Visualisering av misslyckande och tillhörande korn skala mekaniskt beteende av granulat jordar under skjuvning med Synchrotron röntgen-mikrotomografi
Summary
Protokollet beskriver förfaranden för att förvärva hög-rumslig upplösning datortomografi (CT) bilder av en granulärt jord under triaxiella kompression, och att tillämpa bildbehandling tekniker för att dessa CT bilder att utforska korn-skalan mekaniska beteende marken under lastning.
Abstract
Den snabba utvecklingen av röntgenbild teknik med bildbehandling och analys färdigheter har möjliggjort förvärvet av CT-bilder av granulat jordar med hög-rumslig resolutioner. Baserat på sådana CT-bilder, korn-skala mekaniska beteende såsom partikel kinematik (dvs. partikel översättningar och partikel rotationer), stam lokalisering och Inter-Particle kontakt evolution av granulat jordar kan kvantitativt undersökas. Emellertid, detta är oåtkomlig med konventionella experimentella metoder. Denna studie visar utforskning av korn skala mekaniska beteendet hos ett granulat jordprov under triaxiella kompression med synkrotron röntgen-mikrotomografi (μct). Med denna metod används en specialtillverkad miniatyr lastnings apparat för att tillämpa begränsande och axiella påfrestningar på provet under det triaxiella provet. Apparaten är monterad i en synkrotron röntgen tomografi inställning så att hög-rumslig upplösning CT-bilder av provet kan samlas in vid olika lastning stadier av provet utan några störningar i provet. Med förmågan att utvinna information på makro skalan (t. ex. gräns spänningar och stammar från triaxialapparaturen) och korn skalan (t. ex. korn rörelser och kontaktinteraktioner från CT-bilderna) ger detta förfarande en effektiv metodik för att undersöka flerskalig mekanik av granulat jord.
Introduction
Det är allmänt erkänt att den makroomfattande mekaniska egenskaper granulärt jord, såsom stelhet, skjuvning styrka och permeabilitet, är kritiska för många geotekniska strukturer, till exempel, stiftelser, sluttningar och rock-Fill dammar. Under många år har tester på plats och konventionella laboratorietester (t. ex. endimensionella kompressionsprov, triaxiella kompressionsprov och permeabilitetstester) använts för att utvärdera dessa egenskaper i olika jordar. Koder och standarder för provning av jord mekaniska egenskaper har också utvecklats för ingenjörs ändamål. Även om dessa mekaniska egenskaper i makroskala har studerats intensivt har det mekaniska beteendet i korn skala (t. ex. partikel kinematik, kontakt interaktion och stamlokalisering) som reglerar dessa egenskaper väckt mycket mindre uppmärksamhet från ingenjörer och forskare. En orsak är bristen på effektiva experimentella metoder för att utforska markens mekaniska beteende i korn skala.
Fram till nu, de flesta av förståelsen av korn-skalan mekaniska beteendet hos granulat jordar har kommit från diskret element modellering1 (dem), på grund av dess förmåga att extrahera partikel skala information (t. ex., partikel kinematik och partikel kontakt styrkor). I tidigare studier av att använda DEM tekniker för att modellera granulat jord mekaniska beteenden, var varje enskild partikel helt enkelt representeras av en enda cirkel eller sfär i modellen. Användningen av sådana över-förenklade partikel former har lett till över-rotation av partiklar och därmed en lägre topp styrka beteende2. För att uppnå en bättre modellering prestanda, har många utredare använt en rullande motståndmodell 3,4,5,6 eller oregelbundna partikelformer 7,8, 9,10,11,12 i sina dem-simuleringar. Som ett resultat har en mer realistisk förståelse av partikel kinematiska beteende förvärvats. Bortsett från partikel kinematik, har DEM blivit alltmer används för att undersöka spannmål kontakt interaktion och att utveckla teoretiska modeller. Men på grund av kravet att reproducera verkliga partikel former och användningen av sofistikerade kontakt modeller, kräver DEM extremt hög beräkningskapacitet i modellering av granulat jordar med oregelbundna former.
Nyligen har utvecklingen av optisk utrustning och avbildningstekniker (t. ex. Mikroskop, laserstödd tomografi, röntgen datortomografi (CT) och röntgen mikrotomografi (μCT)) gett många möjligheter till experimentell undersökning av korn-skala mekaniskt beteende av granulat jordar. Genom förvärv och analys av jordprov bilder före och efter triaxiella tester har sådan utrustning och teknik utnyttjats vid undersökning av jord mikrostrukturer13,14,15,16 ,17,18,19. Mer nyligen, in situ-tester med röntgen CT eller μct har alltmer använts för att undersöka utvecklingen av void förhållande20, stam fördelning21,22,23,24, partikelrörelse25,26,27,28, mellan partikel kontakt29,30,31 och partikel krossning32 av granulerade jordar. Här innebär “in situ” att röntgen skanning utförs vid samma tidpunkt som lastning. I motsats till generell röntgen skanning kräver in situ röntgenundersökningar en specialtillverkad lastnings apparat för att ge spänningar till jordprover. Med kombinerad användning av Laddningsapparater och röntgen CT-eller μCT-anordningar kan CT-bilder av proverna vid olika belastnings stadier av proven förvärvas icke-destruktivt. Baserat på dessa CT-bilder, kan partikel skala observationer av granulat jord beteende förvärvas. Dessa CT bild-baserade partikel-nivå observationer är mycket bra att kontrollera numeriska fynd och få nya insikter i korn-skalan mekaniska beteende granulat jordar.
Denna artikel syftar till att dela detaljerna om hur en röntgen-in situ scanning test av ett jordprov kan utföras, med hjälp av ett exemplariskt experiment som observerar partikel kinematik, stam lokalisering och Inter-partikel kontakt evolution inom ett jordprov. Resultaten visar att röntgen-in situ-scanning tester har en stor potential att utforska korn-nivå beteende granulärt jordar. Protokollet omfattar valet av X-ray μCT-anordning och beredning av en triaxialapparat för miniatyr, och detaljerade förfaranden för att utföra provningen tillhandahålls. Dessutom, de tekniska stegen för att använda bildbehandling och analys för att kvantifiera partikel kinematik (dvs partikel översättning och partikel rotation), stam lokalisering, och Inter-partikel kontakt evolution (dvs., kontakt förstärkning, kontakt förlust och kontakt rörelse) av smutsa beskrivas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hög rumslig upplösning röntgen-mikro-CT och avancerad bildbehandling och analystekniker har möjliggjort en experimentell undersökning av det mekaniska beteendet hos granulat jordar under skjuvning på flera skala nivåer (dvs, i makroskala, meso-skala och korn nivå). Dock kräver CT bildbaserade meso-och korn skala undersökningar förvärv av hög-rumslig upplösning CT-bilder av jordprover under lastning. Den mest utmanande aspekten av denna process är kanske tillverkningen av en miniatyr triaxiella lastning app…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av den allmänna forskningsfonden No. Cityu 11213517 från forskningsanslag rådet för Hong Kong SAR, forskningsstipendium nr 51779213 från National Science Foundation i Kina, och BL13W fd av Shanghai Synchrotron strålnings anläggning (ssrf).
Materials
| 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, 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. , (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. , (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).
