基于Excel的土体颗分计算及自动分类定名

2017-09-14罗启迅李小泉

水电站设计 2017年3期

关键词：粒土细粒土体

罗启迅，李建，李小泉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

基于Excel的土体颗分计算及自动分类定名

罗启迅，李建，李小泉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

本文简述了水电行业的土体分类方法及重要性。鉴于人工查询分类的繁复，由此提出了基于Excel的土体自动分类编程原理和实现技术,并详述了不均匀系数Cu，曲率系数Cc的自动求取方式。

土体分类; Excel; 不均匀系数; 曲率系数

0 前言

根据工程经验，把工程性质相近的土归划为一类，称土的工程分类。对土进行分类的目的在于建立评价土的统一标准，初步判别土的工程性质和评价土作为地基或建筑材料的适宜性。

对一土样，按颗粒分析等试验结果，对照选定的分类标准，定出其土类名称是一件很烦琐的工作，而且容易出错，以DL/T5355-2006《水电水利土工试验规程》为例，一般土可划分为54种土(未考虑巨粒土形状、有机土、黄土等特殊土类)。解决土的自动分类定名，可以提高工作效率和土的分类定名的准确性。Cc、Cu通常在颗分曲线上，采用人工查询的方式获得，费时费力，容易出错，实现Cc、Cu的自动查找具有重要意义。

Excel是个人电脑普及以来用途最广泛的办公软件之一，操作界面非常直观，容易上手，对于一些上了年纪或是不熟悉土体分类方法的试验人员也很容易学会。Excel可以设置数据输出格式，报告格式规范统一，有利于标准化生产、流程化质量控制。Excel软件和数据均存放于可随身携带的笔记本电脑中，其操作不受场地和时间限制，便于传播和协同作业。为提高工作效率和土的分类定名的准确性、实现土工作业标准化，编制了基于Excel的土体自动分类程序。

1 电力行业土体分类方法

从国内外土的工程分类的现状看，对土进行分类时，其分类指标主要依据土的颗粒大小及其分布、土的塑性和液限、有机质含量等进行分类。DL/T5335-2006《水电水利土工试验规程》将土分为巨粒土(包括含巨粒土)、粗粒土和细粒土三大类，其总的体系如图1所示。

图1 土的总分类体系

1.1 巨粒土

巨粒土是指巨粒粒组质量大于总质量50%的土。巨粒土可分为巨粒土和混合巨粒土。巨粒组质量为总质量的15%～50%的土称为巨粒混合土(含巨粒土)。根据巨粒土的磨圆度、形状,可以将大于200 mm的颗粒分为漂石、块石；将60～200 mm的颗粒分为卵石、碎石。以漂石、卵石系列为例，巨粒土可分类见表1。

1.2 粗粒土

粗粒土是指粗粒组颗粒占土样总质量的50%以上的土统称粗粒土。粗粒土分类见表2。粗粒土又分为砾类和砂类，若粗粒土中的砾粒组含量大于砂粒含量，则称为砾类土，反之，则称为砂类土。

1.3 细粒土

小于0.075 mm的细粒组颗粒大于或等于50%的土称为细粒土，用塑性图进行分类。细粒土分类方法如表3和图2所示。当试样中粗粒组含量大于15%、小于等于30%时称为含粗粒(砾或砂)细粒类土，在细粒土代号后加g或s。当粗粒组含量大于30%，小于等于50%时称粗粒(砾或砂)质细粒类土，在细粒土代号后加G或S。

表1 巨粒土分类

表2 粗粒土分类

2 自动分类原理及实现方法

2.1 自动分类原理

按照DL/T5355-2006《水电水利土工试验规程》，土体可分为54类；如果直接采用IF( )进行判别，则语句太长，不易实现，编写过程也容易出错。因此采取小步快走的方法，将“一次性判别”改为“判别+查找”，将判断语句拆为54个土类单元，再通过查找的方式获得土体的分类定名。具体原理如图3所示，简述如下：

(1)将基础数据通过计算处理得到判定指标，包括巨粒含量、粗粒含量、细粒含量、漂(块)石含量、卵(碎)石含量、砾粒含量、砂砾含量、液限、塑性指数、Cu、Cc;

(2)将判定指标与每一种土进行比对，如果匹配成功则单元格显示“1”，否则显示“0”;

(3)通过查找函数找到“1”所对应的土类名称，即可自动获得土体的分类定名。

2.2 Excel实现方法

2.2.1 原始数据处理

原始数据处理大都较为简单，按照规范给出的公式进行计算即可，而较为复杂的Cc、Cu的计算方法将在第3节单独叙述，此处不再赘述。

2.2.2 土体分类判别

图2 细粒土分类塑性图

表3 细粒土的基本分类定名

图3 土体自动分类原理

土体分类判别应用Excel的判断函数IF( )，逻辑函数OR( )、AND( )、NOT( )。IF( )是逻辑函数，执行真假值判断，根据指定条件的真假返回不同的值或执行不同的操作。OR( )、AND( )、NOT( )是逻辑函数，OR( )相当于逻辑运算中的“或”，在其参数组中，任何一个参数逻辑值为TRUE，即返回TRUE；全部参数为FALSE，即返回FALSE。AND( )相当于“与”，所有参数的逻辑值为真时，返回TRUE；只要一个参数的逻辑值为假，即返回FALSE。NOT( )相当于逻辑运算中的“非”，当要确保一个值不等于某一特定值时，可以使用NOT函数。以级配不良砂(SP)为例说明如下：

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

将表达式翻译如下：

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

即：如果粗粒含量>50，砾粒含量≤砂粒含量，细粒含量≤5，且不满足Cu>5,Cc>=1,Cc<=3，则单元格赋值为“1”，否则单元格赋值为“0”。

将土体分类代码写于工作表首行，第2～N行编写分类代码对应的IF( )函数，则值为“1”的单元格所对应的表头分类代码即为土体名。

2.2.3 查找土体分类代码

土体分类代码自动查找可通过引用函数OFFSET( )、比对函数MATCH( )等函数实现。OFFSET( )以指定的引用为参照系，通过给定偏移量得到新的引用。MATCH( )返回在指定方式下与指定数值匹配的数组中元素的相应位置。以第2行为例：

OFFSET($A$1,MATCH(1,$A2∶$BP2,),)

在第二行末尾构造单元格，输入以上公式，即可返回“1”所对应的土体分类代码。

3 Cc、Cu的获取方法

3.1 获取原理及方法

土的不均匀系数和曲率系数计算公式如下：

(1)

(2)

式中d10——为有效粒径，颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土颗粒含量为10%的粒径，mm；

d30——为颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土颗粒含量为30%的粒径，mm；

d60——为限制粒径，颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土颗粒含量为60%的粒径，mm。

d10、d30、d60一般通过颗粒大小分布曲线人工查得。颗分曲线图横坐标为粒径d，纵坐标为小于该粒径的百分含量p，坐标点可表示为 (d,p)。颗分曲线是由一系列特定粒径dk对应的坐标点(dk，pk)连接而成的光滑曲线。采用人工查询的方法获取特征粒径，过程繁琐，人为差异较大。为了提高查询质量和效率，采用线性内插的方式求得以上三个参数，再计算不均匀系数和曲率系数。以d10为例，求取过程简述如下：

(1)寻找含量最接近且≥10%的含量pi，通过pi查找对应粒径di，然后分别查找di和pi的下一个值，di+1，pi+1；

(2)采用线性插值公式计算d10，公式如下：

(3)

3.2 Excel实现方法

查找并返回di、pi、di+1、pi+1可通过OFFSET( )、MATCH( )函数实现。OFFSET( )可指定返回的单元格列数和行数，一次查找即可同时返回pi、pi+1；再使用一次OFFSET( )即可获得di、di+1。采用线性回归函数TREND( )可以返回线性内插的值。故d10的计算可以采用以下形式的公式：

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

其中，第一个OFFSET( )返回di、di+1，第二个OFFSET( )返回pi、pi+1，10表示小于某粒径的含量为10%。采用类似方法可求得d30，d60，进而通过计算得到Cc、Cu。