Summary
O protocolo descreve procedimentos para adquirir imagens de tomografia computadorizada (TC) de alta resolução espacial de um solo granular durante a compressão triaxial, e aplicar técnicas de processamento de imagem a essas imagens de TC para explorar o comportamento mecânico em escala de grãos de o solo carga.
Abstract
O rápido desenvolvimento de técnicas de imagiologia por raios X com habilidades de processamento e análise de imagem permitiu a aquisição de imagens tomográficas de solos granulares com resoluções de alto espaço. Baseado em tais imagens do CT, o comportamento mecânico da grão-escala tal como a cinemática da partícula (isto é, traduções da partícula e rotações da partícula), a localização da tensão e a evolução do contato da Inter-partícula de solos granulados podem ser investigados quantitativamente. No entanto, isso é inacessível usando métodos experimentais convencionais. Este estudo demonstra a exploração do comportamento mecânico da grão-escala de uma amostra granular do solo a compressão triaxial usando o microtomography do raio X do síncrotron (μct). Com este método, um instrumento de carregamento em miniatura especialmente fabricado é usado para aplicar tensões axiais e confinantes à amostra durante o teste triaxial. O aparelho é cabido em uma instalação do tomography do raio X do síncrotron de modo que as imagens High-Spatial da definição CT da amostra possam ser coletadas em estágios de carregamento diferentes do teste sem nenhum distúrbio à amostra. Com a capacidade de extrair informações na escala macro (por exemplo, tensões de limite de amostra e cepas da configuração do aparelho triaxial) e a escala de grãos (por exemplo, movimentos de grãos e interações de contato das imagens de TC), este procedimento fornece uma metodologia eficaz para investigar a mecânica multiescala de solos granulares.
Introduction
É amplamente reconhecido que as propriedades mecânicas de macro escala do solo granular, como rigidez, resistência ao cisalhamento e permeabilidade, são críticas para muitas estruturas geotécnicas, por exemplo, fundações, encostas e barragens de aterro. Durante muitos anos, testes no local e testes laboratoriais convencionais (por exemplo, testes unidimensionais de compressão, testes de compressão triaxial e testes de permeabilidade) têm sido utilizados para avaliar essas propriedades em diferentes solos. Os códigos e as normas para testar as propriedades mecânicas do solo também foram desenvolvidos para fins de engenharia. Embora essas propriedades mecânicas em escala de macro tenham sido intensivamente estudadas, o comportamento mecânico em escala de grãos (por exemplo, cinemática de partículas, interação de contato e localização de deformação) que rege essas propriedades tem atraído muito menos atenção do engenheiros e pesquisadores. Uma razão é a falta de métodos experimentais eficazes disponíveis para explorar o comportamento mecânico da grão-escala dos solos.
Até agora, a maior parte da compreensão do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares vem da modelagem discreta de elementos1 (DEM), devido à sua capacidade de extrair informações em escala de partícula (por exemplo, cinemática de partículas e contato de partículas forças armadas). Em estudos anteriores do uso de técnicas DEM para modelar comportamentos mecânicos do solo granular, cada partícula individual foi simplesmente representada por um único círculo ou esfera no modelo. O uso de tais formas de partícula over-simplificadas conduziu à excesso-rotação das partículas e desse modo um comportamento mais baixo da força do pico2. Para alcançar um melhor desempenho de modelagem, muitos investigadores usaram ummodelo de resistênciaao rolamento3,4,5,6 ouformas de partículasirregulares7,8, 9,10,11,12 em suas simulações DEM. Como resultado, uma compreensão mais realista do comportamento cinemática das partículas foi adquirida. Além da cinemática de partículas, o DEM tem sido cada vez mais utilizado para investigar a interação de contato com grãos e desenvolver modelos teóricos. No entanto, devido à exigência de reproduzir formas de partículas reais e o uso de modelos de contato sofisticados, o DEM requer capacidade computacional extremamente alta na modelagem de solos granulares com formas irregulares.
Recentemente, o desenvolvimento de equipamentos ópticos e técnicas de imagem (por exemplo, o microscópio, tomografia assistida por laser, tomografia computadorizada de raios X (TC) e microtomografia de raios-X (μCT)) tem proporcionado muitas oportunidades para o exame experimental do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares. Através da aquisição e análise de imagens de amostras de solos antes e após o teste triaxial, tais equipamentos e técnicas têm sido utilizados na investigação de microestruturas do solo13,14,15,16 ,17,18,19. Mais recentemente, testes in situ com TC de raios X ou μct têm sido cada vez mais utilizados para investigar a evolução da relação nula20, distribuição de estirpe21,22,23,24, movimento departículas 25,26,27,28, contato entre partículas29,30,31 e esmagamento de partículas32 de solos granulares. Aqui, "in situ" implica a varredura do raio X conduzida ao mesmo tempo que carregando. Em contraste com a varredura geral do raio X, os testes de varredura in situ do raio X exigem um instrumento de carregamento especialmente fabricado para entregar tensões às amostras do solo. Com o uso combinado do instrumento do carregamento e do dispositivo do raio X CT ou do μCT, as imagens do CT das amostras em estágios diferentes do carregamento dos testes podem ser adquiridas não-destrutiva. Com base nestas imagens do CT, as observações da partícula-escala do comportamento granulado do solo podem ser adquiridas. Estas observações de nível de partícula baseadas em imagem do CT são extremamente úteis verificar resultados numéricos e ganhar introspecções novas no comportamento mecânico da grão-escala de solos granulados.
Este artigo tem como objetivo compartilhar os detalhes de como um teste de varredura in situ de raios X de uma amostra de solo pode ser realizado, utilizando um experimento exemplar que observa cinemática de partículas, localização de deformação e evolução do contato entre partículas dentro de uma amostra de solo. Os resultados mostram que os testes de varredura in situ do raio X têm um grande potencial explorar o comportamento do grão-nível de solos granulados. O protocolo abrange a escolha do dispositivo de raios-X μCT e a preparação de um aparelho de carregamento triaxial em miniatura, e procedimentos detalhados para realizar o teste são fornecidos. Além disso, as etapas técnicas para o uso de processamento e análise de imagens para quantificar a cinemática de partículas (i.e., tradução de partículas e rotação de partículas), localização de deformação e evolução do contato entre partículas (i.e., ganho de contato, perda de contato e movimento de contato) do solo são descritos.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. projetando o experimento com bastante antecedência
- Determine o material de teste, o tamanho da partícula, o tamanho da amostra e a porosidade inicial.
Nota: a areia de Leighton Buzzard com um diâmetro de 0,15 ~ 0,30 mm e um tamanho amostral de 8 x 16 mm (diâmetro x altura) é utilizada como exemplo para demonstrar o protocolo deste estudo. Outras areias como a areia de Fujian, a areia de Houston, a areia de Ottawa e os ooids de Caicos, etc. e tamanhos similares da amostra podem igualmente ser usados. - Escolha um detector apropriado (Figura 1a) deacordo com a resolução espacial exigida e a área de digitalização, que são determinadas de acordo com o tamanho de partícula predeterminado e o tamanho da amostra. Por exemplo, um detector com uma resolução espacial de 6,5 μm é usado neste estudo. Tem uma área de exploração eficaz de 2048 x 860 pixéis (isto é, 13.3 × 5,6 milímetros).
Nota: durante um teste de compressão triaxial, a amostra deformada deve permanecer na região de digitalização do detector. Um detetor High-Spatial da definição deve ser usado de modo que as partículas individuais contenham voxels suficientes para a extração apropriada de propriedades da partícula. - Determine a energia necessária da fonte de raios-X (Figura 1a) e o tempo de exposição de acordo com o material de teste e o tamanho da amostra. Geralmente, uma energia mais elevada deve ser usada para uma amostra maior compor de um material mais denso. Use uma energia de raios-X de 25 keV e um tempo de exposição de 0, 5 s para as amostras de areia neste estudo.
Nota: a energia do raio X e o tempo de exposição exigidos podem ser determinados pela experimentação e pelo erro usando uma projeção digitalizada da amostra. A proporção da intensidade mínima da escala cinzenta da projeção para o seu valor máximo não deve ser inferior a 0,2. Caso contrário, uma maior energia de raios-X ou maior tempo de exposição deve ser usado. - Determine a velocidade de rotação exigida ω (graus por segundo) para a fase de rotação (Figura 1a) do dispositivo de raio X. A velocidade de rotação ω é calculada de acordo com o número necessário de projeções N (por exemplo, N = 1.080) para a reconstrução da fatia de TC.
Nota: ω = 180 Vs/N. Aqui, Vs é a velocidade de digitalização do dispositivo de raios-X, ou seja, o número de radiografias digitalizadas e gravadas por segundo. O Vs é afetado principalmente pelo desempenho do detector e pelo hardware associado ao detector, como o computador. - Fabricar um aparelho de carga triaxial (Figuras 1B, C, ver também referência 33) para ser utilizado em conjunto com o dispositivo de raios-X μct. O aparelho deve ter as mesmas funções principais que um aparelho convencional de compressão triaxial. O projeto deve considerar a exigência do tamanho da amostra, a escala de confinar tensões e taxas de carregamento.
Nota: o aparelho deve poder caber no dispositivo do μCT do raio X e ser claro para facilitar sua rotação usando a fase da rotação. A célula triaxial deve ser transparente para raios-X. Considerando a exigência da transparência, o acrílico e o policarbonato puderam ser usados para fabricar a pilha triaxial. - Realize um teste com a mesma pressão confinante, velocidade de carregamento e propriedades da amostra (ou seja, material, tamanho da amostra e porosidade inicial) fora do scanner de TC de raios-X para planejar quando pausar o carregamento para a digitalização de TC.
2. realização de testes de compressão triaxial in situ
- Coloque o equipamento de carregamento triaxial e o material de teste no local.
Nota: o aparelho de carga e a pressão confinante que oferece o dispositivo (veja a tabela de materiais) são coloc na sala de varredura do CT do raio X, quando a aquisição de dados e os dispositivos controlando forem situados fora. O carregamento triaxial e a varredura do CT da amostra são operados então fora da sala de exploração. - Fixe um estágio de elevação na placa do micro dispositivo do CT do raio X (Figura 1B). Fixar um estágio de inclinação no estágio de elevação e um estágio de rotação no estágio de inclinação, respectivamente (Figura 1B).
Nota: o estágio de elevação e o estágio de inclinação devem ter capacidade de carga suficiente para mover o equipamento relevante colocado sobre eles. - Ajuste a posição e a orientação do estágio de rotação através do estágio de inclinação de modo que qualquer único raio-X passe pelos mesmos pontos dentro da amostra quando ele é girado em 180 graus em torno do eixo do estágio de rotação.
Nota: as etapas 2,2 a 2,3 são aplicáveis ao micro dispositivo do CT do raio X no centro de radiação de Synchrotron de Shanghai (SSRF). Para os micro dispositivos do CT do raio X usados especificamente para o teste triaxial in situ, estas etapas podem ser omitidas após o posicionamento e a fixação cuidadosos do estágio da rotação. - Prepare uma amostra de solo no tabuleiro de acordo com os seguintes procedimentos.
- Adicione uma pequena quantidade de graxa de silicone em torno da superfície lateral da extremidade superior da placa de base e coloque uma pedra porosa em sua superfície superior. Coloque uma membrana em torno da superfície lateral da extremidade superior (Figura 2a).
- Adicione uma pequena quantidade de graxa de silicone nas superfícies de contato entre as duas partes do fabricante da amostra e bloqueie-a. Coloque o fabricante da amostra na placa de base e deixe que a membrana passe por ela (Figura 2B).
- Crie a sucção (por exemplo, 25 kPa) dentro do fabricante da amostra através de seu bocal usando uma bomba de vácuo. Fixe a membrana à superfície lateral da extremidade superior. Assegure-se de que a membrana esteja unida à superfície interna do fabricante da amostra (Figura 2C).
- Descarte o material granular de teste de uma determinada altura no fabricante de amostra usando um funil até que ele esteja completamente preenchido. A superfície superior da amostra de solo deve ser o mesmo nível que a borda superior do fabricante da amostra (Figura 2D).
- Coloc uma outra pedra porosa sobre a amostra do solo, e uma placa do coxim do inoxidável-aço sobre a pedra porosa. Aplique alguma graxa do silicone em torno da superfície lateral da placa do coxim. Retire o lado superior da membrana do fabricante da amostra e fixe-o na placa de almofada (Figura 2e).
- Remova a sucção dentro do bocal do fabricante da amostra e crie a sucção dentro da válvula na placa baixa. Finalmente, remova o fabricante da amostra. Uma amostra seca em miniatura é produzida, como visto na Figura 2F.
Nota: esta etapa demonstra o procedimento de produzir uma amostra diminuta do solo usando o método da pluviação do ar. O método tradicional da compactação seca pode igualmente ser usado para produzir a amostra.
- Fixar a célula confinante na placa de base e fixar a placa superior da câmara na parte superior da célula confinante (Figura 1C).
- Fixar o eixo do pistão da célula na placa superior da câmara (Figura 1C).
- Posicione a placa de base juntamente com a célula confinante e a placa superior da câmara na fase de rotação. Um frame é usado para ajustar a altura da amostra para a exploração do CT (Figura 1B).
Nota: Este frame é usado devido à escala limitada do movimento do estágio de levantamento em SSRF. Não há nenhuma necessidade de usar um frame se um estágio de levantamento com uma grande escala do movimento for usado. - Fixe o resto do aparelho de carga na placa superior da câmara.
- Instale o transformador diferencial variável linear (LVDT), a célula de carga e o motor de piso e ative-os (Figura 1C).
- Encha a pilha com a água de-arejada através da válvula da pressão de pilha (CP) (veja Figura 1C) usando a água fornecida de um dispositivo de oferecimento da pressão confinando (veja a tabela dos materiais). Feche a válvula de saída de água (We) (ver Figura 1C) quando a água começa a fluir para fora da válvula.
Nota: defina o dispositivo de oferta de pressão confinante no modo de pressão constante com um valor de pressão constante muito baixo (por exemplo, 10 kPa). - Adicione uma pressão confinante constante de 25 kPa à amostra e retire a sucção dentro da amostra.
- Aumente gradualmente a pressão confinando a um valor pre-determinado usando o dispositivo de oferecimento da pressão confinando.
- Realize a primeira varredura da amostra. Para um scanner de TC de alta resolução espacial (por exemplo, com um tamanho de pixel de 6,5 μm), uma varredura completa da amostra (por exemplo, com uma altura de 16 mm) geralmente requer que a amostra seja digitalizada em várias alturas diferentes (ou seja, a digitalização é dividida em várias seções).
Observação: se um detector de baixa resolução espacial e uma amostra de tamanho pequeno forem usados, a área de digitalização poderá ser suficiente para adquirir uma varredura de campo completo da amostra usando uma única seção.- Digitalizar uma seção da amostra. Ajuste o varredor do CT ao modo da captação da imagem e comece então o estágio da rotação para girar o instrumento inteiro através de 180 graus em uma taxa de rotação constante pre-determinada (por exemplo, 3,33 graus/s) para capturar projeções do CT da amostra em ângulos diferentes.
Nota: sugere-se que a amostra é digitalizada a partir de sua parte inferior para cima (ou seja, a primeira seção contém todas as partículas localizadas na parte inferior da amostra). - Desative o modo de captura de imagem quando a rotação for concluída. Gire o aparelho de volta para a posição inicial.
- Levante a amostra juntamente com todo o aparelho usando o estágio de elevação (Figura 1B) por uma determinada altura (por exemplo, 4 mm) para digitalizar a próxima seção da amostra.
Observação: o levantamento deve garantir que haja uma sobreposição entre a seção atual e a última seção (ou seja, há uma sobreposição entre duas seções consecutivas). A sobreposição deve ser de pelo menos 10 pixels para facilitar a costura deles. - Repita as etapas 2.13.1-2.13.3 até que a última seção do exemplo seja digitalizada.
- Digitalizar uma seção da amostra. Ajuste o varredor do CT ao modo da captação da imagem e comece então o estágio da rotação para girar o instrumento inteiro através de 180 graus em uma taxa de rotação constante pre-determinada (por exemplo, 3,33 graus/s) para capturar projeções do CT da amostra em ângulos diferentes.
- Aplique uma carga axial na amostra com uma taxa de carregamento constante. Aqui, uma taxa de carregamento de 0,2%/min é usada neste estudo. Os usuários podem definir uma taxa de carregamento diferente de acordo com a exigência de experimento.
- Pause o carregamento axial em uma cepa axial pré-determinada. Aguarde até que a força axial medida atinja um valor constante (geralmente dentro de 2 min) e realize a próxima varredura. Os procedimentos de digitalização são os mesmos demonstrados na etapa 2,13.
- Repita as etapas 2,14 e 2,15 até o final do carregamento.
- Descarregue o teste e retire a amostra do aparelho triaxial.
- Instale a placa de base e a célula confinante no estágio de rotação para adquirir várias projeções planas (geralmente 10 projeções) do detector. Desligue a fonte de raios-X para adquirir o mesmo número de projeções escuras do detector.
Nota: projeções planas e escuras são usadas para a recuperação de fase de projeções de TC RAW. A aplicação da correção Lisa e escura realça o contraste entre a amostra e o fundo circunvizinho nas fatias reconstruídas do CT. Também ajuda a aliviar os artefatos de anel resultantes de pixels defeituosos do detector.
3. processamento e análise de imagens
- Processamento de imagem
- Implementar a recuperação de fase (Figura 3B) de projeções RAW CT (Figura 3a) da amostra utilizando o software livre Pitre34. Projecções de carga (incluindo as projecções planas e escuras) no PITRE a partir da imagem de carregamentodo menu. Clique no ícone Ppci. Insira os parâmetros de digitalização relevantes e clique em único para implementar a recuperação de fase.
Nota: a implementação da recuperação de fase proporciona o aprimoramento das interfaces entre as diferentes fases (ou seja, a fase nula e a fase sólida) nas fatias de TC reconstruídas, o que é de importância significativa para a subsequente análise baseada em imagem de contatos entre partículas. - Reconstruir as fatias de TC da amostra utilizando PITRE com base nas projeções tomográficas após a recuperação da fase (Figura 3C). Carregue as projeções no PITRE a partir da imagem de carregamentodo menu. Clique no ícone Projsino. Insira os parâmetros relevantes na janela exibida e clique em único para reconstruir uma fatia de TC.
Nota: Verifique as fatias horizontais para garantir que não existam artefatos de endurecimento de feixe pesado ou artefactos de anel. Caso contrário, é necessário alterar os parâmetros de digitalização atuais e o Rescan da amostra. Verifique as fatias verticais. Se a amostra for severamente inclinada antes da tesoura, o teste é considerado sem êxito. - Implemente a filtragem de imagens nas fatias de TC. Um filtro de difusão anisotrópico é usado para executar a filtragem de imagem (Figura 3D).
- Executar a binarização da imagem nas fatias de TC filtradas. Implementar a binarização da imagem (Figura 3E) aplicando um limiar de valor de intensidade para as fatias de TC, que é determinada de acordo com o histograma de intensidade das fatias de TC usando o método de Otsu35.
Nota: para as fatias de TC com um histograma de intensidade em escala cinzenta exibindo uma sobreposição significativa de intensidades entre a fase sólida e a fase nula, é necessária uma validação da binarização da imagem utilizando a massa da fase sólida36. - Separe as partículas individuais das fatias de TC binarizadas usando um algoritmo de divisor de águas baseado em marcadores e armazene os resultados em uma imagem rotulada em 3D (Figura 3F). Valide os resultados comparando a distribuição de tamanho de partícula calculada da imagem de TC com as de um teste de peneiramento mecânico.
Nota: o módulo separar objetos do software Avizo Fire pode ser usado para implementar este algoritmo. Remova as pedras porosas das fatias binarizadas do CT usando a beira do módulo matança do fogo de Avizo. Para adquirir um resultado confiável de separação de partículas, os leitores são sugeridos para tentar diferentes algoritmos de segmentação de partículas37,38,39.
- Implementar a recuperação de fase (Figura 3B) de projeções RAW CT (Figura 3a) da amostra utilizando o software livre Pitre34. Projecções de carga (incluindo as projecções planas e escuras) no PITRE a partir da imagem de carregamentodo menu. Clique no ícone Ppci. Insira os parâmetros de digitalização relevantes e clique em único para implementar a recuperação de fase.
- Análise de imagem
- Extraia as propriedades das partículas da imagem rotulada. Um script MATLAB é usado para extrair propriedades de partículas, incluindo volume de partículas, área de superfície de partícula, orientação de partículas e coordenadas centróides de partículas.
Observação: as funções intrínsecas do MATLAB regionprops, bwprim e PCA são usadas para adquirir essas propriedades de cada partícula. Uma descrição mais detalhada destes procedimentos pode ser encontrada no trabalho de Cheng e Wang28. - Extraia voxels do contato das fatias binarizadas do CT pela execução de uma operação lógica e entre a imagem binária das fatias do CT (Figura 4) e uma imagem binária das linhas bacia hidrográfica adquiridas da aplicação do marcador-baseado algoritmo da bacia hidrográfica31.
Nota: o excesso de detecção de voxels de contato pode ocorrer devido ao efeito de volume parcial e ao ruído aleatório das imagens CT40,41. No entanto, um ligeiro excesso de detecção de contatos entre partículas não teria efeitos significativos sobre a tendência geral do comportamento de evolução de contato entre partículas42.
- Extraia as propriedades das partículas da imagem rotulada. Um script MATLAB é usado para extrair propriedades de partículas, incluindo volume de partículas, área de superfície de partícula, orientação de partículas e coordenadas centróides de partículas.
4. exploração da TC baseada em imagem do comportamento mecânico em escala de grãos de solos
Nota: a seguinte análise baseada em imagem não é aplicável a partículas ou amostras Idealisticamente esféricas com faixas de nivelamento muito estreitas (i.e., amostras monodispersa). No entanto, para partículas com alta redondez e baixa classificação (por exemplo, 0,3 ~ 0.6 mm contas de vidro), a metodologia produz bons resultados (ver Cheng e Wang31).
- Quantificar a cinemática de partículas da amostra. Use um método de rastreamento de partículas para rastrear partículas individuais dentro da amostra em diferentes varreduras com base em volume de partículas ou área de superfície de partícula. Uma descrição detalhada deste método é dada em Cheng e Wang28.
- Calcule a tradução de cada partícula durante duas verificações consecutivas. É calculado como a diferença nas coordenadas centróides de partículas entre as duas varreduras.
- Determine o ângulo de rotação de cada partícula de acordo com a diferença em suas principais orientações do eixo principal entre as duas varreduras.
- Quantifique o campo de deformação da amostra. Use um método baseado em grade para calcular o campo de deformação durante quaisquer duas verificações consecutivas com base na conversão de partículas e na rotação de partículas.
Observação: o método requer as imagens rotuladas da amostra de ambas as varreduras e os resultados de cinemática de partícula. Os leitores são encaminhados para um trabalho anterior24 para uma descrição detalhada. - Analise a evolução do contato entre partículas da amostra. Com base nos voxels de contato extraídos, nas imagens rotuladas de partículas e nos resultados de rastreamento de partículas, analise a orientação vetorial de ramificação dos contatos perdidos e os contatos obtidos dentro da amostra durante cada incremento de cisalhamento.
Nota: uma descrição completa deste método é dada em Cheng e Wang31.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
A Figura 5 retrata os resultados da cinemática da partícula de uma amostra de areia de Leighton Buzzard (lbs) em uma fatia 2D durante dois incrementos típicos de cisalhamento, I e II. A maioria das partículas são controladas com sucesso e suas traduções e rotações são quantificadas seguindo o protocolo acima. Durante o primeiro incremento de cisalhamento, nem deslocamentos de partículas nem rotações de partículas mostram uma localização clara. No entanto, uma banda localizada é desenvolvida no mapa de deslocamento de partículas e no mapa de rotação de partículas durante o segundo incremento de cisalhamento. A Figura 6 mostra os mapas de deformação octaédrica e volumétrica da amostra durante os dois incrementos de cisalhamento. Uma zona de localização clara é observada nos mapas de deformação no segundo incremento de cisalhamento, demonstrando a capacidade do método de visualizar a falha de areia corte triaxial. A Figura 7 retrata a frequência de orientação normalizada de vetores de filial de contatos adquiridos e contatos perdidos na amostra durante os dois incrementos de cisalhamento. Os contatos perdidos exibem uma preferência direcional clara para a direção de tensão principal menor (ou seja, a direção horizontal) durante ambos os incrementos de cisalhamento.
Figura 1: configuração do Micro CT do raio X e dispositivo de carregamento triaxial. (A) um aparelho triaxial utilizado em conjunto com uma configuração de TC de raios-X micro. (B) uma visão ampliada da instalação do aparelho triaxial durante o teste triaxial. (C) aparato triaxial de um ângulo diferente. Este número foi modificado de Cheng e Wang28. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: o processo de fazer uma amostra. (A) instalação de uma pedra porosa e uma membrana na placa de base, (B) instalação de um fabricante de amostras, (C) criação de sucção dentro do fabricante da amostra, (D) soltando partículas de areia no fabricante da amostra, (E) instalação de outra pedra porosa e uma placa de almofada em cima da amostra de areia, e (F) remoção do fabricante da amostra da placa de base. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: processamento de imagem de imagens de TC. (A) projeção CT crua, (B) a projeção do CT após a recuperação da fase, (C) uma fatia horizontal reconstruída do CT, (D) a fatia do CT após a filtração da imagem, (e) a fatia do CT após a binarização da imagem, e (F) o Corte do CT após a separação da partícula. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: ilustração da extração de contatos entre partículas de lbs em fatias 2D. (A) implementação de uma operação lógica e entre a imagem binária de uma fatia de TC e a imagem binária de linhas de bacias hidrográficas, e (B) um contato típico de duas partículas de lbs no espaço 3D (as partículas são mostradas em verde e azul e o contato é mostrado em vermelho). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: resultados típicos de cinemática de partícula de uma amostra de lbs durante dois incrementos de cisalhamento. (A) stress – curva de deformação da amostra compressão triaxial, (B) deslocamentos de partículas e rotações de partículas da amostra durante o incremento de cisalhamento I, e (C) deslocamentos de partículas e rotações de partículas da amostra durante incremento de cisalhamento II. Este número foi modificado de Cheng e Wang24. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: campos de deformação típicos de LBS durante dois incrementos de cisalhamento.
(A) estirpe de cisalhamento octaédrica e estirpe volumétrica da amostra durante o incremento de cisalhamento I. (B) estirpe de cisalhamento octaédrica e estirpe volumétrica da amostra durante o incremento de cisalhamento II. Este número foi modificado de Cheng e Wang24. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: resultados típicos da evolução do contato entre partículas de lbs durante dois incrementos de cisalhamento. (A) frequência de orientação normalizada de vetores de filiais de contatos adquiridos e contatos perdidos de lbs durante o incremento de cisalhamento I. (B) frequência de orientação normalizada de vetores de filiais de contatos adquiridos e contatos perdidos de lbs durante a cisalhamento incremento II. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
A alta resolução espacial de raios X micro-TC e técnicas avançadas de processamento e análise de imagens permitiram a investigação experimental do comportamento mecânico de solos granulares cisalhamento em níveis multiescala (i.e., em escala macro, meso-Scale e níveis de grão-escala). No entanto, as investigações de meso-e de grão-escala baseadas em TC requerem a aquisição de imagens de TC de alta resolução espacial de amostras de solo durante o carregamento. O aspecto mais desafiador deste processo é talvez a fabricação de um aparelho de carregamento triaxial em miniatura que pode ser usado em conjunto com um micro dispositivo de TC de raios-X. Um deve fazer uma consideração total do tamanho de amostra exigido, tensões e taxas do carregamento, além do que as limitações de dispositivos do Micro CT do raio X tais como a definição espacial, a área de exploração e a capacidade de carga da fase de rotação.
A determinação da energia óptima do raio X e do tempo de exposição pode ser demorado mas é crucial à aquisição de imagens de alta qualidade do CT. Recomenda-se que os usuários tentem energias e tempos de exposição diferentes durante sua primeira varredura e determinem um tempo apropriado da energia e da exposição de acordo com a qualidade das fatias reconstruídas. Além disso, amostras com diferentes porosidades iniciais podem ser produzidas durante a preparação da amostra, soltando partículas de areia no molde de amostra de diferentes alturas. No entanto, por causa do pequeno tamanho amostral, a produção de uma amostra com uma porosidade inicial específica é mais difícil em comparação aos testes triaxiais convencionais. Para produzir uma amostra com uma porosidade inicial que está perto de um valor específico para o teste triaxial com tomografia computadorizada, os usuários são recomendados para a prática de produção de amostras com antecedência.
Comparado ao teste triaxial convencional, o teste triaxial in situ diminuto tem a vantagem de poder explorar o comportamento mecânico da grão-escala de solos granulados, incluindo a cinemática da grão, a localização da tensão e o contato da Inter-partícula interação, etc. Atualmente, um método alternativo popular para investigar o comportamento mecânico da grão-escala de solos granulados é DEM. Embora esta técnica permita a modelagem do comportamento mecânico da areia condições de carregamento complexas, as formas da grão e os modelos de contato são geralmente simplificados para conseguir a eficiência de computação elevada em a maioria de estudos do DEM. Nesta situação, a informação da grão-escala extraída da areia real usando este protocolo é precisada para a validação melhorada de modelos do DEM em níveis multi-Scale. Outra vantagem do método introduzido para o cálculo da deformação baseada em imagem do TC é a incorporação da rotação de partículas no cálculo da deformação. O método de cálculo de deformação foi mostrado para produzir resultados de deformação mais confiáveis do que um método mesh-base sem considerar os efeitos das rotações de partículas24.
Mesmo com suas muitas vantagens, usar o micro CT do raio X para estudar a evolução do contato da Inter-partícula de solos granulados pode sofrer da excesso-deteção de contatos da Inter-partícula. A exatidão dos resultados da deteção da Inter-partícula confia fortemente na definição Spatial do Micro-CT do raio X. Isto é devido ao efeito de volume parcial do Micro-CT do raio X, em que duas partículas isoladas que têm uma distância menor do que o tamanho de um VOXEL podem ser identificadas como duas partículas de contato. Felizmente, a tendência geral da evolução do contato entre partículas em solos granulares foi encontrada como não afetada pela detecção de contatos entre partículas. Enquanto isso, a incapacidade de extrair forças de contato entre partículas dentro de solos granulares é outra desvantagem do microtc de raios X em comparação com os estudos DEM43,44,45,46,47 e estudos foto-elásticos48,49. Além disso, por causa da investigação acima mencionada do CT da grão-escala baseada na imagem exigida para identificar corretamente e extrair partículas individuais das imagens do CT, a aplicação deste método aos solos com formas altamente irregulares da partícula ou altamente os solos esmagáveis que contêm vazios intra-Particle irregulares são muito desafiantes.
No futuro, o teste triaxial in situ, fornecendo dados amplos sobre a forma de grãos e a cinemática de grãos, facilitará a incorporação de formas de partículas reais na modelagem DEM. Posteriormente, a modelagem de DEM baseada em imagem do TC fornecerá uma melhor compreensão do comportamento mecânico em escala de grãos de solos granulares carga. Enquanto isso, dada a capacidade de extrair as forças de contato entre partículas50, uma combinação de difração de raios x com micro-TC de raios x para o teste triaxial in situ será útil para a extração de informações completas em escala de grãos (ou seja, ambos os grãos e forças de contato de grãos) de solos granulares cisalhamento.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este estudo foi apoiado pelo fundo geral de pesquisa não. CityU 11213517 do Conselho de concessão da pesquisa do SAR de Hong Kong, concessão n. º 51779213 da pesquisa da Fundação Nacional da ciência de China, e do beamline BL13W da facilidade Synchrotron da radiação de Shanghai (SSRF).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Confining pressure offering device | GDS | STDDPC | |
| De-aired water | N/A | N/A | Water de-aired in the lab |
| Leighton Buzzard sand | Artificial Grass Cambridge | Drained Industrial Sand 25 kg | Can be replaced with different soils |
| Miniature triaxial loading device | N/A | N/A | The miniature loading device is specially fabricated by the authors |
| Silicon grease | RS company | RS 494-124 | |
| Synchrotron radiation X-ray micro CT setup | Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF) | 13W1 | The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF |
| Vacuum pump | Hong Kong Labware Co., ltd. | Rocker 300 |
References
- Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
- Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
- Iwashita, K., Oda, M. Rolling resistance at contacts in simulation of shear band development by DEM. Journal of Engineering Mechanics. 124 (3), 285-292 (1998).
- Jiang, M. J., Yu, H. S., Harris, D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistance. Computers and Geotechnics. 32 (5), 340-357 (2005).
- Ai, J., Chen, J. F., Rotter, J. M., Ooi, J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations. Powder Technology. 206 (3), 269-282 (2011).
- Zhou, B., Huang, R., Wang, H., Wang, J. DEM investigation of particle anti-rotation effects on the micromechanical response of granular materials. Granular Matter. 15 (3), 315-326 (2013).
- Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
- Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
- Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
- Wiącek, J., Molenda, M., Horabik, J., Ooi, J. Y. Influence of grain shape and intergranular friction on material behavior in uniaxial compression: Experimental and DEM modeling. Powder Technology. , 435-442 (2012).
- Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
- Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
- Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
- Konagai, K., Tamura, C., Rangelow, P., Matsushima, T. Laser-aided tomography: a tool for visualization of changes in the fabric of granular assemblage. Structural Engineering/Earthquake Engineering. 9 (3), 193-201 (1992).
- Johns, R. A., Steude, J. S., Castanier, L. M., Roberts, P. V. Nondestructive measurements of fracture aperture in crystalline rock cores using X ray computed tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 98 (2), 1889-1900 (1993).
- Ohtani, T., Nakano, T., Nakashima, Y., Muraoka, H. Three-dimensional shape analysis of miarolitic cavities and enclaves in the Kakkonda granite by X-ray computed tomography. Journal of Structural Geology. 23 (11), 1741-1751 (2001).
- Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
- Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using directional parameters. Géotechnique. 63 (6), 487-499 (2013).
- Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using scalar parameters. Géotechnique. 63 (10), 818-829 (2013).
- Desrues, J., Chambon, R., Mokni, M., Mazerolle, F. Void ratio evolution inside shear bands in triaxial sand specimens studied by computed tomography. Géotechnique. 46 (3), 529-546 (1996).
- Lenoir, N., Bornert, M., Desrues, J., Bésuelle, P., Viggiani, G. Volumetric digital image correlation applied to X-ray microtomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock. Strain. 43 (3), 193-205 (2007).
- Higo, Y., Oka, F., Sato, T., Matsushima, Y., Kimoto, S. Investigation of localized deformation in partially saturated sand under triaxial compression using microfocus X-ray CT with digital image correlation. Soils and Foundations. 53 (2), 181-198 (2013).
- Alikarami, R., Andò, E., Gkiousas-Kapnisis, M., Torabi, A., Viggiani, G. Strain localisation and grain breakage in sand under shearing at high mean stress: insights from in situ X-ray tomography. Acta Geotechnica. 10 (1), 15-30 (2015).
- Cheng, Z., Wang, J. Quantification of the strain field of sands based on X-ray micro-tomography: A comparison between a grid-based method and a mesh-based method. Powder Technology. , 314-334 (2019).
- Hall, S. A., Bornert, M., Desrues, J., Pannier, Y., Lenoir, N., Viggiani, G., Bésuelle, P. Discrete and continuum analysis of localised deformation in sand using X-ray μCT and volumetric digital image correlation. Géotechnique. 60 (5), 315-322 (2010).
- Andò, E., Hall, S. A., Viggiani, G., Desrues, J., Bésuelle, P. Grain-scale experimental investigation of localised deformation in sand: a discrete particle tracking approach. Acta Geotechnica. 7 (1), 1-13 (2012).
- Watanabe, Y., Lenoir, N., Otani, J., Nakai, T. Displacement in sand under triaxial compression by tracking soil particles on X-ray CT data. Soils and Foundations. 52 (2), 312-320 (2012).
- Cheng, Z., Wang, J. A particle-tracking method for experimental investigation of kinematics of sand particles under triaxial compression. Powder Technology. 328, 436-451 (2018).
- Matsushima, T., Katagiri, J., Uesugi, K., Nakano, T., Tsuchiyama, A. Micro X-ray CT at Spring-8 for granular mechanics. Soil Stress-Strain Behavior: Measurement, Modeling and Analysis. A Collection of Papers of the Geotechnical Symposium in Rome. 146, 225-234 (2006).
- Andò, E., Viggiani, G., Hall, S. A., Desrues, J. Experimental micro-mechanics of granular media studied by X-ray tomography: recent results and challenges. Géotechnique Letters. 3, July-September 142-146 (2013).
- Cheng, Z., Wang, J. Experimental investigation of inter-particle contact evolution of sheared granular materials using X-ray micro-tomography. Soils and Foundations. 58 (6), 1492-1510 (2018).
- Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Ooi, J. Y., Viggiani, G. Evolution of deformation and breakage in sand studied using X-ray tomography. Géotechnique. , 1-11 (2017).
- Cheng, Z., Wang, J. F., Coop, M. R., Ye, G. L. A miniature triaxial apparatus for investigating the micromechanics of granular soils with in-situ X-ray micro-tomography scanning. Frontiers of Structural and Civil Engineering. , (2019).
- Chen, R. C., Dreossi, D., Mancini, L., Menk, R., Rigon, L., Xiao, T. Q., Longo, R. PITRE: software for phase-sensitive X-ray image processing and tomography reconstruction. Journal of Synchrotron Radiation. 19 (5), 836-845 (2012).
- Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
- Karatza, Z. Study of temporal and spatial evolution of deformation and breakage of dry granular materials using X-ray computed tomography and the discrete element method. , University of Edinburgh. PhD Thesis (2017).
- Shi, Y., Yan, W. M. Segmentation of irregular porous particles of various sizes from X-ray microfocus computer tomography images using a novel adaptive watershed approach. Géotechnique Letters. 5 (4), 299-305 (2015).
- Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
- Lai, Z., Chen, Q. Reconstructing granular particles from X-ray computed tomography using the TWS machine learning tool and the level set method. Acta Geotechnica. 14 (1), 1-18 (2019).
- Wiebicke, M., Andò, E., Herle, I., Viggiani, G. On the metrology of interparticle contacts in sand from x-ray tomography images. Measurement Science and Technology. 28 (12), 1-14 (2017).
- Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Viggiani, G., Ooi, J. Y. Effect of particle morphology and contacts on particle breakage in a granular assembly studied using X-ray tomography. Granular Matter. 21 (3), 1-13 (2019).
- Cheng, Z. Investigation of the grain-scale mechanical behavior of granular soils under shear using X-ray micro-tomography. , City University of Hong Kong. PhD Thesis (2018).
- Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
- Kruyt, N. P., Rothenburg, L. Probability density functions of contact forces for cohesionless frictional granular materials. International Journal of Solids and Structures. 39 (3), 571-583 (2002).
- Marketos, G., Bolton, M. D. Quantifying the extent of crushing in granular materials: a probability-based predictive method. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 55 (10), 2142-2156 (2007).
- Cheng, Z., Wang, J. Quantification of particle crushing in consideration of grading evolution of granular soils in biaxial shearing: A probability-based model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 42 (3), 488-515 (2018).
- Zhou, B., Wang, J., Wang, H. A new probabilistic approach for predicting particle crushing in one-dimensional compression of granular soil. Soils and Foundations. 54 (4), 833-844 (2014).
- Geng, J., Reydellet, G., Clément, E., Behringer, R. P. Green's function measurements of force transmission in 2D granular materials. Physica D: Nonlinear Phenomena. 182, 274-303 (2003).
- Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
- Hurley, R. C., Hall, S. A., Andrade, J. E., Wright, J. Quantifying interparticle forces and heterogeneity in 3D granular materials. Physical Review Letters. 117 (9), 098005 (2016).
