Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Protokol, triaksiyel sıkıştırma sırasında taneli bir toprağın yüksek uzamsal çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi (BT) görüntülerini elde etme ve bu BT görüntülerine görüntü işleme tekniklerini uygulayarak, tane ölçeğinde mekanik davranışını keşfetme prosedürlerini açıklar. yükleme altında toprak.

Özet

Görüntü işleme ve analiz becerileri ile X-Ray görüntüleme tekniklerinin hızlı gelişimi, yüksek uzamsal çözünürlüklerle tanecikli toprakların CT görüntülerinin elde edilmesine olanak sağlamıştır. Bu tür CT görüntülerine dayanarak, parçacık kinematiği (parçacık çevirileri ve parçacık rotasyonları) gibi tane ölçeğinde mekanik davranışlar, tanecikli toprakların gerinim lokalizasyonu ve parçacıklar arası temas evrimi nicel olarak araştırılabilir. Ancak, bu geleneksel deneysel yöntemler kullanılarak erişilemez. Bu çalışma, senkrotron X-ışını mikrotomografisi (μCT) kullanılarak triaksiyel kompresyon altında taneli toprak örneğinin tane ölçekli mekanik davranışının araştırılmasını göstermektedir. Bu yöntemle, triaksiyel test sırasında numuneye konsültif ve eksenel gerilmeler uygulamak için özel olarak imal edilmiş minyatür yükleme aparatı kullanılır. Cihaz, numunenin yüksek uzamsal çözünürlüklü CT görüntülerinin numuneye herhangi bir rahatsızlık duymadan testin farklı yükleme aşamalarında toplanabilmeleri için bir senkrotron X-ışını tomografisi kurulumuna monte edilir. Makro ölçekte bilgi ayıklama yeteneği (örneğin, triaksiyel cihaz kurulumundan örnek sınır gerilmeleri ve suşları) ve tane ölçeği (örneğin, ct görüntülerinden tane hareketleri ve temas etkileşimleri) ile bu yordam, taneli toprakların çok ölçekli mekaniğini araştırmak için etkili bir metodoloji.

Giriş

Sertlik, kesme mukavemeti ve geçirgenlik gibi taneli toprağın makro ölçekli mekanik özelliklerinin, temeller, eğimler ve kaya dolgulu barajlar gibi birçok jeoteknik yapı için kritik öneme sahip olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir. Uzun yıllar boyunca, farklı topraklarda bu özellikleri değerlendirmek için yerinde testler ve konvansiyonel laboratuvar testleri (örneğin, tek boyutlu sıkıştırma testleri, triaksiyel sıkıştırma testleri ve geçirgenlik testleri) kullanılmıştır. Toprak mekanik özelliklerinin test edilmesine yönelik kurallar ve standartlar da mühendislik amacıyla geliştirilmiştir. Bu makro ölçekli mekanik özellikler yoğun bir şekilde incelenmekle birlikte, bu özellikleri yöneten tane ölçekli mekanik davranış (örneğin, parçacık kinematiği, temas etkileşimi ve gerinim lokalizasyonu) mühendisler ve araştırmacılar. Bunun nedenlerinden biri, toprağın tahıl ölçekli mekanik davranışını araştırmak için etkili deneysel yöntemlerin bulunmamasıdır.

Şimdiye kadar, taneli toprakların tane ölçekli mekanik davranışının anlaşılmasının çoğu, parçacık ölçeğinde bilgi ayıklama yeteneği (örneğin, parçacık kinematiği ve parçacık teması) nedeniyle ayrık eleman modelleme1'den (DEM) çıkmıştır. kuvvetleri). Taneli toprak mekanik davranışlarını modellemek için DEM tekniklerini kullanma nın daha önceki çalışmalarında, her bir parçacık modelde sadece tek bir daire veya küre ile temsil edilmiştir. Bu tür aşırı basitleştirilmiş parçacık şekillerinin kullanımı parçacıkların aşırı dönmeve böylece daha düşük bir tepe gücü davranışı yol açmıştır2. Daha iyi bir modelleme performansı elde etmek için, birçok araştırmacı bir haddeleme direnci modeli kullandık3,4,5,6 veya düzensiz parçacık şekilleri7,8, 9,10,11,12 kendi DEM simülasyonları. Sonuç olarak, parçacık kinematik davranış daha gerçekçi bir anlayış elde edilmiştir. Dem, parçacık kinematiği dışında, tahıl teması etkileşimini araştırmak ve teorik modeller geliştirmek için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Ancak, gerçek parçacık şekilleri ve gelişmiş temas modellerinin kullanımı çoğaltma gereksinimi nedeniyle, DEM düzensiz şekilli taneli toprakların modellemesinde son derece yüksek hesaplama yeteneği gerektirir.

Son zamanlarda optik ekipman ve görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi (örneğin, mikroskop, lazer destekli tomografi, X-ışını bilgisayarlı tomografi (BT) ve X-ışını mikrotomografisi (μCT)) taneli toprakların tane ölçekli mekanik davranışı. Triaksiyel test öncesi ve sonrası toprak numune görüntülerinin edinimi ve analizi ile toprak mikroyapılarının araştırılmasında bu tür ekipman ve teknikler kullanılmıştır13,14,15,16 ,17,18,19. Daha yakın zamanda, X-ışını BT veya μCT ile yerinde testler giderek boşluk oranı20evrimini araştırmak için kullanılmıştır , gerinim dağılımı21,22,23,24, partikül hareketi25,26,27,28, parçacık arası temas29,30,31 ve parçacık kırma32 tanecikli topraklar. Burada"in in situ", yükleme ile aynı anda yapılan X-ışını taraması anlamına gelir. Genel X-Ray taramasının aksine, yerinde X-Ray tarama testleri toprak numunelerine gerilmeler sağlamak için özel olarak imal edilmiş bir yükleme aparatı gerektirir. Yükleme cihazının ve X-ışını CT veya μCT cihazının birlikte kullanılmasıyla, testlerin farklı yükleme aşamalarındaki numunelerin CT görüntüleri tahribatsız olarak elde edilebilir. Bu CT görüntülerine dayanarak, tanecikli toprak davranışıparçacık ölçekli gözlemler elde edilebilir. Bu CT görüntü tabanlı parçacık düzeyinde gözlemler sayısal bulguları doğrulamak ve tanecikli toprakların tane ölçeğinde mekanik davranışlar hakkında yeni bilgiler elde etmek için son derece yararlıdır.

Bu makalede, bir toprak örneğinin yerinde tarama testinde bir X-ışınının nasıl yapılabileceği, partikül kinematiği, gerinim lokalizasyonu ve bir toprak numunesi içinde parçacıklar arası temas evrimini gÃ1/4neÅ leyen örnek bir deney kullanarak yapılabilir. Sonuçlar, yerinde tarama testlerinde X-Ray'in taneli toprakların tane düzeyindeki davranışını keşfetmek için büyük bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Protokol, X-ışını μCT cihazının seçimini ve minyatür bir triaksiyel yükleme cihazının hazırlanmasını kapsamaktadır ve testi gerçekleştirmek için ayrıntılı prosedürler sağlanmaktadır. Buna ek olarak, parçacık kinematiği (örneğin, parçacık çevirisi ve parçacık rotasyonu), gerinim lokalizasyonu ve parçacıklar arası temas evrimini (örneğin, temas kazancı, temas kaybı ve temas hareketi) toprak tansılandır.

Protokol

1. Deneyi önceden tasarlamak

  1. Test materyalini, parçacık boyutunu, numune boyutunu ve numune ilk gözenekliliğini belirleyin.
    NOT: Leighton Şahin kumu çapı 0.15~0.30 mm ve örneklem büyüklüğü 8 x 16 mm (Çap x Yükseklik) ile bu çalışmanın protokolünü göstermek için örnek olarak kullanılmaktadır. Fujian kum, Houston Kum, Ottawa kum ve Caicos ooidler, vb ve benzeri örnek boyutları gibi diğer kumlar da kullanılabilir.
  2. Önceden belirlenmiş parçacık boyutuna ve örnek boyutuna göre belirlenen gerekli uzamsal çözünürlük ve tarama alanına göre uygun bir dedektör(Şekil 1A)seçin. Örneğin, bu çalışmada 6,5 m uzamsal çözünürlüğe sahip bir dedektör kullanılmıştır. 2048 x 860 piksel (yani, 13,3 × 5,6 mm) etkili bir tarama alanına sahiptir.
    NOT: Triaksiyel sıkıştırma testi sırasında deforme olmuş numune dedektörün tarama bölgesinde kalmalıdır. Tek tek parçacıkların parçacık özelliklerinin uygun şekilde çıkarılması için yeterli voxel içermesi için yüksek uzamsal çözünürlük dedektörü kullanılmalıdır.
  3. X-ışını kaynağının gerekli enerjisini(Şekil 1A)ve test materyaline ve numune boyutuna göre pozlama süresini belirleyin. Genellikle daha yoğun bir malzemeden oluşan daha büyük bir numune için daha yüksek bir enerji kullanılmalıdır. Bu çalışmada kum örnekleri için 25 keV x-ışını enerjisi ve 0,05 s pozlama süresi kullanın.
    NOT: Gerekli X-ışını enerjisi ve maruz kalma süresi, numunenin taranmış bir projeksiyonu kullanılarak deneme yanılma ile belirlenebilir. Projeksiyonun minimum gri ölçekli yoğunluğunun maksimum değerine oranı 0,2'den düşük olmamalıdır. Aksi takdirde, daha yüksek bir X-ışını enerjisi veya daha uzun pozlama süresi kullanılmalıdır.
  4. X-ışını cihazının dönüş aşaması için gerekli dönüş hızını (saniyede derece)(Şekil 1A)belirleyin. Döndürme hızı, CT dilimi rekonstrüksiyonu için gerekli projeksiyon sayısıNa göre hesaplanır (örneğin, N = 1,080).
    NOT: ω=180 Vs/N. Burada, Vs X-Ray cihazının tarama hızı, yani, taranmış ve saniyede kaydedilen radyografi sayısıdır. Vs esas olarak dedektörün performansından ve bilgisayar gibi dedektörle ilişkili donanımdan etkilenir.
  5. X-ışını μCT cihazı ile birlikte kullanılmak üzere triaksiyel bir yükleme cihazı(Şekil 1B,C, ayrıca bkz. Cihaz, konvansiyonel triaksiyel sıkıştırma cihazı ile aynı ana fonksiyona sahip olmalıdır. Tasarım, numune boyutunun gereksinimini, gerilmelerin ve yükleme hızlarının kapsamını göz önünde bulundurmalıdır.
    NOT: Cihaz X-ışını μCT cihazına sığabilmeli ve dönüş aşamasını kullanarak dönüşünü kolaylaştırmak için hafif olmalıdır. Triaksiyel hücre X-ışınlarına karşı saydam olmalıdır. Şeffaflık gereksinimi göz önüne alındığında, akrilik ve polikarbonat triaksiyel hücre imal etmek için kullanılabilir.
  6. CT taraması için yüklemeyi ne zaman durduracağınızda planlamak için X-Ray CT tarayıcısının dışında aynı sınırlayıcı basınç, yükleme hızı ve numune özelliklerine (örneğin, malzeme, numune boyutu ve ilk gözeneklilik) sahip bir test gerçekleştirin.

2. Yerinde triaksiyel sıkıştırma testi nin gerçekleştirilmesi

  1. Triaksiyel yükleme ekipmanını ve test malzemesini yerinde yerleştirin.
    NOT: Yükleme aparatı ve konfeksiyon basınç teklif cihazı (Bkz. Malzemeler Tablosu)X-Ray CT tarama odasına yerleştirilirken, veri toplama ve kontrol cihazları dışarıda bulunur. Numunenin triaksiyel yükleme ve CT taraması tarama odasının dışında yapılır.
  2. X-ışını mikro BT cihazının kartındaki kaldırma aşamasını düzeltin (Şekil 1B). Kaldırma aşamasında ki eğimli sahneyi ve eğim aşamasındaki bir dönüş sahnesini sırasıyla düzeltin (Şekil 1B).
    NOT: Kaldırma aşaması ve yatırma aşaması, üzerlerine yerleştirilen ilgili ekipmanı taşımak için yeterli yükleme kapasitesine sahip olmalıdır.
  3. Döndürme aşamasının konumunu ve yönünü, tek bir X-ışınının, dönüş aşamasının ekseni etrafında 180 derece boyunca döndürüldüğünde numunenin içindeki aynı noktalardan geçmesi gibi eğim aşaması üzerinden ayarlayın.
    NOT: 2.2-2.3 adımları Şangay Synchrotron Radyasyon Merkezi'ndeki (SSRF) X-ışını mikro BT cihazı için geçerlidir. Özellikle situ triaksiyel testiçin kullanılan X-Ray mikro CT cihazları için, bu adımlar, rotasyon aşamasının dikkatli konumlandırılması ve fiksasyonundan sonra atlanabilir.
  4. Aşağıdaki prosedürlere göre tahtaüzerinde bir toprak örneği hazırlayın.
    1. Taban plakasının üst ucunun lateral yüzeyinin etrafına az miktarda silikon gres ekleyin ve üst yüzeyine gözenekli bir taş yerleştirin. Üst ucun lateral yüzeyinin etrafına bir membran koyun(Şekil 2A).
    2. Numune üreticisinin iki bölümü arasındaki temas yüzeylerine az miktarda silikon gres ekleyin ve kilitleyin. Örnek leyiciyi taban plakasına yerleştirin ve membranın içinden geçmesine izin verin(Şekil 2B).
    3. Vakum pompası kullanarak enjektülü nden numune üreticisinin içinde emme (örn. 25 kPa) oluşturun. Membranı üst ucunun lateral yüzeyine doğru sabitle. Membranın numune üreticisinin iç yüzeyine bağlı olduğundan emin olun (Şekil 2C).
    4. Test taneli malzemeyi belirli bir yükseklikten tamamen dolana kadar bir huni kullanarak numune üreticisine bırakın. Toprak numunesinin üst yüzeyi, numune oluşturucunun üst kenarı ile aynı düzeyde olmalıdır (Şekil 2D).
    5. Toprak örneğinin üzerine başka bir gözenekli taş ve gözenekli taşın üzerine paslanmaz çelik yastık plakası yerleştirin. Yastık plakasının lateral yüzeyine biraz silikon gres uygulayın. Membranın üst tarafını numune üreticisinden çıkarın ve yastık plakasına sabitle(Şekil 2E).
    6. Numune üreticisi başlığının içindeki emmeyi çıkarın ve taban plakası üzerindeki vananın içinde emme oluşturun. Son olarak, örnek oluşturucuyu çıkarın. Şekil 2F'degörüldüğü gibi minyatür bir kuru numune üretilir.
      NOT: Bu adım, hava pluviation yöntemi kullanılarak minyatür bir toprak numunesi üretme işlemini göstermektedir. Geleneksel kuru sıkıştırma yöntemi de örnek üretmek için kullanılabilir.
  5. Taban plakaüzerindeki kapama hücresini düzeltin ve hücrenin üstündeki hazne üst plakasını düzeltin(Şekil 1C).
  6. Hücrenin üst plakaüzerindeki piston mili sabitle(Şekil 1C).
  7. Taban plakasını, döndürme aşamasında ki kapama hücresi ve oda üstü plakasıyla birlikte yerleştirin. Ct taraması için numunenin yüksekliğini ayarlamak için bir çerçeve kullanılır (Şekil 1B).
    NOT: Bu çerçeve, SSRF'deki kaldırma aşamasının sınırlı hareket aralığı nedeniyle kullanılır. Büyük bir hareket aralığına sahip bir kaldırma aşaması kullanılıyorsa çerçeve kullanmaya gerek yoktur.
  8. Yükleme aparatının geri kalanını odanın üst plakası üzerine yapıştırın.
  9. Doğrusal değişken diferansiyel transformatörü (LVDT), yük hücresini ve step motorunu yükleyin ve çalıştırın (Şekil 1C).
  10. Hücreyi hücre basıncı (CP) vanası ile havasız suyla doldurun (bkz. Şekil 1C)bir sınırlama basınç lama cihazından sağlanan suyu kullanarak (bkz. Malzeme Tablosu). Su vanadan akmaya başladığında su çıkışı (WE) vanasını kapatın (Bkz. Şekil 1C).
    NOT: Sınırlı basınç teklif cihazını çok düşük sabit basınç değerine (örn. 10 kPa) sabit basınç moduna ayarlayın.
  11. Numuneye 25 kPa'lık sabit bir çekme basıncı ekleyin ve numunenin içindeki emmeyi çıkarın.
  12. Konsiyabasınç teklif cihazını kullanarak, konsiyabasıncı önceden belirlenmiş bir değere kademeli olarak artırın.
  13. Numunenin ilk tadına varın. Yüksek uzamsal çözünürlüklü CT tarayıcı (örneğin, piksel boyutu 6,5 m), örneğin tam taranması (örneğin, yüksekliği 16 mm) genellikle birkaç farklı yükseklikte taranmasını gerektirir (örneğin, tarama birkaç bölüme ayrılmıştır).
    NOT: Düşük bir uzamsal çözünürlük dedektörü ve küçük boyutlu bir örnek kullanılırsa, tarama alanı tek bir kesit kullanarak numunenin tam alan taraması için yeterli olabilir.
    1. Örneğin bir bölümünü tazyin. CT tarayıcısını Görüntü yakalama moduna ayarlayın ve numunenin ct projeksiyonlarını farklı açılarda yakalamak için tüm aygıtı önceden belirlenmiş sabit döndürme hızında (örn. 3,33 derece/s) 180 derece boyunca döndürmek için döndürme aşamasını başlatın.
      NOT: Numunenin alt tan yukarı doğru taranması önerilmektedir (örneğin, ilk bölüm numunenin alt kısmında bulunan tüm parçacıkları içerir).
    2. Döndürme tamamlandığında Görüntü yakalama modunu kapatın. Cihazı ilk konuma geri döndürün.
    3. Numunenin bir sonraki bölümünü taramak için kaldırma aşamasını(Şekil 1B)belirli bir yüksekliğe (örn. 4 mm) kullanarak numuneyi tüm cihazla birlikte kaldırın.
      NOT: Kaldırma, geçerli bölüm ile son bölüm arasında bir çakışma olduğundan emin olmalıdır (yani, ardışık iki bölüm arasında bir çakışma vardır). Çakışma onları dikiş kolaylaştırmak için en az 10 piksel olmalıdır.
    4. 2.13.1-2.13.3 adımlarını, örneğin son bölümü taranana kadar tekrarlayın.
  14. Sabit yükleme hızıyla numuneye eksenel yük uygulayın. Burada yükleme oranı %0.2/dk'dır. Kullanıcılar deneme gereksinimine göre farklı bir yükleme hızı ayarlayabilir.
  15. Eksenel yüklemeyi önceden belirlenmiş bir eksenel zorlanmada duraklatın. Ölçülen eksenel kuvvet sabit bir değere ulaşana kadar bekleyin (genellikle 2 dk içinde) ve bir sonraki tbmfe gerçekleştirin. Tbmktür prosedürleri, 2.13.adımda gösterildiği gibi aynıdır.
  16. Yükleme nin sonuna kadar 2,14 ve 2,15 adımlarını yineleyin.
  17. Testi boşaltın ve numuneyi triaksiyel cihazdan çıkarın.
  18. Dedektörden birkaç düz projeksiyon (genellikle 10 projeksiyon) elde etmek için taban plakasını ve konfeksiyon hücresini döndürme aşamasına tökezle. Dedektörden aynı sayıda karanlık projeksiyon elde etmek için X-ışını kaynağını kapatın.
    NOT: Ham BT projeksiyonlarının faz alÇaltılmasında düz ve koyu projeksiyonlar kullanılır. Düz ve koyu düzeltmenin uygulanması, yeniden yapılan CT dilimlerinde örnek le çevreleyen arka plan arasındaki kontrastı artırır. Ayrıca dedektörün arızalı piksellerinden kaynaklanan halka yapıtlarının hafifletilmesine de yardımcı olur.

3. Görüntü işleme ve analizi

  1. Görüntü işleme
    1. Serbest yazılım PITRE34kullanarak numunenin ham CT projeksiyonlarının faz alma (Şekil3B)uygulayın. Projeksiyonları (düz ve karanlık projeksiyonlar dahil) menüden PITRE'ye yükleyin Yük görüntüsü. PPCIsimgesine tıklayın. İlgili tarama parametrelerini girin ve faz alımını uygulamak için Tek'i tıklatın.
      NOT: Faz alma uygulaması, yeniden inşa edilen CT dilimlerinde farklı aşamalar (yani boşluk fazı ve katı faz) arasındaki arabirimlerin geliştirilmesini sağlar ve bu da sonraki görüntü tabanlı analiziçin önemli bir öneme sahiptir. parçacıklar arası temaslar.
    2. Faz alındıktan sonra CT projeksiyonlarına göre PITRE kullanılarak numunenin CT dilimlerini yeniden yapılandırın(Şekil 3C). Projeksiyonları menüden PITRE'ye yükleyin Yük görüntüsü. ProjSinosimgesini tıklatın. Görünen pencereye ilgili parametreleri girin ve CT dilimini yeniden oluşturmak için Tek'i tıklatın.
      NOT: Ağır kiriş sertleştirme eserleri veya halka eşyalar olmadığından emin olmak için yatay dilimleri kontrol edin. Aksi takdirde geçerli tarama parametrelerinin değiştirilmesi ve numunenin rescan gereklidir. Dikey dilimleri kontrol edin. Numune yamaçtan önce ciddi şekilde yatırılırsa, test başarısız olarak kabul edilir.
    3. CT dilimleriüzerinde görüntü filtreleme uygulayın. Görüntü filtreleme yapmak için bir anizotropik difüzyon filtresi kullanılır (Şekil 3D).
    4. Filtreuygulanmış CT dilimlerinde görüntü binarizasyonunu gerçekleştirin. Otsu'nun yöntemi35ile CT dilimlerinin yoğunluk histogramına göre belirlenen BT dilimlerine yoğunluk değer eşiği uygulayarak görüntü binarizasyonunu (Şekil 3E)uygulayın.
      NOT: Katı faz ve boşluk fazı arasında önemli bir yoğunluk çakışması gösteren gri ölçekli histogramlı CT dilimleri için,36.
    5. Marker tabanlı havza algoritması kullanarak binarize CT dilimlerinden ayrı ayrı parçacıklar ve sonuçları 3B etiketli bir resimde saklayın(Şekil 3F). CT görüntüden hesaplanan parçacık boyutu dağılımını mekanik bir eleme testinden karşılaştırarak sonuçları doğrulayın.
      NOT: Bu algoritmayı uygulamak için Avizo Fire yazılımının ayrı nesneleri modülü kullanılabilir. Avizo Fire'ın Sınır Kill modüllerini kullanarak binarize CT dilimlerinden gözenekli taşları çıkarın. Güvenilir bir parçacık ayırma sonuçları elde etmek için, okuyucuların farklı parçacık segmentasyon algoritmaları37,38,39denemek için önerilmektedir.
  2. Görüntü analizi
    1. Etiketli görüntüden parçacık özelliklerini ayıklayın. Bir MATLAB komut parçacığı hacmi, parçacık yüzey alanı, parçacık yönü ve parçacık merkezoid koordinatları da dahil olmak üzere parçacık özellikleri ayıklamak için kullanılır.
      NOT: Her parçacığın bu özelliklerini elde etmek için içsel MATLAB fonksiyonları regionprops, bwprim ve pca kullanılır. Bu prosedürlerin daha ayrıntılı bir açıklama Cheng ve Wang28çalışmalarında bulunabilir.
    2. Ct dilimlerinin ikili görüntüsü(Şekil 4)ile marker tabanlı uygulamadan elde edilen havza çizgilerinin ikili görüntüsü arasında mantıksal bir işlem ve uygulama yla binarize CT dilimlerinden kontak voxellerini ayıklayın havza algoritması31.
      NOT: Kontak voksellerinin aşırı tespiti kısmi ses etkisi ve CT görüntülerinin rastgele gürültüsü nedeniyle oluşabilir40,41. Ancak, parçacıklar arası temasların hafif bir aşırı algılanması, parçacıklar arası temas evrim davranışının genel eğilimi üzerinde önemli etkiler yaratmaz42.

4. Toprakların tane ölçekli mekanik davranışının BT görüntü tabanlı keşfi

NOT: Aşağıdaki görüntü tabanlı analiz, idealist küresel parçacıklar veya çok dar dereceleme aralıkları (yani monodisperse örnekleri) ile örnekler için geçerli değildir. Ancak, yüksek yuvarlaklık ve kötü dereceleme (örneğin, 0.3 ~ 0.6 mm cam boncuk) ile parçacıklar için, metodoloji iyi sonuçlar verir (Cheng ve Wang31bakınız).

  1. Numunenin parçacık kinematiği miktarını ölçün. Parçacık hacmi veya parçacık yüzey alanına dayalı olarak farklı taramalarda numune içindeki tek tek parçacıkları izlemek için bir parçacık izleme yöntemi kullanın. Bu yöntemin ayrıntılı bir açıklaması Cheng ve Wang28verilmiştir.
    1. Ardışık iki tarama sırasında her parçacığın çevirisini hesaplayın. İki tarama arasındaki parçacık merkezoid koordinatları arasındaki fark olarak hesaplanır.
    2. Her parçacığın dönüş açısını, iki tarama arasındaki ana eksen yöndeki farka göre belirleyin.
  2. Numunenin gerinim alanını ölçün. Parçacık çevirisi ve parçacık döndürmeye dayalı olarak ardışık iki tarama sırasında gerinim alanını hesaplamak için ızgara tabanlı bir yöntem kullanın.
    NOT: Yöntem, hem taramalardan hem de parçacık kinematiği sonuçlarından numunenin etiketli görüntülerini gerektirir. Okuyucular ayrıntılı bir açıklama için önceki bir çalışma24 sevk edilir.
  3. Numunenin parçacıklar arası temas evrimini analiz edin. Çıkarılan kontak voxels dayanarak, parçacıkların etiketli görüntüleri ve parçacık izleme sonuçları, kayıp kişilerin şube vektör yönünü analiz ve her kesme artış sırasında örnek içinde kazanılan temas.
    NOT: Bu yöntemin tam bir açıklaması Cheng ve Wang31verilmiştir.

Sonuçlar

Şekil 5 iki tipik kesme artışlar sırasında 2D dilim bir Leighton Şahin kum (LBS) örnek parçacık kinematik sonuçları tasvir, I ve II. Parçacıkların çoğu başarıyla izlenir ve bunların çevirileri ve dönüşleri yukarıdaki protokole göre ölçülür. İlk kesme artış sırasında, ne parçacık yer değiştirmeleri ne de parçacık rotasyonları net yerelleştirme göstermez. Ancak, ikinci kesme artış sırasında hem parçacık yer değiştirme haritasında hem de parç...

Tartışmalar

Yüksek uzamsal çözünürlükx-ışını mikro-BT ve gelişmiş görüntü işleme ve analiz teknikleri, çok ölçekli düzeylerde (yani makro ölçekli, mezo-ölçekli ve makas altında granüler toprakların mekanik davranışlarının deneysel olarak araştırılmasını sağlamıştır tane ölçeği düzeyleri). Ancak, CT görüntü tabanlı meso- ve tane ölçekli araştırmalar yükleme sırasında toprak örneklerinin yüksek uzamsal çözünürlükTE CT görüntülerinin elde edilmesini gerektirir. Bu süreci...

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

Bu çalışma, Genel Araştırma Fonu No. CityU 11213517 Hong Kong SAR Araştırma Hibe Konseyi, Araştırma Grant No 51779213 Çin Ulusal Bilim Vakfı ve Şangay Synchrotron Radyasyon Tesisi (SSRF) BL13W ışın hattı.

Malzemeler

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

Referanslar

  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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

M hendislikSay 151tanecikli topraklarpar ac k evirisipar ac k rotasyonugerinim lokalizasyonukontak kaybkontak tevkifatkontakt harekettriaksiyel s k t rmasenkrotron X n mikro tomografisi

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır