Kvantifikace vývoje půdní tkaniny během střihu pomocí skalárních parametrů (1)

ÚVOD

  V geomechanice se hustota balení půdy typicky měří v makroskopickém měřítku hmotností a objemem vzorku a je kvantifikována jako poměr prázdných míst (e), specifický objem (v) nebo pórovitost (n). U písků hustota obalu hraje význam(např. odrážející se ve státním parametru: Wroth & Bassett, 1965; Been & Jefferies, 1985). Pokud je půda vyšší hustotou balení (částice jsou více "pletené" dohromady), je toby měl mít větší počet kontaktů částic a částic a větší oblast kontaktu na částic. V důsledku toho je zapotřebí větší energie (odpovídající vyšší deviatorní zátěži), aby se kontakty rozpojily a pohybovaly sečástice, čímž je materiál silnější. Výzkumníci v komunitě mechaniky částic, používající metodu diskrétních prvků (DEM) nebo elasticitu fotografií, obvykle kvantifikují hustotu obalů částic pomocí koordinačního čísla(CN), měřítko počtu kontaktů na částic.

  Pro uzamčené písky jsou kontakty částic typicky zvětšeny; toto zvětšení mohlo být způsobeno tlakovým roztokem vyvolaným vysokými vnitřními kontaktními silami působícími po rozšířeném geologickém časovém rozmezí (například Sorby, 1908;Barton, 1993). Někteří autoři však interpretovali fenomén vzájemné přeměny zrna jako výlučně mechanického, což vyplývá z nepružných deformací, ke kterým dochází jako pískové kompakty (komprese) (například Stephenův synet al., 1992). Experimentální výzkum reakce uzavřeného písku Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) a Bhandari (2009) zdůraznily význam kontaktů částic a jejich kontaktních oblastí, které mělyrozvinutých geologických dějin půdy. Tito autoři srovnávali chování neporušených a rekonstituovaných vzorků z Dolního Greensandu, uzamčeného písku z Dolních křídových lůžek Folkestone v jihozápadní Anglii. Dokoncepřičemž byly zaznamenány jakékoliv rozdíly v poměru neplatnosti mezi neporušenými a rekonstituovanými vzorky, neporušeným materiálem bylo vždy zjištěno, že má vyšší počáteční pevnost ve smyku a má mnohem vyšší špičkové síly,vyšší míra dilatace. Neporušený materiál také vykazoval náhlé zhoršení střihové tuhosti (G). Tito autoři používali kvalitativní pozorování povahy mezičásticových kontaktů a jejich evoluce pomocí stříhánípři diskusi o původu těchto odpovědí. Cílem tohoto příspěvku je poskytnout kvantitativní potvrzení o zahrnutých mechanismech tím, že se zváží měření hustoty balení v měřítku částic a jejich vztah k mechanickýmOdezva. Obrázek optického mikroskopu studovaného intaktního zamčeného písku je znázorněn na obr. 1.

Obrázek 1. Mikroskopický obraz tenkého řezu Reagate písku pod křížovým polarizovaným světlem

Některé rozdíly v odezvě mezi neporušenými a rekonstituovanými vzorkami Greensand vzorkovaných u Reigate (odkud pochází název písku) lze připsat rozdílům v morfologii částic, které vznikají z(Fonseca a kol., 2012a), které byly v různých experimentálních studiích přehlédnuty. Nicméně úplné pochopení rozdílů vyžaduje konrozložení tkaniny nebo vnitřní topologie materiálu, zejména kontaktů částic. Současná studie používá dataz mikropočítačové tomografie (micro CT) skenuje s velikostí voxelu (3D pixelů) 0,018d50 pro zkoumání evolucebalení neporušených a rekonstituovaných materiálů. Na propojení makroskopického chování se změnami v mikrostruktuře byly použity skalární veličiny, jako je CN, kontaktní index (CI) a délka větev vektoru (BVL).

  EXPERIMENTÁLNÍ METODY

  Byla provedena řada triaxiálních kompresních zkoušek na vzorcích (38 mm v průměru a 76 mm vysokých) neporušeného a rekonstituovaného písku Reigate při uzavíracím tlaku 300 kPa. Neporušené vzorky písku Reigate byly pečlivě vyřezányz blokových vzorků získaných ze stejného místa, které používají Cresswell & Powrie (2004) a Bhandari (2009). Rekonstituované vzorky byly získány jemným rozdělením materiálu ručně a následným umístěním do formymembránou na triaxiálním podstavci, aplikováním podtlaku a vibrací k dosažení hustoty blízké hustotám neporušených vzorků. Postup testování byl stejný pro dva typy vzorků a výsledné odpovědi na deformaci zátěže proreprezentativní a rekonstituované vzorkyjsou uvedeny na obr. 2. Intaktní a rekonstituované vzorky měly počáteční poměr prázdných hodnot 0,48 a 0,49, avšak navzdory podobnosti hladiny napětí a poměru neplnění se mechanické odezvy významně liší,předchozí vyhledávače. Testy byly opakovány a zastaveny v různých fázích střihu, kdy byly vzorky impregnovány epoxidovou pryskyřicí, aby bylo možno měřit vývoj mikrostruktury. Vybrané body bylypočáteční stav před zatížením (zatěžovací stupeň 1), nástup dilatace (zátěžový stupeň 2), při vzhledu viditelného smykového pásu (zátěžový stupeň 3) a při přiblížení se k kritickému stavu (zátěžový stupeň 4). Z důvodu lokalizace kmene akritický stav mohl být mobilizován lokálně pouze ve smykovém pásmu. Jakmile byla pryskyřice nastavena a vytvrzena, vytlačily se mini jádra (o průměru 3 až 6 mm) jak z oblastí obsahujících smykový pás, tak z objemu vzorku. Dálepodrobnosti o triaxiálních testech a procesu impregnace pryskyřice jsou uvedeny v práci Fonseca (2011) a Fonseca et al. (2012a).

Jak je uvedeno ve Stock (2008) nebo Ketcham & Carlson (2001), při použití CT by mělo být zorné pole obrazu (FOV) větší než objekt a čím menší je FOV, tím menší je velikost voxelu. Velikost voxelu použitá v tomto výzkumu byla 5 μm,po 2 3 2 3 2 binning (tj. objem 23 voxelů byl nahrazen 1 voxelem), aby se vyrovnal s problémy s pamětí počítače. Tato velikost voxelu je téměř o řádu větší, než jaká byla dosažena v klíčových geotechických studiích (Tab1) s tím, že rozlišení je vztaženo k krychle délky voxelu. Při použití dat CTT k charakterizaci vnitřní struktury materiálu je požadovaná kvalita obrazu a velikost voxelu obě funkce velikosti velikostirysy zájmu, které je třeba vyřešit, a účelu současného vyšetřování. Když jsou zvažovány kontaktu, morfologie částic a prázdných částic, jako v současném šetření, jsou vyžadovány malé velikosti voxeludosáhnout požadovaného rozlišení všech těchto funkcí. Velikost vzorku, velikost voxelu a parametry skenování jsou proto založeny na kompromisu mezi třemi hlavními faktory: kvalitou obrazu, časem a náklady na proces.Dev. stres intact Dev. stres rekon. Vol. kmen neporušený Vol. strach recon.

  Tabulka 2 shrnuje 13 mini jader naskenovaných pro osm neporušených vzorků (Int 1 a až Int 4 b S) a pět rekonštituovaných vzorků (Rec 1 a až Rec 4 S). Jak je uvedeno v tabulce 2, fáze zátěže, ve kterých byly provedeny mikroskopické CT kontroly, odpovídaly difkmenů pro intaktní a rekonstituované vzorky. Pro neporušenou zeminu byly ze zatěžovacího pásma 3 a 4 (vzorky Int 3 b S a Int 4 b S) vytvořeny dva vzorky z oblasti smykového pásma, ale jelikož jsou jádra miniaturnínež je tloušťka smykového pásu, každý vzorek je složen z částic z vnitřního i vnějšího smykového pásu. Pro obnovenou půdu jeden vzorek zachytil smykový pás v zatěžovacím stupni 4 (Rec 4 S). Všechny zbývající vzorky bylybuď odebrané před vytvořením smykového pásu, nebo které neobsahují významnou část oblasti smykového pásma.

  Všechny předložené údaje byly získány v jednom ze dvou nanotomových mikromotorových skenerů vyvinutých phoenix | X ray (GE). Úplné podrobnosti o použitých systémech a parametrech pro skenování uvádí Fonseca (2011). Získané obrázky.

Tabulka 2. Podmínky vzorku a klíčové hodnoty

jiné nedostatky (např. Davis & Elliott, 2006), což komplikuje následnou analýzu obrazu. Záblesky synchronizovaného záření mohou mít potenciálně vyšší kvalitu, protože lze použít monochromatický rentgenový paprsek, existuje vyšší tok fotonů apoměr signál / šum je lepší (Stock, 2008). Přístup k zdrojům synchrotronového záření je omezen a ačkoli existují příklady použití synchrotronových zařízení v geomechinických studiích (jak je uvedeno v tabulce 1), laboratorní zdroje jsoučastější a pravděpodobně budou nadále přijímány v geomechanickém výzkumu.

Opatrně je třeba věnovat pozornost částicům, které zachycovaly hranici skenování a počet úplných "vnitřních" částic, které se nedotkly hranic, je uvedeno v tabulce 2. Podle statistik částic (např. Koordinacepočet) byly pak vypočteny pouze pro vnitřní částice, jak je podrobně popsáno v Fonseca (2011). Obrázky 3 (a) a 3 (b) znázorňují malé úseky pomocí tomografických údajů pro intaktní a rekonstituovaný vzorek písku Reigate.