基于美标岩土勘察的土质分类方法研究

范利频，霍知亮，郑 龙，田迪冲

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津市 300051）

0 引言

近年来，伴随国家“一带一路”计划，中国工程企业承担着越来越多的海外建设项目。对于援外项目的勘察设计工作，在具体实施中，采用以中国规范、标准为主，受援国规范、标准为辅的方法进行测量、勘察和设计工作。然而，对于采用欧美规范、标准项目的具体实施过程中，常出现设计人员无法直接使用国外公司依据美欧标准提交的勘察成品，而境外设计人员、监理方、业主等又不认可按我国标准提交的勘察设计成果资料；以致需要花费大量时间和精力对不同技术标准进行说明，影响项目的有效开展。系统全面地研究国外规范、标准是我院开拓国外市场亟待解决的问题，另外通过对比学习国外标准与国内标准的异同，对推进中国标准的国际应用具有较大的意义。

随着国际工程项目的开展，总结国外勘察设计规范的相关成果逐渐增多。冯蓓蕾等[1]介绍了美标和我国标准中土体分类的试验方法和命名的区别。胡建平等[2]通过二叉树遍历算法，集成了信息配置、导入接口、计算、导出接口等模块，进行了国标与ASTM 在土体分类方面的相互转换。冷艺[3]、贾宁等[4]具体提出美英等标准中勘察报告的编写、室内试验、原位测试等方面与国标的联系和区别，便于地质指标的对比分析，并对如何适应英美标准提出一些建议。

综上，国内学者关于此类问题进行了相关的对比与研究工作，取得可供参考的成果。本文基于前人研究基础上，系统介绍了美标体系下土壤的工程分类方法，并以南亚某国岩土工程勘察为例，简述在工程应用中的情况和若干问题，供以美标进行的海外岩土工程勘察项目予以参考和借鉴。

1 ASTM 体系下土的工程分类

我国勘察规范因应用范围不同，其不同行业对于土体定名、试验方法等方面既有交叉、又各不相同。但在实际应用中，这些行业规范向国家规范《土的工程分类标准》（GB/T 50145）[6]靠拢。在美标中的岩土勘察方面，主要有两大规范体系：美国国家公路与运输协会（AASHTO）和美国材料与试验协会（ASTM）的规范体系，其中ASTM D2487《统一土质分类体系》（简称USCS）[7]是一种服务于工程的土质分类简明方法，为工程勘察设计提供依据。由于国标和美标的土质分类体系不同，对于同一种土质，依据中、美规范将定义出不同的名称。

1.1 粗粒土的分类

国标将巨粒土按粒组，即土颗粒的大小和颗粒形状划分；粗粒土按照粒组、相应的级配情况及细粒含量的多少进行划分；细粒类土则参照塑性图进行划分，其分类方法的基本思想与美欧规范基本一致，但相应的粒组、试验方法等方面则存在一定的差异。

ASTM 将通过第200 号筛（0.075 mm） 不小于50%的土定名为细粒土，否则定名为粗粒土。粗粒土通过粒径进行进一步分类过程中，通过200 号筛（0.075 mm）颗粒的按照含量的多少，即小于5%，5%～12%和大于12%，将砾类土或者砂类土进一步分为纯砾石、纯砾砂；含粉土砾、含粉土砂、含黏土砾、含黏土砂；粉土质砾、粉土质砂、黏土质砾、黏土质砂等。同时结合不均匀系数Cu≥4 且曲率系数Cc=1～3 和Cu≥6 且Cc=1～3 作为级配良好的条件，具体见表1。其中第200 号筛孔径为75 μm、第4 号筛孔径为4.75 mm。

表1 AS TM D2487 粗粒土分类原则

1.2 细粒土的分类

ASTM 采用塑性图对细粒土进行分类，具体见图1 和表1。在ASTM 的塑性图中，规定“A”线以上为黏土，以下为粉土；“B”线左侧定义为低液限土，右侧定义为高液限土。（其中PI 为塑性指数，LL 为液限）。

图1 AS TM D2487 塑性图

2 AASHTO 体系下土的工程分类

2.1 分类体系

AASHTO 土的分类又称为公共道路管理分类系统，建立了公路建设用土壤和土壤集料混合物的分类方法[8]。AASHTO 系统指定了A-1 到A-8 以及几个附加的亚组。A-1 至A-3 土壤被认为是粗粒土，其试验中35%以下颗粒通过200 号筛，是优良的路基土壤。A-1 包括级配良好的砾石、粗砂。A-2 为粉质或粘质砂和砾石。A-3 为细砂，不含粉质或粘质细粒颗粒或少量非塑性粉土。

A-4 至A-7 组土壤均为细粒土，通过200 号筛颗粒总量大于35%。这些土壤组基于阿太堡界限而分类不同，见图2。A-4 土壤包括非塑性或中等塑性粉土，A-5 土壤与A-4 类似但液限较高。A-6 和A-7组分别为低塑性和高塑性粘土。A-8 土壤包括高有机性土壤（泥炭和淤泥），具体分类见表2 和图2。

图2 AAS HTO 细粒土的分类

表2 AAS HTO 土的分类体系

AASHTO 土的分类还提供了使用 “类别指数（Group Index，GI）”对土壤进行进一步分类，该指数使用粒度特征和阿太堡限值计算，如下所示：

式中：F200为通过200 号筛的百分比，LL 为液限，PI为塑性指数。

2.2 US CS 与AAS HTO 土的分类比较

USCS 和AASHTO 土的分类方法两者之间没有直接的对应关系。由于这两个系统基于相同的试验标准进行测试，因此在大多数情况下，分类通常是重叠的。Handy[9]提供了一个合理的比较，见表3。

表3 US CS 和AAS HTO 土的分类的大致对应关系

3 基于原位测试土的工程分类

在工程勘察中，采用静力触探（CPT 或CPTU）、扁铲试验（DMT） 等可有效评估土壤类型和地层变化，其中以静力触探方法最为常用。在美国联邦公路局勘察工作的相关手册中（如FHWA-IF-02-034[10]、FHWA NHI-16-072[11]），推荐采用Robertson 所提出和总结的土体分类指数，该方法已经在国际上得到了广泛采用和认可。

采用锥尖阻力qt 和摩阻比FR 或者孔压参数比Bq 进行土质分类的方法见图3 和图4。其中1 为高灵敏性细粒土、2 为有机质土、3 为黏土、4 为粉质黏土至黏土、5 为黏质粉土至粉质黏土、6 为砂质粉土至粉质黏土、7 为粉质砂土至砂质粉土、8 为砂土至粉质砂土、9 为砂土、10 为砾砂至砂、11 为坚硬的细粒土（超固结或胶结）、12 为砂至黏砂（超固结或胶结）。

图3 基于锥尖阻力和摩阻比的土体分类方法

图4 基于锥尖阻力和孔压参数比的土体分类方法

然而，需要注意的是，由于原位试验是对土壤物理力学指标响应的测量，其确定的土体类型与USCS或AASHTO 的土体分类标准不同[12]。因此，通过原位测试确定的土壤类型被称为 “土壤行为类型（Soil behavior type，SBT）”，用以和正式分类进行区分。基于USCS 或AASHTO 的土体分类标准与SBT 分类虽然不同，但均有助于对场地特征进行描述，从工程角度来看，最终目标都能了解地层特性和力学特性。

4 工程案例

4.1 工程概况

南亚某国拟建高速公路项目，工程所在区域地形比较平坦，属于河流冲积平原部分。地层主要为第四系人工填土层、湖沼相沉积层、冲洪积层等组成。场地地震效应系数为0.20，属中等活动区域。

4.2 地层概况

采用美国标准进行岩土工程勘察，根据揭露的地层、沉积原因、密实程度及状态[13]、工程地质等特征，场地地层由6 个主层、若干亚层组成，具体为：

层1 为FS（杂填土），松散，填筑时间不等，主要为黏性土夹砂、砖块等，局部含生活和建筑垃圾。层2主要为CL（贫黏土），流塑～可塑，局部揭示为ML（粉土）。层3 主要为CL（贫黏土），灰黄色～红棕色，软塑～硬塑，土质不均，含云母，局部为CH（高液限黏土）。层4 主要为4-1 ML （粉土），稍密～中密；4-2 SC （黏土质砂），稍密～中密；4-3 SM （粉土质砂），稍密～中密。层5 主要为CL（贫黏土），可塑～硬塑。层6 主要为SM（粉土质砂），密实。按照标贯击数可进一步分为若干亚层。各层指标见表4。

表4 原位测试试验统计表

4.3 土层分类对比

依据ASTM D5778[14]、ASTM D1586[15]进 行 静 力触探试验和钻探的对比工作。依据美标要求，在完成的钻孔旁2.5 m 进行孔压静力触探试验。并依据土层的测试指标基于第3 节所述的土壤行为类型（Soil behavior type，SBT）对地层进行划分。得到测试结果和土层划分情况见图5，可以看出：

图5 不同分类方法土体分层的对比

（1）标准贯入试验（SPT）和孔压静力触探试验（CPTU）得到的土体力学相应规律性符合较好，依据孔压静力触探结果可较好的进行地层划分。

（2）静力触探探头在测试地层的贯入过程中，常会出现测试数据因地层的沉积过渡，造成测试信号出现突变（土层的界面效应），在应用过程中应对土层的界面效应予以相应的处理。

（3）采用静力触探划分土层本质上是一个间接的方法，侧重于地层特性和力学特性。无法判断地层成因，在本工程地层划分中对区分CL（贫黏土）与SC（黏土质砂）效果不理想，仍需结合钻孔资料进行验证。

5 结语

本文介绍了美标体系下土壤的工程分类方法，简要阐述各方法的基本内容。并以南亚某国岩土工程勘察为例，简述在工程应用中的情况和若干问题，供以美标进行的海外岩土工程勘察项目予以参考和借鉴。得到的主要结论如下：

（1）美国ASTM D2487《统一土质分类体系》（USCS）是一种应用于工程的土质分类简明方法。但与我国标准相比，在粗粒土界限粒径划分、细粒土塑性图、土工试验方法等方面有一定的区别。

（2）AASHTO 土的分类常用于公路建设中土壤集料等方面，在勘察工作中应用较少。AASHTO 和USCS 土的分类方法两者之间没有直接的对应关系。

（3）采用静力触探进行土层划分和分类本质上还是一个间接的方法，在区域地质资料和工程经验丰富的地区可以直接利用，对于资料和经验缺乏的地区还需要结合钻孔资料进行验证。