10.3.2.1 土的固体、液体和气体
土中固体的矿物颗粒构成骨架，其间布满孔隙。孔隙中可能全部为水或空气所充满，为二相体；在多数的情况下，孔隙中水和空气各占一部分，则为三相体。这种组成部分的改变取决于周围的条件，如压力、温度和湿度等的变化，三相之间量的比例关系和相互作用，决定着土的物理力学性质。
1.土的固体颗粒
1）砂类土
砾石、卵石和各种砂土的颗粒主要由原生矿物所组成。母岩中原有的矿物成分如石英、长石、云母等，它们在物理风化作用下，形成大小为0.05mm～200mm的各种颗粒。颗粒形状多为浑圆的，间或带有棱角。这些矿物是憎水性的，与水的相互作用并不显著。
2）黏性土
黏性土的矿物颗粒主要由次生矿物组成。原生矿物中一部分可溶解的成分，经雨水淋溶以后，被流水带到其他地方沉积下来，形成可溶性的次生矿物，如方解石、白云石、石膏等。另外，还有一些残留部分，形成新的不可溶解的次生矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石等，它们是各种黏性土的主要组成部分。这三种黏土矿物因含量上的差异，构成了不同性质的黏性土。
高岭石：具有坚固的不活动的骨架，晶体构造比较稳定，故吸水性能较差，压缩性和膨胀性都很小，但透水性较大。
蒙脱石：具有互相对称的晶格且为层状结构，相邻层组之间由于电荷相同，故层与层之间结合力较小，水易渗入其中，引起土的剧烈膨胀。同时在晶格内部，低价元素可以交换高价元素，形成额外晶格缺陷，使土对水的吸收能力增强。由于蒙脱石具有这些特点，所以它的吸水性、膨胀性、压缩性都很强，但透水性却很弱。
伊利石：矿物晶格与蒙脱石相似，但由于钾离子分布于层与层之间，可以加强层间的稳定性。所以，伊利石的物理性质介于高岭石和蒙脱石之间。
黏土矿物颗粒粒径为 0.001～5 µm，颗粒呈鳞片状，具有很强的亲水性（其中高岭石较弱，蒙脱石最强）。因颗粒很细，故颗粒之间产生了很大的吸引力，将一部分水紧紧地吸附在颗粒表面，水不能自由移动，并且具有抵抗变形的能力。这是黏性土区别于砂性土的显著标志之一。
2.土中水及其性质
土中水是影响土工程性质的主要因素。土中水具有以下几种形态：
1）吸附水
吸附水紧紧吸附在颗粒表面，它的性质与普通水有很大的差别。由于高岭石、蒙脱石、伊利石颗粒表面一般带有负电荷，对水有很大的静电作用，所以能将约0.003 µm厚度的水吸
附在其表面。吸附水的密度为 1.2～2.0g/cm3，冰点在－78°C，并具有很大的黏滞性、弹性和塑性，这种水在地球引力作用下不移动，只有在105～500°C的温度下用烘干的方法才能从土的颗粒表面逸出。
2）薄膜水
在吸附水的外层，由于距离黏土颗粒表面较远，故被颗粒吸引的程度要弱些。当两个相邻薄膜水的厚度不同时，较厚的水膜会向较薄处移动。薄膜水也具有一定的黏滞性和可塑性。吸着水和薄膜水的存在是黏性土具有可塑性的根本原因。薄膜水在105～500°C时可从土中逸出。
3）孔隙水
孔隙水远离颗粒表面，可以认为不受静电力的影响，能自由移动。其中一部分位于地下水位以下，受重力作用在孔隙中自由移动，并对土产生浮力，称为“重力水”；还有一部分位于地下水位以上的土孔隙中，称为“毛细水”。孔隙水在80～105°C时即可从土体中逸出。
3.土中气及其性质
土体中存在一定量的气体，如空气，也可能还有沼气等其他气体。它们可能是与大气相通的，也可能是封闭的。当气体与大气相通时，土体受到压力后，气体可被排到土体之外；反之，由于气体与大气不相通，气体不能被排到土体之外，这样土就具有特殊的弹性特性。由于土体不能与大气相通，从而孔隙中水也不能受压排到土体之外，因而土体受外力作用时，其变形过程延长。土体中气体的存在远较土中水对土的性质影响为小，但在特殊情况下，也会严重影响土的工程性质。如封闭气体的存在，就会降低土的透水性和产生弹性变形等。
10.3.2.2 土的基本物理指标及换算关系
土由固体颗粒、水分和空气三相组成。其中每种成分的质量、体积的相对比例有所增减，都会引起土的物理力学性质的变化。图10-1是土的三相图。
图10-1 土的三相图
Vs—固体颗粒的体积；Vn—孔隙（包括水及气体）部分的体积；Vw—水所占据的体积；
Va—空气的体积；V—土体的总体积；ms—固体颗粒的质量；
mw—水的质量；m—土样的总质量
人们比较关心的土的物理指标有密度、颗粒密度、含水率、孔隙比、孔隙率及饱和度。其中密度、颗粒密度和含水率可以直接测量，而另外三个指标需通过其他指标经计算求得。
1.密度ρ
单位体积土的质量（包括孔隙中水的质量在内）称为土的密度（g/cm3）。
当土的结构比较松散，孔隙中水分较多时，密度就小；结构紧密，水分较少时，密度就大。泥炭、沼泽土的密度只有 1.40～1.60g/cm3。生成年代较早的密实黏土，可达2.00～2.20g/cm3。
工程设计中还经常用到饱和密度srρ、浮密度ρ′和干密度dρ等指标，它们均是土体在不同状态下的密度。
1）饱和密度srρ
指当土体的孔隙完全为水所充满时，土体的密度：
2）浮密度ρ′
指地下水位以下的土体，其孔隙完全为水所充满，但又整体受到地下水的浮力作用的密度，即
3）干密度dρ
指单位体积内土粒的质量：
2.颗粒密度sρ
土体内的固体颗粒质量与颗粒体积之比值，称为颗粒密度（g/cm3）。颗粒密度关注的是土体固体颗粒的视密度，也就是以前的比重的概念。
颗粒密度的大小取决于土的矿物成分。砂类土主要由石英矿物组成，颗粒密度一般在2.65g/cm3左右；黏性土的颗粒主要由高岭石、伊利石和蒙脱石组成，颗粒密度为 2.66～2.78g/cm3。
3.含水率w
土中水的质量与土固体颗粒质量的比值称为土的含水率，以百分比计。在有的标准中，如公路用标准中，含水率又称为含水量。
不同的土，其含水率的变化范围很大。干燥坚硬的土，含水率只有2%～10%，而软黏土的含水率可达50%～200%。
4.孔隙比e
土中的孔隙体积与土固体颗粒体积的比值称为孔隙比，即
孔隙比是土的重要指标之一，反映了土的松软和紧密程度。
5.孔隙率n
土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率，即
孔隙比与孔隙率之间存在着如下关系：
6.饱和度Sr
土中水分所占体积与全部孔隙所占体积之比，称为饱和度，即
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