精確繪制土顆粒級配曲線圖方法的研究

高山

摘要：本文以繪制土顆粒級配曲線圖方法中存在的繪圖方法落后、精度差、計算不準確等問題入手，提出了解決了辦法，并通過EXCEL和AUTOCAD軟件的聯合使用，達到了繪圖準確、高效的目的。

Abstract： There are some problems such as backward， poor accuracy， inaccurate calculation etc. existing in the methods of drawing the soil particle gradation curves. Based on these， this paper proposed the solutions， and through the combination of EXCEL and AUTOCAD software， achieved accurate drawing and high efficiency.

關鍵詞：繪制；土；顆粒級配曲線；方法

Key words： drawing；soil；particle gradation curve；method

中圖分類號：TV641 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0098-03

0 引言

土的顆粒級配曲線圖是土工程分類的重要依據，但規范中繪制土顆粒級配曲線圖的方法落后、準確度低、復現性差、效率不高，不能滿足工程實際的需要。本文從解決這些問題入手，探尋一種精確繪制土顆粒級配曲線圖的方法。

1 問題的提出

1.1 概述

土是礦物或巖石碎屑構成的松軟集合體，在工程建設中常被用作路基的填料。而填料的使用須嚴格按照規范或圖紙的規定執行，如路基的不同部位應使用的不同種類的填料，以滿足承載力等技術指標的要求。因此確定土的填料名稱和填料組別就成為控制工程質量的關鍵環節。

1.2 土的分類

土的工程分類通常按照土顆粒的大小中把土分成巨粒土、粗粒土、細粒土。其中巨粒土和粗粒土的分類是以粒徑大小作為主要依據，它們需采用顆粒分析試驗結果進行分類。因此，顆粒分析試驗是土填料分類的關鍵方法。

1.3 顆粒分析試驗

顆粒分析試驗是使用規定粒徑的套篩，對土樣進行篩分，得到小于各篩孔徑（顆粒粒徑）的試樣質量分數。再以小于某粒徑的試樣質量分數為縱坐標，顆粒粒徑為橫坐標，在半對數坐標紙上繪制顆粒大小分布曲線圖。在該圖上找出d60、d30、d10的位置和讀取坐標值（d60、d30、d10分別表示），再計算Cu（不均勻系數）和Cc（曲率系數），判斷級配是否良好。最后通過查土的分類表，對照以上的結果，確定土的填料名稱和填料組別。

1.4 手工繪圖的問題

按照規范要求，手工使用半對數坐標紙上繪制顆粒大小分布曲線圖，并計算Cu和Cc。如圖1所示。

從圖1中可以發現兩個問題。第一，該圖橫坐標是單對數曲線坐標，只能準確標出當前數量級內的整數坐標，如“10-100區間”內能準確標出10、20、40、60，“1-10區間”內能準確標出1、2、5等，但土工試驗標準篩的篩孔是固定的，如標準里給出的土工篩的孔徑為“60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075mm”，這10個篩徑里“0.25、0.075mm”在單對數坐標紙中無法準確表示。第二，在曲線上標出d60、d30、d10后（小于某粒徑的土粒質量占總土質量的60%、30%、10%的粒徑），這三個點對應的橫坐標一般不會正好落在坐標紙的線上，這樣無法讀出這三個數據的準確值，甚至因為對數坐標的不均勻性，會出現讀d60，d30，d10數據不準的情況。

1.5 對土分類結果的影響

以《鐵路路基設計規范》對土的定名為例：土的二級定名中顆粒級配將是區分土的填料分組是A還是B的重要條件。顆粒級配良好則填料分組為A，否則為B。而顆粒級配良好的條件是“不均勻系數Cu≥5，且曲率系數Cc在1～3范圍”。（Cu=d60/d10 Cc=d230/d60·d10）

為了評價以上1.4節兩個問題土分類結果的影響，組織5名試驗人員對同一份填料土樣品進行顆粒分析試驗，使用手工繪圖的方式得到的結果如表1。

表1的數據說明，顆粒大小分布曲線圖繪制取點不準確和d60，d30，d10數值讀不準，會造成Cu（不均勻系數）和Cc（曲率系數）的計算結果不準，從而導致分類結果不確定，出現同一種土竟然會得到不同的分類結果的現象。

2 原因分析

造成這種問題的原因有以下幾個方面：第一，顆粒級配曲線圖本身不精細，坐標不全，會造成描點不準確，如0.25、0.075mm的位置不能準確定位。第二，曲線繪制方法落后，受人、繪圖工具（筆和曲線板）等因素影響大，曲線形狀不固定，復現性差。如繪圖筆尖寬度，曲線板曲線部分的選擇等。第三，d60，d30，d10計算不精確，d60，d30，d10確定位置后后需要計算具體數值，而圖中無可參照的坐標，沒法確定具體數值。

3 解決辦法

3.1 首先對顆粒大小分布曲線進行改進，增加精度。經過比選，使用AUTOCAD繪制的顆粒大小分布曲線圖比較理想。如圖2。AUTOCAD繪制的顆粒大小分布曲線圖使用輔助坐標軸繪制，這個坐標軸（圖3中紅色部分）與顆粒大小分布曲線圖的橫坐標是常用對數關系，能精確給橫坐標上的篩徑定位。如：0=lg1，1mm篩徑對應輔助坐標軸里的0點；同理“10=lg1，0.301=lg2”，每個篩徑的位置都能精確繪出（包括0.25mm和0.075mm）。

3.2 其次解決曲線繪制自動化的問題。使用AUTOCAD“多段線”命令繪制曲線，并進行“擬合”編輯，能夠使曲線繪制快速準確，且復現性良好，消除了其他因素的影響。具體操作步驟為：先以篩徑為橫坐標，通過率為縱坐標描點，再用“多段線”將這些點連成折線，最后使用AUTOCAD的內部命令 “PEDIT”對該多段線進行編輯，選擇“擬合”選項，折線就能夠擬合成圓滑曲線。如圖2所示。

3.3 最后采用3.1提到的輔助坐標軸用“反lg”計算d60、d30、d10值，可以精確到小數點后四位，完全能夠滿足計算精度的要求。如圖3所示。

4 成果驗證

采用新方法再次組織5名試驗人員對同一份填料土樣品進行顆粒分析試驗，得到圖形形狀，d60、d30、d10結果均一致的結果。

5 成果改進

新方法雖然解決了以上提出來的逐項問題，但繪圖描點過程是重復性勞動，需要10幾個點的坐標逐個確定，效率很低。因此引入EXCEL軟件，通過編碼做出繪圖配套表格，將篩分析結果自動生成描點坐標。繪圖時，復制所有坐標數值，一次性粘貼到AUTOCAD中，大大提高了繪圖效率。繪圖流程見圖4。

6 結語

本文提出的精確繪制土顆粒級配曲線圖方法有效解決了傳統土顆粒級配曲線圖繪制方法不準確、復現性差，甚至影響土分類結果的情況。并通過EXCEL和AUTOCAD軟件的聯合使用，使繪圖過程程序化，消除了人為因素的影響，提高了繪圖效率，達到了準確、高效的目的。該方法通過在集團公司范圍內的應用，得到了廣大試驗人員和業主、監理等各方的認可，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]GB50123-1999，土工試驗方法標準[S].

[2]TB10102-2010，鐵路工程土工試驗規程[S].

[3]徐還，王聰.用計算機繪制泥沙顆粒級配曲線的探討[J].河海大學科技情報，1990（04）.