下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
土的物理性质指标是反映土的工程性质的特征指标。土由固体矿物颗粒、水、气体三部分组成，这三部分本身的性质、比例关系和相互作用决定了土的物理性质。土的各组成部分的质量和体积之间的比例关系，用土的三相比例指标表示，对评价土的物理、力学性质有重要意义。
土的三相比例指标是物理性质的反映，土中三相之间相互比例不同，土的工程性质也不同。固相成分的比例越高，其压缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。需要定量研究三相之间的比例关系，即土的物理性质指标的物理意义和数值大小。工程实际中常用三相图来表示，如图1.9所示。图中把自然界中土的三相混合分布的情况分别集中起来：固相集中于下部，液相集中于中部，气相集中于上部，图左边标出各相的质量，图右边标明各相的体积，图中符号含义如下：
图1.9 土的三相组成示意图
图中符号的意义如下：
m s —土中固体颗粒质量，g； m w —土中水的质量，g； m a —土中气体质量，g；
m —土的总质量， m = m s + m w +m a ，g；
V s —土固体颗粒体积，cm 3 ； V w —土中水的体积，cm 3 ； V a —土中气体体积，cm 3 ；
V v —土中孔隙体积， V v = V w + V a ，cm 3 ；
V —土的总体积， V = V s + V v = V s + V w + V a ，cm 3 。
土的物理性质指标
土的物理性质指标一共有9个。反映土松密程度的指标有土的孔隙比 e 、孔隙率 n ；反映土的含水程度的指标有含水量 ω 、饱和度 S r ；特定条件下土的密度有天然密度 ρ 、干密度 ρ d 、饱和密度 ρ sat 、浮密度 ρ′ 以及土粒相对密度 G s ，其中土的三相基本物理性质指标（密度 ρ 、土粒相对密度 G s 、含水量 ω ）由实验室直接测定。
在天然状态下，土体单位体积的质量称为土的天然密度，简称密度（单位为g/cm 3 ），表达式为
式中： m ——土的总质量，g；
V ——土的体积，等于cm 3 或m 3 。
土的密度与重度的关系为（单位为kN/m 3 ）
式中： W ——土的总重度，kN， W = mg ；
V ——土的体积，cm 3 或m 3 ；
g ——重力加速度， g = 9.8m/s 2 ，为计算方便，取 g = 10m/s 2 。
土的密度取决于土粒的质量、孔隙体积的大小和孔隙中水的质量，它综合反映了土的组成和结构特征。土的密度随着土的矿物成分、孔隙体积和水的含量而异，一般变化于1.6~2.2 g/cm 3 。测定土重度的方法有环刀法和灌水法。其中，环刀法适用于黏性土、粉土和砂土，灌水法适用于卵石、砾石和原状砂。
土的干密度为土单位体积所含固体颗粒的质量（单位为g/cm 3 ），表达式为
土的干重度为单位土体体积干土所受的重力（单位为kN/m 3 ），表达式为
土的干密度一般为1.3~2.0 g/cm 3 ；土的干重度一般为13~20kN/m 3 。
土的干密度通常用作填方工程，包括土坝、路基和人工压实地基，是土体压实质量控制的标准。土的干密度 ρ d （或干重度 γ d ）越大，表明土体压得越密实，即工程质量越好。
土的饱和密度为孔隙中全部充满水时单位土体体积的质量。
土的饱和重度为孔隙中全部充满水时单位土体体积所受的重力。
式中： ρ w ——水的密度，近似取 ρ w = 1.0 g/cm 3 ；
γ w ——水的重度，近似取 γ w = 10kN/m 3 。
土的饱和密度一般为1.8~2.3 g/cm 3 ；土的饱和重度一般为18~23kN/m 3 。
土的有效密度为在地下水位以下，单位体积中土粒的质量扣除同体积水的质量后，即单位土体积中土粒的有效质量。
土的有效重度为地下水位以下，土体单位体积所受重力再扣除浮力，即单位土体积中土粒的有效重度。
土的有效重度一般为8~13 N/m 3 。
土中孔隙体积与固体颗粒体积之比称为孔隙比 e ，表达式为
土的孔隙比以小数表示，它是一个重要的物理性质指标。孔隙比用来评价天然土的密实程度，或从孔隙比的变化推算土的密实程度。常见值：砂土为0.5~1.0；当砂土的 e <0.6时呈密实状态，为良好地基；黏性土为0.5~1.2，当黏性土的 e >10时为软弱地基。粉土的密实度根据孔隙比 e 指标值划分为密实、中密和稍密3种状态，其划分标准见表1.2。
确定方法： e 的值可根据 ρ 与 ω 的实测值计算而得（读者可自行推导）。
表1.2 粉土密实度分类表
注：当有经验时，也可用原位测试或其他方法划分粉土的密实度。
土中孔隙的体积 V v 与土的总体积 V 之比，称为孔隙率，用百分数表示，表达式为
常见值：30%~50%。
土的孔隙率也用来反映土的密实程度，一般粗粒土的孔隙率比细粒土的小。
孔隙比与孔隙率的关系为
。
土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量，以百分数表示，表达式为
式中： W w ——土中水的质量，kg；
W s ——土粒质量，kg。
不同土的天然含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。例如，上海表土层的含水量为20%~30%，淤泥质粉质黏土或淤泥质黏土含水量为40%~60%；日本北海道的泥炭土含水量高达1 000%~1 300%。土的含水量高，土的力学性质就差。
土的含水量一般用“烘干法”测定，适用于黏性土、粉土与砂土常规试验。
土中水的体积 V w 与土的孔隙体积 V v 之比，称为土的饱和度 S r ，用百分数表示，表达式为
土的饱和度反映土中孔隙含水的程度。常见值 S r = 0~100%。工程上，砂土与粉土的饱和度可作为湿度的划分标准，具体分为稍湿的、很湿的和饱和的3种湿度状态，如图1.10所示。
图1.10 砂土与粉土的湿度标准
土固体颗粒的质量与同体积的4℃时纯水的质量之比称为土粒相对密度 G s ，无量纲，表达式为
式中： ρ s ——土粒密度，g/cm 3 ；
ρ w ——纯水在4℃时的密度，g/cm 3 或kg/m 3 。
测定方法有比重瓶法和经验法。土粒相对密度主要取决于土的矿物成分，同一土类的土粒相对密度变化幅度很小，在有经验的地区，可按经验值选用。一般土的土粒相对密度值见表1.3。
表1.3 土粒相对密度 G s 参考表
值得注意的是，土的各项物理性质指标并不是相互独立的，实际上，只要测定 ρ ， G s 和 ω 后，就可以推导出其他6个指标。由于土的各项物理性质指标都是反映土中三相物质成分的相对含量的比值，因此可用下述简便方法由已知指标导出其他物理性质指标。
步骤：
①假设 V s =1（ V = l 或 m s =1），并画出三相简图。
②解出各相物质成分的质量和体积。
③利用定义式导出所求的物理性质指标。土的三相比例指标换算公式见表1.4。
表1.4 土的三相比例指标换算公式
续表
例 1.1某土样在天然状态下的体积为200cm 3 ，质量为334 g，烘干后质量为290 g，土的颗粒比重为2.66，计算该土样密度、含水量、干密度、孔隙比、孔隙率。
解： 依题意得，土样质量 m =334 g，颗粒质量 m s =290 g， G s =2.6则
土中水的质量
土样密度
含水量
干密度
孔隙比
孔隙比
