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

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中美土質(zhì)分類標準模型轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

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

目前，國際上已形成以美國（USCS）為依據(jù)的土質(zhì)統(tǒng)一分類標準（ASTM），與中國規(guī)范分類標準不同。因此，開展中美土質(zhì)分類標準研究，提出建立中美土質(zhì)分類指標轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型，采用二叉樹遍歷算法實現(xiàn)中國規(guī)范與ASTM土質(zhì)分類標準模型之間轉(zhuǎn)換，能夠有效突破中美巖土工程土質(zhì)分類標準差異所形成的障礙。程序集成了信息配置、導入接口、計算、轉(zhuǎn)換、導出接口等5大模塊，用戶通過操作友好的人-機交互界面，既適應(yīng)我國國情使用習慣，又符合中美二國土的工程分類標準要求，所用方法對中國企業(yè)開拓海外市場具有參考價值。

中國規(guī)范；美標；土質(zhì)分類；算法；模塊

引　言

20世紀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年被美國陸軍工程兵團所采納。此后，美國統(tǒng)一建筑規(guī)范（uniform building code）將其納入并作了補充與完善，形成了ASTM D 2487統(tǒng)一土質(zhì)分類方法（簡稱：美標或ASTM），作為現(xiàn)場和室內(nèi)土的分類標準，為工程地基基礎(chǔ)設(shè)計提供了客觀實際的依據(jù)［1］。我國規(guī)范與美標對土的分類方法和分類標準也存在著差異，如國家標準《土的工程分類標準》［2］，礫砂土的分類組符共10項，組名達10項，而ASTM礫砂土的分類組符共18項，組名達36項；又如細類土的組符4項，組名僅10項左右，而ASTM細類土的組符5項，組名達35項等；中國行業(yè)和地方規(guī)范標準與ASTM也存在類似情況。采用中國規(guī)范實施土的工程分類往往不被國際咨詢公司、海外業(yè)主或外方設(shè)計認可；故需花費大量時間和精力進行中國規(guī)范與美標對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)中或外方審查，對工程的順利推進造成了很大影響。

本文詳細分析中美巖土工程土質(zhì)分類標準之差異，提出軟件設(shè)計解決二者模型之間參數(shù)無縫轉(zhuǎn)換，分別建立《巖土工程勘察規(guī)范》［3］、《土工試驗方法標準》［4］、《鐵路工程巖土分類標準》［5］、《公路勘測規(guī)范》［6］、《水運工程巖土勘察規(guī)范》［7］等我國地方、行業(yè)及國家采用規(guī)范各類特征模型（簡稱中國規(guī)范或CC），及美標ASTM 土質(zhì)分類模型。設(shè)計的軟件程序集成了信息配置、導入接口、計算、轉(zhuǎn)換、導出接口等5大模塊，通過操作便利人-機交互界面，快速實現(xiàn)二國土質(zhì)分類模型之間切換，既適應(yīng)我國國情使用習慣，又符合中美二國土的工程分類標準要求。通過本設(shè)計軟件系統(tǒng)能夠有效突破中美巖土工程土質(zhì)分類標準差異所構(gòu)成的障礙，對中國企業(yè)開拓海外市場具有參考價值。

1　中國規(guī)范與美標分類異同

中國規(guī)范對土質(zhì)分類基本以國家標準《土的工程分類標準》［2］土類名稱和分類方法為實用標準，把土的顆粒粒徑大小劃分成巨、粗、細粒土3類；而ASTM是以過篩情況來劃分，其中ASTM中要求粒徑為試驗篩所對應(yīng)的孔徑，形成粗、細粒土2類［8］。中國規(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～Ip）定名為細粒土；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）定名為細粒土，否則歸為粗粒土（包括礫石、砂）。

1.1細粒土分類差異

中國規(guī)范與美標針對細粒土的分類方法均采用塑性圖進行分類，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）。差異在于細粒土的分類中，美標較中國規(guī)范在塑限圖分類中多出一條“U”線，“U”線指液限等于16時需采用U線PI=0.9（LL-8）公式來劃分，因此美標針對細粒土的分類劃分較中國規(guī)范更為細致。

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，按照細顆粒含量的百分比和顆粒級配（顆分曲線的曲率系數(shù)Cc和不均勻系數(shù)Cu）在將這兩類土進行細分，這一點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%三個級別，再根據(jù)Cu≥5且Cc=1～3輔助條件分成級配良好砂（SW）、級配不良砂（SP）等5項，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%三個級別，再根據(jù)Cu、Cc等輔助條件判別砂類土，對細粒含量大于＞5%的土結(jié)合ASTM塑限圖再進行細分，從而使砂粒土分類組達到9項，土名達到18項之多（如圖4所示），這說明ASTM砂類土的分類劃CC更細致與復雜。

圖4　ASTM砂類土分類

2　功能模塊及算法設(shè)計

根據(jù)上述CC與ASTM土的分類特征，以及現(xiàn)有土質(zhì)分類標準之復雜，模型轉(zhuǎn)換技術(shù)所存在的功能不全、導入及導出接口適應(yīng)性弱、語言障礙等一些列問題［9～10］。為實現(xiàn)中美土質(zhì)分類兩套模型之間對應(yīng)關(guān)系自動轉(zhuǎn)換，設(shè)計的主要模塊包括信息配置、導入接口、計算、轉(zhuǎn)換、導出接口等5項，通過人-機交互界面集成，軟件實施轉(zhuǎn)換框圖如圖 5所示。算法設(shè)計采用中～美塑限圖模塊調(diào)用、二叉樹遍歷貪心算法等，其轉(zhuǎn)換的準確性及效率高；通過本設(shè)計方案能夠幫助我國企業(yè)克服中美標準不同所形成的障礙。

圖5　土質(zhì)分類轉(zhuǎn)換模型

2.1信息配置模塊

信息配置模塊用來設(shè)定計算依據(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設(shè)置數(shù)據(jù)庫中存儲的我國各種常用巖土工程規(guī)范格式模型，如：《土的工程分類標準》［2］、《巖土工程勘察規(guī)范》［3］等，從中選擇本次轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的規(guī)范模型，并以此來作為計算依據(jù)；同時根據(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、導入及導出類型、計算標準、導入或?qū)С雎窂降取?/p>

根據(jù)實際需要，除了上述功能外，信息配置模塊中還具有用于實現(xiàn)各類規(guī)范改版、升級或更新所涉及的規(guī)范庫維護模塊。

2.2導入接口模塊

根據(jù)信息配置模塊配置的信息所對應(yīng)的導入接口類型，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），軟件自動把土的物理、力學等試驗數(shù)據(jù)導入當前土工數(shù)據(jù)庫中，并實施數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型變更、參數(shù)合并等步驟。根據(jù)導入規(guī)則，設(shè)有出錯判別、糾錯提示及顯示處理程序。

圖6　轉(zhuǎn)換示意

2.3計算模塊

貪心算法對問題求解時，總能做出當前最佳選擇，實現(xiàn)某種意義上的局部最優(yōu)解。通過解局部最優(yōu)策略來達到全局最優(yōu)解。程序設(shè)計選用二叉樹遍歷貪心算法，該算法運行采用自頂向下的遞歸方式，判定樹的最頂節(jié)點是根結(jié)點（參照圖4所示，砂為初始根結(jié)點），樹的內(nèi)部結(jié)點表示上一個根結(jié)點的分類（如細顆粒＜5%、細顆粒5%～12%、細顆粒＞12%），從該結(jié)點向下的每個分支代表進一步的分類輸出，在樹的葉結(jié)點得到最終的分類結(jié)果（如級配良好砂、粉土質(zhì)砂、黏土質(zhì)砂等）。判定樹的優(yōu)點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，而且運行過程、提取方式、分類規(guī)則選取等軟件復雜性低，占用計算機資源少的特點。

根據(jù)土質(zhì)分類二叉樹遍歷算法模塊，對巨粒類、礫粒類、砂粒類、細粒類土的相對含量按中美規(guī)范模型進行分類及劃分計算，并存入相應(yīng)字符段內(nèi)，并依據(jù)粗粒類（礫或砂）粒組、級配、細粒土含量劃分原則，自調(diào)用不均勻系數(shù) Cu和曲率系數(shù)Cc計算模塊，確定土顆粒級配，完成整個算法遍歷過程。

2.4導出模塊

導出接口模塊設(shè)計用于滿足各類高級應(yīng)用的不同接口類型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享之需求。導出適用于各類數(shù)據(jù)庫接口訪問的文件，如：.xls、.mdb、.frm、.db、.dbf、.xml、.txt等后綴的數(shù)據(jù)格式文件，或用于其他標準數(shù)據(jù)庫導入。導出模塊還可用于選擇單孔、多孔數(shù)據(jù)導出或全部（整個工程）導出，導出文件格式選擇，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，如自動生成供北京華勘科技土工自動化采集處理系統(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，+年，+月，+日，+工程名稱…；

文件第2行：“KF：”+顆分試驗級數(shù)+顆粒大小（如：20，10，5，2等）…；

文件第3行：NO，+序號+土樣編號+鉆孔編號+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，本模塊導出的數(shù)據(jù)格式必須與上述要求一致，方便華勘自動化采集設(shè)備讀取。導出的格式越多，也代表著軟件通用性或兼容性強。此處僅僅舉華勘一個例子（導出KTG文本格式），實際上本設(shè)計可實現(xiàn)導出多種格式數(shù)據(jù)（如圖6所示），從而實現(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，我公司承接國外某總承包項目，該項目實行國際招投標（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指標，對擬建區(qū)域地基處理進行的評價，為設(shè)計和施工提供地質(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 ASTM D 2487提交中英文報告。運行我公司自主開發(fā)的“三航院美標與國標巖土測試數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) V2.0”界面如圖7。

圖7　分類轉(zhuǎn)換軟件運行界面

美標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項子模塊，實現(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試成果輸出為一體，并提供土質(zhì)物理、力學分類指標統(tǒng)計等功能，基本滿足所有采用中美標準規(guī)范的海內(nèi)外工程。

以國家標準 GB/T 50145-2007轉(zhuǎn)換成美標ASTM D 2487為實例；導入數(shù)據(jù)為華勘自動化采集接口KTG格式數(shù)據(jù)；導出數(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400多個鉆孔數(shù)據(jù)程序運行的效果驗證，該轉(zhuǎn)換模型程序應(yīng)用基本滿足中國規(guī)范和美標土質(zhì)分類標準，二者模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件實現(xiàn)。導出模塊生成的中文版土工試驗總表符合中國國家標準的要求，生成的英文版也滿足美標要求，且效率極高，工程進展及成果質(zhì)量獲得了業(yè)主和設(shè)計方的認可與好評。

4　結(jié)　語

1）程序設(shè)計集成信息配置、導入接口、計算、轉(zhuǎn)換、導出接口等五大獨立模塊，形成了一套既符合現(xiàn)有國情使用習慣，實現(xiàn)了中美土質(zhì)分類標準模型之間自動轉(zhuǎn)換。

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

3）接口設(shè)計適應(yīng)類型廣泛，算法選用合理，運行效率高，達到數(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外實際工程測試結(jié)果建立的，中國規(guī)范之間僅涉及《土的工程分類標準》［2］等3種，覆蓋面不足。需繼續(xù)擴充現(xiàn)行行業(yè)及地方中國規(guī)范庫，增加歐洲巖土標準Eurocode 7轉(zhuǎn)換模塊，形成一個更為完整、功能強大的中美歐土質(zhì)分類標準模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，助我中國企業(yè)走向世界。

本文依據(jù)“中美巖土工程土壤分類標準轉(zhuǎn)換裝置及方法”（發(fā)明專利申請?zhí)枺?01410717458.9）及“美標與國標巖土測試數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)V2.0”（軟件著作權(quán)登記號：2014SR018000）的內(nèi)容撰寫。該項目成果已在國外多項工程中應(yīng)用，效果良好。文章公開本軟件設(shè)計，期望共同推進整個行業(yè)的科技進步。

［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 土的工程分類標準［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

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

［4］GB/T 50123-1999 土工試驗方法標準［S］.北京：中國計劃出版社，1999.

［5］TB 10102-2010 鐵路工程巖土分類標準［S］.北京：中國鐵道出版社，2011.

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

［7］JTS 133-2013 水運工程巖土勘察規(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）與國標之異同研究［J］.水運工程，2013，（10）：224-228.

［9］胡建平.KTG土工試驗自動化采集系統(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.英美土工試驗標準與國標的主要區(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，教授級高級工程師，主要從事巖土工程勘察技術(shù)開發(fā)和管理工作。