土的物理性质与工程分类

第二章土的物理性质与工程分类

自然界中土的性质是千变万化的，在工程实际中具有意义的往往是固、液、气三相的比例关系，相互作用以及在外力作用下所表现出来的一系列性质。土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况；后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用。

土的工程分类是岩土工程学中重要的基础理论课题。对种类繁多、性质各异的土，按一定的原则，进行分门别类，给出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。

第一节土的基本物理性质

土的三相组成实际上是混合分布的，为了使三相比例关系形象化和阐述方便，将它们分别集中起来画出土的三相示意图（图2-1）。

图2-1 土的三相示意图

V-土的总体积，cm3； m-土的总质量，g； Vs-土中固体颗粒实体的体积，cm3；

ms-土的固体颗粒质量，g； Vv-土中孔隙体积，cm3； mw-土中液体的质量，g；

Vw-土中液体的体积，cm3； ma-土中空气的质量，（ma=0）； Va-土中气体的体积，cm3。

一、土粒密度

土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量。

（g/cm3）（2-1）

土粒密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙大小和含水多少无关，它的数值一般在2.60~2.80g/cm3之间（表2-1）。一情况下，随有机质含量增多而减小，随铁镁质矿物增多而增大。它是土中各种矿物密度的加权平均值。

表2-1 各种主要类型土的土粒密度

土的种类砾类土砂类土粉土粉质粘土粘土土粒密度

（g/cm3）常见值 2.65~2.752.65~2.702.65~2.702.68~2.732.72~2.76平均值2.662.682.712.74

土粒度密度是实测指标，可在实验室内直接测定。该指标一方面可以间接地说明土中矿物成分特征，另一方面主要用来计算其他指标。

二、土的密度与重度

土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位是g/cm3，根据土所处的状态不同，土的密度可分为如下几种情况：

（一）天然密度

天然状态下单位体积土的质量，称天然密度，即：

（g/cm3）（2-2）

天然密度的大小取决于矿物成分、孔隙大小和含水情况，综合反映了土的物质组成和结构特征。土越密实，含水量越高，则天然密度就越大，反之就越小。由于

自然界土的松密程度与含水量变化较大，故天然密度变化较大，一般值为1.6~2.2g/cm3，小于土粒密度值，它是一个实测指标。

（二）干密度

土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密度，指单位体积干土的质量，即

（g/cm3）（2-3）

干密度与土中含水多少无关，只取决于土的矿物成分和孔隙性。对于某一种土来说，矿物成分是固定的，土的密度大小只取决土的孔隙性，所以干密度能说明土的密实程度。其值越大越密实，反之越疏松。干密度可以实测，但一般用其他指标计算求得，土的干密度一般在1.4~1.7g/cm3之间。

（三）饱和密度

土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度，是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即

（g/cm3）（2-4）

式中：为水的密度（g/cm3），常近似取1.0g/cm3。

工程实际中，常将土的密度换算成土的重度（），重度等于密度乘以重力加速度g,即

（kN/m3）（2-5）

式中的重力加速度常近似取10m/s2, 当=1.0g/cm3 ，则=10kN/m3。与天然密度、干密度、饱和密度对应的重度分别称之为天然重度（）、干重度（）及饱和重度（）。另外，处于地下水位以下的土层，如果土层是透水的，此时土受水的浮力作用，土的实际重量将减小，那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度（′）即

（kN/m3）（2-6）

浮重度等于土的饱和重度减去水的重度（），即：

（2-7）

对于同一种土来讲，土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系：三、土的含水性

土的含水性指土中含水情况，说明土的干湿程度，有含水量与饱和度两个指标。（一）含水量

土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，又称土的含水率。

（2-8）

一般所说的含水量指的是天然含水量，土的含水量由于土层所处自然条件（如水的补给、气候、离地下水位的距离等），土层的结构构造（松密程度）以及沉积历史等的不同，其数值相差较大。如近代沉积的三角洲软粘土或湖相粘土，含水量可达100%以上，有的甚至高达200%以上；而有些密实的第四纪老粘土（Q3以前沉积），孔隙体积较小，即使孔隙中全部充满水，含水量也可能小于20%。干旱地区，土的含水量可能微不足道或只有百分之几。一般砂类土的含水量都不会

超过40%，以10 ~30%为常见值，一般粘性土的常见值为20~50%

土的孔隙中全被水充满时的含水量，称为饱和含水量wsat。

（2-9）

饱和含水量既能反映土孔隙中全部充满水时含水多少。又能反映土的孔隙率大小。

（二）饱和度

土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度，以百分数表示。

（2-10）

或天然含水量与饱和含水量之比：

（2-11）

饱和度可以说明土孔隙中充水的程度，其数值为0~100%。干土：Sr=0；饱和土：Sr=100%。工程实际中，饱和度主要用于评述砂类土的含水状况（或湿度），按饱和度大小常将砂类土划分为如下三种含水状况：

Sr<50% 稍湿的

50%≤Sr≤80% 很湿的

Sr>80% 饱和的

饱和度是一个计算指标，对粘性土，由于主要含结合水，结合水膜厚度的变化将引起土体积的膨胀或收缩，改变原状土中孔隙的体积。另外，结合水的密度大于1，计算饱和度时，一般取水的密度为1.0g/cm3。因此，最终计算得到的饱和度值常大于100%，显然与实际不符。工程实际中，一般不用饱和度评价粘性土的湿度。

四、土的孔隙性

土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等，称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量，主要有孔隙度和孔隙比两个指标。孔隙性指标只能反映土内孔隙总体积的大小，不能反映单个孔隙体积的大小。

（一）孔隙度

孔隙度又称孔隙率，指土中孔隙总体积与土的总体积之比，用百分数表示。

（2-12）

土的孔隙度取决于土的结构状态，砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为27~52%。新沉积的淤泥，孔隙度可达80%。土的孔隙度是一个计算指标。

（二）孔隙比

孔隙比指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值，用小数表示，

（2-13）

土的孔隙比说明土的密实程度，按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。如在《岩土工勘察规范》（GB50021-94）中，用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e<0.75 为密实，0.75≤e≤0.9为中密，e>0.9为稍密的粉土。工程实际中，除了用孔隙比评价砂类土或粉土的密实程度外，还用于地基沉降量的计算。土的孔隙比系一计算指标。

孔隙度与孔隙比的关系为

（2-14）

（三）砂土的相对密度