土的物理性质指标及其换算详解
土的力学指标
土的力学指标
土的力学指标是指土体在受力作用下的力学性质。常用的土的力学指标包括：
1. 抗剪强度（Shear Strength）：土体抵抗剪切力的能力，常用剪切强度或摩擦角来表示。
2. 压缩性变形（Compression Deformation）：土体在受压力作用下发生的变形，包括压缩和沉降。
3. 孔隙比（Porosity Ratio）：土体中孔隙体积与土体总体积的比值，用来描述土体的孔隙度。
4. 体积（重度）密度（Density）：土体的单位体积质量，表示土体的紧密程度。
5. 孔隙水压（Pore Water Pressure）：水分在土体内的压力，会影响土体的力学性质。
6. 压缩模量（Compressibility Modulus）：土体对于施加在其上的压力所产生的变形的抵抗能力。
7. 剪切模量（Shear Modulus）：土体抵抗剪切力下产生的变形的抵抗能力。
这些力学指标可以通过实验测试来获得，对于土体的力学性质研究和土木工程设计都具有重要意义。
土的基本物理性质指标
土的基本物理性质指标
土壤是地壳的重要组成部分，具有一系列基本的物理性质指标。这些性质指标包括土壤颗粒组成、孔隙度、比表面积、容重、水分特性曲线、渗透性和热传导等。这些性质指标对土壤的肥力、水分管理、生态环境等方面都有重要影响。以下将详细介绍土壤的基本物理性质指标。
1.颗粒组成
土壤由不同大小的颗粒组成，主要有砂粒、粉粒和黏粒三种。其中，砂粒是直径大于0.02 mm的颗粒，粉粒是直径在0.002-0.02 mm之间的颗粒，黏粒是直径小于0.002 mm的颗粒。颗粒组成对土壤的质地和通气性有重要影响。
2.孔隙度
孔隙度是指土壤中孔隙容积与总体积之比，它决定了土壤的保水性和透气性。孔隙度的大小与土壤的颗粒组成、压实度等因素有关。
3.比表面积
比表面积是指单位质量土壤的表面积。比表面积越大，表示土壤颗粒的细小程度越高，对水分和养分的吸附能力也越强。
4.容重
容重是指土壤单位体积的质量。容重的大小与土壤的颗粒组成、孔隙度等因素有关。容重较大则表示土壤的压实度高，根系伸展和水分渗透受到限制。
5.水分特性曲线
水分特性曲线描述了土壤中水分随土壤水势的变化关系。这个曲线反映了土壤的持水能力、排水性能和水分利用能力。
6.渗透性
渗透性是指土壤中水分通过土壤的能力，它受到土壤的孔隙度、颗粒组成和压实度等因素的影响。渗透性的好坏对土壤的排水、保水和根系生长都有重要影响。
7.热传导
热传导是指土壤中热量传导的能力，它影响了土壤的热环境和植物生长。土壤的热传导能力取决于土壤的颗粒组成、含水量和密实度等因素。
在土壤的物理性质中，各项指标相互关联、相互作用。例如，孔隙度和颗粒组成决定了土壤的通气性和保水性，而渗透性和容重指标影响了土壤的水分利用能力。这些物理性质指标的变化都会对土壤的可利用性、水分管理和植物生长产生重要影响。
土的三项基本物理性质指标
土的三项基本物理性质指标
土的物理力学基本指标知识点主要分为：质量密度；孔隙比；孔隙率；含水量；饱和度；界限含水量；液限；塑限；塑性指数；液性指数；渗透系数；内摩擦角与黏(内)聚力等。
土的物理力学基本指标土的三相(固体颗粒、水和气)组成特性，构成了其许多物理
力学特性。
相同成分和结构的土中，土的三相之间具备相同的比例。土的三相共同组成的重量和
体积之间的比例关系相同，则土的重量性质(重、轻情况)、不含水性(含水程度)和孔隙性(规整程度)等基本物理性质各不相同，并随着各种条件的变化而发生改变。比如对同一成
分和结构的土，地下水位的增高或减少，都将发生改变土中水的含量;经过压实,其孔隙体
积将增大。这些情况都可以通过适当指标的具体内容数字充分反映出。
土的物理力学基本指标主要有: ①质量密度；②孔隙比；③孔隙率；④含水量；
⑤饱和度；⑥界限含水量:黏性土由一种物理状态向另一种物理状态转变的界限状态所对
应的含水量；⑦液限:土由流动状态转入可塑状态的界限含水量，是土的塑性上限，称为
液性界限，简称液限；⑧塑限:土由可塑状态转为半固体状态时的界限含水量为塑性下限，称为塑性界限，简称塑限；⑨塑性指数:土的液限与塑限之差值；⑩液性指数:土的天然
含水量与塑限差值与塑性指数之比值；⑾渗透系数:土被水透过称为土的渗透性，水在土
孔隙中流动则为渗流。在一定水力梯度下，渗流速度反映土的渗透性强弱，渗透系数是渗
流速度与水力梯度成正比的比例系数；⑿内摩擦角与黏(内)聚力:土的抗剪强度由滑动面
上土的黏聚力(阻挡剪切)和土的内摩阻力两部分组成，摩阻力又与法向应力成正比，其中
土的经验参数
土的经验参数
一、物理指标
1.比重：土壤的比重是指单位体积土壤的质量与同体积纯水的质量之比，通常用干重比重和湿重比重表示。
2.含水量：土壤的含水量是指土壤中水分的质量与干重土壤质量之比，常用百分比表示。
3.孔隙度：土壤的孔隙度是指土壤中孔隙体积与总体积之比，常用百
分比表示。
4.总容重：土壤的总容重是指单位体积土壤的质量，通常用干重表示。
5.粒径分布：土壤的粒径分布是指不同粒径组分在土壤中的含量分布
状况。
二、压缩指标
1.压缩系数：土壤的压缩系数是指单位压力下土壤体积变化的比例，
通常用体积压缩系数和线性压缩系数表示。
2.压缩指数：土壤的压缩指数是指土壤在其中一固定压力下的压缩变
化量与干重土壤质量之比，表示土壤的可压缩性。
3.压缩模量：土壤的压缩模量是指土壤在荷载作用下的压缩刚度，通
常用单位应力下的压缩应变表示。
三、变形模量
1.杨氏模量：土壤的杨氏模量是指土壤在单位应力下的应变、变形关系，反映土壤的刚度。
2.泊松比：土壤的泊松比是指土壤沿径向收缩时垂直于径向的应变与
径向应变之比，反映土壤的可压缩性和变形能力。
3.弯曲模量：土壤的弯曲模量是指土壤在受弯曲荷载作用下的弯曲刚度，通常用单位应力下的弯曲应变表示。
1.内摩擦角：土壤的内摩擦角是指土壤在剪切状态下达到极限强度时，切线与水平方向之间的夹角，反映土壤抗剪性能。
2.剪切模量：土壤的剪切模量是指土壤在剪切应力作用下的应变、剪
切关系，反映土壤的刚度。
以上是土的经验参数的主要内容，在土壤工程设计和分析中起到重要
的作用。不同类型的土壤具有不同的参数值，通过对土的经验参数的研究
土的基本物理性质指标计算及换算
1∙1 土的物理性质指标计算
1」」土的基本物理性质指标计算与换算
1.1 土的物理性质指标计算
1.1.1 土的基本物理性质指标计算与换算
土由固体颗粒（固相）、水（液相）和空气（气相）三部分组成，这三部分之间的比例关系随着周围条件的变化而变化，三者相互之间的不同比例.反映出土的不同物理状态.如干燥.稍湿或很湿、密实、稍密或松殺。这些指标是最基本的物理性质指标，对于评价土的物理力学和工程性质，进行土的工程分类具有很重要的意义。为了研究土的物理性质）就要掌握土的三个组成部分之间的比例关系。
表达这三部分之间关系的指标，称为土的物理性质指标。
土的三相物质是混合分布的■为研究阐述和计算方便.一般用图所示三相图表示，把土的固体颗粒、水、空气各自划分开来。气体的质量比其他两部分质但小很多，一般忽略不计。
ffll-1 土的三相給成示藏图l-±Ktt; 2—水；3—空气注 E —土的总质■ （IH a m i÷ Ww）;
m.—土的固体.5IeLM质Ib 叫—土中水的质IL
w. ------ 土中代体的ft*, Λt ft≡≡0∣
V——土的总体积（V= V B t V w÷ V i）;
v∙—土中固体L的体积；
V W—土中水所占的体釈,
V a——土中空气所占的体积（
V.—土中空熬的体衩（V^V e4 v w>.
-S
土的质量密度和重力密度
土的质■密度和•力密度
1. 土的质最麼度
单位体积土的质量称为土的质最密度.简称土的密度■用符号F 表示，其基本表达 式为；
式中∙V——土的总体积；
Tn --- 土的总质量O
土的物理性质指标及其换算
3、各指标间的换算
（1）各指标之间的关系
d
w 一定
e(n)
Sr
Sr一定
Gs
w
反比关系
正比关系
（2）几个常用的重要关系
1. d
2.e
1 w
1
Gs w
d
3. S r e Gs w
n 4. e 1 n
e n 100 % 1 e
1. d
1 w
m g V
Vv V Vs V Gs w d e 1 1 1 ms Vs Vs Vs d Gs w
ms
3. S r e Gs w
Vw Vv Sr , e Vv Vs
ms mw Gs ,w Vs w ms
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
土的物理性质指标换算关系
2020/4/2
6
干密度与湿密度和含水率的关系
m V
d
wd
1
d 1 w
d
1 w
2020/4/2
7
孔隙比与比重和干密度的关系
d
ms V
s
1 e
e dsw 1 d
2020/4/2
8
饱和度与含水率、比重和孔隙 比的关系
Sr
Vw Vv
w s w
e
wd s e
当土饱和时，即为Sr=100％
A基本指标（3个）——通过试验测定
❖天然密度：单位体积天然土样的质量(g/cm3或kg/m3)
➢计算公式:
m/V
➢测量方法: 环刀法
➢常 见 值:1.6---2.2
❖含水量：土中水的质量与土颗粒质量之比(百分数)
➢计算公式:
w mw / ms
➢测量方法: 烘干法、燃烧法
❖土粒比重(土颗粒相对密度): 土颗粒的质量与同体积
100%
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
2.3.2 指标的换算
土的密度、含水量、土粒比重是通过试验测定 ，其他指标可由这三个指标换算得到。
孔隙比与孔隙率的关系
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。
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：
土的三项比例指标换算公式
土的三项比例指标换算公式
某原状土样，经试验测得天然密度ρ=1.91g/cm3，含水率ω=9.5%，土颗粒相对密度G s=2.70。试计算：（1）土的孔隙比e、饱和度S r；（2）当土中孔隙充满水时土的密度ρsat和含水率ω。
解：绘制三相草图，设土的体积V=1.0cm3。
（1）根据密度定义，得：m=ρV=1.91×1.0=1.91g
根据含水率定义，得：m w=ωm s=0.095m s
从三相图中有：m w+m s=m
因此0.095m s+m s=1.91g m s=1.744g m w=0.166g
根据土颗粒相对密度定义，得：
土颗粒密度ρs：
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2.2 土的物理性质指标
ms
三、换算指标 1.孔隙比 和孔隙率 孔隙比e和孔隙率 孔隙比 和孔隙率n
质量m 质量 气 mw m 水 土粒 体积V 体积 Vw Va V
孔隙比e 孔隙比 ：土中孔隙体积与土
粒体积之比
ms
Vs
e =
V
a
+ V V s
w
V = V
v s
孔隙率n 土中孔隙体积与总体积之比， 孔隙率 ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示
mw
质量m 质量
Gs（1＋ω）ρw Gsρw ωGsρw
体积V 体积 水 土粒
Vv=e Vs＝1 1+ 1+e
气
ρ ms G s .ρ w Gs .ρ w .ρ ρd = = = = (1 + ω ).ρ w .Gs (1 + ω ).ρ w .Gs (1 + ω ) V ρ
•从物理意义上理解指标间的关系 从物理意义上理解指标间的关系 •不鼓励死记硬背 不鼓励死记硬背 •必要时利用三相草图推导 必要时利用三相草图推导
Vs
ρ sat
m s + Vv ρ ω = V
ρ
d
m = V
s
浮密度ρ 浮密度 ′ ：单位体积内土粒质量与同体积水的质 量之差
质量m 质量 气 mw m 水 土粒 体积V 体积 Vw Va V
(完整版)土的基本物理性质指标计算与换算
1.1土的物理性质指标计算
1.1.1土的基本物理性质指标计算与换算
一、土的质量密度和重力密度
二、土粒相对密度（比重）
三、土的含水量
四、土的干密度和干重度
五、土的饱和密度和饱和重度
六、土的有效重度
七、土的孔隙比
八、空隙率
九、饱和度
【例1-1】
【例1-2】
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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
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
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
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）
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
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)
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)
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 )
ma(0)
buoyant unit weight） mw m
' ms Vs w g
V
ms
sat w
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱW
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）
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，
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
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
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）