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。

含水量小的土强度较高。

土的含水量变化幅度很大，砂土一般在0～40％间变化，黏性土在20％～100％间变化，有的甚至高达百分之几百。

土的含水量一般采用烘干法测定。

将土样在100～105 ℃恒温下烘干，这时土中的自由水与结合已排出，根据烘干前后的重量差与烘干后的土重之比即得。

6.土的孔隙比e及孔隙率n（%）
土的孔隙比，是土中孔隙体积与土粒体积的比值，以式表示：
土的孔隙率(孔隙度)是孔隙体积与土总体积之比，以百分数表示：
孔隙比e与孔隙率n间有下列关系：
土的孔隙比反映了土的密实程度：孔隙比越大，土越疏松；孔隙比越小，土越密实。

一般天然状态的土，若e<0.6，则这种土可作为建筑物的良好地基；若e＞1，说明土中孔隙体积比土粒的体积还多，因而土的工程性质较差，不宜直接作为建筑物地基。

7.土的饱和度Sr（%）
土的饱和度表示土中孔隙内充水的程度，即土中水的体积与孔隙体积的比值，常以百分数表示：
饱和度说明土的潮湿程度，如Sr=100％，说明土孔隙全部充水，土是饱和的；如Sr=0，说明土是完全干的。

8.土的三相物理指标换算
三相指标相互之间有一定关系，只要知道其中某些指标，通过简单的计算，就可得到其他指标。

上述各指标中，土粒相对密度ds、含水量w、重度γ三个指标必须通过试验测定，其他的指标可由这三个指标换算得来。

其换算方法可通过土的三相比例指标换算图(图1-2)来说明。

令固体颗粒体积Vs=1，根据定义即可得出
Vv=e，V=1+e，Ws=γwds，Ww=wγwds，W=γwds(1+w)。

从而导出各指标间的换算公式，见表1-1。

9.土的颗粒级配
为了便于研究，将土粒按大小及性质的不同，划分成若干粒组（见表1-2）。

从表中可以看出，颗粒越小，与水的相互作用就越强烈。

粗颗粒和水之间几乎没有物理化学作用，而粒径小于0.005 mm的黏粒和胶粒则受水的强烈影响，遇水时出现黏性、可塑性、膨胀性等粗颗粒所不具有的特性。

因此，土中所含的各粒组的相对含量不同，表现出来的土的性质也就不同。

工程中常用的粒径分析法有筛分法(适用于粒径大于0．074 mm的土)与比重计法(适用于粒径小于0．074 mm的土)两种。

当土中同时含有大于和小于0．074 mm 的土粒时，则两种方法并用。

颗粒分析的结果常用如图1-3所示的粒径级配曲线表示。

图中的纵坐标表示小于某粒径的土粒占土总重的百分比，横坐标表示粒径。

粒径级配曲线对土的颗粒组成给以明确的概貌，如由曲线2看出，所试验的土样含黏粒44％，粉粒36％，砂粒20％。

若级配曲线平缓，表示土中各种粒径的土粒都有，颗粒不均匀，级配良好；曲线陡峻则表示土粒均匀，级配不好。

用不均匀系数Ku来衡量土的级配情况，见式下：
式中d60——限定粒径，土中小于该粒径的颗粒重占土总重的60％；
d10——有效粒径，土中小于该粒径的颗粒重占土总重的10％。

工程上把Ku<5的土看作级配均匀；Ku>10的土看作级配良好，土中的大孔隙可为细颗粒所填充，因而适于作为填方土料及混凝土工程的砂石料。

10.黏性土的液塑限
1）土的塑性
随着黏性土中水分含量的增加，黏性土可呈现出固态、半固态、塑性状态（又分硬塑、可塑与软塑）与流塑状态。

塑性状态（亦称塑态）是指物体在外力作用下可被塑成任何形状而不出现裂纹，且外力除去后仍能保持所塑形状的特性，即适于捏泥娃娃时的状态。

半固体状态是指土的形状可维持不变，但体积可因水分的蒸发而收缩。

固体状态则指体积和形状都维持不变。

流塑状态是指土在自重作用下可产生缓慢塌落，又称为流动状态。

土由流动状态变成塑态的界限含水量称为塑性上限含水量，简称液限；由塑态变成半固态的界限含水量称为塑性下限含水量，简称塑限；由半固态转为固态的界限含水量称为缩限。

黏性土物理状态的改变，反映了土中水对土性质的影响(见图1-4)。

当土粒相距较远，土粒间由自由水隔开时，土处于流动状态；多数土粒由弱结合水隔开时，土粒在外力作用下可相互滑动，这时土处于可塑状态；当弱结合水膜变薄，黏滞性增大，土就向半固态转化；当土中主要含强结合水时，土处于固体状态；当土呈干燥状态时，土粒间主要靠相互的分子吸引力直接连系并形成坚固的固体。

测定黏性土的液限，最常用的是锥式液限仪(见图1-5)。

在特定的盛土杯中装满调匀的土试样，刮平土表面后，将值量为76 g的平衡锥放在土表面中心处，锥体在自重作用下徐徐沉入土中。

如锥体恰好沉入土内10 mm，即锥上的刻度线与土面齐平，这时土的含水量就是液限。

测定塑限，一般用搓条法。

将土样放在毛玻璃板上，用手掌搓成细条，如细条的直径达到3 mm时，刚好裂成几段，这时的含水量就是塑限。

2) 塑性指数和液性指数
（1）液限与塑限的差值称为塑性指数(Ip)，以下式表示：
Ip=wL-wp
式中Ip——土的塑性指数，一般以百分数的绝对值表示，不带％符号；
wL——土的液限，此处不需带％；
wp——土的液限，此处不需带％；
wp——土的塑限，此处不需带％。

塑性指数Ip越大，表示土的可塑性范围越大，土中所能含有的结合水越多，土与水的作用越强烈。

塑性指数是黏性土的重要土性指标，各国均以塑性指数进行黏性土的分类。

我国的分类见表1-3。

（2）液性指数亦称稠度，是表示土的软硬或稀稠状况的指标，用下式表示：
式中w——土的天然含水量，用绝对值，不带%。

根据液性指数，黏性土分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种状态，见图1-4及表1-4。