土的物理性质指标及其换算详解
土力学土的物理性质指标
• 土颗粒比重：
指土体在105º-110ºC的温度下烘至恒量时的重量或
质量与土颗粒同体积的4ºC时蒸馏水的重量或质量之比。
Gs
Ws
Vs
Gs
ms
Vs
水的容重=9.81KN/m3，水的密度=1g/cm3
土颗粒的比重与土体中的水和气体无关
土颗粒比重一般介于2.65-2.75之间
• 测定方法：
比重瓶法、浮称法、虹吸筒法
1) 土颗粒体积
8) 浮密度
2) 孔隙体积
9) 湿密度
3) 土颗粒质量
10) 干密度
4) 水的质量
11) 孔隙率
5) 水的体积
12) 饱和度
6) 气体体积
13) 土颗粒的容重
7) 饱和密度
14) 土体的容重
• 已知，
求解-1
• 1）由
可得，
则土颗粒体积为：
• 2）孔隙体积为：
• 3）由
可得，土颗粒质量为：
Ws Vs (KN / m3 )
V
• 浮密度：指土体淹没在水下面的有效密度，这时土颗粒 受到水的浮力作用，其有效质量减小。
ms Vs (g / cm3 )
V • 浮容重与浮密度的关系：
9.81
间接测定指标-5
• 干容重：指干土的容重，这时土体的孔隙中没有水。
d
Ws V
(KN
s 9.81s
直接测定指标-3
• 土体的容重：指单位体积土体的重量。 也称湿容重、
天然容重。 W (KN / m3 )
V • 土体的密度：指单位体积土体的质量。也称湿密度、
天然密度。 m (g / cm3 )
V
• 土体的容重一般介于16.0-19.0KN/m3，
土的物理性质指标及其换算
A W S
体积
Va Vw
Vv
V
W /V
（2）重力密度（重度、 容重 unit weight）
ms
Vs
(Ws Ww ) /(Vs Vv ) m g / V g 9.81 (kN / m )
3
质量 mass
volume
分析：密度和重度综合反映了土 的物质组成与结构
（3）饱和重度（密度） （saturated unit weight）
砂土的密实度分类
砂土按相对密度Ｄｒ分类(p17)
Ｄｒ １Dr>0.67 0.67Dr>0.33 0.33Dr>0 砂土密实程度 密实的 中密的 疏松的
四 土的物理性质指标的测定及指 标之间的换算
1、土的物理性质指标与土的物质组 成、结构的关系 2、指标的测定与计算 3、各指标间的换算
1、土的物理性质指标与土的物质组成、结 构的关系
A W S
体积
Va Vw
Vv
V
Vs
水体积 Vw
土粒体积 Vs 总体积 V=Vv +Vs 孔隙体积 Vv
质量 mass volume
土的三相图 Three phase diagram
一、土的质量和重量
1 土粒的比重 （specific gravity）
ma(0) mw
m ms
A W S
体积
Va Vw
第三节
土的物理性质指标及其换算
土的物理性质是表征土的物理状态的一系 列性质
如:重量、含水性、孔隙性等
土的物理性质指标是评价和判断土的工程 性质的重要依据。
A W S
以质量计： 空气质量 ma 0 水质量 mw
2.2 土的物理性质指标
mω m − ms ω= × 100% = × 100% ms ms
土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。 土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天 然土层含水量变化范围较大，与土的种类、 然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及 其所处的自然地理环境等有关。 其所处的自然地理环境等有关。 测定方法：通常用烘干法， 测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法
五、例题分析
【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为 某土样经试验测得体积为
187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度 s ，烘干后，干土质量为 。若土粒的相对密度G 为2.66，求该土样的含水量 、密度 、重度γ 、干重度 ，求该土样的含水量ω、密度ρ、 γd 、孔隙比 、饱和重度γsat和有效重度γ′ 孔隙比e、
Va + Vw Vv n = = × 100 % V V
2.土的饱和度 ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积 土的饱和度Sr 土的饱和度 之比，以百分数表示。 之比，以百分数表示。
质量m 质量 气 体积V 体积 水 土粒 Vw Va V Vs
饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土 饱和土 Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态 根据饱和度分为三种状态: 。砂土根据饱和度分为三种状态 Sr≤50%稍湿； 50％＜Sr≤80%很湿； Sr＞80%饱和 稍湿； 很湿； 稍湿 很湿 饱和
Gs（1＋ω）ρw （ Gsρw ωGsρw
体积V 体积 水 土粒
Vv=e
气
Vv m (1 + ω ) ρ w G s e= = Vv = V − 1 = − 1 = −1 Vs ρ ρ
土的物理性质指标换算公式
土的物理性质指标换算公式土壤的物理性质是指土壤固有的一些属性，这些属性可以通过一些指标来进行测量和描述。
常用的土壤物理性质指标包括土壤的颗粒组成、容重、孔隙度、水分保持能力等。
下面我们将分别介绍这些指标的换算公式。
1.颗粒组成：土壤的颗粒组成可以用不同粒径的粒子百分含量来衡量，常用的粒子粒径有砂粒（粒径 > 0.05mm）、粉粒（粒径为0.05-0.002mm）、黏粒（粒径 < 0.002mm）。
颗粒组成可以通过湿筛分析法来测定，其中不同粒径的颗粒质量除以总质量即可得到百分含量。
2.容重：土壤的容重是指单位体积土壤的质量，可以通过测量土壤的体积和质量来计算。
常用的换算公式为：容重 = 土壤的质量 / 土壤的体积。
容重的单位一般为g/cm³或kg/m³。
3.孔隙度：孔隙度是指单位体积土壤中孔隙空间的比例，可以用来衡量土壤的通气和排水性能。
孔隙度可以通过测量土壤的容重和颗粒密度来计算。
常用的换算公式为：孔隙度=(1-容重/颗粒密度)×100%。
孔隙度的单位为%。
4.饱和水分量：饱和水分量是指土壤中完全饱和状态下所含有的水分量，可以通过浸水法来测定。
常用的换算公式为：饱和水分量=(饱和土壤质量-干土质量)/干土质量×100%。
饱和水分量的单位为%。
5.田间持水量：田间持水量是指土壤在田间条件下能够保持的有效水分量，可以通过田间试验来测定。
一种常用的换算公式为：田间持水量=(采样湿土重-干土重)/采样湿土重×100%。
田间持水量的单位为%。
6.毛管持水力：毛管持水力是指土壤中毛细管作用下能够保持的有效水分量，可以通过压汞法或毛细管法来测定。
换算公式可以根据不同的实验方法而有所不同。
以上是常见的几个土壤物理性质指标的换算公式。
需要注意的是，不同的指标可能需要使用不同的实验方法和测量仪器，具体的换算公式也会有所差异。
因此，在进行土壤物理性质指标的测量和换算时，需要根据具体的实验方法和仪器来选择相应的公式。
土的物理性质指标换算关系
有效密度(浮密度): 地下水位以下，单位体积土颗
粒的质量与同体积水的质量之差
计算公式:
ms wVs sat w V
孔隙比:土中的孔隙体积与土颗粒体积之比
计算公式:
e VV / Vs
孔隙率:土中孔隙体积占土样总体积的百分比
计算公式:
Vv n 100% V
ds w
d
Байду номын сангаас
1
2016/2/18
8
饱和度与含水率、比重和孔隙 比的关系
Vw wd s w Sr Vv e e
当土饱和时，即为Sr=100％ 则
w s
e wsat d s
wsat
2016/2/18
饱和含水率
9
浮密度与比重和孔隙比的关系
ms Vs w s w d s 1 w V 1 e 1 e
2016/2/18 10
孔隙比与孔隙率的关系
Vv e n V 1 e
n e 1 n
2016/2/18
6
干密度与湿密度和含水率的关系
m d w d d 1 w V 1
d
1 w
2016/2/18
7
孔隙比与比重和干密度的关系
ms s d V 1 e
e
饱和度:孔隙中水的体积占孔隙体积的百分比
计算公式:
Vw Sr 100% VV
说明：与密度指标相对应，存在重度（容重）指标，即 天然重度、干重度、有效重度指标。
各种密度之间的比较
sat d
§2.3土的物理性质指标
土力学土的物理性质指标
间接测定指标-3
? 饱和容重：指土体处于饱和状态时的容重，或指饱和
土体的容重，这时土体的孔隙中全部充满水。
? sat
?
Ws
? Vv??
V
(KN / m3 )
? 饱和密度：指土体处于饱和状态时的密度，或指饱和
土体的密度，这时土体的孔隙中全部充满水。
? sat
?
ms
? Vv ? ?
V
(g / cm3 )
密度介于1.5-1.8g/cm3之间。 ? ? 9.81?
? 土体的容重与密度的关系： ? 测定方法：
蜡封法、环刀法、灌砂法、灌水法
直接测定指标-4
? 土体的含水率：
反映土体含水的多少。等于土体在105o-110oC的温
度下烘至恒量时所失去的水份的重量或质量与土颗粒
的重量或质量之比。
? ? W? (%)
W ? Ws ? W?
m ? ms ? m?
重量和质量之间的关系
? 重量与质量的区别： 重量：是考虑地球引力影响后自重值，单位：N、KN 质量：是没有考虑地球引力影响的值，单位：g、kg 重量与质量的关系：w=9.81m
? 容重和密度的区别： ? 容重：指单位体积的重量，单位：KN/m3
密度：指单位体积的质量，单位：g/cm3 容重和密度的关系：?=9.81?
? 测定方法：
比重瓶法、浮称法、虹吸筒法
直接测定指标-2
? 土颗粒的容重：指土颗粒的重量与土颗粒的体积之比。
?sBiblioteka ?Ws Vs(KN / m3 )
? 土颗粒的密度：指土颗粒的质量与土颗粒的体积之比
?s
?
ms Vs
(g / cm3 )
土的物理性质及计算说明
土的物理性质及计算说明1.土的三相土是由固体颗粒（固相）、水（液相）和空气（气相）三部分组成的，这三部分之间的比例关系随着条件的变化而变化。
土的三相组成的不同比例指标，反映着土的物理状态（如干燥或潮湿，疏松或紧密），是土的最基本物理性质指标，它们对于评价土的工程性质具有重要意义。
土的三相物质本来是混合分布的，为了阐述和标记的方便，将三相的各部分集合起来，画出土的三相示意图，如图1-1所示。
V——土的总体积；Vs——土中固体颗粒的体积；Vv——土中孔隙的体积；Vw——土中水所占的体积；Va——土中气体所占的体积；W——土的总重量；Ws——土的固体颗粒的重量；Ww——土中水的重量；Wa——土中气体的重量(一般认为Wa=0)。
2.土的重力密度γ土的重力密度（简称土的重度），是土在天然状态下单位体积的重量，单位为kN／m3，用下式表示：不同的土，重度不同，其与土的密实程度、含水量等因素有关。
一般土的重度在13～22 kN／m3之间，重度大的土比较密实，强度也较高。
土的重度可用环刀法测定，即根据特制环刀所切取的土重除以环刀的容积即得。
对于不宜用环刀切取的土样或岩石，也可用排开等体积的水银或用蜡封等方法测定。
饱和重度γsat是孔隙全部被水充满时土的重度，用下式表示：式中 W′w——充满土中全部孔隙的水重；γw——水的重度，取10 kN／m3。
浮重度γ′，是在地下水位以下的土，受到水的浮力作用时，单位体积中土的有效重量(浮重)，用下式表示：3.土粒的相对密度ds土粒重量与同体积的4℃时的水的重量之比，称为土粒的相对密度，用下式表示：一般土粒的相对密度在2.65～2.80之间，其大小决定于土的矿物成分。
砂土的相对密度约为2.65；黏土的相对密度为2.70～2.80。
土中含有大量有机质时，土粒相对密度显著减小。
同一类土的相对密度变化幅度很小。
土的相对密度可在试验室内用比重瓶法测定。
4.土的干重度γd干重度γd，即单位体积中土粒的总重量：5.土的含水量w（%）土中水的重量与土颗粒重量的比值，称为土的含水量，以百分数表示：土的含水量表示土的湿度，含水量越大说明土越湿，一般来说，工程性质也越差。
2土的物理性质及分类
土体的孔隙率n
土中孔隙所占体积与总体积之比，空隙率用 百分数表示。即：
VV d e n 100% 1 V 1 e ds w
黏性土孔隙率30～60%，无黏性土25～45%
土体的饱和度Sr
土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之 比，以百分率计，即：
Vw mw d s Sr VV VV w e
砂土的相对密实度Dr
emax e Dr emax emin
e ds w
d
1
按Dr值，砂土的密实状态划分为如下, 详见P42 表2-5 Dr>2/3, 密实 2/3≥Dr>1/3，中密 0.33≥Dr>0，松散
例 题
标准贯入试验
标准贯入试验(SPT)是动 力触探的一种，它利用 一定的锤击动能（锤重 63.5±0.5kg，落距 76±2cm），贯入阻抗用 贯入器贯入土中30cm的 锤击数N表示，N也称为 标贯击数
土粒相对密度ds
土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量 之比，一般用ds表示，无量纲。即：
ms 1 s ds VS w1 w1
土体的含水量W
一般粗砂:
饱和砂土: 坚硬黏性土:
接近于0
40% <30%
饱和软黏土:
60%以上
密度ρ——环刀法
黏性土:ρ= 1.8－2.0g/cm3；
建筑地基土的分类
按《建筑地基基础设计规范》GB50072002和《岩土工程勘察规范》GB500212009，建筑地基土可分为碎石土、砂土、 粉土、黏性土及其它特殊类土。
碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超
过全重的50%的土。详见P55,表2-16
砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超
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ma(0)
buoyant unit weight） mw m
' ms Vs w g
V
Hale Waihona Puke mssat wA W
S
Va Vv
Vw V
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图 Three phase diagram
二、 土的含水性及其指标
1 土的含水量（water
ma(0)
A
content）
细砂，粉砂 e<0.70 0.7e0.85 0.85<e0.95 e>0.95
粉土
e<0.75 0.75e0.9 e>0.90
砂土的密实度分类
砂土按相对密度Ｄｒ分类(p17)
Ｄｒ １Dr>0.67 0.67Dr>0.33 0.33Dr>0
砂土密实程度 密实的 中密的 疏松的
四 土的物理性质指标的测定及指 标之间的换算
孔隙性对土的含水性和重量具有决定性意义
2、指标的测定与计算
土的基本物理性质指标： Gs、（ ）、w、e、n、Sr、 d（d） 三个基本实测指标： Gs、（ ）、w 四个基本导出指标： e、n、Sr、 d（d）
3、各指标间的换算
（1）各指标之间的关系
d
e(n)
Sr
w 一定
Sr一定
Gs
w
正比关系
反比关系
（2）几个常用的重要关系
1.
d
1 w
2.e Gs w 1 d
3. Sr e Gs w
4. e n 1 n
n e 100% 1 e
1.
d
1 w
mg
V
ms mw g V
ms msw g V
ms V
(1
w)g
d
(1
w)
2. e Gs w 1 d
e Vv V Vs V 1
1、土的物理性质指标与土的物质组 成、结构的关系 2、指标的测定与计算 3、各指标间的换算
1、土的物理性质指标与土的物质组成、结 构的关系
重量
含水性
孔隙性
结构
矿物
水
1.土的孔隙性直接反映土 的结构
2.土的结构与土粒的矿物成 分和水的相互作用有关
3.土的含水性因孔隙性和水 的数量而变
4.土的重量取决于矿物和孔 隙中充填水的重量
Vs
Vs
Vs
d
ms V
,
V ms
d
Gs
ms
Vs w
,
Vs
ms
Gs w
ms
e Vv V Vs V 1
Vs
Vs
Vs
d
ms
1 Gs w 1 d
Gs w
3. Sr e Gs w
Sr
Vw Vv
,
e Vv Vs
Gs
ms
Vs w
,w
mw ms
（2）重力密度（重度、 ms
容重 unit weight）
S
W /V
Va Vv
Vw V
Vs
(Ws Ww ) /(Vs Vv )
mg /V g 9.81
(kN / m3 )
质量 mass
体积 volume
分析：密度和重度综合反映了土 的物质组成与结构
（3）饱和重度（密度） （saturated unit weight）
W
Vw V
Gs
ms
Vs w4C
ms
S
Vs
土粒质量与同体积 4°C水的质量之比
[无量纲]
质量 mass
体积 volume
土的三相图 Three phase diagram
2 土的密度
（1）质量密度
ma(0)
A
（density）
m/v
mw
(ms mw ) /(Vs Vv ) m
W
(g / cm3 )
n Vv 100% V
Va Vw 100% V
2、孔隙比(void ratio)
A
Va
Vv
W
Vw V
S
Vs
e Vv VS
体积 volume
土的三相图 Three phase diagram
孔隙比与孔隙度换算
e n 1 n
n e 100% 1 e
3、砂土的相对密度Dr (relative density)
mw
W
m
w mw 100 %
ms 土中水的质量
ms
S
土中颗粒的质量 100 %
Va Vv
Vw V
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图 Three phase diagram
• 含水量的影响因素 土层所处的自然条件 土的空隙体积数量等
• 含水量的测定方法 烘干法 酒精燃烧法 炒干法
2 土的饱和度（degree of saturation）
第三节 土的物理性质指标及其换算
土的物理性质是表征土的物理状态的一系 列性质
如:重量、含水性、孔隙性等 土的物理性质指标是评价和判断土的工程
性质的重要依据。
A W
S
以质量计： 空气质量 ma 0
水质量 mw 土粒质量 ms 总质量 m= mw + ms 或以重量计：W=mg
以体积计： 空气体积 Va
水体积 Vw 土粒体积 Vs 总体积 V=Vv +Vs 孔隙体积 Vv
A ma(0)
mw
W
m
ms
S
Va Vv
Vw V
Vs
质量 mass
体积 volume
土的三相图 Three phase diagram
一、土的质量和重量
ma(0)
A
Va
1 土粒的比重
（specific gravity） m
mw
Vv
ma(0)
sat
ms
Vv w
V
g
mw m
sat g ms
（4）干重度（密度）
（dry unit weight）
A W
S
Va Vv
Vw V
Vs
d
ms V
g
d g
质量 mass
体积 volume
干密度是表征结构松密程度的指标
（5）水下重度（浮重 度）（submerged unit weight，
ma(0)
mw
Sr Vw 100 %
m
VV
土中水的体积
ms
土中孔隙体积 100 %
A W
S
Va Vv
Vw V
Vs
质量 mass
反映土中孔隙的充水程度
体积 volume
• 砂土湿度按饱和度分类
Sr50%
稍湿的
50%Sr80% 湿的
Sr>80%
饱和的
三、土的孔隙性及其指标
1、孔隙度(porosity)
最紧密
em in
d max
天然
e
d
最松散
emax
d min
e增大
Dr emax e em ax em in
d max( d d min ) d ( d max d min )
砂土的密实度分类
砂土按孔隙比e的密实度分类
密实度 密实 中密
稍密 松散
土名
砾砂，粗砂， e <0.6 0.6e0.75 0.75<e0.85 e>0.85 中砂