Waiting
Login processing...

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

Engineering

Visualisering av svikt og tilhørende Grain-skala mekanisk oppførsel av kornet jord under Shear bruker Synchrotron X-ray Micro-tomografi

Published: September 29, 2019 doi: 10.3791/60322
Automatic Translation
1, 1,2
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong, 2Shenzhen Research Institute of City University of Hong Kong

Summary

Protokollen beskriver prosedyrer for å erverve høy-romlig oppløsning beregnet tomografi (CT) bilder av en detaljert jord under triaxial komprimering, og å bruke bildebehandling teknikker til disse CT bilder å utforske korn-skalaen mekanisk oppførsel av jord under lasting.

Abstract

Den raske utviklingen av X-ray Imaging teknikker med bildebehandling og analyse ferdigheter har aktivert oppkjøpet av CT bilder av granulat jord med høy romlig oppløsninger. Basert på slike CT-bilder, kan korn skala mekanisk atferd som partikkel kinematikk (dvs. partikkel oversettelser og partikkel rotasjoner), strekk lokalisering og inter-partikkel kontakt utviklingen av granulat jord bli kvantitativt undersøkt. Men dette er utilgjengelig ved hjelp av konvensjonelle eksperimentelle metoder. Denne studien demonstrerer utforskning av korn-skalaen mekanisk oppførsel av en detaljert jordprøve under triaxial komprimering bruker Synchrotron X-ray mikro-tomografi (Benvolum). Med denne metoden, en spesielt fabrikkert miniatyr lasting apparater brukes til å bruke confining og aksial påkjenninger til prøven under triaxial test. Apparatet er montert i et Synchrotron røntgen tomografi oppsett slik at høy romlig oppløsning CT-bilder av prøven kan samles på ulike lasting stadier av testen uten forstyrrelser i prøven. Med mulighet til å trekke ut informasjon på makro skalaen (f.eks. prøve grense belastninger og stammer fra det triaxial apparat oppsettet) og korn skalaen (f.eks. korn bevegelser og kontakt interaksjoner fra CT-bildene), gir denne prosedyren en effektiv metodikk for å undersøke multi-skala mekanikk av kornet jord.

Introduction

Det er allment anerkjent at makro-skalaen mekaniske egenskaper av granulat jord, slik som stivhet, skjær styrke og permeabilitet, er avgjørende for mange Geotekniske strukturer, for eksempel stiftelser, bakker og rock-Fill dammer. For mange år, på stedet tester og konvensjonelle laboratorietester (for eksempel en-dimensjonal komprimering tester, triaxial komprimering tester og permeabilitet tester) har blitt brukt til å evaluere disse egenskapene i ulike jordsmonn. Koder og standarder for testing jord mekaniske egenskaper har også blitt utviklet for tekniske formål. Mens disse makro-skalaen mekaniske egenskaper har vært intensivt studert, korn-skalaen mekanisk atferd (f. eks partikkel kinematikk, kontakt interaksjon og stamme lokalisering) som regulerer disse egenskapene har tiltrukket seg mye mindre oppmerksomhet fra ingeniører og forskere. En grunn er mangelen på effektive eksperimentelle metoder tilgjengelig for å utforske korn-skalaen mekanisk oppførsel av jord.

Inntil nå, det meste av forståelsen av korn-skalaen mekanisk oppførsel av kornet jord har kommet fra diskret element modellering1 (dem), på grunn av sin evne til å trekke ut partikkel-skala informasjon (f. eks, partikkel kinematikk og partikkel kontakt og styrker). I tidligere studier av bruk DEM teknikker for å modellere kornet jord mekanisk atferd, hver enkelt partikkel var bare representert ved en enkelt sirkel eller sfære i modellen. Bruken av slike over-forenklede partikkel former har ført til over rotasjon av partikler og dermed en lavere topp styrke atferd2. For å oppnå en bedre modellering ytelse, har mange etterforskere brukt en rullende motstandmodell 3,4,5,6 eller uregelmessig partikkelfigurer 7,8, 9,10,11,12 i sine dem simuleringer. Som et resultat, har en mer realistisk forståelse av partikkel Kinematisk adferd blitt ervervet. Bortsett fra partikkel kinematikk, har DEM blitt stadig mer brukt til å undersøke korn kontakt interaksjon og for å utvikle teoretiske modeller. Men på grunn av kravet om å reprodusere ekte partikkel former og bruk av sofistikerte kontakt modeller, krever DEM ekstremt høy beregningsorientert evne i modellering av granulat jord med Uregelmessige former.

I den seneste tid, utviklingen av optisk utstyret og tenkelig teknikker (e.g., det mikroskop, laser-hjalp tomografi, X-rokke beregnet tomografi (CT) og X-rokke mikro--tomografi (Benvolum)) har forsynt mange Opportunities for eksperimentelle eksamen av det korn-skala mekanisk oppførsel av kornet jord. Via oppkjøp og analyse av jordprøve bilder før og etter triaxial testing, har slikt utstyr og teknikker blitt benyttet i etterforskningen av jord mikrostrukturen13,14,15,16 ,17,18,19. Flere nylig, in situ-tester med røntgen CT eller benvolum har blitt stadig mer brukt til å undersøke utviklingen av annullert ratio20, stamme distribusjon21,22,23,24, partikkel bevegelse25,26,27,28, Inter-partikkel kontakt29,30,31 og partikkel knusing32 av kornet jord. Her betyr "in situ" X-ray skanning utført på samme tid som lasting. I motsetning til generell X-ray skanning, in situ X-ray skanning tester krever en spesielt fabrikkert lasting apparat for å levere spenninger til jordprøver. Med den kombinerte bruken av laste apparatet og røntgen CT-eller Benvolum-enheten, kan CT-bilder av prøvene på ulike innlastings stadier av testene anskaffes som ikke-ødeleggende måte. Basert på disse CT-bilder, partikkel-skala observasjoner av granulat jord atferd kan skaffes. Disse CT image-baserte partikkel-nivå observasjoner er svært nyttig å verifisere numeriske funn og å få romanen innsikt i korn-skalaen mekanisk oppførsel av kornet jord.

Denne artikkelen tar sikte på å dele detaljene om hvordan en X-ray in situ skanning test av en jordprøve kan utføres, ved hjelp av en eksemplarisk eksperiment som observerer partikkel kinematikk, stamme lokalisering og inter-partikkel kontakt evolusjon innenfor en jordprøve. Resultatene viser at X-ray in situ skanning tester har et stort potensial til å utforske korn-nivå oppførsel av kornet jord. Protokollen dekker valg av X-ray Benvolum enhet og utarbeidelse av en miniatyr triaxial lasting apparat, og detaljerte prosedyrer for å utføre testen er gitt. I tillegg er de tekniske trinnene for bruk av bildebehandling og analyse for å kvantifisere partikkel kinematikk (dvs. partikkel oversettelse og partikkel rotasjon), strekk lokalisering, og inter-partikkel kontakt evolusjon (dvs. kontakt forsterkning, kontakt tap og Kontakt bevegelse) av jorda er beskrevet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. utforme eksperimentet i god tid

  1. Bestem test materiale, partikkelstørrelse, utvalgsstørrelse og prøve første porøsitet.
    Merk: Leighton Buzzard sand med en diameter på 0,15 ~ 0.30 mm og en utvalgsstørrelse på 8 x 16 mm (diameter x høyde) er brukt som et eksempel for å demonstrere protokollen av denne studien. Andre sanden som Fujian sand, Houston sand, Ottawa sand og Caicos ooider, etc. og lignende utvalgsstørrelser kan også brukes.
  2. Velg en passende detektor (figur 1A) i henhold til nødvendig romlig oppløsning og skanning området, som bestemmes i henhold til forhåndsbestemt partikkelstørrelse og utvalgsstørrelse. For eksempel brukes en detektor med en romlig oppløsning på 6,5 μm i denne studien. Den har et effektivt skanneområde på 2048 x 860 piksler (dvs. 13,3 × 5,6 mm).
    Merk: under en triaxial komprimerings test skal den deformert prøven forbli i skanneområdet til detektoren. En høy-romlig oppløsning detektor bør brukes slik at enkelte partikler inneholder tilstrekkelig voxels for riktig ekstraksjon av partikkel egenskaper.
  3. Bestem den nødvendige energien til røntgen kilden (figur 1A) og eksponeringstid i henhold til test materialet og utvalgsstørrelsen. Vanligvis bør en høyere energi brukes til et større utvalg bestående av et tettere materiale. Bruk en X-ray energi av 25 keV og en eksponeringstid på 0,05 s for sand prøvene i denne studien.
    Merk: den nødvendige X-ray-energien og eksponeringstiden kan avgjøres ved prøving og feiling ved hjelp av en skannet projeksjon av prøven. Forholdet mellom den minste gråskala intensiteten til anslaget til maksimumsverdien bør ikke være lavere enn 0,2. Hvis ikke, bør det brukes en høyere røntgen energi eller lengre eksponeringstid.
  4. Bestem ønsket rotasjonshastighet ω (grader per sekund) for rotasjon scenen (figur 1A) av X-ray enheten. Rotasjonshastighet ω beregnes i henhold til det nødvendige antall anslag N (f. eks N = 1 080) for CT Slice rekonstruksjon.
    Merk: ω = 180 Vs/N. Her over, Vs er skanningen fart av det X-rokke apparat, i.e., antallet av røntgenbilder avsøkte og registrert per andre. Vs er hovedsakelig påvirket av ytelsen til detektoren og maskinvaren som er knyttet til detektoren, for eksempel datamaskinen.
  5. Dikte opp et triaxial lasteapparat (figurer 1B, C, se også referanse 33) som skal brukes sammen med røntgen benvolum enheten. Apparatet skal ha de samme hovedfunksjonene som et konvensjonelt triaxial kompresjons apparat. Utformingen bør vurdere kravet om utvalgsstørrelse, omfanget av confining påkjenninger og lasting priser.
    Merk: apparatet skal være i stand til å passe inn i X-ray Benvolum enheten og være lys for å lette sin rotasjon ved hjelp av rotasjon scenen. Den triaxial cellen skal være transparent for røntgenstråler. Tatt i betraktning åpenhet kravet, akryl og polykarbonat kan brukes til å dikte den triaxial cellen.
  6. Gjennomfør en test med samme confining trykk, innlastings hastighet og prøve egenskaper (dvs. materiale, utvalgsstørrelse og innledende porøsitet) utenfor røntgen CT-skanneren for å planlegge når lastingen skal settes på for CT-skanning.

2. gjennomføring i situ triaxial kompresjon testing

  1. Plasser triaxial lasteutstyr og test materialet på stedet.
    Merk: laste apparatet og confining (se materialfortegnelsen) er plassert i røntgen CT-skannings rommet, mens datainnsamlings-og kontroll enheter befinner seg utenfor. Triaxial lasting og CT-skanning av prøven betjenes deretter utenfor skanne rommet.
  2. Fest et løfte trinn på brettet til røntgen mikro-CT-enheten (figur 1B). Fest en vippe fase på løfte scenen og et rotasjons trinn på vippe fasen, henholdsvis (figur 1B).
    Merk: løfte fasen og vippe fasen bør ha tilstrekkelig lastekapasitet til å flytte det aktuelle utstyret som er plassert på dem.
  3. Juster plasseringen og retningen for rotasjons stadiet via vippe fasen, slik at en enkelt X-ray passerer gjennom de samme punktene i prøven når den roteres på tvers av 180 grader rundt aksen for rotasjons stadiet.
    Merk: trinn 2,2 til 2,3 gjelder for X-ray Micro CT-enheten i Shanghai Synchrotron stråle Senter (SSRF). For røntgen mikro-CT-enheter som brukes spesielt for in situ triaxial testing, kan disse trinnene utelates etter nøye posisjonering og fiksering av rotasjons stadiet.
  4. Forbered en jordprøve på tavlen i henhold til følgende prosedyrer.
    1. Tilsett en liten mengde silikon fett rundt den laterale overflaten av den øverste enden av bunnplaten og plassere en porøs stein på den øvre overflaten. Sett en membran rundt den laterale overflaten av den øverste enden (figur 2a).
    2. Legg en liten mengde silikon fett på kontaktflatene mellom de to delene av prøven maker og låse den. Plasser prøve produsenten på bunnplaten og la membranen passere gjennom den (figur 2B).
    3. Lag sug (f.eks. 25 kPa) inne i prøve produsenten gjennom munnstykket ved hjelp av en vakuumpumpe. Fest membranen til den laterale overflaten av den øvre enden. Sørg for at membranen er festet til den indre overflaten av prøven Maker (figur 2C).
    4. Drop testen kornet materiale fra en viss høyde i prøven Maker ved hjelp av en trakt til den er helt fylt. Den øvre overflaten av jord prøven skal være på samme nivå som den øvre kanten av prøven Maker (figur 2D).
    5. Plasser en annen porøs stein på toppen av jord prøven, og et rustfritt stål pute plate på toppen av den porøse steinen. Påfør litt silikon fett rundt den laterale overflaten av pute platen. Fjern den øverste siden av membranen fra prøve produsenten og fest den til pute platen (figur 2E).
    6. Fjern sug inne i prøven Maker munnstykket og skape sug inne i ventilen på bunnplaten. Til slutt fjerner du prøve produsenten. En miniatyr tørr prøve er produsert, som vist i figur 2F.
      Merk: dette trinnet demonstrerer prosedyren for å produsere en miniatyr jordprøve med luft pluviation metoden. Den tradisjonelle tørr komprimeringsmetoden kan også brukes til å produsere prøven.
  5. Fest confining cellen på bunnplaten og fest kammer topplaten på toppen av confining cellen (figur 1C).
  6. Fest stempel akselen til cellen på topp platen til kammeret (figur 1C).
  7. Plasser bunnplaten sammen med den confining cellen og kammer topplaten på rotasjons trinnet. En ramme brukes til å justere høyden på prøven for CT-skanning (figur 1B).
    Merk: denne rammen brukes på grunn av det begrensede bevegelsesområdet til løfte etappen på SSRF. Det er ikke nødvendig å bruke en ramme hvis det brukes et løfte trinn med et stort bevegelsesområde.
  8. Fest resten av laste apparatet på topp platen til kammeret.
  9. Installer lineær variabel differensial transformator (LVDT), lastcelle og stepping motor og aktivere dem (figur 1C).
  10. Fyll cellen med de-luftet vann gjennom cellen trykk (CP) ventil (se figur 1C) bruk av vann som leveres fra et confining trykk som gir enheten (se tabell over materialer). Lukk ventilen for vann avslutning (We) (se figur 1C) når vannet begynner å strømme ut av ventilen.
    Merk: Still inn confining for konstant trykk med en svært lav konstant trykkverdi (f.eks. 10 kPa).
  11. Legg til et konstant confining Trykk på 25 kPa i prøven, og fjern sugeeffekten inne i prøven.
  12. Gradvis øke confining trykket til en forhåndsbestemt verdi ved hjelp av confining trykk tilbyr enheten.
  13. Utfør den første skanningen av prøven. For en høy oppløsning CT Scanner (f. eks, med en pikselstørrelse på 6,5 μm), en full skanning av prøven (f. eks, med en høyde på 16 mm) krever vanligvis at prøven skal skannes i flere forskjellige høyder (dvs. skanningen er delt inn i flere seksjoner).
    Merk: Hvis det brukes en lav avstandstoleranse detektor og en liten størrelse prøve, kan skanneområdet være tilstrekkelig til å erverve en full-feltet skanning av prøven ved hjelp av en enkelt del.
    1. Skann en del av prøven. Sett CT-skanneren til bilde opptaks modus og start deretter rotasjons stadiet for å rotere hele apparatet på tvers av 180 grader ved en forhåndsbestemt konstant rotasjonshastighet (f.eks. 3,33 grader/s) for å fange CT-projeksjoner av prøven i forskjellige vinkler.
      Merk: Det foreslås at prøven skannes fra bunnen og oppover (dvs. den første delen inneholder alle partiklene som er plassert på bunnen av prøven).
    2. Slå av bilde opptaks modus når rotasjonen er fullført. Drei apparatet tilbake til utgangsposisjonen.
    3. Løft prøven sammen med hele apparatet med løfte etappen (figur 1B) med en viss høyde (f.eks. 4 mm) for å skanne neste del av prøven.
      Merk: løftet skal sikre at det er en overlapping mellom den gjeldende seksjonen og den siste delen (dvs. det er en overlapping mellom to etterfølgende seksjoner). Overlappingen bør være minst 10 piksler for å lette sømmen på dem.
    4. Gjenta trinn 2.13.1-2.13.3 til den siste delen av prøven er skannet.
  14. Påfør en aksial belastning på prøven med en konstant laste hastighet. Her brukes en laste hastighet på 0,2%/min i denne studien. Brukere kan angi en annen innlastings hastighet i henhold til eksperiment kravet.
  15. Pause aksial lasting på en forhåndsbestemt aksial belastning. Vent til den målte aksial kraften har nådd en stabil verdi (vanligvis innen 2 min) og utfør neste skanning. Skanne prosedyrene er de samme som vist i trinn 2,13.
  16. Gjenta trinn 2,14 og 2,15 til slutten av lastingen.
  17. Last ut testen og Fjern prøven fra triaxial apparatet.
  18. Monter bunnplaten og den confining cellen på rotasjons stadiet for å få flere flate projeksjoner (vanligvis 10 anslag) fra detektoren. Slå av røntgen kilden for å få det samme antallet mørke projeksjoner fra detektoren.
    Merk: flat og mørk anslag brukes for fase henting av rå CT anslag. Gjennomføringen av flat og mørk korreksjon forbedrer kontrasten mellom prøven og den omkringliggende bakgrunnen i rekonstruert CT skiver. Det bidrar også til å lindre ringen gjenstander som følge av defekte piksler av detektoren.

3. bilde prosessering og analyse

  1. Bildebehandling
    1. Implementere fase henting (Figur 3B) av rå CT-prognoser (Figur 3A) av prøven ved hjelp av fri programvare PITRE34. Load anslag (inkludert flat og mørk anslag) i PITRE fra menyen Load bildet. Klikk på ikonet PPCI. Angi de relevante skanneparametrene, og klikk på singel for å implementere fase hentingen.
      Merk: gjennomføringen av fase henting gir forbedring av grensesnitt mellom ulike faser (dvs. Void fase og solid fase) i rekonstruert CT skiver, som er av vesentlig betydning for den påfølgende bilde-basert analyse av mellom partikkel kontakter.
    2. Rekonstruere CT skiver av prøven ved hjelp av PITRE basert på CT-anslag etter fase henting (Figur 3C). Load anslagene i PITRE fra menyen Load bildet. Klikk på ikonet ProjSino. Angi relevante parametre i dukket vinduet og klikk single å REKONSTRUERE en CT skive.
      Merk: Sjekk horisontale skiver for å sikre at det ikke er noen tunge stråle herding gjenstander eller ring gjenstander. Ellers er det nødvendig med endring av gjeldende skanne parametre og skanning av prøven. Kontroller loddrette sektorer. Hvis prøven er kraftig vippet før skjær, anses testen mislykket.
    3. Implementer bilde filtrering på CT-sektorene. Et Anisotrop Diffusion filter brukes til å utføre bilde filtrering (Figur 3D).
    4. Utfør bilde binarization på de filtrerte CT-stykkene. Implementer bildet binarization (Figur 3E) ved å bruke en INTENSITET verdi terskelen til CT skiver, som bestemmes i henhold til intensiteten histogrammet av CT skiver bruker Otsu metode35.
      Merk: for CT-skiver med en gråskala intensitet histogram viser en betydelig overlapping av intensitet mellom den faste fase og void fase, en validering av bildet binarization er nødvendig ved hjelp av massen av den solide fase36.
    5. Skill individuelle partikler fra binarized CT-skiver ved hjelp av en markør BAS ert vannskille algoritme og lagre resultatene i et 3D-merket bilde (Figur 3F). Valider resultatene ved å sammenligne den beregnede partikkelstørrelsesfordelingen fra CT-bildet med de fra en mekanisk sikt test.
      Merk: modulen separate objekter av programvaren Avizo fire kan brukes til å implementere denne algoritmen. Fjern de porøse steinene fra binarized CT skiver ved hjelp av modulen grensen Kill av Avizo fire. Å erverve en pålitelig partikkel separasjon resultater, leserne er foreslått å prøve ulike partikkel segmentering algoritmer37,38,39.
  2. Image analyse
    1. Trekk ut partikkel egenskaper fra det merkede bildet. En MATLAB skriptet brukes til å trekke ut partikkel egenskaper inkludert partikkel volum, partikkel areal, partikkel orientering og partikkel centroid koordinater.
      Merk: den iboende MATLAB funksjoner regionprops, bwprim og PCA brukes til å tilegne seg disse egenskapene til hver partikkel. En mer detaljert beskrivelse av disse prosedyrene kan bli funnet i arbeidet til Cheng og Wang28.
    2. Pakk kontakt voxels fra binarized CT skiver ved gjennomføring av en logisk operasjon og mellom det binære bildet av CT skiver (Figur 4) og et binært bilde av vannskille linjer ervervet fra gjennomføringen av markør-baserte vannskille algoritme31.
      Merk: over-deteksjon av kontakt voxels kan oppstå på grunn av delvis volumeffekt og tilfeldig støy av CT bilder40,41. Men en liten over-deteksjon av Inter-partikkel kontakter ville ikke ha betydelig effekt på den generelle trenden med Inter-partikkel kontakt evolusjon atferd42.

4. CT bildebasert utforskning av korn-skala mekanisk oppførsel av jord

Merk: følgende bildebasert analyse gjelder ikke for ideell sfæriske partikler eller prøver med svært smale vurderings områder (dvs. monodisperse prøver). Men for partikler med høy rundhet og dårlig gradering (f.eks. 0,3 ~ 0,6 mm glassperler), gir metodikken gode resultater (se Cheng og Wang31).

  1. Kvantifisere partikkel kinematikk av prøven. Bruk en partikkel sporingsmetode for å spore individuelle partikler i prøven ved forskjellige skanninger basert på enten partikkel volum eller partikkeloverflate areal. En detaljert beskrivelse av denne metoden er gitt i Cheng og Wang28.
    1. Beregn oversettelsen av hver partikkel i løpet av to påfølgende skanninger. Det beregnes som differansen i partikkel centroid koordinater mellom de to skanninger.
    2. Bestem rotasjonsvinkelen for hver partikkel i henhold til forskjellen i sin viktigste akse orientering mellom de to skanninger.
  2. Kvantifisere belastnings feltet i prøven. Bruk en rutenett BAS ert metode for å beregne belastnings feltet i løpet av to påfølgende skanninger basert på partikkel oversettelsen og partikkel rotasjonen.
    Merk: metoden krever de merkede bildene av prøven fra både skanninger og partikkel kinematikk resultater. Leserne er henvist til en tidligere arbeid24 for en detaljert beskrivelse.
  3. Analyser mellom partikkel kontakt utviklingen av prøven. Basert på den utpakkede kontakten voxels, de merkede bilder av partikler og partikkel sporing resultater, analysere grenen vektor orientering av de tapte kontakter og fikk kontaktene i utvalget under hver skjær økning.
    Merk: en fullstendig beskrivelse av denne metoden er gitt i Cheng og Wang31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 viser partikkel kinematikk resultatene av en Leighton Buzzard sand (lbs) prøve på en 2D skive i løpet av to typiske skjær trinn, i og II. De fleste av partiklene er vellykket spores og deres oversettelser og rotasjoner er kvantifisert følgende protokollen ovenfor. Under den første skjær økningen, verken partikkel forskyvninger eller partikkel rotasjoner viser klar lokalisering. Imidlertid er en lokalisert band utviklet i både partikkel forskyvning kartet og partikkel rotasjon kartet under andre skjær økning. Figur 6 viser octahedral og volum belastnings kart i prøven i de to skjær intervallene. En klar lokalisering sone er observert i belastningen kartene på andre skjær økning, demonstrere evnen til metoden for å visualisere sand svikt under triaxial klipping. Figur 7 viser normalisert orientering frekvensen av gren vektorer av oppnådde kontakter og mistet kontakter i utvalget under to skjær trinn. De tapte kontakter viser en klar retningsbestemt preferanse mot mindre viktigste stress retning (dvs. horisontal retning) under begge skjær trinn.

Figure 1
Figur 1: røntgen Micro CT-oppsett og triaxial laste enhet. (A) et triaxial apparat som brukes i forbindelse med et RØNTGEN Micro CT-oppsett. (B) en forstørret visning av installasjonen av triaxial apparatet under triaxial testing. (C) Triaxial apparater fra en annen vinkel. Dette tallet er endret fra Cheng og Wang28. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: prosessen med å lage en prøve. (A) installasjon av en porøs stein og en membran på bunnplaten, (B) installasjon av en prøve Maker, (C) opprettelse av sug inne i prøve Maker, (D) slippe sand partikler i prøve Maker, (E) installasjon av en annen porøs stein og en pute plate på toppen av sand prøven, og (F) fjerning av prøve Maker fra bunnplaten. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: bildebehandling av CT-bilder. (A) RAW CT projeksjon, (B) CT projeksjon etter fase henting, (C) en rekonstruert horisontal CT skive, (D) CT SLICE etter bilde filtrering, (E) CT Slice etter bilde binarization, og (F) CT-skive etter partikkel separasjon. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: illustrasjon av utvinning av Inter-partikkel kontakter av lbs i 2D skiver. (A) gjennomføring av en logisk operasjon og mellom det BINÆRE bildet av en CT skive og det binære bildet av vannskille linjer, og (B) en typisk kontakt av to lbs partikler i 3D-rom (partikler vises i grønt og blått, og kontakten er vises i rødt). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: typiske partikkel kinematikk resultater fra en lbs-prøve under to skjær trinn. (A) stress – strekk kurve av prøven under triaxial kompresjon, (B) partikkel-forskyvninger og partikkel rotasjoner av prøven under skjær økning i, og (C) partikkel-forskyvninger og partikkel rotasjoner i prøven under skrå stillings økning II. Dette tallet har blitt modifisert fra Cheng og Wang24. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: typiske belastning felt av LBS under to skjær trinn.
(A) octahedral skjærbelastning og volum stamme av prøven under skjær økning i. (B) octahedral skjærbelastning og volum belastningen av PRØVEN under skjær økning II. Dette tallet har blitt modifisert fra Cheng og Wang24. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: typisk Inter-partikkel kontakt evolusjon resultatene av lbs under to skjær trinn. (A) normalisert orientering hyppigheten av gren vektorer av fått kontakter og tapte kontakter lbs under skjær øke i. (B) normalisert orientering hyppigheten av gren vektorer av fått kontakter og tapte kontakter av lbs under skjær Trinn II. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Høy-romlig oppløsning X-ray Micro-CT og avansert bildebehandling og analyse teknikker har aktivert eksperimentell undersøkelse av mekanisk atferd av kornet jord under skjær på multi-skala nivåer (dvs. på makro-skala, Meso-skala og korn-skala nivåer). Men CT bilde-baserte Meso-og korn-skala undersøkelser krever oppkjøpet av høy-romlig oppløsning CT bilder av jordprøver under lasting. Det mest utfordrende aspektet ved denne prosessen er kanskje fabrikasjon av en miniatyr triaxial lasting apparat som kan brukes i forbindelse med en røntgen mikro CT-enhet. Man bør foreta en helhetlig vurdering av den nødvendige utvalgsstørrelsen, lasting spenninger og priser, i tillegg til restriksjoner av røntgen Micro CT enheter som romlig oppløsning, skanning området og lastekapasitet av rotasjon scenen.

Fastsettelse av optimal røntgen energi og eksponeringstid kan være tidkrevende, men er avgjørende for oppkjøpet av høykvalitets CT-bilder. Det anbefales at brukerne prøver ulike energier og eksponeringstider i løpet av sin første skanning og bestemme en passende energi og eksponeringstid i henhold til kvaliteten på rekonstruert skiver. For resten, eksemplar med annerledes Initial porøsitet kan produsert i løpet av eksemplar forberedelse av drop sand partikler inn i prøven mold fra annerledes høyder. Men på grunn av den lille utvalgsstørrelsen, produsere en prøve med en bestemt innledende porøsitet er vanskeligere i forhold til konvensjonelle triaxial tester. For å produsere en prøve med en første porøsitet som er nær en bestemt verdi for triaxial testing med CT-skanning, anbefales brukere å øve på å produsere prøver på forhånd.

Sammenlignet med konvensjonell triaxial testing, har miniatyr in situ triaxial testing fordelen av å kunne utforske korn skala mekanisk oppførsel av kornet jord, inkludert korn kinematikk, strekk lokalisering og inter-partikkel kontakt interaksjon, etc. Foreløpig en populær alternativ metode for å undersøke korn-skalaen mekanisk oppførsel av kornet jord er DEM. Selv om denne teknikken gjør at modellering av sand mekanisk atferd under komplekse lasting forhold, korn former og kontakt modeller er generelt over-forenklet for å oppnå høy databehandling effektivitet i de fleste DEM studier. I denne situasjonen er korn skala informasjon Hentet fra ekte sand bruke denne protokollen er nødvendig for bedre validering av DEM-modeller på multi-skala nivåer. En annen fordel med innført metode for CT bilde-basert belastning beregning er inkorporering av partikkel rotasjon i belastningen beregningen. Belastnings beregningsmetoden ble vist å produsere mer pålitelige belastnings resultater enn en mesh-base metode uten å ta hensyn til virkningene av partikkel rotasjoner24.

Selv med sine mange fordeler, ved hjelp av X-ray Micro CT å studere Inter-partikkel kontakt utviklingen av kornet jord kan lide av over-deteksjon av Inter-partikkel kontakter. Nøyaktigheten av Inter-partikkel deteksjon resultater avhenger sterkt av romlig oppløsning av røntgen Micro-CT. Dette skyldes delvis volum effekten av X-ray Micro-CT, der to isolerte partikler som har en avstand som er mindre enn størrelsen på en Voxel kan identifiseres som to kontakter partikler. Heldigvis, den generelle trenden med Inter-partikkel kontakt evolusjon innen kornet jord ble funnet å være upåvirket av over-deteksjon av Inter-partikkel kontakter. I mellomtiden, manglende evne til å trekke mellom partikkel kontakt styrker innenfor kornet jord er en annen ulempe med røntgen Micro-CT sammenlignet med dem studier43,44,45,46,47 og foto-elastiske studier48,49. Videre, på grunn av den ovenfor nevnte CT bilde-basert korn-skalaen etterforskning som kreves for å korrekt identifisere og trekke ut individuelle partikler fra CT-bilder, anvendelsen av denne metoden til jord med svært uregelmessig partikkel former eller svært crushable jordsmonn som inneholder uregelmessig intra-partikkel hulrom er svært utfordrende.

I fremtiden, in situ triaxial testing gir rikelig data på korn form og korn kinematikk vil lette inkorporering av reelle partikkel figurer i DEM modellering. Deretter CT bilde-baserte DEM modellering vil gi en bedre forståelse av korn-skalaen mekanisk oppførsel av kornet jord under lasting. I mellomtiden, gitt evnen til å trekke ut Inter-partikkel kontakt styrker50, en kombinasjon av røntgen Diffraksjon med røntgen mikro-CT for in situ triaxial testing vil være nyttig for utvinning av full korn-skala informasjon (dvs. både korn kinematikk og korn kontakt styrker) fra kornet jord under klipping.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Denne studien ble støttet av General Research Fund no. CityU 11213517 fra Research Grant Council i Hong Kong SAR, Research Grant no. 51779213 fra National Science Foundation i Kina, og BL13W beamline av Shanghai Synchrotron stråling 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

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

Engineering granulat jord partikkel oversettelse partikkel rotasjon strekk lokalisering kontakt tap kontakt forsterkning kontakt bevegelse triaxial kompresjon Synchrotron røntgen mikro-tomografi
Visualisering av svikt og tilhørende Grain-skala mekanisk oppførsel av kornet jord under Shear bruker Synchrotron X-ray Micro-tomografi
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