USBR5500_執行試驗室土壤夯實─ 5.5磅夯錘和18吋落距 ~ 土木最前線

執行試驗室土壤夯實─ 5.5磅夯錘和18吋落距

PROCEDURE FOR PERFORMING LABORATORY COMPACTION OF SOILS -5.5-LEB RAMMER AND 18-IN DROP

1 . 前言：

1.1 本章是說明實驗室土壤夯實執行程序之綱要。
1.2 本章執行步驟在於用一已知夯實能量，以決定土壤含水量和乾單位重量之間關係；而夯實曲線繪製後，最大乾密度及最佳含水量亦可被決定。
1.3 本章所敘述執行步驟，是使用一台已經校準完成的夯實機；它所產生的能量和用一5.5磅夯錘和18吋落距的手動夯實錘夯實所產生能量相同。
1.4 夯實土壤的粒徑須能通過No4篩。若實驗室夯實土壤粒徑在 3"以上，應遵循USBR 5515執行程序。實驗室夯實土壤粒徑範圍最大粒徑在3/4"以上，應遵循ASTM D698 ─ B法或 C法執行程序。
1.5 正常情形，本章執行步驟用於土壤粒料有多於15％以上細粒料（fines）；對於土壤粒徑範圍有 5％至15％細粒料亦可獲得可靠的成果。
1.6 本章所述步驟和ASTM D698 A法不同點在USBR 5500使用一個1/20ft³夯實模和使用18吋落距的手動夯錘。而ASTM D698使用一個1/30ft³夯實模和使用12吋落距的手動夯錘。兩個方法雖有差異，但都是供給土壤相同12,375ft-lb/ft³夯實能量。

2 . 事先的試驗：

2.1 應事先依USBR 5205執行步驟以準備土樣，以供試驗使用。
2.2 含水量的測定，必須遵循USBR 5300內適當章節來執行。
2.3 為了在含水量及乾密度圖上繪製零空氣孔隙曲線；土樣的比重測定，必須遵循USBR 5320規範。
2.4 為了繪製貫入抗力─含水量曲線圖，則必須依據USBR 5505測定貫入抗力。

3 . 參考文件：

3.1 USBR規範：

USBR 1009 夯實模之校準
USBR 1012 天平或秤之校準
USBR 1020 烘箱之校準
USBR 1025 篩網之校準
USBR 1415 實驗室夯實機之校準
USBR 3900 土壤物理性質的標準定義的條款和標示
USBR 5000 土壤組成元分類法（實驗室法）
USBR 5005 土壤組成元分類法（數值法）
USBR 5205 藉四分法準備土樣
USBR 5300 藉烘箱法測定土壤或岩石含水量
USBR 5320 測定土壤的比重
USBR 5505 測定細粒料土壤之含水量貫入抗力關係
USBR 7250 測定相對密度
USBR 7255 測定土方工程的壓實度之控制方法

3.2 ASTM標準：

D698 土壤和混合土料之含水量與密度關係，使用5.5磅夯錘和12吋落距。
E11 金屬編織篩之規格。

4 . 方法之摘要：

4.1 先從相同一批土壤樣品中，最少取5個不同含水量的土樣；每一個土樣於夯實模內以相同夯實能量夯實，由這每一土樣含水量和所得乾單位重量的成果，可繪製一夯實曲線；自這夯實曲線，可決定最佳含水量和最大乾密度。為了有助評價成果；零空氣孔隙值常常被繪製成曲線圖，以其與夯實曲線作一比較。

5 . 重要和使用：

5.1 這含水量與乾密度之間關係，是常用於評價天然土壤或填方處土壤被壓實達到最大凝聚質量之狀態。
5.2 由含水量與乾密度之間的關係，可決定達到最有效率夯實之含水量和最大乾密度。
5.3 土壤的工程特性，如剪力強度、壓縮性和在壓實狀態之滲透性，常因由不同夯實方法和不同含水量的夯實條件而產生非常差異性。因此，重要的工程技術上裁定往往必須要敘述土壤壓實狀態（壓實度 percent compaction）。
5.4 各樣土壤的夯實特性，取決於土壤級配和細料的凝聚性；通常本章試驗室夯實試驗大多適用於土壤中細粒料超過15％；為了瞭解和控制這些土壤，壓實度是通常用來判別是否足夠夯實。
對於土壤中細粒料含量小於5％，通常是用最小與最大指數單位重量試驗來求得夯實特性。為了瞭解和控制這些土壤，相對密度percent relative density 是經常用來判別是否足夠夯實。
土壤料含有 5至15％細粒料時，可能須要作夯實試驗與最大與最小單位重量指數試驗，兩試驗來決定何者最適當。
不管是壓實度或是相對密度被使用在工程控制，是依據試驗成果和使用怎樣土壤而定，可查閱USBR 7250或7255附錄X1以獲得進一步討論。

6 . 專門用語：

6.1 依據USBR 3900定義，專門用詞詳細意義如下：
6.1.1 夯實曲線 Compaction Curve：這曲線呈現出在給予相同夯實能量下，土壤乾單位重量和含水量兩者間之關係(ASTM定義)。
6.1.2 最佳含水量 Optmum Moisture Content(wO)：這含水量，代表當在藉由一夯實能量下，土壤能夠被夯實至最大乾單位重時之含水量(ASTM)。
6.1.3 最大單位重 _maxmum Unit Weight(γ_max)：這乾單位重定義於夯實曲線之尖峰。
6.1.4 零空氣孔隙曲線 Zero Air Voids Curve：呈現出乾單位重量和假定孔隙完全被水飽和之含水量，兩者關係曲線。
6.2 未於USBR 3900定義的專門用語，特別指出如下：
6.2.1 夯實能量 Compactive Effort：定義在一已知體積內夯實土壤的理論能量，例如ft-lb/ft³；夯實能量是依照落距高度、夯錘質量、每層打擊數和層數而分配於模體來計算。

7 . 特例：

7.1 在夯錘落距、夯錘質量或每層土壤的打擊數的差異，將造成非標準夯實能量；為確信供給相同夯實能量，這機械夯實機必須根據USBR 1415來校準及檢查。

8 . 儀器：

8.1 一般儀器：
8.1.1 秤或天平－用來測定含水量，必須能讀至0.1ｇ且容量約1000g。
8.1.2 秤或天平－用來測定夯實土樣的質量，必須讀至0.01lb，且可容量約50lb。
8.1.3 乾燥器－一密封容器，用一化學混合物吸收水量；用來冷卻熱的土樣，在一段時間後保持零的含水量。
8.1.4 蒸發皿－適當碟子
8.1.5 烘箱─烤箱、溫度控制器，和能夠於箱內各處保持230±9℉(110±5℃)均勻溫度的合宜通風設備。
8.1.6 量筒－100ml容量，刻度10ml。
8.1.7 篩－美國標準No.4（4.75mm）篩是符合ASTM E11之要求。
8.1.8 直尺－一把合宜長度的堅硬直尺，假如其厚度大於1/8"土樣。
8.2 本章所特須的設備（看圖1,2,3）
8.2.1 夯實機─夯實機設備包括一初始質量為5.5lbm的夯錘和可調整落距約12至18吋和記錄打擊數之記數器。假使，無夯實機可供使用，則可以手動夯實設備替代（看附錄.X2）。這設備包括一1/20ft³模和底模；這模體必須牢固架設在不變形堅硬基礎上或一相當200lbm或寬大混凝土塊上。
8.2.2 擠土機─一機械設備用來移除夯實模內已夯實的土樣。
8.2.3 密封容器 Moisture Proof Containers －金屬或塑膠製圓形容器，大約6吋直徑與12吋長，內部使用－密封的塑膠內袋以貯放土樣已供試驗。
8.3 雜項用具－刷子，小刀，拌合盤，勺子等。以供混合放置或修整土樣。

9 . 試劑和材料：

9.1 被使用於夯實前濕潤土壤用水，是無酸、鹼或油；相當是飲用水。

10 . 注意事項：

10.1 安全事項：
10.1.1 本操作步驟須注意危險的材料，動作和設備。
10.1.2 當夯實機在開動時，勿將手放於夯實模頂部附近。
10.2 技術上應注意事項：
10.2.1 測試土樣應儘可能迅速的完成夯實工作；以使未記載之含水量的遺失在最小情況。
10.2.2 因為樣本上、操作上、試驗步驟的影響和試驗在同一材料，此試驗成果不足反映現地情況或於構築期間之配置與過程所造成材料特性。在材料中含有異常的東西如軟弱及易碎的、腐爛的花崗岩、砂岩、頁岩、石灰岩、泥岩...等或土壤受風乾作用；上述材料必須在試驗前先予鑑定且需確認此材料應做所有試驗步驟與處置過程是否遵循標準方法或者是特定修正方法，上述特殊事項必須記載在試驗資料表格和試驗報告上。

11 . 樣本，試驗土樣和試驗單位：

11.1 假使土壤能自然風乾，則遵循11.2小節所述步驟。假使土壤無法自然風乾，則依循11.3小節所述步驟。上述任一例子中；假若無足夠土壤可供試驗，須小心地計劃土樣數和相應含水量之使用量。假使土壤不足供應五個試驗土樣，則同一土樣將執行再次處理及使用；此土樣再次處理及使用則依循11.4小節。
11.2 風乾：
11.2.1 依循USBR 5205準備約50lbm通過No.4之土壤樣本。
11.2.2 風乾試驗土樣，假使土樣尚未依循USBR 5205內章節風乾。
11.2.3 依循USBR 5205將土壤樣本分為 6個土樣，餘土樣放置一側並保持於風乾狀態含水量，以防止再增加土樣之需要。
11.2.4 準備上述五個樣本，每一土樣加上前一土樣增加大約2％含水量；這些含水量的選定必須包括最佳含水量，以確信可以獲得一適宜的夯實曲線。有些土壤有非常高的最佳含水量時，可能各土樣間須用較大的加水增量，以得到一較佳且明確的夯實曲線。
11.2.4.1 在噴灑水於土樣上同時徹底混合土壤，且確定均勻分佈濕潤於土料上；記錄每一土樣加水量於「試驗室夯實試驗」表格，如圖 4示。
11.2.4.2 放置每一土樣於試驗室已適當標示的密封容器內且貯放下列時間：

USBR 5000或5005分類法	最少貯放時間（小時）
GM、SM	3
ML,CL,OL,GC,SC	18
MH,CM,OH	36

11.3 Moist Prepararion:
11.3.1 準備可取用通過No.4篩之土壤約50lbm之試驗土樣；假如土壤有大於No4之粒料，須準備足夠土量，以獲得小於No4之土樣有約50lbm。
11.3.2 徹底混合土壤且分為 6個土樣，其餘土樣置於密封容器內；以防額外土樣之需要。
11.3.3 準備原狀土壤 5個土樣；每一土樣增加或減少水量，大約高於或少於前一個土樣大約 2個百分點之含水量。這些含水量的選定必須包括最佳含水量，以確信可以獲得一適宜的夯實曲線。有些土壤有非常高的最佳含水量時，可能各土樣間須用較大的加水增量，以得到一較佳且明確的夯實曲線(看注意2）
11.3.3.1 當加水量時，在噴灑水於土樣上同時徹底混合土壤，且確定均勻分佈濕潤於土料上。
11.3.3.2 當減水量時；用電扇或其他設備吹拂乾空氣於盤中土樣上，同時徹底混合土壤；亦可使用其他乾燥方法，所供給溫度不超過140℉。
11.3.3.3 記錄每一土樣的加水或減水量於「試驗室夯實試驗表格」（圖4）；在乾燥過程時，土樣的質量遺失應在土樣冷卻至室溫下測定。
11.3.3.4 貯放每土樣時間，依據11.2.5小節。
11.4 再次處理土壤：
11.4.1 為了準備額外的土樣，再次處理土壤為打破已夯實土樣且使其通過No.4篩。再次處理土壤時機，僅在可用土壤量不足情況下；再次處理土壤不應使用於有呈團狀的塑性粘土壤或者是易碎土壤和粒料。
11.4.2 再次處理土壤所計算得之最大乾單位重量趨向於高於不用再次處理土壤所獲得值於 1至 5 lbm/ft³。
11.4.3 假使，再次處理土壤是須要的，其土壤應該在夯實前即用同樣多「新土樣」混合；且在試驗資料表格和夯實曲線指出為使用再次處理土壤。

12 .率定與標準：

12.1 一般儀器設備的率定，依據相關合適的測定程序；若不是一般率定，則在使用設備之前依下程序率定。

USBR 1009 率定夯實模
USBR 1012 率定秤或天平
USBR 1020 率定烘箱
USBR 1025 檢核篩網
USBR 1415 率定試驗夯實機

13 . 條件：
13.1 如試驗準備工作，置於每一土樣於密封容器內貯於如11.2.5小節所述之最少時間。

14 . 步驟:

14.1 所有資料是被記錄在「試驗室夯實試驗」表格內。
14.2 測定夯實模的質量，精度至0.01 lb，且記錄此值於表格內。
14.3 確定夯實機設備牢固地安置在水平混凝土（或相當）基礎上。
14.4 組合夯實模與延伸模，以求牢固在底鈑上。
14.5 選擇試驗的第一個（最初）土樣；在夯實前須先將此已成塊團之土壤打破並使通No.4篩；此為夯實土樣前的準備步驟。
14.6 將2.0至2.5磅的土壤放入夯實模內，且應均勻分佈於這層面上。
14.7 使用一手動或機械的夯實設備，夯擊此層25下，且應均勻分佈於這層面上。
14.8 重複14.6至14.7小節所論述之夯實步驟，直到夯實完成三層；當第三層被夯實後，應該超出夯實模頂約1/4吋，但不超過3/2吋；若這最後一層夯實後太高或太低時，則應該被丟棄且重新用一新的土樣夯實。
14.9 謹慎不要擾動在模內已夯實過土壤；卸除夯實模上之延伸模，且用一直尺去修整土樣使其和模頂齊平。
14.10 自底板上移去夯實模。
14.11 測定和記錄這夯實模和夯實過土壤的質量至0.01磅精度。
14.12 依據USBR 5505，執行貫穿抗力試驗。
14.13 自夯實模中將土樣擠出；且切一約1/2吋平方， 6吋長之含水量土樣，此含水量土樣應該至少有200g重。
14.13.1 假如需要再次處理土樣；則置餘下土樣於容器背面與其他土壤分開置放。
14.14 放置依14.13節步驟所獲得之濕土樣，於恒溫烘箱內；以測定含水量。
14.15 計算已夯實土樣的濕密度，精度至0.1 lbm/ft³。
14.15.1 轉換濕密度為濕單位重由 lbm/ft³為lbf/ft³ ，和記錄至0.1 lbf/ft³（假定 1 lbm=1 lbf）。
14.16 重複14.4至14.15節所述之步驟，直到至少 5個樣本被夯實完成。
14.17 測定每一夯實土樣之含水量，依據USBR 5300。
14.18 計算每一個夯實土樣的乾單重量且記錄至0.1 lbf/ft³精度。
14.19 繪製含水量（橫座標）和乾單位（縱座標）如圖 5所示。
14.20 繪一平滑曲線以連接這些夯實土樣所得之點位。
14.21 最佳含水量相當於曲線上最高點之含水量，測定這值且記錄至0.1％。
14.22 最大乾單位重相當於最佳含水量時之乾單位重；測定這值且記錄0.1lbf/ft³。
14.23 假如兩個或更多繪製點，並無落在最佳含水量之兩側；則額外土料須準備適當含水量以便夯實。
14.24 假使，額外材料不夠使用；請看11.4小節。
14.25 測定土壤樣品的真比重，請根據USBR 5320。
14.26 利用附錄表格 X1 ，「夯實飽和曲線之點位」（零空氣孔隙曲線）來獲到適當乾單位重和相對之含水量值。
14.27 繪製零空氣孔隙曲線於圖5和附錄X1之描述。

15 . 計算：

15.1 計算這被夯實土壤的濕密度至靠近 0.1 lbm/ft³。

ρ_wet=	D - E
	V
這裏ρ_wet = 夯實土壤的濕密度，lbm/ft³ 　　　V = 模內體積，lft³ 　　　D = 模體重+濕土，lbm 　　　E = 模體重，lbm

15.1.1 在這步驟，濕密度被轉變成濕單位重，由 l bm/ft³換成 l bf/ft³（假定 1 lbm =1lbf）。
15.2 計算這土樣的乾單位重。

γ_d =	γ_wet
	1 + ( w /100)
這裏 γ_d = 夯實土壤的乾單位重，lbm/ft³ w = 含水量，％ γ_wet= 濕單位重

16 . 報告：

16.1 這報告是由已完成且已核對的表格所組成。「實驗室夯實試驗」（圖 4）。「夯實─貫穿抗力試驗曲線」（圖 5）。
16.2 所有計算都已出示核對標記且所有繪圖須經核對。

17 . 精密和正確性：

17.1 為判定最大乾密度和最佳含水量試驗值之正確性的標準；係依表格1。此標準誤差 S是自此方程式所計算：

S₂=

n-1

Σ（ Xi - X ）

ⁱ⁼¹

得此處 n= 測定個數
　　　Xi= 每一個別的測定值
　　　X = 測定值之平均值。

表 1 ─ 精確度+

標準誤差之可接受的範圍*	兩計算值超出平均值之百分率
單一操作精密度	多個試驗精密度
γ_max─1.9	γ_d_max ±1.66lbf/ft³4.0
O.M.C.─9.5	O.M.C. ±0.86% 5.0
+ 所有資料（如上表）是基於自多種不同土壤試驗平均值與提供未來修訂。
* 這行指出，超出任何兩個計算差值之極限範圍值；採用平均值之百分比表示；在共同的試驗問題上，它已測定95％試驗而不超過如上表極限可接受範圍。

17.2 規範對於單一操作精密的分配標準誤差值並未制定。

附錄：X1 測定零空氣孔隙曲線－飽和夯實曲線

X1.1 範圍：
X1.1.1 這附錄在敘述，引用土壤真比重以繪製飽和曲線上之適當乾單位重量和相應含水量，同時完成單位重量－含水量圖。
X1.1.2 這曲線成果呈現假定土壤孔隙完全為水所填充之土壤乾單位重和相應含水量。夯實材料藉一般的填方和試驗室夯實方法，一定包含著空氣在內；因此工地密度壓實曲線和試驗室夯實曲線將接近但永不與零空氣孔隙曲線相交。
X1.2 步驟：
X1.2.1 依據USBR 5320，測定土樣的真比重。
X1.2.2 由夯實試驗室完成土壤夯實曲線。
X1.2.3 使用表格X1「飽和夯實曲線的點」，給予真比重以獲得相映之乾單位重─含水量之點。
X1.2.3.1 用表格X1.2.1節所或得知真比重填入表格內。
X1.2.5 繪一平滑曲線，連接這些點位。
γ_d =γ_w ×Gs ( 1 - n /100 )
w = n×γ_w / γ_d
注意X1.1一在表格X1值，是依下列關係式計算
γ_d =夯實土壤的乾單位重，以lb/ft³或kgf/m³。
γ_w =水的單位重，62.43lbt/ft³在4℃（9.81kgf/m³）
Gs=土的真比重
n =孔隙率％

X2. 手動夯實
X2.1 使用一手動夯實可以來替代機械夯實設備以夯實土樣。這夯錘接觸面須平坦且為圓形，直徑為2吋。夯錘質量為5.5lb土1％。夯錘須有一引導套筒；此套筒予錘有8土1/16吋的自由落下距離；且錘頭和軸心可不受限制下有足夠間隙的自由落下。引導套筒必須距底部中心，3/4土1/16吋，與底部處；應有散佈90度的4的排氣孔，這孔最小直徑為3/8吋。在夯實期間，夯實模應安放在堅固均勻，相當200lbm的堅實基礎或大的混凝土塊上。
X2.2 當在操作夯實設備時，應注意保持和確定夯錘是在引導套筒中自由落下；而引導套筒是握於平穩且垂直位置。避免夯錘自引導套筒頂部回彈；以均勻速度捶打，但每循環25下，不少於40秒；並均勻分佈在每一層面。
USBR 5500-89

2016年12月10日星期六