Ilościowe określenie ewolucji tkaniny gruntowej podczas ścinania przy użyciu parametrów skalarnych (1)

  WPROWADZENIE

  W geomechaniki gęstość upakowania gleby jest zazwyczaj mierzona w makroskali poprzez masę i objętość próbki i jest określana ilościowo jako stosunek pustych przestrzeni (e), objętość właściwa (v) lub porowatość (n). W przypadku piasków gęstość upakowania odgrywa znaczącą rolęnie może odgrywać roli w określaniu mechanicznej odpowiedzi (np. odzwierciedlonej w parametrze stanu: Wroth i Bassett, 1965, Been & Jefferies, 1985). Jeżeli gleba ma wyższą gęstość upakowania (cząstki są ściślej ze sobą powiązane), topowinien mieć większą liczbę kontaktów cząstki-cząstki i większy obszar kontaktu na cząstkę. W związku z tym wymagana jest większa energia (odpowiadająca większemu stresowi dewiacyjnemu) w celu rozłączenia styków i przesunięciacząsteczki, dzięki czemu materiał jest silniejszy. Naukowcy zajmujący się mechaniką cząstek w glebie, wykorzystując metodę elementów dyskretnych (DEM) lub elastyczność fotograficzną, zazwyczaj określają gęstość upakowania cząstek za pomocą numeru koordynacyjnego(CN), miara liczby kontaktów na cząsteczkę.

  W przypadku zablokowanych piasków styki cząstek są zwykle powiększane; powiększenie to mogło być spowodowane przez rozwiązanie ciśnienia wywołane wysokimi siłami oddziaływania międzycząsteczkowego działającymi w rozszerzonej geologicznej skali czasowej (np. Sorby, 1908;Barton, 1993). Jednak niektórzy autorzy interpretowali zjawisko wzajemnego przenikania ziarna jako wyłącznie mechaniczne, wynikające z nieelastycznych deformacji, które zachodzą w postaci zwartych (kompresujących) piasków (np.i wsp., 1992). Eksperymentalne badania reakcji zablokowanego piasku przez Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell i inni; Powrie (2004) i Bhandari (2009) podkreślili znaczenie kontaktów cząsteczkowych i ich powierzchni kontaktu, które miałyrozwinięte przez geologiczną historię gleby. Autorzy ci porównali zachowanie nienaruszonych i odtworzonych okazów z Dolnej Greensand, zablokowanego piasku z dolnokredowych warstw Folkestone w południowej Anglii. Parzystystwierdzono, że nienaruszony materiał ma większą początkową sztywność na ścinanie i ma znacznie wyższe wartości szczytowe, co wynika zwyższe wskaźniki rozszerzenia. Nieuszkodzony materiał wykazywał również bardziej gwałtowny rozkład sztywności ścinania (G). Autorzy ci wykorzystali jakościowe obserwacje natury kontaktów międzycząstkowych i ich ewolucji ze ścinaniemw omawianiu pochodzenia tych odpowiedzi. Obecna praca ma na celu dostarczenie ilościowego potwierdzenia mechanizmów związanych z określeniem miary gęstości upakowania w skali cząstek i powiązanie ich z mechanicznymiodpowiedź. Obraz mikroskopu z nienaruszonego, zablokowanego piasku przedstawiono na ryc. 1.

Ryc. 1. Obraz mikroskopowy cienkiej części piasku Reigate w świetle spolaryzowanym krzyżowo

  Niektóre różnice w odpowiedzi pomiędzy nienaruszonymi i odtworzonymi próbkami pobranymi od Greensand w pobliżu Reigate (skąd pochodzi nazwa piasku) można przypisać różnicom w morfologii cząstek, które powstają w wynikupękanie początkowo spękanych cząstek podczas procesu rekonstytucji (Fonseca i wsp., 2012a), które zostały pominięte w różnych badaniach eksperymentalnych. Jakkolwiek, pełne zrozumienie różnic wymaga oszustwarozłożenie materiału lub topologia wewnętrzna materiału, w szczególności styki cząstek. Obecne badanie wykorzystuje danez tomografii komputerowej (micro CT) z użyciem rozmiaru woksela (piksel 3D) 0,018d50 w celu zbadania ewolucjipakowania nienaruszonych i odtworzonych materiałów. Ilości materiału skalarnego, takie jak CN, wskaźnik kontaktu (CI) i długość wektora gałęzi (BVL) zostały użyte do powiązania makroskopowego zachowania ze zmianami w mikrostrukturze.

  METODY EKSPERYMENTALNE

  Serię trójosiowych testów kompresji próbek (o średnicy 38 mm i wysokości 76 mm) z nienaruszonego i zrekonstruowanego piasku Reigate przeprowadzono przy ciśnieniu granicznym 300 kPa. Nieuszkodzone próbki piasku Reigate zostały starannie wyrzeźbionez próbek blokowych otrzymanych z tego samego miejsca, co te używane przez Cresswell & Powrie (2004) i Bhandari (2009). Odtworzone próbki otrzymano przez delikatne dezagregowanie materiału ręcznie, a następnie umieszczenie go w formie imembranę na trójosiowym cokole, stosując ubijanie i wibracje w celu osiągnięcia gęstości zbliżonych do gęstości nienaruszonych próbek. Procedura testowania była identyczna dla dwóch typów próbek i wynikających odpowiedzi na deformację obciążenia dlareprezentatywne nienaruszone i odtworzone próbkisą podane na ryc. 2. Nienaruszone i rekonstytuowane próbki miały początkowo puste stosunki, odpowiednio, 0,48 i 0,49, ale pomimo podobieństwa w poziomie stresu i stosunku pustych przestrzeni, reakcje mechaniczne różnią się znacznie, jak zaobserwowałpoprzedni re wyszukiwania. Testy powtarzano i zatrzymywano na różnych etapach ścinania, gdy próbki impregnowano żywicą epoksydową, aby umożliwić pomiar ewolucji mikrostruktury. Wybrane punkty to:stan początkowy przed załadunkiem (stopień obciążenia 1), początek rozszerzenia (stopień obciążenia 2), pojawienie się widocznego pasma ścinania (stopień obciążenia 3) oraz zbliżanie się do stanu krytycznego (stopień obciążenia 4). Ze względu na lokalizację odkształceń,stan krytyczny można uruchomić tylko lokalnie w zespole ścinania. Po ustawieniu i utwardzeniu żywicy, mini rdzenie (o średnicy 3-6 mm) ekstrahowano zarówno z regionów zawierających pasmo ścinania, jak i z próbki. Dalejszczegóły testów trójosiowych i procesu impregnacji żywicą są podane przez Fonseca (2011) i Fonseca et al. (2012a).

  Jak nakreślili Stock (2008) lub Ketcham & Carlson (2001), przy użyciu CT pole widzenia obrazu (FOV) powinno być większe niż obiekt, a im mniejsze pole widzenia, tym mniejszy rozmiar woksela. Wielkość woksela użyta w tym badaniu wynosiła 5 μm,po binowaniu 2 3 2 3 2 (czyli objętości 23 wokseli zastąpiono 1 wokselem), aby poradzić sobie z problemami z pamięcią komputera. Ten rozmiar woksela jest prawie o rząd wielkości większy niż osiągnięty w kluczowych wcześniejszych badaniach geotechnicznych (tab1), zauważając, że rozdzielczość jest związana z sześcianem długości woksela. Podczas korzystania z danych mikro CT do scharakteryzowania wewnętrznej struktury materiału, wymagana jakość obrazu i rozmiar woksela są funkcjami wielkościcechy, które wymagają rozwiązania, oraz cel obecnego dochodzenia. Kiedy kontakt, morfologie cząstek i pustek są brane pod uwagę, tak jak w obecnym badaniu, małe wymiary wokseli są wymagane doosiągnąć pożądaną rozdzielczość wszystkich tych funkcji. Tak więc rozmiar próbki, rozmiar woksela i parametry skanowania są oparte na kompromisie między trzema głównymi czynnikami: jakością obrazu, czasem i kosztem procesu.Dev. nienaruszony stres Dev. zestresuj stres. Vol. szczep nietknięty Vol. Odtworzyć szczep.

  W tabeli 2 zestawiono 13 małych rdzeni zeskanowanych dla ośmiu nietkniętych (Int 1a do Int 4 b S) i pięciu rekonstytuowanych próbek (Rec 1 a do Rec 4 S). Jak pokazano w Tabeli 2, etapy obciążenia, w których wykonano skany mikro CT, odpowiadały różnym wartościominne szczepy na nienaruszone i odtworzone próbki. Dla nienaruszonego gruntu, dwie próbki były rdzeniowe z regionu pasma ścinania na stopniach obciążenia 3 i 4 (próbki Int 3 b S i Int 4 b S, odpowiednio), ale ponieważ mini rdzenie są większeniż grubość pasma ścinania, każda próbka składa się z cząstek zarówno z wewnątrz, jak i na zewnątrz pasma ścinania. W przypadku odtworzonej gleby, jedna próbka przechwyciła pasmo ścinania na etapie obciążenia 4 (Rec 4 S). Wszystkie pozostałe próbki byłyalbo pobrane przed opracowaniem pasma ścinania lub nie zawierające znaczącej części obszaru pasma ścinania.

  Wszystkie przedstawione dane uzyskano w jednym z dwóch nanometrycznych skanerów mikro-CT, opracowanych przez firmę phoenix | X ray (GE). Pełne szczegóły użytych systemów i parametry skanowania są podane przez Fonseca (2011). Uzyskane obrazy.

Tabela 2. Przykładowe warunki i wartości kluczy

inne niedociągnięcia (np. Davis i Elliott, 2006), komplikując kolejną analizę obrazu. Obrazy promieniowania synchrotronowego mogą mieć potencjalnie wyższą jakość, ponieważ można zastosować monochromatyczną wiązkę promieniowania X, istnieje wyższy strumień fotonów, astosunek sygnału do szumu jest lepszy (Stock, 2008). Dostęp do źródeł promieniowania synchrotronowego jest ograniczony i chociaż istnieją przykłady wykorzystania urządzeń synchrotronowych w badaniach anomalii geomechaniki (jak wskazano w tabeli 1), źródła laboratoryjne sąbardziej powszechne i prawdopodobnie nadal będą przyjmowane w badaniach geomechanicznych.

  Trzeba było uważnie rozważyć cząstki, które przechwyciły granicę skanowania, a liczba pełnych "wewnętrznych" cząstek, które nie dotykały granic, jest podana w Tabeli 2. Na statystyki cząstek (np.liczba) zostały obliczone tylko dla wewnętrznych cząstek, jak wyszczególniono w Fonseca (2011). Fig. 3 (a) i 3 (b) ilustrują małe przekroje przez dane tomograficzne odpowiednio dla nienaruszonego i zrekonstruowanego okazu piasku Reigate.