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

1、PengHongtao1GuoLiang2PengYijiang3（1.ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China;2.DalianHigh-TechIndustrialZoneSocialAffairManagementBureau,Dalian116025,China;3.BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China）Abstract:Thefractalpropertiesoffourtypesofsoilswereinvestigatedwithacalculationmethod

2、ofsoilgranulefinenessfractaldimensiononthebasisofaccumulativemassdistributionofsoilparticleandexperimentalresults.Theresultsshowthatcoarsesandysoil,finesandysoil,veryfinesandysoilandcoarsesandysoilstabilizedbyPerma-ZymearewithhigherunconfinedcompressionstrengththanthosewithoutPerma-Zyme,underairdryi

3、ngcondition.Inthestudyscaleofperkgsoilwith0.015ml0.045mlPerma-Zyme,increasedtheaddedvolumeofPermazyme,7dand28dunconfinedcompressionstrengthalsoincreasedbutgotincreasingslowly.The7dand28dunconfinedcompressivestrengthregressionmodelswerechosenandanalyzedbasedonexperimentaldata.Itwasfoundthatthesoilgra

4、nulefinenessfractaldimensionhadmoreeffecton7dand28dunconfinedcompressionstrengththanthevolumeofPerma-Zymebythe3Dplotsofequations.7dand28dunconfinedcompressionstrengthincreasedassoilgranulefinenessfractaldimensionincreasedfrom2.2466to2.5031.Thetendencyofincreationisnonlinearandhas3sections（increasing

5、,fluctuating,increasingsharply）.Keywords:Perma-Zyme;unconfinedcompressionstrength;finenessfractaldimensionE-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

6、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5891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

7、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-mDax（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的差异，以M（x）表示小于粒径x的颗粒总质量，则有：M（x）=V（x）N（x）（6）将式（2），式（5）代入式（6）得：M（x）=ckx3-D（7）以M0表示系统颗粒总质量，则有：M0=xlimxM（x）=ckx3-mD（8）max由式（7），

8、式（8）导出M（x）=x3-Dx（9）对式（9）两边取对数，即得：lgM（x）0x=（3-D）lgxmaxx（10）分维D可以通过lgM（x）xx-lgmaxx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-x3-Dm11）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

9、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

10、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Table1Particlesizedistributionofsoilsandtheirsoiltexturetypes土样小于粒径（mm）的颗粒质量与总质量之比（%）编号0.50.250.050.010.0050.001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499.9696.0257.8026.8016.20

11、3.60砂壤土按照式（10），依据表1中的数据，分别计算lgM（x）M0x和lgxxmaxx。以lgM（x）xM0x为纵坐标，lgxx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Table2Finenessfractaldimensionofsoilparticlesizedistribution土样编号土壤质地DR21粗砂土2.24660.96522细砂土2.26390.95713面砂土2.37150.959842.50310.935

12、3590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-Zyme11X（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Table3Optimumwatercontentandmaximumdrydensityofsoilsamples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.

13、72砂壤土16.11.713.1.3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39.1mmH80mm，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202，相对湿度为532%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

14、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

15、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Table4Analysisof7dunconfinedcompressivestrengthregressionmodel参数参数估计R2FRatioProb（F）Durbin-Watsonstatistic显著性a-5462.64b6992.44高c-2981.210.9070.130.002.16度显d423.48著e3.05表52

16、8d无侧限抗压强度拟合模型回归分析Table5Analysisof28dunconfinedcompressivestrengtha-4185.00b5373.22高c-2298.170.98528.121.92度显d327.60著3.53y=a+bx1+cx21+dx31+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、28

17、d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

18、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modelvalidationJ.2006,134（3/4）:327-3342010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

19、抗压强度随土粒的细度分维的增加（D=2.24662.5031），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JZhangXinping,etal.ThepresentHongtao,GuHanlai，advancementonthestudyandapplicationofenzymesforsoilstabilizationinChinaJ.ChineseAgriculturalScienceBulletin,2007,23（8）:544-5

20、47（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.AnalysisoninfluencingfactorsofroadJ.surfacestructuredesignwithsoilzymestabilizationChineseandOverseasArchitecture,2006（1）:102-104（inChinese）3FilgueiraRR,FournierLL,CerisolaCI,etal.Particle-sizedistributioninsoils:acr

21、iticalstudyofthefractal4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.FractalpropertyofsoilparticlesizedistributionJ.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JPeiling，LuoYuanpei，ShiYuanchun.Fract

22、alpropertyofJ.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,2006,39processJ（10）:87-91（inCh

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