और मिट्टी के संपर्क आंदोलन) का वर्णन कर रहे हैं.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. प्रयोग को अच्छी तरह से अग्रिम रूप से डिजाइन करना

  1. परीक्षण सामग्री, कण आकार, नमूना आकार और नमूना प्रारंभिक porosity निर्धारित करते हैं।
    नोट: Leighton बज़ार्ड रेत के एक व्यास के साथ 0.15 "0.30 मिमी और 8 x 16 मिमी (व्यास एक्स ऊँचाई) का एक नमूना आकार इस अध्ययन के प्रोटोकॉल प्रदर्शित करने के लिए एक उदाहरण के रूप में प्रयोग किया जाता है. फ़ुज़ियान रेत, ह्यूस्टन रेत, ओटावा रेत और Caicos ooids, आदि और इसी तरह के नमूना आकार के रूप में अन्य रेत भी इस्तेमाल किया जा सकता है.
  2. पूर्व निर्धारित कण आकार और नमूना आकार के अनुसार निर्धारित कर रहे हैं, जो आवश्यक स्थानिक संकल्प और स्कैनिंग क्षेत्र के अनुसार एक उपयुक्त डिटेक्टर(चित्र 1ए)चुनें। उदाहरण के लिए, इस अध्ययन में 6ण्5 उ के स्थानिक विभेदन के साथ एक डिटेक्टर का उपयोग किया जाता है। यह 2048 x 860 पिक्सल (यानी,13.3 $ 5.6 मिमी) के एक प्रभावी स्कैनिंग क्षेत्र है.
    नोट: एक triaxial संपीड़न परीक्षण के दौरान, विकृत नमूना डिटेक्टर की स्कैनिंग क्षेत्र में रहना चाहिए. एक उच्च स्थानिक संकल्प डिटेक्टर का उपयोग किया जाना चाहिए ताकि अलग-अलग कणों में कण गुणों के उचित निष्कर्षण के लिए पर्याप्त वोसेल हों।
  3. परीक्षण सामग्री और नमूना आकार के अनुसार एक्स-रे स्रोत की आवश्यक ऊर्जा (चित्र 1) तथा जोखिम समय निर्धारित कीजिए। आम तौर पर, एक उच्च ऊर्जा एक सघन सामग्री से बना एक बड़ा नमूना के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए. इस अध्ययन में रेत के नमूनों के लिए 25 केवी की एक्स-रे ऊर्जा और 0.05 एस के जोखिम समय का उपयोग करें।
    नोट: आवश्यक एक्स-रे ऊर्जा और जोखिम समय परीक्षण और त्रुटि नमूने के एक स्कैन प्रक्षेपण का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है। प्रक्षेपण की न्यूनतम ग्रे-स्केल तीव्रता का अनुपात इसके अधिकतम मान से कम नहीं होना चाहिए। अन्यथा, एक उच्च एक्स-रे ऊर्जा या लंबे समय तक जोखिम समय का उपयोग किया जाना चाहिए।
  4. X-ray डिवाइस के घूर्णन चरण ( चित्र1क)के लिए आवश्यक घूर्णन चाल र् (अंश प्रति सेकंड) निर्धारित की गई है। सीटी स्लाइस पुनर्निर्माण के लिए घूर्णन चाल की गणना अनुमानों की अपेक्षित संख्या छ (उदा., द े 1,080) के अनुसार की जाती है।
    नोट: $ 180 टs/ यहाँ, वीएस एक्स-रे डिवाइस की स्कैनिंग गति है, यानी, स्कैन रेडियोग्राफ की संख्या और प्रति सेकंड दर्ज की गई। वीएस मुख्य रूप से डिटेक्टर और इस तरह के कंप्यूटर के रूप में डिटेक्टर के साथ जुड़े हार्डवेयर के प्रदर्शन से प्रभावित है.
  5. एक triaxial लोडिंग उपकरण तैयार(चित्र 1B, C,भी संदर्भ 33 देखें) एक्स-रे के साथ संयोजन के रूप में इस्तेमाल किया जा करने के लिए $CT डिवाइस. उपकरण एक पारंपरिक triaxial संपीड़न उपकरण के रूप में एक ही मुख्य कार्य होना चाहिए. डिजाइन नमूना आकार की आवश्यकता पर विचार करना चाहिए, तनाव और लोडिंग दरों को सीमित करने की सीमा.
    नोट: उपकरण एक्स-रे जेडसीटी डिवाइस में फिट करने और रोटेशन चरण का उपयोग कर अपने रोटेशन की सुविधा के लिए प्रकाश होने में सक्षम होना चाहिए। त्रिकीय कोशिका एक्स-रे के लिए पारदर्शी होनी चाहिए। पारदर्शिता की आवश्यकता को ध्यान में रखते हुए, एक्रिलिक और पॉलीकार्बोनेट का उपयोग ट्राइअक्षीय कोशिका बनाने के लिए किया जा सकता है।
  6. सीटी स्कैनिंग के लिए लोड िंग ्स्सलोड करने के लिए जब योजना बनाने के लिए एक्स-रे सीटी स्कैनर के बाहर एक ही सीमित दबाव, लोड गति और नमूना गुण (यानी, सामग्री, नमूना आकार और प्रारंभिक porosity) के साथ एक परीक्षण बाहर ले।

2. situ triaxial संपीड़न परीक्षण में बाहर ले जाने

  1. साइट पर triaxial लोड िंग उपकरण और परीक्षण सामग्री रखें.
    नोट: लोडिंग उपकरण और सीमित दबाव की पेशकश डिवाइस (सामग्री की तालिकादेखें) एक्स-रे सीटी स्कैनिंग कक्ष में रखा जाता है, जबकि डेटा अधिग्रहण और नियंत्रण उपकरणों के बाहर स्थित हैं। नमूने की ट्राइअक्षीय लोडिंग और सीटी स्कैनिंग तो स्कैनिंग रूम के बाहर संचालित कर रहे हैं.
  2. एक्स-रे माइक्रो सीटी डिवाइस के बोर्ड पर एक उठाने के चरण को ठीक करें (चित्र 1ठ)। लिफ्टिंग चरण पर एक झुकाव अवस्था और झुकाव चरण पर एक घूर्णन चरण को क्रमशः ठीक करें(चित्र 1ठ)।
    नोट: उठाने के चरण और झुकाव चरण उन पर रखा प्रासंगिक उपकरणों को स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त लोड िंग क्षमता होनी चाहिए।
  3. झुकने चरण के माध्यम से घूर्णन चरण की स्थिति और अभिविन्यास को समायोजित करें ताकि कोई भी एक एक्स-रे नमूने के भीतर एक ही बिंदुओं से गुजरता है जब इसे रोटेशन चरण के अक्ष के चारों ओर 180 डिग्री के पार घुमाया जाता है।
    नोट: चरण 2.2 से 2.3 शंघाई Synchrotron विकिरण केंद्र (SSRF) में एक्स-रे माइक्रो सीटी डिवाइस के लिए लागू होते हैं। विशेष रूप से situ triaxial परीक्षण के लिए इस्तेमाल एक्स-रे माइक्रो सीटी उपकरणों के लिए, इन चरणों सावधान स्थिति और रोटेशन चरण के निर्धारण के बाद छोड़ा जा सकता है।
  4. निम्नलिखित प्रक्रियाओं के अनुसार बोर्ड पर मिट्टी का नमूना तैयार करें।
    1. बेस प्लेट के शीर्ष छोर के पार्श्व सतह के चारों ओर सिलिकॉन तेल की एक छोटी राशि जोड़ें और इसकी ऊपरी सतह पर एक छिद्रयुक्त पत्थर रखें। शीर्ष सिर के पार्श्व सतह के चारों ओर एक झिल्ली रखो (चित्र 2)
    2. नमूना निर्माता के दो भागों के बीच संपर्क सतहों पर सिलिकॉन तेल की एक छोटी राशि जोड़ें और इसे बंद. नमूना निर्माता को आधार प्लेट पर रखें और झिल्ली को इसके माध्यम से पार करने की अनुमति दें (चित्र 2)
    3. एक वैक्यूम पंप का उपयोग कर अपनी नोजल के माध्यम से नमूना निर्माता के अंदर चूषण (उदा., 25 kPa) बनाएँ। झिल्ली को इसके ऊपरी सिर की पार्श्व सतह पर ठीक करें। सुनिश्चित करें कि झिल्ली नमूना निर्माता की भीतरी सतह से जुड़ी हुई है (चित्र 2ब्)।
    4. यह पूरी तरह से भरा हुआ है जब तक एक कीप का उपयोग कर नमूना निर्माता में एक निश्चित ऊंचाई से परीक्षण दानेदार सामग्री ड्रॉप. मृदा नमूने की ऊपरी सतह नमूना निर्माता के ऊपरी किनारे के समान स्तर होनी चाहिए (चित्र 2)।
    5. मिट्टी के नमूने के शीर्ष पर एक और छिद्रयुक्त पत्थर रखें, और छिद्रयुक्त पत्थर के शीर्ष पर एक स्टेनलेस स्टील कुशन प्लेट रखें। कुशन प्लेट की पार्श्व सतह के चारों ओर कुछ सिलिकॉन तेल लागू करें। नमूना निर्माता से झिल्ली के शीर्ष पक्ष को निकालें और कुशन प्लेट को ठीक करें (चित्र 2)।
    6. नमूना निर्माता नोजल के अंदर चूषण निकालें और बेस प्लेट पर वाल्व के अंदर चूषण बनाएँ। अंत में, नमूना निर्माता निकालें। एक लघु शुष्क नमूना का उत्पादन किया जाता है, जैसा कि चित्र 2में देखा गया है।
      नोट: यह कदम हवा pluviation विधि का उपयोग कर एक लघु मिट्टी नमूना उत्पादन की प्रक्रिया को दर्शाता है. पारंपरिक सूखी संहनन विधि भी नमूना उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
  5. आधार प्लेट पर सबंधी कोशिका को ठीक करें और सबंधी सेल के शीर्ष पर कक्ष शीर्ष प्लेट को ठीक करें (चित्र 1)।
  6. कक्ष शीर्ष प्लेट पर कोशिका के पिस्टन शाफ्ट को ठीक करें (चित्र 1C) ।
  7. रोटेशन चरण पर सीमित सेल और चैम्बर शीर्ष प्लेट के साथ आधार प्लेट को रखें। किसी फ़्रेम का उपयोग सीटी स्कैनिंग के लिए नमूने की ऊँचाई को समायोजित करने के लिए किया जाता है (चित्र 1B).
    नोट: इस फ्रेम SSRF में उठाने के चरण की सीमित आंदोलन रेंज के कारण प्रयोग किया जाता है. एक बड़े आंदोलन रेंज के साथ एक उठाने मंच का उपयोग किया जाता है, तो एक फ्रेम का उपयोग करने की कोई जरूरत नहीं है।
  8. कक्ष शीर्ष प्लेट पर शेष लोडिंग उपकरण को प्रत्यय करें।
  9. रैखिक चर अंतर ट्रांसफार्मर स्थापित करें (LVDT), लोड सेल और कदम मोटर और उन्हें सक्रिय (चित्र 1ब्).
  10. सेल दाब (सीपी) वाल्व के माध्यम से डी-एयर्ड पानी के साथ सेल भरें (चित्र 1देखें ) एक सीमित दबाव की पेशकश डिवाइस से आपूर्ति किए गए पानी का उपयोग करते हुए (सामग्री की तालिकादेखें)। पानी से बाहर निकलने के बंद (WE) वाल्व (चित्र ा1देखें ) जब पानी वाल्व से बाहर निकलने के लिए शुरू होता है।
    नोट: एक बहुत कम लगातार दबाव मूल्य (उदा., 10 kPa) के साथ लगातार दबाव मोड के लिए सीमित दबाव की पेशकश डिवाइस सेट करें।
  11. नमूना करने के लिए 25 kPa के एक निरंतर सीमित दबाव जोड़ें और नमूने के अंदर चूषण को हटा दें।
  12. धीरे-धीरे सीमित दबाव की पेशकश डिवाइस का उपयोग कर एक पूर्व निर्धारित मूल्य के लिए सीमित दबाव में वृद्धि।
  13. नमूने के पहले स्कैन बाहर ले. एक उच्च स्थानिक संकल्प सीटी स्कैनर के लिए (उदाहरण के लिए, 6.5 डिग्री के पिक्सेल आकार के साथ), नमूने का एक पूर्ण स्कैन (उदाहरण के लिए, 16 मिमी की ऊंचाई के साथ) आमतौर पर कई अलग अलग ऊंचाइयों पर स्कैन किया जा करने के लिए नमूना की आवश्यकता है (यानी, स्कैन कई वर्गों में विभाजित है).
    नोट: एक कम स्थानिक संकल्प डिटेक्टर और एक छोटे आकार के नमूने का उपयोग किया जाता है, तो स्कैनिंग क्षेत्र एक एकल अनुभाग का उपयोग कर नमूना का एक पूर्ण क्षेत्र स्कैन प्राप्त करने के लिए पर्याप्त हो सकता है.
    1. नमूने का कोई अनुभाग स्कैन करें. सीटी स्कैनर को छवि कैप्चर मोड पर सेट करें और फिर विभिन्न कोणों पर नमूने के सीटी अनुमानों को कैप्चर करने के लिए पूर्व-निर्धारित स्थिर रोटेशन दर (उदा., 3.33 डिग्री/s) पर पूरे उपकरण को 180 डिग्री के पार घुमाने के लिए रोटेशन चरण प्रारंभ करें।
      नोट: यह सुझाव दिया है कि नमूना इसके नीचे से ऊपर की ओर स्कैन किया जाता है (यानी, पहले खंड में नमूने के तल पर स्थित सभी कण ों शामिल हैं)।
    2. घुमाव समाप्त होने पर छवि कैप्चर मोड बंद करें. उपकरण को प्रारंभिक स्थिति में वापस घुमाएँ.
    3. नमूना के अगले भाग को स्कैन करने के लिए एक निश्चित ऊँचाई (उदाहरण के लिए, 4 मिमी) द्वारा लिफ्टिंग चरण (चित्र 1B) का उपयोग करके पूरे उपकरण के साथ नमूना को एक साथ उठाएं।
      नोट: उठाने यह सुनिश्चित करना चाहिए कि वर्तमान अनुभाग और अंतिम अनुभाग के बीच एक ओवरलैप है (यानी, किसी भी दो लगातार वर्गों के बीच एक ओवरलैप है)। ओवरलैप उनमें से सिलाई की सुविधा के लिए कम से कम 10 पिक्सल होना चाहिए.
    4. कदम दोहराएँ 2.13.1-2.13.3 जब तक नमूना के अंतिम अनुभाग स्कैन किया जाता है.
  14. एक निरंतर लोड हो रहा है दर के साथ नमूने पर एक अक्षीय लोड लागू करें। यहाँ, इस अध्ययन में 0.2%/मिनट की लोडिंग दर का उपयोग किया जाता है। उपयोगकर्ता प्रयोग की आवश्यकता के अनुसार एक अलग लोडिंग दर सेट कर सकते हैं.
  15. पूर्व-निर्धारित अक्षीय तनाव पर अक्षीय लोडिंग को रोकें. रुको जब तक मापा अक्षीय बल एक स्थिर मूल्य तक पहुँचता है (आम तौर पर 2 मिनट के भीतर) और अगले स्कैन बाहर ले. स्कैन प्रक्रियाओं चरण 2.13 में प्रदर्शन के रूप में ही कर रहे हैं।
  16. चरण 2.14 और 2.15 लोड हो रहा है के अंत तक दोहराएँ.
  17. परीक्षण अनलोड करें और त्रिअक्षीय उपकरण से नमूने को हटा दें।
  18. डिटेक्टर से कई फ्लैट अनुमानों (आमतौर पर 10 अनुमानों) प्राप्त करने के लिए रोटेशन चरण पर बेस प्लेट और सीमित सेल स्थापित करें। डिटेक्टर से अंधेरे अनुमानों की एक ही संख्या प्राप्त करने के लिए एक्स-रे स्रोत बंद करो।
    नोट: फ्लैट और अंधेरे अनुमानों कच्चे सीटी अनुमानों के चरण पुनर्प्राप्ति के लिए उपयोग किया जाता है. फ्लैट और अंधेरे सुधार के कार्यान्वयन के नमूने और पुनर्निर्माण सीटी स्लाइस में आसपास की पृष्ठभूमि के बीच इसके विपरीत को बढ़ाता है. यह भी डिटेक्टर के दोषपूर्ण पिक्सल से उत्पन्न अंगूठी कलाकृतियों को कम करने में मदद करता है.

3. छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण

  1. छवि संसाधन
    1. कच्चे सीटी अनुमानों केप्रावस्थापुनर्प्राप्ति ( चित्र 3) को लागू करें (नि:शुल्क सॉफ्टवेयर PITRE34का उपयोग करते हुए नमूने के चित्र 3) . मेनू लोड छविसे PITRE में लोड अनुमानों (फ्लैट और अंधेरे अनुमानों सहित)। चिह्न PPCIपर क्लिक करें. प्रासंगिक स्कैनिंग पैरामीटर दर्ज करें और चरण पुनर्प्राप्ति को कार्यान्वित करने के लिए एकल क्लिक करें.
      नोट: चरण पुनर्प्राप्ति के कार्यान्वयन के पुनर्निर्माण सीटी स्लाइस में विभिन्न चरणों (यानी, शून्य चरण और ठोस चरण) के बीच इंटरफेस की वृद्धि प्रदान करता है, जो बाद में छवि आधारित विश्लेषण करने के लिए महत्वपूर्ण महत्व का है अंतर-कण संपर्क।
    2. चरण पुनर्प्राप्ति के बाद सीटी अनुमानों के आधार पर PITRE का उपयोग करके नमूने के सीटी स्लाइस का पुन: निर्माण करें (चित्र 3) । मेनू लोड छविसे PITRE में अनुमानों लोड . क्लिक करें आइकन ProJSino| दिखाई गई विंडो में प्रासंगिक पैरामीटर दर्ज करें और एक सीटी स्लाइस को पुन: बनाने के लिए एकल क्लिक करें.
      नोट: क्षैतिज स्लाइस की जाँच करें सुनिश्चित करें कि वहाँ कोई भारी बीम सख्त कलाकृतियों या अंगूठी कलाकृतियों रहे हैं। अन्यथा वर्तमान स्कैनिंग पैरामीटर और नमूना के rescan के परिवर्तन की आवश्यकता है. ऊर्ध्वाधर स्लाइस की जाँच करें. नमूना गंभीर रूप से कतरनी से पहले झुका हुआ है, तो परीक्षण असफल माना जाता है।
    3. सीटी स्लाइस पर छवि फ़िल्टरिंग लागू करें। एक एनिसोट्रोपिक विसरण फिल्टर का उपयोग छवि फ़िल्टरिंग करने के लिए किया जाता है (चित्र 3डी)।
    4. फ़िल्टर किए गए CT स्लाइस पर छवि binarization प्रदर्शन करें। सीटी स्लाइस, जो Otsu की विधि35का उपयोग कर सीटी स्लाइस की तीव्रता हिस्टोग्राम के अनुसार निर्धारित किया जाता है के लिए एक तीव्रता मूल्य सीमा लागू करके छवि binarization लागू (चित्र 3) .
      नोट: ठोस चरण और शून्य चरण के बीच तीव्रता का एक महत्वपूर्ण ओवरलैप प्रदर्शित एक ग्रे पैमाने पर तीव्रता हिस्टोग्राम के साथ सीटी स्लाइस के लिए, छवि binarization की एक सत्यापन ठोस चरण36के द्रव्यमान का उपयोग करने की आवश्यकता है।
    5. एक मार्कर आधारित वाटरशेड एल्गोरिथ्म का उपयोग कर binarized सीटी स्लाइस से अलग अलग अलग कणों को अलग और एक 3 डी लेबल छवि में परिणाम स्टोर (चित्र 3एफ). एक यांत्रिक sieving परीक्षण से उन लोगों के लिए सीटी छवि से परिकलित कण आकार वितरण की तुलना करके परिणामों को मान्य करें।
      नोट: मॉड्यूल अलग वस्तुओं सॉफ्टवेयर Avizo आग इस एल्गोरिथ्म को लागू करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. Avizo आग के मॉड्यूल सीमा मार का उपयोग कर binarized सीटी स्लाइस से झरझरा पत्थर निकालें. एक विश्वसनीय कण जुदाई परिणाम प्राप्त करने के लिए, पाठकों के लिए विभिन्न कण विभाजन एल्गोरिदम37,38,39की कोशिश करने के लिए सुझाव दिया जाता है।
  2. छवि विश्लेषण
    1. लेबल छवि से कण गुण निकालें। एक MATLAB स्क्रिप्ट कण मात्रा, कण सतह क्षेत्र, कण अभिविन्यास और कण centroid निर्देशांक सहित कण गुणों को निकालने के लिए प्रयोग किया जाता है।
      नोट: आंतरिक MATLAB कार्य क्षेत्रprops, bwprim और पीसीए प्रत्येक कण के इन गुणों को प्राप्त करने के लिए उपयोग किया जाता है। इन प्रक्रियाओं का विस्तृत विवरण चेंग और वांग28के कार्य में पाया जा सकता है .
    2. एक तार्किक आपरेशन के कार्यान्वयन और सीटी स्लाइस की द्विआधारी छवि के बीच binarized सीटी स्लाइस से संपर्क voxels निकालें (चित्र 4) और मार्कर आधारित के कार्यान्वयन से प्राप्त वाटरशेड लाइनों की एक द्विआधारी छवि वाटरशेड एल्गोरिथ्म31|
      नोट: संपर्क voxels के अधिक पता लगाने आंशिक मात्रा प्रभाव और सीटी छवियों के यादृच्छिक शोर के कारण हो सकता है40,41. हालांकि, अंतर-कण संपर्कों का थोड़ा अधिक पता लगाने से अंतर-कण संपर्क विकास व्यवहार42की समग्र प्रवृत्ति पर महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं पड़ेगा।

4. मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार के सीटी छवि आधारित अन्वेषण

नोट: निम्न छवि-आधारित विश्लेषण आदर्शवादी गोलाकार कणों या बहुत संकीर्ण ग्रेडिंग श्रेणियों (यानी, मोनोडिक्यूट नमूने) के साथ नमूने के लिए लागू नहीं है। हालांकि, उच्च गोलाई और गरीब ग्रेडिंग के साथ कणों के लिए (उदाहरण के लिए, 0.3 "0.6 मिमी गिलास मोती), पद्धति अच्छे परिणाम पैदावार (चेंग और वांग31देखें).

  1. नमूने के कण शुद्ध गति की मात्रा। या तो कण मात्रा या कण सतह क्षेत्र के आधार पर अलग-अलग स्कैन पर नमूने के भीतर अलग-अलग कणों को ट्रैक करने के लिए एक कण ट्रैकिंग विधि का प्रयोग करें। इस विधि का विस्तृत विवरण चेंग और वांग28में दिया गया है .
    1. किसी भी दो लगातार स्कैन के दौरान प्रत्येक कण के अनुवाद की गणना। यह दो स्कैन के बीच कण centroid निर्देशांक में अंतर के रूप में गणना की है.
    2. दो स्कैनों के बीच इसके प्रमुख अक्ष अभिविन्यासों में अंतर के अनुसार प्रत्येक कण के घूर्णन कोण का निर्धारण कीजिए।
  2. नमूने के तनाव क्षेत्र की मात्रा निर्धारित करें। कण अनुवाद और कण रोटेशन के आधार पर किसी भी दो लगातार स्कैन के दौरान तनाव क्षेत्र की गणना करने के लिए एक ग्रिड आधारित विधि का प्रयोग करें।
    नोट: विधि दोनों स्कैन और कण शुद्ध गति विज्ञान परिणाम से नमूना के लेबल छवियों की आवश्यकता है। पाठकों को एक विस्तृत विवरण के लिए पिछले काम24 करने के लिए भेजा जाता है.
  3. नमूने के अंतर-कण संपर्क विकास का विश्लेषण करें। निकाले गए संपर्क voxels के आधार पर, कणों और कण ट्रैकिंग परिणामों के लेबल छवियों, खो संपर्कों की शाखा वेक्टर अभिविन्यास और प्रत्येक कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान नमूने के भीतर प्राप्त संपर्कों का विश्लेषण।
    नोट: इस विधि का एक पूरा विवरण चेंग और वांग31में दिया गया है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

चित्र 5 दो ठेठ कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान एक 2डी टुकड़ा पर एक Leighton बज़ार्ड रेत (LBS) नमूने के कण शुद्ध गति विज्ञान परिणाम दर्शाया गया है, मैं और द्वितीय. अधिकांश कणों को सफलतापूर्वक ट्रैक किया जाता है और उपरोक्त प्रोटोकॉल के बाद उनके अनुवादों और घुमावों की मात्रा निर्धारित की जाती है। पहली कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान, न तो कण विस्थापन और न ही कण घूर्णन स्पष्ट स्थानीयकरण दिखाते हैं। हालांकि, एक स्थानीयकृत बैंड दूसरे कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान दोनों कण विस्थापन नक्शा और कण रोटेशन मानचित्र में विकसित की है। चित्र 6 दो कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान नमूने के अष्टफलकीय तथा आयतखंड विकृति मानचित्रों को दर्शाता है। एक स्पष्ट स्थानीयकरण क्षेत्र दूसरी कतरनी वेतन वृद्धि पर तनाव नक्शे में मनाया जाता है, triaxial कतरनी के तहत रेत की विफलता कल्पना करने के लिए विधि की क्षमता का प्रदर्शन. चित्र 7 दो कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान नमूने में प्राप्त संपर्कों और खो संपर्कों के शाखा सदिशों की सामान्यीकृत अभिविन्यास आवृत्ति को दर्शाया गया है। खो संपर्क दोनों कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान लघु मुख्य तनाव दिशा (यानी, क्षैतिज दिशा) की ओर एक स्पष्ट दिशात्मक वरीयता प्रदर्शित करते हैं।

Figure 1
चित्रा 1: एक्स-रे माइक्रो सीटी सेटअप और triaxial लोड हो रहा है डिवाइस। (क)एक्स-रे माइक्रो सीटी सेटअप के साथ संयोजन के रूप में प्रयुक्त एक त्रिअक्षीय उपकरण। (ख)त्रिअक्षीय परीक्षण के दौरान त्रिअक्षीय उपकरण की स्थापना का एक विस्तारित दृश्य। (ग) एक अलग कोण से त्रिअक्षीय उपकरण। यह आंकड़ा चेंग और वांग28से संशोधित किया गयाहै . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: एक नमूना बनाने की प्रक्रिया. () आधार प्लेट पर छिद्रयुक्त पत्थर और एक झिल्ली की स्थापना, (बी) नमूना निर्माता के अंदर चूषण का निर्माण , (डी) नमूना निर्माता में रेत के कणों को गिराने , () रेत के नमूने के शीर्ष पर एक और छिद्रयुक्त पत्थर और कुशन प्लेट की स्थापना, और (एफ) आधार प्लेट से नमूना निर्माता को हटाना। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: सीटी छवियों की छवि प्रसंस्करण। () कच्चे सीटी प्रक्षेपण , (बी) चरण पुनर्प्राप्ति के बाद सीटी प्रक्षेपण , (सी) एक पुनर्निर्माण क्षैतिज सीटी टुकड़ा , (डी) छवि छानने के बाद सीटी टुकड़ा , () छवि binarization के बाद सीटी टुकड़ा , और (एफ) कण जुदाई के बाद सीटी टुकड़ा। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: 2D स्लाइस में एलबीएस के अंतर-कण संपर्कों के निष्कर्षण का चित्रण। () सीटी स्लाइस की द्विआधारी छवि और वाटरशेड लाइनों की द्विआधारी छवि के बीच तार्किक प्रचालन का कार्यान्वयन, और (बी) 3 डी अंतरिक्ष में दो एलबीएस कणों का एक विशिष्ट संपर्क (कण हरे और नीले रंग में दिखाए जाते हैं और संपर्क है ) लाल रंग में दिखाया गया है) कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: दो कतरनी वेतन वृद्धि के दौरान एक एलबीएस नमूने के विशिष्ट कण शुद्ध गति विज्ञान परिणाम। (ए) त्रिअक्षीय संपीडन के अंतर्गत प्रतिदर्श के तनाव-विकृति वक्र , (बी) कण विस्थापन और नमूने के कण घूर्णन कतरनी वृद्धि I के दौरान, और (ब्) कण विस्थापन और नमूने के कण घूर्णन के दौरान कतरनी वेतन वृद्धि द्वितीय. यह आंकड़ा चेंग और वांग24से संशोधित किया गया है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6: दो कतरनी वृद्धि के दौरान LBS के विशिष्ट तनाव फ़ील्ड.
() अपाहिज अपरूपण विकृति के दौरान नमूने का ऑक्टाफलकीय अपरूपण विकृति और मात्राक विकृति I. (B) अपक्की अपरूपण विकृति तथा कतरनी वृद्धि-II के दौरान नमूने की मात्रामें विकृति। यह आंकड़ा चेंग और वांग24से संशोधित किया गया है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र ााालः द्वि-कणं संपर्कं विकासं परिणामं दो कतरनी वृद्धिके लए ं. (क)प्राप्त संपर्कों के शाखा सदिशों की सामान्य अभिविन्यास आवृत्ति और एलबीएस के खोए हुए संपर्कों के दौरान कतरनी वृद्धि I. (B) प्राप्त संपर्कों के शाखा सदिशों की सामान्य अभिविन्यास आवृत्ति और कतरनी के दौरान एलबीएस के खोए हुए संपर्क वेतन वृद्धि द्वितीय. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

उच्च स्थानिक संकल्प एक्स-रे माइक्रो-सीटी और उन्नत छवि प्रसंस्करण और विश्लेषण तकनीकों ने बहु-स्केल स्तरों पर कतरनी के तहत दानेदार मिट्टी के यांत्रिक व्यवहार की प्रयोगात्मक जांच को सक्षम किया है (यानी, मैक्रो-स्केल पर, मेसो-स्केल और अनाज पैमाने पर स्तर). हालांकि, सीटी छवि आधारित मेसो- और अनाज पैमाने पर जांच लोडिंग के दौरान मिट्टी के नमूनों के उच्च स्थानिक संकल्प सीटी छवियों के अधिग्रहण की आवश्यकता है। इस प्रक्रिया का सबसे चुनौतीपूर्ण पहलू शायद एक लघु triaxial लोड हो रहा उपकरण है कि एक एक्स-रे माइक्रो सीटी डिवाइस के साथ संयोजन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता का निर्माण है. एक आवश्यक नमूना आकार का एक समग्र विचार करना चाहिए, लोड तनाव और दरों, इस तरह के स्थानिक संकल्प के रूप में एक्स-रे माइक्रो सीटी उपकरणों के प्रतिबंध के अलावा, स्कैनिंग क्षेत्र और रोटेशन चरण के लोड क्षमता।

इष्टतम एक्स-रे ऊर्जा और जोखिम समय का निर्धारण समय लेने वाली हो सकता है, लेकिन उच्च गुणवत्ता वाले सीटी छवियों के अधिग्रहण के लिए महत्वपूर्ण है। यह अनुशंसा की जाती है कि उपयोगकर्ता अपने पहले स्कैन के दौरान विभिन्न ऊर्जा और जोखिम समय की कोशिश करें और पुनर्निर्माण स्लाइस की गुणवत्ता के अनुसार एक उपयुक्त ऊर्जा और जोखिम समय निर्धारित करें। इसके अलावा, विभिन्न प्रारंभिक porosities के साथ नमूने अलग ऊंचाइयों से नमूना मोल्ड में रेत कणों छोड़ने के द्वारा नमूना तैयारी के दौरान उत्पादन किया जा सकता है। हालांकि, छोटे नमूना आकार की वजह से, एक विशिष्ट प्रारंभिक porosity के साथ एक नमूना उत्पादन पारंपरिक triaxial परीक्षण की तुलना में अधिक कठिन है. सीटी स्कैनिंग के साथ triaxial परीक्षण के लिए एक विशिष्ट मूल्य के करीब है कि एक प्रारंभिक porosity के साथ एक नमूना उत्पादन करने के लिए, उपयोगकर्ताओं को अग्रिम में नमूने के उत्पादन का अभ्यास करने के लिए सिफारिश कर रहे हैं.

पारंपरिक triaxial परीक्षण की तुलना में, situ triaxial परीक्षण में लघु दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार का पता लगाने में सक्षम होने का लाभ है, अनाज शुद्ध गतिविज्ञान सहित, तनाव स्थानीयकरण और अंतर कण संपर्क बातचीत, आदि वर्तमान में, दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार की जांच करने के लिए एक लोकप्रिय वैकल्पिक विधि DEM है. हालांकि इस तकनीक जटिल लोड हो रहा है शर्तों के तहत रेत यांत्रिक व्यवहार के मॉडलिंग सक्षम बनाता है, अनाज आकार और संपर्क मॉडल आम तौर पर सबसे DEM अध्ययन में उच्च कंप्यूटिंग दक्षता प्राप्त करने के लिए अधिक simplified हैं. इस स्थिति में, इस प्रोटोकॉल का उपयोग कर असली रेत से निकाली गई अनाज पैमाने पर जानकारी बहु पैमाने के स्तर पर DEM मॉडल के बेहतर सत्यापन के लिए आवश्यक है। सीटी छवि आधारित तनाव गणना के लिए शुरू की विधि का एक और लाभ तनाव गणना में कण रोटेशन का समावेश है। तनाव गणना विधि कण rotations24के प्रभाव पर विचार किए बिना एक जाल आधार विधि से अधिक विश्वसनीय तनाव परिणाम का उत्पादन करने के लिए दिखाया गया था।

यहां तक कि इसके कई फायदे के साथ, दानेदार मिट्टी के अंतर-कण संपर्क विकास का अध्ययन करने के लिए एक्स-रे माइक्रो सीटी का उपयोग अंतर-कण संपर्कों के अधिक-डिटेक्शन से पीड़ित हो सकता है। अंतर-कण का पता लगाने के परिणामों की सटीकता एक्स-रे माइक्रो-सीटी के स्थानिक संकल्प पर दृढ़ता से निर्भर करता है। यह एक्स-रे माइक्रो-सीटी के आंशिक मात्रा प्रभाव के कारण है, जिसमें दो अलग-अलग कणों की दूरी एक वोसेल के आकार से छोटी होती है, जिसे दो संपर्क कणों के रूप में पहचाना जा सकता है। सौभाग्य से, दानेदार मिट्टी के भीतर अंतर-कण संपर्क विकास की सामान्य प्रवृत्ति अंतर-कण संपर्कों के अति-पता लगाने से अप्रभावित पाई गई। इस बीच, दानेदार मिट्टी के भीतर अंतर कण संपर्क बलों को निकालने में असमर्थता डीईएम अध्ययन43,44,45,46,47 की तुलना में एक्स-रे माइक्रो-सीटी का एक और नुकसान है और फोटो लोचदार अध्ययन48,49. इसके अलावा, क्योंकि ऊपर उल्लिखित सीटी छवि आधारित अनाज पैमाने पर जांच की सही ढंग से पहचान और सीटी छवियों से अलग-अलग कणों को निकालने के लिए आवश्यक है, अत्यधिक अनियमित कण आकार या अत्यधिक के साथ मिट्टी के लिए इस विधि के आवेदन अनियमित अंतर-कण रिक्तियों वाले क्रशकरने योग्य मिट्टी बहुत चुनौतीपूर्ण है।

भविष्य में, अनाज के आकार और अनाज शुद्ध गति विज्ञान पर पर्याप्त डेटा उपलब्ध कराने के situ triaxial परीक्षण में डीईएम मॉडलिंग में वास्तविक कण आकार के समावेश की सुविधा होगी. बाद में, सीटी छवि आधारित डीईएम मॉडलिंग लोडिंग के तहत दानेदार मिट्टी के अनाज पैमाने पर यांत्रिक व्यवहार की एक बेहतर समझ प्रदान करेगा। इस बीच, अंतर-कण संपर्क बलों50निकालने की क्षमता को देखते हुए, एक्स-रे माइक्रो-सीटी के साथ एक्स-रे विवर्तन का एक संयोजन सीटू ट्राइअक्षीय परीक्षण के लिए पूर्ण अनाज पैमाने की जानकारी की निकासी के लिए उपयोगी होगा (यानी, दोनों अनाज अपरूपण के अंतर्गत दानेदार मिट्टी से शुद्ध गति विज्ञान और अनाज संपर्क बल)।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

इस अध्ययन को जनरल रिसर्च फंड नं. हांगकांग एसएआर के अनुसंधान अनुदान परिषद से CityU 11213517, अनुसंधान अनुदान नहीं 51779213 चीन के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन से, और शंघाई Synchrotron विकिरण सुविधा (SSRF) के BL13W बीमलाइन.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
  2. Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
  8. Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
  9. Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
  10. 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).
  11. Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
  12. Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
  13. Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
  48. 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).
  49. Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
  50. 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).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 151 दानेदार मिट्टी कण अनुवाद कण रोटेशन तनाव स्थानीयकरण संपर्क हानि संपर्क लाभ संपर्क आंदोलन triaxial संपीड़न सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे माइक्रो-टॉमोग्राफी
सिन्क्रोट्रॉन एक्स-रे माइक्रो-टॉमोग्राफी का उपयोग करके शीर के तहत Granular मिट्टी की विफलता और एसोसिएटेड अनाज-स्केल मैकेनिकल व्यवहार का दृश्य
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Cheng, Z., Wang, J. Visualization of More

Cheng, Z., Wang, J. Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography. J. Vis. Exp. (151), e60322, doi:10.3791/60322 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter