Visualización del fracaso y el comportamiento mecánico a escala de grano asociado de suelos granulares bajo cizallamiento mediante microtomografía de rayos X de sincrotrón

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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 pro....

Protocolo

1. Diseñar el experimento con bastante antelación

1. 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.
2. Elija un detector adecuado(Figura 1A) de acuerdo con la resolución espacial requerida y el área de es....

Resultados

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.......

Discusión

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 carg.......

Materiales

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