歐標ESCS與國標土壤分類差異性研究

徐 皓

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

近年來,隨著中國工程建設項目向海外基建市場拓展,除采用國內標準以外,在部分發達國家,選擇歐標或美標進行勘察設計。已有眾多學者進行相關研究,胡建平提出中美歐土的分類標準模型轉換思路及程序,推動巖土工程“中國標準”的國際化進程[1];成利民從巖土規范的獨立性和集成度等方面分析中美歐巖土規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,其中匈牙利境內約159.4km,塞爾維亞境內約183.1km,設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、標準、方法、適用性以及差異進行對比分析。

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

1 歐美土的分類標準

歐洲標準化委員會技術委員會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的統一土壤分類系統USCS大致相符合。根據“ESCS”分類標準,土壤分為粗粒土、細粒土、有機質土。土的粒徑分布和稠度界限被應用在土壤分類中。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“ESCS”。

美國規范在勘察方面,主要有兩大體系,一是美國國家公路與運輸協會AASHTO的標準規范;二是美國材料與試驗協會ASTM的規范體系,其中ASTM規范體系,是美國建設工程和室內土質分類的標準依據,應用廣泛,為建設工程提供基礎設計依據。而在世界土木工程中,統一土壤分類系統“USCS”應用較廣,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構成的塑性圖分細類;細粒土與粗粒土以土顆粒通過0.075mm占總質量的50%作為分界[9]。第二類是以不同建設領域內的標準,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:國標根據細顆粒含量占比及土顆粒不均勻系數Cu、曲率系數Cc值的范圍再細分為10類,見表2;鐵標對于粗細顆粒混雜的土,只在定義上有所體現,定義為混合土,當主要含有物占總質量的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Cu、Cc值細分為22類,見表3。

表2 中國規范(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,歐標的分類更加詳細。

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

3.2 細粒土分類

對于細粒土的分類,國標與歐標ESCS均根據塑性圖進行分類,根據塑性圖中“A”線上、下分為黏性土和粉土。國標“B”線(wL=50%)左側為低液限土,右側為高液限土,見圖1。歐標根據液限＜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,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;對黏性土根據塑性指數分為粉質黏土和黏土,再依據液性指數分為4個塑性狀態,見表7、表8。只有在鐵路路基設計規范進行分類,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計的基礎性工作,其試驗測試方法、儀器設備、執行標準多方面的差異對測試結果有直接影響[12]。就試驗方法和設備而言,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、塑限聯合測定儀法)和碟式儀法,塑限測定采用圓錐儀法(液、塑限聯合測定儀法)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,但圓錐儀的參數不盡相同[13],國標圓錐質量為76g,錐尖下沉深度為10mm或者17mm[14];而歐標圓錐質量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坐標系上建立含水率與圓錐入土深度(或敲擊次數)的關系曲線來確定液限;塑限則是通過規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所對應的液限更準確,鐵標同樣采用入土深度17mm對應的液限為標準,但現行國家標準GB50021—2018(2018年版)《巖土工程勘察規范》仍按10mm液限計算塑性指數和液性指數。

4 結束語

(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,但歐標根據液限的范圍分為4個類別,國標為2個類別,鐵標僅根據塑性指數將細粒土分為粉土、粉黏、黏土3個大類,并根據粉土的密實程度、潮濕程度,黏性土的塑性狀態進行進一步細分。

(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,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)鐵路規范中,土的劃分只考慮了粒徑范圍,并依據多數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。