第三章土物理性质与工程分类.docVIP

第3章 土的物理性质及工程分类 3.1 概述 第二章介绍了土的成因类型、土的颗粒组成、矿物成分和结构构造等知识，这些是从质的方面了解土的性质的依据。一般地讲，还需要从量的方面了解土的组成。土中的土粒、水和气三部分的质量（或重力）与体积之间的比例关系，随着各种条件的变化而改变。土粒一般由矿物质组成，有时含有机质，构成土的固体部分。土粒构成土的骨架，称为土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙。这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分孔隙被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；有时也可能完全充满气体，就称为干土。水和溶解于水的物质构成土的液体部分。空气和其它一些气体构成土的气体部分。这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质。因此，研究土的性质，必须研究土的固体、液体和气体的三相组成。 3.2 土的三相比例指标 自然界的土体由固相（固体颗粒）、液相（土中水）和气相（土中气体）组成，通常称为三相分散体系。对于一般连续性材料，如混凝土，只要知道密度，就能直接说明这种材料的密实程度，即单位体积内固体的质量。对于三相体的土，由于气体的体积可以不相同，同样一个密度，单位体积内可以是固体颗粒的质量多一些，水的质量少一些；也可以是固体颗粒的质量少一些而水的质量多一些。因此，要全面说明土的三相量的比例关系，就需要有若干个指标。 3.2.1 土的三相草图 图3—1 三相草图 为了获得清晰的定量概念，并便于计算，在土力学中通常用三相草图来表示土的三相组成，如图3–1所示。在三相图的右侧，表示三相组成的体积；在三相图的左侧，则表示三相组成的质量。图中符号的意义如下： —土的总体积； —土中孔隙体积； —土中水的体积； —土中气体的体积； —土中固体土粒的体积； —土的总质量； —土中水的质量； —土中气体的质量，≈0； —土中固体土颗粒的质量。 在上述的这些量中，独立的量有、、、、五个。1cm3水的质量通常等于1g，故在数值上= 。此外，当研究这些量的相对比例关系时，总是取某一定数量的土体来分析，例如取V=1cm3，或m=1g，或VS=1cm3等，因此又可以消去一个未知量。这样，对于这一定数量的三相土体，只要知道其中三个独立的量，其它各个量就可从图中直接换算得到。所以，三相草图是土力学中用以计算三相量比例关系的一种简单而又很实用的工具。 3.2.2 确定三相量比例关系的基本试验指标 为了确定三相草图诸量中的三个量，就必须通过实验室的试验测定。通常做三个基本物理性质试验。它们是：土的密度试验，土粒比重或相对密度试验，土的含水量试验。 （一）土的密度和重度 土的密度定义为单位体积土的质量，用表示，以或计： （3-1） 天然状态下土的密度变化范围较大。一般粘性土和粉土=1.8～2.0g/cm3；砂土=1.6～2.0g/cm3；腐殖土=1.5～1.7g/cm3。 土的密度一般用“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内，称得环刀内土样的质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。 土的重度定义为单位体积土的重量，是重力的函数，用表示，以kN/m3计： （3-2） 式中，G为土的重量，g为重力加速度，g=9.80665m/s2，工程上为了计算方便，有时取g=10m/s2。 （二）土粒相对密度 土粒密度（单位体积土粒的质量）与4℃时纯水密度之比，称为土粒相对密度（过去习惯上叫比重），用表示，为无量纲量，即 （3-3） 式中，为4℃时纯水的密度，；为土粒的密度，即单位体积土粒的质量。故实用上，土粒相对密度在数值上等于土粒的密度。 土粒相对密度或比重可在试验室内用比重瓶法测定。由于土粒相对密度变化不大，通常可按经验数值选用，一般参考值见表3-1。 土粒相对密度参考值 表3-1 土的名称 砂土 粉土 粘性土 粉质粘土 粘土 土粒相对密度 2.65～2.69 2.70～2.71 2.72～2.73 2.74～2.76 （三）土的含水量 土的含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比，用w表示，以百分数计，即： （3-4） 含水量w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。一般说来，对同一类土，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质量m，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量之比值