2土的物理性质及分类

第2章 土的物理性质及分类

2.1 概 述

土是土粒（固体相），水（液体相）和空气（气体相）三者所组成的；土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。

土的物理性质指标，可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如含水量，密度和土粒比重；另一类是可以根据试验测定的指标换算的；如孔隙比，孔隙率和饱和度等。

2.2 土的三相比例指标

反映着土的物理状态,如干湿软硬松密等。表示土的三相组成比例关系的指标,统称为土的三相比例指标。 一、土的三相图

【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相分开，并不表示实际土体三相所占的比例。 二、指标的定义 1．三项基本物理性质指标

土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定,亦称直接测定指标。

① 土的密度ρ——土单位体积的质量（单位为3

/cm g 或3

/m t ）

V

m ＝ρ g ργ=

试验测定方法：环刀法

一般粘性土ρ=1.8～2.03/cm g ；砂土ρ=1.6～2.03/cm g ；腐殖土ρ=1.5～1.73

/cm g ； ② 土粒比重（土粒相对密度）s G ——土粒的质量与同体积4o C 纯水的质量之比。

1

11w s w s s s V m G ρρρ=⨯=

，无量纲。 s ρ——土粒密度（3/cm g ）

1w ρ——纯水在C 04时的密度（单位体积的重量），等于3/1cm g 或3

/1m t 。

试验测定方法：比重瓶法

实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无因次。同一类土，其比重变化幅度很小，通常可按经验数值选用。见下表。

【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）的区别

注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的状态（重度、含水量）下，其比重不变；

③ 土的含水量ω——土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示：

%100⨯=

s

m m ω

ω 一般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就降低。 试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与干土质量的比值） 【讨论】含水量能否超过100％？

——从公式可以看出，含水量可以超出100％。 2．特殊条件下土的密度

① 饱和密度和饱和重度

饱和密度sat ρ——（土孔隙中充满水时的单位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的

土的密度：V

V m v s sat ωρρ+=

。 （3

1/1cm g w w ==ρρ）

饱和重度：γ

sat =

sat ρg （kN/m 3）

。 ② 干密度和干重度

干密度——单位体积中土粒的质量：V

m s

d =

ρ，（kg/m 3，g/cm 3）。 干重度——单位体积中土粒的重量：d γ=ρd g ，（kN/m 3）。

在工程上常把干密度作为评定土体密实程度的指标，以控制填土工程的施工质量。

③ 有效重度（浮重度）——单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的质量即为单位土体

积中土粒的有效质量，称为土的有效密度ρ'

V

V m w

s s ρρ-'＝

V

V g m s s ω

γγ-=

'，（kN/m 3）。

同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系：

sat γ＞γ＞d γ＞γ'

ωγγγ＋＝'sat

3．描述土的孔隙体积相对含量的指标

测出上述三个基本试验指标后，就可根据三相图，计算出三相组成各自的体积上和质量上的含量，并由此确定其它的物理性质指标，即导出指标。

① 孔隙比——土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示：s

v

V V e =

孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。

天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密度程度。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。 ② 孔隙率——土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示：V

V n v

=100％ 孔隙率亦可用来表示同一种土的松、密程度。

一般粘性土的孔隙率为30～60%，无粘性土为25～45%。

③ 饱和度——土中所含水分的体积与孔隙体积之比（以百分率计），饱和度可描述土体中

孔隙被水充满的程度：%100⨯=

v

r V V S ω

显然, 干土的饱和度S r =0, 当土被完全饱和状态时S r =100%。砂土根据饱和度可划分为下列三种湿润状态：S r ≤50% 稍湿，50%＜S r ≤80% 很湿，S r ＞80% 饱和。 【讨论】孔隙比、孔隙率、饱和度能否超过1或100％？

三、指标的换算

已知：ρ（γ），s d ，ω——→e ，n ，S r ，ρsat

（γsat ），ρd （γd ），γ'等的表达式。

推导间接指标的关键在于：熟悉各个指标的定义及其表达式，能熟练利用土的三相简图。

令w w ρρ=

1， 1=s V

则e V v =，e V +=1，w s w s s s G V G m ρρ==，w s s w wG wm m ρ==，w s G w m ρ)1(+=

推导：

e G w V m w

s ++=

1)1(ρρ＝

（a ） w e G V m w s s d +=

+==

11ρ

ρρ （b ） 由(b)式，1)1(1-+=

-=

ρ

ρρρw

s d

w

s G w G e

e

e G e e G V V m w

s w w s w v s s a t ++=

++=+=1)(1ρρρρρ e

G V

V V m V V V m V V m w

s

w

s a t w

w v s w v s w s s +-=-=-+=--=-=

'1)1( )(ρρρρρρρρ

e

e

V V n v +=

=

1 e

wG V wG V m V V S s

w v w s w v w v w r ====

ρρρ 注意：此时e 已是“已知”的指标。根据各间接指标的定义，利用三相简图可求得：

ωγγe e G s sat ++=

1 ωγγe

G s +-='11

ωρρs d G n －＝1

土的三相比例指标换算化式一并列于下表。 【本次课小结】 1．各指标的定义；

2．利用三相图进行指标间的相互换算。 【复习思考】