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土的物理性质及工程分类

??一、引言

土作为工程建设中最基本的工程材料，广泛应用于各类建筑、道路、桥梁等基础设施的建设中。其物理性质和工程分类对于工程设计、施工以及评估工程的稳定性和安全性至关重要。了解土的物理性质可以帮助工程师选择合适的地基处理方法、确定基础的类型和尺寸，而准确的工程分类则有助于对不同性质的土采取针对性的工程措施。本章将详细介绍土的各种物理性质指标以及常见的工程分类方法。

二、土的形成与组成

（一）土的形成

土是在自然界中经过漫长的地质作用形成的。主要的地质作用包括风化作用、搬运作用、沉积作用等。风化作用使岩石破碎，形成大小不同的颗粒，这些颗粒在风、水、冰川等的搬运作用下，被带到不同的地方，并在适宜的环境下沉积下来，逐渐形成土。

（二）土的组成

土通常由固体颗粒、液体和气体三部分组成。

1.固体颗粒

固体颗粒是土的骨架，其大小、形状和矿物成分对土的性质有重要影响。颗粒大小不同，土的粒度成分也不同，可分为巨粒组、粗粒组和细粒组。

颗粒形状可分为浑圆状、棱角状等，一般棱角状颗粒较多的土，其孔隙率较大，透水性较强。

矿物成分主要有原生矿物和次生矿物。原生矿物如石英、长石等，具有较高的强度和稳定性；次生矿物如蒙脱石、高岭土等，对土的性质影响较大，尤其是蒙脱石具有较大的膨胀性和收缩性。

2.液体

土中的液体主要是水，水在土中起着重要作用。根据水与土颗粒的相互作用程度，可分为结合水和自由水。结合水又分为强结合水和弱结合水，强结合水被土颗粒表面牢固吸附，不能自由移动，对土的性质影响较小；弱结合水受土颗粒表面引力较弱，能在一定程度上移动，对土的可塑性等性质有影响。自由水在土孔隙中能自由流动，包括重力水和毛细水，重力水对土的渗透性影响较大，毛细水会使土产生毛细上升现象，影响土的干湿状况和强度。

3.气体

土中的气体存在于孔隙中，可分为自由气体和封闭气体。自由气体在压力变化时能排出土体外，对土的性质影响较小；封闭气体被困在土颗粒之间的孔隙中，当土受到压缩时，封闭气体体积减小，压力增大，会对土的压缩性等性质产生一定影响。

三、土的物理性质指标

（一）土的密度

1.天然密度（ρ）

定义：土在天然状态下单位体积的质量，计算公式为\(\rho=\frac{m}{V}\)，其中\(m\)为土的质量，\(V\)为土的总体积。

测定方法：常用环刀法、蜡封法等。环刀法适用于较细粒土，将环刀打入土中，取出环刀内的土样，称其质量，再量取环刀体积，即可计算天然密度。蜡封法适用于易破裂土和形状不规则的土样，将土样用蜡密封后称其质量，再用排水法测其体积，进而计算天然密度。

2.干密度（\(\rho_d\)）

定义：土的固体颗粒质量与总体积之比，反映土中固体颗粒的紧密程度，计算公式为\(\rho_d=\frac{m_s}{V}\)，其中\(m_s\)为土中固体颗粒质量。

与天然密度的关系：\(\rho_d=\frac{\rho}{1+w}\)，其中\(w\)为土的含水量。

3.饱和密度（\(\rho_{sat}\)）

定义：土孔隙完全被水充满时的密度，计算公式为\(\rho_{sat}=\frac{m_s+V_v\rho_w}{V}\)，其中\(V_v\)为土的孔隙体积，\(\rho_w\)为水的密度。

计算关系：\(\rho_{sat}=\rho_d+\frac{n\rho_w}{1}\)，其中\(n\)为土的孔隙率。

4.浮密度（\(\rho^\prime\)）

定义：地下水位以下，土受到水的浮力作用时的有效密度，计算公式为\(\rho^\prime=\rho_{sat}\rho_w\)。

（二）土的含水量（w）

1.定义：土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，计算公式为\(w=\frac{m_w}{m_s}\times100\%\)，其中\(m_w\)为土中水的质量。

2.测定方法：常用烘干法、酒精燃烧法等。烘干法是将土样放入烘箱中，在105110℃下烘干至恒重，称取烘干后土样质量，从而计算含水量。酒精燃烧法适用于含水量较高且急需知道结果的情况，将酒精倒入土样中燃烧，根据酒精燃烧前后土样质量变化计算含水量。

（三）土的孔隙比（e）和孔隙率（n）

1.孔隙比（e）

定义：土的孔隙体积与固体颗粒体积之比，计算公式为\(e=\frac{V_v}{V_s}\)，其中\(V_v\)为孔隙体积，\(V_s\)为固体颗粒体积。

与其他指标的关系：\(n=\frac{e}{1+e}\)，可通过孔隙比计算孔隙率。

2.孔隙率（n）

定义：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示，计算公式为\(n=\frac{V_v}