中美土質分類標準模型轉換程序設計

胡建平，吳朝東（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

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中美土質分類標準模型轉換程序設計

胡建平，吳朝東
（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

目前，國際上已形成以美國（USCS）為依據的土質統一分類標準（ASTM），與中國規范分類標準不同。因此，開展中美土質分類標準研究，提出建立中美土質分類指標轉換數據模型，采用二叉樹遍歷算法實現中國規范與ASTM土質分類標準模型之間轉換，能夠有效突破中美巖土工程土質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開拓海外市場具有參考價值。

中國規范；美標；土質分類；算法；模塊

引　言

20世紀40年代Casagrande所提出統一土質分類方法（USCS）是一種服務于工程目的土質分類方法，1952年被美國陸軍工程兵團所采納。此后，美國統一建筑規范（uniform building code）將其納入并作了補充與完善，形成了ASTM D 2487統一土質分類方法（簡稱：美標或ASTM），作為現場和室內土的分類標準，為工程地基基礎設計提供了客觀實際的依據［1］。我國規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；中國行業和地方規范標準與ASTM也存在類似情況。采用中國規范實施土的工程分類往往不被國際咨詢公司、海外業主或外方設計認可；故需花費大量時間和精力進行中國規范與美標對應關系轉換，以適應中或外方審查，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分類標準之差異，提出軟件設計解決二者模型之間參數無縫轉換，分別建立《巖土工程勘察規范》［3］、《土工試驗方法標準》［4］、《鐵路工程巖土分類標準》［5］、《公路勘測規范》［6］、《水運工程巖土勘察規范》［7］等我國地方、行業及國家采用規范各類特征模型（簡稱中國規范或CC），及美標ASTM 土質分類模型。設計的軟件程序集成了信息配置、導入接口、計算、轉換、導出接口等5大模塊，通過操作便利人-機交互界面，快速實現二國土質分類模型之間切換，既適應我國國情使用習慣，又符合中美二國土的工程分類標準要求。通過本設計軟件系統能夠有效突破中美巖土工程土質分類標準差異所構成的障礙，對中國企業開拓海外市場具有參考價值。

1　中國規范與美標分類異同

中國規范對土質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的孔徑，形成粗、細粒土2類［8］。中國規范將粒徑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，規定“A”線上半區為粘土，下半區為粉土；“B”線左區為低液限土，右區為高液限土，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Cc和不均勻系數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Cu、Cc等輔助條件判別砂類土，對細粒含量大于＞5%的土結合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　功能模塊及算法設計

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

圖5　土質分類轉換模型

2.1信息配置模塊

信息配置模塊用來設定計算依據以及用于工程名稱、日期、用戶姓名等基本信息錄入。該信息配置模塊用來設置數據庫中存儲的我國各種常用巖土工程規范格式模型，如：《土的工程分類標準》［2］、《巖土工程勘察規范》［3］等，從中選擇本次轉換所對應的規范模型，并以此來作為計算依據；同時根據確定的規范模型錄入本次轉換所需的基本信息，包括工程名稱、規范類型、導入及導出類型、計算標準、導入或導出路徑等。

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

2.2導入接口模塊

根據信息配置模塊配置的信息所對應的導入接口類型，用戶選擇 .xls、.ktg、.txt等任意數據格式電子文件（如圖6所示），軟件自動把土的物理、力學等試驗數據導入當前土工數據庫中，并實施數據結構類型變更、參數合并等步驟。根據導入規則，設有出錯判別、糾錯提示及顯示處理程序。

圖6　轉換示意

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，實現某種意義上的局部最優解。通過解局部最優策略來達到全局最優解。程序設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，判定樹的最頂節點是根結點（參照圖4所示，砂為初始根結點），樹的內部結點表示上一個根結點的分類（如細顆粒＜5%、細顆粒5%～12%、細顆粒＞12%），從該結點向下的每個分支代表進一步的分類輸出，在樹的葉結點得到最終的分類結果（如級配良好砂、粉土質砂、黏土質砂等）。判定樹的優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、分類規則選取等軟件復雜性低，占用計算機資源少的特點。

根據土質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范模型進行分類及劃分計算，并存入相應字符段內，并依據粗粒類（礫或砂）粒組、級配、細粒土含量劃分原則，自調用不均勻系數 Cu和曲率系數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

導出接口模塊設計用于滿足各類高級應用的不同接口類型，實現數據共享之需求。導出適用于各類數據庫接口訪問的文件，如：.xls、.mdb、.frm、.db、.dbf、.xml、.txt等后綴的數據格式文件，或用于其他標準數據庫導入。導出模塊還可用于選擇單孔、多孔數據導出或全部（整個工程）導出，導出文件格式選擇，字段重置、數據排序、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據格式，如自動生成供北京華勘科技土工自動化采集處理系統采集的KTG數據格式：

文件第1行：試樣總數，+工程編號，+年，+月，+日，+工程名稱…；

文件第2行：“KF：”+顆分試驗級數+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，本模塊導出的數據格式必須與上述要求一致，方便華勘自動化采集設備讀取。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），實際上本設計可實現導出多種格式數據（如圖6所示），從而實現不同設備之間或不同軟件之間數據共享。

3　工程應用

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）。在勘察成果的基礎上，需查明工程影響范圍內基巖土層的分布發育規律和工程特性，提供地基巖土層的物理力學指標，對擬建區域地基處理進行的評價，為設計和施工提供地質依據和巖土參數。巖土工程工作和服務所取得的第一手資料必須供中外承包商采用，業主和管理方要求土質分類系統按美標 ASTM D 2487提交中英文報告。運行我公司自主開發的“三航院美標與國標巖土測試數據處理系統 V2.0”界面如圖7。

圖7　分類轉換軟件運行界面

美標V2.0集成了中美土質分類模型轉換5大模塊，包含了“華勘數據轉換”、“打印輸出”、“CAD接口數據”、“ASTM-GB批處理”等14項子模塊，實現系統硬件控制、鉆孔數據劃分、數據傳輸及中英文版巖土分類及測試成果輸出為一體，并提供土質物理、力學分類指標統計等功能，基本滿足所有采用中美標準規范的海內外工程。

以國家標準 GB/T 50145-2007轉換成美標ASTM D 2487為實例；導入數據為華勘自動化采集接口KTG格式數據；導出數據為Excel數據表接口文件*.xls，如圖8所示。

從工程現場400多個鉆孔數據程序運行的效果驗證，該轉換模型程序應用基本滿足中國規范和美標土質分類標準，二者模型數據轉換軟件實現。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，工程進展及成果質量獲得了業主和設計方的認可與好評。

4　結　語

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

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

3）接口設計適應類型廣泛，算法選用合理，運行效率高，達到數據共享之需求。

中美土質分類轉換模型軟件是基于國外實際工程測試結果建立的，中國規范之間僅涉及《土的工程分類標準》［2］等3種，覆蓋面不足。需繼續擴充現行行業及地方中國規范庫，增加歐洲巖土標準Eurocode 7轉換模塊，形成一個更為完整、功能強大的中美歐土質分類標準模型轉換系統，助我中國企業走向世界。

本文依據“中美巖土工程土壤分類標準轉換裝置及方法”（發明專利申請號：201410717458.9）及“美標與國標巖土測試數據處理系統V2.0”（軟件著作權登記號：2014SR018000）的內容撰寫。該項目成果已在國外多項工程中應用，效果良好。文章公開本軟件設計，期望共同推進整個行業的科技進步。

［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 巖土工程勘察規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，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的數據格式轉換［J］.上海地質，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開發和管理工作。