Summary
Il protocollo descrive le procedure per acquisire immagini di tomografia computerizzata (CT) ad alta risoluzione spaziale di un suolo granulare durante la compressione triassiale e per applicare tecniche di elaborazione delle immagini a queste immagini CT per esplorare il comportamento meccanico su scala granulosa di il terreno sotto carico.
Abstract
Il rapido sviluppo di tecniche di imaging a raggi X con competenze di elaborazione e analisi delle immagini ha permesso l'acquisizione di immagini TC di terreni granulari ad alte risoluzioni spaziali. Sulla base di tali immagini Ct, il comportamento meccanico su scala di grana come la cinematica delle particelle (cioè le traduzioni di particelle e le rotazioni delle particelle), la localizzazione della deformazione e l'evoluzione del contatto tra particelle dei suoli granulari possono essere studiati quantitativamente. Tuttavia, questo è inaccessibile utilizzando metodi sperimentali convenzionali. Questo studio dimostra l'esplorazione del comportamento meccanico su scala del grano di un campione di terreno granulare sotto compressione triaxiale utilizzando la microtografia a raggi X del sincrotrone (CT). Con questo metodo, un apparato di carico in miniatura appositamente fabbricato viene utilizzato per applicare sollecitazioni confinanti e assiali al campione durante la prova triassiale. L'apparecchio è inserito in una configurazione di tomografia a raggi X del sincrotrone in modo che le immagini TC ad alta risoluzione del campione possano essere raccolte in diverse fasi di caricamento del test senza alcun disturbo al campione. Con la capacità di estrarre informazioni su scala macro (ad esempio, sollecitazioni e tensioni limite del campione dall'impostazione dell'apparato triaxiale) e la scala del grano (ad esempio, i movimenti della granulosità e le interazioni di contatto dalle immagini CT), questa procedura metodologia efficace per studiare la meccanica multiscala dei suoli granulari.
Introduction
È ampiamente riconosciuto che le proprietà meccaniche su macroscala del suolo granulare, come rigidità, resistenza all'taglio e permeabilità, sono fondamentali per molte strutture geotecniche, ad esempio fondazioni, pendenze e dighe di riempimento delle rocce. Per molti anni, sono stati utilizzati test in loco e test di laboratorio convenzionali (ad esempio, test di compressione unidimensionali, test di compressione triassiale e test di permeabilità) per valutare queste proprietà in terreni diversi. Sono stati sviluppati anche codici e standard per testare le proprietà meccaniche del suolo per scopi ingegneristici. Sebbene queste proprietà meccaniche su macroscala siano state studiate intensamente, il comportamento meccanico su scala del grano (ad esempio, la cinematica delle particelle, l'interazione di contatto e la localizzazione della deformazione) che governa queste proprietà ha attirato molta meno attenzione ingegneri e ricercatori. Uno dei motivi è la mancanza di metodi sperimentali efficaci disponibili per esplorare il comportamento meccanico su scala di grano dei suoli.
Fino ad ora, la maggior parte della comprensione del comportamento meccanico su scala di grana dei suoli granulari è venuto dalla modellazione di elementi discreti1 (DEM), a causa della sua capacità di estrarre informazioni su scala di particelle (ad esempio, la cinematica delle particelle e il contatto con le particelle forze) ). Negli studi precedenti sull'utilizzo delle tecniche DEM per modellare i comportamenti meccanici granulari del suolo, ogni singola particella era semplicemente rappresentata da un singolo cerchio o sfera nel modello. L'uso di tali forme di particelle troppo semplificate ha portato alla sovrarotazione delle particelle e quindi a un comportamento di forza del picco inferiore2. Per ottenere migliori prestazioni di modellazione, molti ricercatori hanno utilizzato un modello di resistenza al rotolamento3,4,5,6 o particelle irregolari forme7,8, 9,10,11,12 nelle loro simulazioni DEM. Di conseguenza, è stata acquisita una comprensione più realistica del comportamento cinematico delle particelle. Oltre alla cinematica delle particelle, il DEM è stato sempre più utilizzato per studiare l'interazione di contatto con il grano e per sviluppare modelli teorici. Tuttavia, a causa della necessità di riprodurre forme di particelle reali e l'uso di modelli di contatto sofisticati, DEM richiede capacità computazionali estremamente elevate nella modellazione di terreni granulari con forme irregolari.
Recentemente, lo sviluppo di apparecchiature ottiche e tecniche di imaging (ad esempio, il microscopio, la tomografia con supporto al laser, la tomografia computerizzata a raggi X (TC) e la microtografia a raggi X comportamento meccanico su scala a grana dei suoli granulari. Attraverso l'acquisizione e l'analisi di immagini campione di suolo prima e dopo i test triassiali, tali attrezzature e tecniche sono state utilizzate nello studio delle microstrutture del suolo13,14,15,16 ,17,18,19. Più di recente, i test in situ con TC a raggi X o cCT sono stati sempre più utilizzati per studiare l'evoluzione del rapporto di vuoto20, distribuzione di deformazione21,22,23,24, movimento delle particelle25,26,27,28, contatto interparticelle29,30,31 e particelle che schiacciano32 di terreni granulari. Qui, "in situ" implica la scansione a raggi X condotta contemporaneamente al caricamento. A differenza della scansione generale a raggi X, i test di scansione a raggi X in situ richiedono un apparato di carico appositamente fabbricato per fornire sollecitazioni ai campioni del suolo. Con l'uso combinato dell'apparato di carico e del dispositivo a raggi X CT o TC, le immagini TC dei campioni nelle diverse fasi di caricamento dei test possono essere acquisite in modo non distruttivo. Sulla base di queste immagini CT, è possibile acquisire osservazioni su scala di particelle del comportamento granulare del suolo. Queste osservazioni a livello di particelle basate su immagini CT sono estremamente utili per verificare i risultati numerici e per ottenere nuove informazioni sul comportamento meccanico su scala di grana dei suoli granulari.
Questo articolo ha lo scopo di condividere i dettagli di come un test di scansione a raggi X in situ di un campione di suolo può essere effettuato, utilizzando un esperimento esemplare che osserva la cinematica delle particelle, la localizzazione della deformazione e l'evoluzione del contatto tra particelle all'interno di un campione di suolo. I risultati mostrano che i test di scansione a raggi X in situ hanno un grande potenziale per esplorare il comportamento a livello di grano dei suoli granulari. Il protocollo riguarda la scelta del dispositivo a raggi X CT e la preparazione di un apparato di carico triaxiale in miniatura, nonché procedure dettagliate per eseguire il test. Inoltre, i passaggi tecnici per l'utilizzo dell'elaborazione e dell'analisi delle immagini per quantificare la cinematica delle particelle (ad esempio, la traslazione delle particelle e la rotazione delle particelle), la localizzazione della deformazione e l'evoluzione del contatto tra particelle (ad es. guadagno di contatto, perdita di contatto e contatto) del terreno.
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Protocol
1. Progettare l'esperimento con largo anticipo
- Determinare il materiale di prova, la dimensione delle particelle, la dimensione del campione e la porosità iniziale del campione.
NOTA: La sabbia di Leighton Buzzard con un diametro di 0,15,30 mm e una dimensione del campione di 8 x 16 mm (Diametro x Altezza) viene utilizzata come esempio per dimostrare il protocollo di questo studio. Altre sabbie come la sabbia del Fujian, la sabbia di Houston, la sabbia di Ottawa e gli ooidi di Caicos, ecc. e simili dimensioni di campioni possono essere utilizzati anche. - Scegliere un rilevatore appropriato (Figura 1A) in base alla risoluzione spaziale e all'area di scansione richieste, che vengono determinate in base alla dimensione predeterminata delle particelle e al campione. In questo studio, ad esempio, in questo studio viene utilizzato un rivelatore con una risoluzione spaziale di 6,5 m. Ha un'area di scansione efficace di 2048 x 860 pixel (cioè, 13,3 x 5,6 mm).
NOTA: durante un test di compressione triassiale, il campione deformato deve rimanere nell'area di scansione del rilevatore. Un rivelatore ad alta risoluzione spaziale deve essere utilizzato in modo che le singole particelle contengano voxel sufficienti per l'estrazione appropriata delle proprietà delle particelle. - Determinare l'energia necessaria della sorgente a raggi X (Figura 1A) e il tempo di esposizione in base al materiale di prova e alle dimensioni del campione. In generale, un'energia più alta deve essere utilizzata per un campione più grande composto da un materiale più denso. Utilizzare un'energia a raggi X di 25 keV e un tempo di esposizione di 0,05 s per i campioni di sabbia in questo studio.
NOTA: l'energia dei raggi X e il tempo di esposizione necessari possono essere determinati per tentativi ed errori utilizzando una proiezione scansionata del campione. Il rapporto tra l'intensità minima in scala di grigi della proiezione e il suo valore massimo non deve essere inferiore a 0,2. In caso contrario, si dovrebbe utilizzare un'energia a raggi X più elevata o un tempo di esposizione più lungo. - Determinare la velocità di rotazione richiesta (gradi al secondo) per la fase di rotazione (Figura 1A) del dispositivo a raggi X. La velocità di rotazione è calcolata in base al numero richiesto di proiezioni N (ad es., N - 1.080) per la ricostruzione della fetta CT.
N.B.: 180 Vs/N. In questo caso, Vs è la velocità di scansione del dispositivo a raggi X, cioè il numero di radiografie scansionate e registrate al secondo. Vs è principalmente influenzato dalle prestazioni del rilevatore e l'hardware associato al rilevatore come il computer. - Fabbricare un apparato di carico triaxiale (Figure 1B,C, vedi anche riferimento 33) da utilizzare in combinazione con il dispositivo a raggi X. L'apparato deve avere le stesse funzioni principali di un apparato di compressione triassiale convenzionale. Il progetto dovrebbe considerare il requisito della dimensione del campione, la gamma di sollecitazioni confinanti e le velocità di carico.
NOTA: L'apparecchio deve essere in grado di adattarsi al dispositivo a raggi X e di essere leggero per facilitarne la rotazione utilizzando la fase di rotazione. La cellula triassiale deve essere trasparente ai raggi X. Considerando il requisito di trasparenza, l'acrilico e il policarbonato potrebbero essere utilizzati per fabbricare la cellula triassiale. - Eseguire un test con la stessa pressione di confinante, velocità di carico e proprietà di campionamento (ad esempio, materiale, dimensioni del campione e porosità iniziale) al di fuori dello scanner CT a raggi X per pianificare quando sospendere il caricamento per la scansione TC.
2. Esecuzione di test di compressione triaxial in situ
- Posizionare l'attrezzatura di carico triaxiale e il materiale di prova in loco.
NOTA: L'apparato di carico e il dispositivo di offerta di pressione confinante (vedere la Tabella dei materiali) sono collocati nella sala di scansione T a raggi X, mentre i dispositivi di acquisizione e controllo dei dati si trovano all'esterno. Il carico triassiale e la scansione tC del campione vengono quindi azionati all'esterno della sala di scansione. - Fissare una fase di sollevamento sulla scheda del dispositivo a raggi X micro CT (Figura 1B). Fissare una fase di inclinazione sulla fase di sollevamento e una fase di rotazione sulla fase di inclinazione, rispettivamente (Figura 1B).
NOTA: La fase di sollevamento e la fase di inclinazione devono avere una capacità di carico sufficiente per spostare le attrezzature pertinenti poste su di essi. - Regolare la posizione e l'orientamento della fase di rotazione attraverso la fase di inclinazione in modo che ogni singolo raggio X passi attraverso gli stessi punti all'interno del campione quando viene ruotato di 180 gradi attorno all'asse della fase di rotazione.
NOTA: i passaggi da 2.2 a 2.3 sono applicabili al dispositivo A raggi X micro CT presso il Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). Per i micro dispositivi TC a raggi X utilizzati specificamente per i test triassiali in situ, questi passaggi possono essere omessi dopo un attento posizionamento e fissaggio della fase di rotazione. - Preparare un campione di terreno alla lavagna secondo le seguenti procedure.
- Aggiungere una piccola quantità di grasso di silicone intorno alla superficie laterale dell'estremità superiore della piastra di base e posizionare una pietra porosa sulla sua superficie superiore. Mettere una membrana intorno alla superficie laterale dell'estremità superiore (Figura 2A).
- Aggiungere una piccola quantità di grasso di silicone sulle superfici di contatto tra le due parti del produttore del campione e bloccarlo. Posizionare il produttore di campioni sulla piastra di base e lasciare che la membrana passi attraverso di essa (Figura 2B).
- Creare aspirazione (ad esempio, 25 kPa) all'interno del produttore del campione attraverso il suo ugello utilizzando una pompa a vuoto. Fissare la membrana alla superficie laterale della sua estremità superiore. Assicurarsi che la membrana sia attaccata alla superficie interna del produttore di campioni (Figura 2C).
- Rilasciare il materiale granulare di prova da una certa altezza nel produttore di campioni utilizzando un imbuto fino a quando non è completamente riempito. La superficie superiore del campione del suolo deve essere lo stesso livello del bordo superiore del produttore di campioni (Figura 2D).
- Posizionare un'altra pietra porosa sopra il campione di terreno, e una piastra cuscino in acciaio inossidabile sulla parte superiore della pietra porosa. Applicare un po 'di grasso di silicone intorno alla superficie laterale della piastra del cuscino. Rimuovere il lato superiore della membrana dal produttore del campione e fissarlo alla piastra del cuscino (Figura 2E).
- Rimuovere l'aspirazione all'interno dell'ugello del produttore del campione e creare aspirazione all'interno della valvola sulla piastra di base. Infine, rimuovere il creatore di campioni. Viene prodotto un campione asciutto in miniatura, come illustrato nella figura 2F.
NOTA: questo passaggio dimostra la procedura di produzione di un campione di terreno in miniatura utilizzando il metodo di pluviazione dell'aria. Il metodo tradizionale di compattazione a secco può essere utilizzato anche per produrre il campione.
- Fissare la cella confinante sulla piastra di base e fissare la piastra superiore della camera sulla parte superiore della cella confinante (Figura 1C).
- Fissare l'albero del pistone della cella sulla piastra superiore della camera (Figura 1C).
- Posizionare la piastra di base insieme alla cella confinante e alla piastra superiore della camera sullo stadio di rotazione. Un fotogramma viene utilizzato per regolare l'altezza del campione per la scansione TC (Figura 1B).
NOTA: Questo telaio viene utilizzato a causa della portata di movimento limitata della fase di sollevamento in SSRF. Non è necessario utilizzare un telaio se viene utilizzato uno stadio di sollevamento con un ampio raggio di movimento. - Apporre il resto dell'apparato di carico sulla piastra superiore della camera.
- Installare il trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT), la cella di carico e il motore di stepping e attivarli (Figura 1C).
- Riempire la cella con acqua disaeronata attraverso la valvola a pressione cellulare (CP) (vedi Figura 1C) utilizzando l'acqua fornita da un dispositivo di offerta a pressione confinante (vedi Tabella dei materiali). Chiudere la valvola di uscita dell'acqua (WE) (vedere Figura 1C) quando l'acqua inizia a fluire fuori dalla valvola.
NOTA: Impostare la pressione confinante che offre il dispositivo sulla modalità di pressione costante con un valore di pressione costante molto basso (ad esempio, 10 kPa). - Aggiungere una pressione confinante costante di 25 kPa al campione e rimuovere l'aspirazione all'interno del campione.
- Aumentare gradualmente la pressione confinante a un valore predeterminato utilizzando il dispositivo di offerta di pressione confinante.
- Eseguire la prima scansione del campione. Per uno scanner CT ad alta risoluzione spaziale (ad es., con una dimensione in pixel di 6,5 m), una scansione completa del campione (ad esempio, con un'altezza di 16 mm) richiede solitamente che il campione venga scansionato a diverse altezze (cioè, la scansione è suddivisa in diverse sezioni).
NOTA: se si utilizza un rilevatore a bassa risoluzione spaziale e un campione di piccole dimensioni, l'area di scansione potrebbe essere sufficiente per acquisire una scansione completa del campione utilizzando una singola sezione.- Eseguire la scansione di una sezione del campione. Impostare lo scanner CT sulla modalità di acquisizione immagini, quindi avviare la fase di rotazione per ruotare l'intero apparato di 180 gradi a una velocità di rotazione costante predeterminata (ad esempio, 3,33 gradi/s) per acquisire le proiezioni CT del campione da diverse angolazioni.
NOTA: Si suggerisce che il campione venga scansionato dal suo basso verso l'alto (cioè, la prima sezione contiene tutte le particelle situate nella parte inferiore del campione). - Disattivare la modalità di acquisizione immagini al termine della rotazione. Ruotare l'apparecchio nella posizione iniziale.
- Sollevare il campione insieme all'intero apparato utilizzando la fase di sollevamento (Figura 1B) di una certa altezza (ad esempio, 4 mm) per la scansione della sezione successiva del campione.
NOTA: Il sollevamento deve garantire una sovrapposizione tra la sezione corrente e l'ultima sezione (cioè, c'è una sovrapposizione tra due sezioni consecutive). La sovrapposizione deve essere di almeno 10 pixel per facilitare l'cucitura di essi. - Ripetere i passaggi 2.13.1-2.13.3 fino a quando non viene analizzata l'ultima sezione del campione.
- Eseguire la scansione di una sezione del campione. Impostare lo scanner CT sulla modalità di acquisizione immagini, quindi avviare la fase di rotazione per ruotare l'intero apparato di 180 gradi a una velocità di rotazione costante predeterminata (ad esempio, 3,33 gradi/s) per acquisire le proiezioni CT del campione da diverse angolazioni.
- Applicare un carico assiale sul campione con una velocità di caricamento costante. In questo studio viene utilizzato un tasso di caricamento dello 0,2%/min. Gli utenti possono impostare una frequenza di caricamento diversa in base ai requisiti dell'esperimento.
- Mettere in pausa il carico assiale ad una deformazione assiale predeterminata. Attendere che la forza assiale misurata raggiunga un valore costante (generalmente entro 2 min) ed eseguire la scansione successiva. Le procedure di analisi sono le stesse illustrate nel passaggio 2.13.
- Ripetere i passaggi 2.14 e 2.15 fino alla fine del caricamento.
- Scaricare il test e rimuovere il campione dall'apparato triaxiale.
- Installare la piastra di base e la cella confinante sulla fase di rotazione per acquisire diverse proiezioni piatte (generalmente 10 proiezioni) dal rivelatore. Spegnere la sorgente di raggi X per acquisire lo stesso numero di proiezioni scure dal rivelatore.
NOTA: Le proiezioni piatte e scure vengono utilizzate per il recupero di fase delle proiezioni CT grezze. L'implementazione della correzione piatta e scura esalta il contrasto tra il campione e lo sfondo circostante nelle sezioni CT ricostruite. Aiuta anche ad alleviare gli artefatti ad anello derivanti da pixel difettosi del rivelatore.
3. Elaborazione e analisi delle immagini
- Elaborazione delle immagini
- Implementare il recupero di fase (Figura 3B) delle proiezioni CT non elaborate (Figura 3A) dell'esempio utilizzando il software libero PITRE34. Caricare le proiezioni (incluse le proiezioni piatte e scure) in PITRE dal menu Carica immagine. Fare clic sull'icona PPCI. Immettere i parametri di scansione pertinenti e fare clic su Singola per implementare il recupero della fase.
NOTA: L'implementazione del recupero di fase fornisce il miglioramento delle interfacce tra le diverse fasi (cioè la fase di vuoto e la fase solida) nelle sezioni CT ricostruite, che è di notevole importanza per la successiva analisi basata sull'immagine contatti interparticelle. - Ricostruire le sezioni CT del campione utilizzando PITRE in base alle proiezioni CT dopo il recupero della fase (Figura 3C). Caricare le proiezioni in PITRE dal menu Carica immagine. Fare clic sull'icona ProjSino. Immettere i parametri pertinenti nella finestra visualizzata e fare clic su Singolo per ricostruire una sezione CT.
NOTA: Controllare le fette orizzontali per assicurarsi che non vi siano artefatti di indurimento del fascio pesante o artefatti ad anello. In caso contrario, è necessaria la modifica dei parametri di scansione correnti e la ripetizione del campione. Controllare le sezioni verticali. Se il campione è fortemente inclinato prima della cesoia, la prova viene considerata non riuscita. - Implementare il filtraggio delle immagini sulle sezioni CT. Un filtro di diffusione anisotropica viene utilizzato per eseguire il filtraggio delle immagini (Figura 3D).
- Eseguire la filetto di filebinario dell'immagine sulle sezioni CT filtrate. Implementare la filexzation dell'immagine (Figura 3E) applicando una soglia del valore di intensità alle sezioni CT, che viene determinata in base all'istogramma di intensità delle sezioni CT utilizzando il metodo35di Otsu.
NOTA: per le sezioni TC con un istogramma di intensità in scala di grigi che presenta una significativa sovrapposizione di intensità tra la fase solida e la fase di vuoto, è necessaria una convalida della filettura dell'immagine utilizzando la massa della fase solida36. - Separare singole particelle dalle sezioni CT binarizzate utilizzando un algoritmo di spartiacque basato su marcatore e memorizzare i risultati in un'immagine con etichetta 3D (Figura 3F). Convalidare i risultati confrontando la distribuzione delle dimensioni delle particelle calcolate dall'immagine CT a quelle di un test di setacciamento meccanico.
NOTA: il modulo Oggetti separati del software Avizo Fire può essere utilizzato per implementare questo algoritmo. Rimuovere le pietre porose dalle fette CT binarizzate utilizzando il modulo Border Kill of Avizo Fire. Per ottenere risultati affidabili di separazione delle particelle, si consiglia ai lettori di provare diversi algoritmi di segmentazione delle particelle37,38,39.
- Implementare il recupero di fase (Figura 3B) delle proiezioni CT non elaborate (Figura 3A) dell'esempio utilizzando il software libero PITRE34. Caricare le proiezioni (incluse le proiezioni piatte e scure) in PITRE dal menu Carica immagine. Fare clic sull'icona PPCI. Immettere i parametri di scansione pertinenti e fare clic su Singola per implementare il recupero della fase.
- Analisi delle immagini
- Estrarre le proprietà delle particelle dall'immagine etichettata. Uno script MATLAB viene utilizzato per estrarre le proprietà delle particelle, tra cui il volume delle particelle, l'area della superficie delle particelle, l'orientamento delle particelle e le coordinate centroidi che le particelle.
NOTA: le funzioni intrinseche MATLAB regionprops, bwprim e pca vengono utilizzate per acquisire queste proprietà di ogni particella. Una descrizione più dettagliata di queste procedure può essere trovata nel lavoro di Cheng e Wang28. - Estrarre i voxel di contatto dalle sezioni CT binarizzate mediante l'implementazione di un'operazione logica AND tra l'immagine binaria delle sezioni CT (Figura 4) e un'immagine binaria delle linee sparticiatiche acquisite dall'implementazione dell'implementazione della sezione basata su marker algoritmo spartiacque31.
NOTA: potrebbe verificarsi un rilevamento eccessivo dei voxel di contatto a causa dell'effetto volume parziale e del rumore casuale delle immagini CT40,41. Tuttavia, un leggero rilevamento dei contatti interparticelle non avrebbe effetti significativi sulla tendenza generale del comportamento evolutivo del contatto tra particelle42.
- Estrarre le proprietà delle particelle dall'immagine etichettata. Uno script MATLAB viene utilizzato per estrarre le proprietà delle particelle, tra cui il volume delle particelle, l'area della superficie delle particelle, l'orientamento delle particelle e le coordinate centroidi che le particelle.
4. Esplorazione basata su immagini CT del comportamento meccanico su scala di granulosità dei suoli
NOTA: la seguente analisi basata su immagini non è applicabile a particelle o campioni idealistamente sferici con intervalli di scarpata molto stretti (ad esempio, campioni monodisperse). Tuttavia, per le particelle con elevata rotondità e scarsa classificazione (ad es. perline di vetro da 0,3,6 mm), la metodologia produce buoni risultati (vedi Cheng e Wang31).
- Quantificare la cinematica delle particelle del campione. Utilizzate un metodo di tracciamento delle particelle per tracciare singole particelle all'interno del campione in scansioni diverse in base al volume delle particelle o all'area della superficie delle particelle. Una descrizione dettagliata di questo metodo è data in Cheng e Wang28.
- Calcolare la traslazione di ogni particella durante due scansioni consecutive. Viene calcolato come differenza nelle coordinate centroidi che fanno le particelle tra le due scansioni.
- Determinare l'angolo di rotazione di ogni particella in base alla differenza nei suoi orientamenti principali dell'asse principale tra le due scansioni.
- Quantificare il campo di deformazione del campione. Utilizzare un metodo basato sulla griglia per calcolare il campo di deformazione durante due scansioni consecutive in base alla traslazione delle particelle e alla rotazione delle particelle.
NOTA: il metodo richiede le immagini etichettate del campione sia dalle scansioni che dai risultati cinematici delle particelle. I lettori sono riferiti a un lavoro precedente24 per una descrizione dettagliata. - Analizzare l'evoluzione del contatto tra particelle del campione. Sulla base dei voxel dei contatti estratti, delle immagini etichettate delle particelle e dei risultati del tracciamento delle particelle, analizzano l'orientamento del vettore di diramazione dei contatti persi e dei contatti ottenuti all'interno del campione durante ogni incremento di taglio.
NOTA: Una descrizione completa di questo metodo è data in Cheng e Wang31.
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Representative Results
Figura 5 illustra i risultati della cinematica delle particelle di un campione di sabbia Leighton Buzzard (LBS) in una fetta 2D durante due incrementi tipici di taglio, I e II. La maggior parte delle particelle sono tracciate con successo e le loro traslazioni e rotazioni sono quantificate seguendo il protocollo di cui sopra. Durante il primo incremento di taglio, né gli spostamenti delle particelle né le rotazioni delle particelle mostrano una localizzazione chiara. Tuttavia, una banda localizzata viene sviluppata sia nella mappa di spostamento delle particelle che nella mappa di rotazione delle particelle durante il secondo incremento di taglio. La figura 6 mostra le mappe di deformazione oterale e volumetrica del campione durante i due incrementi di taglio. Una zona di localizzazione chiara è osservata nelle mappe di deformazione al secondo incremento di taglio, dimostrando la capacità del metodo di visualizzare il guasto della sabbia sotto tosatura triassiale. Figura 7 viene illustrata la frequenza di orientamento normalizzato dei vettori di diramazione dei contatti acquisiti e dei contatti persi nel campione durante i due incrementi di taglio. I contatti persi presentano una chiara preferenza direzionale verso la direzione di sollecitazione principale minore (cioè la direzione orizzontale) durante entrambi gli incrementi di taglio.
Figura 1: Configurazione micro CT a raggi X e dispositivo di caricamento triaxiale. (A) Un apparato triaxiale utilizzato in combinazione con una configurazione a raggi X micro TC. (B) Una visione ingrandita dell'installazione dell'apparato triaxiale durante i test triaxiali. (C) Apparecchi triassiali da un'angolazione diversa. Questa cifra è stata modificata da Cheng e Wang28. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Il processo di creazione di un campione. (A) Installazione di una pietra porosa e di una membrana sulla piastra di base, (B) installazione di un produttore di campioni, (C) creazione di aspirazione all'interno del produttore di campioni, (D) che cadono le particelle di sabbia nel produttore di campioni, (E) installazione di un'altra pietra porosa e una piastra cuscino sulla parte superiore del campione di sabbia, e (F) rimozione del creatore del campione dalla piastra di base. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Elaborazione delle immagini CT. (A) Proiezione CT non elaborata, (B) la proiezione CT dopo il recupero della fase, (C) una sezione CT orizzontale ricostruita, (D) la sezione CT dopo il filtraggio dell'immagine, (E) la sezione CT dopo la binarizzazione dell'immagine e (F) Fetta di TC dopo separazione delle particelle. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Illustrazione dell'estrazione dei contatti interparticelle di LBS in sezioni 2D. (A) Implementazione di un'operazione logica E tra l'immagine binaria di una fetta CT e l'immagine binaria delle linee spartiacque e (B) un contatto tipico di due particelle LBS nello spazio 3D (le particelle sono mostrate in verde e blu e il contatto è visualizzata in rosso). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Risultati tipici della particella cinetica di un campione di LBS durante due incrementi di taglio. (A) Curva di sollecitazione-deformazione del campione in compressione triassiva, (B) spostamento di particelle e rotazioni di particelle del campione durante l'incremento di taglio I e (C) spostamenti di particelle e rotazioni di particelle del campione durante incremento di taglio II. Questa cifra è stata modificata da Cheng e Wang24. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Tipici campi di deformazione di LBS durante due incrementi di taglio.
(A) Ceppo di taglio ottano e ceppo volumetrico del campione durante l'incremento di taglio I. (B) ceppo di taglio octaedro e ceppo volumetrico del campione durante l'incremento di taglio II. Questa cifra è stata modificata da Cheng e Wang24. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Tipici risultati di evoluzione del contatto tra particelle di LBS durante due incrementi di taglio. (A) Frequenza di orientamento normalizzata dei vettori di diramazione dei contatti acquisiti e dei contatti persi di LBS durante l'incremento di taglio I. (B) Frequenza di orientamento normalizzata dei vettori di diramazione dei contatti acquisiti e dei contatti persi di LBS durante la cesoia incremento II. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Le tecniche avanzate di elaborazione e analisi delle immagini hanno permesso l'analisi sperimentale del comportamento meccanico dei suoli granulari sotto taglio a livelli multiscala (cioè su macroscala, meso-scala e livelli di scala del grano). Tuttavia, le indagini su meso e su scala di grano basate su immagini CT richiedono l'acquisizione di immagini CT ad alta risoluzione spaziale di campioni di suolo durante il caricamento. L'aspetto più impegnativo di questo processo è forse la fabbricazione di un apparato di carico triaxiale in miniatura che può essere utilizzato in combinazione con un dispositivo a raggi X micro CT. Si dovrebbe prendere in considerazione in generale la dimensione del campione richiesto, le sollecitazioni e le velocità di caricamento, oltre alle restrizioni dei dispositivi micro CT a raggi X come la risoluzione spaziale, l'area di scansione e la capacità di carico della fase di rotazione.
La determinazione dell'energia ottimale ai raggi X e del tempo di esposizione può richiedere molto tempo, ma è fondamentale per l'acquisizione di immagini CT di alta qualità. Si raccomanda agli utenti di provare diverse energie e tempi di esposizione durante la prima scansione e di determinare un'energia e un tempo di esposizione appropriati in base alla qualità delle fette ricostruite. Inoltre, i campioni con diverse porosità iniziali possono essere prodotti durante la preparazione del campione facendo cadere le particelle di sabbia nello stampo del campione da diverse altezze. Tuttavia, a causa delle piccole dimensioni del campione, produrre un campione con una porosità iniziale specifica è più difficile rispetto ai test triassiali convenzionali. Per produrre un campione con una porosità iniziale che è vicino a un valore specifico per il test triaxiale con la scansione TC, si consiglia agli utenti di esercitarsi a produrre campioni in anticipo.
Rispetto ai test triassiali convenzionali, i test triassili in miniatura in situ hanno il vantaggio di poter esplorare il comportamento meccanico su scala di grani dei suoli granulari, tra cui la cinematica del grano, la localizzazione dei ceppi e il contatto tra particelle interazione, ecc. Attualmente, un metodo alternativo popolare per studiare il comportamento meccanico su scala di grano dei suoli granulari è DEM. Sebbene questa tecnica consenta la modellazione del comportamento meccanico della sabbia in condizioni di carico complesse, le forme di grana e i modelli di contatto sono in genere sovra-semplificati per ottenere un'elevata efficienza di calcolo nella maggior parte degli studi DEM. In questo caso, le informazioni su scala di grani estratte dalla sabbia reale utilizzando questo protocollo sono necessarie per una migliore convalida dei modelli DEM a livelli multiscala. Un altro vantaggio del metodo introdotto per il calcolo della deformazione basata sull'immagine TC è l'incorporazione della rotazione delle particelle nel calcolo della deformazione. Il metodo di calcolo della deformazione è stato indicato per produrre risultati di deformazione più affidabili rispetto a un metodo mesh-base senza considerare gli effetti delle rotazioni delle particelle24.
Anche con i suoi numerosi vantaggi, l'utilizzo della micro TC a raggi X per studiare l'evoluzione dei contatti interparticelle dei suoli granulari può soffrire di un'eccessiva rilevazione dei contatti tra particelle. L'accuratezza dei risultati di rilevamento interparticelle si basa fortemente sulla risoluzione spaziale della micro-CT a raggi X. Ciò è dovuto all'effetto volume parziale della micro-CT a raggi X, in cui due particelle isolate con una distanza inferiore alle dimensioni di un voxel possono essere identificate come due particelle in contatto. Fortunatamente, la tendenza generale dell'evoluzione del contatto tra particelle all'interno dei suoli granulari non è stata influenzata dall'eccessiva rilevazione dei contatti interparticelle. Nel frattempo, l'incapacità di estrarre le forze di contatto interparticelle all'interno di terreni granulari è un altro svantaggio della micro-CT a raggi X rispetto agli studi DEM43,44,45,46,47 e studi foto-elastici48,49. Inoltre, a causa della suddetta indagine sulla scala di grano basata sull'immagine CT necessaria per identificare ed estrarre correttamente singole particelle dalle immagini TC, l'applicazione di questo metodo a suoli con forme di particelle altamente irregolari o terreni frantumabili contenenti vuoti intraparticellali irregolari è molto impegnativo.
In futuro, i test triassici in situ che forniscono ampi dati sulla forma della granulosità e sulla cinematica del grano faciliteranno l'incorporazione di forme di particelle reali nella modellazione DEM. Successivamente, la modellazione DEM basata su immagini CT fornirà una migliore comprensione del comportamento meccanico su scala di grana dei terreni granulari sotto carico. Nel frattempo, data la capacità di estrarre le forze di contatto interparticelle50, una combinazione di diffrazione a raggi X con micro-CT a raggi X per test triassiali in situ sarà utile per l'estrazione di informazioni su scala di grana completa (cioè, entrambi i grani zelematica e forze di contatto del grano) da terreni granulari in taglio.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto dal Fondo generale di ricerca n. CityU 11213517 del Research Grant Council del SAR di Hong Kong, Research Grant n. 51779213 della National Science Foundation of China e la trave BL13W dello 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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