基于美標巖土勘察的土質(zhì)分類方法研究

范利頻，霍知亮，鄭 龍，田迪沖

（天津市政工程設(shè)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(yè)承擔著越來越多的海外建設(shè)項目。對于援外項目的勘察設(shè)計工作，在具體實施中，采用以中國規(guī)范、標準為主，受援國規(guī)范、標準為輔的方法進行測量、勘察和設(shè)計工作。然而，對于采用歐美規(guī)范、標準項目的具體實施過程中，常出現(xiàn)設(shè)計人員無法直接使用國外公司依據(jù)美歐標準提交的勘察成品，而境外設(shè)計人員、監(jiān)理方、業(yè)主等又不認可按我國標準提交的勘察設(shè)計成果資料；以致需要花費大量時間和精力對不同技術(shù)標準進行說明，影響項目的有效開展。系統(tǒng)全面地研究國外規(guī)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(nèi)標準的異同，對推進中國標準的國際應(yīng)用具有較大的意義。

隨著國際工程項目的開展，總結(jié)國外勘察設(shè)計規(guī)范的相關(guān)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(qū)別。胡建平等[2]通過二叉樹遍歷算法，集成了信息配置、導(dǎo)入接口、計算、導(dǎo)出接口等模塊，進行了國標與ASTM 在土體分類方面的相互轉(zhuǎn)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(nèi)試驗、原位測試等方面與國標的聯(lián)系和區(qū)別，便于地質(zhì)指標的對比分析，并對如何適應(yīng)英美標準提出一些建議。

綜上，國內(nèi)學者關(guān)于此類問題進行了相關(guān)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(chǔ)上，系統(tǒng)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(yīng)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(guī)范因應(yīng)用范圍不同，其不同行業(yè)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(yīng)用中，這些行業(yè)規(guī)范向國家規(guī)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(guī)范體系：美國國家公路與運輸協(xié)會（AASHTO）和美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）的規(guī)范體系，其中ASTM D2487《統(tǒng)一土質(zhì)分類體系》（簡稱USCS）[7]是一種服務(wù)于工程的土質(zhì)分類簡明方法，為工程勘察設(shè)計提供依據(jù)。由于國標和美標的土質(zhì)分類體系不同，對于同一種土質(zhì)，依據(jù)中、美規(guī)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(yīng)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(guī)范基本一致，但相應(yīng)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(zhì)礫、粉土質(zhì)砂、黏土質(zhì)礫、黏土質(zhì)砂等。同時結(jié)合不均勻系數(shù)Cu≥4 且曲率系數(shù)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(guī)定“A”線以上為黏土，以下為粉土；“B”線左側(cè)定義為低液限土，右側(cè)定義為高液限土。（其中PI 為塑性指數(shù)，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(tǒng)，建立了公路建設(shè)用土壤和土壤集料混合物的分類方法[8]。AASHTO 系統(tǒng)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(yōu)良的路基土壤。A-1 包括級配良好的礫石、粗砂。A-2 為粉質(zhì)或粘質(zhì)砂和礫石。A-3 為細砂，不含粉質(zhì)或粘質(zhì)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(shù)（Group Index，GI）”對土壤進行進一步分類，該指數(shù)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(shù)。

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(yīng)關(guān)系。由于這兩個系統(tǒng)基于相同的試驗標準進行測試，因此在大多數(shù)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(yīng)關(guān)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(lián)邦公路局勘察工作的相關(guān)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(jié)的土體分類指數(shù)，該方法已經(jīng)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(shù)比Bq 進行土質(zhì)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(zhì)土、3 為黏土、4 為粉質(zhì)黏土至黏土、5 為黏質(zhì)粉土至粉質(zhì)黏土、6 為砂質(zhì)粉土至粉質(zhì)黏土、7 為粉質(zhì)砂土至砂質(zhì)粉土、8 為砂土至粉質(zhì)砂土、9 為砂土、10 為礫砂至砂、11 為堅硬的細粒土（超固結(jié)或膠結(jié)）、12 為砂至黏砂（超固結(jié)或膠結(jié)）。

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(shù)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(yīng)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(qū)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(qū)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(yīng)系數(shù)為0.20，屬中等活動區(qū)域。

4.2 地層概況

采用美國標準進行巖土工程勘察，根據(jù)揭露的地層、沉積原因、密實程度及狀態(tài)[13]、工程地質(zhì)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(zhì)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(zhì)砂），稍密～中密；4-3 SM （粉土質(zhì)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(zhì)砂），密實。按照標貫擊數(shù)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(tǒng)計表

4.3 土層分類對比

依據(jù)ASTM D5778[14]、ASTM D1586[15]進 行 靜 力觸探試驗和鉆探的對比工作。依據(jù)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(jù)土層的測試指標基于第3 節(jié)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(jié)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(yīng)規(guī)律性符合較好，依據(jù)孔壓靜力觸探結(jié)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(xiàn)測試數(shù)據(jù)因地層的沉積過渡，造成測試信號出現(xiàn)突變（土層的界面效應(yīng)），在應(yīng)用過程中應(yīng)對土層的界面效應(yīng)予以相應(yīng)的處理。

（3）采用靜力觸探劃分土層本質(zhì)上是一個間接的方法，側(cè)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(qū)分CL（貧黏土）與SC（黏土質(zhì)砂）效果不理想，仍需結(jié)合鉆孔資料進行驗證。

5 結(jié)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(nèi)容。并以南亞某國巖土工程勘察為例，簡述在工程應(yīng)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(jié)論如下：

（1）美國ASTM D2487《統(tǒng)一土質(zhì)分類體系》（USCS）是一種應(yīng)用于工程的土質(zhì)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(qū)別。

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

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