Quantificação da evolução do tecido do solo durante o cisalhamento usando parâmetros escalares (1)

INTRODUÇÃO

  Na geomecânica, a densidade do empacotamento do solo é tipicamente medida na macroescala através da massa e volume da amostra, e é quantificada como razão de vazios (e), volume específico (v) ou porosidade (n). Para areias, a densidade de empacotamento desempenha um significadopapel importante na determina�o da resposta mec�ica (por exemplo, como reflectido no par�etro de estado: Wroth & Bassett, 1965; Been & Jefferies, 1985). Se um solo tem uma maior densidade de empacotamento (as partículas são mais intimamente "unidas"),deve ter um número maior de contatos partícula-partícula e uma área maior de contato por partícula. Consequentemente, é necessária uma energia maior (correspondente a um maior desvio de tensão) para desengatar os contatos e mover opartículas, tornando o material mais forte. Pesquisadores da comunidade de mecânica de solo particulado, usando o método de elementos discretos (DEM) ou fotoelasticidade, geralmente quantificam a densidade de empacotamento de partículas usando o número de coordenação(CN), uma medida do número de contatos por partícula.

  Para areias trancadas, os contatos de partículas são tipicamente ampliados; este aumento pode ter sido causado por solução de pressão induzida por forças de contacto interpartículas elevadas que actuam ao longo de uma escala de tempo geológica prolongada (por exemplo, Sorby, 1908;Barton, 1993). Entretanto, alguns autores interpretaram o fenômeno da interpenetração de grãos como sendo exclusivamente mecânico, resultante das deformações inelásticas que ocorrem quando os compactos de areia (compressas) (por exemplo, Stephen filho).et al., 1992). Pesquisa experimental sobre a resposta de areia trancada por Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) e Bhandari (2009) enfatizaram a importância dos contatos de partículas e sua área de contato, quedesenvolvido através da história geológica do solo. Esses autores compararam o comportamento de espécimes intactos e reconstituídos do Lower Greensand, uma areia trancada do leito de Folkestone do Cretáceo Inferior no sul da Inglaterra. AtéConsiderando todas as diferenças na taxa de vazios entre as amostras intacta e reconstituída, o material intacto foi consistentemente encontrado para ter uma maior rigidez de cisalhamento inicial, e teve picos de resistência muito maiores, o que resultou demaiores taxas de dilatação. O material intacto também exibiu uma degradação mais abrupta na rigidez de cisalhamento (G). Esses autores utilizaram observações qualitativas da natureza dos contatos interpartículas e sua evolução com cisalhamentoao discutir a origem dessas respostas. O presente trabalho tem como objetivo fornecer uma confirmação quantitativa dos mecanismos envolvidos, considerando as medidas de densidade de empacotamento em escala de partículas, e relacionando-as com asresposta. Uma imagem de microscópio óptico da areia intacta e trancada estudada é mostrada na Fig. 1.

Fig. 1. Imagem de microscópio de seção delgada de areia Reigate sob luz polarizada

Algumas das diferenças na resposta entre amostras intactas e reconstituídas do Greensand amostradas perto de Reigate (de onde deriva o nome da areia) podem ser atribuídas a diferenças na morfologia das partículas que surgem dequebra das partículas inicialmente fraturadas durante o processo de reconstituição (Fonseca et al., 2012a), que havia sido negligenciado nos diversos estudos experimentais. Como sempre, um entendimento completo das diferenças requersideração do tecido ou topologia interna do material, especialmente os contatos de partículas. O presente estudo usa dadosde micro tomografia computadorizada (micro tomografia computadorizada) com tamanho de voxel (pixel 3D) de 0,018d50 para investigar a evoluçãoda embalagem de materiais intactos e reconstituídos. Quantidades de tecido escalar tais como CN, índice de contato (CI) e comprimento do vetor de ramificação (BVL) foram usadas para ligar o comportamento macroscópico às mudanças na microestrutura.

  MÉTODOS EXPERIMENTAIS

  Uma série de ensaios de compressão triaxial em espécimes (38 mm de diâmetro e 76 mm de altura) de areia Reigate intacta e reconstituída foi realizada a uma pressão confinante de 300 kPa. As amostras intactas de areia Reigate foram cuidadosamente esculpidasde amostras de blocos obtidas no mesmo local que as utilizadas por Cresswell & Powrie (2004) e Bhandari (2009). As amostras reconstituídas foram obtidas por desagregação suave do material à mão e, em seguida, colocando-o em um molde emembrana no pedestal triaxial, aplicando compactação e vibração para obter densidades próximas às das amostras intactas. O procedimento de teste foi idêntico para os dois tipos de amostras, e as respostas carga-deformação resultantes paraamostras intactas e reconstituídas representativassão apresentados na Fig. 2. As amostras intactas e reconstituídas tinham razões de vazios iniciais de 0,48 e 0,49, respectivamente, mas, apesar das semelhanças no nível de tensão e taxa de vazios, as respostas mecânicas diferem significativamente, como observado porre-pesquisadores anteriores. Os testes foram repetidos e interrompidos em diferentes estágios de cisalhamento, quando as amostras foram impregnadas com uma resina epóxi para permitir a medição da evolução da microestrutura. Os pontos selecionados foram oestado inicial antes do carregamento (estágio de carga 1), o início da dilatação (estágio de carga 2), no aparecimento de uma faixa de cisalhamento visível (estágio de carga 3) e quando se aproxima do estado crítico (estágio de carga 4). Devido à localização da tensão, umestado crítico só poderia ser mobilizado localmente em uma faixa de cisalhamento. Uma vez que a resina se fixou e endureceu, mini-núcleos (3–6 mm de diâmetro) foram extraídos de regiões contendo a faixa de cisalhamento e da maior parte da amostra. Mais distanteDetalhes dos testes triaxiais e do processo de impregnação da resina são fornecidos por Fonseca (2011) e Fonseca et al. (2012a).

Como descrito por Stock (2008) ou Ketcham & Carlson (2001), ao utilizar o TC, o campo de visão da imagem (FOV) deve ser maior que o objeto, e quanto menor o FOV, menor o tamanho do voxel. O tamanho do voxel utilizado nesta pesquisa foi de 5 µm,após um 2 3 2 3 2 binning (isto é, um volume de 23 voxels foi substituído por 1 voxel) para lidar com problemas de memória do computador. Este tamanho de voxel é quase uma ordem de grandeza maior do que a alcançada em importantes estudos geotécnicos anteriores (Tabela1), observando que a resolução está relacionada ao cubo do comprimento do voxel. Ao usar dados de micro CT para caracterizar a estrutura interna de um material, a qualidade da imagem e o tamanho do voxel necessário são ambas as funções do tamanho do material.características de interesse que precisam ser resolvidas e do propósito da investigação atual. Quando as morfologias de contato, partículas e vazios são consideradas, como na presente investigação, tamanhos pequenos de voxel são necessários paraalcançar a resolução desejada de todos esses recursos. Assim, o tamanho da amostra, o tamanho do voxel e os parâmetros de varredura são baseados em um comprometimento entre três fatores principais: qualidade da imagem, tempo gasto e custo do processo.Dev. estresse intacto Dev. stress recon. Vol. tensão intacta vol. tensão recon.

  A Tabela 2 resume os 13 mini-núcleos analisados ​​para oito amostras intactas (Int 1 a para Int 4b S) e cinco reconstituídas (Rec 1 a para Rec 4 S). Como mostra a Tabela 2, os estágios de carga em que as micro tomografias foram realizadas corresponderampara as amostras intactas e reconstituídas. Para o solo intacto, duas amostras foram retiradas da região da faixa de cisalhamento nos estágios de carga 3 e 4 (amostras Int 3 b S e Int 4 b S, respectivamente), mas, como os mini núcleos são maioresdo que a espessura da faixa de cisalhamento, cada amostra é composta de partículas de dentro e de fora da faixa de cisalhamento. Para o solo reconstituído, uma amostra interceptou a faixa de cisalhamento no estágio de carga 4 (Rec 4 S). Todas as amostras restantes foramou tomado antes da banda de cisalhamento se desenvolver ou não conter uma parte significativa da região da faixa de cisalhamento.

  Todos os dados apresentados foram adquiridos em um dos dois scanners de microtomografia de nanotom, desenvolvidos pela Phoenix / X ray (GE). Detalhes completos dos sistemas utilizados e os parâmetros de varredura são fornecidos por Fonseca (2011). Imagens obtidas

Tabela 2. Condições de amostra e valores-chave

outras deficiências (por exemplo, Davis e Elliott, 2006), complicando a análise de imagem subseqüente. As imagens de radiação síncrotron podem potencialmente ter uma qualidade mais alta, já que um raio de raios X monocromático pode ser usado, há um fluxo de fótons maior erelação sinal / ruído é melhor (Stock, 2008). O acesso a fontes de radiação síncrotron é limitado, e embora haja exemplos de uso de instalações síncrotron em estudos de geoquímica (como observado na Tabela 1), fontes de laboratório sãomais comum, e é provável que continue a ser adotado na pesquisa geomecânica.

Uma consideração cuidadosa deve ser dada às partículas que interceptaram o limite de varredura, e o número de partículas "internas" completas que não tocaram os limites está indicado na Tabela 2. Por estatística de partículas (por exemplo, coordenaçãoforam calculados apenas para as partículas internas, conforme detalhado em Fonseca (2011). As Figuras 3 (a) e 3 (b) ilustram pequenas seções através de dados tomográficos para uma amostra intacta e reconstituída de Reigate, respectivamente.