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        歐標ESCS與國標土壤分類差異性研究

        2022-08-04 12:53:52
        鐵道勘察 2022年4期
        關(guān)鍵詞:粒土液限細粒

        徐 皓

        (中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300142)

        近年來,隨著中國工程建設(shè)項目向海外基建市場拓展,除采用國內(nèi)標準以外,在部分發(fā)達國家,選擇歐標或美標進行勘察設(shè)計。已有眾多學(xué)者進行相關(guān)研究,胡建平提出中美歐土的分類標準模型轉(zhuǎn)換思路及程序,推動巖土工程“中國標準”的國際化進程[1];成利民從巖土規(guī)范的獨立性和集成度等方面分析中美歐巖土規(guī)范的共同點和差異性[2];王小明從中歐巖土勘察分級及分類方面,認為歐洲標準具有較強的通用性、理論性和靈活性[3]。目前,對中歐巖土勘察中土壤分類差異化研究的成果較少。依托匈塞鐵路(塞爾維亞段)項目,對歐標與國標土壤分類差異性進行深入研究。

        匈塞鐵路屬于泛歐交通走廊十號通道,連接塞爾維亞首都貝爾格萊德和匈牙利首都布達佩斯,線路全長約342.5km,其中匈牙利境內(nèi)約159.4km,塞爾維亞境內(nèi)約183.1km,設(shè)計標準全部采用歐洲標準和塞爾維亞標準。對比歐標、國標、鐵標,進行土壤分類差異化研究。對不同標準中土壤分類的依據(jù)、標準、方法、適用性以及差異進行對比分析。

        鐵路工程地質(zhì)工作的首要目的,是要先了解地基基礎(chǔ)的巖性,其次是了解地基基礎(chǔ)的工程力學(xué)特性,最后再了解各種特殊巖土以及不良地質(zhì)對鐵路構(gòu)筑物的影響及危害性[4]。因此,對于地基基礎(chǔ)所處的巖土分類定名及性質(zhì)的試驗,是開展鐵路工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)[5-7]。

        1 歐美土的分類標準

        歐洲標準化委員會技術(shù)委員會CEN/TC 341“巖土勘察與測試”2018年3月頒布以下標準:巖土勘察與測試-第一部分土壤的識別與分類EN ISO 14688—1:2018;第二部分土壤分類原則EN ISO 14688—2:2018。歐洲國家(即CEN成員)需要在2018年8月之前實施新的歐洲標準,包含匈塞鐵路項目的塞爾維亞與匈牙利兩國。

        2010年3月,所有歐盟國家原有勘察規(guī)范廢止以前,英國BS EN ISO 14688—2002與EN ISO 14688—2002一致,且與英國標準具有同等地位。

        新的歐洲標準帶來一些關(guān)于土壤識別與描述、以及一些土壤分類原則變化方面新穎的東西,其定義原則與基于美國標準ASTM D2487的統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)USCS大致相符合。根據(jù)“ESCS”分類標準,土壤分為粗粒土、細粒土、有機質(zhì)土。土的粒徑分布和稠度界限被應(yīng)用在土壤分類中。在此分類中,主要思想是用符號標識土壤組成的主要成分和次要成分。土壤的主要成分決定土的工程特性。次要成分不起決定性作用,但是會影響土的工程特性。這對于準備適用于實際工程目的的整體土壤分類非常重要。因此,要基于EN ISO 14688—1:2018和EN ISO 14688—2:2018研究出一種新的歐洲土壤分類系統(tǒng)“ESCS”。

        美國規(guī)范在勘察方面,主要有兩大體系,一是美國國家公路與運輸協(xié)會AASHTO的標準規(guī)范;二是美國材料與試驗協(xié)會ASTM的規(guī)范體系,其中ASTM規(guī)范體系,是美國建設(shè)工程和室內(nèi)土質(zhì)分類的標準依據(jù),應(yīng)用廣泛,為建設(shè)工程提供基礎(chǔ)設(shè)計依據(jù)。而在世界土木工程中,統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)“USCS”應(yīng)用較廣,由ASTM D2487-11提出。

        2 中國土的分類標準

        中國土的分類標準可以歸納為兩類:第一類是國家標準,代表為GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》[8]。其特點為:粗粒土按粒組、級配、細粒土含量分細類;細粒土按液限和塑性指數(shù)構(gòu)成的塑性圖分細類;細粒土與粗粒土以土顆粒通過0.075mm占總質(zhì)量的50%作為分界[9]。第二類是以不同建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的標準,如TB10077—2019《鐵路工程巖土分類標準》[10]。

        3 國標與歐標(ESCS)差異分析

        中歐土壤分類標準宏觀上劃分一致,均按粒徑范圍劃分,如把土顆粒分為巨粒、粗粒以及細粒三大類別,但在微觀上存在著些許差異,如土顆粒粒徑的劃分范圍、液塑性指標應(yīng)用等方面。

        3.1 粗粒土分類

        在國標分類中,巨粒土和粗粒土均按粒組劃分,粗粒土還進一步按顆粒級配以及細粒的含量進行劃分;細粒土則按照塑性圖進行劃分,構(gòu)成土壤基本分類體系,但具體巨粒土、粗粒土、細粒土劃分粒徑上,國標、鐵標、歐標ESCS存在些許差異,見表1。

        表1 粒組的劃分對比

        除粒徑劃分尺寸不同,砂類土和礫類土的詳細分類也存在著較大差異:國標根據(jù)細顆粒含量占比及土顆粒不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc值的范圍再細分為10類,見表2;鐵標對于粗細顆?;祀s的土,只在定義上有所體現(xiàn),定義為混合土,當主要含有物占總質(zhì)量的5%~25%時定義為微含,≥25%時定義為含;歐標將粒徑小于0.063mm的顆粒含量按占比小于5%、5%~15%、>15%分為3個級別,再根據(jù)Cu、Cc值細分為22類,見表3。

        表2 中國規(guī)范(GB/T 50145—2007)粗粒土、細粒土分類[8]

        表3 歐洲土壤分類標準ESCS 粗粒土分類

        國標將Cu≥5且Cc=1~3作為級配良好的條件,而鐵標并沒有引入級配概念。ESCS將Cu≥15且Cc=1~3作為級配良好的條件,并且在細粒含量在5%~15%范圍內(nèi),歐標的分類更加詳細。

        鐵標在粗粒土分類時,更側(cè)重于土的工程性質(zhì),包含密實程度、潮濕程度等特征進行分類定義。而國標和歐標更側(cè)重于根據(jù)土的細粒含量、級配參數(shù)等進行詳細分類。

        3.2 細粒土分類

        對于細粒土的分類,國標與歐標ESCS均根據(jù)塑性圖進行分類,根據(jù)塑性圖中“A”線上、下分為黏性土和粉土。國標“B”線(wL=50%)左側(cè)為低液限土,右側(cè)為高液限土,見圖1。歐標根據(jù)液限<35%、35%~50%、>50%分為高、中、低液限,見表4和圖2。兩者的“A”線縱坐標為塑性指數(shù),橫坐標為液限,劃分方式基本一致。而鐵標在細粒土分類中,對粉土的密實程度、潮濕程度的差異進行詳細分類,見表5、表6;對黏性土根據(jù)塑性指數(shù)分為粉質(zhì)黏土和黏土,再依據(jù)液性指數(shù)分為4個塑性狀態(tài),見表7、表8。只有在鐵路路基設(shè)計規(guī)范進行分類,A、B組填料多碎石類、礫石類、砂類土為主,細粒土多為C、D組填料[11],其中細粒土按照塑性圖再進行細分。

        表5 《鐵路工程巖土分類標準》密實程度判定

        表6 《鐵路工程巖土分類標準》潮濕程度判定

        表7 《鐵路工程巖土分類標準》 粉土、黏性土的劃分

        表8 《鐵路工程巖土分類標準》黏性土塑性狀態(tài)的劃分[10]

        圖1 國標塑性

        表4 歐洲土壤分類標準ESCS細粒土分類

        圖2 歐標ESCS塑性

        土工試驗是巖土工程勘察設(shè)計的基礎(chǔ)性工作,其試驗測試方法、儀器設(shè)備、執(zhí)行標準多方面的差異對測試結(jié)果有直接影響[12]。就試驗方法和設(shè)備而言,國標、鐵標與美標、歐標在液限與塑限的試驗方法上及設(shè)備選擇上雖存在差異,但要求與標準基本相同,國標、鐵標液限測定采用圓錐儀法(液、塑限聯(lián)合測定儀法)和碟式儀法,塑限測定采用圓錐儀法(液、塑限聯(lián)合測定儀法)和搓條法;歐標液限測定采用圓錐儀法,塑限測定采用搓條法;美標液限指標均采用碟式儀法測定、塑限采用搓條法和滾搓儀法。

        中國、歐洲標準中雖都采用圓錐儀法測定液限,但圓錐儀的參數(shù)不盡相同[13],國標圓錐質(zhì)量為76g,錐尖下沉深度為10mm或者17mm[14];而歐標圓錐質(zhì)量80g,錘尖下沉深度為20mm[15];美標采用單點、多點碟式儀測定液限方法[15]。除國標塑限測定可采用聯(lián)合測定儀法,國標、歐標、美標塑限的測定都采用滾搓法,該法最大的缺點是人為因素影響大,而美國標準中提供滾搓儀法,可減少人為因素的影響。當采用相同方法測定液、塑限時,各標準中試驗步驟大體相同,只是在一些具體細節(jié)和要求上存在差異。各標準中,圓錐儀法和多點碟式儀法均是通過在相應(yīng)坐標系上建立含水率與圓錐入土深度(或敲擊次數(shù))的關(guān)系曲線來確定液限;塑限則是通過規(guī)定土條斷裂時的直徑來確定。值得注意的是,中國標準中存在兩個液限,其中入土深度為17mm所對應(yīng)的液限更準確,鐵標同樣采用入土深度17mm對應(yīng)的液限為標準,但現(xiàn)行國家標準GB50021—2018(2018年版)《巖土工程勘察規(guī)范》仍按10mm液限計算塑性指數(shù)和液性指數(shù)。

        4 結(jié)束語

        (1)對于粗粒土的分類,國標和歐標的最大直徑都為200mm,鐵標的最大粒徑為800mm,歐標粉土分類更細致。除各個級配的粒徑在數(shù)值上存在部分差異,其余粒組的分類基本類似。

        (2)對于細粒土的分類,國標和歐標的A線斜率一致,均存在黏土、粉土過渡區(qū),但歐標根據(jù)液限的范圍分為4個類別,國標為2個類別,鐵標僅根據(jù)塑性指數(shù)將細粒土分為粉土、粉黏、黏土3個大類,并根據(jù)粉土的密實程度、潮濕程度,黏性土的塑性狀態(tài)進行進一步細分。

        (3)國標將Cu≥5且Cc=1~3作為級配良好的條件,ESCS將Cu≥15且Cc=1~3作為級配良好的條件,并且在細粒含量在5%~15%范圍內(nèi),歐標的分類更加詳細。

        (4)實驗儀器與試驗方法方面,國標的液塑限試驗方法種類更多,也趨于更高效快捷。

        (5)鐵路規(guī)范中,土的劃分只考慮了粒徑范圍,并依據(jù)多數(shù)粒組含量下限值進行定義,未能很好地反映土的工程特性。而歐標通過土類代號可以將次要成分和次次要成分進行標識說明,并引入百分比含量和級配特征,能更好地反映土的工程特性。

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