任务1.1 土的物理性质指标测试
1.1.1 土的形成
地球是由地壳、地幔和地核组成。地壳是地球表层坚硬的固体外壳，主要由各种岩石组成，岩石在大气中经受长期的风化、剥蚀、搬运、沉积等作用而破碎，破碎后形成形状不同、大小不一的颗粒，这些颗粒受各种自然力的作用，在各种不同的自然环境下堆积下来，就形成通常所说的土。土具有多孔性、多样性和易变性，土与土木工程建筑有着密切的联系，工程中常将土作为建筑物的地基、建筑材料和建筑物的周围环境。
岩石风化作用按其性质及影响因素不同，可分为物理风化、化学风化和生物风化三种。
物理风化指岩石由于温度、水、波浪冲击等产生物理因素引起的机械破坏作用。岩石经物理风化作用后破碎形成的矿物颗粒，称原生矿物。原生矿物在风化过程中，其化学成分并没有发生变化，它与母岩的矿物成分是相同的。常见的原生矿物有石英、长石和云母等，
化学风化指岩石在水及各种水溶液的作用下，经氧化、炭化和水化所引起的破坏作用。这种作用不仅使岩石块体在大小上发生变化，更主要的是使岩石成分发生变化。岩石经化学风化作用所形成的矿物颗粒，称次生矿物，次生矿物的矿物成分与母岩不同。常见的次生矿物有高岭石、伊利石（水云母）和蒙脱石（微晶高岭石）等三大黏土矿物。另外，还有一类易溶于水的次生矿物，称水溶盐。黏性土中的水溶盐，通常是由土中的水溶液蒸发后沉淀充填在土孔隙中的，它构成了土粒间不稳定的胶结物质。如黏性土中含有水溶盐类矿物，遇水溶解后会被渗透水流带走，导致地基产生集中渗流，引起不均匀沉降以及强度降低。
生物风化指岩石在生物活动作用下所引起的破坏作用。这种作用包括机械作用（如植物根在岩缝中生长，像楔子一样劈裂岩石）和化学作用（如生物新陈代谢析出的有机酸等对岩石的破坏作用）两种，另外，人类的生产活动对风化也产生一定的影响。若有动、植物的残骸及其分解物质与土混掺沉积在一起，经生物化学作用生成的物质，其成分比较复杂，主要是植物残骸、未完全分解的泥炭和完全分解的腐殖质，在土中便会形成有机质，有机质亲水性很强，因此有机土压缩性大、强度低。
图1.1 土的矿物成分
土的矿物成分如图1.1所示。
1.1.2 土的三相组成
在天然状态下，土一般是由固体、液体和气体三部分组成，这三部分通常称为土的三相。其中固相即为土颗粒，它构成土的骨架，土骨架之间存在有许多孔隙，孔隙中由水和气体所填充；水和溶解于水的物质构成土的液相；空气以及其他一些气体构成土的气相。若土中孔隙全部由气体所填充时，称为干土；若孔隙全部由水所充填时，称为饱和土；若孔隙中同时存在水和气体时，称为湿土。湿土为三相系，饱和土和干土都是二相系。
土中三相物质本身的特性以及它们之间的相互作用，对土的性质有着本质的影响。土的性质不仅只取决于三相组成中各相本身的特性，而且三相之间量的比例关系也是一个非常重要的影响因素。如对于无黏性土，密实状态强度高，松散时强度低；而对于细粒土，含水少时硬，含水多时则软。所以把土体三相间量的比例关系称为土的物质性质指标，工程中常用土的物质性质指标作为评价土的工程性质优劣的基本指标。
为了便于研究土中三相含量之间的比例关系，常常理想地把土中实际交错混杂在一起的三相含量分别集中在一起，并以图形式表示出来，该图称为土的三相草图，如图1.2所示。
图1.2 土的三相草图
图中各符号的意义如下：W表示重量，m表示质量，V表示体积。下标a表示气体，下标s表示土粒，下标w表示水，下标v表示孔隙。如Ws、ms、Vs分别表示土粒重量、土粒质量和土粒体积。
水在土中以固态、液态、气态三种形式存在，土中的水按存在方式不同，可分为以下类型，如图1.3所示。
图1.3 土中的水的类型
【思考题】
土的三相组成是什么?绘三相草图有何意义?
1.1.2.1 土中的水
1.结合水
大多数黏土颗粒表面带有负电荷，因而围绕土粒周围形成了一定强度的电场，使孔隙中的水分子极化，这些极化后的极性水分子和水溶液中所含的阳离子（如钾、钠、钙、镁等阳离子），在电场力的作用下定向地吸附在土颗粒周围，形成一层不可自由移动的水膜，该水膜称为结合水。结合水又可根据受电场力作用的强弱分成强结合水和弱结合水，如图1.4所示。
（1）强结合水。强结合水是指被强电场力紧紧地吸附在土粒表面附近的结合水膜（又称吸着水）。其密度约为1.2～2.4g/cm3，冰点很低，可达-78℃，沸点较高，在105℃以上才可以被释放，而且很难移动，没有溶解能力，不传递静水压力，失去了普通水的基本特性，其性质与固体相近，具有很大的黏滞性和一定的抗剪强度。
图1.4 土粒与水分子相互作用模拟图
（2）弱结合水。弱结合水是指分布在强结合水外围吸附力稍低的结合水（又称薄膜水）。这部分水膜由于距颗粒表面较远，受电场力作用较小，它与土粒表面的结合不如强结合水紧密。其密度约为1.0～1.7g/cm3，冰点低于0℃，不传递静水压力，也不能在孔隙中自由流动，只能以水膜的形式由水膜较厚处缓慢移向水膜较薄的地方，这种移动不受重力影响。
2.自由水
土孔隙中位于结合水以外的水称自由水，自由水由于不受土粒表面静电场力的作用，且可在孔隙中自由移动，按其运动时所受的作用力不同，可分为重力水和毛细水。
（1）重力水。受重力作用而运动的水称重力水。重力水位于地下水位以下，重力水与一般水一样，可以传递静水和动水压力，具有溶解能力，可溶解土中的水溶盐，使土的强度降低，压缩性增大；可以对土颗粒产生浮托力，使土的重力密度减小；它还可以在水头差的作用下形成渗透水流，并对土粒产生渗透力，使土体发生渗透变形。
图1.5 毛细水上升示意图
（2）毛细水。土中存在着很多大小不同的孔隙，这些孔隙有的可以相互连通形成弯曲的细小通道（毛细管），由于水分子与土粒表面之间的附着力和水表面张力的作用，地下水将沿着土中的细小通道逐渐上升（图1.5），形成一定高度的毛细水带，地下水位以上的自由水称为毛细水。
毛细水上升的高度取决于土的粒径、矿物成分、孔隙的大小和形状等因素，一般黏性土上升的高度较大，而砂土的上升高度较小。在工程实践中，毛细水的上升可能使地基浸湿，使地下室受潮或使地基、路基产生冻胀，造成土地盐渍化等问题。
【思考题】
各种类型的水对土的性质有何影响?
1.1.2.2 土中的气体
土中的气体可分为自由气体和封闭气体两种基本类型。
自由气体是一种与大气连通的气体，受外荷作用时，易被排出土外，对土的工程力学性质影响不大。另一种是与大气不连通的、以气泡形式存在的封闭气体，封闭气体可以使土的弹性增大，使土层不易压实，延长了土的压缩过程，而当压力减小时，气泡就会恢复原状或重新游离出来，所以密闭的气体对土的工程性质有很大影响，此外封闭气体还能阻塞土内的渗流通道，使土的渗透性减小。
1.1.3 土的物理性质指标
土的物质性质指标，有一些必须通过试验测定，称为实测指标，又称基本指标，包括含水率、密度和相对密度；另外一些可以根据实测指标经过换算得出，称为换算指标，又称计算指标，包括孔隙比、孔隙率、饱和度、土的重度、干密度、饱和密度、浮重度等，下面将分别介绍这两类指标。
1.1.3.1 实测指标
1.含水率ω
土的含水率是指土中水的质量与土粒质量的比，以百分数表示，其表达式为
土的含水率是反映土干湿程度的指标，是土的一个重要的基本物理指标，用于计算土的干密度、孔隙比、液性指数、饱和度等项指标。在天然状态下，土的含水率变化幅度很大，一般来说，砂土的含水率ω=0～40%，黏性土的含水率ω=15%～60%；淤泥或泥炭的含水率可高达100%～300%。
2.密度ρ
土的质量密度是指单位体积土的质量。常用ρ（g/cm3）表示，其表达式为
一般天然土的密度为1.6～2.2g/cm3。密度是土的一个重要基本物理指标，是了解土的疏密状态，供换算土的其他物理性质指标和工程设计及施工质量控制之用。
3.相对密度Gs
土粒相对密度是指土在105～110℃温度下烘至恒重时的质量与同体积4℃时纯水的质量之比，简称相对密度，其表达式为
式中 ρw——4℃时纯水的密度，取ρw=1g/cm3。
相对密度是土的基本物理性质指标之一，也是评价土类的主要指标。土粒相对密度一般约为2.60～2.80，其值主要取决于土的矿物成分和有机质含量，颗粒越细比重越大。
1.1.3.2 土的物理性质指标间的换算
1.孔隙比e
土的孔隙比是指土体孔隙体积与土颗粒体积之比，其表达式为
2.孔隙率n
土的孔隙率是指土体孔隙体积与总体积之比，常用百分数表示，其表达式为
孔隙率表示的孔隙体积占土的总体积的百分数，所以其值恒小于100%。
土的孔隙比主要与土粒的大小及其排列的松密程度有关。一般砂土的孔隙比为0.4～0.8，黏土为0.6～1.5，有机质含量高的土，孔隙比甚至可高达2.0以上。孔隙比和孔隙率都是反映土的密实程度的指标。对于同一种土e或n愈大，表明土愈疏松；反之，土愈密实。在计算地基沉降量和评价砂土的密实度时，常用孔隙比而不用孔隙率。
3.饱和度Sr
饱和度反映土中孔隙被水充满的程度，饱和度是土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示，其表达式为
理论上，当Sr=100%时，表示土体孔隙中全部充满了水，土是完全饱和的；当Sr=0时，表明土是完全干燥的。实际上，土在天然状态下是极少达到完全干燥或完全饱和状态。因为风干的土仍含有少量水分，即使完全浸没在水下，土中还可能会有一些封闭气体存在。
按饱和度的大小，可将土分为以下几种不同的湿润状态：
稍湿 Sr≤50%
很湿 50%<；Sr≤80%
饱和 Sr>；80%
4.土的重度γ
土的重度是指单位体积土体所受的重力，常用γ（kN/m3）表示，其表达式为
式中 g——重力加速度，在国际单位制中常用9.81m/s2，为换算方便，也可近似用g=10m/s2进行计算。
5.干密度ρd
土的干密度ρd（g/cm3）是指单位土体中土粒的质量，即土体中土粒质量ms与总体积V之比，表达式为
单位体积的干土所受的重力称为干重度γd（kN/m3），可按下式计算：
土的干密度（或干重度）是评价土的密实程度的指标，干密度大表明土密实，干密度小表明土疏松。因此，在填筑堤坝、路基等填方工程中，常把干密度作为填土设计和施工质量控制的指标。
6.饱和密度ρsat
土的饱和密度ρsat（kN/m3）是指土在饱和状态时，单位体积土的密度。此时，土中的孔隙完全被水所充满，土体处于固相和液相的二相状态，其表达式为
式中
——土中孔隙全部充满水时水的质量；
ρw——水的密度，ρw=1g/cm3。
饱和重度γsat=ρsatg。
7.浮重度γ′
土在水下时，单位体积的有效重量称为土的浮重度γ′（kN/m3），或称有效重度。地下水位以下的土，由于受到水的浮力的作用，土体的有效重量应扣除水的浮力的作用，浮重度的表达式为
同一种土四种重度的数值上关系是：γsat＞γ＞γd＞γ′。
土的密度ρ、土粒比重Gs和含水率ω三个指标是通过试验测定的。在测定这三个指标后，其他各指标可根据它们的定义并利用土中三相关系导出其换算公式。例如
土的物理性质指标都是三相基本物理量间的相对比例关系，换算指标可假定Vs=1或V=1，根据定义利用三相草图算出各相的数值，取三相图中任一个基本物理量等于任何数值进行计算都应得到相同的指标值。
实际工程中，为了减少计算工作量，可根据表1.1给出的土的物理性质指标的关系及其最常用的计算公式，直接计算。
表1.1 土的物理性质指标及换算公式
【思考题】
土的物理性质指标哪几个是实测指标?物理性质指标各在工程中有什么作用?
【例1.1】用环刀测密度，已知环刀体积V=60cm3、环刀质量是53.5g、环刀及土的总质量是166.3g，取质量为94.00g的湿土，烘干后为75.63g，测得土样的比重Gs=2.68。求该土的天然重度γ、天然含水率ω、干重度γd、孔隙比e和饱和度Sr各为多少?
解：
（1）重度。
γ=ρg=1.88×9.81=18.44（kN/m3）
（2）含水率。
（3）干重度。
（4）孔隙比。
（5）饱和度。
【例1.2】某一干砂试样的密度为1.66g/m3，土粒的比重为2.7，将此干砂试样置于雨中，若砂样体积不变，饱和度增加到60%，试计算此湿砂的密度和含水率。
【例1.3】某原状土样，经试验测得土的湿重度γ=18.44kN/m3，天然含水率ω=24.3%，土粒的比重Gs=2.68，试利用三相草图求该土样的干重度γd、饱和重度γsat、孔隙比e和饱和度Sr。
解：
（1）求基本物理量。设V=1（m3）。
1）求Ws、Ww、W。由
W=γV=18.44×1=18.44（kN）
Ww=ωWs=0.243Ws
W=Ws+Ww=Ws+0.243Ws=18.44
Ww=0.243Ws=0.243×14.84=3.61（kN）
2）求Vs、Vw、Vv。由
Vv=V-Vs=1.0-0.564=0.436（m3）
（2）求γd、e、Sr。
