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1、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
2、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；WWsWwVs土粒体积；Vw土中水体积；rwV=Ww（rw=1gf/cm31kN/m3）Va一土中气体积；VV一土中孔隙体积；VV= Vw+ VaV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：(
3、2-4)式中：水在4时单位体积的重量，等于1gfcm3或Itfm310kNm3。颗粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.652.75。有机质为2.42.5；泥炭土为1.51.8；而含铁质较多的粘性土可达2.83.0。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土 的 名 称砂 土粉 土粘 性 土粉质粘土粘 土颗粒比重2.652.692.702.712.722.732.742.76（二）土的重度单位体积土的重量称为土的重度（单位为kNm3=tfm3101），
4、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=1820kNm3；砂土=1620kNm3；腐植土=1517kNm3。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d、饱和重度sat和浮重度土的干重度d 单位体积中
5、固体颗粒部分的重量。称为土的干重度d，即：(2-6)土的饱和重度sat 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sat即：(2-7)土的浮重度 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，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
6、达35；坚硬的粘性土的含水量为2030，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100105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
7、如下三种含水状态：Sr80% 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e0.6的土是密实的低压缩性土，e1.0的土
8、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
9、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0.51.2，相应孔隙率为3366。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。508，孔隙率相应为3345；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0.671.2，相应孔隙率为4055，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、含水量和重度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w=1gf/cm3，令Vs=e，V1e，Ws=VsG=G，WwWs=G,W=G(1+)。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。
