确定土壤最佳含水量和最大干密度的试验方法外文翻译.doc

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出处:土木工程学报（2015）19（7）：2061-2066
版权ⓒ2015韩国土木工程师协会
DOI 10.1007/s12205-015-0163-0
确定土壤最佳含水量和最大干密度的试验方法
Xiao-Chuan Ren*, Yuan-Ming Lai**, Fan-Yu Zhang***, and Kai Hu****
2014年4月2日收到/2014年6月18日修订/2014年11月11日接受/2015年1月12日在线出版
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摘要
基于物理参数对土的压缩模量进行研究，得出一种能准确确定少量土样土壤最佳含水量的及相应的最大干密度的方法。力压缩模量曲线上的压缩模量峰值被用来确定最佳含水量及最大干密度。对所提出的方法进行了验证，通过使用四种不同类型的土壤：西藏青海粘土，二氧化硅粘土，兰州黄土，西藏青海沙土。结果表明，相对于传统的压实方法，新方法可以准确测定各类型土壤的最佳含水量和最大干密度。此外，对于某些含水量，当土壤的压实度是最大时，粘土和二氧化硅粘土达到理论饱和状态，而砂土和黄土则未达到。
关键词：最佳含水量，最大干密度，压缩模量，粘土，黄土，砂土，改良土
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1.引言
在施工过程中的许多情况下，将土壤压实到其最大干密度是必要的。压实是指土壤中的孔隙空间减少，其密度增加所造成的土壤颗粒重排对抵抗力的压实能量。在压实过程中，土壤密度的变化取决于土壤颗粒之间的空隙空间的直接压缩，以及从运动中产生的土壤颗粒的位置和方向的空隙空间的减少。水在这个过程中起着润滑剂的作用，当土壤颗粒之间的空隙被水填充时，即为最佳密度。因此，最佳的含水量对应于足够支持滑动运动的土壤颗粒的水膜所需的最小量的水。对于特定的水含量压缩土壤以达最大的理论密度意味着通过从土壤中的空隙排出所有的气体，从而达到饱和。理论上达到的最大压实曲线，也被称为饱和曲线，通过连接不同的水分含量对应得土壤饱和的相应干密度。一些研究者(Hilf, 1956; Ring et al., 1962; Ramiah etal., 1970; Wang and Huang, 1984)已有了获得最佳含水量和最大干密度的各种方法的讨论。然而，在一个给定的压实工作的前提下压实试验方法已被采纳为标准用以确定最佳的水分含量和相应的最大干密度 (ASTM D698, 2012; ASTM D1557, 2012)。确定土壤最佳含水量和最大干密度的重要因素是压实作业的识别。毫无疑问，每一种类型的土壤反应不同的压实工作，这使得不同类型的土壤在使用相同的压实工作和现有的规范情况下，不可能获得水含量和最大干密度。基于Boutwell (1961)的想法，Blotz et al. (1998)研究了压实工作与最大干密度之间的关系，并发现了压实工作和最大干密度的对数之间存在良好的线性关系。他们描述了估计的最优含水量和使用压实能量的粘性土的最大干密度的实证方法，发现一个变量相结合对液限和一个土压实曲线更精确的方法。本研究基于土壤的压缩模量参数提供了一种在没有一个给定的压实工作，只受土壤本身性质控制的能准确确定土的最佳含水量和相应的最大干密度的方法。一种土样制备的管式钢模具的压力施加在一个恒定的负载率。由于样品被压实，土壤样品中的空隙减少，从而导致孔隙内的孔隙水压力增加，被定义为土的压缩模量。土的最佳含水量对应最低含水量当其压缩模量为峰值时，而对应土壤样品的干密度即为最大干密度。
2. 实验材料
试验中使用的的粘土取自青海西藏高原的北麓河，砂土取自兰州黄土。使用的样本的比重约为2.71-2.72 g/cm3。所有样品使用前均通过2mm筛过滤和干燥。添加剂纳米二氧化硅生产于中国湖南省，详细规范指数在表1。具有约16-18μS/cm电导率的离子水用在所有测试相关的研究。

表1. 纳米二氧化硅规格
项
APS
纯度
形态
SSA
容重
纳米二氧化硅
15 nm
99.5%
球形
200 m2/g
0.05 g/cm3

3. 实验方法描述
纳米二氧化硅的密度约为0.05克/立方厘米，平均粒径约为15纳米。使用常规的混合方法得到均匀的土壤样品是不可能的，因为纳米二氧化硅在土壤样品的表面保持悬浮。因此，为了获得均匀的土壤样品，需人工混合土壤材料获得所需的纳米二氧化硅，随后反复通过0.25毫米筛进行过滤。当没有进一步的白色粉末出现在样品中时，混合的土壤样品被认为是均匀的，按照实验要求，土壤样品被放置在密封的容器中24小时伴随着水含量的混合。在这项研究中使用的材料试验机是T5000压缩模量 SANS公司，中国（MTS，被兼并和收购，美国）。100克制粘土被倒入厚壁钢管模具（内径为39.1毫米，外径为60毫米），一个圆形钢垫片放置在它下，避免了从管底部的土壤渗漏。然后将两者转移到这台机器上。三个负载率（2.5毫米/分钟，5毫米/分钟，50毫米/分钟），此项工作中在测试和负载施加时，负载率为2.5毫米/分钟，测试停止时，土壤或水被排出管之间的间隙和间隔。数据由一台计算机控制的测试机收集，数据采样频率为2赫兹。本研究所描述的土壤样品的最佳含水量的测定方法需要的信息，如土壤的力-位移压缩曲线（图1），土壤质量，土壤含水量，和最终的土壤样品的高度（表2）。为了简单，这些实验中所用的土壤质量均为100克。实验的采样频率为2赫兹，因此，通过材料测试得到的力-位移曲线显示了一组离散的点。以压缩模量为参数进行表征。压缩模量的离散值可从式（1）得到，以力为水平轴和压缩模量为垂直轴可以绘制（图2）。

图1. 粘土的位移-力曲线（重力测量的含水量，
下同）

表2. 粘土数据
编号
重量
高度
含水率
压实功
高度差
校正高度
密度
压实功

g
mm
%
kJ
mm
mm
g/cm3
kJ/m3
W19
100
38.5
19
0.00543
0.18742
38.68
1.81
116.93

W17
100
38.6
17
0.00773
0.27091
38.87
1.83
165.67

W15
100
37.3
15
0.01733
0.62497
37.92
1.91
380.68

W14
100
36.9
14
0.03123
1.02084
37.92
1.93
686.16

W13
100
36.6
13
0.04351
0.85412
37.45
1.97
967.92

W12
100
36.65
12
0.05975
0.72913
37.37
1.99
1332.04

W11
100
36.3
11
0.09134
0.44576
36.74
2.04
2071.19

图2. 粘土力压缩模量曲线

图3. 在实验过程中粘土挤出

图4. 力的峰值与压缩模量峰值的比较

图5. 不同加载速率下的粘土压缩模量曲线

(1)
从图2中可以观察到不同含水量的土壤样品的压缩模量值随压力的增加而增加，当含水量超过15%时，曲线显示峰值。当含水率低于15%时，其值增大到一定值，然后围绕该值波动。在较高的含水量时，压缩过程中粘土中的空隙逐渐减小。土壤样品中的空隙空间减少。一旦填充的空隙空间达到最大水分含量的点，进一步压缩导致自由水从土壤样品和管壁之间的间隙排出。这会显著减少粘土和厚壁钢管模和间隔件（图3）之间的间隙摩擦，和一个被Grim 和Cuthbert 提到的类似的现象（1945）。粘土的干密度超越了这一点便不再进一步增加。水从土壤排出，所以水分含量发生变化。
通过压缩模量和力之间的变化模式的比较，表明力开始下降时的模量压缩达到极值，而土壤样品被压缩约2毫米，这也可以被看作是粘土的压缩（图4）。因此，可以推断，当压缩模量达到最大值，土壤也达到最大的含水量。在测试中使用了三个加载速率（图5）。由于颗粒和水的运动速度不同，加载速率对结果有一定的影响。为了获得一段较长时间的测试，此项目选择2.5mm/min的加载速率。图2说明了含水量分别为15%、17%、19%时出现的现象。当水分含量低于15%时，粘土不被挤压；相反的，当压缩模量达到最大值时，孔隙水被排出。这意味着，当压缩模量达到最大值时，土壤中孔隙水压力也达到最大。
因此，压缩模量的最大值或其稳定的值，可以作为最大干密度的土壤样品中对应的水分含量。最低含水量的压缩模量显示的峰值的值是最佳的水分含量，其相应的干密度是最大的干密度。它表明，15%的含水量是最低的含水量，可以支持土壤颗粒的滑动运动。因此，在这项工作中使用的土的最优含水率为15%左右，与之相应的最大干密度为1.94 g/cm3。
利用土壤样品的压缩量从此时到实验结束（高度差），并通过处理土壤样品的高度后，作为土壤样品的校正高度，相应的水分含量的最大密度可以计算。此外，压实工作可以通过施加的力从零（表2）的力的位移积分得到。通过相应的最大干密度的含水量与理论最大干密度试验得到的比较（方程2），发现结果是一致的（图6），这表明早期对于压缩模量和土壤饱和状态的假设是合理的。与压实实验比较，含水量15%对应的单位击实功（380.68 kJ/m3），同样的压实功作用于含水量为11%到14%的土。根据公式（3）得到了11%到14%的含水量的相应值 ，并结合式（4），可以得到干密度，如图6所示。对于击实功为600 kJ/m3的轻型击实试验，其获得的最佳含水率低于我们的结果：
（2）
GS = Specific gravity
ρw = 水的密度
ρw-max =在特定含水量下的最大干密度
ω=含水量
（3）
CW= 单位压力
Ft =t时刻的力
h = 实验结束时的高度
r = 土样半径
Sf= 实验结束时位移
St = t时刻的位移量值
（4）
4. 二氧化硅粘土，砂土和黄土的方法验证
二氧化硅粘土、砂土、黄土干密度曲线（图 9）是由4.1节中描述的步骤重复得到（图7-8）。这些样品之间的区别是，粘土和二氧化硅粘土的压缩模量的极端值几乎达到饱和，而黄土和砂的压缩模量在他们达到极端值时低于理想的饱和曲线，这意味着他们是远远没有达到饱和。这是在与实验结果相一致的，因为在压缩过程中，黄土和砂土壤样品中的游离水被挤出，同时可见空气气泡（图10）。在这项研究中，通过绘制所使用的四种类型土壤的各含水量压实功和相应的最大干密度的半对数图，可以观察到良好的线性关系（图11）。因此，我们有理由相信Blotez et al. (1998)的文章中的粘土最大干密度的值位于理想的最大密度曲线。然而，就目前的研究中获得的结果，反映了四种类型的土壤存在的最佳含水量和最大干密度（表3）。

图6. 粘土的水分干密度曲线（击实试验遵循标准ASTM D698（2012）同样打击）

图7. （a）粘土的位移-力曲线，（b）黄土位移-力曲线，（c）砂土位移-力曲线

图8.（a）二氧化硅土压力-压缩模量曲线，（b）黄土压力-压缩模量曲线，（b）砂土压力-压缩模量曲线

图9.（a）二氧化硅粘土含水量-干密度曲线，（b）黄土含水量-干密度曲线，（c）砂土含水量-干密度曲线

图10.（a）同时挤出水和气（黄土），（b）同时挤出水和气（砂）

图11. 单位压实功-干密度曲线

表3. 最佳含水量和最大干密度
土壤类型
粘土
二氧化硅粘土
黄土
砂土
最佳含水量
15
18
10
8
最大干密度g/cm3
1.92
1.79
1.99
2.12

5. 结论
此项研究基于土壤的压缩模量的物理参数提供了一种方法，准确地确定土壤样品的最佳的含水量和最大干密度，而无需进行压实实验。力压缩模量曲线的压缩模量峰值用来确定最佳含水量和最大干密度，即最佳含水量为压缩模量曲线的峰值对应的最低含水量，此时对应的干密度最大。
四种类型的土壤被用来方法验证：青藏粘土，二氧化硅粘土，兰州黄土，青藏砂土。结果表明，与传统的压实方法相比，该方法能准确确定土壤样品的最佳含水量和最大干密度。此外，它也发现，含水量一定时，当土壤的压实最大时，粘土和二氧化硅粘土可能达到理论饱和状态，而砂土壤和黄土的加载速率不能为2.5毫米/分钟。

致谢
本研究由国家自然科学基金资助项目（41230630）、中国科学院西部计划项目（kzcx2-xb3-19），国家重点基础研究发展计划（中国973计划2012cb026102号），国家冻土工程重点实验室基金项目（sklfse201106），中国国家自然科学基金重大项目（41130753）支持。

参考文献
ASTM D698 (2012). Standard test methods for laboratory compaction
characteristics of soil using standard effort (12,400 ft-lbf/ft3 (600kN-m/m3)).
ASTM D1557 (2012). Standard test methods for laboratory compaction
characteristics of soil using modified effort (56,000 ft-lbf/ft3 (2,700kN-m/m3)).
Blotez, L., Benson, C., and Boutwell, G. (1998). “Estimating optimum water content and maximum dry unit weight for compacted clays.”
J. Geotech. Engrg., ACSE, Vol. 124, No. 9, pp. 907-912, DOI: 10.1061/（ASCE）1090-0241（1998）124：9（907）.
Boutwell, G. (1961). Effects of variation of fill construction on the material properties and the subsequent fill performance, Independent
Study Rep., School of Civ. Engrg., Georgia Institute of Technology, Atlanta, Ga.
Grim, R. E. and Cuthbert, F. L. (1945). “Some claywater properties of certain clay minerals.” Journal of the American Ceramic Society, Vol.28, No. 3, pp. 90-95, DOI: 10.1111/j.1151-2916.1945.tb14518.x.
Hilf, J. (1956). A rapid method of construction control for embankments of cohesive soil, Engrg. Monograph No. 26, U.S. Bureau of Reclamation, Denver, CO.
Ramiah, B., Viswanath, V., and Krishnamurthy, H. (1970). “Interrelationship of compaction and index properties.” Proc. 2nd Southeast Asian Conf. on Soil Engrg., A.A. Balkema, Rotterdam, The Netherlands, pp. 577-587.
Ring, G., Sallberg, J., and Collins, W. (1962). “Correlation of compaction and classification test data.” Hwy. Res. Bull., No. 325, Highway Research Board, National Research Council, Washington, D.C., pp.55-75.
Wang, M. and Huang, C. (1984). “Soil compaction and permeability prediction models.”
J. Envir. Engrg., ASCE, Vol. 110, No. 6, pp. 1063-1083，DOI：10.1061/（ASCE）0733-9372(1984)110:6(1063).
目 录
第一章 总论 1
第一节 项目背景 1
第二节 项目概况 2
第二章 项目建设必要性 5
第三章 市场分析与建设规模 7
第一节 汽车市场需求分析 7
第二节 市场预测 12
第三节 项目产品市场分析 13
第四节 建设规模 16
第四章 场址选择 17
第一节 场址所在位置现状 17
第二节 场址建设条件 17
第五章 技术方案、设备方案、工程方案 22
第一节 技术方案 22
第二节 设备方案 28
第三节 工程方案 33
第六章 原材料、燃料供应 38
第七章 总图布置与公用辅助工程 39
第一节 总图布置 39
第二节 公用辅助工程 43
第八章 环境影响评价 52
第一节 环境保护设计依据 52
第二节 项目建设和生产对环境的影响 52
第三节 环境保护措施 54
第四节 环境影响评价 56
第九章 劳动安全卫生与消防 57
第一节 劳动安全卫生 57
第二节 消防 64
第十章 节能与节能措施 67
第一节 项目概况 67
第二节 项目综合能耗 69
第三节 节约及合理利用能源的主要措施 71
第十一章 项目实施进度与人力资源配置 76
第一节 建设工期 76
第一节 项目实施进度 76
第二节 生产组织与人员培训 79
第十二章 投资估算与资金筹措 82
第一节 建设投资估算 82
第二节 总投资估算 86
第三节 资金筹措 86
第十四章 财务效益分析 88
第一节 财务评价基础数据与参数选取 88
第二节 销售收入及销售税金估算 89
第三节 成本费用估算 89
第四节 财务评价 91
第五节 不确定性分析 93
第十三章 风险分析 95
第十四章 结论与建议 97
第一节 研究结论 97
第二节 建议 97