Quantifizierung der Entwicklung des Bodengewebes während des Scherens unter Verwendung von Skalarparametern (1)

  EINFÜHRUNG

  In der Geomechanik wird die Packungsdichte des Bodens typischerweise auf der Makroskala über Masse und Volumen der Probe gemessen und als Hohlraumverhältnis (e), spezifisches Volumen (v) oder Porosität (n) quantifiziert. Bei Sanden spielt die Packungsdichte eine RolleRolle bei der Bestimmung der mechanischen Reaktion (z. B. wie sie sich im Zustandsparameter widerspiegelt: Wroth & Bassett, 1965; Been & Jefferies, 1985). Wenn ein Boden eine höhere Packungsdichte hat (die Partikel werden enger "zusammengestrickt"),sollte eine größere Anzahl von Partikel-Partikel-Kontakten und eine größere Kontaktfläche pro Partikel haben. Folglich ist eine größere Energie (entsprechend einer höheren Abweichungsspannung) erforderlich, um die Kontakte zu lösen und die Kontakte zu bewegenPartikel, wodurch das Material stärker wird. Forscher innerhalb der partikelförmigen Bodenmechanik-Community, die die Discrete Element-Methode (DEM) oder die Fotoelastizität verwenden, quantifizieren normalerweise die Packungsdichte der Partikel anhand der Koordinationszahl(CN) ein Maß für die Anzahl der Kontakte pro Partikel.

  Für gesperrte Sande sind die Partikelkontakte typischerweise vergrößert; Diese Vergrößerung kann durch Drucklösung verursacht worden sein, die durch hohe interpartikuläre Kontaktkräfte hervorgerufen wird, die über einen ausgedehnten geologischen Zeitraum wirken (z. B. Sorby, 1908;Barton, 1993). Einige Autoren haben jedoch das Phänomen der Korninterpenetration als ausschließlich mechanisch interpretiert, was aus den inelastischen Verformungen resultiert, die als Sandpresslinge (Kompressen) auftreten (z. B. Stephen sonet al., 1992). Experimentelle Forschung zur Reaktion von blockiertem Sand durch Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) und Bhandari (2009) hoben die Bedeutung der Partikelkontakte und deren Kontaktfläche hervordurch die geologische Geschichte des Bodens entwickelt. Diese Autoren verglichen das Verhalten von intakten und rekonstituierten Exemplaren aus dem Lower Greensand, einem verschlossenen Sand aus den Lower Cretaceous Folkestone Beds im Süden Englands. SogarIn Anbetracht der Unterschiede im Leervolumenverhältnis zwischen den intakten und rekonstituierten Proben wurde durchweg festgestellt, dass das intakte Material eine höhere anfängliche Schersteifigkeit aufwies und viel höhere Spitzenfestigkeiten aufwies, die sich daraus ergebenhöhere Dilatationsraten. Das intakte Material zeigte auch eine abruptere Verschlechterung der Schersteifigkeit (G). Diese Autoren verwendeten qualitative Beobachtungen über die Art der Interpartikelkontakte und ihre Entwicklung unter Scherungbei der Diskussion des Ursprungs dieser Antworten. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Mechanismen quantitativ zu bestätigen, indem die Partikelabmessungen der Packungsdichte berücksichtigt und mit den mechanischen Faktoren in Verbindung gebracht werdenAntwort. Ein optisches Mikroskopbild des untersuchten intakten, verschlossenen Sandes ist in Fig. 1 gezeigt.

Abb. 1: Mikroskopaufnahme eines dünnen Abschnitts von Reigate-Sand unter polarisiertem Licht

  Einige der Unterschiede in der Reaktion zwischen intakten und rekonstituierten Proben des in der Nähe von Reigate entnommenen Grünsandes (von denen der Name des Sandes stammt) können auf Unterschiede in der Partikelmorphologie zurückgeführt werden, aus denen hervorgehtBruch der ursprünglich gebrochenen Teilchen während des Rekonstitutionsprozesses (Fonseca et al., 2012a), der in den verschiedenen experimentellen Studien übersehen worden war. Ein vollständiges Verständnis der Unterschiede erfordert jedoch UmgehungBerücksichtigung des Gewebes oder der Innentopologie des Materials, insbesondere der Partikelkontakte. Die aktuelle Studie verwendet Datenvon Mikro-Computertomographie-Scans (Micro-CT) mit einer Voxel-Größe (3D-Pixel) von 0,018 d50, um die Entwicklung zu untersuchender Verpackung von intakten und rekonstituierten Materialien. Skalare Gewebemengen wie CN, Contact Index (CI) und Branch Vector Length (BVL) wurden verwendet, um das makroskopische Verhalten mit den Änderungen in der Mikrostruktur zu verknüpfen.

  EXPERIMENTELLE METHODEN

Eine Reihe von dreiachsigen Druckversuchen an Proben (38 mm Durchmesser und 76 mm Höhe) von intaktem und rekonstituiertem Reigate-Sand wurde bei einem Begrenzungsdruck von 300 kPa durchgeführt. Die intakten Reigate-Sandproben wurden sorgfältig geschnitztvon Blockproben, die an derselben Stelle wie die von Cresswell & Powrie (2004) und Bhandari (2009). Die rekonstituierten Proben wurden erhalten, indem das Material vorsichtig von Hand disaggregiert und dann in eine Form gegeben wurdeMembran auf dem dreiachsigen Sockel, Stopf- und Vibrationsanwendung, um Dichten zu erreichen, die nahe an denen der intakten Proben liegen. Das Testverfahren war für die beiden Probentypen identisch und die daraus resultierenden Last-Verformungsreaktionen fürrepräsentative intakte und rekonstituierte Probensind in Fig. 2 angegeben. Die intakten und rekonstituierten Proben hatten anfängliche Hohlraumverhältnisse von 0,48 bzw. 0,49, aber trotz der Ähnlichkeiten in Bezug auf das Spannungsniveau und das Hohlraumverhältnis unterscheiden sich die mechanischen Reaktionen erheblich, wie durch beobachtetfrühere Forscher. Die Tests wurden wiederholt und in verschiedenen Scherungsstadien abgebrochen, als die Proben mit einem Epoxidharz imprägniert wurden, um eine Messung der Entwicklung der Mikrostruktur zu ermöglichen. Die ausgewählten Punkte waren dieAnfangszustand vor dem Laden (Laststufe 1), Beginn der Dilatation (Laststufe 2), beim Auftreten eines sichtbaren Scherbandes (Laststufe 3) und bei Annäherung an den kritischen Zustand (Laststufe 4). Wegen der Dehnungslokalisierung aDer kritische Zustand konnte nur lokal in einem Scherband mobilisiert werden. Nachdem das Harz ausgehärtet und ausgehärtet war, wurden Mini-Kerne (Durchmesser 3–6 mm) sowohl aus Bereichen mit Scherband als auch aus dem Volumen der Probe extrahiert. Des WeiterenEinzelheiten zu den dreiachsigen Tests und dem Harzimprägnierungsverfahren werden von Fonseca (2011) und Fonseca et al. (2012a).

  Wie von Stock (2008) oder Ketcham & Bei Carlson (2001) sollte bei Verwendung von CT das Bild-Sichtfeld (FOV) größer als das Objekt sein, und je kleiner das FOV ist, desto kleiner ist die Voxelgröße. Die in dieser Forschung verwendete Voxelgröße betrug 5 um.nach einer 2 3 2 3 2 -Einteilung (d. h. ein Volumen von 23 Voxeln wurde durch 1 Voxel ersetzt), um mit Computerspeicherproblemen fertig zu werden. Diese Voxelgröße ist fast um eine Größenordnung größer als in früheren geotechischen Untersuchungen (Tabelle1), wobei darauf hingewiesen wird, dass sich die Auflösung auf den Würfel der Voxellänge bezieht. Bei der Verwendung von Mikro-CT-Daten zur Charakterisierung der inneren Struktur eines Materials hängen sowohl die Bildqualität als auch die erforderliche Voxelgröße von der Größe des Materials abMerkmale von Interesse, die gelöst werden müssen, und des Zwecks der laufenden Untersuchung. Wenn die Kontakt-, Teilchen- und Hohlraummorphologie berücksichtigt werden, sind, wie in der aktuellen Untersuchung, kleine Voxelgrößen erforderlichErzielen Sie die gewünschte Auflösung aller dieser Funktionen. Daher basieren Probengröße, Voxelgröße und Scanparameter auf einem Kompromiss zwischen drei Hauptfaktoren: Bildqualität, Zeitaufwand und Prozesskosten.Dev. Stress intakt Dev. Stress aufklären. Vol. Stamm intakt Vol. Stamm rekonstruieren.

  Tabelle 2 fasst die 13 Mini-Kerne zusammen, die auf acht intakte (Int 1 a bis Int 4 b S) und fünf rekonstituierte (Rec 1 a bis Rec 4 S) Proben untersucht wurden. Wie in Tabelle 2 gezeigt, entsprachen die Laststufen, bei denen Mikro-CT-Scans durchgeführt wurden, difverschiedene Stämme für die intakten und rekonstituierten Proben. Für den intakten Boden wurden zwei Proben aus dem Scherbandbereich in den Laststufen 3 und 4 (Proben Int 3 b S bzw. Int 4 b S) entkernt, da jedoch die Minikerne größer sindals die Scherbanddicke besteht jede Probe aus Partikeln sowohl innerhalb als auch außerhalb des Scherbandes. Für den rekonstituierten Boden nahm eine Probe im Laststadium 4 (Rec 4 S) das Scherband auf. Alle übrigen Proben warenEntweder genommen, bevor sich die Scherbande entwickelt hat, oder sie enthalten keinen signifikanten Teil der Scherbandregion.

  Alle präsentierten Daten wurden in einem von zwei von Phoenix | X ray (GE) entwickelten nanotom micro CT-Scannern erfasst. Ausführliche Informationen zu den verwendeten Systemen und den Scanparametern liefert Fonseca (2011). Bilder erhalten.

Tabelle 2. Beispielbedingungen und Schlüsselwerte

andere Mängel (z. B. Davis & Elliott, 2006), was die nachfolgende Bildanalyse kompliziert. Synchrotronstrahlungsbilder können möglicherweise eine höhere Qualität aufweisen, da ein monochromatischer Röntgenstrahl verwendet werden kann, es einen höheren Photonenfluss gibt und derSignal-Rausch-Verhältnis ist besser (Stock, 2008). Der Zugang zu Synchrotronstrahlungsquellen ist begrenzt, und obwohl es Beispiele für den Einsatz von Synchrotronanlagen in geomechanischen Untersuchungen (siehe Tabelle 1) gibt, gibt es Laborquellenhäufiger und werden wahrscheinlich weiterhin in der Geomechanik-Forschung übernommen.

  Die Partikel, die die Scangrenze abfangen, mussten sorgfältig geprüft werden. Die Anzahl der vollständigen „inneren“ Partikel, die die Grenzen nicht berührt haben, ist in Tabelle 2 angegeben. Statistiken der Partikel (z. B. Koordination)Zahl) wurden dann nur für die inneren Partikel berechnet, wie in Fonseca (2011) beschrieben. Die Fig. 3 (a) und 3 (b) veranschaulichen kleine Schnitte durch tomographische Daten für eine intakte bzw. eine rekonstituierte Probe von Reigate-Sand.