第四节 土的三相比例指标

第四节土的三相比例指标
以上三节介绍了土的组成和结构，特别是土颗粒的粒度和矿物成分，是从本质方面了解土的工程性质的根据。

但是，为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相：土粒（固相）、土中水（液相）和土中气体（气相）的组过情况进行数量上的研究。

在不同成分和结构的土中，土的三相之间具有不同的比例。

土的三相组成的重量和体积之间的比例关系，表现出土的重量性质（轻、重情况）、含水性（含水程度）和孔隙性（密实程度）等基本物理性质各不相同，并随着各种条件的变化而改变。

例如对同一成分和结构的土，地下水位的升高或降低，都将改变土中水的含量经过压实，其孔隙体积将减小。

这些情况都可以通过相应指标的具体数字反映出来。

表示土的三相比例关系的指标，称为土的三相比例指标，亦即土的基本物理性质指标包括土的颗粒比重、重度。

含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。

一、指标的定义
为了便于说明和计算，用图2-20所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系，图中符号的意义如下：
Ws——土粒重量；
Ww——土中水重量；
W——土的总重童；W＝Ws＋Ww
Vs——土粒体积；
Vw——土中水体积；rwV=Ww
（∵rw=1gf/cm3≈1kN/m3）
Va一土中气体积；
VV一土中孔隙体积；VV= Vw+ Va
V一土的总体积，V= Vs+ Vw+ Va
（一）土的颗粒比重G
土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒比重，它在数值上为单位体积土粒的重量，即：
(2-4)
式中：——水在4℃时单位体积的重量，等于1gf／cm3或Itf／m3≈10kN／m3。

颗粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.65~2.75。

有机质为2.4~2.5；泥炭土为1.5～1.8；而含铁质较多的粘性土可达2.8～3.0。

同一种类的士，其颗粒比重变化幅度很小。

颗粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。

一般土的颗粒比重值见表2-3。

由于颗粒变化的幅度不大，通常可按经验数值选用。

土的颗粒比重参考值表2-3
（二）土的重度γ
单位体积土的重量称为土的重度（单位为kN／m3=tf／m3×10－1），即：
(2-5)
土的重度取决于土粒的重量，孔隙体积的大小和孔隙中水的重量，综合反映了土的组成和结构特征。

对具有一定成分的土而言，结构愈疏松，孔隙体积愈大，重度值将愈小。

当土的结构不发生变化时，则重度随孔隙中含水数量的增加而增大。

天然状态下土的重度变化范围较大。

一般粘性土γ=18～20kN／m3；砂土γ=16～20kN／m3；腐植土γ=15～17kN／m3。

重度一般用“环刀法”测定，用一个圆环刀（刀刃向下）放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀容积内，称得环刀内土样重量，求得它与环刀容积之比值即天然重度。

（三）土的干重度γd、饱和重度γsat和浮重度γ'
土的干重度γd
单位体积中固体颗粒部分的重量。

称为土的干重度γd，即：
(2-6)
土的饱和重度γsat
在工程上常把干重度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。

土孔隙中充满水时的单位体积重量。

称为土的饱和重度γsat即：
(2-7)
土的浮重度γ'
在地下水位以下，单位土体积中土粒的重量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒的有效重量，称为土的浮重度或水下重度γ'，即：
(2-8)
（四）土的含水量W
土中水的重量与上粒重量之比，称为土的含水量，以百分数计，即：
(2-9)
含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。

天然土层的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。

一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达35％；坚硬的粘性土的含水量为20％～30％，而饱和状态的软粘性（如淤泥），则可达60％或更大。

一般说来，同一类土，当其含水量增大时，则其强度就降低。

土的含水量一般用“烘干法”测定。

先称小块原状土样的湿土重，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干土重，湿、干土重之差与干土重的比值，就是土的含水量。

（五）土的饱和度S土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，称为土的饱和度，以百分率计，即：
(2-10)
饱和度值愈大，表明土孔隙中充水愈多。

孔隙完全为水充满时，Sr=100％，土处于饱和状态；孔隙中全是气体，没有水分，Sr =0％，土处于干燥状态（这种状态自然界实际很少）。

工程实际中，按饱和度常将土划分为如下三种含水状态：
Sr<50% 稍湿的
Sr＝50％～80％很湿的
Sr>80% 饱水的
应指出，粘性土因主要含结合水，由于结合水膜厚度的变化将使土体积发生膨胀、收，改变土中孔隙的体积，即孔隙体积可因含水量而变化，所以，对粘性土通常不按饱和，而按稠度指标——液性指数人评述其含水状态（参见26节）。

对于粉土，由于毛细作用引起的假塑性，按液性指数评价状态已失去意义，根据对全国各地粉土资料的综合分析，《岩土工程勘察规范》确定按含水量评述粉土的含水（湿度）
（六）土的孔隙比e和孔隙率n
土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，即： (2-11)
孔隙比用小数表示。

它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。

一般e＜0.6的土是密实的低压缩性土，e＞1.0的土是疏松的高压缩性土。

土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示。

孔隙率和孔隙比都说明上中孔隙体积的相对数值。

孔隙率且直接说明土中孔隙体积占土体积的百分比值，概念非常清楚，但不便于工程应用，因地基土层在荷载作用下产生压缩变形时，孔隙体积（Vv）和土体总体积（V）都将变小，显然，孔隙率不能反映孔隙体积在荷载作用前后的变化情况。

而一般情况下，土粒体积（Vs），则可看作不变值，故孔隙比就能反映土体积变化前后孔隙体积的变化情况。

因此，工程计算中常用孔隙比这一指标。

自然界上的孔隙率与孔隙比的数值取决于土的结构状态，故为表征土结构特征的重要指标。

数值愈大，土中孔隙体积愈大，土结构愈疏松；反之，结构愈密实。

由于土松密程度差别极大，土的孔隙比变化范围也大，可由0.2到4.0，相应孔隙率由20％到80％，但常见值孔隙比为0.5～1.2，相应孔隙率为33％～66％。

并如上所述，无粘性土虽孔隙较大，但因数量少，孔隙比相对较低，一般为0。

5～0．8，孔隙率相应为33％～45％；粘性则因孔隙数量多和大孔隙的存在，孔隙比常相对较高，一般为0.67～1.2，相应孔隙率为40％～55％，少数近代沉积的未经压实的粘性土，孔隙比甚至在4.0以上，孔隙率可大于80％。

二、指标的换算关系
上述土的三相比例指标中，土粒比重G、含水量ω和重度γ三个指标是通过试验测定的。

在测定这三个基本指标后，可以导得其余各个指标。

常用图2-21所示三相图进行各指标间关系的推导，
令γw=1gf/cm3，令Vs=e，V＝1＋e，Ws=VsG=G，Ww＝ωWs=ωG,W=G(1+ω)。

常用图2-21所示三相图进行各指标间关系
土的三相比例指标换算公式一并列于表2-5。