土的物理性质指标

土的物理性质指标是反映土的工程性质的特征指标。土是由固体颗粒、水和气体三相所组成,土的三相比例不同,其物理状态也不同,如稍湿与饱和、松散与密实、坚硬与软塑等。土的物理状态对于评定土的力学性质,特别是土的承载力和变形性质关系极大,因此,为了研究土的物理状态和工程性质,就要掌握土的三相组成之间的比例关系。表示土的三相组成比例关系的指标,称为土的物理性质指标。土的物理性质指标中,一种是可以通过试验直接测定的,称为直接测定指标(基本指标),一种是通过直接测定指标推算的,称为换算指标,也称为导出指标。

定量研究三相之间的比例关系时,为了便于说明和计算,将三相体系中分散的土颗粒、水和气体分别集中在一起,并按适当的比例画一个土的三相图,如图2-7所示,用土的三相图来表示各部分之间的数量关系。其中,气体的质量比其他两部分质量小很多,可忽略不计。

图2-7　土的三相图
V—土的总体积;Vv—土的孔隙体积;Vs—土粒的体积;
Vw—水的体积;Va—气体的体积;m—土的总质量;
ms—土粒的质量;mw—水的质量

2.2.1 指标的定义

1.基本指标

基本指标是指土的密度(质量密度)ρ和土的重力密度(简称重度)γ、土粒比重(土粒相对密度)ds以及土的含水率w,一般由试验室直接测定其数值。

(1)土的密度ρ。土在天然状态下单位体积的质量称为土的天然密度,简称密度,单位为g/cm3或t/m3。其计算公式为:

天然状态下土的密度变化范围较大。一般黏性土ρ＝(1.8～2.0)g/cm3;砂土ρ＝(1.6～2.0)g/cm3;腐殖土ρ＝(1.5～1.7)g/cm3。土的密度一般用“环刀法”测定。

(2)土的重度γ。工程中常用重度γ来表示单位体积土的重力,单位为kN/m3,它与密度ρ的关系如下:

式中 g——重力加速度,在试验室试验中应取g＝9.807m/s2,在工程设计计算时可取g＝10m/s2。

(3)土粒比重(土粒相对密度)ds。土粒质量与同体积的4℃纯蒸馏水的质量之比,称为土粒比重(或土粒相对密度)。其计算公式为:

式中 ρs——土粒的密度,即单位体积土粒的质量(g/cm3);

　　　ρw1——4℃时纯蒸馏水的密度,ρw1＝1.0g/cm3或ρw1＝1.0t/m3。

因为ρw1＝1.0g/cm3,所以在实用上,土粒比重在数值上等于土粒密度,但两者含义不同,前者是两种物质的质量或密度之比,无量纲;而后者是土粒的质量密度,有量纲。

由于天然土体是由不同的矿物颗粒所组成,而这些矿物颗粒的比重各不相同,所以,试验测定的是试验土样所含土粒的平均比重,土粒的比重可在试验室内用比重瓶法测定。

土粒比重的数值大小,取决于土的矿物成分。土粒比重的变化范围不大:砂土一般为2.65～2.69;粉土一般为2.70～2.71;黏性土一般为2.72～2.75。土中含大量有机质时,土粒比重则显著减小,有机质土一般为2.4～2.5;泥炭土一般为1.5～1.8。

(4)土的含水率(含水量)w。土中水的质量与土粒质量的比值,称为土的含水率,以百分数表示,即

含水率是标志土的湿度的一个重要物理性质指标,含水率越高,说明土越湿,一般来说土也越软;反之,则说明土越干也越硬。不同土的天然含水率变化范围很大,砂土可从0～40%,黏性土可达60%或更大。含水率大小与土类、埋藏条件及所处的自然环境有关。土的含水率一般采用“烘干法”测定。

2.换算指标

除了上述基本指标之外,还有六个可以计算求得的指标,称为换算指标或导出指标。

(1)特殊条件下土的密度和重度。

1)干密度ρd和干重度γd。单位体积土中固体颗粒部分的质量,称为土的干密度,单位为g/cm3或t/m3,即

单位体积土中固体颗粒部分的重力,称为土的干重度,单位为kN/m3,即

工程上常把干密度或干重度作为评定土体紧密程度的标准,尤以控制填土工程的施工质量最为常见,土的干密度或干重度越大,表明土体越密实,工程质量越好。

2)饱和密度ρsat和饱和重度γsat。土中孔隙全部充满水时单位体积的质量,称为土的饱和密度,单位为g/cm3或t/m3,即

式中 ρw——水的密度,近似等于ρw1＝1.0g/cm3,一般取ρw＝1.0g/cm3。

土中孔隙全部充满水时单位体积的重力,称为土的饱和重度,单位为kN/m3,即

3)有效密度(浮密度)ρ′和有效重度(浮重度)γ′。在地下水位以下,单位体积土中土粒的质量扣除同体积水的质量后即为单位体积土中土粒的有效质量,称为土的有效密度或浮密度,单位为g/cm3或t/m3,即

在地下水位以下,单位体积土的重力,称为土的有效重度,单位为kN/m3,即

从上述土的四种密度或重度的定义可知,同一土样各种密度或重度在数值上存在如下关系:

(2)反映土的松密程度的指标。

1)孔隙比。孔隙比为土体中孔隙体积与土颗粒体积的比值,用小数表示,即

土的孔隙比是评价土的密实程度的一个重要指标。在一般情况下,孔隙比越大,即表示土中孔隙体积越大,土越疏松;反之土越密实。一般情况下,e＜0.60的土是密实的,压缩性小;e＞1.0的土是松散的,压缩性大。

2)孔隙率。孔隙率为土中孔隙的体积与土体总体积的比值,即单位体积的土体中孔隙所占的体积,常以百分数表示,即

孔隙率也可用来表示同一种土的松密程度。一般粗粒土的孔隙率小,细粒土的孔隙率大。例如,砂类土的孔隙率一般为28%～35%;黏性土的孔隙率有时可高达60%～70%。

(3)反映土中含水程度的指标。反映土中含水程度的指标除了含水率之外,还有土的饱和度Sr。

土中所含水分的体积与孔隙体积之比,称为土的饱和度,以百分数计,即

饱和度是描述土体中孔隙被水充满的程度,即反映土潮湿程度的物理性质指标。当土是干土时,Sr＝0;当土处于完全饱和状态时,Sr＝100%。粉、细砂的饱和程度,对其工程性质具有一定的影响,因此,在评价粉、细砂的工程性质时,除了确定其密度外,还需要考虑其饱和度。砂土与粉土根据饱和度可划分为下列三种湿润状态: