Cuantificación de la evolución del tejido del suelo durante el corte mediante parámetros escalares (1)

  INTRODUCCIÓN

  En geomecánica, la densidad de compactación del suelo se mide típicamente en la escala macro a través de la masa y el volumen de la muestra, y se cuantifica como relación de vacío (e), volumen específico (v) o porosidad (n). Para las arenas, la densidad de empaque juega un papel importante.papel importante en la determinación de la respuesta mecánica (por ejemplo, como se refleja en el parámetro de estado: Wroth & Bassett, 1965; Been & Jefferies, 1985). Si un suelo tiene una densidad de relleno más alta (las partículas están más unidas entre sí),debe tener un mayor número de contactos partícula-partícula y una mayor área de contacto por partícula. En consecuencia, se requiere una mayor energía (correspondiente a un mayor esfuerzo de desviación) para desconectar los contactos y mover elPartículas, haciendo más fuerte el material. Los investigadores dentro de la comunidad de mecánicos de partículas en partículas, que utilizan el método de elementos discretos (DEM) o la elasticidad fotográfica, generalmente cuantifican la densidad de empaquetamiento de partículas utilizando el número de coordinación(CN), una medida del número de contactos por partícula.

  Para las arenas bloqueadas, los contactos de partículas se agrandan típicamente; esta ampliación puede haber sido causada por una solución de presión inducida por altas fuerzas de contacto entre partículas que actúan sobre una escala de tiempo geológica extendida (por ejemplo, Sorby, 1908;Barton, 1993). Sin embargo, algunos autores han interpretado el fenómeno de la interpenetración del grano como exclusivamente mecánico, como resultado de las deformaciones inelásticas que tienen lugar cuando la arena se compacta (comprime) (por ejemplo, Stephen Sonet al., 1992). Investigación experimental sobre la respuesta de la arena cerrada por Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) y Bhandari (2009) destacaron la importancia de los contactos de partículas y su área de contacto, que tuvoDesarrollado a través de la historia geológica del suelo. Estos autores compararon el comportamiento de especímenes intactos y reconstituidos de Lower Greensand, una arena cerrada de las camas de Folkestone del Cretácico Inferior del sur de Inglaterra. Inclusoteniendo en cuenta las diferencias en la relación de vacíos entre las muestras intactas y reconstituidas, se encontró consistentemente que el material intacto tenía una mayor rigidez al cizallamiento inicial, y tenía resistencias máximas mucho más altas, que resultaron deMayores tasas de dilatación. El material intacto también mostró una degradación más abrupta en la rigidez al cizallamiento (G). Estos autores utilizaron observaciones cualitativas de la naturaleza de los contactos entre partículas y su evolución con cizallamiento.Al discutir el origen de estas respuestas. El presente documento tiene como objetivo proporcionar una confirmación cuantitativa de los mecanismos involucrados al considerar las medidas a escala de partículas de la densidad del empaque y relacionarlas con los mecanismos mecánicos.respuesta. En la Fig. 1 se muestra una imagen de microscopio óptico de la arena intacta y cerrada estudiada.

Fig. 1. Imagen de microscopio de una sección delgada de arena Reigate debajo de la luz polarizada －

  Algunas de las diferencias en la respuesta entre muestras intactas y reconstituidas de Greensand muestreadas cerca de Reigate (de donde proviene el nombre de la arena) pueden atribuirse a las diferencias en la morfología de partículas que surgen deRotura de las partículas inicialmente fracturadas durante el proceso de reconstitución (Fonseca et al., 2012a), que se había pasado por alto en los diversos estudios experimentales. Sin embargo, una comprensión completa de las diferencias requiere con-Consideración de la tela o topología interna del material, especialmente los contactos de partículas. El estudio actual utiliza datos.a partir de exploraciones de tomografía computarizada (micro CT) con un tamaño de vóxel (píxel 3D) de 0.018d50 para investigar la evolucióndel embalaje de materiales intactos y reconstituidos. Se utilizaron cantidades de tejido escalar, tales como CN, índice de contacto (IC) y longitud del vector de rama (BVL) para vincular el comportamiento macroscópico a los cambios en la microestructura.

  METODOS EXPERIMENTALES

  Una serie de pruebas de compresión triaxial en muestras (38 mm de diámetro y 76 mm de altura) de arena Reigate intacta y reconstituida se llevaron a cabo a una presión de confinamiento de 300 kPa. Las muestras de arena Reigate intactas fueron cuidadosamente talladas.a partir de muestras de bloque obtenidas del mismo sitio que las utilizadas por Cresswell & Powrie (2004) y Bhandari (2009). Las muestras reconstituidas se obtuvieron desagregando suavemente el material a mano y luego colocándolo en un molde yMembrana en el pedestal triaxial, aplicando apisonamiento y vibración para lograr densidades cercanas a las de las muestras intactas. El procedimiento de prueba fue idéntico para los dos tipos de muestras, y las respuestas de carga-deformación resultantes paraMuestras intactas y reconstituidas representativas.se muestran en la Fig. 2. Las muestras intactas y reconstituidas tenían relaciones de vacíos iniciales de 0,48 y 0,49 respectivamente, pero a pesar de las similitudes en el nivel de estrés y la relación de vacíos, las respuestas mecánicas difieren significativamente, según lo observadoBuscadores anteriores. Las pruebas se repitieron y se detuvieron en diferentes etapas de corte, cuando las muestras se impregnaron con una resina epoxi para permitir la medición de la evolución de la microestructura. Los puntos seleccionados fueron losestado inicial antes de la carga (etapa de carga 1), el inicio de la dilatación (etapa de carga 2), al aparecer una banda de corte visible (etapa de carga 3) y al aproximarse al estado crítico (etapa de carga 4). Debido a la localización de la cepa, unEl estado crítico solo podía movilizarse localmente en una banda de corte. Una vez que la resina se endureció y se endureció, se extrajeron los mini núcleos (3–6 mm de diámetro) tanto de las regiones que contienen la banda de corte como de la mayor parte de la muestra. PromoverFonseca (2011) y Fonseca et al. dan detalles de las pruebas triaxiales y el proceso de impregnación de resina. (2012a).

  Como se indica en Stock (2008) o Ketcham & Carlson (2001), cuando se usa CT, el campo de visión de la imagen (FOV) debe ser más grande que el objeto, y cuanto más pequeño sea el FOV, más pequeño será el tamaño del voxel. El tamaño de voxel utilizado en esta investigación fue de 5 µm,después de un agrupamiento de 2 3 2 3 2 (es decir, se reemplazó un volumen de 23 voxels por 1 voxel) para hacer frente a los problemas de la memoria de la computadora. Este tamaño de vóxel es casi un orden de magnitud mayor que el alcanzado en estudios geotécnicos clave anteriores (Tabla1), observando que la resolución está relacionada con el cubo de la longitud del vóxel. Cuando se usan datos de micro CT para caracterizar la estructura interna de un material, la calidad de imagen y el tamaño de voxel requerido son funciones del tamaño de la imagen.características de interés que deben resolverse, y del propósito de la investigación actual. Cuando se consideran todas las morfologías de contacto, partículas y vacíos, como en la investigación actual, se requieren tamaños de vóxel pequeños paraLograr la resolución deseada de todas estas características. Por lo tanto, el tamaño de la muestra, el tamaño del vóxel y los parámetros de exploración se basan en un compromiso entre tres factores principales: la calidad de la imagen, el tiempo empleado y el costo del proceso.Dev. estrés intacto Dev. estrés recon. Vol. cepa intacta vol. cepa recon.

  La Tabla 2 resume los 13 mini núcleos escaneados para ocho muestras intactas (Int 1 a a Int 4 b S) y cinco reconstituidas (Rec 1 a a Rec 4 S). Como se muestra en la Tabla 2, las etapas de carga en las que se realizaron las tomografías computarizadas se correspondían con diferentesCepas ferentes para las muestras intactas y reconstituidas. Para el suelo intacto, se extrajeron dos muestras de la región de la banda de corte en las etapas de carga 3 y 4 (muestras Int 3 b S e Int 4 b S respectivamente), pero, dado que los mini núcleos son más grandesAdemás del grosor de la banda de corte, cada muestra está compuesta de partículas tanto dentro como fuera de la banda de corte. Para el suelo reconstituido, una muestra interceptó la banda de corte en la etapa de carga 4 (Rec 4 S). Todas las muestras restantes fuerontomada antes de que se desarrolle la banda de corte o no contiene una parte significativa de la región de la banda de corte.

Todos los datos presentados se adquirieron en uno de los dos escáneres micro CT de nanotom, desarrollados por phoenix | Ray (GE). Fonseca (2011) proporciona los detalles completos de los sistemas utilizados y los parámetros de escaneo. Imágenes obtenidas.

Tabla 2. Condiciones de muestra y valores clave.

otras deficiencias (por ejemplo, Davis & Elliott, 2006), que complican el análisis posterior de la imagen. Las imágenes de radiación de sincrotrón pueden potencialmente tener una calidad más alta, ya que se puede usar un haz de rayos X monocromático, hay un mayor flujo de fotones, yLa relación señal / ruido es mejor (Stock, 2008). El acceso a las fuentes de radiación de sincrotrón es limitado y, aunque hay ejemplos de uso de instalaciones de sincrotrón en estudios de geomecánica (como se indica en la Tabla 1), las fuentes de laboratorio son:más comunes, y es probable que continúen siendo adoptados en la investigación geomecánica.

  Se tuvo que prestar especial atención a las partículas que interceptaron el límite de escaneo, y el número de partículas "internas" completas que no tocaron los límites se indica en la Tabla 2. Estadísticas por partícula (por ejemplo, coordinación).número) se calcularon solo para las partículas internas, como se detalla en Fonseca (2011). Las figuras 3 (a) y 3 (b) ilustran pequeñas secciones a través de datos tomográficos para una muestra intacta y reconstituida de arena Reigate, respectivamente.