土的基本物理性质

土的基本物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系。

一、土的三相图

土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。

可采用土的三相示意图使三相比例关系形象化和阐述方便。

图2-1 土的三相示意图

V—土的总体积，cm³； m—土的总质量，g； V_s—土中固体颗粒实体的体积，cm³；

m_s—土的固体颗粒质量，g； V_v—土中孔隙体积，cm³； m_w—土中液体的质量，g；

V_w—土中液体的体积，cm³； m_a—土中空气的质量，（m_a=0）； V_a—土中气体的体积，cm³。

二、三相基本试验指标

土的密度、土粒密度、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定，是实测指标，常称为土的三相基本试验指标。

1.土的密度（天然密度）

土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm³，常见值为1.6~2.2g/cm³（见下表）。

工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（γ），重度等于密度乘以重力加速度g，其单位是kN/m³，即

土的密度常用环刀法测定。

2.土粒密度（土粒比重）

土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位为g/cm³。

土粒密度也称土粒比重（土粒相对密度），是指土的质量与4℃时同体积水的质量之比，其值与土粒密度相同，但没有单位，在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。

土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2.6~2.8g/cm³之间（见表2-1）。

土粒密度常用比重试验法测定。

3.土的含水量

土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。

含水量通常以百分数表示，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。

含水量常用烘干法测定。

三、其它常用换算指标

除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括以下指标。

1.表示土中孔隙含量的常用指标

土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。

（1）孔隙度

孔隙度——又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。

土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为27~52%。

（2）孔隙比

孔隙比——指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示。

土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。

如在《岩土工勘察规范》中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e<0.75为密实；0.75≤e≤0.9为中密；e>0.9为稍密的粉土。

（3）孔隙比与孔隙度的关系

2.表示土中含水程度的指标

表示土中水含量的指标除含水量外，还有饱和度。

饱和度——土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。

饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0~100%，干土Sr=0；饱和土Sr=100%。

3.表示土的密度和容重的指标

（1）饱和密度

土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即

式中：ρw为水的密度（g/cm³），常近似取1.0g/cm³。

（2）干密度

干密度指土在干燥状态下的密度，在数值上等于单位体积中土粒的质量，即

干密度的单位是g/cm³。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。

在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g，分别变换为饱和重度或干重度，

另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度，即

饱和重度与浮重度之间有关系，

对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：

四、指标之间的换算关系

上述表示土的三相比例关系的指标一共有9个，即：土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实程度与干湿状态，而且相互之间都有内在联系。

土的三相指标之间可以进行换算，由于三个基本指标可以实测，因此，一般用它们来换算其他指标。换算的一般方法是：

第一种方法：

第二种方法：

三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅换算表2-2。

表2-2 三相比例指标之间的换算表

 

五、无粘性土的密实度

无粘性土的密实程度用相对密度Dr来表示，

式中：e_max为最大孔隙比，即最疏松状态下的孔隙比；e_min为最小孔隙比，即紧密状态下的孔隙比；e为天然孔隙比，即通常所指天然状态下的孔隙比。

砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间，故相对密度Dr=0~1；当e=e_max时，Dr=0，砂土处于最疏松状态；当e=e_min时，则Dr=1，砂土处于最紧密状态。

工程实际中，常用相对密度判别砂土的震动液化，或评价砂土的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态，

实际上，由于砂土原状样不易取得，测定天然孔隙比较为困难，加上实验室测定砂土的与精度有限，因此计算的相对密度值误差较大，在实际工程中，常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态，见表2-3。

表2-3 用标贯击数判定砂土的密实状态

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