如何测定项目一土的物理性质指标

一、土的三相组成

土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。

固相: 包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质;

液相: 主要是水(溶解有少量的可溶盐类);

气相: 主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。

(一)土的固相

1. 土的矿物成分和土中的有机质

土的固相物质分无机矿物颗粒和有机质，构成土的骨架。

(1)原生矿物和次生矿物。矿物颗粒由原生矿物和次生矿物组成。原生矿物是岩石经物理风化作用后破碎形成的矿物颗粒，与母岩的矿物成分是相同的，常见有石英、长石和云母等。次生矿物是岩石经化学风化作用后发生化学变化而形成新的矿物颗粒，常见有高岭石、伊利石(水云母)和蒙脱石(微晶高岭石)三大黏土矿物。另外，还有一类易溶于水的次生矿物，称为水溶盐。水溶盐的矿物种类很多，按其溶解度可分为难溶盐、中溶盐和易溶盐三类。难溶盐主要是碳酸钙(CaCO3)，中溶盐常见的是石膏(CaSO4·2H2O)，易溶盐常见的是各种氯化物(如NaCl、KCl、CaCl)以及易溶的钾与钠的硫酸盐和碳酸盐等。

(2)土中的有机质。土中的有机质是动植物的残骸及其分解物质经生物化学作用生成的物质，其颗粒极细，粒径小于0.1m，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。当有机质含量超过5%时，称为有机土。

2. 土的粒组划分

颗粒的大小及其含量直接影响着土的工程性质，例如，颗粒较粗的卵石、砾石和砂粒等透水性较大，无黏性和可塑性; 而颗粒很小的黏粒则透水性较小，黏性和可塑性较大。土颗粒直径大小以粒径来表示。土的粒径与土的性质之间有一定的对应关系，土的粒径相近时，土的矿物成分接近，所呈现出的物理力学性质基本相同。因此，将土颗粒粒径大小接近、矿物成分和性质相似的土粒归并为若干组别，即称为粒组。把土在性质上表现出的有明显差异的粒径作为划分粒组的分界粒径。

界限粒径: 划分粒组的分界尺寸。常用界限粒径组为200mm、60mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm，把土粒分为漂石(块石)颗粒组、卵石(碎石)颗粒组、圆砾(角砾)颗粒组、砂粒组(包括粗砂、中砂、细砂)、粉粒组、粘粒组六大粒组。土粒粒组划分见表1-1。

表1-1 土粒粒组划分

3. 土的颗粒级配

在自然界里，绝大多数的土都是由几种粒组混合搭配而成的，而土的性质取决于不同粒组的相对含量。土中各粒组的相对含量用各粒组占土粒总质量的百分数表示，称为土的颗粒级配。颗粒级配是通过颗粒大小分析试验来测定的。

1)颗粒大小分析试验

土的颗粒大小分析试验，简称颗分试验。常用的颗分试验方法有筛分法和密度计法两种。筛分法适用于粒径大于0.075mm的粗粒土，用一套从孔径依次由大到小的标准筛来进行。密度计法适用于粒径小于0.075mm的细粒土。

若土中粗细粒组兼有时，可将土样用振摇法或水冲法通过0.075mm的筛子，使其分为两部分，大于0.075mm的土样用筛分法进行分析，小于0.075mm的土样用密度计法进行分析，然后将两种试验成果组合在一起。

2)颗粒级配表达方式

以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，以粒径的对数为横坐标，绘制的反映颗粒大小分布的曲线，称为土的颗粒级配曲线。

颗粒级配曲线能表示土的粒径范围和各粒组的含量。若级配曲线平缓，表示土中各种粒径的土粒都有，颗粒不均匀，级配良好; 若曲线陡峻，则表示土粒均匀，级配不好。如图1-1所示，表示a、b两种土样的颗粒级配曲线，图中曲线b较平缓，故土样b的级配较土样a的级配好。

图1-1 颗粒级配曲线

级配良好的土，粗细颗粒搭配较好，粗颗粒间的孔隙有细颗粒填充，易被压实到较高的密度，因而渗透性和压缩性较小，强度较大，所以颗粒级配常作为选择筑填土料的依据。

如果曲线的坡度是渐变的，则表示土的颗粒大小分布是连续的，称为连续级配; 如果曲线中出现水平段，则表示土中缺乏某些粒径的土粒，这样的级配称为不连续级配。

3)级配指标

在颗粒级配曲线上，可根据土粒的分布情况，定性地判别土的均匀程度或级配情况。为了能定量地衡量土的颗粒级配是否良好，常用不均匀系数cu和曲率系数cc。

(1)不均匀系数cu，按下式计算:

式中: cu——不均匀系数;

d60——限制粒径，颗粒级配曲线上的某粒径小于该粒径的土含量占总质量的60%;

d10——有效粒径，颗粒级配曲线上的某粒径小于该粒径的土含量占总质量的10%。

不均匀系数cu是反映级配曲线坡度和颗粒大小不均匀程度的指标，cu值越大，表示颗粒级配曲线的坡度就越平缓，土粒粒径的变化范围越大，土粒就越不均匀; 反之，cu值越小，表示曲线的坡度就越陡，土粒粒径的变化范围越小，土粒也就越均匀。工程上常将cu＜5的土视为均匀土，其级配不好; 将cu≥10的土视为不均匀土，其级配良好。

(2)曲率系数cc，按下式计算:

式中: cc——曲率系数;

d30——颗粒级配曲线上的某粒径小于该粒径的土含量占总质量的30%。

曲率系数cc描述的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。一般认为，cu≥5，且cc=1～3的土称为级配良好的土。

(二)土中的水

由于土的颗粒表面通常带有负电荷，因此水在带电固体颗粒之间受到表面电荷电场的作用，水分子和水化阳离子就会向颗粒周围聚集，如图1-2所示。根据受颗粒表面静电引力作用的强弱，土孔隙中的水可以划分为结合水和自由水两种。

图1-2 结合水形成的一般图示

1—扩散层; 2—固定层; 3—矿物颗粒; 4—阳离子;

5—水分子; 6—强结合水; 7—弱结合水; 8—自由水

1. 结合水

研究表明，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。

(1)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。这部分水膜因受电场力作用大，与土粒表面结合的十分紧密，所以分子排列密度大，其密度为1.2～2.4g/cm3，冰点很低，可达－78°C都不冻结，其沸点较高，在105°C以上才蒸发，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，其性质接近于固体，具有很大的黏滞性、弹性和抗剪强度。

(2)弱结合水: 是指分布在强结合水外围的结合水。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，其密度为1.0～1.7g/cm3，冰点低于0°C，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。弱结合水的存在对黏性土的性质影响很大。

2. 自由水

(1)重力水: 受重力作用在土的孔隙中流动的水称为重力水，常处于地下水位以下。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; 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。

(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，形成一定高度的毛细水带。这部分在地下水位以上的自由水称为毛细水。

土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土呈现出黏聚现象，这种力称为毛细黏聚力，也称为假黏聚力。在施工现场见到稍湿状态的砂性地基开挖成一定深度的直立坑壁，就是因为砂粒间存在着假黏聚力的缘故。当地基饱和或特别干燥时，不存在水与空气的界面，假黏聚力消失，坑壁就会塌落。在工程中，应特别注意毛细水上升的高度和速度，因为毛细水的上升对建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿与冻胀有重要影响。

(三)土中的气体

土中的气体可分为两种基本类型: 与大气连通的气体以及封闭气体。与大气连通的气体对土的工程力学性质影响不大; 封闭气体可以使土的弹性增大，延长土的压缩过程，使土层不易压实。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。

二、土的物理性质指标

(一)土的三相图

土是由固体颗粒、水和空气三部分组成的。组成土的这三部分之间的不同比例，反映土的各种不同状态，对土的物理力学性质有直接的影响。要研究土的物理性质，就必须掌握土的三个组成部分的比例关系。表示这三部分之间关系的指标，称为土的物理指标。为了便于说明和计算，用图1-3来表示土的三个组成部分。

设: ms为固体颗粒的质量，mw为水的质量，m为土体的总质量，vs为固体颗粒的体积，vv为土中孔隙的体积，va为土中空气的体积，v为土体的总体积，vw为土中水的体积。

质量满足关系式: m=ms+mw

图1-3 土的三相简图

体积满足关系式: v=vs+vv=vs+va+vw

(二)土的物理性质指标(由土工试验直接可以测得)

由土工试验可以直接测得的指标称为基本物理性质指标。土的基本物理性质指标有土的密度ρ、重度γ、土的含水量w和土粒比重ds。

1. 土的质量密度和重力密度

单位体积土的质量称为土的质量密度，简称土的密度，用符号ρ(g/cm3或t/m3)表示。

土的密度ρ可以用环刀法来测定。

天然状态下，土的密度参考值: 一般黏性土1.8～2.0g/cm3; 砂土1.6～2.0g/cm3。

单位体积土所受的重力称为土的重力密度，简称土的重度，用符号γ(k N/m3)表示。

γ=ρ·g (1-4)

式中: g一般取10m/s2。

2. 土的含水量

土中水的质量与土颗粒质量之比称为土的含水量，用百分比表示，用符号w表示。

含水量常用烘干法或酒精燃烧法来测得。

3.土粒的比重ds(土粒的相对密度)

土粒的质量与同体积4℃时纯水质量之比称为土粒比重或土粒相对密度，用符号ds表示。

土粒的比重参考值: 黏性土2.70～2.75; 砂土一般为2.65左右。

ds与ρs数值相等，ds为无量纲，ρs有量纲。

(三)土的其他物理性质指标

土的其他物理性质指标均是由土的基本物理性质指标推导出来的。

1. 土的干密度ρd和干重度γd

土的干密度ρd: 单位体积土中土颗粒的质量(g/cm3)。

干重度γd: 单位体积土中土颗粒的重力(k N/m3)。

γd=ρd·g (1-8)

干密度ρd在一定程度上反映了土粒排列的紧密程度，常用它作为人工填土压实质量的控制指标。一般ρd达到1.50～1.65t/m3以上，土就比较密实。

2. 土的饱和密度ρsat和饱和重度γsat

土的饱和密度ρsat: 土中孔隙完全被水充满时土的密度(g/cm3)。

饱和重度γsat: 土中孔隙完全被水充满时单位体积土的重力(k N/m3)。

γsat=ρsat·g (1-10)

3. 土的有效密度ρ'和有效重度γ'

土的有效密度ρ': 扣除水的浮力后单位体积土的质量。

土的有效重度γ': 在地下水位以下，土体受到浮力作用时土的重度。

γ'=ρ'g=γsat－γw (1-12)

对同种类土，γsat＞γ ＞γd＞γ'。

4. 土的孔隙比e和孔隙率n

土的孔隙比e: 土中孔隙体积与土颗粒体积之比。

e用来评价天然土层的密实程度。当砂土e＜0.6时，呈密实状态，为良好地基; 当黏性土e＞1.0时，为软弱地基。

孔隙率n: 土中孔隙体积与总体积的百分比。

n反映土中孔隙大小的程度，一般为30%～50%。

5. 饱和度sr

饱和度sr: 土中水的体积占土中孔隙体积的百分比。

饱和度说明土的潮湿程度。当sr≤50%时，土为稍湿的; 当50%＜sr≤80%时，土为很湿的; 当sr＞80%时，土为饱和的。

(四)基本指标和其他指标间的关系

假设土粒体积vs=1，ρw=1t/m3为已知，因，则:

推导的三相图如图1-4所示。

图1-4 土的三相物理指标换算图

其他指标由推导的三相图和导出指标的定义可以得出。

三、土的基本物理性质指标试验测定方法

(一)实训一: 土的颗粒分实验

1. 试验目的

(1)测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数。(www.xing528.com)

(2)颗粒大小分布情况，供土的分类与概略判断土的工程性质及选料之用。

2. 试验方法

(1)筛析法: 适用于粒径大于0.075mm的土。

(2)密度计法: 适用于粒径小于0.075mm的土。

(3)移液管法: 适用于粒径小于0.075mm的土。

(4)若土中粗细兼有，则联合使用筛析法及密度计法或移液管法。

3. 筛分法实验

1)仪器设备

(1)符合GB6003—85要求的试验筛。粗筛: 圆孔，孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm; 细筛: 孔径为2.0mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm。

(2)天平: 称量1000g与称量200g。

(3)台秤: 称量5kg。

(4)振筛机: 应符合GB9909—88的技术条件。

(5)其他: 烘箱、研钵、瓷盘、毛刷、木碾等。

2)操作步骤(无黏性土的筛分法)

(1)从风干、松散的土样中，用四分法按下列规定取出代表性试样:

①粒径小于2mm颗粒的土取100～300g;

②最大粒径小于10mm的土取300～1000g;

③最大粒径小于20mm的土取1000～2000g;

④最大粒径小于40mm的土取2000～4000g;

⑤最大粒径小于60mm的土取4000g以上。

称量准确至0.1g; 当试样质量多于500g时，称量准确至1g。

(2)将试样过2mm细筛，分别称出筛上和筛下土质量。

(3)取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中; 取2mm筛下试样倒入依次叠好的最上层筛中，进行筛析。细筛宜放在振筛机上振摇，振摇时间一般为10～15min。

(4)由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，如仍有土粒漏下，则应继续轻叩摇晃，至无土粒漏下为止。漏下的土粒应全部放入下级筛内，并将留在各筛上的试样分别称量，准确至0.1g。各细筛上及底盘内土质量总和与筛前所取2mm筛下土质量之差不得大于1%; 各粗筛上及2mm筛下的土质量总和与试样质量之差不得大于1%。

注: 若2mm筛下的土小于试样总质量的10%，则可省略细筛分析; 若2mm筛上的土小于试样总质量的10%，则可省略粗筛分析。

3)计算与制图

(1)计算小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数。小于某粒径的试样质量占总质量的百分比为

式中: X——小于某粒径试样质量占试样总质量的百分比(%);

m A——小于某粒径的试样质量(g);

m B——细筛分析时为所取的试样质量，粗筛分析时为试样总质量(g);

dx——粒径小于2mm的试样质量占试样总质量的百分比(%)。

(2)绘制颗粒大小分布曲线。以小于某粒径的试样质量占总质量的百分数为纵坐标，以颗粒直径的对数为横坐标，绘制出颗粒级配曲线，然后求出各粒组的颗粒质量的百分数。

(3)计算级配指标。不均匀系数cu为

式中: d60——限制粒径，颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的60%;

d10——有效粒径，颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的10%。

曲率系数cc为

式中: d30——颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的30%。

一般认为，cu≥5，cc=1～3的土称为级配良好的土。

(二)实训二: 密度试验

1. 仪器设备

符合规定要求的环刀，精度为0.01g的天平，切土刀、凡士林等。

2. 操作步骤

(1)测出环刀的容积v，在天平上称环刀质量m1。

(2)取直径和高度略大于环刀的原状土样或制备土样。

(3)环刀取土: 在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀刃口向下放在土样上，随即将环刀垂直下压，边压边削，直至土样上端伸出环刀为止。将环刀两端余土削去修平(严禁在土面上反复涂抹)，然后擦净环刀外壁。

(4)将取好土样的环刀放在天平上称量，记下环刀与湿土的总质量m2。

3. 计算土的密度

4. 试验要求

(1)密度试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次试验结果的算术平均值。

(2)密度计算准确至0.01g/cm3。

5. 试验记录格式

密度试验记录表见表1-2。

表1-2 密度试验记录表(环刀法)

(三)实训三: 土粒比重试验

1. 试验目的

土粒比重是土在105～110℃下烘至恒值时的质量与土粒同体积4℃时纯水质量的比值。本试验的目的是测定土粒比重。

2. 试验方法与适用范围

(1)粒径小于5mm的土，用比重瓶法进行测定。

(2)粒径大于5mm的土，其中，当含粒径大于20mm颗粒小于10%时，用浮称法进行测定; 当含粒径大于20mm颗粒大于10%时，用虹吸筒法进行测定; 粒径小于5mm部分用比重瓶法进行测定，取其加权平均值作为土粒比重。

3. 比重瓶法试验

1)仪器设备

比重瓶: 容量100ml; 天平: 称量200g，分度值0.001g; 恒温水槽; 砂浴; 温度计;烘箱; 纯水等。

2)操作步骤

(1)将比重瓶烘干，称瓶质量m0，将烘干试样约15g装入比重瓶内，称干土加瓶质量m3，精确至0.001g。

(2)为排出土中的空气，将已装有干土的比重瓶，注纯水至瓶的一半处，摇动比重瓶，并将瓶放在砂浴上煮沸。煮沸时间: 自悬液沸腾时算起，砂及砂质土不应少于30min，黏土及粉质黏土不应少于1h。煮沸时，应注意不使土液溢出瓶外。

(3)将煮沸经冷却的纯水注入有试样的比重瓶近满，把比重瓶放在恒温水槽内至温度稳定。待瓶内上部悬液澄清后，用滴管注入纯水至瓶口，塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛细管中溢出，将瓶外水分擦干后称瓶、水、土的总质量m2，精确至0.001g，然后立即测瓶内水的温度。

(4)根据测得的温度，从已绘制的温度与瓶、水总质量关系曲线中查得各试验温度下瓶、水的总质量m1。

3)计算土粒比重

式中: Gwt——4℃时纯水的比重，可查《土工试验规程》。

4. 试验要求

本试验需进行两次平行测定，其平行差值不得大于0.02，取其算术平均值。

5. 试验记录格式

比重试验记录表见表1-3所示。

表1-3 比重试验记录表(比重瓶法)

(四)实训四: 土的天然含水量试验

1. 试验目的

测定土样的含水量。

2. 试验原理

首先称量含水土样的质量，然后称量去除水分后干土的质量，将两者的差作为土样中所含水分的质量。去除水分的方法直接决定测量结果，理论上，土样中所含水的质量是指其中自由水的质量，当温度在100～150℃范围时，一般不会破坏结合水，所以要求精确测量时，温度应控制在100～150℃范围内。

3. 试验步骤

1)烘干法

(1)仪器设备:

①烘箱: 真空电热烘箱，温度保持在100～150℃;

②天平: 称量500g，感量0.01g;

③其他辅助工具: 如称量盒等。

(2)操作步骤:

①称量装土样的称量盒的质量m';

②取适量代表性试样放入称量盒内，迅速盖好盒盖，称量得mz;

③去掉盒盖后，将盛有试样的称量盒放入烘箱，在100～150℃下烘到恒量(一般土质量为15～30g时，砂土需1～2h，粉土需6～8h，黏土约需10h);

④烘干后取出试样，盖好盒盖，冷却至室温后称量其质量m'z;

⑤按下式计算含水量:

2)酒精燃烧法

(1)仪器设备:

①酒精: 纯度95%以上;

②天平: 称量200g，分库值0.01g;

③其他辅助工具: 称量盒、滴管、调土刀、火柴等。

(2)操作步骤:

①称量装土样的称量盒的质量m';

②取适量代表性试样放入称量盒内，迅速盖好盒盖，称量得mz;

③去掉盒盖后，滴入酒精直至出现自由液面为止，点燃酒精完全燃烧(燃烧次数为三次);

④盖好盒盖，冷却至室温后称量其质量m'z;

⑤按下式计算含水量:

4. 试验记录格式

含水量试验记录表见表1-4。

表1-4 含水量试验记录表