中美土质分类标准模型转换程序设计

胡建平，吴朝东（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）



中美土质分类标准模型转换程序设计

胡建平，吴朝东
（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

目前，国际上已形成以美国（USCS）为依据的土质统一分类标准（ASTM），与中国规范分类标准不同。因此，开展中美土质分类标准研究，提出建立中美土质分类指标转换数据模型，采用二叉树遍历算法实现中国规范与ASTM土质分类标准模型之间转换，能够有效突破中美岩土工程土质分类标准差异所形成的障碍。程序集成了信息配置、导入接口、计算、转换、导出接口等5大模块，用户通过操作友好的人-机交互界面，既适应我国国情使用习惯，又符合中美二国土的工程分类标准要求，所用方法对中国企业开拓海外市场具有参考价值。

中国规范；美标；土质分类；算法；模块

引　言

20世纪40年代Casagrande所提出统一土质分类方法（USCS）是一种服务于工程目的土质分类方法，1952年被美国陆军工程兵团所采纳。此后，美国统一建筑规范（uniform building code）将其纳入并作了补充与完善，形成了ASTM D 2487统一土质分类方法（简称：美标或ASTM），作为现场和室内土的分类标准，为工程地基基础设计提供了客观实际的依据［1］。我国规范与美标对土的分类方法和分类标准也存在着差异，如国家标准《土的工程分类标准》［2］，砾砂土的分类组符共10项，组名达10项，而ASTM砾砂土的分类组符共18项，组名达36项；又如细类土的组符4项，组名仅10项左右，而ASTM细类土的组符5项，组名达35项等；中国行业和地方规范标准与ASTM也存在类似情况。采用中国规范实施土的工程分类往往不被国际咨询公司、海外业主或外方设计认可；故需花费大量时间和精力进行中国规范与美标对应关系转换，以适应中或外方审查，对工程的顺利推进造成了很大影响。

本文详细分析中美岩土工程土质分类标准之差异，提出软件设计解决二者模型之间参数无缝转换，分别建立《岩土工程勘察规范》［3］、《土工试验方法标准》［4］、《铁路工程岩土分类标准》［5］、《公路勘测规范》［6］、《水运工程岩土勘察规范》［7］等我国地方、行业及国家采用规范各类特征模型（简称中国规范或CC），及美标ASTM 土质分类模型。设计的软件程序集成了信息配置、导入接口、计算、转换、导出接口等5大模块，通过操作便利人-机交互界面，快速实现二国土质分类模型之间切换，既适应我国国情使用习惯，又符合中美二国土的工程分类标准要求。通过本设计软件系统能够有效突破中美岩土工程土质分类标准差异所构成的障碍，对中国企业开拓海外市场具有参考价值。

1　中国规范与美标分类异同

中国规范对土质分类基本以国家标准《土的工程分类标准》［2］土类名称和分类方法为实用标准，把土的颗粒粒径大小划分成巨、粗、细粒土3类；而ASTM是以过筛情况来划分，其中ASTM中要求粒径为试验筛所对应的孔径，形成粗、细粒土2类［8］。中国规范将粒径d≤0.075 mm的颗粒含量大于或等于50%的土按CC塑性图（WL～Ip）定名为细粒土；将粒径0.075 mm＜d≤60 mm颗粒含量大于50%的土定名为粗粒土；将粒径d＞60 mm颗粒含量大于50%的土定名为巨粒土。ASTM中是将颗粒直径通过75 μm筛的颗粒含量大于或等于50%的土按ASTM塑性图（LL～PI）定名为细粒土，否则归为粗粒土（包括砾石、砂）。

1.1细粒土分类差异

中国规范与美标针对细粒土的分类方法均采用塑性图进行分类，规定“A”线上半区为粘土，下半区为粉土；“B”线左区为低液限土，右区为高液限土，二者的划分方式基本相同（如图1、图2所示）。差异在于细粒土的分类中，美标较中国规范在塑限图分类中多出一条“U”线，“U”线指液限等于16时需采用U线PI=0.9（LL-8）公式来划分，因此美标针对细粒土的分类划分较中国规范更为细致。

图1　CC GB/T 50145-2007塑限

图2　ASTM D 2408塑限

1.2粗粒土分类差异

美标把砾石含量大于 50%的土定名为砾石或砾类土，砂含量大于50%的土定名为砂类土，按照细颗粒含量的百分比和颗粒级配（颗分曲线的曲率系数Cc和不均匀系数Cu）在将这两类土进行细分，这一点CC与ASTM的方法基本一致。

以砂粒土为例：1）CC中是先按照小于0.075 mm颗粒含量分为＜5%、5%～15%、＞15%三个级别，再根据Cu≥5且Cc=1～3辅助条件分成级配良好砂（SW）、级配不良砂（SP）等5项，如图3所示。

图3　CC GB/T 50145-2007砂类土分类

2）ASTM是将小于75 μm颗粒的含量为＜5%、5%～12%和＞12%三个级别，再根据Cu、Cc等辅助条件判别砂类土，对细粒含量大于＞5%的土结合ASTM塑限图再进行细分，从而使砂粒土分类组达到9项，土名达到18项之多（如图4所示），这说明ASTM砂类土的分类划CC更细致与复杂。

图4　ASTM砂类土分类

2　功能模块及算法设计

根据上述CC与ASTM土的分类特征，以及现有土质分类标准之复杂，模型转换技术所存在的功能不全、导入及导出接口适应性弱、语言障碍等一些列问题［9～10］。为实现中美土质分类两套模型之间对应关系自动转换，设计的主要模块包括信息配置、导入接口、计算、转换、导出接口等5项，通过人-机交互界面集成，软件实施转换框图如图 5所示。算法设计采用中～美塑限图模块调用、二叉树遍历贪心算法等，其转换的准确性及效率高；通过本设计方案能够帮助我国企业克服中美标准不同所形成的障碍。

图5　土质分类转换模型

2.1信息配置模块

信息配置模块用来设定计算依据以及用于工程名称、日期、用户姓名等基本信息录入。该信息配置模块用来设置数据库中存储的我国各种常用岩土工程规范格式模型，如：《土的工程分类标准》［2］、《岩土工程勘察规范》［3］等，从中选择本次转换所对应的规范模型，并以此来作为计算依据；同时根据确定的规范模型录入本次转换所需的基本信息，包括工程名称、规范类型、导入及导出类型、计算标准、导入或导出路径等。

根据实际需要，除了上述功能外，信息配置模块中还具有用于实现各类规范改版、升级或更新所涉及的规范库维护模块。

2.2导入接口模块

根据信息配置模块配置的信息所对应的导入接口类型，用户选择 .xls、.ktg、.txt等任意数据格式电子文件（如图6所示），软件自动把土的物理、力学等试验数据导入当前土工数据库中，并实施数据结构类型变更、参数合并等步骤。根据导入规则，设有出错判别、纠错提示及显示处理程序。

图6　转换示意

2.3计算模块

贪心算法对问题求解时，总能做出当前最佳选择，实现某种意义上的局部最优解。通过解局部最优策略来达到全局最优解。程序设计选用二叉树遍历贪心算法，该算法运行采用自顶向下的递归方式，判定树的最顶节点是根结点（参照图4所示，砂为初始根结点），树的内部结点表示上一个根结点的分类（如细颗粒＜5%、细颗粒5%～12%、细颗粒＞12%），从该结点向下的每个分支代表进一步的分类输出，在树的叶结点得到最终的分类结果（如级配良好砂、粉土质砂、黏土质砂等）。判定树的优点在于它的直观性和程序易读性，判定树方法不仅能作出判断和分类，而且运行过程、提取方式、分类规则选取等软件复杂性低，占用计算机资源少的特点。

根据土质分类二叉树遍历算法模块，对巨粒类、砾粒类、砂粒类、细粒类土的相对含量按中美规范模型进行分类及划分计算，并存入相应字符段内，并依据粗粒类（砾或砂）粒组、级配、细粒土含量划分原则，自调用不均匀系数 Cu和曲率系数Cc计算模块，确定土颗粒级配，完成整个算法遍历过程。

2.4导出模块

导出接口模块设计用于满足各类高级应用的不同接口类型，实现数据共享之需求。导出适用于各类数据库接口访问的文件，如：.xls、.mdb、.frm、.db、.dbf、.xml、.txt等后缀的数据格式文件，或用于其他标准数据库导入。导出模块还可用于选择单孔、多孔数据导出或全部（整个工程）导出，导出文件格式选择，字段重置、数据排序、打印输出等。

所述不同接口类型指不同软件或采集装置读取的数据格式，如自动生成供北京华勘科技土工自动化采集处理系统采集的KTG数据格式：

文件第1行：试样总数，+工程编号，+年，+月，+日，+工程名称…；

文件第2行：“KF：”+颗分试验级数+颗粒大小（如：20，10，5，2等）…；

文件第3行：NO，+序号+土样编号+钻孔编号+取土深度…；

文件第 4行：WL，+含水率+密度+干密度+湿重度+干重度…；

由此，本模块导出的数据格式必须与上述要求一致，方便华勘自动化采集设备读取。导出的格式越多，也代表着软件通用性或兼容性强。此处仅仅举华勘一个例子（导出KTG文本格式），实际上本设计可实现导出多种格式数据（如图6所示），从而实现不同设备之间或不同软件之间数据共享。

3　工程应用

2011～2013年期间，我公司承接国外某总承包项目，该项目实行国际招投标（EPC）。在勘察成果的基础上，需查明工程影响范围内基岩土层的分布发育规律和工程特性，提供地基岩土层的物理力学指标，对拟建区域地基处理进行的评价，为设计和施工提供地质依据和岩土参数。岩土工程工作和服务所取得的第一手资料必须供中外承包商采用，业主和管理方要求土质分类系统按美标 ASTM D 2487提交中英文报告。运行我公司自主开发的“三航院美标与国标岩土测试数据处理系统 V2.0”界面如图7。

图7　分类转换软件运行界面

美标V2.0集成了中美土质分类模型转换5大模块，包含了“华勘数据转换”、“打印输出”、“CAD接口数据”、“ASTM-GB批处理”等14项子模块，实现系统硬件控制、钻孔数据划分、数据传输及中英文版岩土分类及测试成果输出为一体，并提供土质物理、力学分类指标统计等功能，基本满足所有采用中美标准规范的海内外工程。

以国家标准 GB/T 50145-2007转换成美标ASTM D 2487为实例；导入数据为华勘自动化采集接口KTG格式数据；导出数据为Excel数据表接口文件*.xls，如图8所示。

从工程现场400多个钻孔数据程序运行的效果验证，该转换模型程序应用基本满足中国规范和美标土质分类标准，二者模型数据转换软件实现。导出模块生成的中文版土工试验总表符合中国国家标准的要求，生成的英文版也满足美标要求，且效率极高，工程进展及成果质量获得了业主和设计方的认可与好评。

4　结　语

1）程序设计集成信息配置、导入接口、计算、转换、导出接口等五大独立模块，形成了一套既符合现有国情使用习惯，实现了中美土质分类标准模型之间自动转换。

2）土质分类集成了众多行业、地方及国家常用规范模型，并设计了针对各类规范升所涉及的维护模块，使软件具有良好的生命力。

3）接口设计适应类型广泛，算法选用合理，运行效率高，达到数据共享之需求。

中美土质分类转换模型软件是基于国外实际工程测试结果建立的，中国规范之间仅涉及《土的工程分类标准》［2］等3种，覆盖面不足。需继续扩充现行行业及地方中国规范库，增加欧洲岩土标准Eurocode 7转换模块，形成一个更为完整、功能强大的中美欧土质分类标准模型转换系统，助我中国企业走向世界。

本文依据“中美岩土工程土壤分类标准转换装置及方法”（发明专利申请号：201410717458.9）及“美标与国标岩土测试数据处理系统V2.0”（软件著作权登记号：2014SR018000）的内容撰写。该项目成果已在国外多项工程中应用，效果良好。文章公开本软件设计，期望共同推进整个行业的科技进步。

［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 土的工程分类标准［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［3］GB 50021-2001 岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［4］GB/T 50123-1999 土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.

［5］TB 10102-2010 铁路工程岩土分类标准［S］.北京：中国铁道出版社，2011.

［6］JTG E40-2007 公路土工试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［7］JTS 133-2013 水运工程岩土勘察规范［S］.北京：人民交通出版社，2013.

［8］冯蓓蕾，周伟兵.基于土壤分类的ASTM（美标）与国标之异同研究［J］.水运工程，2013，（10）：224-228.

［9］胡建平.KTG土工试验自动化采集系统的数据格式转换［J］.上海地质，2004，（2）：54-56.

［10］丁其兵，许永斌，沈忠炎.英美土工试验标准与国标的主要区别［J］.广东土木与建筑，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，教授级高级工程师，主要从事岩土工程勘察技术开发和管理工作。