Quantificazione dell'evoluzione del tessuto del suolo durante la tosatura mediante parametri scalari (1)

  INTRODUZIONE

  In geomeccanica, la densità dell'imballaggio del terreno viene generalmente misurata sulla scala macro tramite la massa e il volume del campione e viene quantificata come rapporto di vuoti (e), volume specifico (v) o porosità (n). Per le sabbie, la densità dell'imballaggio gioca un significatonon può avere un ruolo nel determinare la risposta meccanica (per esempio come riflesso nel parametro di stato: Wroth & Bassett, 1965; Been & Jefferies, 1985). Se un terreno ha una densità di impaccamento più alta (le particelle sono più strettamente "intrecciate" insieme), essodovrebbe avere un numero maggiore di contatti particella-particella e una maggiore area di contatto per particella. Di conseguenza, è necessaria una maggiore energia (corrispondente a uno sforzo deviatorico più elevato) per disinnestare i contatti e spostare ilparticelle, rendendo il materiale più forte. I ricercatori all'interno della comunità di meccanici del suolo particolato, che utilizzano il metodo degli elementi discreti (DEM) o l'elasticità delle foto, di solito quantificano la densità delle particelle mediante il numero di coordinazione(CN), una misura del numero di contatti per particella.

  Per le sabbie bloccate, i contatti delle particelle sono tipicamente ingranditi; questo allargamento può essere stato causato da una soluzione di pressione indotta da elevate forze di contatto interparticellare che agiscono su una scala cronologica geologica estesa (ad esempio, Sorby, 1908;Barton, 1993). Tuttavia, alcuni autori hanno interpretato il fenomeno della compenetrazione dei grani come esclusivamente meccanico, risultante dalle deformazioni inelastiche che avvengono quando la sabbia compatta (comprime) (ad esempio Stephen sonet al., 1992). Ricerca sperimentale sulla risposta della sabbia bloccata di Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) e Bhandari (2009) hanno sottolineato l'importanza dei contatti delle particelle e della loro area di contatto, che avevasviluppato attraverso la storia geologica del suolo. Questi autori hanno confrontato il comportamento di esemplari intatti e ricostituiti provenienti dal Lower Greensand, una sabbia bloccata dai Lower Folk Cretaceous Beds dell'Inghilterra meridionale. Anchetenendo conto di eventuali differenze nel rapporto di vuoto tra i campioni intatti e ricostituiti, il materiale intatto è stato costantemente trovato avere una rigidità di taglio iniziale più elevata e ha avuto picchi di forza molto più elevati, che hannopiù alti tassi di dilatazione. Il materiale intatto ha anche mostrato un degrado più brusco nella rigidità a taglio (G). Questi autori hanno usato osservazioni qualitative della natura dei contatti interparticella e della loro evoluzione con la tosaturanel discutere l'origine di queste risposte. L'attuale articolo si propone di fornire una conferma quantitativa dei meccanismi coinvolti considerando le misure su scala di particelle della densità dell'imballaggio e di metterle in relazione con la meccanicarisposta. Un'immagine al microscopio ottico della sabbia intatta e bloccata studiata è mostrata in Fig. 1.

Fig. 1. Immagine del microscopio della sezione sottile di sabbia di Reigate sotto luce polarizzata incrociata

  Alcune delle differenze nella risposta tra campioni intatti e ricostituiti dei Greensand campionati vicino a Reigate (da cui deriva il nome della sabbia) possono essere attribuiti a differenze nella morfologia delle particelle che derivano darottura delle particelle inizialmente fratturate durante il processo di ricostituzione (Fonseca et al., 2012a), che era stata trascurata nei vari studi sperimentali. Tuttavia, una piena comprensione delle differenze richiede considerazione del tessuto o topologia interna del materiale, in particolare i contatti delle particelle. Lo studio attuale utilizza i datida scansioni micro tomografia computerizzata (micro CT) con una dimensione voxel (pixel 3D) di 0,018d50 per indagare sull'evoluzionedell'imballaggio di materiali intatti e ricostituiti. Per collegare il comportamento macroscopico ai cambiamenti della microstruttura sono state utilizzate quantità di tessuto scalari come CN, indice di contatto (CI) e lunghezza del vettore di ramo (BVL).

  METODI SPERIMENTALI

  Una serie di prove di compressione triassiale su campioni (38 mm di diametro e 76 mm di altezza) di sabbia di Reigate intatta e ricostituita sono stati effettuati a una pressione di confinamento di 300 kPa. I campioni di sabbia di Reigate intatti sono stati accuratamente scolpitida campioni a blocchi ottenuti dallo stesso sito di quelli usati da Cresswell & Powrie (2004) e Bhandari (2009). I campioni ricostituiti sono stati ottenuti disaggregando delicatamente il materiale a mano e quindi inserendolo in uno stampo emembrana sul piedistallo triassiale, applicazione di pressatura e vibrazione per ottenere densità vicine a quelle dei campioni intatti. La procedura di test è stata identica per i due tipi di campioni e le risultanti risposte di deformazione del carico percampioni rappresentativi integri e ricostituitisono riportati in Fig. 2. I campioni intatti e ricostituiti avevano rapporti di svuotamento iniziale di 0,48 e 0,49 rispettivamente, ma nonostante le somiglianze nel livello di stress e nel rapporto di vuoto, le risposte meccaniche differiscono in modo significativo, come osservato daprecedenti cercatori di re. I test sono stati ripetuti e interrotti in diverse fasi di taglio, quando i campioni sono stati impregnati con una resina epossidica per consentire la misurazione dell'evoluzione della microstruttura. I punti selezionati erano istato iniziale prima del carico (fase di carico 1), inizio della dilatazione (fase di carico 2), all'apparenza di una banda di taglio visibile (stadio di carico 3) e all'avvicinarsi dello stato critico (stadio di carico 4). A causa della localizzazione della deformazione, alo stato critico potrebbe essere mobilitato solo localmente in una banda di taglio. Una volta che la resina si è fissata e indurita, i mini nuclei (3-6 mm di diametro) sono stati estratti sia dalle regioni contenenti la banda di taglio che dalla maggior parte del campione. Ulteriorei dettagli dei test triassiali e del processo di impregnazione della resina sono forniti da Fonseca (2011) e Fonseca et al. (2012a).

Come delineato da Stock (2008) o Ketcham & Carlson (2001), quando si usa CT il campo visivo dell'immagine (FOV) dovrebbe essere più grande dell'oggetto, e quanto più piccolo è il FOV tanto più piccola è la dimensione del voxel. La dimensione del voxel utilizzata in questa ricerca era 5 μm,dopo un binning 2 3 2 3 2 (cioè un volume di 23 voxel è stato sostituito da 1 voxel) per far fronte ai problemi di memoria del computer. Questa dimensione del voxel è quasi di un ordine di grandezza superiore a quella raggiunta in studi geotecnici chiave precedenti (Tabella1), notando che la risoluzione è correlata al cubo della lunghezza del voxel. Quando si utilizzano i dati Micro CT per caratterizzare la struttura interna di un materiale, la qualità dell'immagine e le dimensioni del voxel richieste sono entrambe funzioni della dimensione delcaratteristiche di interesse che devono essere risolte e dello scopo della presente inchiesta. Quando vengono prese in considerazione le morfologie di contatto, di particelle e di vuoti, come nella presente inchiesta, sono richieste piccole dimensioni di voxel perraggiungere la risoluzione desiderata di tutte queste funzionalità. Pertanto, le dimensioni del campione, le dimensioni del voxel e i parametri di scansione si basano su un compromesso tra tre fattori principali: qualità dell'immagine, tempo impiegato e costo del processo.Dev. stress intatto Dev. stress recon. Vol. ceppo intatto Vol. sforzo di ricognizione.

  La Tabella 2 riepiloga i 13 mini-core scansionati per otto campioni intatti (da Int 1 a a Int 4 b S) e cinque ricostituiti (da Rec 1 a a Rec 4 S). Come mostrato nella Tabella 2, gli stadi di carico in corrispondenza dei quali sono state eseguite le scansioni TC micro corrispondono a difceppi feroci per i campioni intatti e ricostituiti. Per il terreno intatto, due campioni sono stati ricavati dalla regione di shear band agli stadi di carico 3 e 4 (campioni Int 3 b S e Int 4 b S rispettivamente), ma, poiché i mini core sono più grandidello spessore della fascia di taglio, ciascun campione è composto da particelle sia all'interno che all'esterno della fascia di taglio. Per il terreno ricostituito, un campione ha intercettato la banda di taglio allo stadio di carico 4 (Rec 4 S). Tutti i campioni rimanenti eranoo presi prima che la banda di taglio si sviluppi o non contengano una parte significativa della regione della banda di taglio.

  Tutti i dati presentati sono stati acquisiti in uno dei due scanner nanotomici CT, sviluppati da phoenix | X ray (GE). I dettagli completi dei sistemi utilizzati e i parametri di scansione sono forniti da Fonseca (2011). Immagini ottenute.

Tabella 2. Condizioni campione e valori chiave

altre carenze (ad esempio Davis e Elliott, 2006), che complicano la successiva analisi delle immagini. Le immagini di radiazione di sincrotrone possono potenzialmente avere una qualità più elevata, poiché è possibile utilizzare un raggio di raggi X monocromatico, c'è un flusso di fotoni più elevato eil rapporto segnale / rumore è migliore (Stock, 2008). L'accesso alle sorgenti di radiazione di sincrotrone è limitato e, sebbene esistano esempi di utilizzo delle strutture di sincrotrone negli studi di geomech anics (come indicato nella Tabella 1), le fonti di laboratorio sonopiù comuni e probabilmente continueranno ad essere adottati nella ricerca sulla geomeccanica.

  È necessario prestare particolare attenzione alle particelle che hanno intercettato il limite di scansione e il numero di particelle "interne" complete che non hanno toccato i limiti è indicato nella Tabella 2. Statistiche per particella (ad esempio coordinazionenumero) sono stati quindi calcolati solo per le particelle interne, come dettagliato in Fonseca (2011). Le figure 3 (a) e 3 (b) illustrano piccole sezioni attraverso i dati tomografici rispettivamente per un esemplare intatto e ricostituito di sabbia di Reigate.