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土的组成和物理性质
第四讲 土的组成和物理性质
一、    内容提要：
本讲主要讲述土的三相组成和三相指标、土的矿物组成和颗粒级配、土的结构、粘性土的界限含水量、塑性指数、液性指数、砂土的相对密实度、土的最正确含水量和最大干能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。
    自由水包括毛细水和重力水。毛细水不仅受到重力的作用，还受到外表张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。
【例题7】在土的液相中，冰点最低的是〔　　　〕。
A.　强结合水　　　B.　弱结合水　　　C.　毛细水　　　D.　重力水　　答案：A
(三)土的气相
    土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。
与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。
【例题8】以下关于土的气相的表达，正确的选项为〔　　〕。
A.    当土受到外力作用时，土中的气体会被很快从孔隙中排出；
B.　当土受到外力作用时，与大气连通的气体会被从孔隙中排出，密闭的气体可被压缩；
C.　当土受到外力作用时，对于密闭的气体不能被压缩；
D.    对于饱和土而言，土内的气体仅存在密闭的气体；
答案：B
二、土的三相比例指标
    
土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的枯燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质的最根本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的根本内容。
 
    
推导土的三相比例指标时可采用图15-4-2所示的三相图。图15-4-2(c)中土样的体积V为土中空气的体积Va、水的体积Vw和土粒的体积Vs之和；土样的质量g为土中空气的质量ga水的质量gw和土粒的质量gs之和；由于空气的质量可以忽略，故土样的质量g可用水和土粒质量之和(gw+gs)表示。 
三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。 
(一)试验指标
    通过试验测定的指标有
土的密度、土粒密度和含水量。
含水量通常以百分数表示。含水量常用烘干法测定，它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大，从干砂的含水量接近于零到蒙脱土的含水量可达百分之几百。
【例题9】在对土样进行土工试验时，不属于试验指标的是〔　　〕。
A.　密度　　　　
B.　土粒密度　　　
C.　孔隙比　　　
D.　含水量　　　
答案：C
(二)换算指标
    除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度(干重度)、饱和密度(饱和重度)、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。
三、土的结构
土的结构是指土粒(或团粒)的大小、形状、互相排列及联结的特征。
土的结构是在成土的过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图15-4-3所示的三种根本类型。
1. 单粒结构 
单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微  弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配愈不均匀，结构愈紧密。
2. 蜂窝状结构
蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。～，根本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中、碰上已沉积的土粒时，如土粒间的引力相对自重而言已经足够地大，那么此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。
3. 絮状结构
絮状结构是粘土颗粒