使用标量参数量化剪切过程中土壤织物的演变（1）

  介绍

  在地质力学中，土壤填充密度通常通过样本质量和体积在宏观尺度上测量，并且定量为空隙比（e），比容（v）或孔隙率（n）。对于沙子，包装密度具有重要意义在确定机械响应方面不起作用（例如，在状态参数中反映出来：Wroth& Bassett，1965; Been& Jefferies，1985）。如果土壤具有较高的堆积密度（颗粒更紧密地“编织”在一起），那么应该具有更多数量的颗粒 - 颗粒接触和每个颗粒更大的接触面积。因此，需要更大的能量（对应于更高的偏应力）来脱离触点并移动触点颗粒，使材料更强。颗粒土壤力学界的研究人员，使用离散元素法（DEM）或光弹性，通常使用配位数量化颗粒填充密度（CN），每个粒子的接触数量的量度。

  对于锁定的砂，颗粒接触通常是扩大的;这种扩大可能是由在较长的地质时间尺度上作用的高粒子间接触力引起的压力解决引起的（例如Sorby，1908;Barton，1993）。然而，一些作者将谷物相互渗透的现象解释为完全是机械的，这是由于沙子压实（压缩）时发生的非弹性变形（例如斯蒂芬的儿子）et al。，1992）。 Cuccovillo& ;;对锁砂响应的实验研究Coop（1997,1999），Cresswell& Co. Powrie（2004）和Bhandari（2009）强调了粒子接触及其接触区域的重要性通过土壤的地质历史发展。这些作者比较了来自Lower Greensand的完整和重建样本的行为，这是来自英格兰南部下白垩纪Folkestone Beds的一个锁定的沙子。甚至考虑到完整和重构样品之间空隙率的任何差异，始终发现完整材料具有更高的初始剪切刚度，并且具有更高的峰强度，其从扩张率更高。完整材料也表现出剪切刚度（G）的更突然降低。这些作者使用定性观察颗粒间接触的性质及其与剪切的演变讨论这些回应的起源。本文旨在通过考虑颗粒尺度测量填充密度并将其与机械密度相关联，提供所涉及机制的定量确认响应。所研究的完整锁定砂的光学显微镜图像如图1所示。

图1.在交叉偏振光下的Reigate砂薄截面的显微镜图像

  在Reigate（沙子的名称来源）附近采样的Greensand的完整和重建样本之间的一些响应差异可归因于粒子形态的差异。在重建过程中最初破裂的颗粒破碎（Fonseca等，2012a），这在各种实验研究中被忽略了。然而，充分理解差异需要con织物的侧面或材料的内部拓扑结构，尤其是颗粒接触。目前的研究使用数据从微型计算机断层扫描（微型CT）扫描，体素（3D像素）大小为0.018d50来研究进化包装完整和重组材料。诸如CN，接触指数（CI）和分支矢量长度（BVL）的标量织物量用于将宏观行为与微观结构的变化联系起来。

  实验方法

  在300kPa的围压下，对完整和重建的Reigate砂的试样（直径38mm，高76mm）进行一系列三轴压缩试验。完整的Reigate砂样品经过精心雕刻来自与Cresswell& Co.所用相同位点的块样品。 Powrie（2004）和Bhandari（2009）。通过用手轻轻地解聚材料然后将其放入模具中来获得重构的样品在三轴基座上的膜，施加夯实和振动以达到接近完整样品的密度。对于两种样品类型，测试程序是相同的，并且得到的负载变形响应代表性的完整和重组样品完整的和重构的样品的初始空隙率分别为0.48和0.49，但尽管应力水平和空隙率相似，但机械响应显着不同，如图2所示。以前的研究人员。当样品用环氧树脂浸渍时，重复测试并在剪切的不同阶段停止，以测量微观结构的演变。选定的分数是加载前的初始状态（负载阶段1），扩张开始（负载阶段2），可见剪切带（负载阶段3）的出现，以及接近临界状态（负载阶段4）时的初始状态。由于应变局部化，a临界状态只能在剪切带局部动员。一旦树脂固化并硬化，就从含有剪切带的区域和大部分样品中提取出微芯（直径3-6mm）。进一步Fonseca（2011）和Fonseca等人给出了三轴试验和树脂浸渍过程的详细信息。 （2012A）。

  如Stock（2008）或Ketcham& Sons所述。 Carlson（2001），当使用CT时，图像视场（FOV）应该大于物体，并且FOV越小，体素尺寸越小。本研究中使用的体素大小为5μm，在2 3 2 3 2合并（即，23个体素的体积被1个体素替换）之后，以应对计算机存储器问题。这个体素的大小几乎比关键的早期地理研究中的大小高出一个数量级（表1），注意到分辨率与体素长度的立方体有关。当使用微CT数据来表征材料的内部结构时，所需的图像质量和体素尺寸都是尺寸的函数。需要解决的感兴趣的特征，以及当前调查的目的。当考虑接触，颗粒和空隙形态时，如在当前研究中，需要小的体素尺寸实现所有这些功能的所需分辨率。因此，样本大小，体素大小和扫描参数基于三个主要因素之间的折衷：图像质量，所花费的时间和过程的成本。开发。压力完好的Dev。压力调查。卷。应变完整Vol。应变侦察

  表2总结了扫描8个完整（Int 1a至Int 4 b S）和5个重构（Rec 1a至Rec 4 S）样品的13个微核。如表2所示，进行微CT扫描的负荷阶段对应于dif完整和重组样品的不同菌株。对于完整的土壤，在负荷阶段3和4处分别从剪切带区域取芯两个样品（分别为样品Int 3 b S和Int 4 b S），但由于微型芯较大比剪切带厚度，每个样品由剪切带内外的颗粒组成。对于重建的土壤，一个样品在负荷阶段4（Rec 4 S）拦截了剪切带。剩下的所有样品都是在剪切带发展之前拍摄或者不包含剪切带区域的重要部分。

所有呈现的数据均在凤凰| X射线（GE）开发的两个纳米微CT扫描仪中的一个中获得。 Fonseca（2011）给出了所用系统和扫描参数的完整细节。获得的图像。

表2.样本条件和关键值

其他缺点（例如Davis& Elliott，2006），使后续的图像分析复杂化。同步辐射图像可能具有更高的质量，因为可以使用单色X射线束，存在更高的光子通量，并且信噪比更好（Stock，2008）。对同步辐射源的访问是有限的，尽管在几何动画研究中有使用同步加速器设备的例子（如表1所示），但实验室来源是更常见，并可能继续被用于地质力学研究。

  必须仔细考虑拦截扫描边界的粒子，并且表2中显示了未接触边界的完整“内部”粒子的数量。每粒子统计数据（例如协调）然后仅计算内部颗粒的数量），如Fonseca（2011）中所述。图3（a）和3（b）分别示出了通过Reigate砂的完整和重建样本的断层摄影数据的小截面。