土力學|電子教材|第2章2.1土的三相比例指標

土是土粒（固體相），水（液體相）和空氣（氣體相）三者所組成的。土的物理性質就是研究三相的質量與體積間的相互比例關係以及固、液兩相相互作用表現出來的性質。

土的三相組成實際上是混合分布的，為了使三相比例關係形象化和闡述方便，將它們分別集中起來畫出土的三相示意圖如下:

三個基本指標是必須通過試驗測定的，它們是含水量，天然密度和土粒密度。土粒密度是指固體顆粒的質量與其體積之比，即單位體積土粒的質量。

      土粒密度大小決定於土粒的礦物成分，與土的孔隙大小和含水多少無關，它的數值一般在2.60~2.80g/cm3之間（如下表）。一情況下，隨有機質含量增多而減小，隨鐵鎂質礦物增多而增大。它是土中各種礦物密度的加權平均值。

土的種類

常見值

平均值

礫類土

2.65~2.75

砂類土

2.65~2.70

2.66

粉土

2.65~2.70

2.68

粉質粘土

2.68~2.73

2.71

粘土

2.72~2.76

2.74

土粒度密度是實測指標，可在實驗室內直接測定。土粒比重常用比重瓶法測定，事先將比重瓶注滿純水，稱瓶加水的質量。
然後把烘乾土若干克裝入該空比重瓶內，再加純水至滿，稱瓶加土加水的質量，按下式計算土粒比重：

 

 

    土中所含水分的質量與固體顆粒質量之比，以百分數表示，又稱土的含水率。一般所說的含水量指的是天然含水量，土的含水量由於土層所處自然條件（如水的補給、氣候、離地下水位的距離等），土層的結構構造（松密程度）以及沉積歷史等的不同，其數值相差較大。一般砂類土的含水量都不會超過40%，以10~30%為常見值，一般粘性土的常見值為20~50%。    土的孔隙中全被水充滿時的含水量，稱為飽和含水量wsat。    飽和含水量既能反映土孔隙中全部充滿水時含水多少，又能反映土的孔隙率大小。

 天然密度的大小取決於礦物成分、孔隙大小和含水情況，綜合反映了土的物質組成和結構特徵。土越密實，含水量越高，則天然密度就越大，反之就越小。由於自然界土的松密程度與含水量變化較大，故天然密度變化較大，一般值為1.6~2.2g/cm3，小於土粒密度值，它是一個實測指標。

2.特殊條件下土的密度

（1）幹密度

土的孔隙中完全沒有水時的密度，稱土的幹密度，指單位體積幹土的質量，即　　　　　

幹密度與土中含水多少無關，只取決於土的礦物成分和孔隙性。對於某一種土來說，礦物成分是固定的，土的密度大小隻取決土的孔隙性，所以幹密度能說明土的密實程度。其值越大越密實，反之越疏鬆。幹密度可以實測，但一般用其他指標計算求得，土的幹密度一般在1.4~1.7g/cm3之間。可用來計算孔隙性指標。對填土工程(如堤、壩、路基)常用幹密度作為填土壓密程度的質量要求指標。

   土的孔隙完全被水充滿時的密度稱為飽和密度，是指土孔隙中全部充滿液態水時的單位體積土的質量，即

    工程實際中，常將土的密度換算成土的重度，重度等於密度乘以重力加速度g,即

式中的重力加速度常近似取10m/s2,當密度為1.0g/cm3時，則重度為10kN/m3。與天然密度、幹密度、飽和密度對應的重度分別稱之為

處於地下水位以下的土層，如果土層是透水的，此時土受水的浮力作用，土的實際重量將減小，那麼這種處於地水位以下的有效密度常特稱為土的浮密度，即

浮重度等於土的飽和重度減去水的重度，即

對於同一種土來講，土的天然重度、乾重度、飽和重度、浮重度在數值上有如下關係：

    孔隙比指土中孔隙體積與土中固體顆粒總體積的比值，用小數表示，

    土的孔隙比說明土的密實程度，按其大小可對砂土或粉土進行密實度分類。如在《巖土工勘察規範》（GB50021）中，用天然孔隙比來確定粉土的密實度，e<0.75為密實，0.75≤e≤0.9為中密，e>0.9為稍密的粉土。工程實際中，除了用孔隙比評價砂類土或粉土的密實程度外，還用於地基沉降量的計算。土的孔隙比是一個計算指標。       孔隙度又稱孔隙率，指土中孔隙總體積與土的總體積之比，用百分數表示

    土的孔隙度取決於土的結構狀態，砂類土的孔隙度常小於粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般為27~52%。新沉積的淤泥，孔隙度可達80%。土的孔隙度是一個計算指標。

3）飽和度

    土孔隙中所含水的體積與土中孔隙體積的比值稱為土的飽和度，以百分數表示

或天然含水量與飽和含水量之比

飽和度可以說明土孔隙中充水的程度，其數值為0~100%。

幹土：Sr=0；飽和土：Sr=100%。

工程實際中，飽和度主要用於評述砂類土的含水狀況（或溼度），按飽和度大小常將砂類土劃分為如下三種含水狀況：

Sr<50%                稍溼的Sr>80%                飽和的    飽和度是一個計算指標。工程實際中，一般不用飽和度評價粘性土的溼度。 
上述表示土的三相比例關係的指標一共有9個，即：土粒密度、天然密度、幹密度、飽和密度、浮密度、含水量、飽和度、孔隙度、孔隙比。它們主要反映了土的密實程度與乾濕狀態，而且相互之間都有內在聯繫。其中土粒密度、天然密度、含水量是三個基本實測指標、即通過試驗直接測定。其餘六個指標均可由三個實測指標換算取得，常稱為導出指標或計算指標。由實測指標換算求取六個導出指標可直接用簡單的數學演算方法，如：

應用三相比例關係（簡化的三相圖），按照各指標的定義來計算導出指標更為簡便。

    因此只要測得三個實測指標，其餘導出指標便可求得，三個基本實測指標的精度直接影響著各導出指標的精度。本小節相關概念列表於下：

土力學電子教材目錄（點擊可查看）

緒論

0.1土力學的概念

0.2土力學相關的工程問題

0.3土力學發展簡史

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