無凝聚性土壤之最大指數單位重試驗法
Procedure for Determining the Maximum Index Unit Weight of Cohesionless Soil
相關資料連結
- E-12章 凝聚性土壤的相對密度
- USBR 5525 無凝聚性土壤之最小指數單位重試驗法
USBR5530-89
1.範圍
1.1 本法係利用電磁式之垂直震動桌來決定無凝聚性、自由排水土壤之最大指數單位重。1.2 兩種替代方法來決定。
1.2.1 乾法─使用烘箱烘乾土樣及電磁式之垂直震動桌。
1.2.2 濕法─使用濕土及電磁式之垂直震動桌。
1.3 當開始一新的試驗計畫或土壤種類改變時，或者最大指數單位重與最小指數單位重一起考慮會影響相對密度的計算值時，建議乾法及濕法均予試驗。因乾法可較快獲得結果，故較常使用之。假如濕法所做之最大指數單位重超過乾法所得單位重百分之二，則建議應該使用濕法。
1.4 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3in。
1.5 對多種自由排水、無凝聚性土壤，震動程序會引起中度的降級配(顆粒破碎)。當降級配發生時，常會增加所獲得之最大指數單位重，此時使用不同尺寸試模來試驗已知土壤可能無法獲得可比較之試驗結果。
[註1]:對於某些無凝聚性粉土或砂性輪上，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
2.1 依據USBR5250獲取試驗樣本。由USBR5530及USBR7250執行測定土樣之相對密度。2.2 最大指數單位重數值對震動桌產生之震幅很敏感。然而，震動桌必須依據USBR1440校正之。
3. 應用文件
3.1 USBR標準:- USBR1007 測微表校正。
- USBR1010 試模校正。
- USBR1012 磅秤或天平校正。
- USBR1020 烘箱校正。
- USBR1440 最大指數單位重試驗之震動桌校正。
- 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18in落距。
- USBR5510 試驗室土壤夯實試驗─Haward Miniature。
- USBR5515 含躒石之試驗室土壤夯實試驗。
- USBR5525 無凝聚性土壤之最小指數單位重試驗法。
- USBR7240 施工控制之快速施作法。
- USBR7250 相對密度試驗法。
4. 方法摘要
4.1 一已知無凝聚性、自由排水土壤之最大指數單位重測定，是藉由放置濕土或乾土於試模內，施加一21lbm/in2(14-kPa)之加載於土壤表面，然後使用電磁式震動桌垂直震動試模、土樣及加載。在60赫茲(Hz)頻率下震8分鐘，該震幅為具正弦時間垂直位移關係之0.013±0.002in(0.33±0.05mm)之雙重垂直震幅(尖峰至尖峰位移)。假如需要可烘乾土樣，然後藉由烘乾密實土質量除以其體積以計算最大指數密度。最後由最大指數密度計算出最大指數單位重。5. 意義及使用
5.1 最大指數單位重是一土樣處於最緊密壓實狀態之乾單位重，使用標準實驗室程序來減少顆粒分離及破碎。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，無凝聚性、自由排水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。USBR5525用於求得土壤於最鬆散狀態下之單位重。USBR7250用於求得相對密度百分比。
5.3 無凝聚性土壤之施工控制常常是基於土壤之相對密度百分比。
5.4 土壤的壓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15%。對這些土壤的施工控制而言，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壓實特性。對這些土壤的施工控制而言，夯實度是用來求得夯實的適當性 細料含量介於5%至15%約土壤，需使用試驗室夯實試驗及組合最小-最大指數單位重試驗是最恰當的。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.X1)。
6. 專門用語
6.1 依據USBR390O之定義，其特別意義之名詞有：6.1.1 相對密度(Dd)─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Dr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 |
| 0.1ft3試模 | 0.01 lbm | 50 lbm |
| 0.1ft3試模 | 0.01 lbm | 150 lbm |
| 特殊試模 | 0.01 lbm | 50 lbm |
7.1.3 乾燥烘箱─烘箱具有溫度調節裝氫較佳強力通風型之乾燥室，能維持均勻溫度230℉(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3-1/2"×6"；大杓子，近似一碗狀，大小為5-1/2"×7-1/2"。
7.1.5 吊重器─至少具有300-lbm(140-kg)起重能力之纜索或絞鏈。
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×16ft×2ft。(40cm×40cm×5cm)。
7.1.7 碼錶─可讀至1秒。
7.2 特殊儀器
7.2.1 試模
7.2.1.1 標準試模─標稱體積0.100ft3(2830cm3)及0.500ft3(14200cm3)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士1.5%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，內徑等於或大於2-3/4in(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 套筒─對每一尺寸試模有一套筒及鎖緊器之組合，或其他適合固定設備(參閱圖3及圖4)。
7.2.3 加載底鈑─對每一標準或特殊尺寸試模有一加載底鈑，其應符合圖5或圖2之要求。
7.2.4 加載質量─對每一尺寸試模有一加載質量。圖5是關於0.100ft3(2830cm3)及0.500ft3(14200cm3)試模之容忍誤差。對特殊試模維持相同的容忍誤差。如載底鈑及加載質量之總重應等於所用試模的2.00±0.02lbf/in2(13.8±0.1kPa)之加載壓力。對於特殊試模約加載重量可由單一金屬固體所組成。
7.2.5 加載底鈑把手─開始時放置，壓實完全隆移走加載底飯所使用之裝置。任何方便的彎鉤裝置也可應用。
7.2.6 震動桌(圖6)─震動桌應架設於混凝土地板或足夠大小及形狀之重塊上，使過度的震動不會傳遞到其他試驗區。震動桌之垂直震動平台，應具足夠的大小及剛性，使試驗時所用之組合試模能固定於剛性支承上。在試驗條件60±2Hz頻率及平均雙震幅(尖峰至尖峰位移)0.013±0.002in(0.33±0.05mm)下，一具正弦時間垂直位移關係之電磁式垂直震動桌能垂直震動組合試模。震動桌在頻率601Hz時，具有調整雙重震幅於0.005in(0.15mm)至0.013in(0.33mm)間之能力。
7.2.7 電磁式震動桌一電磁式震動桌應符合7.2.6小節之一般要求，而具有垂直震動之避震鋼製平台，其尺寸為30in×30in×3/8in(760mX760mX9.5m)，由淨重超過100lbm(45kg)之固體衝擊型之電磁式垂直震動桌敗動。震動桌應架設於至少95Olbm(430kg)之混凝土地板或平版上。
7.2.8 操縱器─適合電磁式震動桌使用之電子控制單元。此單元必須包含開關操作、可變電阻(rheostat)及整流器(rectifier)。此外，控制單元應設置有0至300伏特交流變壓計達至電源供應器側及0至15安培之安培計接至終端設備側。
7.2.9 測微器組合─使用來量測試樣容積之裝置。而此組合應包含2.000in或更大讀數之測微器，具有0.001in或更細範圍之刻畫;架設測微器支架使其支桿平行試模之垂直軸。此組合應配置有間隔環，需要時可用來延伸此組合範圍。
7.2.10 校正桿(圖6)─直的金屬桿約2"×12"×1/4"(50mm×300mm ×6mm)。
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7.2.12 鎖住螺栓─固定組合試模至震動桌之眼鉤螺栓。
7.2.13 測微計外殼─握住及保護測微計之外殼。
7.2.14 澆注器─某規格如USBR5525之7.2.2小節所示。
8. 防護
8.1 安全防護8.1.1 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。
8.1.2 在某種聲響環境下，使用震動桌可能產生不可接受之噪音。在這種情況存在的地區或聲響監測觀察還未辦理之地區，應使用適當的聽力保護裝置。此外，試驗人員應依照各個實驗室政策來遵守額外的個人安全要求。
8.2 技術防護
8.2.1 最大指數單位重數值對震動桌產生之震幅很敏感。而震動桌在使用前必須依據USBR1440校正之。在建議之變阻器設定下操作震動桌。
8.2.2 當使用濕法時，需小心練習放置試樣。土壤過濕可能引起顆粒分離及細料損失。密實土之級配應相似於試驗前之土壤。
8.2.3 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 假如本試驗所使用之土樣是依照USBR5525放置及試驗，則可依照13.3.4至13.3.19小節直接使用土樣，而不需額外準備一個。否則，依照下列步驟準備土樣。9.2 取樣準備─依照USBR5205準備具代表性之小於3in(75mm)部分之土樣。
9.3 試樣準備:
9.3.1 針對標準試模，依照表1要求，選擇適當數量材料土樣。
9.3.2 當使用特殊試模(參閱7.2.1.2小節)時，土樣必須百分之百通過3/4in(19mm)篩而停留在3/8in(9.5mm)篩小於10%。
9.3.3 假如採用乾法，需依據USBK5300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 | 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。- USER 1007 校正測微計
- USER 1010 校正試模
- USER 1012 校正磅秤及天平
- USER 1020 校正烘箱
- USER 1440 最大指數單位重試驗之震動桌校正
11. 條件
11.1 允許試樣如9.3.3小節一樣乾燥，在開始試驗(乾法)前先冷卻至接近室溫。11.1.1 在潮濕的環境下，烘乾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土樣不會在冷卻期間過度吸收水氣。
11.1.2 使用濕法時，烘乾土樣應加足夠水分或適當地從現地取出之濕土。盡可能減少分離地拌合土樣以使顆粒與含水量能均勻分佈。假如加水於乾土時，至少需浸至一個半小時。如水量應充分，使自由水不會累積至拌合盤上。
12. 儀器準備
12.1 由一組螺栓位置控制組合試模，使模頂端對齊套筒，組合模頂套筒及鎖住鎖緊器使套筒內壁與模內壁在一線上。鎖緊兩組固定螺栓之螺帽配置。鬆開螺栓使無固定螺帽，然後移走套筒。12.2 依照USBR1440之要求驗證震動桌是處於一良好的工作狀態。
13. 步驟
13.1 所有資料記錄在"相對密度測定"表格中，如圖7(乾法)或圖8(濕法)之最大指數單位重測定一節中。
13.2 根據表1選擇所需試模及放置設備。
13.2.1 測定並記錄試模質量至最接近之0.01mm。
13.3 乾法:
13.3.1 敲碎烘乾集結成塊之土垃。
13.3.2 整個乾拌試樣使顆粒尺寸均勻分佈。
13.3.3 依照USBR5525中12.5至12.5.12小節或12.6至12.6.8小節，基於最大土壤粒徑放置土樣於試模內。
13.3.4 將試模固定於震動桌上。
13.3.5 放置適當的加載底飯於土壤表面上，並輕輕的扭轉幾次，使其穩固並均勻地與土壤表面接觸。然後移走加載底飯把手。
13.3.6 將套筒穩固地套在試模上，並把適當地加載質量至於加載底飯上。如有需要可使用起重器。 13.3.7 依照USBR1440所測得試模組合之適當設定以設定震動控制器(可愛電阻器)-，以獲得於60Hz的頻率下，其垂直震動之雙震幅為0.013±0.002in(0.33±0.05mm)。
13.3.8 在60±2Hz的頻率下，震動試模組合及試樣8±1/4分鐘。然後從試模移走加載質量及套筒。檢查加載底飯是否穩固且均勻地與土壤表面接筠；注意，當壓邊緣時不會搖晃。如會搖晃應註明在資料表落上。
13.3.9 於參考支座放置測徵計組合。比較USBR1010建立之參考支座讀數與所獲得之讀數。如有需要可調整測微器。
13.3.10 刷除於加載底飯上之細料並記錄測微計讀數。於試模之每一引導支座上，安置測微計組合於加載底鉅之相對兩側(左或右)以獲得測微計讀數精度至0.001in。放置測微計組合使得引導支座與組合上之標記對齊。如圖7或圖8所示，記錄讀數。
13.3.11 從試模移走加載底鈑並從震動桌分開試模。在這步期間，應盡可能地防止聚在加載底鈑上及試模邊緣之任何細料掉入試模。假如這些細料的重量超過試樣總重的2%，測得的重量應在資料表格上註明。
13.3.12 測定並記錄試模質量及土樣至精度0.01 lbm。
13.3.13 記錄試樣在測微計零度之高度及每單位高度之容積(依照USBR1010測定)。
13.3.14 計算並記錄平均測徵計讀數至精度0.001in。
13.3.15 計算並記錄試樣高度至精度0.001in。
13.3.16 計算並記錄試樣容積於0.1ft3試模至精度0.0001ft3或0.5ft3試模至精度0.001ft3。
13.3.17 計算並記錄乾土重至精度0.01 lbm。
13.3.18 計算並記錄乾土密度至精度0.1lbm/ft3。
13.3.19 轉換13.3.18小節之乾密度值為乾單位重(改變 lbm/ft3 為lbf/ft3 ，假設 1 lbm=1 lbf)並記錄至精度為0.1 lbf/ft3。
13.4 濕法：
13.4.1 將試模固定於震動桌上。
13.4.2 整個拌合試樣以確保顆粒大小及含水量均勻分佈。
13.4.3 開敗震動桌，於低震幅下使用手杓緩慢地將濕土填滿試模。每次增加土樣，應使土壤表面累積少量之自由水(參閱註4)。假如沒有，可從海綿擠水，小容器澆水或其他方法加充足水分。在添加的過程中，花5至6分鐘震動，調整震幅以防止土壤過度的沸騰及鬆散。
[註4]:用手杓或其他工具或附有手把之加載平鉅輕敲土樣以使自由水移至土壤表面。
13.4.4 填土樣至低於模頂1/2in下。在震動的最後一分鐘內，浮於土壤表面上的水，盡可能使用預防工具移除。使用海綿、紙張或其他吸水材質移走多餘水分；然後關掉震動桌。
13.4.5 組合加載底飯、加載重及套筒如13.3.5與13.3.6所規定。
13.4.6 震動如13.3.7與13.3.8所規定之試模組合及試樣。震動後，從試模上移走加載塊及套筒。然後移走加載底鈑上及其周緣所出現之自由水與多餘土樣。
13.4.7 檢查測微計組合並依照13.3.9及13.3.10小節記錄測微計讀數。
13.4.8 從試模移走加載底飯並從震動桌分開試模，清除加載底飯底部之土粒於試模內。小心地清洗試模外面之所有土粒。然後擦乾試模外表。
13.4.9 測定並記錄試模質量及濕土漾至精度0.011bm，
13.4.10 從試模移走濕土樣，然後烘乾土樣並依照9.3.3小節測定含水量。確定清除試模內所有顆粒並置於潮濕試樣容器內。
[註5]:通常整個土樣是用來測定含水量。假如可以的語，依USBR52055之要求測定一具代表性土樣之含水量。
13.4.11 記錄試樣在測微計零度之高度及每單位高度之容積(依照USBR1010測定)。
13.4.12 計算並記錄試樣容積依照13.3.14至13.3.16小節。
13.4.13 計算並記錄濕土樣至精度 0.01lbm。
13.4.14 計算並記錄乾土重至精度 0.01lbm。
13.4.15 計算並記錄乾土密度至精度0.1lbm。
13.4.16 轉換13.4.15小節之乾密度值為乾單位重(改變 lbm/ft3 為 lbf/ft3 ，假設 1lbm=1lbf)並記錄至精度為0.1 lbf/ft3 。
13.5 選擇並記錄如"最大指數單位重"在13.3.19或13.4.16節所測定之適當乾單位重數值。如有需要，可轉換並記錄乾單位重至精度為0.02kN/m3 。
14.計算
14.1 本試驗法所使用之計算符號如下：- Rave=平均測微計讀數，in
- h0=零讀數時之試樣高度(從USBR1010)，in
- hs=試樣高度，in
- Vc=每單位高度之容積(從USBR1010)，ft3/in
- Vs=試樣容積，ft3
- m1=試樣及土壤重，lbm
- m2=試樣重，lbm
- ms=土樣重(濕或乾)，lbm
- md=乾土重，lbm
- w=含水量，%
- ρ=乾密度，lbm/ft3
- γd=乾單位重，lbm/ft3
- hs=h0+Rave ...............................................................(1)
- Vs=Vc*hs ...................................................................(2)
- ms=m1-m2 ...................................................................(3)
- md=ms，乾法...............................................................(4)
- md=ms/(1+w/100)，濕法.............................................(5)
- ρ=md/Vs .......................................................................(6)
- γd=ρd，in-lb 單位 .........................................................(7)
14.7.1 假如需要可轉換in-lb制之乾單位重為SI制。
單位重，kN/m3=0.1571 (kN/m3) / (lbf/ft3) × (單位重，lbf/ft3) ....(8)
15.報告
15.1報告包含完整之最大指數單位重測定一節(圖7或8)之"相對密度測定"表格。15.2所有計算需做確定標記。
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