USBR5525_無凝聚性土壤之最小指數單位重試驗法 ~ 土木最前線

無凝聚性土壤之最小指數單位重試驗法

Procedure for Determining the Minimum Index Unit Weight of Cohesionless Soil

1. 範圍

1.1 本法係利用澆注器(Ａ法)或手杓(Ｂ法)把土壤置於試模內來決定無凝聚性、自由排水土壤之最小指數單位重。
1.2 本法通常用於土壤含細料小於5%，但在某些情況下，可達5至15%，並限制最大粒徑為3英寸。
1.3 Ａ法適用澆注器決定土壤最小指數單位重。B法適用手杓決定土壤最小指數單位重。表I依據試驗材料最大粒徑給定所需試樣重及澆置工具。
[註1]:對於某些無凝聚性椅上或砂性粉土，甚至非自由排水材料之特例，也可加以應用以計算相對密度百分比。.

2. 輔助試驗

依據 USBR5250 獲取試驗樣本。由 USBR5530 及 USBR7250 執行測定土樣之相對密度。

3. 應用文件

3.1 USBR標準:

USBR1010 試模校正。
USBR1012 磅秤或天平校正。
USBR1020 烘箱校正。
USBR3900 有關土壤力學名詞及符號之標準定義。
USBR5205 用取樣器或四分法準備土樣。
USBR5300 由烘乾法測定土壤及岩石之含水量。
USBR5500 試驗室土壤夯實試驗─5.5lbm夯錘及18泊落並巨。
USBR55I0 試驗室土壤夯實試驗─Harvard Miniature。
USBR55I5 含礫石之試驗室土壤夯實試驗。
USBR5530 無凝聚性土壤之最大指數單位重試驗法。
USBR7250 相對密度試驗法。

4. 方法摘要

4.1 使用杓子或澆注器將烘乾土樣鬆散堆放於校正過之試模內。多餘部份小心移走，接著測定試模及土樣質量，即可算出最小指數單位重。

5. 意義及使用

5.1 最小指數單位重是土樣處於最鬆散狀態之乾單位重，使用標準實驗室程序來減少顆粒分離及破損。一絕對最大單位重是不需用本法獲得。
5.2 為求得在已知單位重下，自由排水、無凝聚性土壤之相對密度百分比必須使用標準試驗室程序來獲得最鬆散及最緊密狀態下之土壤單位重。USBR5530用於求得土壤於最緊密狀態下之單位重。USBR7250用於求得相對密度百分比。
5.3 無凝聚性土壤之施工澆置控制常常基於土壤之相對密度百分比。
5.4 土壤的夯實特性隨其級配與細料之凝聚性而變。通常，試驗室的夯實試驗最適用於土壤細料含量超過I5%。對施工控制而言，夯實度是用來求得夯實的適當性。對於細料含量小於5%約土壤，最小與最大指數單位重試驗是用來評估夯實特性。對施工
控制而言，夯實度是用來求得夯實的適當性。
細料含量介於5%～15%約土壤，需使用試驗室夯實試驗及組合最大-最小指數單位重試驗是恰當的。不管是用夯實度或相對密度百分比，對施工控制而言，只與試驗成果及土壤如何使用有關。進一步討論請參閱USBR7250或7255(app.XI)。

6. 專門用語

6.1 依據USBR3900之定義，其特別意義之名詞有:
6.1.1 相對密度(Dr)─為(1)最鬆散狀態下無凝聚性土壤之孔隙比與已知孔隙比之差，與(2)最鬆與最緊狀態下孔隙比之差(ASTM 之定義)之比值。
[註2]:"相對密度"一詞使用乾單位重來計算。這是因為廣泛的使用此一名詞而為避免使用新名詞之混淆。技術上，計算時密度並非乾單位重，但相對密度值應是相同的。
6.2 不包含於USBR3900內之本規範名詞有：
6.2.1 最大指數單位重，γdmax ─使用標準實驗室夯實程序來預防膨脹及減少顆粒分離，所獲得最緊密夯實狀態之土壤乾單位重(USBR5530)。
6.2.2 最小指數單位重，γdmin ─使用標準實驗室夯實程序來預防膨脹及減少顆粒分離，所獲得最鬆散夯實狀態之土壤乾單位重(USBR5525)。

7. 儀器

7.1 一般儀器:
7.1.1 磅秤或天平─使用典型的磅秤或天平其規格如下：

應用	可讀至	近似容量
A法	0.01 lbm	50 lbm
B法	0.01 lbm	50 lbm

7.1.2 刷子─鋼毛除塵刷。
7.1.3 乾燥烘箱─烘箱具有溫度調節裝置較佳強力通風型之乾燥室，能維持均勻溫度230±9℉(110±5℃)。
7.1.4 手杓─有柄之平底手杓；小杓子，近似一碗狀大小為31/2"×6"；大杓子，近似一碗狀大小為5 1/4"×7 1/2"。
7.1.5 金屬直尺─15英吋(35公分)長。
7.1.6 拌合盤─大型金屬拌合盤，尺寸為36ft×24ft×4ft(90cm×60cm×10cm)；中型金屬拌合盤，尺寸為16ft×6ft。(40cm×40cm×5cm)。
7.2 特殊儀器
7.2.1 試模
7.2.1.1 標準試模─標稱體積0.1ft³(2830cm³)之圓桶型金屬試模，試模應符合圖1的要求，實際體積和規定體積之差應在±0.5%以內。

7.2.1.2 特殊試模─容量小於0.1ft³(2830cm³)之圓桶型金屬試模，直徑等於或大於2¾in(70mm)，但小於4in(100mm)，並符合圖2之設計方法。此種試模可用於試驗之結果僅供設計或其他特殊研究之用而在沒有足夠之土壤使用0.100ft³之標準試
模。

7.2.2 澆注儀器包含有:
7.2.2.1 澆注澆管─兩種澆注墳管應符合圖3之要求，一為內徑1/2"(13mm)，另一為1ft(25mm)。
7.2.2.2 試樣容器─符合圖3要求之金屬容器。

8. 防護

8.1 安全防護─本試驗可能使試驗者暴露於危險材料、操作、設備及處理重載重下。使用本法者應負起建立適當安全訓練及使用前之規則適用性限制。
8.2 技術防護
8.2.1 極小放置試樣，使其盡可能達到最鬆散之狀態。試驗時如震動或搖動試模應重新再放置試樣。
8.2.2 由於材料取樣、處理及試驗的影響，導致試驗結果無法反映出材料於施工過程中之現地狀況及性質。應特別關心諸如分解之花崗岩、砂岩、頁岩、石灰岩、黏土岩等軟或易碎材料，氣乾、烘乾土壤之影響。此等材料在處理前須確定究竟該依標準程序或者依適當修正程序來處理及試驗材料。在試驗資料表格上應註明警告及試驗資料報告。

9. 取樣、試體及試驗單位

9.1 取樣準備─試驗取樣依照USBR5205準備，僅僅用在小於3in(75mm)之土壤部分。
9.2 試樣準備:
9.2.1 依照表1要求，選擇適當數量材料土樣。
9.2.2 在9.2.1小節中，依據USBR5300程序來取得乾料。
[註3]:對含細料小於15%之快乾土壤，能夠使用諸如電熱板或瓦斯熱板之適當熱源。假使是使用熱源而非溫度控制，應攪拌土樣以加速乾燥及避免局部過熱。加熱後，額外的質量損失小於百分之0.1時，可視為土樣已經烘乾。
表1:試樣及設備需求

土粒最大粒徑		所需試樣重		使用之澆注儀器	試模尺寸
in	mm	lbm	kg	使用之澆注儀器	ft³	cm³
＜#4	4.75	25	12	1/2in噴嘴	0.1	2830
3/8	9.5	25	12	1/2in噴嘴	0.1	2830
3/4	19.0	25	12	1/2in噴嘴	0.1	2830
1-1/2	37.5	75	35	杓子	0.5	14200
3	75.0	75	35	杓子	0.5	14200

10. 校正及標準化

10.1 依據可應用之校正程序驗證目前之校正設備。假使目前還未校正，則使用儀器前需加以校正。

USBR1010 校正試模
USBR1012 校正磅秤及天平
USBR1020 校正烘箱

11. 條件

11.1 允許試樣如9.2.2小節一樣乾燥，在開始試驗前先冷卻至接近室溫。
11.2 在潮濕的環境下，試樣可能從空氣中吸收足夠的水氣而改變試驗結果。在這樣的例子中，應採用特殊的步驟以確保樣本不會在冷卻期間過度吸收水氣。

12. 步驟

12.1 所有資料記錄在"相對密度測定"表格中，如圖4(Ａ法)或圖5(Ｂ法)之最小指數單位重測定一節中。

12.2 根據表1選擇所需試模及澆注設備。
12.2.1 測定並記錄試模質量至最接近之0.01lbm 。
12.3 打碎烘乾集結成塊之土粒。
12.4 整個乾拌試樣使顆粒尺寸均勻分佈。
12.5 Ａ法一使用澆注器之最小指數單位重測定法:
12.5.1 用杓子把乾土樣放進試樣容器內；填充時小心地減少材料分離。
12.5.2 把澆注墳管貼近試樣容器。
12.5.3 拌合盤需夠大以容納試模及土樣表面多餘部份之修裁，拌合盤需放置於堅硬地面以免澆注及修裁過程中試模任何之移動。
12.5.4 手指握住澆注噴嘴翻轉使其垂直或近似垂直試模位置。
12.5.5 手指放開澆注噴嘴並允許土壤從澆注器穩定地流進試模內
[註4]:偶而，噴嘴發生阻塞。通常，這是材料膨脹引起。而材料膨脹是由於:(a)土壤水分，(b)土粒膠結或成塊，(C)角形顆粒。在狀況(a)及(b)的情況下，可由適當取樣及試體準備補救。假如是由阻塞是由角形顆粒，如碎屑、碎岩、熔渣等造成，則可使用比最大土粒遠大之澆注器來補救。除了特別使用外，注意標註澆注器在試驗資料表格上。
12.5.6 保持澆注噴嘴在土壤表面上，並維持1/2"至口之自由落距，或僅維持足夠高度讓土壤連續流動而不會接觸到已堆積之土壤上。
12.5.7 以近似螺旋狀路徑移動澆注器，從試模外壁到中央再回復至外側，以形成近乎均厚之層次。近似螺旋狀移動應使顆粒分離減至最小。
12.5.8 填滿試模高出其頂端或周緣土面所有點1/2"至1"(10至25mm)。
12.5.9 用直尺小心修裁土面，刮除多餘土壤，使其與試模邊緣成水平。
[註5]:填補及修平需特別小心，以避免震動試模或過度擾動土面，而引起土壤顆粒重新排列及沈陷。
12.5.10 假如需要再作一次，用直尺做第二次之刮平。
12.5.11 使用毛刷清除試模周緣或外部殘留之土壤。
12.5.12 輕敲試模邊，使試樣稍稍下陷，以確保土樣不會散落出試模外。
12.5.13 測定並記錄土樣及試模質量至最接近之0.01lbm。
12.5.14 記錄試模體積至最接近之0.0001ft³(檢測方法USBR1010)。
12.5.15 計算及記錄試模土樣質量至最小單位0.01lbm。
12.5.16 計算土樣乾密度至0.1lbm/ft³。
12.5.17 轉換12.5.6小節之乾密度值為乾單位重(改變lbm/ft³為lbf/ft³，假設lbm=lbf並記錄至0.1lb/ft³)。
12.5.18 清空試模並刷除殘留土樣。
12.5.19 重複12.1至12.5.17小節以獲得第二個乾單位重值。
12.5.20 藉由兩次單位重數值相除來測定其均一性，其比值需介於0.990至1.010間。假使沒有，重複上述步驟至連續兩次所獲得乾單位重值落在設定的容許範圍內。
12.5.21 選擇12.5.20小節中兩個乾單位重值之較小一個，記錄為最小指數單位重至其精確度為0.1lb/ft³。
12.5.22 假如需要可轉換12.5.21小節中之最小指數單位重為SI制，並記錄至最接近之0.02kN/m³。
[註6]:典型的最小指數單位重測定之填充土樣可用於最大指數單位重測定(乾法)中，而不用重填土樣於試模內。假使最大指數單位重(乾法)可被求出，應保留最後之試樣。
12.6 Ｂ法─使用手杓之最小指數單位重測定法:
12.6.1 單位重試模在拌合盤中之位置如12.5.3小節所述。
12.6.2 使用杓子將土樣置於模內，小心地減少材料分離。
12.6.3 盡可能鬆散放置土樣於模底或已堆積之土樣上。
12.6.4 允許土樣滑動而不致落下。假如需要可用手指拾起大顆粒以防止其滾落。放置土樣使其成為一均質體。
12.6.5 勿使試模內大小顆粒分離;這便於刮除或抹平，但不具有代表土壤之性質。
12.6.6 填充高度超出試模，但不超過模頂1in(25mm)。
12.6.7 對通過3/4"(19mm)篩之最大顆粒尺寸使用鋼尺及手指(需要時)來抹平土面。較最大顆粒尺寸還大之土壤，用手指去調整土面，以這樣的方式使顆粒稍微突出模頂以上與模頂面下之孔隙近似均衡。如有必要可用鋼尺決定平面(小心勿壓縮或擾動土壤)。如在平面上之土壤可被分割，則可見之突出部份應正好填滿孔隙。
12.6.8 使用刷子清除模緣或外側之殘留土壤。
12.6.9 依照12.5.13至12.5.17小節，計算並記錄乾單位重值。
12.6.10 重複12.1至12.4及12.6.1至12.6.9小節來獲得第二個乾單位重值。
12.6.11 依照12.5.20至12.5.22小節，測定並記錄最小指數乾單位重。

13. 計算

13.1 計算在最小指數單位重測定一節(圖4或5)之"相對密度測定"表格中。

14. 報告

14.1 報告包含完整之最小指數單位重測定一節(圖4或5)之"相對密度測定"表格中。
14.2 所有計算需做確定標記。

15.參考來源

"土壤最小指數密度試驗及相對密度計算法"，ASTM標準年鑑，D4254。

2016年12月8日星期四