派酶固化土无侧限抗压强度与土粒分形特征的关系研究Word格式文档下载.docx

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PengHongtao1GuoLiang2PengYijiang3

（1.ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China;

2.DalianHigh-TechIndustrialZoneSocialAffairManagementBureau,Dalian116025,China;

3.BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China）

Abstract:

Thefractalpropertiesoffourtypesofsoilswereinvestigatedwithacalculationmethodofsoilgranulefinenessfractaldimensiononthebasisofaccumulativemassdistributionofsoilparticleandexperimentalresults.Theresultsshowthatcoarsesandysoil,finesandysoil,veryfinesandysoilandcoarsesandysoilstabilizedbyPerma-ZymearewithhigherunconfinedcompressionstrengththanthosewithoutPerma-Zyme,underairdryingcondition.Inthestudyscaleofperkgsoilwith0.015ml~0.045mlPerma-Zyme,increasedtheaddedvolumeofPermazyme,7dand28dunconfinedcompressionstrengthalsoincreasedbutgotincreasingslowly.The7dand28dunconfinedcompressivestrengthregressionmodelswerechosenandanalyzedbasedonexperimentaldata.Itwasfoundthatthesoilgranulefinenessfractaldimensionhadmoreeffecton7dand28dunconfinedcompressionstrengththanthevolumeofPerma-Zymebythe3Dplotsofequations.7dand28dunconfinedcompressionstrengthincreasedassoilgranulefinenessfractaldimensionincreasedfrom2.2466to2.5031.Thetendencyofincreationisnonlinearandhas3sections（increasing,fluctuating,increasingsharply）.

Keywords:

Perma-Zyme;

unconfinedcompressionstrength;

finenessfractaldimension

E-mail:

pwb@

引进美国国际酶制剂公司生产的派酶，在北京市昌

平修建了第一条派酶道路。

随后又在内蒙古、青海、

上海、河北、云南、江西、河南等地进行了派酶路基

上加铺沥青面层的试验，修筑了不同等级的派酶基

国内企业尚不能自主层路面达数千千米［1-2］。

目前，

生产派酶，国内对派酶固化土的强度作用机理的研

究文献很少。

本文基于分形理论，通过实验探析土

粒按粒级质量分布的细度分维与派酶固化土的无侧

限抗压强度间的关系。

引言“派酶”是Perma-Zyme的中文译名。

1995年，由北京怡天生物工程公司和上海大庆能源有限公司联合基金项目：

中央高校基本科研业务费专项资金（2009-3-11）和“十一五”国家科技支撑计划（2008BADC4B03）作者简介：

彭红涛，硕士，副教授

收稿日期：

2009-10-26

第43卷增刊彭红涛等·

·

589·

1土粒的分形特征

土粒属散粒材料，由不同矿物成分、形状、大小

各异的土粒组成的土体结构，具有自相似特征。

一些研究表明，分形理论可以定量描述土粒和土体结构特征［3-7］。

定义土颗粒粒径分布函数为：

D（x）=N

（x）

（1）

式中：

x代表系统颗粒粒径标度尺寸；

N（x）为小于粒径标度尺寸x的颗粒总数；

N0为系统总颗粒数。

根据自相似分形的幂率定义［7-9］

有：

N（x）=cx-D

（2）

D为自相似体系的分维；

c是土粒常数。

根据函数D（x）的定义可知

D（xmax）=1

（3）将式

（2）、式（3）代入式

（1）得：

N0=cx-mD

ax

（4）

设k为土粒的体积形状因子，以V（x）表示（x，x+dx）区间的土粒总体积，则有：

V（x）=kx3

（5）

若忽略各粒级间颗粒密度ρ的差异，以M（x）表

示小于粒径x的颗粒总质量，则有：

M（x）=ρV（x）N（x）

（6）将式

（2），式（5）代入式（6）得：

M（x）=ρckx3-D

（7）以M0表示系统颗粒总质量，则有：

M0=xlim→xM（x）=ρckx3-mD

（8）

max

由式（7）

，式（8）导出M（x）=

x3-D

x

（9）

对式（9）两边取对数，即得：

lg

M（x）0

x=（3-D）lgx

maxx（10）分维D可以通过lgM（x）x

x-lgmax

x图的斜率来确定，反映系统颗粒总的粗细程度，无论系统中大粒、中粒、小粒在数量上发生变化，都可以对其产生相应影响。

考虑式（10）中M（x）表示小于粒径x的颗粒总质量，也就代表该系统颗粒细的总程度。

因此，将式（10）中的分维D定义为土粒按粒级质量分布的细度分维，以下简称土粒的“细度分维”。

若将M（x）定义为不小于粒径x的颗粒总质量，不难导出：

M（x）=1-x

3-D

m11）

axx

（式（11）中：

M（x）表示不小于粒径x的颗粒总质量，也就代表该系统颗粒粗的总程度。

因此，

将式（11）中的分维D定义为土粒按粒级质量分布的粗度分维，简称土粒的“粗度分维”，形成与土粒的“细度分维”对应的概念。

目前，应用较多的是土粒的细度分维［4-5］。

应当指出，式（9）、式（11）与Tyler等［7］的研究结

果是一致的。

若设系统颗粒某一粒径为di（i=1，2，…，n）i为di与di+1max为最大粒级颗粒的平均直径，将i和max分别代入式（9）、式（11）中，就可以得到与杨培岭等［5］的研究一致的结果。

2土样实验分析与土粒的细度分维计算

实验采用的土样分别取自：

北京市通州区尹各

庄、丰台区永定河农场、通州区尹各庄、通州区邢各庄。

实验编号分别为：

1号、2号、3号、4号。

采用密度计法测定各土样的机械组成，并按照文献［10］的分类标准对土壤质地进行分类。

土样粒径分析及质地分类结果如表1所示。

表1土样粒径分析及质地分类

Table1Particlesizedistributionofsoilsand

theirsoiltexturetypes

土样小于粒径

（mm）的颗粒质量与总质量之比（%）编号＜0.5＜0.25＜0.05＜0.01＜0.005＜0.001

质地199.8098.6418.006.002.001.20粗砂土298.7296.2438.609.406.400.80细砂土399.2896.6441.8014.809.201.60面砂土4

99.96

96.02

57.80

26.80

16.20

3.60

砂壤土

按照式（10），依据表1中的数据，分别计算lg

M（x）M0

x和lgxxmax

x。

以lgM（x）x

M0

x为纵坐标，lgx

x为横坐标，将4种土样的粒径分布数据绘于图上，如图1所示。

将4种土样粒径分布数据线性拟合成一条直线，计算其斜率K。

由式（10）知K=3-D，细度分维即为D=3-K，计算结果如表2所示。

表2土样的细度分维D值

Table2Finenessfractaldimensionofsoil

particlesizedistribution

土样编号

土壤质地DR21粗砂土2.24660.96522细砂土2.26390.95713面砂土2.37150.95984

2.5031

0.9353

590·

土木工程学报2010

年3派酶固化土的无侧限抗压强度

3.1实验材料

3.1.1派酶

上海泓法工贸有限公司顾瀚来先生提供的美国

爱酶生乔特新科技有限公司生产的Perma-Zyme

11X（以下简称“派酶”）试样。

3.1.2土样

用5mm的筛子筛去各土样中草根、僵块、石子和

其他杂质。

采用击实试验法［11］，测得各土样的最优

含水率和最大干密度如表3所示。

表35种土样的最优含水率和最大干密度

Table3Optimumwatercontentandmaximumdry

densityofsoilsamples

土样最优含水率（%）最大干密度（g/cm3）

粗砂土14.41.70

细砂土15.21.69

面砂土14.31.72

砂壤土16.11.71

3.1.3实验方法和结果

按最优含水率计算所需风干土的数量。

采用的

派酶用量为每千克土中分别掺入派酶0.015ml、0.03ml、0.045ml。

试件尺寸为φ39.1mm×

H80mm，各种土样按每个预定龄期的无侧限抗压强度实验

安排有3个试样，并配有不加派酶的对照组3个试

件，即3个重复。

将制成的试件放入温度为20±

2℃，相对湿度为

53±

2%的养护室内进行养护，养护龄期（时间）分别

为3d、7d、14d、28d、60d。

按文献［11］进行无侧限抗

压强度实验。

实验结果如图2~图5所示。

第43卷

增刊彭红涛等·

591·

从图2~图5可以看出，在风干养护条件下，粗砂土、细砂土、面砂土、砂壤土掺加派酶的无侧限抗压强度均比不掺的高；

其强度在28d龄期前增长均较快，

28d后有趋于稳定的趋势。

按每千克土中分别掺入派酶0.03ml、0.045ml的试件无侧限抗压强度均比每kg土中分别掺入0.015ml派酶高。

每千克土中分别掺入派酶0.03ml和0.045ml的试件无侧限抗压强度较接近，说明在研究范围内，随着派酶掺量的增加，强度的增加变得缓慢。

4派酶固化土抗压强度与土粒的细度分维的关系

7d、28d无侧限抗压强度是实际工程中评价派酶固化土强度的重要指标。

派酶固化土无侧限抗压强度除受土粒的细度分维影响外，还受每千克土中派酶掺量的影响。

故以派酶固化土无侧限抗压强度为因变量，以土粒的细度分维和每千克土中派酶掺量为自变量，由实验数据应用最小二乘法原理进行回归分析。

通过对多种线性和非线性回归模型的比较，筛选出较优二元非线性拟合模型，见式（12）。

7d、28d无侧限抗压强度拟合模型的回归分析结果分别如表4、

表5所示，三维图分别见图6、图7。

表47d无侧限抗压强度拟合模型回归分析

Table4Analysisof7dunconfinedcompressivestrength

regressionmodel

参数参数估计R2

FRatioProb（F）

Durbin-Watson

statistic

显著性

a-5462.64b6992.44高c-2981.210.90

70.13

0.00

2.16

度显d423.48著

e

3.05

表528d无侧限抗压强度拟合模型回归分析

Table5Analysisof28dunconfinedcompressivestrength

a-4185.00b5373.22高c-2298.170.98528.12

1.92

度显d327.60著

3.53

y=a+bx1+cx21+dx3

1+ex2

（12）

y为派酶固化土的7d或28d无侧限抗压强度，MPa；

x1为土粒的细度分维；

x2为每千克土中派酶掺量，ml；

a、b、c、d、e为回归系数（也称拟合参数）。

式（12）的7d、28d无侧限抗压强度拟合模型是曲面，可以用于预报研究范围内的任意点的无侧限抗压强度值。

由图6、图7可知，土粒的细度分维对派酶固化土7d、

28d无侧限抗压强度的影响比派酶掺量更显著；

派酶固化土7d、28d无侧限抗压强度随土粒的细度分维的增加，呈上升趋势，但不是线性的。

土粒的细度分维由2.2500增加到2.2600，派酶固化土7d、28d无侧限抗压强度均有明显提高；

土粒的细度分维由2.2600增至2.4000，派酶固化土7d、28d无侧限抗压强度均出现波动，

28d无侧限抗压强度提高不明显，7d无侧限抗压强度还略有回调；

土粒的细度分维由2.4000增加到2.5031时，派酶固化土7d、28d无侧限抗压强度均呈迅速上升趋势。

5结论

应用土粒按粒级质量分布的细度分维计算方法，对粗砂土、细砂土、面砂土、砂壤土等4种土壤颗粒大小分布分形特征进行了研究，分析了派酶固化土无侧限抗压强度与土粒的细度分维、派酶掺量的关系，结果表明：

（1）在风干养护条件下，粗砂土、细砂土、面砂土、砂壤土掺加派酶的无侧限抗压强度均比不掺的

592·

土木工程学报

modelvalidation［J］.2006,134（3/4）:

327-334

2010年

高；

在研究范围内，随着派酶掺量的增加，强度增加趋势的逐渐变缓。

（2）根据本项研究的实验数据，给出7d、28d无侧派酶掺量关系的限抗压强度与与土粒的细度分维、

拟合模型，回归分析结果表明了模型的有效性。

（3）从模型的三维图可知，土粒的细度分维对派酶固化土7d、28d无侧限抗压强度的影响比派酶掺量更显著；

派酶固化土7d、28d无侧限抗压强度随土粒的细度分维的增加（D=2.2466~2.5031），总体呈上非线性升趋势，这种趋势分为上升、波动和急剧上升3个阶段。

参考文献

［1］彭红涛，顾瀚来，张心平，等.土壤固化酶在中国的应用及

.中国农学通报，2007，23（8）:

544-547（Peng研究进展［J］ZhangXinping,etal.ThepresentHongtao,GuHanlai，

advancementonthestudyandapplicationofenzymesforsoilstabilizationinChina［J］.ChineseAgriculturalScienceBulletin,2007,23（8）:

544-547（inChinese））

［2］王昌衡，杨松.土壤酶加固土路面结构设计的因素分

析［J］.中外建筑，2006

（1）:

102-104（WangChangheng，YangSong.Analysisoninfluencingfactorsofroad［J］.surfacestructuredesignwithsoilzymestabilizationChineseandOverseasArchitecture,2006

（1）:

102-104（inChinese））

［3］FilgueiraRR,FournierLL,CerisolaCI,etal.Particle-sizedistributioninsoils:

acriticalstudyofthefractal

［4］黄冠华，詹卫华.土壤颗粒的分形特征及其应用［J］.

土壤学报,2002,39（4）:

44-51（HuangGuanhua，ZhanWeihua.Fractalpropertyofsoilparticlesizedistribution［J］.ActaPedologicaSinica,2002,39anditsapplication（4）:

44-51（inChinese））

罗远培，石元春.用粒径的重量分布表征的土［5］杨培岭，

.科学通报,1993,38（20）:

74-77（Yang壤分形特征［J］Peiling，LuoYuanpei，ShiYuanchun.Fractalpropertyof［J］.CineseScienceBulletin,soilparticlesizedistribution1993,38（20）:

74-77（inChinese））

［6］薛茹,胡瑞林,毛灵涛.软土加固过程中微结构变化

.土木工程学报,2006,39（10）:

87-91的分形研究［J］（XueRu,HuRuilin,MaoLingtao.Fractalstudyonthemicrostructurevariationofsoftsoilsinconsolidation.ChinaCivilEngineeringJournal,2006,39process［J］

（10）:

87-91（inChinese））

［7］TalerSW,WheatcraftSW.Fractalscalingofsoilparticle

sizedistributions:

analysisandlimitations［J］.SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1992,56:

362-369

［8］PachepskyY,RadcliffeDE,SelimMH.Scalingmotheds

［M］.London:

BocaRaron,2003:

2-10insoilphysics

［9］MandelbrotBB.Thefractalgeometryofnature［M］.

SanFrancisco:

Freeman,1983:

468

［10］熊毅，李庆逵.中国土壤［M］.第2版.北京:

科学技术

出版社,1987:

325

［11］GB/T50123—1999土工试验方法标准［S］

彭红涛（1967-），男，硕士，副教授。

主要从事土木工程新材料方面的研究。

郭

亮（1983-），男，硕士。

彭一江（1962-），男，博士，教授。

主要从事结构与材料非线性力学行为方面的研究。