Объемный вес песка средней крупности: Песок средней крупности удельный вес

Плотность горного песка

Таблица плотности песка

Плотность песка — один из ключевых параметров, который имеет решающее значение при вымешивании строительных растворов. От нее зависят пропорции компонентов, входящих в смесь. На плотность влияет технология добычи, форма частиц, тип примесей, а также их доля в общей массе.

К сведению. Горный песок — разновидность карьерного, полученного в результате измельчения скальных пород. Зерна имеют размер 0,15–4,5 мм, модуль крупности — в пределах 0,6–2,0. ГОСТ 8736-2014.

Виды плотности

Различают два вида плотности. Рассмотрим подробнее каждый вариант:

• Насыпная, при естественной влажности. Определяют как массу 1 м3 горного песка в естественном состоянии, без уплотнения. Так как учитывается объем воздуха между частицами, плотность крупнофракционного песка всегда ниже, чем мелкофракционного. В среднем составляет от 1400-1500 кг/м3 (крупные песчинки) до 1700-1800 кг/м3 (мелкие фракции).
• Истинная плотность, измеряется в г/см3. Это постоянная величина, определяемая химическими свойствами и структурой зерен. Согласно госту составляет 2-2,8 г/см3.

Для вычисления реального веса материала в конкретном объеме рассчитывают среднюю плотность с учетом влажности и пористости, в результате получают среднюю плотность, которая превышает насыпную и меньше, чем истинная. Она минимальна при влажности горного песка 5-7 %. Для повышения точности измерений их проводят несколько раз, после чего вычисляют среднее арифметическое.

Почему важно знать плотность горного песка

Плотность напрямую влияет на расход стройматериала при выполнении разных видов работ. При меньшей плотности расход песка по массе ниже. К примеру, если насыпная плотность равна 1500 кг/м3, для заполнения определенного объема потребуется меньше песка (по массе), чем при плотности 1800 кг/м3.

Важно! Учитывать надо не только плотность, но и пустотность, так как она сказывается на усадке при выполнении песчаной подушки или может привести к увеличению расходов на приобретение вяжущих компонентов для приготовления бетонной смеси. Увеличению плотности способствует повышение влажности или концентрации глинистых примесей — при их высоком содержании качество насыпного материала не самое лучшее.

Определение плотности

Методы измерения регламентируются ГОСТ 8735-88. Для вычисления плотности используют мерные сосуды из металла емкостью 1 дм3 (для просеянного сухого песка) и 10 дм3 (в естественном состоянии). Сосуды взвешивают в пустом и наполненном виде, после чего производит арифметические операции. В лабораторных условиях используют два метода определения плотности горного песка: пикнометрический и ускоренный.

Преимущества работы с нами

• Собственный автотранспорт

• Круглосуточная работа 24/7

• Оперативная доставка по Туле и области

• Качество по ГОСТу

• Напрямую с карьера

Удельный вес и плотность щебня фракций 5-20, 20-40 и 40-70

Щебень – это строительный камень, получаемый в результате измельчения горных пород, а также из пемз, кирпичей, отходов металлургического производства. От технических характеристик щебня зависит качество получаемого бетона, его марка и др. параметры, при этом очень важную роль играют удельный вес или насыпная плотность щебня.

От чего зависит плотность гранитного щебня?

Что такое плотность вещества известно из школьного курса физики – это отношение массы вещества к его объёму. Плотность гранита составляет 2600 кг/м3, однако, представленная ниже таблица плотности щебня основных фракций даёт иные показатели;

Таблица 1. Плотность (удельный вес) различных фракций щебня

Как видите, плотность щебня фракции 20-40 составляет 1,35 т/м3 или 1350 кг/м3 – почти в два раза меньше чем плотность гранита в недробленом состоянии. Столь большая разница образуется за счет воздушных прослоек, из-за чего собственно и введен показатель насыпной плотности. Большую роль играет фракция дробления – чем она мельче, чем выше показатель удельного веса. Поэтому плотность щебня 20-40, из-за меньшего количества воздушных прослоек выше, чем плотность щебня 40-70, крупнофракционного строительного камня. Также следует учитывать, что, плотность гранитного щебня указывается в сухом состоянии. 

Что же касается термина «удельный вес» то, под ним часто подразумевается плотность вещества, хотя, с точки зрения физики это разные понятия. Удельный вес – это отношение веса к объёму вещества. Из-за того, что на поверхности Земли вес практически равен массе, то и удельный вес равен плотности.  Соответственно удельный вес щебня 10-20 составляет 1,35 т/м3, т. е. 1350 кг в одном кубическом метре.

Есть и другие параметры, влияющие на насыпную плотность гранитного щебня:

• Вид и, соответственно, плотность породы из которого добывается щебень. Зависит от места добычи.
• Условия  хранения щебня.
• Форма или лещадность щебня.
• Процент водопоглощения.
• Влажность материала.

К примеру, в сухом состоянии  удельный вес щебня 20-40 по таблицам составляет 1,35 т/м3. При водопоглощении 0,5% его вес, соответственно, увеличится на данный показатель.

Значительно влияет и рельефность зерен щебня, его лещадность. Наиболее высокий показатель уплотнения имеют зерна кубовидной формы, содержащие до 15% игловатых и пластинчатых зерен. При большом содержании игольчатых и пластинчатых зерен плотность уменьшается. Такой щебень имеет наиболее высокую просадку и водопоглощение,  требует особых условий при хранении и транспортировке.

Важность показателя насыпной плотности щебня

При производстве бетона существует зависимость – чем выше насыпная плотность или, к примеру, удельный вес щебня фракции 20-40, тем меньше используется цемента. Параметр насыпной плотности важен для транспортировки и хранения – определения грузоподъёмности транспорта и вместительности склада. От точности информации зависят параметры полученного бетона, характеристики строительных конструкций, транспортные расходы. 

Для получения точного значения насыпной плотности проводятся лабораторные измерения. Так, например, чтобы определить удельный вес щебня 40-70 данным материалом заполняется определенная мера объёма, как правило, бочка объёмом до 50 литров. Взвешивание производится пустой и заполненной тары, разница показаний делится на объём. Полученный результат отражается в сертификатах сопровождающих  материал. 

Плотность определяет и после измельчения и высушивания единицы материала, что исключает наличие пустот. Так определяется реальная плотность щебня и его пористость. Например, если удельный вес щебня 5-20 составляет 1300 кг/м3, то полученный по данной методике результат будет составлять порядка 2500 кг/м3. 

Можно и самостоятельно определить примерную насыпную плотность щебня, для чего необходима любая емкость, объём которой либо хорошо известен, либо легко определяется путем умножения длины на ширину и на высоту. Далее, как и в лаборатории, тара взвешивается пустой и заполненной материалом, полученная разница составляет чистый вес щебня. Полученный результат необходимо разделить на объем, и вы узнаете примерный удельный вес материала. Более точный результат дают только лабораторные исследования.

Глава 5 — NHI-05-037 — Geotech — Мосты и конструкции

Справочное руководство по геотехническим аспектам дорожных покрытий

Глава 5.0 Геотехнические данные для проектирования дорожного покрытия

5.1 Введение

В этой главе описывается определение конкретных геотехнических данных, необходимых для проектирования гибких и жестких покрытий. Хотя здесь основное внимание уделяется исключительно геотехническим данным, очевидно, что для проектирования дорожного покрытия требуется много другой важной информации, включая характеристики движения, свойства материала для слоев связанного асфальта и / или портландцемента, желаемую надежность и другие детали.Эти исходные данные обычно предоставляются другими организациями, а не геотехнической группой.

Большинство входных данных, описанных в этой главе, относятся к свойствам материала несвязанных слоев дорожного покрытия и грунта земляного полотна. Другие необходимые входные данные включают геометрическую информацию, такую ​​как толщина слоя, но они, как правило, не требуют пояснений и здесь не обсуждаются. Вклады в окружающую среду / климат также рассматриваются в этой главе. Хотя эти исходные данные не являются «геотехническими» сами по себе, они напрямую влияют на поведение несвязанных материалов через их влияние на содержание влаги и циклы замораживания / оттаивания.Кроме того, во многих агентствах группа, ответственная за определение входных данных для окружающей среды, плохо определена, и поэтому эта ответственность может быть возложена на инженерно-геологическую группу.

При рассмотрении материала в этой главе руководствуемся несколькими соображениями:

• Обрабатываются только явные проектные данные. Как описано в главе 3, могут быть другие геотехнические проблемы (, например, , устойчивость откоса насыпи), которые могут оказать значительное влияние на характеристики покрытия, но которые не учитываются явно в процессе проектирования покрытия.
• Измеренные входные параметры для конкретного проекта часто недоступны во время проектирования, особенно для предварительного проектирования. Особенно это касается свойств материала. Следовательно, в этой главе большое внимание уделяется «типичным» значениям и / или эмпирическим корреляциям, которые можно использовать для оценки исходных данных проекта. Эти оценки могут использоваться для предварительного проектирования, исследования чувствительности и других целей. Ясно, однако, что для окончательного проектирования предпочтительнее измеренные значения для конкретного проекта.
• Многие исходные данные о свойствах материала могут быть определены лабораторными или полевыми испытаниями. Полевые испытания рассматриваются в главе 4, и соответствующие ссылки на материалы главы 4 включены здесь, где это уместно.
• В данной главе делается попытка уравновесить охват между текущим эмпирическим Руководством по проектированию AASHTO 1993 г. и предстоящим механистически-эмпирическим подходом к проектированию NCHRP 1-37A (далее именуемым Руководством по проектированию NCHRP 1-37A). Несмотря на то, что геотехнические данные, требуемые этими двумя подходами к проектированию, частично совпадают ( e.г. , модуль упругости земляного полотна) имеются существенные отличия. Входные данные для Руководства AASHTO 1993 года меньше по количеству и в основном являются эмпирическими (, например, , коэффициенты дренирования слоя), в то время как входные данные для Руководства NCHRP 1-37A более многочисленны и фундаментальны ( например, , гидравлическая проводимость в зависимости от содержания влаги). связи).
• В этой главе описаны только проектные данные. В случаях, когда требуется некоторый промежуточный анализ для определения исходных данных проекта ( e.г. , эффективный модуль реакции земляного полотна в Руководстве 1993 г. — см. Раздел 5.4.6), здесь также описывается методология анализа. Использование исходных данных в общих проектных расчетах описано отдельно в Приложениях C и D к Руководствам по проектированию 1993 г. и NCHRP 1-37A, соответственно.

Одним из следствий всего вышесказанного является то, что эта глава довольно длинная; это необходимо для обеспечения достаточного охвата всех разнообразных геотехнических данных, требуемых двумя процедурами проектирования.Сначала резюмируются геотехнические данные, требуемые Руководствами по проектированию AASHTO и NCHRP 1-37A 1993 года (раздел 5.2). Затем геотехнические данные подробно описываются по категориям. Ниже приводится дорожная карта разделов этой главы, в которых описываются различные категории входных данных для геотехнического проектирования:

• 5.2 НЕОБХОДИМЫЕ ГЕОТЕХНИЧЕСКИЕ ВХОДЫ
  • 5.2.1 1993 Руководство по проектированию AASHTO
  • 5.2.2 Руководство по проектированию NCHRP 1-37A
  • 5.2.3 Другие геотехнические свойства
• 5.3 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
  • 5.3.1 Соотношение веса и объема
  • 5.3.2 Определение физических свойств
  • 5.3.3 Идентификация проблемной почвы
  • 5.3.4 Другие совокупные тесты
• 5.4 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
  • 5.4.1 Калифорния передаточное число (CBR)
  • 5.4.2 Стабилометр (значение R)
  • 5.4.3 Модуль упругости (упругости)
  • 5.4.4 Коэффициент Пуассона
  • 5.4.5 Коэффициенты структурного слоя
  • 5.4.6 Модуль реакции грунтового основания
  • 5.4.7 Трение интерфейса
  • 5.4.8 Характеристики остаточной деформации
  • 5.4.9 Коэффициент бокового давления
• 5.5 ТЕРМО-ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
  • 5.5.1 1993 Руководство AASHTO
  • 5.5.2 Руководство по проектированию NCHRP 1-37A
• 5.6 ВХОДЫ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ / КЛИМАТА
  • 5.6.1 1993 Руководство AASHTO
  • 5.6.2 Руководство по проектированию NCHRP 1-37A

Глава завершается разделом, описывающим разработку окончательных проектных значений для каждого входа при наличии нескольких оценок, например, , свойства материала измеряются как в полевых условиях, так и в лаборатории. Большинство исходных данных дизайна также демонстрируют значительную пространственную, временную и внутреннюю изменчивость. Все эти проблемы должны быть согласованы, чтобы разработать обоснованные входные значения для использования в окончательном проекте покрытия.

5.2 Требуемые геотехнические данные

5.2.1 1993 Руководство по проектированию AASHTO

Как описано ранее в главе 3, руководство AASHTO по проектированию дорожного покрытия претерпело изменения в нескольких версиях за более чем 40 лет после проведения дорожных испытаний AASHO. Текущая версия — Руководство 1993 года. Геотехнические данные, необходимые для проектирования гибкого покрытия с использованием Руководства 1993 г., сведены в Таблицу 5-1. Также показаны перекрестные ссылки на разделы данного руководства, в которых описывается определение соответствующих геотехнических данных.Как ранее описывалось в главе 3, геотехнические данные для Руководства 1986 года идентичны таковым для Руководства 1993 года. Обратите внимание, что значения толщины D _и для несвязанных слоев включены в качестве геотехнических данных для гибкого покрытия в Таблице 5-1; хотя они обычно считаются выходными данными проекта (, т. е. , определяется из SN и других определенных входных данных), могут быть случаи, когда толщина слоя фиксирована и для которых дизайн затем фокусируется на выборе материалов слоев, имеющих достаточную конструктивную способность. .

Примечание: Дополнительные наборы свойств слоев (E _i , m _i , D _i ) требуются, если в конструкции дорожного покрытия более двух несвязанных слоев (за исключением естественного земляного полотна) .

Геотехнические данные, необходимые для проектирования жесткого покрытия с использованием Руководства 1993 г., сведены в Таблицу 5-2. Опять же, эти входные данные идентичны входным данным для Руководства 1986 года. Первые пять свойств в таблице 5-2 используются для определения эффективного модуля реакции земляного полотна k в методике Руководства 1993 года.Геотехнические данные, необходимые для проектирования жесткого покрытия с использованием дополнительного альтернативного подхода в приложении 1998 года, такие же, как и для подхода 1993 года; в приложении 1998 г. изменена только процедура анализа.

Последние шесть параметров в обеих таблицах — это параметры окружающей среды, требуемые Руководством 1993 года для определения потери эксплуатационной пригодности из-за набухания обширных грунтов земляного полотна и морозного пучения. Хотя это не геотехнические параметры в строгом смысле слова, пагубные эффекты набухания и морозного пучения сосредоточены в земляном полотне и других несвязанных слоях и, таким образом, являются важными геотехническими аспектами конструкции дорожного покрытия.

5.2.2 NCHRP 1-37A Руководство по проектированию

Механистически-эмпирическая методология, лежащая в основе Руководства по проектированию NCHRP 1-37A, требует значительно большего количества исходной информации, чем требуется для процедур эмпирического проектирования в Руководстве AASHTO 1993 года. Эти исходные данные также имеют тенденцию быть более фундаментальными величинами по сравнению с часто эмпирическими входными данными в Руководстве 1993 года. Это понятно, учитывая существенные различия между механистически-эмпирическими и эмпирическими методологиями проектирования.

Иерархический подход к проектированию входных данных

Уровень проектных работ в любом инженерном проектировании должен быть соизмерим со значимостью разрабатываемого проекта.Маломощные второстепенные дороги не требуют — а у большинства агентств нет ресурсов для обеспечения — такого же уровня проектных усилий, как и городские основные дороги большого объема.

Признавая эту реальность, был разработан иерархический подход для определения входных данных для проектирования дорожного покрытия в Руководстве по проектированию NCHRP 1-37A. Иерархический подход основан на философии, согласно которой уровень инженерных усилий, приложенных для определения исходных данных, включая значения свойств материалов, должен соответствовать относительной важности, размеру и стоимости дизайн-проекта.В Руководстве NCHRP 1-37A:

• Входные данные уровня 1 обеспечивают наивысший уровень точности и самый низкий уровень неопределенности. Исходные данные Уровня 1 обычно используются для проектирования тротуаров с интенсивным движением или там, где есть серьезные безопасные или экономические последствия раннего отказа. Исходные материалы Уровня 1 требуют лабораторной или полевой оценки, такой как испытание модуля упругости или испытание на неразрушающий прогиб. Входные данные уровня 1 требуют больше ресурсов и времени для получения, чем другие более низкие уровни.
Входные данные
• Уровня 2 обеспечивают промежуточный уровень точности и наиболее близки к типичным процедурам, используемым в более ранних версиях Руководства по проектированию дорожных покрытий AASHTO. Этот уровень может использоваться, когда ресурсы или испытательное оборудование недоступны для характеристики Уровня 1. Входные данные Уровня 2 обычно получаются из ограниченной программы тестирования или оцениваются с помощью корреляций или опыта (возможно, из базы данных агентства). Модуль упругости, оцененный на основе корреляций с измеренными значениями CBR, является одним из примеров входящего материала Уровня 2.
• Входы уровня 3 обеспечивают самый низкий уровень точности. Этот уровень может использоваться для проектов, в которых есть минимальные последствия раннего отказа (, например, , дороги с низкой интенсивностью движения). Материальные затраты Уровня 3 обычно представляют собой значения по умолчанию, основанные на опыте местного агентства. Модуль упругости по умолчанию, основанный на классе грунта AASHTO, является примером входящего материала Уровня 3.

Хотя интуитивно понятно, что исходные данные более высокого уровня (, т. Е. , более высокое качество) обеспечат более точные оценки характеристик покрытия, текущее состояние конструкции покрытия и ограниченную доступность исходных данных уровня 1 затрудняют количественную оценку этих преимуществ в настоящее время.Единственным исключением из этого правила является прогноз термического растрескивания в Руководстве по проектированию NCHRP 1-37A. Полные данные о свойствах материалов и окружающей среде Уровня 1 были получены в рамках программ стратегических исследований автомагистралей США и Канады примерно для 35 участков дорожного покрытия на севере США и в Канаде. Прогнозы термического растрескивания были сделаны на основе этих материалов Уровня 1, а также свойств материала Уровня 3 по умолчанию. Рисунок 5-1 суммирует различия между прогнозируемым и наблюдаемым термическим растрескиванием в единицах линейных футов трещин на 500 футов длины дорожного покрытия для каждого из полевых участков на основе входных материалов Уровня 1; Рисунок 5-2 суммирует те же результаты, основанные на материальных затратах Уровня 3.Сравнение этих двух рисунков ясно показывает, что более качественные материалы Уровня 1 значительно сокращают разброс между прогнозируемым и наблюдаемым растрескиванием.

Рисунок 5-1. Прогнозирование термических трещин из Руководства по проектированию NCHRP 1-37A с использованием материалов уровня 1.

Рисунок 5-2. Прогнозирование термических трещин из Руководства по проектированию NCHRP 1-37A с использованием материалов 3-го уровня.

Входные данные проектирования в методологии NCHRP 1-37A могут быть указаны с использованием сочетания уровней для любого данного проекта.Например, модуль разрыва бетонного поверхностного слоя может быть задан в качестве входных данных Уровня 1, в то время как спектры транспортной нагрузки определяются с использованием подхода Уровня 2, а модуль упругости земляного полотна — с помощью оценки Уровня 3, основанной на классе грунта земляного полотна. Вычислительные алгоритмы и модели бедствия в Руководстве по проектированию NCHRP 1-37A (см. Приложение D) применяются одинаково независимо от входных уровней. Однако входные данные более высокого уровня неявно повышают точность и надежность прогнозируемых характеристик покрытия.

Таким образом, преимущества иерархического подхода к материалам и другим входным данным проекта заключаются в следующем:

• Это дает инженеру большую гибкость в выборе инженерного подхода, соответствующего размеру, стоимости и общей важности проекта.
• Это позволяет каждому агентству разработать первоначальную методологию проектирования в соответствии с его внутренними техническими возможностями.
• Это очень удобный метод для постепенного повышения со временем технических навыков и опыта внутри организации.
• По сути, он обеспечивает наиболее точный и экономичный дизайн, соответствующий финансовым и техническим ресурсам агентства.

Требуемые геотехнические данные

Геотехнические материалы для Руководства по проектированию NCHRP 1-37A сгруппированы по следующим категориям:

• Механические свойства , которые используются в расчетной модели для связи приложенных структурных нагрузок с реакцией конструкции (Таблица 5-3 и Таблица 5-4).
• Термогидравлические вводы , которые используются для соотнесения влияния окружающей среды с тепловым и гидравлическим состоянием системы (Таблица 5-5).
• Модель бедствия Свойства, которые входят непосредственно в эмпирические модели характеристик покрытия (Таблица 5-6).

Как описано ранее, Руководство по проектированию NCHRP 1-37A предусматривает три различных иерархических уровня качества входных данных: уровень 1 (высший), уровень 2 (промежуточный) и уровень 3 (низший). Для любого заданного входного параметра могут потребоваться разные свойства для входов Уровня 1, Уровня 2 и Уровня 3. Например, для оценки модуля упругости земляного полотна на Уровне 1 для нового строительства требуются свойства, измеренные в лаборатории, тогда как для Уровня 2 вместо этого требуются CBR или другие аналогичные свойства индекса, а для Уровня 3 требуется только класс грунта AASHTO или USCS.Иерархические уровни для каждого геотехнического входа включены в таблицы с 5-3 по 5-6. Руководство NCHRP 1-37A рекомендует использовать для проектирования наилучшие доступные данные (самый высокий уровень входных данных). Однако не требуется одинаковый уровень качества для всех входных данных в проекте.

1. Оценки M _R и ν также необходимы для неглубоких коренных пород.
2. Только для проектов нового строительства / реконструкции.
3. В первую очередь для реабилитационных конструкций.
4. Для уровня 2 M _R можно оценить напрямую или определить из корреляций с одним из следующих значений: CBR ; R ; а _и ; DCP ; или PI и P200 .
5. Только для несвязанных слоев основания и подосновы.

1. Оценки M _R и ν также требуются для неглубоких коренных пород в новых / реконструируемых проектах.
2. Из испытаний FWD для реабилитационных проектов. Для новых / реконструируемых проектов k _dynamic определяется из оценок Уровня 2 M _R .
3. Для Уровня 2, M _R можно оценить напрямую или определить из корреляций с одним из следующих: CBR ; R ; а _и ; DCP ; или PI и P200 .

5.2.3 Прочие геотехнические свойства

В дополнение к явным проектным данным, перечисленным в Таблице 5-1 и Таблице 5-2 для Руководства AASHTO 1993 г. и Таблицы 5-3 — Таблицы 5-6 для Руководства NCHRP 1-37A, при укладке дорожного покрытия обычно требуются другие геотехнические свойства. проектирование и строительство. К ним относятся стандартные свойства, необходимые для идентификации и классификации почвы, контроля уплотнения и контроля качества / контроля качества в полевых условиях.

5.3 Физические свойства

«Физические свойства» дают самое общее описание несвязанных материалов.Эти свойства также часто используются в корреляциях для более фундаментальных инженерных свойств, таких как жесткость или проницаемость. Основными интересующими физическими свойствами являются удельный вес твердых тел, содержание воды, удельный вес (плотность), характеристики градации, пластичность (пределы Аттерберга), классификация и характеристики уплотнения.

5.3.1 Соотношение веса и объема

Перед описанием различных методов испытаний грунтов полезно ознакомиться с некоторыми общепринятыми терминами механики грунтов и основными соотношениями веса и объема.Для получения дополнительных сведений обратитесь к учебникам по основам механики грунтов.

Образец почвы представляет собой многофазный материал, состоящий из твердых зерен почвы, воды и воздуха (рис. 5-3). Вес и объем образца почвы зависит от удельного веса зерен почвы (твердых частиц), размера пространства между зернами почвы (пустоты и поры) и количества пустот, заполненных водой (содержание влаги и степень увлажнения). насыщенность). Общие термины, связанные с отношениями массы и объема, показаны в Таблице 5-7.Особо следует отметить коэффициент пустотности е, который является общим показателем относительной прочности и сжимаемости образца грунта; , то есть , низкие отношения пустот обычно указывают на сильные грунты с низкой сжимаемостью, в то время как высокие отношения пустот часто указывают на слабые и сильно сжимаемые грунты. Выбранные соотношения вес-объем (удельный вес) представлены в Таблице 5-8. Типичные значения пористости, пустотности, содержания воды и удельного веса представлены в Таблице 5-9 для ряда типов почв.

Рисунок 5-3. Связь между объемом и массой / массой насыпного грунта (McCarthy, 2002).

1. F = Сила или вес; L = длина; D = безразмерный.Хотя по определению содержание влаги представляет собой безразмерную фракцию (отношение веса воды к весу твердых веществ), обычно оно выражается в процентах путем умножения фракции на 100.

Примечание: γ _w = 9.8 кН / м ³ (62,4 фунт-фут) для пресной воды.

5.3.2 Определение физических свойств

Лабораторные и полевые методы (где применимо) для определения физических свойств несвязанных материалов в системах дорожного покрытия описаны в следующих подразделах и таблицах.Также приведены типичные значения для каждого свойства. По физическим свойствам почвы разделены на следующие категории:

• Объемные характеристики
  • Удельный вес (Таблица 5-10)
  • Содержание влаги (Таблица 5-11)
  • Масса устройства (Таблица 5-12)
• Уплотнение
  • Испытания на уплотнение по Проктору (Таблица 5-13)
• Градация
  • Механический ситовый анализ (Таблица 5-19)
  • Анализ ареометра (Таблица 5-20)
• Пластичность
  • Пределы Аттерберга (Таблица 5-21)

Градация и пластичность являются основными определяющими факторами для инженерной классификации почв с использованием либо AASHTO, либо унифицированной системы классификации почв.Классификация почв описана в рамках геологоразведочных работ в Разделе 4.7.2.

Выявление проблемных почв ( например, , обширные глины) обычно основывается на их физических свойствах; эта тема рассматривается в конце этого раздела. Также кратко описаны другие дополнительные испытания, обычно используемые для контроля качества заполнителей, используемых в базовом и нижнем слоях, а также в асфальте и портландцементном бетоне.

Объемные свойства

При проектировании и строительстве дорожного покрытия наибольший интерес представляют следующие объемные характеристики:

• Удельный вес (Таблица 5-10)
• Содержание влаги (Таблица 5-11)
• Масса устройства (Таблица 5-12)

Уплотнение

Уплотнение почвы — одна из важнейших геотехнических проблем при строительстве дорожных покрытий и связанных с ними насыпей и насыпей. Уплотнение во многих отношениях улучшает инженерные свойства грунтов, в том числе:

• повышенной упругой жесткости, что снижает кратковременные упругие деформации при циклическом нагружении.
• снижает сжимаемость, что снижает вероятность чрезмерной длительной осадки.
• повышенной прочности, что увеличивает несущую способность и снижает возможность нестабильности (, например, , для склонов).
• уменьшена гидравлическая проводимость (проницаемость), что препятствует прохождению воды через почву.
• снижает коэффициент пустотности, что снижает количество воды, которая может удерживаться в почве, и, таким образом, помогает поддерживать желаемые свойства прочности и жесткости.
• снижена эрозионная стойкость.

Уплотнение обычно количественно выражается в единицах эквивалентной сухой массы γ _d грунта как меры количества твердых материалов, присутствующих в единице объема. Чем больше твердых материалов, тем прочнее и устойчивее будет грунт. Стандартные лабораторные испытания (таблица 5-13) включают уплотнение нескольких образцов при разном содержании воды ( w ). Общий удельный вес ( γ _т ) и содержание воды измеряются для каждого уплотненного образца.Эквивалентный сухой вес единицы затем вычисляется как:

Если удельный вес твердых частиц G _s известен, уровень насыщения ( S ) и коэффициент пустотности ( e ) также можно определить с использованием следующих двух идентификаторов:

G _s w = S e

Пары эквивалентного сухого веса vs.Значения влагосодержания нанесены на график зависимости влажности от плотности на кривой уплотнения, как показано на Рисунке 5-4. Кривые уплотнения обычно демонстрируют четко выраженный пик, соответствующий максимальной массе сухой единицы ( (γ _d ) _max ) при оптимальном содержании влаги ( w _opt ). Хорошей практикой является нанесение кривой нулевых воздушных пустот ( ZAV ), соответствующей 100-процентному насыщению, на график плотности влажности (см. Рисунок 5-4). Измеренная кривая уплотнения не может упасть выше кривой ZAV, если был использован правильный удельный вес.Пиковая или максимальная масса сухой единицы обычно соответствует уровням насыщения от 70 до 85 процентов.

Рисунок 5-4. Типичное соотношение влажности и плотности при стандартном испытании на уплотнение.

Относительное уплотнение ( C _R ) — это отношение (выраженное в процентах) плотности уплотненного или естественного грунта на месте к максимальной плотности, достигаемой в заданном испытании на уплотнение:

e.г. , 95%) при строительстве или подготовке фундаментов, оснований, оснований и оснований дорожных одежд и насыпей. Требования к содержанию влаги в уплотнении относительно оптимального содержания влаги также могут быть включены в спецификации по уплотнению. Конструкция и выбор методов улучшения характеристик прочности и жесткости отложений во многом зависят от относительного уплотнения.

Относительная плотность ( DR ) (ASTM D 4253) часто является полезным параметром при оценке технических характеристик зернистых грунтов.Это определяется как:

_{и e max — минимальные и максимальные значения коэффициента пустотности для почвы. Относительная плотность также может быть выражена в единицах веса в сухом состоянии:}

В таблице 5-14 представлена ​​классификация по относительной плотности почвы плотность для сыпучих грунтов.

1. На основе стандартного Проктора (AASHTO T 99).
2. Данным материалам требуется особое внимание к дизайну и конструкции.
3. Уплотнение при содержании влаги в пределах 2% от оптимального.

Градация

Градация, или распределение размеров частиц в почве, является важным описательным признаком почв. Почва текстурная ( например, , гравий, песок, илистая глина и т. Д.) и инженерная (см. раздел 4.7.2) классификации основаны в значительной степени на градации, и многие инженерные свойства, такие как проницаемость, прочность, потенциал набухания и восприимчивость к действию мороза, тесно связаны с параметрами градации. Градация измеряется в лаборатории с помощью двух тестов: механического ситового анализа для песка и более крупной фракции (Таблица 5-19) и теста с использованием ареометра для ила и более мелкого глинистого материала (Таблица 5-20).

Градация определяется процентным содержанием (чаще всего по весу) почвы, которая мельче, чем заданный размер («процент прохождения») по сравнению сразмер зерна. Градация иногда альтернативно выражается в процентах грубее, чем данный размер зерна. Характеристики градации также выражаются в параметрах D _n , где D является наибольшим размером частиц в n процентах самой мелкой фракции почвы. Например, D ₁₀ — это наибольший размер частиц в 10% самой мелкой фракции почвы; D ₆₀ — это частицы самого большого размера в 60% самой мелкой фракции почвы.

Рисунок 5-5. Лабораторные сита для механического анализа гранулометрического состава. Показаны (справа налево) сита № 3/8 ​​дюйма. (9,5 мм), № 10 (2,0 мм), № 40 (250 мкм) и №200 (750 мкм) и примерный размер частиц почвы, включая (справа налево): средний гравий, мелкий гравий, средне-крупный песок, ил и сухую глину (каолин).

Рисунок 5-6. Аппарат почвенного ареометра (http://www.ce.siue.edu/).

Рисунок 5-7. Репрезентативные гранулометрические составы для нескольких типов почв.

Пластичность

Пластичность описывает реакцию почвы на изменения содержания влаги. Когда добавление воды в почву меняет ее консистенцию с твердой и жесткой на мягкую и податливую, считается, что почва проявляет пластичность.Глины могут быть очень пластичными, илы лишь слегка пластичны, а песок и гравий не пластичны. Для мелкозернистых грунтов инженерное поведение часто более тесно связано с пластичностью, чем с градацией. Пластичность — ключевой компонент AASHTO и Единой системы классификации почв (раздел 4.7.2).

Пластичность почвы количественно определяется в рамках пределов Аттерберга. Как показано на Рисунке 5-8, предельные значения Аттерберга соответствуют значениям влажности, при которых консистенция почвы изменяется по мере ее постепенного высыхания от жидкого навоза:

• Предел жидкости ( LL ), который определяет переход между жидким и пластическим состояниями.
• Предел пластичности ( PL ), который определяет переход между пластическим и полутвердым состояниями.
• Предел усадки ( SL ), который определяет переход между полутвердым и твердым состояниями.
• Обратите внимание на рис. 5-8, что общий объем почвы изменяется по мере ее высыхания до достижения предела усадки; высыхание ниже предела усадки не приводит к дополнительному изменению объема.

Важно понимать, что пределы Аттерберга не являются фундаментальными свойствами материала.Скорее их следует интерпретировать как значения индекса, определенные стандартизированными методами испытаний (таблица 5-21).

Рисунок 5-8. Изменение общего объема и плотности почвы с изменением содержания воды для мелкозернистой почвы (из McCarthy, 2002).

Рисунок 5-9. Устройство для проверки предела жидкости.

5.3.3 Идентификация проблемной почвы

Два особых условия, которые часто необходимо проверять для естественных грунтов земляного полотна, — это возможность набухания глин (Таблица 5-23) или просадочных илов (Таблица 5-25).

Набухающие почвы демонстрируют большие изменения объема почвы при изменении влажности почвы. Потенциал объемного набухания почвы зависит от количества глины, ее относительной плотности, влажности и плотности уплотнения, проницаемости, местоположения уровня грунтовых вод, наличия растительности и деревьев, а также нагрузки на перекрывающие породы.Потенциал набухания также зависит от минералогического состава мелкозернистых грунтов. Монтмориллонит (смектит) обладает высокой способностью к набуханию, иллит имеет характеристики набухания от незначительных до умеренных, а каолинит почти не проявляет их. Одномерный тест на потенциал набухания используется для оценки давления набухания и набухания в процентах, создаваемых набухающими грунтами (таблица 5-23).

Складывающиеся грунты демонстрируют резкие изменения прочности при приближении влажности к насыщению.В сухом состоянии или при низкой влажности просыпающиеся грунты создают вид устойчивых отложений. При высоком содержании влаги эти почвы разрушаются и внезапно уменьшаются в объеме. Рыхлые почвы чаще всего встречаются в лессовых отложениях, которые сложены ветровыми илами. Другие разрушающиеся отложения включают остаточные почвы, образовавшиеся в результате удаления органических веществ путем разложения или выщелачивания определенных минералов (карбоната кальция). В обоих случаях нарушенные пробы, взятые из этих отложений, будут классифицированы как ил.Лесс, в отличие от других несвязных грунтов, до насыщения будет стоять почти на вертикальном склоне. Он имеет низкую относительную плотность, малую удельную массу и высокий коэффициент пустотности. Одномерный тест на потенциал обрушения используется для определения разрушающихся грунтов (Таблица 5-25).

* На основе нагрузки 6.9 кПа (1 фунт / кв. Дюйм).

5.3.4 Другие совокупные тесты

Существует широкий спектр других испытаний механических свойств, которые проводятся для измерения качества и долговечности заполнителей, используемых в качестве подстилок и оснований в системах дорожного покрытия, а также в качестве составных частей асфальта и портландцементного бетона. Эти другие совокупные тесты приведены в Таблице 5-26. Дополнительную информацию можно найти в справочнике The Aggregate Handbook , опубликованном Национальной каменной ассоциацией (Barksdale, 2000).Недавнее исследование NCHRP предоставляет дополнительную полезную информацию об испытаниях заполнителей, используемых в несвязанных слоях дорожного покрытия (Saeed, Hall, and Barker, 2001).

Плотность частиц — обзор

4.3 Осаждение частиц путем осаждения

Если плотность частиц отличается от плотности жидкости (и предполагается, что она больше), то частицы будут оседать в направлении силы тяжести. Скорость осаждения мелких частиц в разбавленных суспензиях, V _t , может быть аппроксимирована законом Стокса:

(4.21) Vt = 29ap2g (ρp − ρ) μ

Для модели изолированной сферы -эффективность коллектора, связанная с седиментацией, (η _s ) _G , составляет

(4.22) (ηs) G = (Vt) (πac2) c∞ (πac2) U∞c∞ = 2ap2g (ρp − ρ) 9μU∞ = NG

Другими словами, (η _s ) _G задается по гравитационному параметру N _G , который определяется с использованием U _∞ в качестве характеристической скорости. Эффективность сбора, η _G , на основе модели Хаппеля и модели суженной трубки составляет

Для модели Хаппеля η _G задается как

(4.23a) ηG = (Vt) (πac2) cus (πb2) ) c = 2ap2g (ρp − ρ) ac29μusb2 = (1 − ɛ) 2 / 3NG

, где N _G определяется с использованием u _s в качестве характеристической скорости.

Для модели с суженной трубкой N _G задается как

(4.23b) ηs = (Vt) (π4) (dmaxi2 − dci2) qi = (π4) 〈dc3〉 〈dci3〉 Ncdci2 [ (ɛ (1 − Swi) 〈dg3〉 (1 − ɛ) 〈dc3〉) 2 / 3−1] NG

для i -го типа суженной трубы и N _G определяется с использованием u _s в качестве характеристической скорости.

Несколько исследователей (Paretsky, 1982; Thomas and Yoder, 1956; Gebhart et al., 1973) также получили эффективность коллектора для чистых гранулированных сред в условиях, когда гравитационный эффект был доминирующим (т.е., низкие скорости газа и крупные аэрозольные частицы). Парецкий, основываясь на своих данных, а также на данных Томаса и Йодера, предложил следующие корреляции для эффективности одного коллектора из-за гравитации (η _s ) _G

(4.24a) (ηs) G ↑ = 0,0375NG1 / 2

(4,24b) (ηs) G ↓ = (ηs) G ↑ + 0,21NG0,78

где стрелки, ↑ и ↓ обозначают направление потока вверх или вниз соответственно. (Предполагается, что сила тяжести направлена ​​вниз.) Два приведенных выше выражения [а именно, уравнения (4.24a) и (4.24b)] отличаются от приведенных ранее. На рис. 4.6 эти выражения сравниваются с некоторыми экспериментальными данными. Понятно, что хотя три выражения дают совершенно разные результаты, значения (η _s ) _G в большинстве случаев относительно малы. С практической точки зрения, возможно, не имеет большого значения, какое выражение использовать.

Рис. 4.6. Значения (η _с ) _G по сравнению с N _G (прогнозы и экспериментальные значения).

Анализ размера зерен и испытание на максимальную и минимальную плотность в сухом состоянии песка Ottawa F-65 для LEAP-UCD-2017

Здесь представлены испытания на минимальный и максимальный индекс сухой плотности десяти образцов песка по 500 г, отправленных Дэвису после семинара. Подробная процедура определения плотности индекса описана Kutter et al. (2019), в котором используются модифицированный метод C ASTM D4254 и модифицированная процедура Lade (1988) соответственно. В оставшейся части этой публикации Kutter et al.(2019) методы измерения плотности будут называться методом LEAP. Международный стандарт ASTM не был идеальным для целей контроля качества на всех предприятиях, потому что он требует специального оборудования и требует больше времени. Кроме того, в других странах используются другие стандарты. Метод LEAP для измерения индексной плотности в сухом состоянии является относительно быстрым и надежным и считается более практичным для повторных проверок качества. Тем не менее, несколько тестов были также проведены с использованием процедур ASTM 4254 Method A (с использованием устройства воронки) и 4253 Method 1B (влажная почва, вертикально вибрирующий стол) тремя разными частными лабораториями и двумя университетскими исследователями, и эти результаты описаны ниже.

2.3.1 Процедура определения минимальной плотности LEAP

Сначала 500 г песка помещают в стеклянный мерный цилиндр объемом 1000 мл. Когда верхняя часть цилиндра запечатана, образец переворачивают вверх дном, затем постепенно поворачивают обратно в вертикальное положение с постоянной скоростью, для достижения вертикального положения требуется примерно 30–60 с. Затем объем песка измеряется с помощью градуировки на градуированном цилиндре. Была измерена масса песка и рассчитана плотность. Для каждого образца испытание повторяли трижды с одним и тем же образцом песка.Эта процедура аналогична процедуре ASTM 4254 Method C, за исключением того, что размер градуированного цилиндра уменьшен с 2000 до 1000 мл, что считается достаточно большим для мелкого песка, используемого в упражнении LEAP.

2.3.2 Процедура определения максимальной плотности LEAP

Максимальная плотность определяется путем добавления десяти порций песка по 50 г в пластиковый мерный цилиндр объемом 1000 мл. После добавления каждой порции песка по боковой стороне цилиндра дважды постукивают пластиковой ручкой отвертки на уровне песка, затем поворачивают на 90 градусов и снова постукивают, в общей сложности восемь ударов на 50 г песка. .Расстояние удара отверткой до соприкосновения с пластиковым цилиндром составляет от 250 до 300 мм, с целевым расстоянием 275 мм для этого исследования. Масса отвертки примерно 140 г. После восьми ударов для последней порции песка в 50 г выполняется шесть дополнительных более легких ударов по каждой грани под углом 90 градусов (всего 24 удара). Чтобы выровнять верхнюю поверхность с целью точного считывания градации цилиндра, делают от пяти до десяти очень легких ударов при наклоне цилиндра. Объем считывается с градуированного цилиндра, и измеряется масса почвы.

2.3.3 Результаты испытаний на индексную плотность в сухом состоянии

Испытания на индексную плотность были выполнены и повторены тремя операторами в соответствии с процедурами LEAP. Все трое использовали одинаковые градуированные цилиндры и отвертки, что сводило к минимуму систематические отклонения от различного оборудования. Измерения объема градуированного цилиндра были откалиброваны путем заполнения цилиндра измеренной массой воды, и необходимая поправка (около 1%) была применена ко всем измерениям объема. Перед испытанием образцы помещали в заземленные металлические лотки на 1 неделю для уравновешивания с влажностью окружающей среды и ограничения разницы статического электрического заряда.Чтобы свести к минимуму влияние разницы относительной влажности на результаты, большая часть испытаний проводилась в один и тот же день в одной лаборатории с почти постоянной относительной влажностью. После каждого испытания на плотность образец песка помещали обратно в заземленный металлический лоток для рассеивания электростатического заряда, который мог накопиться во время движения почвы. Датчик влажности был также закопан в песок, чтобы проверить, соответствует ли влажность в порах почвы влажности окружающей среды в помещении. Измерения влажности варьировались от 32 до 48%.

Сводка индекса сухой плотности (кг / м ³ ) из десяти образцов массой 500 г, измеренных в UCD после семинара LEAP-UCD-2017, измеренных с использованием метода LEAP

Хотя для испытаний на минимальную плотность было проведено три испытания на одного оператора, каждое испытание на максимальную плотность было выполнено каждым из них. три оператора. Таким образом, стандартное отклонение максимальной плотности (STD Max) включает вариативность от испытания к испытанию и от оператора к оператору.

Индексируйте значения плотности песка в сухом состоянии для каждой испытательной установки со средним значением и 95% достоверностью среднего (серая область), показанными с помощью шкалы разделения ( a ) и линейной шкалы ( b ).Столбики ошибок на обоих рисунках представляют собой среднее стандартное отклонение от оператора к оператору, STD _O = 12,2 кг / м ³ минимальной плотности и среднее STD = 11,4 кг / м ³ максимальной плотности

2.3.4 Обсуждение минимальной плотности

В целом минимальные плотности близко сгруппированы вокруг среднего значения 1451 кг / м ³ . Стандартное отклонение от испытания к испытанию составило около 5 кг / м ³ , стандартное отклонение от оператора к оператору было около 12 кг / м ³ , а отклонение от места к месту было около 8 кг / м ³ .Стандартное отклонение для всего набора данных (все 90 испытаний) составляет 14 кг / м ³ (не указано в таблице 2.5). Напротив, стандартное отклонение 46 кг / м ³ было предоставлено группам численного моделирования Куттером и др. (2019), который, помимо изменчивости материалов, включает в себя вариативность различных процедур измерения плотности, оборудования и разных операторов.

Используя двусторонний анализ дисперсии, интервал сравнения или вертикальную длину полосы стандартного отклонения для каждого объекта можно оценить, чтобы определить, перекрывают ли они среднюю минимальную плотность 1451 кг / м ³ .Интервал сравнения выборок IFSTTAR не перекрывает линию средней минимальной плотности. Если рассматривать 95% доверительный интервал среднего значения, который показан как серая область, окружающая линию среднего значения, интервал сравнения IFSTTAR перекрывается со средней областью. Минимальные значения плотности для конкретного объекта варьируются до 1% от среднего значения. Различия кажутся небольшими, но статистически различимыми.

2.3.5 Обсуждение максимальной плотности

Kutter et al. (2019) рассчитали стандартное отклонение 25 кг / м ³ с использованием данных, собранных из многих лабораторий, применяющих различные методы измерения максимальной плотности.Стандартное отклонение для всех данных, полученных для настоящей статьи (все 30 тестов), составляет всего 13 кг / м ³ , что составляет 0,7% от максимальной плотности (1753 кг / м ³ ). Это включает вариативность от испытания к испытанию, от оператора к оператору и от образца к образцу.

Вариабельность STD максимальной плотности в таблице 2.5 связана с ограниченным размером выборки (три образца на оценку STD). Кроме того, STD максимальной плотности включает вариативность от испытания к испытанию и от оператора к оператору.Для теста с минимальной плотностью большая часть изменчивости от испытания к испытанию была устранена путем усреднения трех испытаний до получения STD _O . Полосы STD на рис. 2.3 включают изменчивость от оператора к оператору и от испытания к испытанию для всех десяти образцов максимальной плотности, которые перекрывают среднее значение максимальной плотности 1753 кг / м ³ . Таким образом, на основе испытаний на максимальную плотность невозможно статистически отличить образцы грунта друг от друга.

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > / ExtGState> / ProcSet [/ PDF / Text] >> / Содержание 2794 0 руб. / CropBox [0 0 612 792] / B [6 0 R] / Аннотации 2797 0 руб. >> эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > / Ж 6 0 Р >> эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > эндобдж 21 0 объект > эндобдж 22 0 объект > эндобдж 23 0 объект > эндобдж 24 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 26 0 объект > эндобдж 27 0 объект > эндобдж 28 0 объект > эндобдж 29 0 объект > эндобдж 30 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 32 0 объект > эндобдж 33 0 объект > эндобдж 34 0 объект > эндобдж 35 0 объект > эндобдж 36 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 38 0 объект > эндобдж 39 0 объект > эндобдж 40 0 объект > эндобдж 41 0 объект > эндобдж 42 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 44 0 объект > эндобдж 45 0 объект > эндобдж 46 0 объект > эндобдж 47 0 объект > эндобдж 48 0 объект > эндобдж 49 0 объект > эндобдж 50 0 объект > эндобдж 51 0 объект > эндобдж 52 0 объект > эндобдж 53 0 объект > эндобдж 54 0 объект > эндобдж 55 0 объект > эндобдж 56 0 объект > эндобдж 57 0 объект > эндобдж 58 0 объект > эндобдж 59 0 объект > эндобдж 60 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 62 0 объект > эндобдж 63 0 объект > эндобдж 64 0 объект > эндобдж 65 0 объект > эндобдж 66 0 объект > эндобдж 67 0 объект > эндобдж 68 0 объект > эндобдж 69 0 объект > эндобдж 70 0 объект > эндобдж 71 0 объект > эндобдж 72 0 объект > эндобдж 73 0 объект > эндобдж 74 0 объект > эндобдж 75 0 объект > эндобдж 76 0 объект > эндобдж 77 0 объект > эндобдж 78 0 объект > эндобдж 79 0 объект > эндобдж 80 0 объект > эндобдж 81 0 объект > эндобдж 82 0 объект > эндобдж 83 0 объект > эндобдж 84 0 объект > эндобдж 85 0 объект > эндобдж 86 0 объект > эндобдж 87 0 объект > эндобдж 88 0 объект > эндобдж 89 0 объект > эндобдж 90 0 объект > эндобдж 91 0 объект > эндобдж 92 0 объект > эндобдж 93 0 объект > эндобдж 94 0 объект > эндобдж 95 0 объект > эндобдж 96 0 объект > эндобдж 97 0 объект > эндобдж 98 0 объект > эндобдж 99 0 объект > эндобдж 100 0 объект > эндобдж 101 0 объект > эндобдж 102 0 объект > эндобдж 105 0 объект > эндобдж 106 0 объект > эндобдж 107 0 объект > эндобдж 108 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 110 0 объект > эндобдж 111 0 объект > эндобдж 112 0 объект > эндобдж 113 0 объект > эндобдж 114 0 объект > эндобдж 115 0 объект > эндобдж 116 0 объект > эндобдж 117 0 объект > эндобдж 118 0 объект > эндобдж 119 0 объект > эндобдж 120 0 объект > эндобдж 121 0 объект > эндобдж 122 0 объект > эндобдж 123 0 объект > эндобдж 124 0 объект > эндобдж 125 0 объект > эндобдж 126 0 объект > эндобдж 127 0 объект > эндобдж 128 0 объект > эндобдж 129 0 объект > эндобдж 130 0 объект > эндобдж 131 0 объект > эндобдж 132 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 134 0 объект > >> ручей & * m @ ҲC9!: m75 # rB̉`3C8AԆɲpC` ~ @ 4aG2aa5 $ «d4jXGYpqY ‘#.ˁd28pT9 a [\ &! Bſ! `’R’rI;? @ r

Прикладные науки | Бесплатный полнотекстовый | Измерение удельного веса сухого песка с помощью пьезоэлектрического датчика

1. Введение

В данном исследовании датчик PZT был встроен в песок из реки Накдонг трех разных размеров (мелкий, средний и большой). Зерна песка засыпали в небольшую форму для уплотнения, и на поверхность каждого типа песка наносили четыре различных уровня надбавки. Впоследствии частота и проводимость датчика PZT были измерены для каждого типа песка при различных уровнях нагрузки. Затем резонансная частота и соответствующая проводимость датчика PZT в определенном частотном диапазоне коррелировали с уровнем нагрузки и соответствующей удельной массой или плотностью песка.Такое соотношение можно использовать для прогнозирования удельного веса почвы, подвергшейся уплотнению, рыхлению или кавитации в поле.

2. Пьезоэлектрический датчик и подготовка образца

Сигнатура EMI погруженного датчика PZT без покрытия сильно отличалась от сигнатуры датчика PZT при свободной вибрации в условиях воздуха.В случае сигнатур EMI сенсора PZT с покрытием, погруженного в раствор CaCl ₂ , по сравнению с таковым при свободной вибрации в условиях воздуха, значения пиков EMI были немного разными, но частоты пиков EMI были такими же. Разница в величине пика EMI была вызвана разницей в материале, окружающем датчик PZT. Это означает, что короткого замыкания удалось избежать, а определение электромагнитных помех возможно даже при наличии влаги в почве.

3. Результаты измерения электромагнитных помех

3.1. Влияние дополнительной нагрузки на обнаружение электромагнитных помех

3.2. Взаимосвязь между весом единицы, частотой и проводимостью

Для песчинок среднего и крупного размера, использованных в этом исследовании, изменения пиковой частоты и проводимости были небольшими, когда поверх образца применялись различные уровни дополнительной нагрузки. Это связано с тем, что размер самой надбавки был низким, и нагрузка, передаваемая на частицы песка, также была небольшой. Это привело лишь к небольшому изменению веса устройства, что незначительно повлияло на измеряемую частоту и проводимость 20-мм датчика PZT.

4. Обсуждение

В этом исследовании удельный вес песка с тремя различными размерами частиц был оценен методом измерения электромагнитных помех. Величина пика EMI была уменьшена с увеличением надбавки на песок. В то же время пиковая частота электромагнитных помех сместилась в область более высоких частот с увеличением нагрузки на песок.

f ₀ (кГц) = 1.593 × r _d (кН / м ³ ) + 148,71.

(1)

5. Выводы

Чистый речной песок Накдонг трех размеров зерен залили в небольшую форму для уплотнения и затем применили с доплатой. Серия экспериментов по обнаружению электромагнитных помех была проведена на песках трех различных размеров. На поверхность песка было нанесено четыре уровня надбавки (6, 11, 17, 23 кПа). Результаты сравнивались с точки зрения пиковой частоты и проводимости, и их можно перечислить следующим образом:

(1)

При увеличении уровней дополнительной зарядки пиковая частота демонстрировала соответствующее увеличение, но было обнаружено, что пиковая проводимость составляет снижаться.

(2)

Удельный вес песка продемонстрировал сильную корреляцию с измеренной пиковой частотой и проводимостью, за исключением максимальной проводимости песка с крупными зернами.

(3)

Взаимосвязь между пиковой частотой или проводимостью и удельным весом песка может быть полезной для прогнозирования степени уплотнения, разрыхления или кавитации почвы в поле.

Вклад авторов

Концептуализация, С.-С.П. и J.-C.L .; методология, J.-S.L. и D.-E.L .; формальный анализ, С.-С.П. и J.-C.L .; написание оригинальной черновой подготовки, J.-S.L .; написание рецензии и редактирование, С.-С.П. и J.-C.L .; надзор, С.-С.П.

Финансирование

Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (№ NRF-2018R1A5A1025137).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Dyvik, R.; Мадшус, К. Лабораторное измерение Gmax с использованием гибочных элементов. In Proceedings of the ASCE Annual Convention, Advances in the Art of Testing Soil Under Cyclic Condition, Детройт, Мичиган, США, 24 января 1986 г. [Google Scholar]
2. Lee, J.S .; Ли, Ч. Принципы и рекомендации по испытаниям гибочных элементов. J. Korean Geotech. Soc. 2006 , 22, 47–57. [Google Scholar]
3. Shirley, D.J .; Хэмптон, Л. Измерения поперечной волны в лабораторных отложениях. J. Acoust. Soc. Являюсь. 1978, , 63, 607–613.[Google Scholar] [CrossRef]
4. Suwal, L.P .; Кувано, Р. Пьезокерамический преобразователь в форме диска для измерения продольных и поперечных волн в лабораторных образцах почвы. Почвы найдены. 2013 , 53, 510–524. [Google Scholar] [CrossRef]
5. Park, G .; Cudney, H.H .; Инман, Д.Дж. Мониторинг состояния компонентов строительных конструкций на основе импеданса. J. Infrastruct. Syst. 2000 , 6, 153–160. [Google Scholar] [CrossRef]
6. Ayres, J.W .; Lalande, F .; Chaudhry, Z .; Роджерс, К.А. Качественный импедансный мониторинг состояния гражданской инфраструктуры.Smart Mater. Struct. 1998 , 7, 599–605. [Google Scholar] [CrossRef]
7. Soh, C.K .; Tseng, K.K.H .; Bhalla, S .; Гупта, А. Эффективность умных пьезокерамических пластырей при мониторинге состояния RC-моста. Smart Mater. Struct. 2000 , 9, 533–542. [Google Scholar] [CrossRef]
8. Lee, C.J .; Lee, J.C .; Shin, S.W .; Ким, В.Дж. Исследование процесса схватывания вяжущих материалов с использованием электромеханического импеданса встроенного пьезоэлектрического тракта. J. Korea Inst. Строить.Констр. 2012 г. , 12, 607–614. [Google Scholar] [CrossRef]
9. Gu, H .; Песня, G .; Dhonde, H .; Mo, Y.L .; Ян С. Мониторинг прочности бетона в раннем возрасте с использованием встроенных пьезоэлектрических преобразователей. Smart Mater. Struct. 2006 , 15, 1837–1845. [Google Scholar] [CrossRef]
10. Wang, D .; Чжу, Х. Мониторинг увеличения прочности бетона с использованием встроенного датчика импеданса PZT. Констр. Строить. Матер. 2011 г. , 25, 3703–3708. [Google Scholar] [CrossRef]
11. Das, B.М. Принципы геотехнической инженерии, 7-е изд .; Cengage Learning: Бостон, Массачусетс, США, 2009; п. 137. ISBN 978-0-49-541130-7. [Google Scholar]
12. Lee, J.C .; Shin, S.W .; Kim, W.J .; Ли, К.Дж. Мониторинг на основе электромеханического импеданса для схватывания цементного теста с использованием пьезоэлектрического датчика. Smart Struct. Syst. 2016 , 17, 123–134. [Google Scholar] [CrossRef]
13. Silva, R.N.F .; Цурута, К.М .; Rabelo, D.S .; Finzi, R.M .; Штеффен, В. Использование метода мониторинга состояния конструкций на основе электромеханического импеданса в бетонных конструкциях.В материалах 8-го Европейского семинара по структурному мониторингу здоровья, Бильбао, Испания, 5–8 июля 2016 г. [Google Scholar]
14. Wang, D .; Wang, Q .; Wang, H .; Чжу, Х. Экспериментальное исследование по обнаружению повреждений в образцах древесины на основе метода электромеханического импеданса и расстояния Махаланобиса на основе RMSD. Датчики 2016 , 16, 1765. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

Рисунок 1. Пьезоэлектрический датчик (PZT) после нанесения покрытия и его размеры (единицы измерения: мм): ( a ) Датчик PZT, использованный в данном исследовании; ( b ) размеры нашивки PZT.

Рисунок 1. Пьезоэлектрический датчик (PZT) после нанесения покрытия и его размеры (единицы измерения: мм): ( a ) Датчик PZT, использованный в данном исследовании; ( b ) размеры нашивки PZT.

Рисунок 2. Сигнатуры электромеханического импеданса (EMI) датчика PZT в различных условиях.

Рисунок 2. Сигнатуры электромеханического импеданса (EMI) датчика PZT в различных условиях.

Рисунок 3. Изменения сигнатур электромагнитных помех при повышении температуры: ( a ) Связь между температурой и величиной пика резонанса; ( b ) взаимосвязь между температурой и пиковой частотой EMI в резонансном пике.

Рисунок 3. Изменения сигнатур электромагнитных помех при повышении температуры: ( a ) Связь между температурой и величиной резонансного пика; ( b ) взаимосвязь между температурой и пиковой частотой EMI в резонансном пике.

Рисунок 4. Система измерения электромагнитных помех с использованием датчика PZT.

Рисунок 4. Система измерения электромагнитных помех с использованием датчика PZT.

Рисунок 5. Песок реки Накдонг: ( a ) Фотографии мелких, средних и крупных песков; ( b ) кривые распределения зерен по размерам.

Рисунок 5. Песок реки Накдонг: ( a ) Фотографии мелких, средних и крупных песков; ( b ) кривые распределения зерен по размерам.

Рисунок 6. Экспериментальная установка для измерения электромагнитных помех.

Рисунок 6. Экспериментальная установка для измерения электромагнитных помех.

Рисунок 7. Связь между надбавкой и удельным весом для трех типов песка.

Рисунок 7. Связь между надбавкой и удельным весом для трех типов песка.

Рисунок 8. Зависимость проводимости от частоты для трех типов песка: ( a ) Сигнатуры EMI для мелкого песка; ( b ) подписи EMI для песка средних размеров; ( c ) подписи EMI для крупногабаритного песка.

Рисунок 8. Зависимость проводимости от частоты для трех типов песка: ( a ) Сигнатуры EMI для мелкого песка; ( b ) подписи EMI для песка средних размеров; ( c ) подписи EMI для крупногабаритного песка.

Рисунок 9. Влияние надбавки на пиковую частоту и проводимость для трех типов песка: ( a ) Пиковая частота — кривая надбавки; ( b ) пиковая кривая проводимости – дополнительного заряда.

Рисунок 9. Влияние надбавки на пиковую частоту и проводимость для трех типов песка: ( a ) Пиковая частота — кривая надбавки; ( b ) пиковая кривая проводимости – дополнительного заряда.

Рисунок 10. Влияние увеличения удельного веса на пиковую частоту и проводимость для трех типов песка: ( a ) Связь между пиковой частотой и удельным весом; ( b ) зависимость между максимальной проводимостью и удельным весом.

Рисунок 10. Влияние увеличения удельного веса на пиковую частоту и проводимость для трех типов песка: ( a ) Связь между пиковой частотой и удельным весом; ( b ) зависимость между максимальной проводимостью и удельным весом.

Таблица 1. Материальные свойства песка реки Накдонг.

Таблица 1. Материальные свойства песка реки Накдонг.

Таблица 2. Результаты зондирования EMI.

Таблица 2. Результаты зондирования EMI.

Мозговые игры с песчинками

Песчинки неоднородны по размеру. Минимальный диаметр песчинки составляет всего 62,5 микрометра или 0,0625 миллиметра, в то время как верхний предел диаметра песчинок составляет 2 миллиметра. Общеизвестно, но почему такие цифры? Можно сказать, что вам просто нужно где-то провести границу, чтобы отличить песок от ила или гравия.Так являются ли эти числа совершенно произвольными? Да и нет. Точные цифры определенно произвольны. Они определяются по логарифмической шкале, которая также определяет границы между мелким, средним и крупным песком.

Серый кружок напоминает верхнюю границу размера песчинок (очень крупных), а самый маленький красный кружок напоминает самый маленький. Черный, синий, зеленый и желтый — это верхние границы крупных, средних, мелких и очень мелких песчинок соответственно. График в масштабе.

Однако эта классификационная схема выбрана, чтобы иметь как можно больший смысл в геологии. Он отражает движение песчинок в воде. В речной воде песчинки не выносятся во взвешенном состоянии. Они имеют тенденцию двигаться скачками — проточная вода иногда поднимает песчинки, но не может унести их далеко. Песчинки снова оседают и ждут следующего прыжка. Такой режим движения называется сальтацией и особенно характерен для песчинок. Гравий просто катится по руслу реки, а ил обычно переносится во взвешенном состоянии.

Конечно, это зависит от скорости течения речной воды. Иногда (в быстро движущихся горных ручьях) гранулы тоже сальтируются. А иногда речная вода даже временно не способна поднять песчинки. Природа не классифицирует. В этом нет необходимости. Но мы, люди, отчаянно нуждаемся в классификационных схемах, чтобы классифицировать вещи и пытаться понять окружающий нас мир. Следовательно, ни одна схема классификации не является идеальной, и та, которая используется сейчас, ни в коем случае не является единственно возможной.

Возможно, довольно сложно представить, насколько разными могут быть два зерна, если одно из них имеет диаметр всего 62,5 микрометра, а другое — 2000 микрометров или 2 миллиметра толщиной. Первый едва виден, а второй размером с головку спички. Насколько один больше другого? Это должно быть просто, мы просто разделим 2000 на 62,5 и получим результат 32. Однако такой результат может быть математически правильным, но не имеет смысла. Истинной мерой размера зерна является его объем.В конце концов, способна ли речная вода переносить зерно, зависит от его массы и объема, а не от диаметра.

Если предположить, что наши зерна представляют собой идеальные сферы, то у большего из них будет в 32 768 раз больший объем. Это огромная разница, и очевидно, что она должна существенно влиять на поведение зерен.

Сколько весит одна песчинка? Допустим, мы имеем дело с зернами кварца. Кварц имеет плотность 2,65 грамма на кубический сантиметр.Зерно диаметром 2 миллиметра составляет немногим более четырех тысяч кубических сантиметров, а весит примерно 0,011 грамма. Я не даю массу меньшего зерна, это число было бы смехотворно маленьким, но вы можете легко вычислить его, разделив 0,011 на 32 768.

Теперь мы знаем, что даже самые крупные песчинки легкие. Как насчет количества зерен, которое мы можем уместить в емкость определенного объема, скажем, 1 кубический сантиметр? Чтобы рассчитать это, нам нужно знать, сколько зерен мы можем поместить в этот контейнер.Теоретические расчеты показывают, что если зерна размещены неравномерно, вы не можете добиться лучшей упаковки, чем примерно 63%. Это означает, что около 37% вашего контейнера будет заполнено воздухом, водой или чем-то еще. Он составляет объем порового пространства, который является очень важным показателем, если мы попытаемся вычислить, например, сколько сырой нефти может содержать пласт песчаника. Простой расчет дает результат, что в 1 кубическом сантиметре может содержаться 151 песчинка диаметром 2 мм и 4 959 645 песчинок диаметром 62.5 микрометров.

Большинство сборщиков песка предпочитают иметь не менее 30 мл песка на пробу. Я — исключение, потому что меня устраивает гораздо меньшее. Вот некоторые расчеты, почему это так. Предположим, что средняя песчинка имеет диаметр 250 микрометров (это граница между мелкозернистым и среднезернистым песком). Если у вас есть 30 мл такого песка, то у вас 2324833 песчинки. Неужели вам нужно столько, если ваша цель — получить общее представление о составе образцов песка? Точно нет.Даже сотой доли этого достаточно. Это основа моего утверждения, что если у вас есть очень интересный образец песка, но вы можете отправить только один грамм, я все равно буду счастлив. Больше, чем мне нужно.

Можем ли мы попытаться оценить, сколько песчинок в мире? Ну, их никто никогда не считал, но я думаю, что мы можем сделать очень приблизительные оценки. Существует около 200 миллионов кубических километров континентальных отложений. Если предположить, что примерно четверть из них — песок, общий объем песка, возможно, составляет 50 миллионов кубических километров.Если предположить, что средняя песчинка имеет диаметр 250 микрометров, то в коре будет примерно 4 x 10 ²⁷ песчинок.

Это действительно огромное число. Я помню, как Карл Саган однажды сказал в своем телесериале «Космос», что, возможно, во Вселенной больше звезд, чем песчинок на всех пляжах. Это может быть правдой, но пляжи — не единственные места, где можно найти песок. Если мы посчитаем количество всех песчинок, покрывающих Корку, я думаю, что песчинки по-прежнему смеются последними.

Масса сухого агрегата

Удельный вес почвы, или удельный вес, — это вес единицы объема почвы.Это может относиться к

— Вес мокрой единицы: Удельный вес почвы, когда поры полностью или частично заполнены водой.
— Масса сухого агрегата: Удельный вес грунта поры заполняются только воздухом без воды.

Гамма_d = Гамма / (1 + w)

где

Gamma_d: сухой удельный вес
Gamma: удельный вес
w: влажность почвы

Типовые значения пористости почв для разных грунтов

Вес единицы грунта, конечно, зависит от укладки, уплотнения и влажностного состояния почвы.Ниже приведены некоторые типичные значения сухой массы для разных почв. Значения соответствуют нормально консолидированному состоянию, если не указано иное. Эти значения следует использовать только как ориентир для геотехнических проблем; однако для правильного выбора геотехнических параметров часто необходимо учитывать конкретное состояние каждой инженерной проблемы.

ССЫЛКИ

1. Швейцарский стандарт SN 670 010b, Характеристические коэффициенты почв, Ассоциация швейцарских инженеров по дорогам и дорожному движению

Образец цитирования:
Geotechdata.