Summary
Протокол описывает процедуры получения высокопространственного разрешения компьютерной томографии (КТ) изображения гранулированной почвы во время трехосного сжатия, а также применять методы обработки изображений к этим КТ-изображениям для изучения механического поведения зернового масштаба почвы под погрузкой.
Abstract
Быстрое развитие методов рентгеновской визуализации с навыками обработки изображений и анализа позволило приобрести КТ-изображения гранулированных почв с высоким пространственным разрешением. На основе таких КТ-изображений можно количественно изучить механическое поведение зернового масштаба, такое как иинематика частиц (т.е. переводы частиц и вращения частиц), локализацию деформации и межчастицную контактную эволюцию гранулированных почв. Однако это недоступно с использованием обычных экспериментальных методов. Данное исследование демонстрирует исследование зернового механического поведения гранулированного образца почвы при трехосовом сжатии с помощью синхротронной рентгеновской микротомографии (ККТ). С помощью этого метода специально изготовленный миниатюрный погрузочный аппарат используется для нанесения ограничения и осевых нагрузок к образцу во время трехосного испытания. Аппарат устанавливается в синхронизронную рентгеновскую томографию, так что изображения КТ с высоким пространственным разрешением образца могут быть собраны на разных этапах загрузки теста без каких-либо помех для образца. С возможностью извлечения информации на макроуровне (например, выборочные пограничные напряжения и деформации от установки триосиального аппарата) и шкалы зерна (например, движения зерна и контактные взаимодействия с изображениями КТ), эта процедура обеспечивает эффективной методологии для исследования многомасштабной механики гранулированных почв.
Introduction
Широко признано, что макро-масштабные механические свойства гранулированной почвы, такие как жесткость, прочность сдвига и проницаемость, имеют решающее значение для многих геотехнических структур, например, фундаментов, склонов и плотин заливки пород. На протяжении многих лет для оценки этих свойств в различных почвах использовались тесты на месте и обычные лабораторные тесты (например, одномерные компрессионные тесты, трехосные компрессионные тесты и проницаемость). Для инженерных целей были разработаны также кодексы и стандарты для проверки почвенных механических свойств. Хотя эти макромасштабные механические свойства были интенсивно изучены, механическое поведение зерна (например, кинематика частиц, контактное взаимодействие и локализация деформации), которая регулирует эти свойства, привлекла гораздо меньше внимания со стороны инженеров и исследователей. Одной из причин этого является отсутствие эффективных экспериментальных методов для изучения механического поведения почв в масштабах зерна.
До сих пор большинство понимания зернового механического поведения гранулированных почв приходилось на дискретные элементы моделирования1 (DEM), из-за его способности извлекать информацию о масштабах частиц (например, кинематики частиц и контакта с частицами сил). В более ранних исследованиях использования методов DEM для моделирования механического поведения гранулированной почвы каждая отдельная частица была просто представлена одним кругом или сферой в модели. Использование таких чрезмерно упрощенных форм частиц привело к чрезмерному вращению частиц и тем самым более низкому пиковому поведению силы2. Для достижения лучшей производительности моделирования, многие исследователи использовали модель сопротивления качению3,4,5,6 или нерегулярные формы частиц7,8, 9,10,11,12 в своих dem моделирования. В результате было приобретено более реалистичное понимание кинематической поведения частиц. Помимо кинематики частиц, ЦМР все чаще используется для исследования взаимодействия контакта зерна и разработки теоретических моделей. Однако из-за необходимости воспроизвести реальные формы частиц и использование сложных контактных моделей, DEM требует чрезвычайно высоких вычислительных возможностей в моделировании гранулированных почв с нерегулярными формами.
В последнее время разработка оптического оборудования и методов визуализации (например, микроскоп, лазерная томография, рентгеновская компьютерная томография (КТ) и рентгеновская микротомография (КТ) предоставила множество возможностей для экспериментального изучения зерно-масштабное механическое поведение гранулированных почв. Через приобретение и анализ изображений образца почвы до и после трехосных испытаний, такое оборудование и методы были использованы в исследовании почвы микроструктур13,14,15,16 ,17,18,19. В последнее время, на месте тесты с рентгеновского КТ или ККТ все чаще используются для исследования эволюции пустоты соотношение20, распределениештамма 21,22,23,24, движение частиц25,26,27,28, межчастицный контакт29,30,31 и частицы дробления32 из гранулированных почв. Здесь "на месте" подразумеваетрентгенозание, проводимое одновременно с погрузкой. В отличие от общего рентгеновского сканирования, на рентгеновском сканировании на месте для рентгеновского сканирования требуется специально изготовленный погрузочный аппарат для доставки стрессов в образцы почвы. При комбинированном использовании погрузочного аппарата и рентгеновского КТ или ККТ-устройства КТ изображения образцов на различных стадиях погрузки тестов могут быть приобретены неразрушаю, а изображения образцов на различных стадиях погрузки. На основе этих КТ-изображений можно приобрести наблюдения за гранулированным поведением почвы в масштабах частиц. Эти наблюдения на основе КТ на основе частиц чрезвычайно полезны для проверки численных выводов и получения новых сведений о механическом поведении гранулированных почв в масштабе зерна.
Эта статья направлена на обмен подробной информацией о том, как рентген в situ сканирование испытания образца почвы может быть проведена, используя примерный эксперимент, который наблюдает сянематические частицы, локализации деформации и межчастицы контактэволюции в образце почвы. Результаты показывают, что рентгеновские снимки в тестах на situ situ имеют большой потенциал для изучения поведения гранулированных почв на уровне зерна. Протокол охватывает выбор рентгеновского аппарата и подготовку миниатюрного трехосного погрузочного аппарата, а также подробные процедуры для проведения испытания. Кроме того, технические шаги по использованию обработки изображений и анализа для количественной оценки кинематики частиц (т.е. перевода частиц и вращения частиц), локализации деформации и эволюции межчастицного контакта (т.е. контакта, потери контакта и контактное движение) почвы описаны.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Проектирование эксперимента заблаговременно
- Определите испытательный материал, размер частиц, размер образца и начальную пористость образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Leighton Buzzard песок с диаметром 0,15 -0,30 мм и размером образца 8 х 16 мм (Диаметр х высота) используется в качестве примера, чтобы продемонстрировать протокол этого исследования. Другие пески, такие как фуцзянь песок, Хьюстон песок, Песок Оттава и Кайкос ooids и т.д., и аналогичные размеры выборки также могут быть использованы. - Выберите подходящий детектор(рисунок 1А) в соответствии с требуемым пространственным разрешением и областью сканирования, которые определяются в соответствии с заранее определенным размером частицы и размером выборки. Например, в этом исследовании используется детектор с пространственным разрешением 6,5 мкм. Он имеет эффективную область сканирования 2048 х 860 пикселей (т.е. 13,3 и 5,6 мм).
ПРИМЕЧАНИЕ: Во время трехосного сжатия тест, деформированный образец должен оставаться в области сканирования детектора. Детектор высокого пространственного разрешения должен использоваться таким образом, чтобы отдельные частицы содержали достаточное количество вокселей для надлежащей извлечения свойств частиц. - Определите необходимую энергию рентгеновского источника(рисунок 1А)и время экспозиции в соответствии с испытательным материалом и размером выборки. Как правило, более высокая энергия должна использоваться для большего образца, состоящего из более плотного материала. Используйте рентгеновскую энергию 25 кэВ и время воздействия 0,05 с для образцов песка в этом исследовании.
ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимая рентгеновская энергия и время экспозиции могут быть определены методом проб и ошибок с помощью отсканированной проекции образца. Соотношение минимальной интенсивности серой шкалы проекции к ее максимальному значению не должно быть ниже 0,2. В противном случае следует использовать более высокую рентгеновскую энергию или более длительное время экспозиции. - Определите требуемую скорость вращения (градус ы в секунду) для этапа вращения(рисунок 1A) рентгеновского устройства. Скорость вращения рассчитывается в соответствии с требуемым количеством проекций N (например, N - 1080) для реконструкции КТ-ломтика.
ПРИМЕЧАНИЕ: 180 Вс/Н. Здесь Vs — это скорость сканирования рентгеновского аппарата, т.е. количество сканированных и записанных радиографов в секунду. Vs в основном зависит от производительности детектора и оборудования, связанного с детектором, таких как компьютер. - Изготовить трехосный погрузочный аппарат(рисунки 1B,C, см. также ссылку 33), который будет использоваться в сочетании с рентгеновским устройством. Аппарат должен иметь те же основные функции, что и обычный трехосный компрессионный аппарат. При проектировании следует учитывать требования размера выборки, диапазон ограничивающих напряжений и коэффициентов загрузки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Аппарат должен быть в состоянии вписаться в рентгеновское устройство и быть легким, чтобы облегчить его вращение с помощью стадии вращения. Триосиальная клетка должна быть прозрачной для рентгеновских лучей. Учитывая требование прозрачности, акрил и поликарбонат могут быть использованы для изготовления триосовой клетки. - Провести тест с тем же ограничивающим давлением, скоростью загрузки и свойствами образца (т.е. материал, размер образца и начальную пористость) вне рентгеновского кТ-сканера, чтобы спланировать, когда приостановить загрузку для КТ.
2. Проведение в situ триосиального сжатия тестирования
- Поместите трехосовое погрузочное оборудование и испытательный материал на месте.
ПРИМЕЧАНИЕ: Погрузочный аппарат и ограничивающее давление, предлагающее устройство (см. Таблица Материалов),размещаются в комнате рентгеновской кТ-сканирования, в то время как устройства для сбора данных и управления находятся снаружи. Триаксиальная погрузка и КТ-сканирование образца затем прооперированы за пределами сканирующего помещения. - Зафиксировать подъемную стадию на доске рентгеновского микрокт-устройства(рисунок 1B). Зафиксировать наклонную сцену на стадии подъема и этап вращения на стадии наклона, соответственно(рисунок 1B).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этап подъема и наклонная ступень должны иметь достаточную грузоподъемность для перемещения соответствующего оборудования, размещенного на них. - Отрегулируйте положение и ориентацию стадии вращения через этап наклона таким образом, чтобы любой отдельный рентгеновский снимок проходил через те же точки в образце, когда он вращается через 180 градусов вокруг оси стадии вращения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги от 2.2 до 2.3 применимы к рентгеновскому микроКТ-устройству в Шанхайском синхротронном радиационном центре (SSRF). Для рентгеновских микро-КТ устройств, специально используемых для в situ триосиального тестирования, эти шаги могут быть опущены после тщательного позиционирования и фиксации стадии вращения. - Подготовка образца почвы на доске в соответствии со следующими процедурами.
- Добавьте небольшое количество силиконовой смазки вокруг боковой поверхности верхнего конца базовой пластины и поместите пористую поверхность камня. Положите мембрану вокруг боковой поверхности верхнего конца(рисунок 2A).
- Добавьте небольшое количество силиконовой смазки на контактные поверхности между двумя частями образца и зафиксируйте его. Поместите образец maker на базовой пластине и позволить мембране пройти через него(Рисунок 2B).
- Создание всасывания (например, 25 кПа) внутри образца производителя через его сопло с помощью вакуумного насоса. Закрепите мембрану на боковой поверхности ее верхнего конца. Убедитесь, что мембрана прикреплена к внутренней поверхности образца производителя(рисунок 2C).
- Бросьте тестовый гранулированный материал с определенной высоты в образец с помощью воронки, пока он не будет полностью заполнен. Верхняя поверхность образца почвы должна быть на том же уровне, что и верхний край образца(рисунок 2D).
- Поместите другой пористый камень на верхней части образца почвы, и нержавеющей стали подушки пластины на верхней части пористого камня. Нанесите немного силиконовой смазки вокруг боковой поверхности пластины подушки. Удалите верхнюю сторону мембраны из образца производителя и зафиксировать его на пластину подушки(Рисунок 2E).
- Удалите всасывание внутри сопла создателя образца и создайте всасывание внутри клапана на базовой пластине. Наконец, удалите образец Maker. Миниатюрный сухой образец производится, как видно на рисунке 2F.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг демонстрирует процедуру производства миниатюрного образца почвы с использованием метода флувиации воздуха. Традиционный метод сухого уплотнения также может быть использован для получения образца.
- Зафиксировать ограничивающую ячейку на базовой пластине и зафиксировать верхнюю пластину камеры в верхней части ограничивающей ячейки(рисунок 1C).
- Зафиксировать поршневый вал ячейки на верхней пластине камеры(рисунок 1С).
- Расположите базовую пластину вместе с ограничивающей ячейкой и камерной верхней пластиной на этапе вращения. Рама используется для регулировки высоты образца для КТ сканирования(рисунок 1B).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот кадр используется из-за ограниченного диапазона движения подъемной ступени на SSRF. Нет необходимости использовать раму, если используется подъемная ступень с большим диапазоном движения. - Прикрепите остальную часть погрузочного аппарата на верхней пластине камеры.
- Установите линейный переменный дифференциальный трансформатор (LVDT), загрузите ячейку и ступенчатый двигатель и активируйте их(рисунок 1C).
- Заполните ячейку с де-воздух воды через клапан давления ячейки (CP) (см. Рисунок 1C) с помощью воды, поставляемой из ограничивающего давления предлагая устройство (см. Таблица материалов). Закройте клапан выхода из воды (см. рисунок 1C),когда вода начнет вытекать из клапана.
ПРИМЕЧАНИЕ: Установите ограничивающее давление, предлагая устройство в режим постоянного давления с очень низким постоянным значением давления (например, 10 кПа). - Добавьте в образец постоянное давление 25 кПа и удалите всасывание внутри образца.
- Постепенно увеличивайте давление ограничения до заранее определенного значения с помощью ограничивающего устройства предложения давления.
- Провести первое сканирование образца. Для томографа с высоким разрешением (например, размером с пиксель 6,5 мкм) полное сканирование образца (например, высотой 16 мм) обычно требует сканирования образца на нескольких различных высотах (т.е. сканирование делится на несколько секций).
ПРИМЕЧАНИЕ: Если используется детектор с низким пространственным разрешением и небольшой образец размера, область сканирования может быть достаточной для получения полного поля сканирования образца с помощью одного раздела.- Сканирование раздела образца. Установите компьютерный томограф в режим захвата изображения, а затем запустите этап вращения, чтобы повернуть весь аппарат на 180 градусов при заранее определенной скорости вращения (например, 3,33 градуса/с) для захвата КТ-проекций образца под разными углами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предполагается, что образец сканируется с низа вверх (т.е. первый раздел содержит все частицы, расположенные в нижней части образца). - Выключите режим захвата изображения после завершения вращения. Поверните аппарат обратно в исходное положение.
- Поднимите образец вместе со всем аппаратом с помощью подъемной стадии(рисунок 1В)определенной высотой (например, 4 мм) для сканирования следующего участка образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Подъем должен гарантировать, что между текущим и последним разделом существует перекрытие (т.е. существует перекрытие между любыми двумя последовательными секциями). Перекрытие должно быть не менее 10 пикселей, чтобы облегчить их сшивание. - Повторите шаги 2.13.1-2.13.3 до последнего раздела образца сканируется.
- Сканирование раздела образца. Установите компьютерный томограф в режим захвата изображения, а затем запустите этап вращения, чтобы повернуть весь аппарат на 180 градусов при заранее определенной скорости вращения (например, 3,33 градуса/с) для захвата КТ-проекций образца под разными углами.
- Нанесите осевую нагрузку на образец с постоянной скоростью загрузки. Здесь в этом исследовании используется коэффициент загрузки 0,2%/мин. Пользователи могут устанавливать различную скорость загрузки в соответствии с требованиями эксперимента.
- Приостановите осевую нагрузку при заранее определенном осевом напряжении. Подождите, пока измеренная ось сила достигнет устойчивого значения (как правило, в течение 2 минут) и провести следующее сканирование. Процедуры сканирования такие же, как показано в шаге 2.13.
- Повторите шаги 2.14 и 2.15 до конца загрузки.
- Выгрузите тест и удалите образец из трехосного аппарата.
- Установите базовую пластину и ограничивающую ячейку на стадии вращения, чтобы приобрести несколько плоских проекций (как правило, 10 проекций) от детектора. Выключите рентгеновский источник, чтобы получить такое же количество темных проекций от детектора.
ПРИМЕЧАНИЕ: Плоские и темные проекции используются для фазового поиска необработанных КТ-проекций. Реализация плоской и темной коррекции усиливает контраст между образцом и окружающим фоном в реконструированных срезах КТ. Это также помогает облегчить кольцо артефактов в результате дефектных пикселей детектора.
3. Обработка и анализ изображений
- Обработка изображений
- Реализация фазы поиска(рисунок 3B) необработанных КТ-проекций(рисунок 3A) образца с использованием свободного программного обеспечения PITRE34. Проекции нагрузки (включая плоские и темные проекции) в PITRE из изображения загрузкименю. Нажмите на значок PPCI. Введите соответствующие параметры сканирования и нажмите Single для реализации фазового поиска.
ПРИМЕЧАНИЕ: Реализация фазового поиска обеспечивает улучшение интерфейсов между различными фазами (т.е. фазы пустоты и твердой фазы) в реконструированных срезах КТ, что имеет важное значение для последующего анализа изображений межчастицы контактов. - Реконструкция КТ фрагментов образца с использованием PITRE на основе кТ-проекций после фазы поиска(рисунок 3C). Загрузите проекции в PITRE из изображения загрузкименю. Нажмите на значок ProjSino. Введите соответствующие параметры в появившемся окне и нажмите Single, чтобы реконструировать срез КТ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Проверьте горизонтальные ломтики, чтобы убедиться, что нет тяжелых лучей затвердевания артефактов или кольца артефактов. В противном случае требуется изменение текущих параметров сканирования и повторное сканирование образца. Проверьте вертикальные ломтики. Если образец сильно наклонен до сдвига, тест считается неудачным. - Реализация фильтрации изображений на срезах КТ. Для фильтрации изображений используется анисотропный диффузионный фильтр(рисунок 3D).
- Выполните бинаризацию изображений на отфильтрованных срезах КТ. Реализация бинареизации изображения(рисунок 3E) путем применения порога значения интенсивности к срезам КТ, который определяется в соответствии с интенсивностью гистограммы срезов КТ с помощью метода Otsu35.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для КТ ломтики с серой интенсивности гистограммы интенсивность выставке значительное перекрытие интенсивности между твердой фазы и фазы пустоты, проверка бинаризации изображения требуется с использованием массы твердой фазы36. - Отделить отдельные частицы от бинарализированных срезов КТ с помощью алгоритма водораздела на основе маркера и хранить результаты в 3D-изображении(рисунок 3F). Проверка результатов путем сравнения распределения размера вычисленных частиц от КТ-изображения с результатами механического теста сито.
ПРИМЕЧАНИЕ: Модуль Отдельные объекты программного обеспечения Avizo Fire могут быть использованы для реализации этого алгоритма. Удалите пористые камни из бинаризированных ломтиков КТ с помощью модуля Border Kill of Avizo Fire. Чтобы получить надежные результаты разделения частиц, читателям предлагается попробовать различные алгоритмы сегментации частиц37,38,39.
- Реализация фазы поиска(рисунок 3B) необработанных КТ-проекций(рисунок 3A) образца с использованием свободного программного обеспечения PITRE34. Проекции нагрузки (включая плоские и темные проекции) в PITRE из изображения загрузкименю. Нажмите на значок PPCI. Введите соответствующие параметры сканирования и нажмите Single для реализации фазового поиска.
- Анализ изображений
- Извлеките свойства частиц из маркированного изображения. Скрипт MATLAB используется для извлечения свойств частиц, включая объем частиц, площадь поверхности частиц, ориентацию частиц и координаты центроидов частиц.
ПРИМЕЧАНИЕ: Внутренние функции MATLAB regionprops, bwprim и pca используются для приобретения этих свойств каждой частицы. Более подробное описание этих процедур можно найти в работе Чэн и Ван28. - Извлеките контактные воксели из binarized срезов КТ путем реализации логической операции И между двоичным изображением срезов КТ(рисунок 4) и бинарным изображением водораздельных линий, полученных в результате реализации маркера на основе алгоритм водораздела31.
ПРИМЕЧАНИЕ: Чрезмерное обнаружение контактных вокселей может произойти из-за эффекта частичного объема и случайного шума КТ изображений40,41. Однако, небольшое чрезмерное обнаружение межчастицных контактов не окажет существенного влияния на общую тенденцию межчастицного контактного поведения эволюции42.
- Извлеките свойства частиц из маркированного изображения. Скрипт MATLAB используется для извлечения свойств частиц, включая объем частиц, площадь поверхности частиц, ориентацию частиц и координаты центроидов частиц.
4. КТ-изображение на основе исследования зернового масштаба механического поведения почв
ПРИМЕЧАНИЕ: Следующий анализ на основе изображений не применим к идеалистически сферическим частицам или образцам с очень узкими диапазонами сортировки (т.е. к образу образцам монодисперсов). Однако для частиц с высокой округлостью и плохой сортировкой (например, 0,3-0,6 мм стеклянные бусы), методология дает хорошие результаты (см. Чэн и Ван31).
- Количественная кинематика частиц образца. Используйте метод отслеживания частиц для отслеживания отдельных частиц в образце при различных сканах на основе объема частиц или области поверхности частицы. Подробное описание этого метода дается в Чэн и Ван28.
- Рассчитайте перевод каждой частицы во время любых двух последовательных сканирований. Он рассчитывается как разница в частицах центроидных координат между двумя сканами.
- Определите угол вращения каждой частицы в соответствии с разницей в ее основных ориентациях оси между двумя сканами.
- Количественная оценка поля деформации образца. Используйте метод на основе сетки для расчета поля напряжения во время любых двух последовательных сканирований на основе перевода частиц и вращения частиц.
ПРИМЕЧАНИЕ: Метод требует помеченных изображений образца как с точки зрения сканирования, так и результатов кинематики частиц. Читатели ссылаются на предыдущую работу24 для подробного описания. - Проанализируйте эволюцию межчастицного контакта образца. На основе извлеченных контактных вокселей, помеченных изображений частиц и результатов отслеживания частиц, анализировать векторовую ориентацию потерянных контактов и полученные контакты в образце во время каждого приращения сдвига.
ПРИМЕЧАНИЕ: Полное описание этого метода дается в Чэн и Ван31.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 5 изображены результаты кинематики частиц из образца песка Лейтона Баззарда (LBS) на 2D-ломтике в течение двух типичных сдвига, I и II. Большинство частиц успешно отслеживаются, а их переводы и вращения количественно осваиваются в соответствии с вышеуказанным протоколом. Во время первого приращения сдвига ни смещения частиц, ни вращения частиц не показывают четкой локализации. Однако локализованная полоса разрабатывается как на карте смещения частиц, так и на карте вращения частиц во время второго приращения сдвига. На рисунке 6 показаны карты восьмигранного и объемного штамма образца во время двух сдвига. Четкая зона локализации наблюдается на картах деформации при втором сдвигах, демонстрируя способность метода визуализировать отказ песка при трехосовом стрижке. На рисунке 7 изображена нормализованная частота ориентации векторов ветви полученных контактов и потерянных контактов в образце во время двух сдвига. Потерянные контакты демонстрируют четкое направленное предпочтение второстепенному основному направлению стресса (т.е. горизонтальное направление) во время обоих сдвига.
Рисунок 1: Рентгеновская микро-кТ установка и триосиальной загрузки устройства. (A) Трехосный аппарат, используемый в сочетании с рентгеновской микро-КТ установки. (B) Увеличенный вид установки триосиального аппарата во время трехосного тестирования. (C) Триаксиальный аппарат под другим углом. Эта цифра была изменена из Чэн и Ван28. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Процесс создания образца. ()Установка пористого камня и мембраны на базовой пластине, (B) Установка образца Maker, (C) создание всасывания внутри образца Maker, (D) снижается частиц песка в образец Maker, (E) установка другого пористого камня и пластины подушки на верхней части образца песка, и (F) удаление образца из базовой пластины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Обработка изображений КТ. (A) Сырая КТ-проекция, (B) КТ-проекция после фазы поиска, (C) реконструированный горизонтальный срез КТ, (D) КТ ломтик после фильтрации изображения, (E) КТ ломтик после бинаризации изображения, и (F) Нарезка КТ после разделения частиц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Иллюстрация извлечения межчастицных контактов LBS в 2D-ломтиках. (A) Реализация логической операции И между двоичным изображением среза КТ и двоичным изображением водораздельных линий, и (B) типичный контакт двух частиц LBS в 3D пространстве (частицы показаны в зеленом и синем и контакте показано красным цветом). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Типичные результаты кинематики частиц образца LBS в течение двух сдвига шагом. (A) Кривая напряжения-напряжения образца под триосиальным сжатием, (B)смещения частиц и вращения частиц образца во время приращения сдвига I, и (C) смещения частиц и вращения частиц образца во время сдвига приращения II. Эта цифра была изменена из Чэн и Ван24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: Типичные поля деформации LBS во время двух сдвига шагом.
(A) Octahedral сдвига деформации и объемного штамма образца во время сдвига приращения I. (B) Octahedral сдвига деформации и объемного штамма образца во время сдвига приращения II. Эта цифра была изменена из Чэн и Ван24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7: Типичные результаты эволюции межчастиц контакта LBS в течение двух сдвига шагом. ()Нормализация частоты ориентации векторов ветви полученных контактов и потерянных контактов LBS во время приращения сдвига I. (B) Нормализация частоты ориентации векторов ветви полученных контактов и потерянных контактов LBS во время сдвига приращения II. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Рентгеновское микро-КТ с высоким пространственным разрешением и передовые методы обработки и анализа изображений позволили экспериментально еждничать механическое поведение гранулированных почв под сдвигами на многомасштабных уровнях (т.е. на макро-масштабе, мезо-масштабе и уровня хлещет). Тем не менее, КТ-изображения на основе мезо- и зерна масштаба исследований требуют получения высокого пространственного разрешения КТ изображения образцов почвы во время погрузки. Наиболее сложным аспектом этого процесса является, пожалуй, изготовление миниатюрного трехосного погрузочного аппарата, который может быть использован в сочетании с рентгеновским микро-КТ-устройством. Следует в целом учитывать необходимый размер выборки, нагрузку и скорость, в дополнение к ограничениям рентгеновских микроКТ-устройств, таких как пространственное разрешение, область сканирования и грузоподъемность стадии вращения.
Определение оптимальной рентгеновской энергии и времени экспозиции может занять много времени, но имеет решающее значение для приобретения высококачественных КТ-изображений. Рекомендуется, чтобы пользователи попробовали различные энергии и время экспозиции во время их первого сканирования и определить соответствующую энергию и время воздействия в зависимости от качества реконструированных ломтиков. Кроме того, образцы с различными первоначальными пористимогут могут быть произведены во время подготовки образца путем падения частиц песка в форму образца с разной высоты. Однако из-за небольшого размера выборки произвести образец с определенной первоначальной пористостью сложнее по сравнению с обычными трехосными тестами. Для получения образца с начальной пористостью, близкой к определенному значению для трехосного тестирования с помощью КТ, пользователям рекомендуется заранее практиковать пробы.
По сравнению с обычными трехосиальными испытаниями, миниатюра на месте триосиального тестирования имеет то преимущество, что она может исследовать зерновой механический ход гранулированных почв, включая зерновой кинематику, локализацию деформации и межчастицный контакт взаимодействия и т.д. В настоящее время популярным альтернативным методом для исследования зернового механического поведения гранулированных почв является DEM. Хотя этот метод позволяет моделирование песчаного механического поведения в сложных условиях загрузки, формы зерна и контактные модели, как правило, чрезмерно упрощены для достижения высокой вычислительной эффективности в большинстве исследований DEM. В этой ситуации информация по зерну, полученная из реального песка с помощью этого протокола, необходима для улучшения проверки моделей DEM на многомасштабных уровнях. Еще одним преимуществом введенного метода расчета штамма на основе КТ является включение вращения частиц в расчет штамма. Метод расчета штамма был показан для получения более надежных результатов деформации, чем метод сет-базы без учета последствий вращения частиц24.
Даже с его многочисленными преимуществами, использование рентгеновского микро КТ для изучения межчастицконтактной эволюции гранулированных почв может страдать от чрезмерного обнаружения межчастицных контактов. Точность результатов обнаружения между частиц сильно зависит от пространственного разрешения рентгеновского микро-КТ. Это связано с эффектом частичного объема рентгеновского микро-КТ, в котором две изолированные частицы, имеющие расстояние меньше, чем размер вокселя, могут быть определены как две контактные частицы. К счастью, общая тенденция эволюции межчастицного контакта в гранулированных почвах оказалась не затронутой чрезмерной обнаружением межчастицных контактов. Между тем, неспособность извлечь межчастицы контактных сил в гранулированных почвах является еще одним недостатком рентгеновского микро-КТ по сравнению с DEM исследований43,44,45,46,47 и фото-упругие исследования48,49. Кроме того, из-за вышеупомянутого КТ-изображения на основе зерна исследования, необходимого для правильной идентификации и извлечения отдельных частиц из КТ изображений, применение этого метода к почвам с весьма нерегулярными формами частиц или высоко дробленые почвы, содержащие нерегулярные внутричастицы пустоты является очень сложной задачей.
В будущем, на месте триосиального тестирования предоставления обширных данных о форме зерна и зерновой кинематики будет способствовать включению реальных форм частиц в DEM моделирования. Впоследствии моделирование DEM на основе КТ позволит лучше понять механическое поведение гранулированных почв в масштабах зерна. Между тем, учитывая возможность извлечения межчастицы контактных сил50, сочетание рентгеновской дифракции с рентгеновского микро-КТ для in situ триосиального тестирования будет полезно для извлечения полной зерновой информации (т.е. как зерна кинематики и зерновых контактных сил) из гранулированных почв под стрижкой.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Генеральным исследовательским фондом No. CityU 11213517 от Научно-исследовательского гранта Совета САР Гонконга, научно-исследовательский грант No 51779213 от Национального научного фонда Китая, и BL13W луч Шанхай синхротронного радиационного фонда (SSRF).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Confining pressure offering device | GDS | STDDPC | |
| De-aired water | N/A | N/A | Water de-aired in the lab |
| Leighton Buzzard sand | Artificial Grass Cambridge | Drained Industrial Sand 25 kg | Can be replaced with different soils |
| Miniature triaxial loading device | N/A | N/A | The miniature loading device is specially fabricated by the authors |
| Silicon grease | RS company | RS 494-124 | |
| Synchrotron radiation X-ray micro CT setup | Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF) | 13W1 | The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF |
| Vacuum pump | Hong Kong Labware Co., ltd. | Rocker 300 |
References
- Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
- Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
- Iwashita, K., Oda, M. Rolling resistance at contacts in simulation of shear band development by DEM. Journal of Engineering Mechanics. 124 (3), 285-292 (1998).
- Jiang, M. J., Yu, H. S., Harris, D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistance. Computers and Geotechnics. 32 (5), 340-357 (2005).
- Ai, J., Chen, J. F., Rotter, J. M., Ooi, J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations. Powder Technology. 206 (3), 269-282 (2011).
- Zhou, B., Huang, R., Wang, H., Wang, J. DEM investigation of particle anti-rotation effects on the micromechanical response of granular materials. Granular Matter. 15 (3), 315-326 (2013).
- Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
- Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
- Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
- Wiącek, J., Molenda, M., Horabik, J., Ooi, J. Y. Influence of grain shape and intergranular friction on material behavior in uniaxial compression: Experimental and DEM modeling. Powder Technology. , 435-442 (2012).
- Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
- Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
- Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
- Konagai, K., Tamura, C., Rangelow, P., Matsushima, T. Laser-aided tomography: a tool for visualization of changes in the fabric of granular assemblage. Structural Engineering/Earthquake Engineering. 9 (3), 193-201 (1992).
- Johns, R. A., Steude, J. S., Castanier, L. M., Roberts, P. V. Nondestructive measurements of fracture aperture in crystalline rock cores using X ray computed tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 98 (2), 1889-1900 (1993).
- Ohtani, T., Nakano, T., Nakashima, Y., Muraoka, H. Three-dimensional shape analysis of miarolitic cavities and enclaves in the Kakkonda granite by X-ray computed tomography. Journal of Structural Geology. 23 (11), 1741-1751 (2001).
- Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
- Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using directional parameters. Géotechnique. 63 (6), 487-499 (2013).
- Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using scalar parameters. Géotechnique. 63 (10), 818-829 (2013).
- Desrues, J., Chambon, R., Mokni, M., Mazerolle, F. Void ratio evolution inside shear bands in triaxial sand specimens studied by computed tomography. Géotechnique. 46 (3), 529-546 (1996).
- Lenoir, N., Bornert, M., Desrues, J., Bésuelle, P., Viggiani, G. Volumetric digital image correlation applied to X-ray microtomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock. Strain. 43 (3), 193-205 (2007).
- Higo, Y., Oka, F., Sato, T., Matsushima, Y., Kimoto, S. Investigation of localized deformation in partially saturated sand under triaxial compression using microfocus X-ray CT with digital image correlation. Soils and Foundations. 53 (2), 181-198 (2013).
- Alikarami, R., Andò, E., Gkiousas-Kapnisis, M., Torabi, A., Viggiani, G. Strain localisation and grain breakage in sand under shearing at high mean stress: insights from in situ X-ray tomography. Acta Geotechnica. 10 (1), 15-30 (2015).
- Cheng, Z., Wang, J. Quantification of the strain field of sands based on X-ray micro-tomography: A comparison between a grid-based method and a mesh-based method. Powder Technology. , 314-334 (2019).
- Hall, S. A., Bornert, M., Desrues, J., Pannier, Y., Lenoir, N., Viggiani, G., Bésuelle, P. Discrete and continuum analysis of localised deformation in sand using X-ray μCT and volumetric digital image correlation. Géotechnique. 60 (5), 315-322 (2010).
- Andò, E., Hall, S. A., Viggiani, G., Desrues, J., Bésuelle, P. Grain-scale experimental investigation of localised deformation in sand: a discrete particle tracking approach. Acta Geotechnica. 7 (1), 1-13 (2012).
- Watanabe, Y., Lenoir, N., Otani, J., Nakai, T. Displacement in sand under triaxial compression by tracking soil particles on X-ray CT data. Soils and Foundations. 52 (2), 312-320 (2012).
- Cheng, Z., Wang, J. A particle-tracking method for experimental investigation of kinematics of sand particles under triaxial compression. Powder Technology. 328, 436-451 (2018).
- Matsushima, T., Katagiri, J., Uesugi, K., Nakano, T., Tsuchiyama, A. Micro X-ray CT at Spring-8 for granular mechanics. Soil Stress-Strain Behavior: Measurement, Modeling and Analysis. A Collection of Papers of the Geotechnical Symposium in Rome. 146, 225-234 (2006).
- Andò, E., Viggiani, G., Hall, S. A., Desrues, J. Experimental micro-mechanics of granular media studied by X-ray tomography: recent results and challenges. Géotechnique Letters. 3, July-September 142-146 (2013).
- Cheng, Z., Wang, J. Experimental investigation of inter-particle contact evolution of sheared granular materials using X-ray micro-tomography. Soils and Foundations. 58 (6), 1492-1510 (2018).
- Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Ooi, J. Y., Viggiani, G. Evolution of deformation and breakage in sand studied using X-ray tomography. Géotechnique. , 1-11 (2017).
- Cheng, Z., Wang, J. F., Coop, M. R., Ye, G. L. A miniature triaxial apparatus for investigating the micromechanics of granular soils with in-situ X-ray micro-tomography scanning. Frontiers of Structural and Civil Engineering. , (2019).
- Chen, R. C., Dreossi, D., Mancini, L., Menk, R., Rigon, L., Xiao, T. Q., Longo, R. PITRE: software for phase-sensitive X-ray image processing and tomography reconstruction. Journal of Synchrotron Radiation. 19 (5), 836-845 (2012).
- Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
- Karatza, Z. Study of temporal and spatial evolution of deformation and breakage of dry granular materials using X-ray computed tomography and the discrete element method. , University of Edinburgh. PhD Thesis (2017).
- Shi, Y., Yan, W. M. Segmentation of irregular porous particles of various sizes from X-ray microfocus computer tomography images using a novel adaptive watershed approach. Géotechnique Letters. 5 (4), 299-305 (2015).
- Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
- Lai, Z., Chen, Q. Reconstructing granular particles from X-ray computed tomography using the TWS machine learning tool and the level set method. Acta Geotechnica. 14 (1), 1-18 (2019).
- Wiebicke, M., Andò, E., Herle, I., Viggiani, G. On the metrology of interparticle contacts in sand from x-ray tomography images. Measurement Science and Technology. 28 (12), 1-14 (2017).
- Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Viggiani, G., Ooi, J. Y. Effect of particle morphology and contacts on particle breakage in a granular assembly studied using X-ray tomography. Granular Matter. 21 (3), 1-13 (2019).
- Cheng, Z. Investigation of the grain-scale mechanical behavior of granular soils under shear using X-ray micro-tomography. , City University of Hong Kong. PhD Thesis (2018).
- Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
- Kruyt, N. P., Rothenburg, L. Probability density functions of contact forces for cohesionless frictional granular materials. International Journal of Solids and Structures. 39 (3), 571-583 (2002).
- Marketos, G., Bolton, M. D. Quantifying the extent of crushing in granular materials: a probability-based predictive method. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 55 (10), 2142-2156 (2007).
- Cheng, Z., Wang, J. Quantification of particle crushing in consideration of grading evolution of granular soils in biaxial shearing: A probability-based model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 42 (3), 488-515 (2018).
- Zhou, B., Wang, J., Wang, H. A new probabilistic approach for predicting particle crushing in one-dimensional compression of granular soil. Soils and Foundations. 54 (4), 833-844 (2014).
- Geng, J., Reydellet, G., Clément, E., Behringer, R. P. Green's function measurements of force transmission in 2D granular materials. Physica D: Nonlinear Phenomena. 182, 274-303 (2003).
- Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
- Hurley, R. C., Hall, S. A., Andrade, J. E., Wright, J. Quantifying interparticle forces and heterogeneity in 3D granular materials. Physical Review Letters. 117 (9), 098005 (2016).
