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 misslyckande och tillhörande korn skala mekaniskt beteende av granulat jordar under skjuvning med Synchrotron röntgen-mikrotomografi

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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. designa experimentet i god tid

  1. Bestäm testmaterial, partikelstorlek, provstorlek och prov initial porositet.
    Obs: Leighton Buzzard sand med en diameter på 0,15 ~ 0,30 mm och en provstorlek på 8 x 16 mm (diameter x höjd) används som ett exempel för att demonstrera protokollet av denna studie. Andra Sandar som Fujian sand, Houston sand, Ottawa sand och Caicos ooids, etc. och liknande provstorlekar kan också användas.
  2. Välj en lämplig detektor (figur 1A) enligt önskad rumslig upplösning och skanningsområde, som bestäms enligt förutbestämd partikelstorlek och urvalsstorlek. Till exempel används en detektor med en rumslig upplösning på 6,5 μm i denna studie. Den har en effektiv scanning område av 2048 x 860 pixlar (dvs., 13,3 × 5,6 mm).
    Anmärkning: under ett triaxiellt kompressions test ska det deformerade provet ligga kvar i detektorns skanningsområde. En hög rumslig upplösning detektor bör användas så att enskilda partiklar innehåller tillräckligt voxels för lämplig extraktion av partikel egenskaper.
  3. Bestäm den energi som krävs av röntgenkällan (figur 1A) och exponeringstiden enligt testmaterialet och provstorleken. Generellt bör en högre energi användas för ett större prov som består av ett tätare material. Använd en röntgen energi på 25 keV och en exponeringstid på 0,05 s för sand proven i denna studie.
    Obs: den erforderliga röntgen energin och exponeringstiden kan bestämmas genom trial and error med hjälp av en skannad projektion av provet. Förhållandet mellan den minsta gråskale intensiteten i projektionen till dess maximivärde bör inte vara lägre än 0,2. I annat fall bör en högre röntgen energi eller längre exponeringstid användas.
  4. Bestäm den erforderliga rotationshastigheten ω (grader per sekund) för rotations fasen (bild 1A) på röntgenapparaten. Rotationshastigheten ω beräknas enligt erforderligt antal projektioner N (t. ex. N = 1 080) för rekonstruktion av CT-skivor.
    Obs: ω = 180 Vs/n. Här är Vs skanningshastigheten på röntgenapparaten, dvs antalet röntgenbilder skannas och registreras per sekund. Vs påverkas främst av detektorns prestanda och den maskinvara som är förknippad med detektorn såsom datorn.
  5. Tillverka en triaxiella laddnings apparat (figurerna 1b, C, se även referens 33) som ska användas tillsammans med röntgenapparaten. Apparaten skall ha samma huvudfunktioner som en konventionell triaxialkompressions apparat. Utformningen bör överväga kravet på urvalsstorlek, omfattningen av begränsande spänningar och lastning priser.
    Anmärkning: apparaten bör kunna passa in i röntgenapparaten och vara lätt för att underlätta dess rotation med hjälp av rotations fasen. Den triaxiella cellen bör vara transparent för röntgenstrålar. Med tanke på transparenskravet kan akryl och polykarbonat användas för att tillverka den triaxiala cellen.
  6. Utför ett test med samma begränsande tryck, belastnings hastighet och prov egenskaper (dvs. material, provstorlek och initial porositet) utanför röntgen CT-skannern för att planera när lastning för datortomografi ska pausas.

2. utförande av in situ triaxiella kompressions provning

  1. Placera den triaxiella lastnings utrustningen och testmaterialet på plats.
    Obs: laddnings apparaten och det begränsande tryck som ger enheten (se tabellen med material) placeras i röntgenrummet, medan data inhämtande och kontrollerande enheter är placerade utanför. Triaxial lastning och datortomografi av provet manövreras sedan utanför skannings rummet.
  2. Fixera ett lyft Stadium i röntgen mikroenhetens styrelse (figur 1B). Fäst ett tippnings steg på lyft stadiet och en rotations fas på lutnings stadiet (figur 1B).
    Anm.: lyft stadiet och tippnings steget bör ha tillräcklig lastkapacitet för att flytta den utrustning som är placerad på dem.
  3. Justera rotations fasens position och orientering via det lutningsbara steget så att varje enskild röntgen passerar genom samma punkter i provet när den vrids över 180 grader runt rotations fasens axel.
    Anmärkning: steg 2,2 till 2,3 gäller för röntgen Micro CT-enheten i Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). För röntgen-mikro-CT-anordningar som specifikt används för in situ triaxiella testning, dessa steg kan utelämnas efter noggrann positionering och fixering av rotations stadiet.
  4. Förbered ett jordprov på tavlan enligt följande procedurer.
    1. Tillsätt en liten mängd silikonfett runt den laterala ytan av den övre änden av bottenplattan och placera en porös sten på dess övre yta. Sätt ett membran runt den laterala ytan av den övre änden (figur 2a).
    2. Tillsätt en liten mängd silikonfett på kontaktytorna mellan de två delarna av prov tillverkaren och lås den. Placera prov tillverkaren på bottenplattan och låt membranet passera genom den (figur 2B).
    3. Skapa sug (t. ex. 25 kPa) inuti prov tillverkaren genom munstycket med hjälp av en vakuumpump. Fäst membranet på den laterala ytan av dess övre ände. Se till att membranet är fäst vid prov makaren (figur 2C).
    4. Släpp testet granulärt material från en viss höjd i provet Maker med hjälp av en tratt tills den är helt fylld. Den övre ytan av jordprovet bör vara samma som den övre kanten av prov tillverkaren (figur 2D).
    5. Placera en annan porös sten ovanpå jordprovet, och ett rostfrittstål kudde plattan ovanpå den porösa stenen. Applicera lite silikonfett runt den laterala ytan på dyna plattan. Ta bort den övre sidan av membranet från prov tillverkaren och fäst den på dyna plattan (figur 2E).
    6. Ta bort sugningen inuti provet Maker munstycket och skapa sug inuti ventilen på bottenplattan. Ta slutligen bort prov tillverkaren. En miniatyr torr prov produceras, som framgår av figur 2F.
      Anmärkning: detta steg visar förfarandet för att producera ett miniatyr jordprov med hjälp av luft pluviation metod. Den traditionella torrkompaktsmetoden kan också användas för att tillverka provet.
  5. Fixera den begränsande cellen på bottenplattan och fäst kammarens övre platta ovanpå den begränsande cellen (figur 1C).
  6. Fixera kolvskaftet i cellen på kammarens övre platta (figur 1c).
  7. Placera basplattan tillsammans med den begränsande cellen och kammar topp plattan på rotations stadiet. En ram används för att justera provets höjd för datortomografi (figur 1B).
    Obs: denna ram används på grund av det begränsade rörelse omfånget för lyft stadiet vid SSRF. Det finns ingen anledning att använda en ram om en lyftsteg med ett stort rörelseområde används.
  8. Fäst resten av Last anordningen på kammarens övre platta.
  9. Installera den linjära variabla differential transformatorn (LVDT), lastcell och stegmotor och aktivera dem (figur 1C).
  10. Fyll cellen med avluftat vatten genom cell trycks ventilen (CP) (se figur 1C) med hjälp av det vatten som tillförs från ett begränsande tryck som ger enheten (se tabell över material). Stäng vattenutloppet (vi) ventilen (se figur 1C) när vattnet börjar rinna ut ur ventilen.
    Obs: Ställ in det begränsande tryck som ger enheten till det konstanta tryckläget med ett mycket lågt konstanttryckvärde (t. ex. 10 kPa).
  11. Tillsätt ett konstant begränsande tryck på 25 kPa i provet och ta bort sugningen inuti provet.
  12. Gradvis öka det begränsande trycket till ett förutbestämt värde med hjälp av det begränsande tryck som ger enheten.
  13. Utför den första genomsökningen av provet. För en hög rumslig upplösning CT Scanner (t. ex. med en pixelstorlek på 6,5 μm), en fullständig genomsökning av provet (t. ex. med en höjd av 16 mm) vanligtvis kräver att provet skannas på flera olika höjder (dvs., skanningen är uppdelad i flera sektioner).
    Anmärkning: om en låg rumslig upplösning detektor och en liten storlek prov används, skanningsområdet kan vara tillräckligt för att förvärva en hel fält genomsökning av provet med hjälp av en enda sektion.
    1. Skanna en del av provet. Ställ in CT-skannern på bild insamlings läge och starta sedan rotations fasen för att rotera hela apparaten över 180 grader vid en förutbestämd konstant rotationshastighet (t. ex. 3,33 grader/s) för att fånga CT-projektioner av provet i olika vinklar.
      Anmärkning: det föreslås att provet skannas från dess botten uppåt (dvs det första avsnittet innehåller alla partiklar som finns längst ner i provet).
    2. Stäng av bild insamlings läget när rotationen är klar. Vrid tillbaka apparaten till utgångsläget.
    3. Lyft provet tillsammans med hela apparaten med hjälp av lyft stadiet (figur 1B) med en viss höjd (t. ex. 4 mm) för skanning av nästa avsnitt av provet.
      Lyft bör säkerställa att det finns en överlappning mellan det aktuella avsnittet och det sista avsnittet (dvs. det finns en överlappning mellan två på varandra följande avsnitt). Överlappningen bör vara minst 10 pixlar för att underlätta sömmarna av dem.
    4. Upprepa steg 2.13.1-2.13.3 tills den sista delen av provet skannas.
  14. Applicera en axiell belastning på provet med en konstant belastnings hastighet. Här används en belastnings hastighet på 0,2%/min i denna studie. Användare kan ange en annan belastnings hastighet enligt experiment kravet.
  15. Pausa den axiella belastningen vid en förutbestämd axiell stam. Vänta tills den uppmätta axiella kraften når ett stadigt värde (vanligtvis inom 2 min) och utför nästa skanning. Skannings procedurerna är desamma som visas i steg 2,13.
  16. Upprepa steg 2,14 och 2,15 till slutet av inläsningen.
  17. Lossa provet och ta bort provet från den triaxiella apparaten.
  18. Montera bottenplattan och den begränsande cellen på rotations stadiet för att förvärva flera plana projektioner (vanligtvis 10 projektioner) från detektorn. Stäng av röntgenkällan för att få samma antal mörka projektioner från detektorn.
    Observera: platta och mörka projektioner används för fas hämtning av rå CT-projektioner. Implementeringen av platt och mörk korrigering förstärker kontrasten mellan provet och den omgivande bakgrunden i de rekonstruerade CT-skivorna. Det bidrar också till att lindra ring artefakter till följd av defekta pixlar av detektorn.

3. bildbehandling och analys

  1. Bildbehandling
    1. Genomföra fas hämtning (figur 3B) av rå CT-projektioner (figur 3A) i provet med hjälp av den fria programvaran Pitre34. Ladda projektioner (inklusive plana och mörka projektioner) i PITRE från menyn Ladda bilden. Klicka på ikonen Ppci. Ange relevanta skannings parametrar och klicka på enkel för att implementera fas hämtningen.
      Obs: genomförandet av fas hämtning ger förbättring av gränssnitt mellan olika faser (dvs tom fasen och den fasta fasen) i de rekonstruerade CT-skivorna, vilket är av stor betydelse för den efterföljande bildbaserade analysen av kontakter mellan partikel.
    2. Rekonstruera CT-skivor av provet med hjälp av PITRE baserat på CT-projektionerna efter fas hämtning (figur 3C). Ladda projektionerna i PITRE från menyn Ladda bilden. Klicka på ikonen Projsino. Ange relevanta parametrar i fönstret dök upp och klicka på enda för att återskapa ett CT-segment.
      Obs: Kontrollera horisontella skivor för att säkerställa att det inte finns några tunga balk härdnings föremål eller ring artefakter. I annat fall krävs ändringar av de aktuella skannings parametrarna och omskanningen av provet. Kontrollera vertikala segment. Om provet är kraftigt lutat före skjuvning anses provet vara misslyckat.
    3. Implementera bildfiltrering på CT-skivorna. Ett anisotropiskt diffusions filter används för att utföra bildfiltrering (figur 3D).
    4. Utför bildbinarisering på de filtrerade CT-skivorna. Implementera bilden binarisering (figur 3E) genom att tillämpa ett INTENSITETSVÄRDE tröskelvärde för CT-skivor, som bestäms enligt intensiteten histogram av CT skivor med Otsu metod35.
      Anmärkning: för CT skivor med en grå skala intensitet histogram uppvisar en betydande överlappning av intensiteter mellan den fasta fasen och Tom fasen, en validering av bilden binarisering krävs med hjälp av massan av den fasta fasen36.
    5. Separera enskilda partiklar från de binariserade CT skivor med hjälp av en markör-baserade vattendelare algoritm och lagra resultaten i en 3D-märkt bild (figur 3F). Validera resultaten genom att jämföra den beräknade partikelstorleksfördelningen från CT-bilden till de från ett mekaniskt sikttest.
      Obs: modulen separata objekt av programvaran Avizo Fire kan användas för att genomföra denna algoritm. Ta bort de porösa stenarna från binarized CT skivor med hjälp av modulen Border Kill av Avizo Fire. För att få en tillförlitlig partikel separation resultat, läsare föreslås att prova olika partikel segmenteringsalgoritmer37,38,39.
  2. Bildanalys
    1. Extrahera partikel egenskaper från den märkta bilden. Ett MATLAB-skript används för att extrahera partikel egenskaper inklusive partikel volym, partikel yta, partikel orientering och partikel-axelcentroid koordinater.
      Anmärkning: de inneboende MATLAB funktioner regionprops, bwprim och PCA används för att förvärva dessa egenskaper för varje partikel. En mer detaljerad beskrivning av dessa förfaranden kan hittas i arbetet med Cheng och Wang28.
    2. Extrahera kontakta voxels från binarized CT skivor genom genomförandet av en logisk operation och mellan den binära bilden av CT skivor (figur 4) och en binär bild av vattendelare linjer som förvärvats från genomförandet av markör-baserade vattendelare algoritm31.
      Anmärkning: överdetektering av kontakt voxels kan inträffa på grund av partiell volymeffekt och slumpmässigt brus av CT-bilder40,41. Emellertid, en lätt över-upptäckt av Inter-Particle kontakter skulle inte ha betydande effekter på den övergripande trenden för Inter-Particle kontakt evolution beteende42.

4. CT bild-baserad utforskning av korn-skala mekaniska beteende av jordar

Anmärkning: följande bildbaserad analys är inte tillämplig på idealistiskt sfäriska partiklar eller prover med mycket smala bedömnings intervall (dvs. monodisperse prover). Men för partiklar med hög rundhet och dålig gradering (t. ex. 0,3 ~ 0,6 mm glaspärlor) ger metoden goda resultat (se Cheng och Wang31).

  1. Kvantifiera partikel kinematik av provet. Använd en partikel spårningsmetod för att spåra enskilda partiklar i provet vid olika skanningar baserat på antingen partikel volym eller partikel yta. En detaljerad beskrivning av denna metod ges i Cheng och Wang28.
    1. Beräkna översättningen av varje partikel under två på varandra följande skanningar. Det beräknas som skillnaden i partikel axelcentroid koordinater mellan de två skanningar.
    2. Bestäm rotationsvinkeln för varje partikel beroende på skillnaden mellan de två genomsökningarna i dess huvudsakliga huvudaxel orientering.
  2. Kvantifiera stam fältet för provet. Använd en rutnätsbaserad metod för att beräkna fältet Strain under två på varandra följande skanningar baserat på partikel översättning och partikel rotation.
    Anmärkningar: metoden kräver de märkta bilderna av provet från både skanningar och partikel kinematik resultat. Läsarna hänvisas till ett tidigare arbete24 för en detaljerad beskrivning.
  3. Analysera Inter-Particle kontakt evolution av provet. Baserat på den extraherade kontakten voxels, den märkta bilder av partiklar och partikel spårningsresultat, analysera grenen vektor orientering av förlorade kontakter och fick kontakter i provet under varje skjuvning ökning.
    Obs: en fullständig beskrivning av denna metod ges i Cheng och Wang31.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 visar resultaten av partikel kinematik hos ett prov med Leighton Buzzard sand (lbs) vid en 2D-skiva under två typiska skjuvsteg, I och II. De flesta av partiklarna spåras framgångsrikt och deras översättningar och rotationer kvantifieras enligt ovanstående protokoll. Under den första skjuvning ökningen, varken partikel förskjutningar eller partikel rotationer visar tydlig lokalisering. Ett lokaliserat band utvecklas dock i både partikel förskjutningskartan och partikel rotations kartan under det andra skjuvsteget. Figur 6 visar de oktaedriska och volumetriska stam kartor av provet under de två skjuvning steg. En tydlig lokaliserings zon observeras i stam kartorna vid det andra skjuvsteget, vilket visar metodens förmåga att visualisera sand fel under triaxiell klippning. Figur 7 visar den normaliserade orienterings frekvensen för gren vektorer för förvärvade kontakter och förlorade kontakter i provet under de två skjuvsteg. De borttappada kontakterna ställer ut en klar riktnings preferens in mot den mindre huvudsakliga spännings riktningen (dvs. den horisontal riktningen) under båda skjuvsteg.

Figure 1
Bild 1: röntgen Micro CT-inställning och triaxiella laddnings anordning. A) entriaxiell apparat som används tillsammans med en röntgen-Micro CT-inställning. Ben utvidgad bild av installationen av den triaxiella apparaten under triaxiell provning. C) triaxialapparat från en annan vinkel. Denna siffra har modifierats från Cheng och Wang28. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: processen för att göra ett prov. A) installationav en porös sten och ett membran på bottenplattan, (B) installation av en prov tillverkare, (C) uppsugning av sug inuti prov tillverkaren, (D) släppa sandpartiklar i prov tillverkaren, (E) installation av en annan porös sten och en dyna plattan ovanpå sanden provet, och (F) avlägsnande av prov makare från bottenplattan. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: bildbehandling av CT-bilder. A) rå CT-projektion,B) CT-projektionen efter fas hämtning, (C) en rekonstruerad horisontell CT-skiva,D) CT-segmentet efter bildfiltrering, (E) CT-segmentet efter bild binarisering, och (F) CT-skiva efter partikel separation. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: illustration av extraktion av Inter-Particle kontakter av lbs i 2D-skivor. (A) genomförande av en logisk operation och mellan den binära bilden av en CT-skiva och den binära bilden av vattendelare linjer, och (B) en typisk kontakt av två lbs partiklar i 3D-rymden (partiklar visas i grönt och blått och kontakt är visas i rött). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: typiska partikel kinematik resultat av ett lbs-prov under två skjuvsteg. A) provets spännings kurva under triaxiella kompression, (B) partikel förskjutningar och partikel rotationer i provet under skjuvsteg I, och (C) partikel förflyttningar och partikel rotationer i provet under skjuvning steg II. Denna siffra har modifierats från Cheng och Wang24. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: typiska stam fält för LBS under två skjuvsteg.
(A) octahedral skjuvning stam och volumetrisk stam av provet under skjuvning ökning I.B) octahedral skjuvning stam och volumetrisk stam av provet under skjuvning ökning II. Denna siffra har modifierats från Cheng och Wang24. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: typiska Inter-Particle kontakt evolution resultat av lbs under två skjuvning steg. (A) normaliserad orientering frekvens av grenen vektorer för förvärvade kontakter och förlorade kontakter lbs under skjuvning ökning I.Bnormaliserad orientering frekvens gren vektorer av förvärvade kontakter och förlorade kontakter lbs under skjuvning inkrement II. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 apparat som kan användas tillsammans med en röntgen mikro CT-enhet. Man bör göra en helhetsbedömning av den erforderliga provstorleken, belastnings spänningar och hastigheter, utöver begränsningarna av röntgen mikro-CT-enheter såsom rumslig upplösning, skanningsområde och belastningskapacitet av rotations stadiet.

Bestämning av optimal röntgen energi och exponeringstid kan vara tidskrävande men är avgörande för förvärvet av högkvalitativa CT-bilder. Det rekommenderas att användare försöker olika energier och exponeringstider under sin första skanning och bestämma en lämplig energi och exponeringstid beroende på kvaliteten på de rekonstruerade skivorna. Förutom, prover med olika initiala porositeter kan produceras under provberedning genom att släppa sandpartiklar i provet mögel från olika höjder. På grund av den lilla Urvalsstorleken är det dock svårare att tillverka ett prov med en specifik initial porositet jämfört med konventionella triaxiala tester. För att producera ett prov med en initial porositet som ligger nära ett specifikt värde för triaxiell testning med datortomografi rekommenderas användare att öva på att producera prover i förväg.

Jämfört med konventionella triaxiella tester har miniatyr in situ triaxiella testning fördelen av att kunna utforska korn skalan mekaniska beteende av granulat jordar, inklusive korn kinematik, stam lokalisering och Inter-partikel kontakt interaktion, etc. För närvarande är en populär alternativ metod för att undersöka korn skala mekaniska beteendet hos granulat jordar DEM. Även om denna teknik möjliggör modellering av sand mekaniska beteende under komplicerade belastningsförhållanden, korn former och kontakt modeller är i allmänhet över-förenklad för att uppnå hög dator effektivitet i de flesta DEM studier. I denna situation behövs den information om korn skala som utvinns från riktig sand med hjälp av detta protokoll för att förbättra valideringen av DEM-modeller på flerskiktade nivåer. En annan fördel med den införda metoden för CT-bildbaserad stam beräkning är införlivandet av partikel rotation i stam beräkningen. Den Strain beräkningsmetod visades att producera mer tillförlitliga stam resultat än en mesh-Base metod utan att beakta effekterna av partikel rotationer24.

Även med sina många fördelar, med hjälp av röntgen mikro CT för att studera inter-partikel kontakt utveckling av granulat jordar kan drabbas av över-detektion av Inter-Particle kontakter. Noggrannheten av Inter-partikel detekterings resultat förlitar sig starkt på den rumsliga upplösningen av röntgen mikro-CT. Detta beror på den partiella volymeffekten av röntgen mikro-CT, där två isolerade partiklar med en avstånd mindre än storleken på en Voxel kan identifieras som två kontakt partiklar. Lyckligtvis, den allmänna trenden för Inter-Particle kontakt evolution inom granulat jordar konstaterades vara opåverkade av över-detektion av Inter-Particle kontakter. Under tiden är oförmågan att extrahera mellan partikel kontakt krafter inom granulat jordar en annan nackdel med röntgen mikro-CT jämfört med dem studier43,44,45,46,47 och foto-elastiska studier48,49. Vidare, på grund av den ovan nämnda CT bildbaserade undersökning korn skala som krävs för att korrekt identifiera och extrahera enskilda partiklar från CT-bilder, tillämpningen av denna metod för att jordar med mycket oregelbundna partikel former eller mycket som jordar som innehåller oregelbundna intrapartikel håligheter är mycket utmanande.

I framtiden, in situ triaxiella testning ger rikliga data om korn form och korn kinematik kommer att underlätta införlivandet av verkliga partikel former i dem modellering. Därefter, CT image-baserade DEM modellering kommer att ge en bättre förståelse av korn-skalan mekaniska beteende granulat jordar under lastning. Under tiden, med tanke på förmågan att extrahera Inter-partikel kontakt styrkor50, en kombination av röntgendiffraktion med röntgen mikro-CT för in situ triaxiella testning kommer att vara till hjälp för utvinning av full korn-skala information (dvs, både spannmål kinematik och korn kontakt styrkor) från granulat jordar under klippning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

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

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

Ingenjörsvetenskap granulat jord partikel översättning partikel rotation stam lokalisering kontakt förlust kontakt förstärkning kontakt rörelse triaxiella kompression synkrotron röntgen-mikrotomografi
Visualisering av misslyckande och tillhörande korn skala mekaniskt beteende av granulat jordar under skjuvning med Synchrotron röntgen-mikrotomografi
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