基于美標巖土勘察的土質分類方法研究

范利頻，霍知亮，鄭 龍，田迪沖

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津市 300051）

0 引言

近年來，伴隨國家“一帶一路”計劃，中國工程企業承擔著越來越多的海外建設項目。對于援外項目的勘察設計工作，在具體實施中，采用以中國規范、標準為主，受援國規范、標準為輔的方法進行測量、勘察和設計工作。然而，對于采用歐美規范、標準項目的具體實施過程中，常出現設計人員無法直接使用國外公司依據美歐標準提交的勘察成品，而境外設計人員、監理方、業主等又不認可按我國標準提交的勘察設計成果資料；以致需要花費大量時間和精力對不同技術標準進行說明，影響項目的有效開展。系統全面地研究國外規范、標準是我院開拓國外市場亟待解決的問題，另外通過對比學習國外標準與國內標準的異同，對推進中國標準的國際應用具有較大的意義。

隨著國際工程項目的開展，總結國外勘察設計規范的相關成果逐漸增多。馮蓓蕾等[1]介紹了美標和我國標準中土體分類的試驗方法和命名的區別。胡建平等[2]通過二叉樹遍歷算法，集成了信息配置、導入接口、計算、導出接口等模塊，進行了國標與ASTM 在土體分類方面的相互轉換。冷藝[3]、賈寧等[4]具體提出美英等標準中勘察報告的編寫、室內試驗、原位測試等方面與國標的聯系和區別，便于地質指標的對比分析，并對如何適應英美標準提出一些建議。

綜上，國內學者關于此類問題進行了相關的對比與研究工作，取得可供參考的成果。本文基于前人研究基礎上，系統介紹了美標體系下土壤的工程分類方法，并以南亞某國巖土工程勘察為例，簡述在工程應用中的情況和若干問題，供以美標進行的海外巖土工程勘察項目予以參考和借鑒。

1 ASTM 體系下土的工程分類

我國勘察規范因應用范圍不同，其不同行業對于土體定名、試驗方法等方面既有交叉、又各不相同。但在實際應用中，這些行業規范向國家規范《土的工程分類標準》（GB/T 50145）[6]靠攏。在美標中的巖土勘察方面，主要有兩大規范體系：美國國家公路與運輸協會（AASHTO）和美國材料與試驗協會（ASTM）的規范體系，其中ASTM D2487《統一土質分類體系》（簡稱USCS）[7]是一種服務于工程的土質分類簡明方法，為工程勘察設計提供依據。由于國標和美標的土質分類體系不同，對于同一種土質，依據中、美規范將定義出不同的名稱。

1.1 粗粒土的分類

國標將巨粒土按粒組，即土顆粒的大小和顆粒形狀劃分；粗粒土按照粒組、相應的級配情況及細粒含量的多少進行劃分；細粒類土則參照塑性圖進行劃分，其分類方法的基本思想與美歐規范基本一致，但相應的粒組、試驗方法等方面則存在一定的差異。

ASTM 將通過第200 號篩（0.075 mm） 不小于50%的土定名為細粒土，否則定名為粗粒土。粗粒土通過粒徑進行進一步分類過程中，通過200 號篩（0.075 mm）顆粒的按照含量的多少，即小于5%，5%～12%和大于12%，將礫類土或者砂類土進一步分為純礫石、純礫砂；含粉土礫、含粉土砂、含黏土礫、含黏土砂；粉土質礫、粉土質砂、黏土質礫、黏土質砂等。同時結合不均勻系數Cu≥4 且曲率系數Cc=1～3 和Cu≥6 且Cc=1～3 作為級配良好的條件，具體見表1。其中第200 號篩孔徑為75 μm、第4 號篩孔徑為4.75 mm。

表1 AS TM D2487 粗粒土分類原則

1.2 細粒土的分類

ASTM 采用塑性圖對細粒土進行分類，具體見圖1 和表1。在ASTM 的塑性圖中，規定“A”線以上為黏土，以下為粉土；“B”線左側定義為低液限土，右側定義為高液限土。（其中PI 為塑性指數，LL 為液限）。

圖1 AS TM D2487 塑性圖

2 AASHTO 體系下土的工程分類

2.1 分類體系

AASHTO 土的分類又稱為公共道路管理分類系統，建立了公路建設用土壤和土壤集料混合物的分類方法[8]。AASHTO 系統指定了A-1 到A-8 以及幾個附加的亞組。A-1 至A-3 土壤被認為是粗粒土，其試驗中35%以下顆粒通過200 號篩，是優良的路基土壤。A-1 包括級配良好的礫石、粗砂。A-2 為粉質或粘質砂和礫石。A-3 為細砂，不含粉質或粘質細粒顆粒或少量非塑性粉土。

A-4 至A-7 組土壤均為細粒土，通過200 號篩顆粒總量大于35%。這些土壤組基于阿太堡界限而分類不同，見圖2。A-4 土壤包括非塑性或中等塑性粉土，A-5 土壤與A-4 類似但液限較高。A-6 和A-7組分別為低塑性和高塑性粘土。A-8 土壤包括高有機性土壤（泥炭和淤泥），具體分類見表2 和圖2。

圖2 AAS HTO 細粒土的分類

表2 AAS HTO 土的分類體系

AASHTO 土的分類還提供了使用 “類別指數（Group Index，GI）”對土壤進行進一步分類，該指數使用粒度特征和阿太堡限值計算，如下所示：

式中：F200為通過200 號篩的百分比，LL 為液限，PI為塑性指數。

2.2 US CS 與AAS HTO 土的分類比較

USCS 和AASHTO 土的分類方法兩者之間沒有直接的對應關系。由于這兩個系統基于相同的試驗標準進行測試，因此在大多數情況下，分類通常是重疊的。Handy[9]提供了一個合理的比較，見表3。

表3 US CS 和AAS HTO 土的分類的大致對應關系

3 基于原位測試土的工程分類

在工程勘察中，采用靜力觸探（CPT 或CPTU）、扁鏟試驗（DMT） 等可有效評估土壤類型和地層變化，其中以靜力觸探方法最為常用。在美國聯邦公路局勘察工作的相關手冊中（如FHWA-IF-02-034[10]、FHWA NHI-16-072[11]），推薦采用Robertson 所提出和總結的土體分類指數，該方法已經在國際上得到了廣泛采用和認可。

采用錐尖阻力qt 和摩阻比FR 或者孔壓參數比Bq 進行土質分類的方法見圖3 和圖4。其中1 為高靈敏性細粒土、2 為有機質土、3 為黏土、4 為粉質黏土至黏土、5 為黏質粉土至粉質黏土、6 為砂質粉土至粉質黏土、7 為粉質砂土至砂質粉土、8 為砂土至粉質砂土、9 為砂土、10 為礫砂至砂、11 為堅硬的細粒土（超固結或膠結）、12 為砂至黏砂（超固結或膠結）。

圖3 基于錐尖阻力和摩阻比的土體分類方法

圖4 基于錐尖阻力和孔壓參數比的土體分類方法

然而，需要注意的是，由于原位試驗是對土壤物理力學指標響應的測量，其確定的土體類型與USCS或AASHTO 的土體分類標準不同[12]。因此，通過原位測試確定的土壤類型被稱為 “土壤行為類型（Soil behavior type，SBT）”，用以和正式分類進行區分。基于USCS 或AASHTO 的土體分類標準與SBT 分類雖然不同，但均有助于對場地特征進行描述，從工程角度來看，最終目標都能了解地層特性和力學特性。

4 工程案例

4.1 工程概況

南亞某國擬建高速公路項目，工程所在區域地形比較平坦，屬于河流沖積平原部分。地層主要為第四系人工填土層、湖沼相沉積層、沖洪積層等組成。場地地震效應系數為0.20，屬中等活動區域。

4.2 地層概況

采用美國標準進行巖土工程勘察，根據揭露的地層、沉積原因、密實程度及狀態[13]、工程地質等特征，場地地層由6 個主層、若干亞層組成，具體為：

層1 為FS（雜填土），松散，填筑時間不等，主要為黏性土夾砂、磚塊等，局部含生活和建筑垃圾。層2主要為CL（貧黏土），流塑～可塑，局部揭示為ML（粉土）。層3 主要為CL（貧黏土），灰黃色～紅棕色，軟塑～硬塑，土質不均，含云母，局部為CH（高液限黏土）。層4 主要為4-1 ML （粉土），稍密～中密；4-2 SC （黏土質砂），稍密～中密；4-3 SM （粉土質砂），稍密～中密。層5 主要為CL（貧黏土），可塑～硬塑。層6 主要為SM（粉土質砂），密實。按照標貫擊數可進一步分為若干亞層。各層指標見表4。

表4 原位測試試驗統計表

4.3 土層分類對比

依據ASTM D5778[14]、ASTM D1586[15]進 行 靜 力觸探試驗和鉆探的對比工作。依據美標要求，在完成的鉆孔旁2.5 m 進行孔壓靜力觸探試驗。并依據土層的測試指標基于第3 節所述的土壤行為類型（Soil behavior type，SBT）對地層進行劃分。得到測試結果和土層劃分情況見圖5，可以看出：

圖5 不同分類方法土體分層的對比

（1）標準貫入試驗（SPT）和孔壓靜力觸探試驗（CPTU）得到的土體力學相應規律性符合較好，依據孔壓靜力觸探結果可較好的進行地層劃分。

（2）靜力觸探探頭在測試地層的貫入過程中，常會出現測試數據因地層的沉積過渡，造成測試信號出現突變（土層的界面效應），在應用過程中應對土層的界面效應予以相應的處理。

（3）采用靜力觸探劃分土層本質上是一個間接的方法，側重于地層特性和力學特性。無法判斷地層成因，在本工程地層劃分中對區分CL（貧黏土）與SC（黏土質砂）效果不理想，仍需結合鉆孔資料進行驗證。

5 結語

本文介紹了美標體系下土壤的工程分類方法，簡要闡述各方法的基本內容。并以南亞某國巖土工程勘察為例，簡述在工程應用中的情況和若干問題，供以美標進行的海外巖土工程勘察項目予以參考和借鑒。得到的主要結論如下：

（1）美國ASTM D2487《統一土質分類體系》（USCS）是一種應用于工程的土質分類簡明方法。但與我國標準相比，在粗粒土界限粒徑劃分、細粒土塑性圖、土工試驗方法等方面有一定的區別。

（2）AASHTO 土的分類常用于公路建設中土壤集料等方面，在勘察工作中應用較少。AASHTO 和USCS 土的分類方法兩者之間沒有直接的對應關系。

（3）采用靜力觸探進行土層劃分和分類本質上還是一個間接的方法，在區域地質資料和工程經驗豐富的地區可以直接利用，對于資料和經驗缺乏的地區還需要結合鉆孔資料進行驗證。