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Visualisation de l'échec et du comportement mécanique associé à l'échelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X

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

Le protocole décrit les procédures visant à acquérir des images de tomographie calculée à haute résolution spatiale (CT) d'un sol granulaire pendant la compression triaxiale, et à appliquer des techniques de traitement d'image à ces images CT pour explorer le comportement mécanique à l'échelle du grain de le sol en charge.

Abstract

Le développement rapide des techniques d'imagerie par rayons X avec des compétences en traitement et en analyse d'images a permis l'acquisition d'images CT de sols granulaires avec des résolutions spatiales élevées. Sur la base de ces images CT, le comportement mécanique à l'échelle du grain, comme la cinématique des particules (c.-à-d. les traductions de particules et les rotations de particules), la localisation des souches et l'évolution du contact entre les particules des sols granulaires, peuvent être étudiés quantitativement. Cependant, cela est inaccessible en utilisant des méthodes expérimentales conventionnelles. Cette étude démontre l'exploration du comportement mécanique à l'échelle du grain d'un échantillon de sol granulaire sous compression triaxiale à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X. Avec cette méthode, un appareil de chargement miniature spécialement fabriqué est utilisé pour appliquer des contraintes de confinement et d'axial à l'échantillon pendant l'essai triaxial. L'appareil est installé dans une configuration de tomographie à rayons X synchrotron de sorte que les images de CT à haute résolution spatiale de l'échantillon peuvent être recueillies à différentes étapes de chargement de l'essai sans aucune perturbation de l'échantillon. Avec la capacité d'extraire des informations à l'échelle macro (p. ex., les contraintes et les souches de limites d'échantillon de la configuration de l'appareil triaxial) et l'échelle du grain (p. ex., les mouvements des grains et les interactions de contact à partir des images CT), cette procédure fournit un méthodologie efficace pour étudier la mécanique à plusieurs échelles des sols granulaires.

Introduction

Il est largement reconnu que les propriétés mécaniques à l'échelle macro du sol granulaire, telles que la rigidité, la résistance au cisaillement et la perméabilité, sont essentielles à de nombreuses structures géotechniques, par exemple, les fondations, les pentes et les barrages de remplissage des roches. Pendant de nombreuses années, des tests sur place et des tests de laboratoire conventionnels (p. ex., des tests de compression unidimensionnelle, des tests de compression triaxiale et des tests de perméabilité) ont été utilisés pour évaluer ces propriétés dans différents sols. Des codes et des normes pour l'essai des propriétés mécaniques du sol ont également été élaborés à des fins d'ingénierie. Bien que ces propriétés mécaniques à l'échelle macro aient été étudiées de façon intensive, le comportement mécanique à l'échelle du grain (p. ex., la cinématique des particules, l'interaction avec les contacts et la localisation des souches) qui régit ces propriétés a attiré beaucoup moins d'attention de ingénieurs et chercheurs. L'une des raisons est l'absence de méthodes expérimentales efficaces disponibles pour explorer le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols.

Jusqu'à présent, la plupart de la compréhension du comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires provenait de la modélisation discrète des éléments1 (DEM), en raison de sa capacité à extraire des informations à l'échelle des particules (p. ex., la cinématique des particules et le contact avec les particules forces). Dans des études antérieures sur l'utilisation de techniques DEM pour modéliser les comportements mécaniques du sol granulaire, chaque particule individuelle était simplement représentée par un seul cercle ou sphère dans le modèle. L'utilisation de telles formes de particules trop simplifiées a conduit à la surrotation des particules et donc à un comportement de force de pointe plus faible2. Pour obtenir une meilleure performance de modélisation, de nombreux chercheurs ont utilisé un modèle de résistance au roulement3,4,5,6 ou des formes de particules irrégulières7,8, 9,10,11,12 dans leurs simulations DEM. En conséquence, une compréhension plus réaliste du comportement cinématique des particules a été acquise. Mis à part la cinématique des particules, LE DEM est de plus en plus utilisé pour étudier l'interaction avec le contact avec les grains et pour développer des modèles théoriques. Cependant, en raison de l'exigence de reproduire des formes de particules réelles et l'utilisation de modèles de contact sophistiqués, DEM nécessite une capacité de calcul extrêmement élevée dans la modélisation des sols granulaires avec des formes irrégulières.

Récemment, le développement d'équipements optiques et de techniques d'imagerie (p. ex., le microscope, la tomographie assistée au laser, la tomographie par rayons X (TC) et la micro-tomographie par rayons X( TCD)) a fourni de nombreuses possibilités d'examen expérimental de la comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires. Par l'acquisition et l'analyse d'images d'échantillons de sol avant et après les essais triaxiaux, ces équipements et techniques ont été utilisés dans l'étude des microstructures du sol13,14,15,16 ,17,18,19. Plus récemment, les tests in situ avec CT à rayons X ou CT ont été de plus en plus utilisés pour étudier l'évolution du rapport vide20, distribution de souches21,22,23,24, mouvement de particules25,26,27,28, contact interpartie29,30,31 et concassage de particules32 de sols granulaires. Ici, « in situ » implique un balayage aux rayons X effectué en même temps que le chargement. Contrairement à la numérisation générale des rayons X, les tests in situ de balayage aux rayons X nécessitent un appareil de chargement spécialement fabriqué pour fournir des contraintes aux échantillons de sol. Avec l'utilisation combinée de l'appareil de chargement et de l'appareil CT à rayons X ou CT, les images CT des échantillons à différentes étapes de chargement des essais peuvent être acquises de manière non destructive. Sur la base de ces images CT, des observations à l'échelle des particules du comportement du sol granulaire peuvent être acquises. Ces observations basées sur l'image cT au niveau des particules sont extrêmement utiles pour vérifier les résultats numériques et pour obtenir de nouvelles informations sur le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires.

Cet article vise à partager les détails de la façon dont un test de balayage in situ de rayons X d'un échantillon de sol peut être effectué, à l'aide d'une expérience exemplaire qui observe la cinématique des particules, la localisation des souches et l'évolution du contact interpartie au sein d'un échantillon de sol. Les résultats montrent que les tests de balayage in situ aux rayons X ont un grand potentiel pour explorer le comportement au niveau du grain des sols granulaires. Le protocole couvre le choix de l'appareil de radiographie et la préparation d'un appareil de chargement triaxial miniature, et des procédures détaillées pour effectuer le test sont fournies. En outre, les étapes techniques pour l'utilisation du traitement et de l'analyse de l'image pour quantifier la cinématique des particules (c.-à-d. la traduction des particules et la rotation des particules), la localisation des souches et l'évolution du contact entre les particules (c.-à-d. le contact, la perte de contact et contact) du sol sont décrits.

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Protocol

1. Concevoir l'expérience bien à l'avance

  1. Déterminer le matériel d'essai, la taille des particules, la taille de l'échantillon et la porosité initiale de l'échantillon.
    REMARQUE : Le sable De Leighton Buzzard d'un diamètre de 0,15 à 0,30 mm et d'un échantillon de 8 x 16 mm (diamètre x hauteur) est utilisé comme exemple pour démontrer le protocole de cette étude. D'autres sables comme le sable du Fujian, le sable de Houston, le sable d'Ottawa et les oïdes Caicos, etc. et des échantillons similaires peuvent également être utilisés.
  2. Choisissez un détecteur approprié (figure 1A) selon la résolution spatiale requise et la zone de balayage, qui sont déterminés en fonction de la taille prédéterminée des particules et de la taille de l'échantillon. Par exemple, un détecteur avec une résolution spatiale de 6,5 m est utilisé dans cette étude. Il dispose d'une zone de numérisation efficace de 2048 x 860 pixels (c'est-à-dire, 13,3 x 5,6 mm).
    REMARQUE : Lors d'un test de compression triaxiale, l'échantillon déformé doit rester dans la région de balayage du détecteur. Un détecteur de haute résolution spatiale doit être utilisé de sorte que les particules individuelles contiennent suffisamment de voxels pour l'extraction appropriée des propriétés des particules.
  3. Déterminer l'énergie requise de la source de rayons X (figure 1A) et le temps d'exposition en fonction du matériau d'essai et de la taille de l'échantillon. En général, une énergie plus élevée devrait être utilisée pour un échantillon plus grand composé d'un matériau plus dense. Utilisez une énergie radiographique de 25 keV et un temps d'exposition de 0,05 s pour les échantillons de sable dans cette étude.
    REMARQUE : L'énergie et le temps d'exposition requis peuvent être déterminés par essais et erreurs à l'aide d'une projection numérisée de l'échantillon. Le rapport entre l'intensité minimale à l'échelle grise de la projection et sa valeur maximale ne doit pas être inférieur à 0,2. Dans le cas contraire, une énergie de rayons X plus élevée ou un temps d'exposition plus long devraient être utilisés.
  4. Déterminer la vitesse de rotation requise (degrés par seconde) pour l'étape de rotation (figure 1A) de l'appareil de radiographie. La vitesse de rotation est calculée en fonction du nombre requis de projections N (p. ex., N - 1 080) pour la reconstruction de tranches de ToC.
    REMARQUE : 180 Vs/N. Ici, Vs est la vitesse de balayage de l'appareil de radiographie, c'est-à-dire le nombre de radiographies numérisées et enregistrées par seconde. Vs est principalement affecté par les performances du détecteur et le matériel associé au détecteur comme l'ordinateur.
  5. Fabriquer un appareil de chargement triaxial(Figures 1B,C, voir aussi la référence 33) à utiliser en conjonction avec l'appareil de radiographie CT. L'appareil doit avoir les mêmes fonctions principales qu'un appareil de compression triaxiale classique. La conception devrait tenir compte de l'exigence de la taille de l'échantillon, de la gamme de contraintes de confinement et des taux de chargement.
    REMARQUE : L'appareil doit être en mesure de s'insérer dans l'appareil de radiographie et d'être léger pour faciliter sa rotation à l'aide de l'étape de rotation. La cellule triaxiale doit être transparente aux rayons X. Compte tenu de l'exigence de transparence, l'acrylique et le polycarbonate pourraient être utilisés pour fabriquer la cellule triaxiale.
  6. Effectuez un test avec la même pression de confinement, la même vitesse de chargement et les propriétés de l'échantillon (c.-à-d. le matériau, la taille de l'échantillon et la porosité initiale) à l'extérieur du tomodensitomètre à rayons X afin de planifier le moment de suspendre le chargement pour la tomodensitométrie.

2. Réalisation d'essais de compression triaxiale in situ

  1. Placez l'équipement de chargement triaxial et le matériel d'essai sur place.
    REMARQUE : L'appareil de chargement et le dispositif d'offre de pression de confinement (voir le tableau des matériaux)sont placés dans la salle de balayage de cT de rayon X, tandis que les dispositifs d'acquisition et de contrôle de données sont situés à l'extérieur. Le chargement triaxial et la tomodensitométrie de l'échantillon sont ensuite utilisés à l'extérieur de la salle de numérisation.
  2. Fixer une étape de levage sur le tableau du dispositif de micro-CT à rayons X (figure 1B). Fixer une étape d'inclinaison sur l'étape de levage et une étape de rotation sur l'étape d'inclinaison, respectivement (Figure 1B).
    REMARQUE : L'étape de levage et l'étape d'inclinaison devraient avoir une capacité de chargement suffisante pour déplacer l'équipement pertinent placé sur eux.
  3. Ajuster la position et l'orientation de l'étape de rotation par l'étape d'inclinaison de telle sorte que n'importe quelle radiographie passe à travers les mêmes points dans l'échantillon quand il est tourné à travers 180 degrés autour de l'axe de l'étape de rotation.
    REMARQUE : Les étapes 2.2 à 2.3 s'appliquent au dispositif de micro CT à rayons X du Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). Pour les dispositifs de micro-CT à rayons X spécifiquement utilisés pour les tests triaxiaux in situ, ces étapes peuvent être omises après le positionnement et la fixation soigneux de l'étape de rotation.
  4. Préparer un échantillon de sol sur la planche selon les procédures suivantes.
    1. Ajouter une petite quantité de graisse de silicone autour de la surface latérale de l'extrémité supérieure de la plaque de base et placer une pierre poreuse sur sa surface supérieure. Placez une membrane autour de la surface latérale de l'extrémité supérieure (Figure 2A).
    2. Ajouter une petite quantité de graisse de silicone sur les surfaces de contact entre les deux parties de l'échantillonneur et le verrouiller. Placez le fabricant d'échantillons sur la plaque de base et laissez la membrane passer à travers elle (Figure 2B).
    3. Créez l'aspiration (p. ex., 25 kPa) à l'intérieur du fabricant d'échantillons à l'aide d'une pompe à vide. Fixer la membrane à la surface latérale de son extrémité supérieure. S'assurer que la membrane est fixée à la surface intérieure du fabricant de l'échantillon(figure 2C).
    4. Déposez le matériau granulaire d'essai d'une certaine hauteur dans le fabricant d'échantillon à l'aide d'un entonnoir jusqu'à ce qu'il soit complètement rempli. La surface supérieure de l'échantillon de sol doit être de la même taille que le bord supérieur du fabricant de l'échantillon(figure 2D).
    5. Placez une autre pierre poreuse sur l'échantillon de sol, et une plaque de coussin en acier inoxydable sur la pierre poreuse. Appliquer un peu de graisse de silicone autour de la surface latérale de la plaque de coussin. Retirez le côté supérieur de la membrane de la membranaire et fixez-la à la plaque de coussin (Figure 2E).
    6. Retirez l'aspiration à l'intérieur de la buse du fabricant d'échantillons et créez une aspiration à l'intérieur de la valve sur la plaque de base. Enfin, retirez le fabricant de l'échantillon. Un échantillon sec miniature est produit, comme on le voit dans la figure 2F.
      REMARQUE : Cette étape démontre la procédure de production d'un échantillon de sol miniature à l'aide de la méthode de pluviation de l'air. La méthode traditionnelle de compactage à sec peut également être utilisée pour produire l'échantillon.
  5. Fixer la cellule de confinement sur la plaque de base et fixer la plaque supérieure de la chambre sur le dessus de la cellule de confinement (Figure 1C).
  6. Fixer l'arbre de piston de la cellule sur la plaque supérieure de la chambre (Figure 1C).
  7. Placez la plaque de base avec la cellule de confinement et la plaque supérieure de la chambre sur l'étape de rotation. Un cadre est utilisé pour ajuster la hauteur de l'échantillon pour la tomodensitométrie (Figure 1B).
    REMARQUE : Ce cadre est utilisé en raison de la portée de mouvement limitée de l'étape de levage à SSRF. Il n'est pas nécessaire d'utiliser un cadre si une étape de levage avec une grande portée de mouvement est utilisée.
  8. Affix le reste de l'appareil de chargement sur la plaque supérieure de la chambre.
  9. Installer le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT), la cellule de charge et le moteur de marche et les activer (Figure 1C).
  10. Remplissez la cellule d'eau dédiffusée à travers la soupape de pression cellulaire (CP) (voir la figure 1C) à l'aide de l'eau fournie par un dispositif d'offre de pression de confinement (voir Tableau des matériaux). Fermez la soupape de sortie d'eau (WE) (voir la figure 1C) lorsque l'eau commence à s'écouler de la vanne.
    REMARQUE : Définiz le dispositif d'offre de pression de confinement au mode de pression constante avec une valeur de pression constante très basse (par exemple, 10 kPa).
  11. Ajouter une pression de confinement constante de 25 kPa à l'échantillon et retirer l'aspiration à l'intérieur de l'échantillon.
  12. Augmentez graduellement la pression de confinement à une valeur prédéterminée à l'aide du dispositif d'offre de pression de confinement.
  13. Effectuer le premier scan de l'échantillon. Pour un tomodensitomètre à haute résolution spatiale (p. ex., d'une taille de pixel de 6,5 m), un balayage complet de l'échantillon (p. ex., d'une hauteur de 16 mm) exige habituellement que l'échantillon soit numérisé à plusieurs hauteurs différentes (c.-à-d. que l'analyse est divisée en plusieurs sections).
    REMARQUE : Si un détecteur de faible résolution spatiale et un échantillon de petite taille sont utilisés, la zone de balayage pourrait être suffisante pour obtenir une analyse en plein champ de l'échantillon à l'aide d'une seule section.
    1. Scanner une section de l'échantillon. Placez le scanner en mode capture d'image, puis démarrez l'étape de rotation pour faire pivoter l'appareil entier à 180 degrés à un taux de rotation constant prédéterminé (p. ex., 3,33 degrés/s) pour capturer les projections de CT de l'échantillon à différents angles.
      REMARQUE : Il est suggéré que l'échantillon soit numérisé à partir de son bas vers le haut (c.-à-d. que la première section contient toutes les particules situées au bas de l'échantillon).
    2. Éteignez le mode capture d'image lorsque la rotation est terminée. Faites pivoter l'appareil vers la position initiale.
    3. Soulevez l'échantillon avec l'ensemble de l'appareil à l'aide de l'étape de levage (figure 1B) par une certaine hauteur (p. ex., 4 mm) pour scanner la section suivante de l'échantillon.
      REMARQUE : Le levage doit s'assurer qu'il y a un chevauchement entre la section actuelle et la dernière section (c.-à-d. qu'il y a un chevauchement entre deux sections consécutives). Le chevauchement doit être d'au moins 10 pixels pour faciliter la couture d'entre eux.
    4. Répéter les étapes 2.13.1-2.13.3 jusqu'à ce que la dernière section de l'échantillon soit numérisée.
  14. Appliquer une charge axiale sur l'échantillon avec un taux de chargement constant. Ici, un taux de chargement de 0,2 %/min est utilisé dans cette étude. Les utilisateurs peuvent définir un taux de chargement différent en fonction de l'exigence de l'expérience.
  15. Pause de la charge axiale à une souche axiale prédéterminée. Attendez que la force axiale mesurée atteigne une valeur stable (généralement dans les 2 minutes) et effectuez l'analyse suivante. Les procédures d'analyse sont les mêmes que démontrées à l'étape 2.13.
  16. Répétez les étapes 2.14 et 2.15 jusqu'à la fin du chargement.
  17. Déchargez le test et retirez l'échantillon de l'appareil triaxial.
  18. Installez la plaque de base et la cellule de confinement sur l'étape de rotation pour acquérir plusieurs projections plates (généralement 10 projections) du détecteur. Arrêtez la source de rayons X pour acquérir le même nombre de projections sombres du détecteur.
    REMARQUE : Des projections plates et sombres sont utilisées pour la récupération de phase des projections cT brutes. La mise en œuvre d'une correction plate et foncée améliore le contraste entre l'échantillon et l'arrière-plan environnant dans les tranches de CT reconstruites. Il aide également à soulager les artefacts de l'anneau résultant de pixels défectueux du détecteur.

3. Traitement et analyse d'images

  1. Traitement d'image
    1. Mettre en œuvre la récupération de phase (Figure 3B) des projections cT brutes (figure 3A) de l'échantillon à l'aide du logiciel libre PITRE34. Projections de charge (y compris les projections plates et sombres) dans PITRE à partir de l'imagede charge du menu . Cliquez sur l'icône PPCI. Entrez les paramètres de numérisation pertinents et cliquez sur Single pour implémenter la récupération de phase.
      REMARQUE : La mise en œuvre de la récupération de phase permet d'améliorer les interfaces entre les différentes phases (c.-à-d. la phase vide et la phase solide) dans les tranches de ToC reconstruites, ce qui est d'une importance significative pour l'analyse par exemple subséquente de contacts interparticules.
    2. Reconstruire les tranches de CT de l'échantillon à l'aide de PITRE en fonction des projections de CT après la récupération de phase (figure 3C). Chargez les projections dans PITRE à partir de l'imagede charge de menu . Cliquez sur l'icône ProjSino. Entrez les paramètres pertinents dans la fenêtre apparue et cliquez sur Single pour reconstruire une tranche de CT.
      REMARQUE : Vérifiez les tranches horizontales pour vous assurer qu'il n'y a pas d'objets de durcissement de poutres lourdes ou d'artefacts d'anneau. Dans le cas contraire, la modification des paramètres de numérisation actuels et la rescan de l'échantillon sont nécessaires. Vérifier les tranches verticales. Si l'échantillon est sévèrement incliné avant le cisaillement, le test est considéré comme infructueux.
    3. Mettre en œuvre le filtrage d'image sur les tranches de CT. Un filtre de diffusion anisotrope est utilisé pour effectuer le filtrage d'image (Figure 3D).
    4. Effectuer la binarisation d'image sur les tranches de CT filtrées. Mettre en œuvre la binarisation de l'image (Figure 3E) en appliquant un seuil de valeur d'intensité aux tranches de CT, qui est déterminé en fonction de l'histogramme d'intensité des tranches de CT en utilisant la méthode35d'Otsu.
      REMARQUE : Pour les tranches de ToN avec un histogramme d'intensité à l'échelle grise présentant un chevauchement significatif d'intensités entre la phase solide et la phase vide, une validation de la binarisation d'image est nécessaire en utilisant la masse de la phase36solide.
    5. Séparez les particules individuelles des tranches de ToC binarisées à l'aide d'un algorithme de bassin hydrographique basé sur des marqueurs et stockez les résultats dans une image étiquetée en 3D (Figure 3F). Valider les résultats en comparant la distribution calculée de la taille des particules à partir de l'image CT à celles d'un test de tamisage mécanique.
      REMARQUE: Le module Objets séparés du logiciel Avizo Fire peut être utilisé pour implémenter cet algorithme. Retirez les pierres poreuses des tranches de ToC binarisées à l'aide du module Border Kill of Avizo Fire. Pour obtenir des résultats fiables de séparation des particules, les lecteurs sont suggérés d'essayer différents algorithmes de segmentation des particules37,38,39.
  2. Analyse d'image
    1. Extraire les propriétés des particules de l'image étiquetée. Un script MATLAB est utilisé pour extraire les propriétés des particules, y compris le volume des particules, la surface des particules, l'orientation des particules et les coordonnées centroïdes des particules.
      REMARQUE : Les fonctions intrinsèques de MATLAB regionprops, bwprim et pca sont utilisées pour acquérir ces propriétés de chaque particule. Une description plus détaillée de ces procédures peut être trouvée dans le travail de Cheng et Wang28.
    2. Extraire les voxels de contact des tranches de CT binarisées par la mise en œuvre d'une opération logique ET entre l'image binaire des tranches de CT (Figure 4) et une image binaire des lignes de bassin versant acquises à partir de la mise en œuvre du marqueur à base de algorithme de bassin versant31.
      REMARQUE : Une détection excessive des voxels de contact pourrait se produire en raison de l'effet de volume partiel et du bruit aléatoire des images CT40,41. Cependant, une légère surdétection des contacts entre particules n'aurait pas d'effets significatifs sur la tendance générale du comportement d'évolution des contacts entre particules42.

4. Exploration basée sur l'image CT du comportement mécanique à l'échelle du grain des sols

REMARQUE : L'analyse basée sur l'image suivante ne s'applique pas aux particules ou échantillons sphériques idéalistes dont les plages de classement sont très étroites (c.-à-d. les échantillons monodispersés). Cependant, pour les particules à grande rondeur et à faible classement (p. ex., les perles de verre de 0,3 à 0,6 mm), la méthodologie donne de bons résultats (voir Cheng et Wang31).

  1. Quantifier la cinématique des particules de l'échantillon. Utilisez une méthode de suivi des particules pour suivre les particules individuelles dans l'échantillon à différents balayages basés sur le volume des particules ou la surface des particules. Une description détaillée de cette méthode est donnée dans Cheng et Wang28.
    1. Calculez la traduction de chaque particule au cours de deux balayages consécutifs. Il est calculé comme la différence dans les coordonnées centroïdes de particules entre les deux balayages.
    2. Déterminer l'angle de rotation de chaque particule en fonction de la différence dans ses principales orientations de l'axe principal entre les deux scans.
  2. Quantifier le champ de tension de l'échantillon. Utilisez une méthode basée sur la grille pour calculer le champ de tension au cours de deux balayages consécutifs basés sur la traduction des particules et la rotation des particules.
    REMARQUE : La méthode nécessite les images étiquetées de l'échantillon à partir des résultats des deux scans et de la cinématique des particules. Les lecteurs sont renvoyés à une œuvre précédente24 pour une description détaillée.
  3. Analyser l'évolution du contact entre particules de l'échantillon. Sur la base des voxels de contact extraits, des images étiquetées des particules et des résultats de suivi des particules, analysez l'orientation vectorielle de branche des contacts perdus et les contacts gagnés dans l'échantillon pendant chaque incrément de cisaillement.
    REMARQUE: Une description complète de cette méthode est donnée dans Cheng et Wang31.

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Representative Results

La figure 5 représente les résultats de la cinématique des particules d'un échantillon de sable de Leighton Buzzard (LBS) à une tranche 2D au cours de deux incréments typiques de cisaillement, I et II. La plupart des particules sont suivies avec succès et leurs traductions et rotations sont quantifiées selon le protocole ci-dessus. Au cours de la première incrément ecaillement, ni les déplacements de particules ni les rotations de particules ne montrent une localisation claire. Cependant, une bande localisée est développée à la fois dans la carte de déplacement des particules et dans la carte de rotation des particules pendant la deuxième incrément. La figure 6 montre les cartes octaèdres et volumétriques de l'échantillon au cours des deux incréments de cisaillement. Une zone de localisation claire est observée dans les cartes de contrainte à la deuxième incrément de cisaillement, démontrant la capacité de la méthode à visualiser la défaillance du sable sous tonte triaxiale. La figure 7 illustre la fréquence d'orientation normalisée des vecteurs de branche des contacts gagnés et des contacts perdus dans l'échantillon pendant les deux incréments de cisaillement. Les contacts perdus présentent une nette préférence directionnelle vers la direction principale mineure de stress (c.-à-d. la direction horizontale) pendant les deux incréments de cisaillement.

Figure 1
Figure 1 : Configuration micro CT à rayons X et dispositif de chargement triaxial. (A) Un appareil triaxial utilisé en conjonction avec une configuration de micro CT à rayons X. (B) Une vue élargie de l'installation de l'appareil triaxial pendant les essais triaxiaux. (C) Appareil triaxial sous un angle différent. Ce chiffre a été modifié à partir de Cheng et Wang28. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Le processus de fabrication d'un échantillon. (A) Installation d'une pierre poreuse et d'une membrane sur la plaque de base, (B) installation d'un fabricant d'échantillons, (C) création d'aspiration à l'intérieur du fabricant d'échantillons, (D) largage de particules de sable dans le fabricant d'échantillons, (E) l'installation d'une autre pierre poreuse et d'une plaque de coussin sur le dessus de l'échantillon de sable, et (F) l'enlèvement du fabricant d'échantillon de la plaque de base. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Traitement d'images d'images CT. (A) Projection cT brute, (B) la projection CT après récupération de phase, (C) une tranche de CT horizontale reconstruite, (D) la tranche CT après filtrage d'image, (E) la tranche CT après binarization image, et (F) le Tranche de CT après séparation des particules. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Illustration de l'extraction des contacts entre particules de LBS en tranches 2D. (A) Mise en œuvre d'une opération logique ET entre l'image binaire d'une tranche de CT et l'image binaire des lignes de bassin versant, et (B) un contact typique de deux particules LBS dans l'espace 3D (les particules sont montrées en vert et bleu et le contact est en rouge). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Résultats typiques de la cinématique des particules d'un échantillon de LBS pendant deux incréments de cisaillement. (A) Courbe de contrainte de l'échantillon sous compression triaxiale, (B) déplacements de particules et rotations de particules de l'échantillon pendant l'incrément i de cisaillement, et (C) les déplacements de particules et les rotations de particules de l'échantillon pendant incrément de cisaillement II. Ce chiffre a été modifié à partir de Cheng et Wang24. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Champs de souches typiques de LBS pendant deux incréments de cisaillement.
(A) Souche de cisaillement octaèdre et souche volumétrique de l'échantillon pendant l'incrément i. (B) souche de cisaillement octaèdre et souche volumétrique de l'échantillon pendant l'incrément du cisaillement II. Ce chiffre a été modifié à partir de Cheng et Wang24. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Résultats typiques de l'évolution du contact entre les particules de LBS pendant deux incréments de cisaillement. (A) Fréquence d'orientation normalisée des vecteurs de branche des contacts gagnés et des contacts perdus de LBS pendant l'incrément i. (B) Fréquence d'orientation normalisée des vecteurs de branche des contacts gagnés et des contacts perdus de LBS pendant le cisaillement incrément II. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

Le micro-CT à rayons X à haute résolution spatiale et les techniques avancées de traitement et d'analyse des images ont permis l'étude expérimentale du comportement mécanique des sols granulaires sous cisaillement à plusieurs échelles (c.-à-d. à l'échelle macro, à l'échelle méso et niveaux à l'échelle du grain). Cependant, les études à l'échelle du meso et du grain basées sur l'image CT nécessitent l'acquisition d'images de CT à haute résolution spatiale d'échantillons de sol pendant le chargement. L'aspect le plus difficile de ce processus est peut-être la fabrication d'un appareil de chargement triaxial miniature qui peut être utilisé en conjonction avec un dispositif de micro CT à rayons X. Il faut tenir compte de la taille de l'échantillon, des contraintes de chargement et des taux requis, en plus des restrictions des dispositifs de micro-ToMode à rayons X tels que la résolution spatiale, la zone de balayage et la capacité de charge de l'étape de rotation.

La détermination de l'énergie et du temps d'exposition optimaux peuvent prendre beaucoup de temps, mais elles sont cruciales pour l'acquisition d'images CT de haute qualité. Il est recommandé aux utilisateurs d'essayer différentes énergies et les temps d'exposition au cours de leur première analyse et de déterminer une énergie appropriée et le temps d'exposition en fonction de la qualité des tranches reconstruites. En outre, des échantillons présentant différentes porosités initiales peuvent être produits pendant la préparation de l'échantillon en déposant des particules de sable dans le moule de l'échantillon de différentes hauteurs. Cependant, en raison de la petite taille de l'échantillon, la production d'un échantillon avec une porosité initiale spécifique est plus difficile par rapport aux tests triaxiaux conventionnels. Pour produire un échantillon avec une porosité initiale qui est proche d'une valeur spécifique pour les tests triaxiaux avec tomodensitométrie, il est recommandé aux utilisateurs de pratiquer la production d'échantillons à l'avance.

Par rapport aux tests triaxiaux conventionnels, les essais triaxiaux in situ miniatures ont l'avantage de pouvoir explorer le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires, y compris la cinématique des grains, la localisation des souches et le contact entre les particules. interaction, etc. Actuellement, une méthode alternative populaire pour étudier le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires est DEM. Bien que cette technique permette la modélisation du comportement mécanique du sable dans des conditions de chargement complexes, les formes de grain et les modèles de contact sont généralement trop simplifiés pour atteindre une efficacité de calcul élevée dans la plupart des études DEM. Dans cette situation, l'information à l'échelle du grain extraite du sable réel à l'aide de ce protocole est nécessaire pour améliorer la validation des modèles DEM à des niveaux multi-échelles. Un autre avantage de la méthode introduite pour le calcul de la souche basée sur l'image CT est l'incorporation de la rotation des particules dans le calcul de la souche. Il a été démontré que la méthode de calcul de la souche produit des résultats de souche plus fiables qu'une méthode de base de maille sans tenir compte des effets des rotations de particules24.

Même avec ses nombreux avantages, l'utilisation de la micro-ToC à rayons X pour étudier l'évolution du contact entre particules des sols granulaires peut souffrir d'une détection excessive des contacts entre particules. L'exactitude des résultats de détection interparticules repose fortement sur la résolution spatiale du micro-CT à rayons X. Cela est dû à l'effet de volume partiel du micro-CT à rayons X, dans lequel deux particules isolées ayant une distance inférieure à la taille d'un voxel peuvent être identifiées comme deux particules de contact. Heureusement, la tendance générale de l'évolution du contact interpartiique dans les sols granulaires n'a pas été affectée par la détection excessive des contacts entre particules. Pendant ce temps, l'incapacité d'extraire les forces de contact interparticules dans les sols granulaires est un autre inconvénient de la radiographie micro-CT par rapport aux études DEM43,44,45,46,47 et études photo-élastiques48,49. En outre, en raison de l'enquête à l'échelle du grain basée sur l'image CT mentionnée ci-dessus nécessaire pour identifier et extraire correctement les particules individuelles à partir d'images CT, l'application de cette méthode aux sols avec des formes de particules très irrégulières ou très Sols broyables contenant des vides irréguliers intra-particules est très difficile.

À l'avenir, des essais triaxiaux in situ fournissant de nombreuses données sur la forme du grain et la cinématique des grains faciliteront l'incorporation de formes de particules réelles dans la modélisation DEM. Par la suite, la modélisation DEM basée sur l'image CT permettra de mieux comprendre le comportement mécanique à l'échelle du grain des sols granulaires en charge. Entre-temps, étant donné la capacité d'extraire les forces de contact interparticules50, une combinaison de diffraction des rayons X avec micro-CT à rayons X pour les essais triaxiaux in situ sera utile pour l'extraction d'informations complètes à l'échelle du grain (c.-à-d. les deux grains kinematiques et les forces de contact de grain) des sols granulaires sous tonte.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Cette étude a été appuyée par le Fonds général de recherche no. CityU 11213517 du Research Grant Council of the Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 de la National Science Foundation of China et la ligne de faisceau BL13W de la Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Confining pressure offering device GDS STDDPC
De-aired water N/A N/A Water de-aired in the lab
Leighton Buzzard sand Artificial Grass Cambridge Drained Industrial Sand 25 kg Can be replaced with different soils
Miniature triaxial loading device N/A N/A The miniature loading device is specially fabricated by the authors
Silicon grease RS company RS 494-124
Synchrotron radiation X-ray micro CT setup Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF) 13W1 The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF
Vacuum pump Hong Kong Labware Co., ltd. Rocker 300

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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).

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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).

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