JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

הפרוטוקול מתאר הליכים לרכישת טומוגרפיה מרחבית ברזולוציה גבוהה (CT) של אדמה גרעינית במהלך דחיסת טריצירית, ולהחיל טכניקות עיבוד תמונה לתמונות CT אלה כדי לחקור את ההתנהגות המכנית של התבואה הקרקע תחת טעינה.

Abstract

הפיתוח המהיר של טכניקות הדמיה רנטגן עם עיבוד תמונה ומיומנויות ניתוח אפשרה רכישת תמונות CT של קרקעות גרגירים עם רזולוציות גבוהות-מרחבית. בהתבסס על תמונות CT כאלה, התנהגות מכנית בקנה מידה גרעיניות כגון חלקיקים כגון חלקיק (כלומר, תרגומי חלקיקים וסבבים של חלקיקים), לוקליזציה של זנים והתפתחות בין חלקיקים של קרקעות גרגירים ניתן לכמת. עם זאת, הדבר אינו נגיש באמצעות שיטות נסיוניות קונבנציונליות. מחקר זה מדגים את החקירה של התנהגות מכנית בקנה מידה תבואה של מדגם קרקע גרעינית תחת דחיסת triaxial באמצעות סינכרוטרון רנטגן מיקרו טומוגרפיה (μCT). בשיטה זו, מנגנון העמסה מיניאטורי במיוחד משמש להחלת מתחים והעצמה מהירה על המדגם במהלך הבחינה הטריצימית. המנגנון מצויד לתוך ההתקנה טומוגרפיה רנטגן סינכרוטרון כך ברזולוציה גבוהה מרחבית תמונות CT של המדגם ניתן לאסוף בשלבי טעינה שונים של הבדיקה ללא כל הפרעה למדגם. עם היכולת של חילוץ מידע בקנה מידה של המאקרו (למשל, לדוגמה מדגיש גבולות וזנים מתוך הגדרת מנגנון triaxial) ואת סולם התבואה (למשל, תנועות גרעיניות ואינטראקציות מגע מתמונות CT), הליך זה מספק מתודולוגיה אפקטיבית לחקור את מכניקת רב היקף של קרקעות גרגירים.

Introduction

הוא מוכר באופן נרחב כי תכונות מכניות בקנה מידה של אדמה גרעינית, כגון נוקשות, הטיה חוזק וחדירות, הם קריטיים למבנים גיאוטכניים רבים, למשל, יסודות, מדרונות ומילוי רוק סכרים. במשך שנים רבות, בדיקות באתר ובדיקות מעבדה קונבנציונליות (לדוגמה, בדיקות דחיסה חד ממדיות, בדיקות דחיסה טריצידיות ובדיקות חדירות) שימשו להערכת מאפיינים אלה בקרקעות שונות. קודים ותקנים לבדיקת תכונות מכניות קרקע פותחו גם למטרות הנדסיות. בעוד התכונות המכאניות בקנה מידה אלה נחקרו באופן אינטנסיבי, התנהגות מכנית בקנה מידה מכני (למשל, כגון חלקיקים, אינטראקציה מגע ולוקליזציה של זנים) השולטת במאפיינים אלה משכה הרבה פחות תשומת לב מ מהנדסים וחוקרים. אחת הסיבות לכך היא חוסר שיטות נסיוניות אפקטיביות הזמינות לחקור את ההתנהגות המכנית בקנה מידה של קרקעות.

עד עכשיו, רוב ההבנה של התנהגות מכנית בקנה מידה של התבואה של קרקעות גרגירים הגיע מידול אלמנט דיסקרטית1 (DEM), בשל יכולתה לחלץ מידע בקנה מידה של חלקיק (למשל, החלקיקים החלקיק והחלקיקים קשר כוחות). במחקרים קודמים של שימוש בטכניקות DEM למודל התנהגויות קרקע מכניות, כל חלקיק בודד היה מיוצג רק על ידי מעגל אחד או כדור במודל. השימוש בצורות חלקיקים מסוג זה, הוביל לסיבוב החלקיקים הנמוך ביותר, ובכך התנהגות נמוכה יותר בשיא העוצמה2. כדי להשיג ביצועי מידול טוב יותר, חוקרים רבים השתמשו במודל התנגדות מתגלגל3,4,5,6 או חלקיקים חריגים7,8, 9,10,11,12 . בסימולציות שלהם כתוצאה מכך, הושגה הבנה מציאותית יותר של התנהגות קיגמטית החלקיקים. מלבד קינמטיקה החלקיקים, DEM כבר שימש יותר ויותר לחקור אינטראקציה המגע הדגן ולפתח מודלים תיאורטיים. עם זאת, בשל הדרישה לשכפל צורות חלקיקים אמיתיים ושימוש במודלים ליצירת קשר מתוחכמים, DEM דורש יכולת חישובית גבוהה במיוחד במידול קרקעות גרגירים עם צורות חריגות.

לאחרונה, פיתוח של ציוד אופטי וטכניקות דימות (למשל, המיקרוסקופ, טומוגרפיה בעזרת לייזר, טומוגרפיה ממוחשבת של X-ray (CT) ו-X-ray מיקרו-טומוגרפיה (μCT)) סיפקה הזדמנויות רבות לבדיקה ניסויית של התנהגות מכנית בקנה מידה דגנים של קרקעות גרגירים. באמצעות רכישת וניתוח של תמונות לדגימת הקרקע לפני ואחרי בדיקות triaxial, ציוד וטכניקות כאלה כבר נוצל בחקירת מיקרו מבנים13,14,15,16 ,17,18,19. לאחרונה, במבחנים באתרו עם X-ray ct או μct שימשו יותר ויותר לחקור את האבולוציה של יחס void20, התפלגות הזנים21,22,23,24, תנועת חלקיקים25,26,27,28, אינטר-חלקיק קשר29,30,31 ו החלקיקים מוחצת32 של קרקעות גרגירים. כאן, "באתרו" מרמז על סריקת רנטגן שנערכה באותו זמן כמו טעינת. בניגוד סריקת רנטגן כללית, בבדיקות רנטגן באתרו בדיקות מחייב מכשיר העמסה מפוברק במיוחד כדי לספק מתחים לדגימות אדמה. עם שימוש משולב של מנגנון הטעינה ו-X-ray CT או התקן μCT, תמונות CT של דגימות בשלבי טעינה שונים של הבדיקות ניתן לרכוש ללא ההרס. בהתבסס על אלה תמונות CT, בקנה מידה חלקיקים תצפיות של התנהגות קרקע גרעינית ניתן לרכוש. תצפיות אלה ברמת החלקיקים המבוססות על תמונות CT מועילות מאוד כדי לאמת ממצאים מספריים ולקבל תובנות הרומן להתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרגירים.

מאמר זה שואפת לשתף את הפרטים של איך צילום רנטגן באיתור באתרו של דגימת אדמה ניתן לבצע, תוך שימוש בניסוי מופתי המתבונן בקינמטיקה של חלקיקים, לוקליזציה של מתח ואבולוציה בין חלקיקים בתוך דגימת אדמה. התוצאות מראות כי רנטגן בדיקות סריקה באתרו יש פוטנציאל גדול לחקור את ההתנהגות ברמת הדגן של קרקעות גרגירים. הפרוטוקול מכסה את הבחירה של מכשיר X-ray μCT והכנת מנגנון טעינה מיניאטורי triaxial, והליכים מפורטים לביצוע הבדיקה מסופקים. בנוסף, השלבים הטכניים לשימוש בעיבוד ובניתוח של התמונה כדי לכמת את החלקיקים החלקיסטים (כלומר, תרגום חלקיקים וסיבוב החלקיקים), לוקליזציה של זנים, והתפתחות בין-חלקיק (כלומר, יצירת קשר, הפסד ומ תנועת המגע) של האדמה מתוארת.

Protocol

1. עיצוב הניסוי היטב מראש

  1. קביעת חומר הבדיקה, גודל החלקיק, גודל המדגם ודוגמאות ראשוניות לדוגמה.
    הערה: לייטון החול עם קוטר של 0.15 ~ 0.30 מ"מ וגודל מדגם של 8 x 16 מ"מ (קוטר x גובה) משמש כדוגמה כדי להדגים את הפרוטוקול של מחקר זה. חולות אחרים כגון פוג ' יאן וחול, יוסטון חול, אוטווה חול ו-קייקוס ooids, וכו ' ובגדלים דומים לדוגמה ניתן להשתמש גם.
  2. בחר בגלאי מתאים (איור 1א) על פי הרזולוציה המרחבית ואזור הסריקה הנדרשים, הנקבעים לפי גודל החלקיקים שנקבע מראש וגודל המדגם. לדוגמה, גלאי עם רזולוציה מרחבית של 6.5 יקרומטר משמש במחקר זה. יש שטח סריקה יעיל של 2048 x 860 פיקסלים (כלומר, 13.3 × 5.6 mm).
    הערה: במהלך בדיקת דחיסה תלת-צירית, הדגימה המעוותת צריכה להישאר באזור הסריקה של הגלאי. יש להשתמש בגלאי רזולוציה מרחבית גבוהה כך שחלקיקים בודדים יכילו מספיק voxels עבור החילוץ המתאים של תכונות החלקיקים.
  3. קבע את האנרגיה הדרושה של מקור ה-X-ray (איור 1א) וזמן חשיפה בהתאם לחומר הבדיקה ולגודל המדגם. בדרך כלל, יש להשתמש באנרגיה גבוהה יותר עבור מדגם גדול יותר המורכב מחומר צפוף. השתמש באנרגיה רנטגן של 25 קוו ו זמן חשיפה של 0.05 s עבור דגימות חול במחקר זה.
    הערה: השימוש באנרגיה ובזמן החשיפה הנדרשים ניתן לקביעה על-ידי ניסוי ושגיאה באמצעות הקרנה סרוקה של המדגם. היחס בין העוצמה המינימלית בקנה מידה אפור של ההקרנה לערך המירבי שלו לא אמור להיות נמוך מ-0.2. אחרת, יש להשתמש באנרגיית רנטגן גבוהה יותר או בזמן חשיפה ארוך יותר.
  4. קבע את מהירות הסיבוב הנדרשת ω (מעלותלשניה) עבור שלב הסיבוב (איור 1א) של מכשיר ה-X-ray. מהירות הסיבוב ω מחושבת בהתאם למספר הדרוש של התחזיות N (למשל, N = 1,080) עבור שחזור פרוסת CT.
    הערה: ω = 180 Vs/n. כאן, Vs הוא מהירות הסריקה של מכשיר הרנטגן, כלומר, מספר רדיוגרפים שנסרקו ונרשמו לשניה. Vs מושפע בעיקר מהביצועים של הגלאי ומהחומרה המשויכת לגלאי כגון המחשב.
  5. הרכיבו מנגנון טעינה תלת-צירית (איורים 1B, C, ראו גם הפניה 33) שישמשו בשילוב עם התקן X-Ray μc. המנגנון צריך להיות זהה הפונקציות העיקריות כמו מנגנון דחיסה טריצירית קונבנציונאלי. העיצוב צריך לשקול את הדרישה של גודל המדגם, מגוון של מדגיש ושיעורי טעינה.
    הערה: המנגנון צריך להיות מסוגל להתאים את המכשיר X-ray μCT ולהיות אור כדי להקל על הסיבוב שלה באמצעות שלב הסיבוב. התא התלת-ממדי אמור להיות. שקוף לצילומי רנטגן בהתחשב בדרישת השקיפות, אקריליק ופוליקרבונט עשוי לשמש כדי להמציא את התא הטריציאני.
  6. ביצוע מבחן עם הלחץ אותו מגבילה, טעינת מהירות ומאפיינים לדוגמה (כלומר, חומר, גודל לדוגמה ושולי הראשונית) מחוץ לסורק רנטגן CT כדי לתכנן מתי להשהות את הטעינה עבור סריקת CT.

2. ביצוע בדיקות דחיסה באתרו

  1. הציבו את ציוד ההעמסה התלת-צירית ואת חומר הבדיקה באתר.
    הערה: מנגנון הטעינה והעברת הלחץ (ראה את טבלת החומרים) ממוקמים בחדר הסריקה רנטגן CT, בעוד שהתקני הרכישה והשליטה בנתונים ממוקמים בחוץ. טעינת משולש וסריקת CT של המדגם מופעלים לאחר מכן מחוץ לחדר הסריקה.
  2. תקן שלב הרמה על הלוח של מכשיר ה-CT מיקרו-רנטגן (איור 1B). מתקן שלב הטיה על במת ההרים ומשלב סיבוב על הבמה הטיית, בהתאמה (איור 1B).
    הערה: שלב הרמה והטיית הבמה צריכים להיות בעלי יכולת טעינה מספקת כדי להעביר את הציוד הרלוונטי הממוקם עליהם.
  3. להתאים את המיקום ואת הכיוון של שלב הסיבוב דרך השלב הטיית כך כל רנטגן יחיד עובר דרך אותן נקודות בתוך המדגם כאשר הוא מסתובב על פני 180 מעלות סביב ציר השלב סיבוב.
    הערה: שלבים 2.2 to 2.3 חלים על המכשיר רנטגן מיקרו CT במרכז הקרינה סינכרוטרון שנגחאי (SSRF). עבור רנטגן התקנים מיקרו CT המשמש במיוחד עבור בדיקות triaxial באתרו, שלבים אלה ניתן להשמיט לאחר מיצוב זהיר הקיבעון של השלב סיבוב.
  4. הכינו דגימת אדמה על הלוח בהתאם להליכים הבאים.
    1. הוסיפו כמות קטנה של סיליקון משומן סביב המשטח הצדדי של הקצה העליון של לוחית הבסיס ומניחים אבן נקבובי על המשטח העליון שלה. הניחו ממברנה סביב המשטח הרוחבי של הקצה העליון (איור 2א).
    2. הוסיפו כמות קטנה של שומן סיליקון על משטחי איש הקשר שבין שני החלקים של יצרן המדגם ונעלו אותו. מניחים את יצרנית המדגם על צלחת הבסיס ולאפשר לקרום לעבור דרכו (איור 2ב).
    3. ליצור יניקה (למשל, 25 kPa) בתוך יצרנית המדגם דרך הזרבובית שלה באמצעות משאבת ואקום. לתקן את הקרום למשטח הרוחב של קצהו העליון. ודא כי הממברנה מחוברת למשטח הפנימי של יוצר המדגם (איור 2ג).
    4. שחרר את החומר החומרי בדיקה מגובה מסוים לתוך יצרנית המדגם באמצעות משפך עד שהוא מלא לחלוטין. המשטח העליון של דגימת האדמה צריך להיות באותה רמה כמו הקצה העליון של יצרנית המדגם (איור 2ד).
    5. מניחים עוד אבן נקבובי על גבי דגימת האדמה, ולוחית כרית נירוסטה על גבי האבן הנקבובי. החלת משחה סיליקון סביב המשטח הצדדי של צלחת הכרית. להסיר את הצד העליון של קרום מתוך יצרנית לדוגמה ולתקן אותו לוחית כרית (איור 2E).
    6. להסיר את היניקה בתוך הזרבובית maker לדוגמה וליצור יניקה בתוך השסתום על צלחת הבסיס. לבסוף, הסר את יוצר המדגם. דגימת יובש מיניאטורי מופקת, כפי שנראה באיור 2F.
      הערה: שלב זה מדגים את ההליך של הפקת דגימת אדמה זעירה באמצעות שיטת האוורור. ניתן להשתמש גם בשיטת הדחיסה המסורתית להפקת המדגם.
  5. תקן את התא הגבילה על לוח הבסיס ותקן את הלוחית העליונה של התא בראש תא הגבילה (איור 1ג).
  6. תקן את פיר הבוכנה של התא בלוחית העליונה של החדר (איור 1C).
  7. הצב את לוחית הבסיס יחד עם התא הקשור והלוחית העליונה הקאמרית בשלב הסיבוב. מסגרת משמשת להתאמת גובה המדגם לסריקת CT (איור 1B).
    הערה: מסגרת זו משמשת בשל טווח התנועה המוגבל של שלב הרמה ב-SSRF. אין צורך להשתמש במסגרת אם נעשה שימוש בשלב הרמה עם טווח תנועה גדול.
  8. העמיסו את שאר מכשיר ההעמסה. על הלוחית העליונה של החדר
  9. התקן את המשתנה הדיפרנציאלי משתנה ליניארי (LVDT), טען תא מנוע צעד ולהפעיל אותם (איור 1ג).
  10. ממלאים את התא עם מים שעברו שודר באמצעות לחץ התא (CP) שסתום (ראה איור 1ג) שימוש במים המסופקים ממכשיר לחץ המציע התקן (ראו טבלת חומרים). סגור את יציאת המים (אנו) שסתום (ראה איור 1ג) כאשר המים מתחיל לזרום מתוך השסתום.
    הערה: הגדר את הלחץ המתקן המציע התקן למצב לחץ קבוע עם ערך נמוך מאוד בלחץ קבוע (למשל, 10 kPa).
  11. הוסיפו לחץ קבוע של 25 kPa לדגימה והסירו את היניקה בתוך הדגימה.
  12. הגדילו בהדרגה את הלחץ הנוגע לערך שנקבע מראש באמצעות מכשיר הלחץ המתקן.
  13. בצע את הסריקה הראשונה של המדגם. עבור סורק CT ברזולוציה גבוהה מרחבית (למשל, עם גודל פיקסל של 6.5 μm), סריקה מלאה של המדגם (למשל, עם גובה של 16 מ"מ) בדרך כלל דורש את המדגם להיות נסרק בכמה גבהים שונים (כלומר, הסריקה מחולקת למספר חלקים).
    הערה: אם נעשה שימוש בגלאי רזולוציה מרחבית נמוך ובדגימת גודל קטנה, אזור הסריקה עשוי להספיק כדי לרכוש סריקת שדה מלא של המדגם באמצעות מקטע אחד.
    1. סריקת חלק מהדוגמה. הגדר את סורק ה-CT למצב לכידת תמונה ולאחר מכן להתחיל את שלב הסיבוב כדי לסובב את המנגנון כולו על פני 180 מעלות בקצב הסיבוב הקבוע שנקבע מראש (g., 3.33 מעלות/s) כדי ללכוד תחזיות CT של המדגם בזוויות שונות.
      הערה: הדבר מרמז כי המדגם נסרק מלמטה כלפי מעלה (כלומר, המקטע הראשון מכיל את כל החלקיקים הממוקמים בתחתית המדגם).
    2. כבה את מצב לכידת התמונה כאשר הסיבוב מסתיים. סובב את המנגנון. בחזרה למיקום ההתחלתי
    3. הרם את המדגם יחד עם המנגנון כולו עד שתשתמש בשלב ההרמה (איור 1B) בגובה מסוים (לדוגמה, 4 מ"מ) לסריקת החלק הבא של המדגם.
      הערה: על הרמה להבטיח שיש חפיפה בין המקטע הנוכחי לבין החלק האחרון (כלומר, יש חפיפה בין כל שני חלקים רצופים). החפיפה צריכה להיות לפחות 10 פיקסלים כדי להקל על התפרים שלהם.
    4. חזור על שלבים 2.13.1-2.13.3 עד שהמקטע האחרון של המדגם ייסרק.
  14. החל עומס צירית על המדגם עם קצב טעינה קבוע. כאן, שיעור טעינה של 0.2%/min משמש במחקר זה. משתמשים יכולים לקבוע קצב טעינה שונה בהתאם לדרישת הניסוי.
  15. להשהות את טעינת הציר במתח מראש קבוע של צירית. המתן עד שכוח הציר הנמדד יגיע לערך קבוע (בדרך כלל בתוך 2 דקות) וביצוע הסריקה הבאה. הליכי הסריקה זהים למתואר בשלב 2.13.
  16. חזור על שלבים 2.14 ו-2.15 עד לסיום הטעינה.
  17. פרוק את הבדיקה והוצא את הדגימה ממנגנון התלת-ציר.
  18. התקן את לוח הבסיס ואת התא הגבילה בשלב הסיבוב כדי לרכוש מספר תחזיות שטוחות (בדרך כלל 10 תחזיות) מהגלאי. כבה את מקור הרנטגן כדי להשיג. את אותו מספר התחזיות האפלות מהגלאי
    הערה: תחזיות שטוחות וכהות משמשות לאחזור שלב של התחזיות CT raw. יישום תיקון שטוח ואפל מגביר את הניגוד בין המדגם לבין הרקע שמסביב בפרוסות ה-CT המשוחזרת. זה גם עוזר להקל על הממצאים הטבעת כתוצאה מפיקסלים פגומים של הגלאי.

3. עיבוד תמונה וניתוח

  1. עיבוד תמונה
    1. יישום אחזור פאזה (איור 3ב) של התחזיות CT (איור 3א) של המדגם באמצעות תוכנה חופשית pitre34. טעינת התחזיות (כולל התחזיות השטוחה והכהות) לתוך PITRE מהתמונה טעינתהתפריט. לחץ על הסמל Ppci. הזן את פרמטרי הסריקה הרלוונטיים ולחץ על יחיד כדי ליישם את אחזור השלב.
      הערה: יישום איחזור הפאזה מספק שיפור של ממשקים בין שלבים שונים (כלומר, שלב הvoid והשלב האחיד) בפרוסות ה-CT המשוחזר, המהווה חשיבות משמעותית לניתוח המבוסס על תמונה שלאחר מכן של קשרים בין-חלקיקים.
    2. בנייה מחדש של פרוסות CT של המדגם באמצעות PITRE בהתבסס על תחזיות ה-CT לאחר אחזור שלב (איור 3ג). טען את התחזיות לתוך PITRE מתמונת הטעינהשל התפריט. לחץ על הסמל ProjSino. הזן פרמטרים רלוונטיים בחלון שהופיע ולחץ על יחיד כדי לשחזר פרוסת CT.
      הערה: בדוק את הפרוסות האופקיות כדי לוודא שאין ממצאים כבדים בעלי קורות עץ או חפצי טבעת. אחרת, שינוי של פרמטרי הסריקה הנוכחיים וסריקה חוזרת של המדגם נדרשים. בדוק פרוסות אנכיות. אם המדגם מוטה באופן חמור לפני ההטיה, הבדיקה תיחשב כנכשלה.
    3. ליישם סינון תמונה בפרוסות ה-CT. מסנן דיפוזיה אניסוטרופי משמש לביצוע סינון תמונה (איור 3ד).
    4. בצעו בינריזציה של תמונה בפרוסות ה-CT המסוננות. ליישם את בינריזציה של התמונה (איור 3E) על-ידי החלת סף ערך עוצמה על פרוסות ה-ct, הנקבעת בהתאם להיסטוגרמה העוצמה של פרוסות ה-Ct בשיטת otsu35.
      הערה: עבור פרוסות CT באמצעות היסטוגרמה בעלת עוצמה אפורה, הכוללת חפיפה משמעותית בין השלב המוצק לבין שלב הריק, נדרש אימות של בינת התמונה באמצעות מסת השלב המלא36.
    5. הפרדת חלקיקים בודדים מפרוסות ה-CT הבינקיות באמצעות אלגוריתם של פרשת שתים המבוססת על סמן ואחסן את התוצאות בתמונה תלת-ממדית (איור 3F). אמת את התוצאות על-ידי השוואת התפלגות גודל החלקיקים המחושבת מתמונת ה-CT לאלה מתוך מבחן ניפוי מכני.
      הערה: מודול הנפרד אובייקטים של תוכנת Avizo Fire ניתן להשתמש כדי ליישם אלגוריתם זה. הסירו את האבנים הנקבוביות מפרוסות ה-CT באמצעות הגבול המודול להרוג של Avizo אש. כדי לרכוש תוצאות אמינות הפרדת חלקיקים, הקוראים מוצעים לנסות את האלגוריתמים של פילוח חלקיקים שונים37,38,39.
  2. אנליזת תמונות
    1. חלץ מאפייני חלקיקים מהתמונה המסומנת באמצעות התמונה. קובץ script של MATLAB משמש לחילוץ מאפייני חלקיקים כולל נפח חלקיקים, שטח החלקיקים, כיוון החלקיק וקואורדינטות מרכז החלקיקים.
      הערה: MATLAB הפנימית פונקציות האביזרים, bwאוקסיפרים pca משמשים לרכישת מאפיינים אלה של כל חלקיק. תיאור מפורט יותר של הליכים אלה ניתן למצוא בעבודה של צ'נג ו-וואנג28.
    2. לחלץ את הvoxels מפרוסות CT באמצעות יישום של פעולה לוגית ובין התמונה הבינארית של פרוסות ה-Ct (איור 4) ותמונה בינארית של קווי פרשת העבודה שנרכשו מיישום המבוסס על סמן אלגוריתם פרשתהשלושים 31.
      הערה: זיהוי מיותר של אנשי קשר של voxels עלול להתרחש עקב השפעת אמצעי האחסון החלקי והרעש האקראי של תמונות CT40,41. עם זאת, לזיהוי מיותר קל של אנשי קשר בין-חלקיקים לא יהיו השפעות משמעותיות על המגמה הכוללת של התנהגות האבולוציה מגע בין-חלקיק42.

4. סריקה מבוססת תמונה של התנהגות מכנית בקנה מידה דגן של קרקעות

הערה: הניתוח המבוסס על תמונה שלהלן אינו ישים לחלקיקים או דוגמאות כדוריים באופן מאוד מצומצם, עם טווחי ציון צרים מאוד (כלומר, דוגמאות מונונטיות). עם זאת, עבור חלקיקים עם מעוגלות גבוהה ודירוג העניים (למשל, 0.3 ~ 0.6 מ"מ חרוזי זכוכית), המתודולוגיה התשואות תוצאות טובות (ראה צ'נג ו וואנג31).

  1. . כנגד חלקיקי חלקיקים מהדוגמא השתמש בשיטת מעקב אחר חלקיקים כדי לעקוב אחר חלקיקים בודדים במדגם בסריקות שונות המבוססות על נפח חלקיקים או על פני שטח של חלקיקים. תיאור מפורט של שיטה זו ניתנת ב צ'נג ו-וואנג28.
    1. לחשב את התרגום של כל חלקיק במהלך כל שתי סריקות רצופות. הוא מחושב כהבדל בקואורדינטות של מרכז החלקיקים בין שתי הסריקות.
    2. לקבוע את זווית הסיבוב של כל חלקיק בהתאם להבדל בכיוונים העיקריים שלה ציר העיקרי בין שתי הסריקות.
  2. לכמת את שדה הנבג של המדגם. השתמש בשיטה מבוססת רשת כדי לחשב את שדה הנבג במהלך שתי סריקות רצופות המבוססות על תרגום החלקיקים וסיבוב החלקיקים.
    הערה: השיטה מחייבת את התמונות המסומנות בתווית של המדגם משתי הסריקות ותוצאות החלקיקים המקינטיות. הקוראים מתייחסים לעבודה קודמת24 לתיאור מפורט.
  3. לנתח את האבולוציה של מגע בין-חלקיקים של המדגם. מבוסס על שחולצו המגע voxels, התמונות המסומנות של חלקיקים ותוצאות מעקב חלקיקים, לנתח את הכיוון וקטור הענף של אנשי הקשר שאבדו ואת אנשי הקשר שנצברו בתוך המדגם במהלך כל הפחתה הטיה.
    הערה: תיאור מלא של שיטה זו ניתן ב צ'נג ו-וואנג31.

תוצאות

איור 5 מתאר את התוצאות של החלקיקים הקינמטיקה של לייטון בצורת חול (ליברות) בפרוסה דו-ממדית במהלך שני מרווחי הטיה טיפוסיים, I ו-II. רוב החלקיקים מסומנים בהצלחה והתרגומים והסיבובים שלהם מוממתים בעקבות הפרוטוקול הנ ל. במהלך התוספת הראשונה של ההטיה, לא displacements חלקיקים או סיבובים ש?...

Discussion

High-מרחבית רזולוציה רנטגן מיקרו-CT ועיבוד תמונה מתקדמת וטכניקות ניתוח אפשרו את החקירה ניסיוני של התנהגות מכנית של קרקעות גרגירים תחת הטיה ברמות רב בקנה מידה (כלומר, בסולם המאקרו, מזו-scale ו רמות גרעיניות). עם זאת, CT מבוססי תמונה מבוסס-ובקנה מידה התבואה החקירות דורשות רכישת תמונות CT ברזולוציה ג?...

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgements

מחקר זה נתמך על ידי הקרן למחקר כללי לא. CityU 11213517 מהמועצה להענקת מחקר של הונג קונג SAR, מלגת מחקר מס ' 51779213 מן הקרן הלאומית למדע של סין, BL13W beamline של שנגחאי סינכרוטרון מתקן קרינה (SSRF).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Confining pressure offering deviceGDSSTDDPC
De-aired waterN/AN/AWater de-aired in the lab
Leighton Buzzard sandArtificial Grass CambridgeDrained Industrial Sand 25 kgCan be replaced with different soils
Miniature triaxial loading deviceN/AN/AThe miniature loading device is specially fabricated by the authors
Silicon greaseRS companyRS 494-124
Synchrotron radiation X-ray micro CT setupShanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)13W1The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF
Vacuum pumpHong Kong Labware Co., ltd.Rocker 300

References

  1. Cundall, P. A., Strack, O. D. A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique. 29 (1), 47-65 (1979).
  2. Rothenburg, L., Bathurst, R. J. Micromechanical features of granular assemblies with planar elliptical particles. Géotechnique. 42 (1), 79-95 (1992).
  3. Iwashita, K., Oda, M. Rolling resistance at contacts in simulation of shear band development by DEM. Journal of Engineering Mechanics. 124 (3), 285-292 (1998).
  4. Jiang, M. J., Yu, H. S., Harris, D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistance. Computers and Geotechnics. 32 (5), 340-357 (2005).
  5. Ai, J., Chen, J. F., Rotter, J. M., Ooi, J. Y. Assessment of rolling resistance models in discrete element simulations. Powder Technology. 206 (3), 269-282 (2011).
  6. Zhou, B., Huang, R., Wang, H., Wang, J. DEM investigation of particle anti-rotation effects on the micromechanical response of granular materials. Granular Matter. 15 (3), 315-326 (2013).
  7. Matsushima, T., Saomoto, H. Discrete element modeling for irregularly-shaped sand grains. Proc. NUMGE2002: Numerical Methods in Geotechnical Engineering. , 239-246 (2002).
  8. Price, M., Murariu, V., Morrison, G. Sphere clump generation and trajectory comparison for real particles. Proceedings of Discrete Element Modelling. , (2007).
  9. Ferellec, J., McDowell, G. Modelling realistic shape and particle inertia in DEM. Géotechnique. 60 (3), 227-232 (2010).
  10. Wiącek, J., Molenda, M., Horabik, J., Ooi, J. Y. Influence of grain shape and intergranular friction on material behavior in uniaxial compression: Experimental and DEM modeling. Powder Technology. , 435-442 (2012).
  11. Ng, T. T. Fabric study of granular materials after compaction. Journal of Engineering Mechanics. 125 (12), 1390-1394 (1999).
  12. Cleary, P. W. The effect of particle shape on simple shear flows. Powder Technology. 179 (3), 144-163 (2008).
  13. Oda, M. Initial fabrics and their relations to mechanical properties of granular material. Soils and Foundations. 12 (1), 17-36 (1972).
  14. Konagai, K., Tamura, C., Rangelow, P., Matsushima, T. Laser-aided tomography: a tool for visualization of changes in the fabric of granular assemblage. Structural Engineering/Earthquake Engineering. 9 (3), 193-201 (1992).
  15. Johns, R. A., Steude, J. S., Castanier, L. M., Roberts, P. V. Nondestructive measurements of fracture aperture in crystalline rock cores using X ray computed tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 98 (2), 1889-1900 (1993).
  16. Ohtani, T., Nakano, T., Nakashima, Y., Muraoka, H. Three-dimensional shape analysis of miarolitic cavities and enclaves in the Kakkonda granite by X-ray computed tomography. Journal of Structural Geology. 23 (11), 1741-1751 (2001).
  17. Oda, M., Takemura, T., Takahashi, M. Microstructure in shear band observed by microfocus X-ray computed tomography. Géotechnique. 54 (8), 539-542 (2004).
  18. Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using directional parameters. Géotechnique. 63 (6), 487-499 (2013).
  19. Fonseca, J., O'Sullivan, C., Coop, M. R., Lee, P. D. Quantifying the evolution of soil fabric during shearing using scalar parameters. Géotechnique. 63 (10), 818-829 (2013).
  20. Desrues, J., Chambon, R., Mokni, M., Mazerolle, F. Void ratio evolution inside shear bands in triaxial sand specimens studied by computed tomography. Géotechnique. 46 (3), 529-546 (1996).
  21. Lenoir, N., Bornert, M., Desrues, J., Bésuelle, P., Viggiani, G. Volumetric digital image correlation applied to X-ray microtomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock. Strain. 43 (3), 193-205 (2007).
  22. Higo, Y., Oka, F., Sato, T., Matsushima, Y., Kimoto, S. Investigation of localized deformation in partially saturated sand under triaxial compression using microfocus X-ray CT with digital image correlation. Soils and Foundations. 53 (2), 181-198 (2013).
  23. Alikarami, R., Andò, E., Gkiousas-Kapnisis, M., Torabi, A., Viggiani, G. Strain localisation and grain breakage in sand under shearing at high mean stress: insights from in situ X-ray tomography. Acta Geotechnica. 10 (1), 15-30 (2015).
  24. Cheng, Z., Wang, J. Quantification of the strain field of sands based on X-ray micro-tomography: A comparison between a grid-based method and a mesh-based method. Powder Technology. , 314-334 (2019).
  25. Hall, S. A., Bornert, M., Desrues, J., Pannier, Y., Lenoir, N., Viggiani, G., Bésuelle, P. Discrete and continuum analysis of localised deformation in sand using X-ray μCT and volumetric digital image correlation. Géotechnique. 60 (5), 315-322 (2010).
  26. Andò, E., Hall, S. A., Viggiani, G., Desrues, J., Bésuelle, P. Grain-scale experimental investigation of localised deformation in sand: a discrete particle tracking approach. Acta Geotechnica. 7 (1), 1-13 (2012).
  27. Watanabe, Y., Lenoir, N., Otani, J., Nakai, T. Displacement in sand under triaxial compression by tracking soil particles on X-ray CT data. Soils and Foundations. 52 (2), 312-320 (2012).
  28. Cheng, Z., Wang, J. A particle-tracking method for experimental investigation of kinematics of sand particles under triaxial compression. Powder Technology. 328, 436-451 (2018).
  29. Matsushima, T., Katagiri, J., Uesugi, K., Nakano, T., Tsuchiyama, A. Micro X-ray CT at Spring-8 for granular mechanics. Soil Stress-Strain Behavior: Measurement, Modeling and Analysis. A Collection of Papers of the Geotechnical Symposium in Rome. 146, 225-234 (2006).
  30. Andò, E., Viggiani, G., Hall, S. A., Desrues, J. Experimental micro-mechanics of granular media studied by X-ray tomography: recent results and challenges. Géotechnique Letters. 3, 142-146 (2013).
  31. Cheng, Z., Wang, J. Experimental investigation of inter-particle contact evolution of sheared granular materials using X-ray micro-tomography. Soils and Foundations. 58 (6), 1492-1510 (2018).
  32. Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Ooi, J. Y., Viggiani, G. Evolution of deformation and breakage in sand studied using X-ray tomography. Géotechnique. , 1-11 (2017).
  33. Cheng, Z., Wang, J. F., Coop, M. R., Ye, G. L. A miniature triaxial apparatus for investigating the micromechanics of granular soils with in-situ X-ray micro-tomography scanning. Frontiers of Structural and Civil Engineering. , (2019).
  34. Chen, R. C., Dreossi, D., Mancini, L., Menk, R., Rigon, L., Xiao, T. Q., Longo, R. PITRE: software for phase-sensitive X-ray image processing and tomography reconstruction. Journal of Synchrotron Radiation. 19 (5), 836-845 (2012).
  35. Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Systems, Man Cybernet. 9 (1), 62-66 (1979).
  36. Karatza, Z. . Study of temporal and spatial evolution of deformation and breakage of dry granular materials using X-ray computed tomography and the discrete element method. , (2017).
  37. Shi, Y., Yan, W. M. Segmentation of irregular porous particles of various sizes from X-ray microfocus computer tomography images using a novel adaptive watershed approach. Géotechnique Letters. 5 (4), 299-305 (2015).
  38. Zheng, J., Hryciw, R. D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis. Computers and Geotechnics. 73, 142-152 (2016).
  39. Lai, Z., Chen, Q. Reconstructing granular particles from X-ray computed tomography using the TWS machine learning tool and the level set method. Acta Geotechnica. 14 (1), 1-18 (2019).
  40. Wiebicke, M., Andò, E., Herle, I., Viggiani, G. On the metrology of interparticle contacts in sand from x-ray tomography images. Measurement Science and Technology. 28 (12), 1-14 (2017).
  41. Karatza, Z., Andò, E., Papanicolopulos, S. A., Viggiani, G., Ooi, J. Y. Effect of particle morphology and contacts on particle breakage in a granular assembly studied using X-ray tomography. Granular Matter. 21 (3), 1-13 (2019).
  42. Cheng, Z. . Investigation of the grain-scale mechanical behavior of granular soils under shear using X-ray micro-tomography. , (2018).
  43. Antony, S. J. Evolution of force distribution in three-dimensional granular media. Physical Review E. , (2000).
  44. Kruyt, N. P., Rothenburg, L. Probability density functions of contact forces for cohesionless frictional granular materials. International Journal of Solids and Structures. 39 (3), 571-583 (2002).
  45. Marketos, G., Bolton, M. D. Quantifying the extent of crushing in granular materials: a probability-based predictive method. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 55 (10), 2142-2156 (2007).
  46. Cheng, Z., Wang, J. Quantification of particle crushing in consideration of grading evolution of granular soils in biaxial shearing: A probability-based model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 42 (3), 488-515 (2018).
  47. Zhou, B., Wang, J., Wang, H. A new probabilistic approach for predicting particle crushing in one-dimensional compression of granular soil. Soils and Foundations. 54 (4), 833-844 (2014).
  48. Geng, J., Reydellet, G., Clément, E., Behringer, R. P. Green's function measurements of force transmission in 2D granular materials. Physica D: Nonlinear Phenomena. 182, 274-303 (2003).
  49. Majmudar, T. S., Behringer, R. P. Contact force measurements and stress-induced anisotropy in granular materials. Nature. 435, 1079 (2005).
  50. Hurley, R. C., Hall, S. A., Andrade, J. E., Wright, J. Quantifying interparticle forces and heterogeneity in 3D granular materials. Physical Review Letters. 117 (9), 098005 (2016).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

151triaxial

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved