Kwantificering van de evolutie van bodemweefsel tijdens het scheren met behulp van scalaire parameters (1)

  INVOERING

  In de geomechanica wordt de dichtheid van de dichtheid van de grond typisch gemeten op de macroschaal via de massa en het volume van het monster en wordt deze gekwantificeerd als de lege ruimte (e), het specifieke volume (v) of de porositeit (n). Voor zand speelt de pakkingsdichtheid een rolkantelrol bij het bepalen van de mechanische respons (bijvoorbeeld zoals weerspiegeld in de toestandsparameter Wroth & Bassett, 1965; Been & Jefferies, 1985). Als een bodem een ​​hogere pakkingsdichtheid heeft (de deeltjes worden dichter bij elkaar 'gebreid'), dan is ditmoet een groter aantal deeltje-deeltje contacten en een groter contactoppervlak per deeltje hebben. Bijgevolg is er meer energie nodig (overeenkomend met een hogere deviatorspanning) om de contacten los te maken en dedeeltjes, waardoor het materiaal sterker wordt. Onderzoekers binnen de gemeenschap van deeltjesvormige bodemmechanica, met behulp van de discrete-elementenmethode (DEM) of foto-elasticiteit, kwantificeren gewoonlijk de dichtheid van de deeltjesvulling met behulp van het coördinatiegetal(CN), een maat voor het aantal contacten per deeltje.

  Voor gesloten zand worden de deeltjescontacten typisch vergroot; deze vergroting kan zijn veroorzaakt door drukoplossing veroorzaakt door hoge interpartikelcontactkrachten die werken over een uitgebreide geologische tijdschaal (bijvoorbeeld Sorby, 1908;Barton, 1993). Sommige auteurs hebben echter het fenomeen van korrelinterpenetratie geïnterpreteerd als zijnde uitsluitend mechanisch, resulterend uit de niet-elastische vervormingen die plaatsvinden als de zandcomponenten (comprimeert) (bijvoorbeeld Stephen zoonet al., 1992). Experimenteel onderzoek naar de reactie van geblokkeerd zand door Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) en Bhandari (2009) benadrukten het belang van de deeltjescontacten en hun contactgebiedontwikkeld door de geologische geschiedenis van de bodem. Deze auteurs vergeleken het gedrag van intacte en gereconstitueerde exemplaren van het Lower Greensand, een afgesloten zand van de Lower Cretaceous Folkestone Beds in het zuiden van Engeland. Zelfsrekening houdend met eventuele verschillen in de lege ruimte tussen de intacte en gereconstitueerde monsters, bleek het intacte materiaal consistent een hogere initiële afschuifstijfheid te hebben, en had het veel hogere pieksterkten, wat resulteerde uithogere mate van verwijding. Het intacte materiaal vertoonde ook een meer abrupte afbraak in de afschuifstijfheid (G). Deze auteurs gebruikten kwalitatieve observaties van de aard van de interparticulaire contacten en hun evolutie met shearingbij het bespreken van de oorsprong van deze antwoorden. Het huidige artikel beoogt een kwantitatieve bevestiging te geven van de mechanismen die betrokken zijn bij het beschouwen van deeltjesschaalmetingen van de pakkingsdichtheid en het relateren ervan aan het mechanischerespons. Een optische microscoopafbeelding van het intacte, vergrendelde zand dat is bestudeerd, wordt getoond in figuur 1.

Fig. 1. Microscoopbeeld van een dunne sectie Reigate-zand onder gepolariseerd licht

Sommige verschillen in respons tussen intacte en gereconstitueerde monsters van de Greensand die zijn bemonsterd in de buurt van Reigate (van waaruit de naam van het zand is afgeleid) kunnen worden toegeschreven aan verschillen in de deeltjesmorfologie die voortvloeien uitbreuk van de aanvankelijk gebroken deeltjes tijdens het reconstitutieproces (Fonseca et al., 2012a), die over het hoofd was gezien in de verschillende experimentele studies. Hoe dan ook, een volledig begrip van de verschillen vereist consideratie van de stof of interne topologie van het materiaal, in het bijzonder de deeltjescontacten. Het huidige onderzoek maakt gebruik van gegevensvan micro computertomografie (micro CT) scans met een voxel (3D pixel) grootte van 0.018d50 om de evolutie te onderzoekenvan de verpakking van intacte en gereconstitueerde materialen. Scalaire weefselhoeveelheden zoals CN, contactindex (CI) en vertakkingsvectorlengte (BVL) werden gebruikt om het macroscopische gedrag te koppelen aan de veranderingen in de microstructuur.

  EXPERIMENTELE METHODES

  Een reeks triaxiale compressietests van monsters (38 mm in diameter en 76 mm hoog) van intact en gereconstitueerd Reigate-zand werd uitgevoerd bij een opsluitdruk van 300 kPa. De intacte Reigate-zandmonsters werden zorgvuldig gesnedenuit blokmonsters verkregen van dezelfde site als die gebruikt door Cresswell & Powrie (2004) en Bhandari (2009). De gereconstitueerde monsters werden verkregen door het materiaal voorzichtig met de hand te disaggregeren en het vervolgens in een mal en te plaatsenmembraan op de triaxiale sokkel, aanbrengen van stampwerk en trillingen om dichtheden te verkrijgen die dicht bij die van de intacte monsters liggen. De testprocedure was identiek voor de twee voorbeeldtypen en de resulterende belastingsvervormingreacties voorrepresentatieve intacte en gereconstitueerde monstersworden gegeven in Fig. 2. De intacte en gereconstitueerde monsters hadden initiële lege verhoudingen van respectievelijk 0,48 en 0,49, maar ondanks de overeenkomsten in spanningsniveau en holteverhouding verschillen de mechanische responsen aanzienlijk, zoals waargenomen doorvorige herzoekers. De tests werden herhaald en gestopt in verschillende stadia van afschuiving, wanneer de monsters waren geïmpregneerd met een epoxyhars om meting van de evolutie van de microstructuur mogelijk te maken. De geselecteerde punten waren deinitiële toestand voorafgaand aan het laden (laadstap 1), het begin van dilatatie (laadstap 2), bij het verschijnen van een zichtbare afschuifband (laadstap 3), en bij het naderen van de kritieke toestand (laadstap 4). Vanwege de lokalisatie van de spanning,kritieke toestand kan alleen lokaal worden gemobiliseerd in een shear-band. Nadat de hars was uitgehard en uitgehard, werden mini-kernen (3-6 mm in diameter) zowel uit regio's met de afschuifband als uit de bulk van het monster geëxtraheerd. Verderdetails van de triaxiale testen en het harsimpregatieproces worden gegeven door Fonseca (2011) en Fonseca et al. (2012a).

Zoals geschetst door Stock (2008) of Ketcham & Carlson (2001), wanneer CT wordt gebruikt, moet het beeldveld van weergave (FOV) groter zijn dan het object, en hoe kleiner de FOV, hoe kleiner de voxelgrootte. De voxel-maat die in dit onderzoek werd gebruikt, was 5 μm,na een 2 3 2 3 2 binning (dat wil zeggen een volume van 23 voxels werd vervangen door 1 voxel) om problemen met computergeheugen op te lossen. Deze voxel-maat is bijna een orde van grootte groter dan die bereikt in belangrijke eerdere geotechnsche studies (tabel1), waarbij wordt opgemerkt dat de resolutie gerelateerd is aan de kubus van de lengte van de voxel. Wanneer micro CT-gegevens worden gebruikt om de interne structuur van een materiaal te karakteriseren, zijn de vereiste beeldkwaliteit en voxel-grootte beide functies van de grootte van deinteressegebieden die moeten worden opgelost, en van het doel van het huidige onderzoek. Wanneer de contact, deeltjes en lege morfologieën allemaal worden beschouwd, zoals in het huidige onderzoek, zijn kleine voxelformaten vereist ombereik de gewenste resolutie van al deze functies. De steekproefomvang, voxelgrootte en scanparameters zijn dus gebaseerd op een compromis tussen drie belangrijke factoren: beeldkwaliteit, genomen tijd en kosten van het proces.Dev. stress intact Dev. stress recon. Vol. stam intact Vol. stam recon.

  Tabel 2 geeft een samenvatting van de 13 minikoralen die zijn gescand op acht intacte (Int 1 a tot Int 4 b S) en vijf gereconstitueerde (Rec 1 a tot Rec 4 S) monsters. Zoals getoond in Tabel 2 kwamen de ladingsstadia waarbij micro CT-scans werden uitgevoerd overeen met difvoor de intacte en gereconstitueerde monsters. Voor de intacte grond werden twee monsters uit het scheerbandgebied bij de krachttrappen 3 en 4 (respectievelijk de monsters Int 3b S en Int 4 b S) uitgeboord, maar omdat de mini-kernen groter zijndan de dikte van de schaarband, bestaat elk monster uit deeltjes van zowel binnen als buiten de afschuifband. Voor de opnieuw samengestelde grond onderschepte één monster de afschuifband in ladingsfase 4 (Rec 4 S). Alle resterende monsters warenofwel genomen voordat de schuifbandband is ontwikkeld of geen belangrijk deel van het schuifbandgebied bevat.

  Alle gepresenteerde gegevens werden verkregen in een van de twee nanotom micro CT-scanners, ontwikkeld door phoenix | x ray (GE). Alle details van de gebruikte systemen en de scanparameters worden gegeven door Fonseca (2011). Beelden verkregen.

Tabel 2. Voorbeeldvoorwaarden en sleutelwaarden

andere tekortkomingen (bijvoorbeeld Davis & Elliott, 2006), complicerende latere beeldanalyse. Synchrotron-stralingsafbeeldingen kunnen mogelijk een hogere kwaliteit hebben, aangezien een monochromatische röntgenbundel kan worden gebruikt, er een hogere fotonflux is en designaal-ruisverhouding is beter (voorraad, 2008). De toegang tot synchrotron-stralingsbronnen is beperkt en hoewel er voorbeelden zijn van het gebruik van synchrotron-faciliteiten in geomech-anicsstudies (zoals genoteerd in Tabel 1), zijn laboratoriumbronnenmeer gebruikelijk, en zullen waarschijnlijk worden voortgezet in het onderzoek naar geomechanica.

Er moest zorgvuldig worden nagedacht over deeltjes die de scangrens onderschepten, en het aantal volledige 'binnen'deeltjes dat de grenzen niet raakte, wordt aangegeven in Tabel 2. Per deeltjestatistieken (bijvoorbeeld coördinatieaantal) werden vervolgens alleen berekend voor de inwendige deeltjes, zoals gedetailleerd beschreven in Fonseca (2011). Figuren 3 (a) en 3 (b) illustreren kleine secties door tomografische gegevens voor respectievelijk een intact en een gereconstitueerd monster van Reigate-zand.