قياس تطور نسيج التربة أثناء القص باستخدام المعلمات العددية (1)

  المقدمة

في الميكانيكا الجيولوجية ، يتم قياس كثافة تربة التربة بشكل نموذجي على المستوى الكلي عن طريق كتلة العينة وحجمها ، ويتم تقديرها كمسألة نسبة الفراغ (e) ، أو حجم معين (v) ، أو المسامية (n). بالنسبة للرمال ، فإن كثافة التعبئة تلعب دورًا مهمًادور غير قادر على تحديد الاستجابة الميكانيكية (على سبيل المثال كما هو موضح في معلمة الحالة: Wroth & amp؛ Bassett، 1965؛ Been & amp؛ Jefferies، 1985). إذا كانت التربة تحتوي على كثافة تعبئة أعلى (تكون هذه الجسيمات أكثر تماسكًا معًا)يجب أن يكون هناك عدد أكبر من اتصالات الجسيمات والجسيمات ومساحة أكبر من الاتصال لكل جسيم. وبالتالي ، هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة (المقابلة لإجهاد أعلى deviatoric) لفك الارتباطات ونقلهاالجسيمات ، مما يجعل المادة أقوى. الباحثون داخل مجتمع ميكانيكا التربة الدقيقة ، باستخدام طريقة العناصر المنفصلة (DEM) أو مرونة الصورة ، عادة ما يقيس كثافة تعبئة الجسيمات باستخدام رقم التنسيق(CN) ، وهو مقياس لعدد الاتصالات لكل جسيم.

بالنسبة للرمال المقفلة ، يتم توسيع اتصالات الجسيمات عادةً ؛ قد يكون هذا التوسيع ناتجًا عن محلول الضغط الناجم عن قوى اتصال عالية بين الجسيمات تتصرف على مدار زمني جيولوجي ممتد (مثل سوربي ، 1908 ؛بارتون ، 1993). ومع ذلك ، فقد قام بعض المؤلفين بتفسير ظاهرة تداخل الحبوب على أنها ميكانيكية بشكل حصري ، ناتجة عن التشوهات غير المرنة التي تحدث مثل تراكم الرمل (كمادات) (على سبيل المثال ، ابن ستيفنوآخرون ، 1992). بحث تجريبي في استجابة الرمل المغلق بواسطة Cuccovillo & amp؛ Coop (1997 ، 1999) ، Cresswell & amp؛ وقد أكد كل من Powrie (2004) و Bhandari (2009) على أهمية اتصالات الجسيمات ومنطقة الاتصال الخاصة بهماوضعت من خلال التاريخ الجيولوجي للتربة. قارن هؤلاء المؤلفون بين سلوك عينات سليمة ومعاد تشكيلها من أسفل غرينساند السفلي ، وهو عبارة عن رمال مقفلة من أسرة فريتستون الطباشيرية السفلى في جنوب إنجلترا. حتى فيعند حساب أي اختلافات في نسبة الفراغ بين العينات السليمة والعناصر المعاد تشكيلها ، تم العثور على المادة السليمة بشكل ثابت على أنها تحتوي على صلابة جزئية أعلى ، ولها قوة ذروة أعلى بكثير ،معدلات أعلى من التمدد. كما أظهرت المادة سليمة تدهور أكثر بشكل مفاجئ في صلابة القص (G). استخدم هؤلاء المؤلفون ملاحظات نوعية لطبيعة الاتصالات بين الجسيمات وتطورها مع القصفي مناقشة أصل هذه الردود. تهدف الورقة الحالية إلى تقديم تأكيد كمي للآليات المتضمنة في اعتبار مقياس الجسيمات لكثافة التعبئة وربطها بالميكانيكية.استجابة. يظهر في الشكل 1 صورة مجهرية ضوئية للرمل السليم المغلق.

التين. 1. صورة المجهر لقسم رقيق من الرمال Reigate تحت ضوء الاستقطاب المتقاطع

  بعض الاختلافات في الاستجابة بين عينات سليمة ومعاد تشكيلها من عينات جرينساند بالقرب من ريجيت (من حيث اشتقاق اسم الرمل) يمكن أن يعزى إلى الاختلافات في مورفولوجيا الجسيمات التي تنشأ منكسر الجزيئات المكسورة في البداية خلال عملية إعادة البناء (فونسيكا وآخرون ، 2012 أ) ، والتي تم تجاهلها في مختلف الدراسات التجريبية. كيف من أي وقت مضى ، فإن الفهم الكامل للاختلافات يتطلب يخدعالنظر في النسيج أو الطوبولوجيا الداخلية للمادة ، وخاصة الاتصالات الجسيمات. الدراسة الحالية تستخدم البياناتمن التصوير المقطعي المحوسب (التصوير المقطعي الصغير) بمسح voxel (حجم 3D) بحجم 0.018d50 لدراسة التطورمن التعبئة من المواد سليمة ومعاد تشكيلها. تم استخدام كميات النسيج العددية مثل CN ، مؤشر الاتصال (CI) وطول متجه الفرع (BVL) لربط السلوك العياني للتغيرات في البنية المجهرية.

  طرق تجريبية

أجريت سلسلة من اختبارات الضغط ثلاثية المحاور على عينات (قطرها 38 ملم وارتفاعها 76 مم) من رمال ريجات ​​المزيفة والتي تم إعادة تشكيلها عند ضغط حصر قدره 300 كيلوباسكال. تم نحت عينات الرمال Reigate سليمةمن عينات الكتلة التي تم الحصول عليها من نفس الموقع كتلك المستخدمة من قبل Cresswell & amp؛ Powrie (2004) and Bhandari (2009). تم الحصول على العينات المعاد تكوينها عن طريق تفصيل المادة يدويا بلطف ثم وضعها في قالب وغشاء على الركيزة triaxial ، تطبيق التدوير والاهتزاز لتحقيق الكثافات قريبة من تلك العينات سليمة. كان إجراء الاختبار مطابقًا لنوعين من العينات ، واستجابات الحمل التشوه الناتجة عنممثل عينات سليمة وأعيد تشكيلهافي الشكل 2. كانت العينات سليمة ومعاد تشكيلها نسب فراغ باطني من 0.48 و 0.49 على التوالي ، ولكن على الرغم من أوجه التشابه في مستوى الإجهاد ونسبة الفراغ ، تختلف الاستجابات الميكانيكية بشكل كبير ، كما لوحظ من قبلإعادة البحث السابقة. تكررت الاختبارات وتوقفت في مراحل مختلفة من القص ، عندما تم تشريب العينات مع راتنجات الايبوكسي للسماح بقياس تطور البنية المجهرية. النقاط المختارة كانتالحالة الأولية قبل التحميل (مرحلة الحمل 1) ، بداية التمدد (مرحلة الحمل 2) ، عند ظهور نطاق القص المرئي (مرحلة الحمل 3) ، وعند الاقتراب من الحالة الحرجة (مرحلة التحميل 4). بسبب توطين سلالة ، أيمكن تعبئة الحالة الحرجة محليًا فقط في نطاق القص. وبمجرد وضع الراتنج وتصلب ، تم استخراج النوى الصغيرة (قطرها 3 - 6 مم) من المناطق التي تحتوي على نطاق القص ومن الجزء الأكبر من العينة. بالإضافة إلى ذلكيتم إعطاء تفاصيل عن الاختبارات ثلاثية المحاور وعملية الأوزون الغامضة من قبل فونسيكا (2011) وفونسيكا وآخرون. (2012A).

  كما حددتها Stock (2008) أو Ketcham & amp؛ كارلسون (2001) ، عند استخدام CT يجب أن يكون مجال الرؤية للصورة (FOV) أكبر من الكائن ، وكلما قل حجم FOV كلما كان حجم voxel أصغر. كان حجم فوكسل المستخدم في هذا البحث 5 ميكرومتر ،بعد 2 2 3 2 2 binning (أي حجم من 23 voxels تم استبداله بـ 1 voxel) للتعامل مع مشكلات ذاكرة الكمبيوتر. هذا الحجم من الفوكسيل يكاد يكون من حيث الحجم أكبر من ذلك الذي تحقق في الدراسات الجيولوجية الرئيسية السابقة (الجدول1) ، مشيرا إلى أن القرار يتعلق مكعب طول فوكسل. عند استخدام بيانات التصوير المقطعي الجزئي لتوصيف البنية الداخلية للمادة ، تكون جودة الصورة وحجم فوكسل المطلوبان من وظائف حجمميزات الفائدة التي تحتاج إلى حل ، والغرض من التحقيق الحالي. عندما يتم اعتبار كل من التلامس والجسيمات والفراغات الباطلة ، كما في الدراسة الحالية ، فإن أحجام voxel الصغيرة مطلوبةتحقيق الدقة المطلوبة من جميع هذه الميزات. وبالتالي ، فإن حجم العينة وحجم voxel ومعلمات المسح الضوئي تستند إلى حل وسط بين ثلاثة عوامل رئيسية: جودة الصورة والوقت المستغرق وتكلفة العملية.ديف. التأكيد على ديف سليمة. التأكيد على إعادة. المجلد. سلالة سليمة المجلد. سلالة اعادة.

  يلخص الجدول 2 النوى الـ 13 المصغرة الممسوحة ضوئيا لثمانية عينات سليمة (Int 1 a to Int 4 b S) وخمسة عينات تم إعادة تشكيلها (Rec 1 a to Rec 4 S). كما هو مبين في الجدول 2 ، فإن مراحل الحمل التي أجريت فيها الأشعة المقطعية الدقيقة تتوافق مع الصعوبةالسلالات القارضة لعينات سليمة ومعاد تشكيلها. بالنسبة للتربة السليمة ، تم حفر عينتين من منطقة نطاق القص في مرحلتي الحمل 3 و 4 (عينات Int 3 b S و Int 4 b S على التوالي) ، ولكن ، لأن النوى الصغيرة أكبرمن سمك شريط القص ، تتكون كل عينة من جسيمات من داخل وخارج نطاق القص. بالنسبة للتربة المستعصية ، اعترضت عينة واحدة نطاق القص في مرحلة الحمل 4 (Rec 4 S). كل العينات المتبقية كانتإما أن تؤخذ قبل أن يتم تطوير أو لا تحتوي على جزء هام من منطقة نطاق القص.

  تم الحصول على جميع البيانات المقدمة في واحدة من اثنين من الماسحات الضوئية CT الصغيرة nanotom ، التي وضعتها طائر الفينيق | الأشعة السينية (GE). يتم إعطاء التفاصيل الكاملة للأنظمة المستخدمة ومعلمات المسح بواسطة Fonseca (2011). الصور التي تم الحصول عليها.

جدول 2. شروط العينة والقيم الرئيسية

أوجه القصور الأخرى (على سبيل المثال ديفيس و إيليوت ، 2006) ، مما يؤدي إلى تعقيد تحليل الصورة اللاحقة. يمكن أن تكون صور الإشعاع السينكروتروني ذات جودة أعلى ، حيث يمكن استخدام شعاع الأشعة السينية أحادية اللون ، وهناك تدفق فوتون أعلى ،نسبة الإشارة إلى الضوضاء أفضل (Stock، 2008). الوصول إلى مصادر الإشعاع المتزامرة محدود ، وعلى الرغم من وجود أمثلة على استخدام مرافق السنكروترونات في دراسات anome geomech (كما هو موضح في الجدول 1) ، فإن مصادر المختبراتأكثر شيوعا ، ومن المرجح أن يستمر اعتمادها في بحوث الجيوميكانيك.

  وينبغي إيلاء اعتبار دقيق للجسيمات التي تعترض حدود المسح ، كما أن عدد الجسيمات "الداخلية" الكاملة التي لا تلامس الحدود هو مبين في الجدول 2. حسب إحصاءات الجسيمات (مثل التنسيق.تم حسابها بعد ذلك فقط للجسيمات الداخلية ، كما هو مفصل في Fonseca (2011). ويوضح الشكلان 3 (أ) و 3 (ب) أقساماً صغيرة من خلال بيانات التصوير المقطعي من أجل عينة سليمة ومعاد تشكيلها من رمل ريجات ​​على التوالي.