地基与基础物理性质指标大全

1.土的三相组成

土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的。土中的固体颗粒构成土的骨架，骨架之间存在大量孔隙，孔隙中填充着液态水和空气。

同一地点土体的三相比例组成随环境而变化。例如，天气的晴雨、季节变化、温度高低、地下水的升降及建筑物的荷载作用等，都会引起土的三相之间的比例产生变化。土的三相比例不同，土的状态和工程性质也各异，出现如稍湿与饱和、松散与密实、坚硬与软塑等不同的物理状态。当土中孔隙会部由气体填充时为干土，此时黏土呈坚硬状态，砂土呈松散状态；当土中孔隙由液态水和气体填充时为湿土，此时黏土多为可塑状态；当土中孔隙全部由液态水填充时为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震可能发生液化。土的物理状态对于评定土的力学性质，特别是土的承载力和变形性质关系极大，因此，为了研究土的物理状态，就要掌握土的组成部分之间的比例关系。表示土体三相组成之间关系的指标被称为土的物理性质指标。

为了阐述和标记方便，把自然界中土的三相混合分布情况分别集中起来，固相集中于下部，液相居中部，气相集中于上部，并按适当的比例画一个土的三相图（图2.1.1），图的左边标出各相的质量，右边标出各相的体积。其中质量m和体积V的下标含义是：s代表颗粒，w代表水，a代表空气，v代表孔隙。气体的质量比其他两部分质量小很多，可忽略不计，即m_a=0，水的密度ρ_w=1t/m³，则有数量关系V_w=m_w。

图2.1.1 土的三相图

总体积为V，颗粒体积为V_s，孔隙体积为V_v，水体积为V_w，气体体积为V_s，总质量为m，颗粒质量为m_s，水的质量为m_w。空气质量略去不计。

土的总体积与总质量分别为

V=V_a+V_w+V_s （2.1.1）

V_v=V_a+V_w （2.1.2）

m=m_s+m_w （2.1.3）2.土的物理性质指标

（1）土的三项基本物理性质指标

土的密度（质量密度）ρ和土的重力密度（简称重度）γ、土粒相对密度（旧称土粒比重）d_s以及土的含水率w是土的三项基本物理性质指标，其值均可由实验室直接测定。

1）土的密度ρ和重度γ。天然状态下（即保持原始状态或含水量不变）土的密度ρ为单位体积土内湿土的质量，称为土的湿密度或天然密度，简称密度ρ

土的重度γ为单位体积土的重量，即

γ=ρg=9.81ρ≈10ρ（kN/m³） （2.1.5）

在实验室试验中应取g=9.81m/s²计算，在工程设计计算时可取g=10m/s²。

天然状态下土的重度变化范围较大，约在16～22kN/m³之间。γ>20kN/m³的土一般是比较密实的；而当γ<18kN/m³时，则多是较松软的。有机质含量高或塑性指数大的极软黏性土可降至12kN/m³以下。

2）土粒相对密度d_s。土粒相对密度是土中固体颗粒的质量与同体积4℃纯水质量的比值，即

因为4℃纯水的密度ρ_w=1.0g/cm²，故实际上，土的相对密度在数值上即等于土粒的密度，是一个无量纲量。

土粒相对密度d_s的数值大小，取决于土的矿物成分。其变化范围不大：砂土d_s=2.65～2.69；粉土d_s=2.70～2.71；黏土d_s=2.72～2.76。土中含大量有机质时，土粒相对密度则显著减小。

3）土的含水量w。土的含水量表示土中含水的数量，为土体中水的质量与固体颗粒质量的比值，用百分数表示，即

土的含水量反映土的干湿程度。含水量越大，说明土越湿，一般说来土也越软；反之，则说明土越干也越硬。不同土的天然含水量变化范围很大。砂土可为0～40%，我国沿海软黏土含水量常接近50%，高者达60%～70%。含水量低于25%的黏土，可能是很硬的土。当w=0%时，砂土呈松散状态，黏土呈坚硬状态。黏性土的含水量很大时，其压缩性大，强度低。

（2）土的其他物理性质指标

1）反映土的松密程度的指标土的孔隙比e。土的孔隙比为土中孔隙体积与固体颗粒体积的比值，即

对于一定的土，土的孔隙比反映了土的密实程度。孔隙比越大，即表示土中孔隙体积越大，土越疏松。一般来说，e<0.6为低压缩性的密实土，是良好地基；e>1.0说明土中孔隙体积比土粒所占的体积还多，为高压缩性的疏松土，是软弱地基，因而这种土的工程性质就很差。

2）反映土中含水程度的指标

①含水量w。土的三相基本指标之一。

②饱和度S_r。土的饱和度反映孔隙中充水程度，是土中水的体积与孔隙总体积之比，以百分率计，即

饱和度是表示水在孔隙中充满的程度，即反映土潮湿程度的物理性质指标。当土是干燥的，孔隙中没有水存在时，S_r=0；当土是完全饱和的、孔隙中充满了水时，S_r=100%。

粉、细砂的饱和程度，对其工程性质具有一定的影响。例如：稍湿的粉、细砂表现出微弱的黏聚性，而饱和的粉、细砂则呈散粒状态，并且容易发生流砂现象。因此在评价粉、细砂工程性质时，除了确定其密度外，还得考虑其饱和度。

砂土与粉土根据饱和度的指标分为稍湿的、很湿的与饱和的三种湿度状态，见表2.1.1。

表2.1.1 砂类土湿度状态划分

黏性土中由于存在封闭孔隙，难以达到S_r=100%。

几种特定条件下的密度：

1）干密度ρ_d和干重度γ_d。土的干密度为单位体积土中固体颗粒部分的质量（g/cm³或t/m³）

土的干重度为单位体积土中固体颗粒部分的重量，其值等于干密度乘以重力加速度，即

γ_d=ρ_dg=9.81ρ_d≈10ρ_d（kN/m³） （2.1.11）

干重度反映了土颗粒排列的密实程度，工程上常用来作为填方工程中控制土体压实质量的检查标准。γ_d越大，土体越密实，工程质量越好。

2）土的饱和密度ρ_sat和土的饱和重度γ_sat。土的饱和密度ρ_sat为孔隙中全部充满水时单位体积的重量（g/cm³或t/m³）

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土的饱和重度为孔隙中全部充满水时单位体积的重量，即

γ_sat=ρ_satg=9.81ρ_sat≈10ρ_sat（kN/m³） （2.1.13）

土的饱和密度和饱和重度的常见范围分别是：

ρ_sat=1.8～2.3g/cm³，γ_sat=18～23kN/m³

3）土的有效密度（浮密度）ρ′和土的有效重度（浮重度）γ′。

土的有效密度ρ′，是指地下水位以下，土体受水的浮力作用时，单位体积土中的有效质量，即单位体积土中土粒的质量与相同体积水的质量之差（g/cm³或t/m³）

ρ′=ρ_sat-ρ_w （2.1.14）

土的有效重度γ′为地下水位以下单位体积土的重量，

γ′=ρ′g=9.81ρ′≈10ρ′（kN/m³） （2.1.15）

有效重度（浮重度）γ′亦能表示为土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度（kN/m³）

γ′=γ_sat-ρ_w·g=γ_sat-γ_w （2.1.16）

式中 γ_w——水的重度，一般取10kN/m³。

土的四种密度（重度）之间比较，有如下关系：

ρ_sat≥ρ≥ρ_d>ρ′，γ_sat≥γ≥γ_d>γ′

（3）土的物理性质指标换算

土粒的相对密度、含水量和密度三个指标是通过试验测定的。这三个基本指标确定后，就可以导出其余各个指标。土的三相比例指标换算公式见表2.1.2。

表2.1.2 土的三相比例指标换算公式

【2.1.1】 土的物理指标换算

条件：某一原状土样，经试验测得的基本指标值如下：密度ρ=1.67g/cm³，含水量w=12.9%，土粒相对密度：d_s=2.67。

要求：求孔隙比e、孔隙率n、饱和度S_r、干密度ρ_d。

【解答】 （1）

【2.1.2】 孔隙比计算

条件：某原状土处于完全饱和状态，测得其含水量w=32.45%，密度ρ=1.8g/cm³，土粒相对密度d_s=2.65，将土样压密，使其干密度达到ρ_d=1.58g/cm³。

要求：此时土的孔隙比减少多少？

【解答】 原状土的孔隙比：

压缩后的孔隙比：

压缩后的孔隙比减少：

Δe=e-e′=0.95-0.68=0.27

【2.1.3】 孔隙比和饱和度的计算

条件：由钻探取得某原状土样，经实验测得土的天然密度ρ=1.70t/m³，含水率w=13.2%，土颗粒的相对密度d_s=2.69。

要求：土的孔隙比e和饱和度S_r。

【解答】

【2.1.4】 孔隙比、饱和度和干重度的计算

条件：已知土的试验指标为重度γ=17kN/m³、土粒重度γ_s=27.2kN/m³和含水率w=10%。

要求：孔隙比e、饱和度S_r和干重度γ_d。

【解答】

【2.1.5】 干密度计算

条件：某房屋房心填土夯实后的密度ρ=1.85t/m³，含水率w=15%，要求夯实后的土的干密度达到1.55t/m³。

要求：此房心填土是否达到质量标准。

【解答】

因为它大于要求的干密度1.55t/m³，故合乎质量标准。