胡建平，吳朝東（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

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中美土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

胡建平，吳朝東
（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

目前，國(guó)際上已形成以美國(guó)（USCS）為依據(jù)的土質(zhì)統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)（ASTM），與中國(guó)規(guī)范分類標(biāo)準(zhǔn)不同。因此，開展中美土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)研究，提出建立中美土質(zhì)分類指標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型，采用二叉樹遍歷算法實(shí)現(xiàn)中國(guó)規(guī)范與ASTM土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)模型之間轉(zhuǎn)換，能夠有效突破中美巖土工程土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)差異所形成的障礙。程序集成了信息配置、導(dǎo)入接口、計(jì)算、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出接口等5大模塊，用戶通過(guò)操作友好的人-機(jī)交互界面，既適應(yīng)我國(guó)國(guó)情使用習(xí)慣，又符合中美二國(guó)土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)要求，所用方法對(duì)中國(guó)企業(yè)開拓海外市場(chǎng)具有參考價(jià)值。

中國(guó)規(guī)范；美標(biāo)；土質(zhì)分類；算法；模塊

引　言

20世紀(jì)40年代Casagrande所提出統(tǒng)一土質(zhì)分類方法（USCS）是一種服務(wù)于工程目的土質(zhì)分類方法，1952年被美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)所采納。此后，美國(guó)統(tǒng)一建筑規(guī)范（uniform building code）將其納入并作了補(bǔ)充與完善，形成了ASTM D 2487統(tǒng)一土質(zhì)分類方法（簡(jiǎn)稱：美標(biāo)或ASTM），作為現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)土的分類標(biāo)準(zhǔn)，為工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了客觀實(shí)際的依據(jù)［1］。我國(guó)規(guī)范與美標(biāo)對(duì)土的分類方法和分類標(biāo)準(zhǔn)也存在著差異，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》［2］，礫砂土的分類組符共10項(xiàng)，組名達(dá)10項(xiàng)，而ASTM礫砂土的分類組符共18項(xiàng)，組名達(dá)36項(xiàng)；又如細(xì)類土的組符4項(xiàng)，組名僅10項(xiàng)左右，而ASTM細(xì)類土的組符5項(xiàng)，組名達(dá)35項(xiàng)等；中國(guó)行業(yè)和地方規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與ASTM也存在類似情況。采用中國(guó)規(guī)范實(shí)施土的工程分類往往不被國(guó)際咨詢公司、海外業(yè)主或外方設(shè)計(jì)認(rèn)可；故需花費(fèi)大量時(shí)間和精力進(jìn)行中國(guó)規(guī)范與美標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)中或外方審查，對(duì)工程的順利推進(jìn)造成了很大影響。

本文詳細(xì)分析中美巖土工程土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)之差異，提出軟件設(shè)計(jì)解決二者模型之間參數(shù)無(wú)縫轉(zhuǎn)換，分別建立《巖土工程勘察規(guī)范》［3］、《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［4］、《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》［5］、《公路勘測(cè)規(guī)范》［6］、《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》［7］等我國(guó)地方、行業(yè)及國(guó)家采用規(guī)范各類特征模型（簡(jiǎn)稱中國(guó)規(guī)范或CC），及美標(biāo)ASTM 土質(zhì)分類模型。設(shè)計(jì)的軟件程序集成了信息配置、導(dǎo)入接口、計(jì)算、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出接口等5大模塊，通過(guò)操作便利人-機(jī)交互界面，快速實(shí)現(xiàn)二國(guó)土質(zhì)分類模型之間切換，既適應(yīng)我國(guó)國(guó)情使用習(xí)慣，又符合中美二國(guó)土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)本設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)能夠有效突破中美巖土工程土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)差異所構(gòu)成的障礙，對(duì)中國(guó)企業(yè)開拓海外市場(chǎng)具有參考價(jià)值。

1　中國(guó)規(guī)范與美標(biāo)分類異同

中國(guó)規(guī)范對(duì)土質(zhì)分類基本以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》［2］土類名稱和分類方法為實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，把土的顆粒粒徑大小劃分成巨、粗、細(xì)粒土3類；而ASTM是以過(guò)篩情況來(lái)劃分，其中ASTM中要求粒徑為試驗(yàn)篩所對(duì)應(yīng)的孔徑，形成粗、細(xì)粒土2類［8］。中國(guó)規(guī)范將粒徑d≤0.075 mm的顆粒含量大于或等于50%的土按CC塑性圖（WL～I(xiàn)p）定名為細(xì)粒土；將粒徑0.075 mm＜d≤60 mm顆粒含量大于50%的土定名為粗粒土；將粒徑d＞60 mm顆粒含量大于50%的土定名為巨粒土。ASTM中是將顆粒直徑通過(guò)75 μm篩的顆粒含量大于或等于50%的土按ASTM塑性圖（LL～PI）定名為細(xì)粒土，否則歸為粗粒土（包括礫石、砂）。

1.1細(xì)粒土分類差異

中國(guó)規(guī)范與美標(biāo)針對(duì)細(xì)粒土的分類方法均采用塑性圖進(jìn)行分類，規(guī)定“A”線上半?yún)^(qū)為粘土，下半?yún)^(qū)為粉土；“B”線左區(qū)為低液限土，右區(qū)為高液限土，二者的劃分方式基本相同（如圖1、圖2所示）。差異在于細(xì)粒土的分類中，美標(biāo)較中國(guó)規(guī)范在塑限圖分類中多出一條“U”線，“U”線指液限等于16時(shí)需采用U線PI=0.9（LL-8）公式來(lái)劃分，因此美標(biāo)針對(duì)細(xì)粒土的分類劃分較中國(guó)規(guī)范更為細(xì)致。

圖1　CC GB/T 50145-2007塑限

圖2　ASTM D 2408塑限

1.2粗粒土分類差異

美標(biāo)把礫石含量大于 50%的土定名為礫石或礫類土，砂含量大于50%的土定名為砂類土，按照細(xì)顆粒含量的百分比和顆粒級(jí)配（顆分曲線的曲率系數(shù)Cc和不均勻系數(shù)Cu）在將這兩類土進(jìn)行細(xì)分，這一點(diǎn)CC與ASTM的方法基本一致。

以砂粒土為例：1）CC中是先按照小于0.075 mm顆粒含量分為＜5%、5%～15%、＞15%三個(gè)級(jí)別，再根據(jù)Cu≥5且Cc=1～3輔助條件分成級(jí)配良好砂（SW）、級(jí)配不良砂（SP）等5項(xiàng)，如圖3所示。

圖3　CC GB/T 50145-2007砂類土分類

2）ASTM是將小于75 μm顆粒的含量為＜5%、5%～12%和＞12%三個(gè)級(jí)別，再根據(jù)Cu、Cc等輔助條件判別砂類土，對(duì)細(xì)粒含量大于＞5%的土結(jié)合ASTM塑限圖再進(jìn)行細(xì)分，從而使砂粒土分類組達(dá)到9項(xiàng)，土名達(dá)到18項(xiàng)之多（如圖4所示），這說(shuō)明ASTM砂類土的分類劃CC更細(xì)致與復(fù)雜。

圖4　ASTM砂類土分類

2　功能模塊及算法設(shè)計(jì)

根據(jù)上述CC與ASTM土的分類特征，以及現(xiàn)有土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)之復(fù)雜，模型轉(zhuǎn)換技術(shù)所存在的功能不全、導(dǎo)入及導(dǎo)出接口適應(yīng)性弱、語(yǔ)言障礙等一些列問(wèn)題［9～10］。為實(shí)現(xiàn)中美土質(zhì)分類兩套模型之間對(duì)應(yīng)關(guān)系自動(dòng)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)的主要模塊包括信息配置、導(dǎo)入接口、計(jì)算、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出接口等5項(xiàng)，通過(guò)人-機(jī)交互界面集成，軟件實(shí)施轉(zhuǎn)換框圖如圖 5所示。算法設(shè)計(jì)采用中～美塑限圖模塊調(diào)用、二叉樹遍歷貪心算法等，其轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性及效率高；通過(guò)本設(shè)計(jì)方案能夠幫助我國(guó)企業(yè)克服中美標(biāo)準(zhǔn)不同所形成的障礙。

圖5　土質(zhì)分類轉(zhuǎn)換模型

2.1信息配置模塊

信息配置模塊用來(lái)設(shè)定計(jì)算依據(jù)以及用于工程名稱、日期、用戶姓名等基本信息錄入。該信息配置模塊用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的我國(guó)各種常用巖土工程規(guī)范格式模型，如：《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》［2］、《巖土工程勘察規(guī)范》［3］等，從中選擇本次轉(zhuǎn)換所對(duì)應(yīng)的規(guī)范模型，并以此來(lái)作為計(jì)算依據(jù)；同時(shí)根據(jù)確定的規(guī)范模型錄入本次轉(zhuǎn)換所需的基本信息，包括工程名稱、規(guī)范類型、導(dǎo)入及導(dǎo)出類型、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)入或?qū)С雎窂降取?/p>

根據(jù)實(shí)際需要，除了上述功能外，信息配置模塊中還具有用于實(shí)現(xiàn)各類規(guī)范改版、升級(jí)或更新所涉及的規(guī)范庫(kù)維護(hù)模塊。

2.2導(dǎo)入接口模塊

根據(jù)信息配置模塊配置的信息所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)入接口類型，用戶選擇 .xls、.ktg、.txt等任意數(shù)據(jù)格式電子文件（如圖6所示），軟件自動(dòng)把土的物理、力學(xué)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入當(dāng)前土工數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)施數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型變更、參數(shù)合并等步驟。根據(jù)導(dǎo)入規(guī)則，設(shè)有出錯(cuò)判別、糾錯(cuò)提示及顯示處理程序。

圖6　轉(zhuǎn)換示意

2.3計(jì)算模塊

貪心算法對(duì)問(wèn)題求解時(shí)，總能做出當(dāng)前最佳選擇，實(shí)現(xiàn)某種意義上的局部最優(yōu)解。通過(guò)解局部最優(yōu)策略來(lái)達(dá)到全局最優(yōu)解。程序設(shè)計(jì)選用二叉樹遍歷貪心算法，該算法運(yùn)行采用自頂向下的遞歸方式，判定樹的最頂節(jié)點(diǎn)是根結(jié)點(diǎn)（參照?qǐng)D4所示，砂為初始根結(jié)點(diǎn)），樹的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)表示上一個(gè)根結(jié)點(diǎn)的分類（如細(xì)顆粒＜5%、細(xì)顆粒5%～12%、細(xì)顆粒＞12%），從該結(jié)點(diǎn)向下的每個(gè)分支代表進(jìn)一步的分類輸出，在樹的葉結(jié)點(diǎn)得到最終的分類結(jié)果（如級(jí)配良好砂、粉土質(zhì)砂、黏土質(zhì)砂等）。判定樹的優(yōu)點(diǎn)在于它的直觀性和程序易讀性，判定樹方法不僅能作出判斷和分類，而且運(yùn)行過(guò)程、提取方式、分類規(guī)則選取等軟件復(fù)雜性低，占用計(jì)算機(jī)資源少的特點(diǎn)。

根據(jù)土質(zhì)分類二叉樹遍歷算法模塊，對(duì)巨粒類、礫粒類、砂粒類、細(xì)粒類土的相對(duì)含量按中美規(guī)范模型進(jìn)行分類及劃分計(jì)算，并存入相應(yīng)字符段內(nèi)，并依據(jù)粗粒類（礫或砂）粒組、級(jí)配、細(xì)粒土含量劃分原則，自調(diào)用不均勻系數(shù) Cu和曲率系數(shù)Cc計(jì)算模塊，確定土顆粒級(jí)配，完成整個(gè)算法遍歷過(guò)程。

2.4導(dǎo)出模塊

導(dǎo)出接口模塊設(shè)計(jì)用于滿足各類高級(jí)應(yīng)用的不同接口類型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享之需求。導(dǎo)出適用于各類數(shù)據(jù)庫(kù)接口訪問(wèn)的文件，如：.xls、.mdb、.frm、.db、.dbf、.xml、.txt等后綴的數(shù)據(jù)格式文件，或用于其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入。導(dǎo)出模塊還可用于選擇單孔、多孔數(shù)據(jù)導(dǎo)出或全部（整個(gè)工程）導(dǎo)出，導(dǎo)出文件格式選擇，字段重置、數(shù)據(jù)排序、打印輸出等。

所述不同接口類型指不同軟件或采集裝置讀取的數(shù)據(jù)格式，如自動(dòng)生成供北京華勘科技土工自動(dòng)化采集處理系統(tǒng)采集的KTG數(shù)據(jù)格式：

文件第1行：試樣總數(shù)，+工程編號(hào)，+年，+月，+日，+工程名稱…；

文件第2行：“KF：”+顆分試驗(yàn)級(jí)數(shù)+顆粒大?。ㄈ纾?0，10，5，2等）…；

文件第3行：NO，+序號(hào)+土樣編號(hào)+鉆孔編號(hào)+取土深度…；

文件第 4行：WL，+含水率+密度+干密度+濕重度+干重度…；

由此，本模塊導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式必須與上述要求一致，方便華勘自動(dòng)化采集設(shè)備讀取。導(dǎo)出的格式越多，也代表著軟件通用性或兼容性強(qiáng)。此處僅僅舉華勘一個(gè)例子（導(dǎo)出KTG文本格式），實(shí)際上本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出多種格式數(shù)據(jù)（如圖6所示），從而實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間或不同軟件之間數(shù)據(jù)共享。

3　工程應(yīng)用

2011～2013年期間，我公司承接國(guó)外某總承包項(xiàng)目，該項(xiàng)目實(shí)行國(guó)際招投標(biāo)（EPC）。在勘察成果的基礎(chǔ)上，需查明工程影響范圍內(nèi)基巖土層的分布發(fā)育規(guī)律和工程特性，提供地基巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)，對(duì)擬建區(qū)域地基處理進(jìn)行的評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)和施工提供地質(zhì)依據(jù)和巖土參數(shù)。巖土工程工作和服務(wù)所取得的第一手資料必須供中外承包商采用，業(yè)主和管理方要求土質(zhì)分類系統(tǒng)按美標(biāo) ASTM D 2487提交中英文報(bào)告。運(yùn)行我公司自主開發(fā)的“三航院美標(biāo)與國(guó)標(biāo)巖土測(cè)試數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) V2.0”界面如圖7。

圖7　分類轉(zhuǎn)換軟件運(yùn)行界面

美標(biāo)V2.0集成了中美土質(zhì)分類模型轉(zhuǎn)換5大模塊，包含了“華勘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”、“打印輸出”、“CAD接口數(shù)據(jù)”、“ASTM-GB批處理”等14項(xiàng)子模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件控制、鉆孔數(shù)據(jù)劃分、數(shù)據(jù)傳輸及中英文版巖土分類及測(cè)試成果輸出為一體，并提供土質(zhì)物理、力學(xué)分類指標(biāo)統(tǒng)計(jì)等功能，基本滿足所有采用中美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的海內(nèi)外工程。

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50145-2007轉(zhuǎn)換成美標(biāo)ASTM D 2487為實(shí)例；導(dǎo)入數(shù)據(jù)為華勘自動(dòng)化采集接口KTG格式數(shù)據(jù)；導(dǎo)出數(shù)據(jù)為Excel數(shù)據(jù)表接口文件*.xls，如圖8所示。

從工程現(xiàn)場(chǎng)400多個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)程序運(yùn)行的效果驗(yàn)證，該轉(zhuǎn)換模型程序應(yīng)用基本滿足中國(guó)規(guī)范和美標(biāo)土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，二者模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)出模塊生成的中文版土工試驗(yàn)總表符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，生成的英文版也滿足美標(biāo)要求，且效率極高，工程進(jìn)展及成果質(zhì)量獲得了業(yè)主和設(shè)計(jì)方的認(rèn)可與好評(píng)。

4　結(jié)　語(yǔ)

1）程序設(shè)計(jì)集成信息配置、導(dǎo)入接口、計(jì)算、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出接口等五大獨(dú)立模塊，形成了一套既符合現(xiàn)有國(guó)情使用習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)了中美土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)模型之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2）土質(zhì)分類集成了眾多行業(yè)、地方及國(guó)家常用規(guī)范模型，并設(shè)計(jì)了針對(duì)各類規(guī)范升所涉及的維護(hù)模塊，使軟件具有良好的生命力。

3）接口設(shè)計(jì)適應(yīng)類型廣泛，算法選用合理，運(yùn)行效率高，達(dá)到數(shù)據(jù)共享之需求。

中美土質(zhì)分類轉(zhuǎn)換模型軟件是基于國(guó)外實(shí)際工程測(cè)試結(jié)果建立的，中國(guó)規(guī)范之間僅涉及《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》［2］等3種，覆蓋面不足。需繼續(xù)擴(kuò)充現(xiàn)行行業(yè)及地方中國(guó)規(guī)范庫(kù)，增加歐洲巖土標(biāo)準(zhǔn)Eurocode 7轉(zhuǎn)換模塊，形成一個(gè)更為完整、功能強(qiáng)大的中美歐土質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，助我中國(guó)企業(yè)走向世界。

本文依據(jù)“中美巖土工程土壤分類標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換裝置及方法”（發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410717458.9）及“美標(biāo)與國(guó)標(biāo)巖土測(cè)試數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)V2.0”（軟件著作權(quán)登記號(hào)：2014SR018000）的內(nèi)容撰寫。該項(xiàng)目成果已在國(guó)外多項(xiàng)工程中應(yīng)用，效果良好。文章公開本軟件設(shè)計(jì)，期望共同推進(jìn)整個(gè)行業(yè)的科技進(jìn)步。

［1］ASTM.Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purpose （Unified Soil Classification）［S］.ASTM Standard D 2487-00.ASTM International ，West Conshohocken：1428-2959.

［2］GB/T 50145-2007 土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

［3］GB 50021-2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］GB/T 50123-1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

［5］TB 10102-2010 鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

［6］JTG E40-2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［7］JTS 133-2013 水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2013.

［8］馮蓓蕾，周偉兵.基于土壤分類的ASTM（美標(biāo)）與國(guó)標(biāo)之異同研究［J］.水運(yùn)工程，2013，（10）：224-228.

［9］胡建平.KTG土工試驗(yàn)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換［J］.上海地質(zhì)，2004，（2）：54-56.

［10］丁其兵，許永斌，沈忠炎.英美土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)標(biāo)的主要區(qū)別［J］.廣東土木與建筑，2010，（10）：19-21.

Design of Model Conversion Program Based on Chinese and American Soil Classification Standards

Hu Jianping，Wu Chaodong
（CCCC Third Harbor Consultants Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China）

At present，a unified soil classification standard by ASTM based on USCS has been well known in the world，which is different from Chinese standard.Therefore，it is necessary to study Chinese and American soil classification standards，build a data model for the conversion between Chinese and American soil classification indices，and achieve the successful conversion between Chinese and ASTM soil classification model by using binary tree traversal algorithm.The above work can effectively eliminate the obstacles caused by the difference between Chinese and American standards on the geotechnical engineering soil classification.The model conversion program integrates five modules，i.e.information configuration，leading-in interface，calculation，conversion and leading-out interface.Users apply operation-friendly man-machine interface，which accords with not only the habit of Chinese customers，but also the soil classification requirements of the above two countries.The design method serves as a reference for Chinese enterprises developing the markets overseas.

Chinese standard； American standard； soil classification； algorithm； module

P642.1

A

1004-9592（2016）04-0074-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160418

2015-10-19

胡建平（1956-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察技術(shù)開發(fā)和管理工作。