Summary
El protocolo describe los procedimientos para adquirir imágenes de tomografía computarizada de alta resolución espacial (TC) de un suelo granular durante la compresión triaxial, y para aplicar técnicas de procesamiento de imágenes a estas imágenes de TC para explorar el comportamiento mecánico a granescala de el suelo bajo carga.
Abstract
El rápido desarrollo de técnicas de imágenes de rayos X con habilidades de procesamiento y análisis de imágenes ha permitido la adquisición de imágenes por TC de suelos granulares con resoluciones de alta espacial. Sobre la base de estas imágenes de TC, el comportamiento mecánico a escala de grano, como la cinemática de partículas (es decir, las traducciones de partículas y las rotaciones de partículas), la localización de deformaciones unitarias y la evolución del contacto entre partículas de suelos granulares pueden ser investigados cuantitativamente. Sin embargo, esto es inaccesible utilizando métodos experimentales convencionales. Este estudio demuestra la exploración del comportamiento mecánico a escala de grano de una muestra de suelo granular bajo compresión triaxial utilizando microtomografía de rayos X de sincrotrón (CT). Con este método, se utiliza un aparato de carga en miniatura especialmente fabricado para aplicar tensións axiales y de confinamiento a la muestra durante la prueba triaxial. El aparato está instalado en una configuración de tomografía de rayos X de sincrotrón para que las imágenes de TC de alta resolución espacial de la muestra puedan ser recogidas en diferentes etapas de carga de la prueba sin ninguna perturbación en la muestra. Con la capacidad de extraer información a escala macro (por ejemplo, tensiones de contorno de muestra y tensiones de la configuración del aparato triaxial) y la escala de grano (por ejemplo, movimientos de grano e interacciones de contacto de las imágenes de TC), este procedimiento proporciona un metodología eficaz para investigar la mecánica multiescala de suelos granulares.
Introduction
Es ampliamente reconocido que las propiedades mecánicas macroescala del suelo granular, como la rigidez, la resistencia al cizallamiento y la permeabilidad, son fundamentales para muchas estructuras geotécnicas, por ejemplo, cimentaciones, pendientes y presas de relleno de rocas. Durante muchos años, se han utilizado pruebas in situ y pruebas de laboratorio convencionales (por ejemplo, pruebas de compresión unidimensionales, pruebas de compresión triaxial y pruebas de permeabilidad) para evaluar estas propiedades en diferentes suelos. También se han desarrollado códigos y normas para probar las propiedades mecánicas del suelo con fines de ingeniería. Si bien estas propiedades mecánicas a gran escala se han estudiado intensamente, el comportamiento mecánico a granel (por ejemplo, cinemática de partículas, interacción de contacto y localización de deformación unitaria) que rige estas propiedades ha atraído mucha menos atención de ingenieros e investigadores. Una razón es la falta de métodos experimentales eficaces disponibles para explorar el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos.
Hasta ahora, la mayor parte de la comprensión del comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares proviene del modelado de elementos discretos1 (DEM), debido a su capacidad para extraer información a escala de partículas (por ejemplo, cinemática de partículas y contacto con partículas fuerzas). En estudios anteriores sobre el uso de técnicas DEM para modelar comportamientos mecánicos granulares del suelo, cada partícula individual estaba representada simplemente por un solo círculo o esfera en el modelo. El uso de tales formas de partículas demasiado simplificadas ha llevado a la rotación excesiva de partículas y, por lo tanto, a un comportamiento de resistencia pico más baja2. Para lograr un mejor rendimiento de modelado, muchos investigadores han utilizado un modelo de resistencia a la rodaduramodelo 3,4,5,6 o formas de partículas irregulares7,8, 9,10,11,12 en sus simulaciones DEM. Como resultado, se ha adquirido una comprensión más realista del comportamiento cinemático de partículas. Aparte de la cinemática de partículas, DEM se ha utilizado cada vez más para investigar la interacción de contacto con granos y para desarrollar modelos teóricos. Sin embargo, debido al requisito de reproducir formas de partículas reales y el uso de modelos de contacto sofisticados, DEM requiere una capacidad computacional extremadamente alta en el modelado de suelos granulares con formas irregulares.
Recientemente, el desarrollo de equipos ópticos y técnicas de imagen (por ejemplo, el microscopio, la tomografía asistida por láser, la tomografía computarizada por rayos X (TC) y la microtomografía de rayos X (CT)) ha proporcionado muchas oportunidades para el examen experimental de la comportamiento mecánico a escala de granos de suelos granulares. Mediante la adquisición y análisis de imágenes de muestras de suelo antes y después de las pruebas triaxiales, tales equipos y técnicas se han utilizado en la investigación de las microestructuras del suelo13,14,15,16 ,17,18,19. Más recientemente, las pruebas in situ con TC de rayos X o TC se han utilizado cada vez más para investigar la evolución de la relación de vacío20, distribución de cepas21,22,23,24, movimiento de partículas25,26,27,28, contacto entre partículas29,30,31 y trituración de partículas32 de suelos granulares. Aquí, "in situ" implica el escaneo de rayos X realizado al mismo tiempo que la carga. A diferencia del escaneo general de rayos X, las pruebas de escaneo de rayos X in situ requieren un aparato de carga especialmente fabricado para proporcionar tensiones a las muestras de suelo. Con el uso combinado del aparato de carga y el dispositivo de TC de rayos X o CT, las imágenes de TC de las muestras en diferentes etapas de carga de las pruebas se pueden adquirir de forma no destructiva. Sobre la base de estas imágenes de TC, se pueden adquirir observaciones a escala de partículas del comportamiento granular del suelo. Estas observaciones a nivel de partículas basadas en imágenes de TC son extremadamente útiles para verificar los hallazgos numéricos y obtener nuevos conocimientos sobre el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares.
Este artículo tiene como objetivo compartir los detalles de cómo se puede llevar a cabo una prueba de escaneo in situ de rayos X de una muestra de suelo, utilizando un experimento ejemplar que observa la cinemática de partículas, la localización de la tensión y la evolución del contacto entre partículas dentro de una muestra de suelo. Los resultados muestran que las pruebas de exploración in situ de rayos X tienen un gran potencial para explorar el comportamiento a nivel de grano de los suelos granulares. El protocolo cubre la elección del dispositivo de rayos X de CT y la preparación de un aparato de carga triaxial en miniatura, y se proporcionan procedimientos detallados para llevar a cabo la prueba. Además, los pasos técnicos para utilizar el procesamiento y análisis de imágenes para cuantificar la cinemática de partículas (es decir, la traslación de partículas y la rotación de partículas), la localización de deformaciones unitarias y la evolución del contacto entre partículas (es decir, ganancia de contacto, pérdida de contacto y movimiento de contacto) del suelo.
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Protocol
1. Diseñar el experimento con bastante antelación
- Determine el material de prueba, el tamaño de partícula, el tamaño de la muestra y la porosidad inicial de la muestra.
NOTA: La arena de Leighton Buzzard con un diámetro de 0,15 x 0,30 mm y un tamaño de muestra de 8 x 16 mm (Diámetro x Altura) se utiliza como ejemplo para demostrar el protocolo de este estudio. También se pueden utilizar otras arenas de Fujian, arena de Houston, arena de Ottawa y ooides de Caicos, etc. y tamaños de muestra similares. - Elija un detector adecuado(Figura 1A) de acuerdo con la resolución espacial requerida y el área de escaneo, que se determinan de acuerdo con el tamaño de partícula predeterminado y el tamaño de la muestra. Por ejemplo, en este estudio se utiliza un detector con una resolución espacial de 6,5 m. Tiene un área de escaneo efectiva de 2048 x 860 píxeles (es decir, 13,3 x 5,6 mm).
NOTA: Durante una prueba de compresión triaxial, la muestra deformada debe permanecer en la región de escaneo del detector. Se debe utilizar un detector de resolución de alta superficie para que las partículas individuales contengan vóxeles suficientes para la extracción adecuada de las propiedades de las partículas. - Determinar la energía requerida de la fuente de rayos X(Figura 1A)y el tiempo de exposición de acuerdo con el material de prueba y el tamaño de la muestra. Generalmente, se debe utilizar una energía más alta para una muestra más grande compuesta de un material más denso. Utilice una energía de rayos X de 25 keV y un tiempo de exposición de 0,05 s para las muestras de arena en este estudio.
NOTA: La energía de rayos X y el tiempo de exposición requeridos se pueden determinar mediante ensayo y error utilizando una proyección escaneada de la muestra. La relación entre la intensidad mínima en escala de grises de la proyección y su valor máximo no debe ser inferior a 0,2. De lo contrario, se debe utilizar una mayor energía de rayos X o un tiempo de exposición más largo. - Determinar la velocidad de rotación requerida ( grados por segundo) para la etapa de rotación(Figura 1A) del dispositivo de rayos X. La velocidad de rotación se calcula de acuerdo con el número requerido de proyecciones N (por ejemplo, N a 1.080) para la reconstrucción de la rebanada de TC.
NOTA: 180 V/N. Aquí, Vs es la velocidad de escaneo del dispositivo de rayos X, es decir, el número de radiografías escaneadas y grabadas por segundo. Vs se ve afectado principalmente por el rendimiento del detector y el hardware asociado con el detector, como el ordenador. - Fabricar un aparato de carga triaxial(Figuras 1B,C, véase también la referencia 33) para ser utilizado en conjunto con el dispositivo de rayos X de TC. El aparato debe tener las mismas funciones principales que un aparato de compresión triaxial convencional. El diseño debe tener en cuenta el requisito del tamaño de la muestra, la gama de tensiones de confinamiento y las tasas de carga.
NOTA: El aparato debe ser capaz de encajar en el dispositivo de rayos X de TC y ser ligero para facilitar su rotación utilizando la etapa de rotación. La célula triaxial debe ser transparente a los rayos X. Teniendo en cuenta el requisito de transparencia, el acrílico y el policarbonato podrían utilizarse para fabricar la célula triaxial. - Realice una prueba con la misma presión de confinamiento, velocidad de carga y propiedades de la muestra (es decir, material, tamaño de la muestra y porosidad inicial) fuera del escáner de TC de rayos X para planificar cuándo pausar la carga para la exploración por TC.
2. Realización de pruebas de compresión triaxial in situ
- Coloque el equipo de carga triaxial y el material de prueba en el lugar.
NOTA: El aparato de carga y el dispositivo de oferta de presión de confinamiento (consulte la Tabla de materiales)se colocan en la sala de exploración por TC de rayos X, mientras que los dispositivos de adquisición y control de datos se encuentran en el exterior. La carga triaxial y la exploración por TC de la muestra se operan fuera de la sala de escaneo. - Fijar una etapa de elevación en la placa del dispositivo de rayos X micro CT (Figura 1B). Fijar una etapa de inclinación en la etapa de elevación y una etapa de rotación en la etapa de inclinación, respectivamente(Figura 1B).
NOTA: La etapa de elevación y la etapa de inclinación deben tener suficiente capacidad de carga para mover el equipo correspondiente colocado sobre ellos. - Ajuste la posición y la orientación de la etapa de rotación a través de la etapa de inclinación de modo que cualquier rayo X pase a través de los mismos puntos dentro de la muestra cuando se gira a través de 180 grados alrededor del eje de la etapa de rotación.
NOTA: Los pasos 2.2 a 2.3 son aplicables al dispositivo de micro TC de rayos X en el Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). Para los dispositivos de micro TC de rayos X utilizados específicamente para pruebas triaxiales in situ, estos pasos se pueden omitir después del posicionamiento cuidadoso y la fijación de la etapa de rotación. - Prepare una muestra de suelo en la pizarra de acuerdo con los siguientes procedimientos.
- Agregue una pequeña cantidad de grasa de silicona alrededor de la superficie lateral del extremo superior de la placa base y coloque una piedra porosa en su superficie superior. Coloque una membrana alrededor de la superficie lateral del extremo superior(Figura 2A).
- Agregue una pequeña cantidad de grasa de silicona en las superficies de contacto entre las dos partes del fabricante de muestras y escóndala. Coloque el fabricante de muestras en la placa base y deje que la membrana pase a través de ella(Figura 2B).
- Cree succión (por ejemplo, 25 kPa) dentro del fabricante de muestras a través de su boquilla utilizando una bomba de vacío. Fije la membrana a la superficie lateral de su extremo superior. Asegúrese de que la membrana esté unida a la superficie interna del fabricante de muestras(Figura 2C).
- Suelte el material granular de prueba desde una cierta altura en el fabricante de muestras utilizando un embudo hasta que esté completamente lleno. La superficie superior de la muestra de suelo debe ser el mismo nivel que el borde superior del fabricante de muestras(Figura 2D).
- Coloque otra piedra porosa enlaparte de la muestra de suelo, y una placa de cojín de acero inoxidable en la parte superior de la piedra porosa. Aplique un poco de grasa de silicona alrededor de la superficie lateral de la placa de cojín. Retire la parte superior de la membrana del fabricante de muestras y fíjela en la placa de cojín(Figura 2E).
- Retire la succión dentro de la boquilla del fabricante de muestras y cree una succión dentro de la válvula en la placa base. Por último, retire el fabricante de muestras. Se produce una muestra seca en miniatura, como se ve en la Figura 2F.
NOTA: Este paso demuestra el procedimiento de producción de una muestra de suelo en miniatura utilizando el método de pluviación de aire. El método tradicional de compactación en seco también se puede utilizar para producir la muestra.
- Fije la celda de confinamiento en la placa base y fije la placa superior de la cámara en la parte superior de la celda de confinamiento(Figura 1C).
- Fijar el eje del pistón de la celda en la placa superior de la cámara (Figura 1C).
- Coloque la placa base junto con la celda de confinamiento y la placa superior de la cámara en la etapa de rotación. Un marco se utiliza para ajustar la altura de la muestra para la exploración por TC(Figura 1B).
NOTA: Este marco se utiliza debido al rango de movimiento limitado de la etapa de elevación en SSRF. No es necesario utilizar un marco si se utiliza una etapa de elevación con un amplio rango de movimiento. - Fije el resto del aparato de carga en la placa superior de la cámara.
- Instale el transformador diferencial variable lineal (LVDT), la célula de carga y el motor paso a paso y actívelos(Figura 1C).
- Llene la celda con agua desventilada a través de la válvula de presión celular (CP) (ver Figura 1C) utilizando el agua suministrada desde un dispositivo de ofrenda de presión de confinamiento (ver Tabla de Materiales). Cierre la válvula de salida de agua (WE) (consulte la Figura 1C) cuando el agua comience a salir de la válvula.
NOTA: Ajuste el dispositivo de oferta de presión de confinamiento al modo de presión constante con un valor de presión constante muy bajo (por ejemplo, 10 kPa). - Añadir una presión de confinamiento constante de 25 kPa a la muestra y eliminar la succión dentro de la muestra.
- Aumente gradualmente la presión de confinamiento a un valor predeterminado utilizando el dispositivo de oferta de presión de confinamiento.
- Realice la primera exploración de la muestra. Para un escáner CT de alta resolución espacial (por ejemplo, con un tamaño de píxel de 6,5 m), un escaneo completo de la muestra (por ejemplo, con una altura de 16 mm) normalmente requiere que la muestra se escanee a varias alturas diferentes (es decir, el escaneo se divide en varias secciones).
NOTA: Si se utiliza un detector de baja resolución espacial y una muestra de tamaño pequeño, el área de escaneo podría ser suficiente para adquirir un escaneo de campo completo de la muestra utilizando una sola sección.- Escanee una sección de la muestra. Ajuste el escáner CT al modo de captura de imagen y luego inicie la etapa de rotación para girar todo el aparato a través de 180 grados a una velocidad de rotación constante predeterminada (por ejemplo, 3,33 grados/s) para capturar proyecciones de TC de la muestra en diferentes ángulos.
NOTA: Se sugiere que la muestra se escanee desde la parte inferior hacia arriba (es decir, la primera sección contiene todas las partículas ubicadas en la parte inferior de la muestra). - Desactive el modo captura de imagen cuando finalice la rotación. Gire el aparato de nuevo a la posición inicial.
- Levante la muestra junto con todo el aparato utilizando la etapa de elevación(Figura 1B)por una cierta altura (por ejemplo, 4 mm) para escanear la siguiente sección de la muestra.
NOTA: El levantamiento debe garantizar que haya una superposición entre la sección actual y la última sección (es decir, hay una superposición entre dos secciones consecutivas). La superposición debe ser de al menos 10 píxeles para facilitar la costura de los mismos. - Repita los pasos 2.13.1-2.13.3 hasta que se escanee la última sección de la muestra.
- Escanee una sección de la muestra. Ajuste el escáner CT al modo de captura de imagen y luego inicie la etapa de rotación para girar todo el aparato a través de 180 grados a una velocidad de rotación constante predeterminada (por ejemplo, 3,33 grados/s) para capturar proyecciones de TC de la muestra en diferentes ángulos.
- Aplique una carga axial en la muestra con una velocidad de carga constante. Aquí, una tasa de carga de 0.2%/min se utiliza en este estudio. Los usuarios pueden establecer una velocidad de carga diferente según el requisito del experimento.
- Detenga la carga axial en una tensión axial predeterminada. Espere hasta que la fuerza axial medida alcance un valor constante (generalmente dentro de 2 min) y realice la siguiente exploración. Los procedimientos de análisis son los mismos que se muestran en el paso 2.13.
- Repita los pasos 2.14 y 2.15 hasta el final de la carga.
- Descargue la prueba y retire la muestra del aparato triaxial.
- Instale la placa base y la celda de confinación en la etapa de rotación para adquirir varias proyecciones planas (generalmente 10 proyecciones) del detector. Apague la fuente de rayos X para adquirir el mismo número de proyecciones oscuras del detector.
NOTA: Las proyecciones planas y oscuras se utilizan para la recuperación de fase de proyecciones de TC sin procesar. La implementación de la corrección plana y oscura mejora el contraste entre la muestra y el fondo circundante en las rodajas de TC reconstruidas. También ayuda a aliviar los artefactos de anillo resultantes de píxeles defectuosos del detector.
3. Procesamiento y análisis de imágenes
- Procesamiento de imágenes
- Implementar la recuperación de fase(Figura 3B) de proyecciones CT sin procesar(Figura 3A) del ejemplo utilizando el software libre PITRE34. Cargar proyecciones (incluidas las proyecciones planas y oscuras) en PITRE desde el menú Cargar imagen. Haga clic en el icono PPCI. Introduzca los parámetros de análisis relevantes y haga clic en Single para implementar la recuperación de fase.
NOTA: La implementación de la recuperación de fases proporciona una mejora de las interfaces entre diferentes fases (es decir, la fase nula y la fase sólida) en los sectores de TC reconstruidos, lo que es de importancia significativa para el análisis posterior basado en imágenes de contactos entre partículas. - Reconstruir las rebanadas de TC de la muestra utilizando PITRE basado en las proyecciones de TC después de la recuperación de fase(Figura 3C). Cargue las proyecciones en PITRE desde el menú Cargar imagen. Haga clic en el icono ProjSino. Introduzca los parámetros relevantes en la ventana que aparece y haga clic en Single para reconstruir un sector de TC.
NOTA: Compruebe las rodajas horizontales para asegurarse de que no haya artefactos de endurecimiento de vigas pesadas ni artefactos de anillo. De lo contrario, se requiere el cambio de los parámetros de análisis actuales y el reescaneo de la muestra. Compruebe los sectores verticales. Si la muestra se inclina severamente antes de la cizalla, la prueba se considera infructuosa. - Implemente el filtrado de imágenes en los sectores de TC. Se utiliza un filtro de difusión anisotrópico para realizar el filtrado de imágenes(Figura 3D).
- Realice la binarización de la imagen en los sectores de TC filtrados. Implemente la binarización de imagen(Figura 3E) aplicando un umbral de valor de intensidad a los sectores de TC, que se determina de acuerdo con el histograma de intensidad de los sectores de TC utilizando el método35de Otsu.
NOTA: Para los sectores CT con un histograma de intensidad a escala de grises que presentan una superposición significativa de intensidades entre la fase sólida y la fase nula, se requiere una validación de la binarización de imagen utilizando la masa de la fase sólida36. - Separe las partículas individuales de los sectores de TC binarizados utilizando un algoritmo de cuenca hidrográfica basada en marcadores y almacene los resultados en una imagen etiquetada en 3D(Figura 3F). Valide los resultados comparando la distribución del tamaño de partícula calculado de la imagen de TC con los de una prueba de tamizado mecánico.
NOTA: El módulo Objetos separados del software Avizo Fire se puede utilizar para implementar este algoritmo. Retire las piedras porosas de las rodajas de TC binarizadas usando el módulo Border Kill of Avizo Fire. Para obtener resultados fiables de separación de partículas, se sugiere a los lectores que prueben diferentes algoritmos de segmentación de partículas37,38,39.
- Implementar la recuperación de fase(Figura 3B) de proyecciones CT sin procesar(Figura 3A) del ejemplo utilizando el software libre PITRE34. Cargar proyecciones (incluidas las proyecciones planas y oscuras) en PITRE desde el menú Cargar imagen. Haga clic en el icono PPCI. Introduzca los parámetros de análisis relevantes y haga clic en Single para implementar la recuperación de fase.
- Análisis de imágenes
- Extraiga las propiedades de partículade la imagen etiquetada. Un script MATLAB se utiliza para extraer propiedades de partículas, incluidos el volumen de partículas, el área de superficie de partículas, la orientación de partículas y las coordenadas centroidedes de partículas.
NOTA: Las funciones intrínsecas de MATLAB regionprops, bwprim y pca se utilizan para adquirir estas propiedades de cada partícula. Una descripción más detallada de estos procedimientos se puede encontrar en el trabajo de Cheng y Wang28. - Extraiga los vóxeles de contacto de los sectores de TC binarizados mediante la implementación de una operación lógica Y entre la imagen binaria de los sectores de TC (Figura 4) y una imagen binaria de líneas de cuenca sin velofas adquiridas a partir de la implementación de los marcadores algoritmo de cuenca hidrográfica31.
NOTA: La sobredetección de los vóxeles de contacto podría producirse debido al efecto de volumen parcial y al ruido aleatorio de las imágenes DE TC40,41. Sin embargo, una ligera sobredetección de los contactos entre partículas no tendría efectos significativos en la tendencia general del comportamiento de evolución del contacto entre partículas42.
- Extraiga las propiedades de partículade la imagen etiquetada. Un script MATLAB se utiliza para extraer propiedades de partículas, incluidos el volumen de partículas, el área de superficie de partículas, la orientación de partículas y las coordenadas centroidedes de partículas.
4. Exploración basada en imágenes por TC del comportamiento mecánico a escala de granos de los suelos
NOTA: El siguiente análisis basado en imágenes no es aplicable a partículas o muestras esféricas idealistamente con rangos de explanación muy estrechos (es decir, muestras monodispersas). Sin embargo, para partículas con alta redondez y baja nivelación (por ejemplo, cuentas de vidrio de 0,3 x 0,6 mm), la metodología produce buenos resultados (véase Cheng y Wang31).
- Cuantificar la cinemática de partículas de la muestra. Utilice un método de seguimiento de partículas para realizar un seguimiento de partículas individuales dentro de la muestra en diferentes escaneos en función del volumen de partículas o del área de superficie de las partículas. Una descripción detallada de este método se da en Cheng y Wang28.
- Calcular la traducción de cada partícula durante dos escaneos consecutivos. Se calcula como la diferencia en las coordenadas centroide de partículas entre los dos escaneos.
- Determine el ángulo de rotación de cada partícula de acuerdo con la diferencia en sus orientaciones principales del eje principal entre los dos escaneos.
- Cuantifique el campo de cepa de la muestra. Utilice un método basado en cuadrícula para calcular el campo de deformación unitaria durante dos escaneos consecutivos basados en la traslación de partículas y la rotación de partículas.
NOTA: El método requiere las imágenes etiquetadas de la muestra tanto de los escaneos como de los resultados de la cinemática de partículas. Los lectores se refieren a una obra anterior24 para una descripción detallada. - Analizar la evolución del contacto entre partículas de la muestra. Basándose en los vóxeles de contacto extraídos, las imágenes etiquetadas de partículas y los resultados de seguimiento de partículas, analizan la orientación vectorial de la rama de los contactos perdidos y los contactos obtenidos dentro de la muestra durante cada incremento de cizallamiento.
NOTA: Una descripción completa de este método se da en Cheng y Wang31.
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Representative Results
La Figura 5 representa los resultados de la cinemática de partículas de una muestra de arena de Leighton Buzzard (LBS) en una rebanada 2D durante dos incrementos de cizallamiento típicos, I y II. La mayoría de las partículas se rastrean con éxito y sus traducciones y rotaciones se cuantifican siguiendo el protocolo anterior. Durante el primer incremento de cizallamiento, ni los desplazamientos de partículas ni las rotaciones de partículas muestran una localización clara. Sin embargo, se desarrolla una banda localizada tanto en el mapa de desplazamiento de partículas como en el mapa de rotación de partículas durante el segundo incremento de cizallamiento. La Figura 6 muestra los mapas de deformación unitaria octaédrica y volumétrica de la muestra durante los dos incrementos de cizallamiento. Una zona de localización clara se observa en los mapas de tensión en el segundo incremento de cizallamiento, lo que demuestra la capacidad del método para visualizar la falla de arena bajo cizallamiento triaxial. La Figura 7 representa la frecuencia de orientación normalizada de los vectores de rama de los contactos ganados y los contactos perdidos en la muestra durante los dos incrementos de cizallamiento. Los contactos perdidos muestran una clara preferencia direccional hacia la dirección de tensión principal menor (es decir, la dirección horizontal) durante ambos incrementos de cizallamiento.
Figura 1: Configuración de micro TC de rayos X y dispositivo de carga triaxial. (A) Un aparato triaxial utilizado junto con una configuración de micro TC de rayos X. (B) Una vista ampliada de la instalación del aparato triaxial durante las pruebas triaxiales. (C) Aparato triaxial desde un ángulo diferente. Esta cifra ha sido modificada de Cheng y Wang28. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: El proceso de elaboración de una muestra. (A) Instalación de una piedra porosa y una membrana en la placa base, (B) instalación de un fabricante de muestras, (C) creación de succión dentro del fabricante de muestras, (D) cayendo partículas de arena en el fabricante de muestras, (E) instalación de otra piedra porosa y una placa de cojín en la parte superior de la muestra de arena, y (F) eliminación del fabricante de muestras de la placa base. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Procesamiento de imágenes de TC. (A) Proyección de TC sin procesar, (B) la proyección de TC después de la recuperación de fase, (C) un sector de TC horizontal reconstruido, (D) el sector CT después de filtrar la imagen, (E) el sector CT después de la binarización de la imagen, y (F) el Rebanada de TC después de la separación de partículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Ilustración de la extracción de contactos entre partículas de LBS en rodajas 2D. (A) Implementación de una operación lógica Y entre la imagen binaria de un sector CT y la imagen binaria de las líneas de cuenca hidrográfica, y (B) un contacto típico de dos partículas LBS en el espacio 3D (las partículas se muestran en verde y azul y el contacto es se muestra en rojo). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Resultados típicos de la cinemática de partículas de una muestra de LBS durante dos incrementos de cizallamiento. (A) Curva de tensión-deformación unitaria de la muestra bajo compresión triaxial, (B) desplazamientos de partículas y rotaciones de partículas de la muestra durante el incremento de cizallamiento I, y (C) desplazamientos de partículas y rotaciones de partículas de la muestra durante incremento de cizallamiento II. Esta cifra ha sido modificada de Cheng y Wang24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Campos de deformación unitaria típicos de LBS durante dos incrementos de cizallamiento.
(A) Tensión de cizallamiento Octahedral y tensión volumétrica de la muestra durante el incremento de cizallamiento I. (B) Tensión de cizallamiento Octahedral y tensión volumétrica de la muestra durante el incremento de cizallamiento II. Esta cifra ha sido modificada de Cheng y Wang24. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Resultados típicos de la evolución del contacto entre partículas de LBS durante dos incrementos de cizallamiento. (A) Frecuencia de orientación normalizada de los vectores de rama de los contactos ganados y los contactos perdidos de LBS durante el incremento de cizallamiento I. (B) Frecuencia de orientación normalizada de los vectores de rama de los contactos ganados y los contactos perdidos de LBS durante el cizallamiento incremento II. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La micro-TC de rayos X de alta resolución espacial y las técnicas avanzadas de procesamiento y análisis de imágenes han permitido la investigación experimental del comportamiento mecánico de suelos granulares bajo cizallamiento a niveles a varias escalas (es decir, a escala macro, mesoescala y niveles de escala de granos). Sin embargo, las investigaciones a escala de meso y grano basadas en imágenes de TC requieren la adquisición de imágenes de TC de alta resolución espacial de muestras de suelo durante la carga. El aspecto más desafiante de este proceso es quizás la fabricación de un aparato de carga triaxial en miniatura que se puede utilizar junto con un dispositivo de micro TC de rayos X. Se debe tener en cuenta el tamaño de la muestra requerido, las tensiones de carga y las velocidades, además de las restricciones de los dispositivos de micro TC de rayos X, como la resolución espacial, el área de escaneo y la capacidad de carga de la etapa de rotación.
La determinación de la energía óptima de los rayos X y el tiempo de exposición puede llevar mucho tiempo, pero es crucial para la adquisición de imágenes de TC de alta calidad. Se recomienda que los usuarios prueben diferentes energías y tiempos de exposición durante su primera exploración y determinen una energía y tiempo de exposición adecuados de acuerdo con la calidad de las rebanadas reconstruidas. Además, se pueden producir muestras con diferentes porosidades iniciales durante la preparación de la muestra dejando caer partículas de arena en el molde de muestra desde diferentes alturas. Sin embargo, debido al pequeño tamaño de la muestra, producir una muestra con una porosidad inicial específica es más difícil en comparación con las pruebas triaxiales convencionales. Para producir una muestra con una porosidad inicial cercana a un valor específico para las pruebas triaxiales con tc computarizada, se recomienda a los usuarios que practiquen la producción de muestras con antelación.
En comparación con las pruebas triaxiales convencionales, las pruebas triaxiales in situ en miniatura tienen la ventaja de poder explorar el comportamiento mecánico a granescala de los suelos granulares, incluida la cinemática del grano, la localización de la tensión y el contacto entre partículas interacción, etc. Actualmente, un método alternativo popular para investigar el comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares es DEM. Aunque esta técnica permite el modelado del comportamiento mecánico de arena en condiciones de carga complejas, las formas de grano y los modelos de contacto generalmente se simplifican en exceso para lograr una alta eficiencia informática en la mayoría de los estudios DEM. En esta situación, la información a granescala extraída de la arena real utilizando este protocolo es necesaria para mejorar la validación de los modelos DEM a niveles a varias escalas. Otra ventaja del método introducido para el cálculo de deformación unitaria basado en imágenes CT es la incorporación de la rotación de partículas en el cálculo de la deformación unitaria. Se ha demostrado que el método de cálculo de deformación unitaria produce resultados de deformación unitaria más fiables que un método base de malla sin tener en cuenta los efectos de las rotaciones de partículas24.
Incluso con sus muchas ventajas, el uso de micro CT de rayos X para estudiar la evolución del contacto entre partículas de suelos granulares puede sufrir de una sobredetección de contactos entre partículas. La precisión de los resultados de detección entre partículas se basa en gran fuerza en la resolución espacial del micro-CT de rayos X. Esto se debe al efecto de volumen parcial de la micro-TC de rayos X, en el que dos partículas aisladas con una distancia menor que el tamaño de un voxel pueden identificarse como dos partículas en contacto. Afortunadamente, se encontró que la tendencia general de la evolución del contacto entre partículas dentro de suelos granulares no se ve afectada por la sobredetección de los contactos entre partículas. Mientras tanto, la incapacidad de extraer fuerzas de contacto entre partículas dentro de suelos granulares es otra desventaja de la micro-CT de rayos X en comparación con los estudios DEM43,44,45,46,47 y estudios foto-elásticos48,49. Además, debido a la investigación a escala de grano basada en imágenes DE TC antes mencionada según sea necesaria para identificar y extraer correctamente partículas individuales de imágenes de TC, la aplicación de este método a suelos con formas de partículas altamente irregulares o suelos triturables que contienen vacíos intrapartículas irregulares es muy difícil.
En el futuro, las pruebas triaxiales in situ que proporcionen amplios datos sobre la forma del grano y la cinemática del grano facilitarán la incorporación de formas de partículas reales en el modelado DEM. Posteriormente, el modelado DEM basado en imágenes de TC proporcionará una mejor comprensión del comportamiento mecánico a escala de grano de los suelos granulares en carga. Mientras tanto, dada la capacidad de extraer fuerzas de contacto entre partículas50, una combinación de difracción de rayos X con micro-CT de rayos X para pruebas triaxiales in situ será útil para la extracción de información a escala de grano completa (es decir, ambos granos cinemática y fuerzas de contacto de grano) de suelos granulares bajo cizallamiento.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este estudio fue apoyado por el Fondo General de Investigación No. CityU 11213517 del Consejo de Becas de Investigación de la RAE de Hong Kong, la Beca de Investigación No 51779213 de la Fundación Nacional de Ciencias de China, y la línea de haz BL13W del 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 |
References
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