基于Excel的土體顆分計算及自動分類定名

羅啟迅， 李 建， 李小泉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于Excel的土體顆分計算及自動分類定名

羅啟迅， 李 建， 李小泉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文簡述了水電行業(yè)的土體分類方法及重要性。鑒于人工查詢分類的繁復，由此提出了基于Excel的土體自動分類編程原理和實現(xiàn)技術,并詳述了不均勻系數(shù)Cu，曲率系數(shù)Cc的自動求取方式。

土體分類; Excel; 不均勻系數(shù); 曲率系數(shù)

0 前 言

根據(jù)工程經(jīng)驗，把工程性質相近的土歸劃為一類，稱土的工程分類。對土進行分類的目的在于建立評價土的統(tǒng)一標準，初步判別土的工程性質和評價土作為地基或建筑材料的適宜性。

對一土樣，按顆粒分析等試驗結果，對照選定的分類標準，定出其土類名稱是一件很煩瑣的工作，而且容易出錯，以DL/T5355-2006《水電水利土工試驗規(guī)程》為例，一般土可劃分為54種土(未考慮巨粒土形狀、有機土、黃土等特殊土類)。解決土的自動分類定名，可以提高工作效率和土的分類定名的準確性。Cc、Cu通常在顆分曲線上，采用人工查詢的方式獲得，費時費力，容易出錯，實現(xiàn)Cc、Cu的自動查找具有重要意義。

Excel是個人電腦普及以來用途最廣泛的辦公軟件之一，操作界面非常直觀，容易上手，對于一些上了年紀或是不熟悉土體分類方法的試驗人員也很容易學會。Excel可以設置數(shù)據(jù)輸出格式，報告格式規(guī)范統(tǒng)一，有利于標準化生產(chǎn)、流程化質量控制。Excel軟件和數(shù)據(jù)均存放于可隨身攜帶的筆記本電腦中，其操作不受場地和時間限制，便于傳播和協(xié)同作業(yè)。為提高工作效率和土的分類定名的準確性、實現(xiàn)土工作業(yè)標準化，編制了基于Excel的土體自動分類程序。

1 電力行業(yè)土體分類方法

從國內外土的工程分類的現(xiàn)狀看，對土進行分類時，其分類指標主要依據(jù)土的顆粒大小及其分布、土的塑性和液限、有機質含量等進行分類。DL/T5335-2006《水電水利土工試驗規(guī)程》將土分為巨粒土(包括含巨粒土)、粗粒土和細粒土三大類，其總的體系如圖1所示。

圖1 土的總分類體系

1.1 巨粒土

巨粒土是指巨粒粒組質量大于總質量50%的土。巨粒土可分為巨粒土和混合巨粒土。巨粒組質量為總質量的15%～50%的土稱為巨粒混合土(含巨粒土)。根據(jù)巨粒土的磨圓度、形狀,可以將大于200 mm的顆粒分為漂石、塊石；將60～200 mm的顆粒分為卵石、碎石。以漂石、卵石系列為例，巨粒土可分類見表1。

1.2 粗粒土

粗粒土是指粗粒組顆粒占土樣總質量的50%以上的土統(tǒng)稱粗粒土。粗粒土分類見表2。粗粒土又分為礫類和砂類，若粗粒土中的礫粒組含量大于砂粒含量，則稱為礫類土，反之，則稱為砂類土。

1.3 細粒土

小于0.075 mm的細粒組顆粒大于或等于50%的土稱為細粒土，用塑性圖進行分類。細粒土分類方法如表3和圖2所示。當試樣中粗粒組含量大于15%、小于等于30%時稱為含粗粒(礫或砂)細粒類土，在細粒土代號后加g或s。當粗粒組含量大于30%，小于等于50%時稱粗粒(礫或砂)質細粒類土，在細粒土代號后加G或S。

表1 巨粒土分類

表2 粗粒土分類

2 自動分類原理及實現(xiàn)方法

2.1 自動分類原理

按照DL/T5355-2006《水電水利土工試驗規(guī)程》，土體可分為54類；如果直接采用IF( )進行判別，則語句太長，不易實現(xiàn)，編寫過程也容易出錯。因此采取小步快走的方法，將“一次性判別”改為“判別+查找”，將判斷語句拆為54個土類單元，再通過查找的方式獲得土體的分類定名。具體原理如圖3所示，簡述如下：

(1)將基礎數(shù)據(jù)通過計算處理得到判定指標，包括巨粒含量、粗粒含量、細粒含量、漂(塊)石含量、卵(碎)石含量、礫粒含量、砂礫含量、液限、塑性指數(shù)、Cu、Cc;

(2)將判定指標與每一種土進行比對，如果匹配成功則單元格顯示“1”，否則顯示“0”;

(3)通過查找函數(shù)找到“1”所對應的土類名稱，即可自動獲得土體的分類定名。

2.2 Excel實現(xiàn)方法

2.2.1 原始數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)處理大都較為簡單，按照規(guī)范給出的公式進行計算即可，而較為復雜的Cc、Cu的計算方法將在第3節(jié)單獨敘述，此處不再贅述。

2.2.2 土體分類判別

圖2 細粒土分類塑性圖

表3 細粒土的基本分類定名

圖3 土體自動分類原理

土體分類判別應用Excel的判斷函數(shù)IF( )，邏輯函數(shù)OR( )、AND( )、NOT( )。IF( )是邏輯函數(shù)，執(zhí)行真假值判斷，根據(jù)指定條件的真假返回不同的值或執(zhí)行不同的操作。OR( )、AND( )、NOT( )是邏輯函數(shù)，OR( )相當于邏輯運算中的“或”，在其參數(shù)組中，任何一個參數(shù)邏輯值為TRUE，即返回TRUE；全部參數(shù)為FALSE，即返回FALSE。AND( )相當于“與”，所有參數(shù)的邏輯值為真時，返回TRUE；只要一個參數(shù)的邏輯值為假，即返回FALSE。NOT( )相當于邏輯運算中的“非”，當要確保一個值不等于某一特定值時，可以使用NOT函數(shù)。以級配不良砂(SP)為例說明如下：

IF(AND(E2>50,F2<=G2,H2<=5,NOT(AND(M2>5,N2>=1,N2<=3))),1,0)

將表達式翻譯如下：

IF(AND(粗粒含量>50,礫粒含量<=砂粒含量,細粒含量<=5,NOT(AND(Cu>5,Cc>=1,Cc<=3))),1,0)

即：如果粗粒含量>50，礫粒含量≤砂粒含量，細粒含量≤5，且不滿足Cu>5,Cc>=1,Cc<=3，則單元格賦值為“1”，否則單元格賦值為“0”。

將土體分類代碼寫于工作表首行，第2～N行編寫分類代碼對應的IF( )函數(shù)，則值為“1”的單元格所對應的表頭分類代碼即為土體名。

2.2.3 查找土體分類代碼

土體分類代碼自動查找可通過引用函數(shù)OFFSET( )、比對函數(shù)MATCH( )等函數(shù)實現(xiàn)。OFFSET( )以指定的引用為參照系，通過給定偏移量得到新的引用。MATCH( )返回在指定方式下與指定數(shù)值匹配的數(shù)組中元素的相應位置。以第2行為例：

OFFSET($A$1,MATCH(1,$A2∶$BP2,),)

在第二行末尾構造單元格，輸入以上公式，即可返回“1”所對應的土體分類代碼。

3 Cc、Cu的獲取方法

3.1 獲取原理及方法

土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)計算公式如下：

(1)

(2)

式中d10——為有效粒徑，顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土顆粒含量為10%的粒徑，mm；

d30——為顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土顆粒含量為30%的粒徑，mm；

d60——為限制粒徑，顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土顆粒含量為60%的粒徑，mm。

d10、d30、d60一般通過顆粒大小分布曲線人工查得。顆分曲線圖橫坐標為粒徑d，縱坐標為小于該粒徑的百分含量p，坐標點可表示為 (d,p)。顆分曲線是由一系列特定粒徑dk對應的坐標點(dk，pk)連接而成的光滑曲線。采用人工查詢的方法獲取特征粒徑，過程繁瑣，人為差異較大。為了提高查詢質量和效率，采用線性內插的方式求得以上三個參數(shù)，再計算不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。以d10為例，求取過程簡述如下：

(1)尋找含量最接近且≥10%的含量pi，通過pi查找對應粒徑di，然后分別查找di和pi的下一個值，di+1，pi+1；

(2)采用線性插值公式計算d10，公式如下：

(3)

3.2 Excel實現(xiàn)方法

查找并返回di、pi、di+1、pi+1可通過OFFSET( )、MATCH( )函數(shù)實現(xiàn)。OFFSET( )可指定返回的單元格列數(shù)和行數(shù)，一次查找即可同時返回pi、pi+1；再使用一次OFFSET( )即可獲得di、di+1。采用線性回歸函數(shù)TREND( )可以返回線性內插的值。故d10的計算可以采用以下形式的公式：

=TREND(OFFSET( ),OFFSET( ),10)

其中，第一個OFFSET( )返回di、di+1，第二個OFFSET( )返回pi、pi+1，10表示小于某粒徑的含量為10%。采用類似方法可求得d30，d60，進而通過計算得到Cc、Cu。

4 結 論

(1)通過“判別+查找”的方式對土體進行自動分類，采用判斷函數(shù)、邏輯函數(shù)實現(xiàn)土體參數(shù)的判別，通過引用函數(shù)和比對函數(shù)實現(xiàn)土體名的查找。

(2)采用線性插值的方式求取特征粒徑d10、d30、d60，通過引用函數(shù)和比對函數(shù)實現(xiàn)自動查找，通過線性回歸函數(shù)實現(xiàn)線性插值。

(3)基于Excel的土體自動分類定名表格簡單易學，提高了工作效率，降低了出錯概率，有利于土工作業(yè)的流程化、標準化和協(xié)同作業(yè)。

(4)可改進的地方：

①采用線性插值求取特征粒徑有一定的誤差，可考慮采用樣條曲線或高次曲線插值進行修正。

②現(xiàn)行版本的分類程序還不能考慮巨粒組的形狀，程序仍有完善進步的空間。

[1] DL/T5355-2006水電水利土工試驗規(guī)程[S],中國電力出版社, 2007.

[2] 楊進良.土力學[M], 中國水利水電出版社, 2009.

[3] 李曉武. 一般土的自動分類定名[J]. 湖南交通科技,2004,30(1):56-60.

2017-01-12

羅啟迅(1988-)，男，四川會理人，碩士，助理工程師，從事土工試驗工作。

TV16

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