深入解析土木工程中的土力学：三相体系及其对工程特性的影响

走进土木工程——土力学（2）土的三相体系

土由固体颗粒、水和气体这三部分构成三相体系。土的三相性质，尤其固体颗粒的性质，会对土的工程特性产生直接影响。同一种土，在密实状态下抗剪强度高，处于松散状态时抗剪强度低。对于细粒土，水含量少的时候就硬，而水含量多的时候就软。这表明土的性质不但取决于三相组成的性质，而且三相之间的比例关系也是重要的影响因素。

对于连续介质像钢材这类物质，其密度能够直接体现其真实的密实程度，也能反映其组成成分。然而土是三相体系，若要全面展现其性质和状态，就必须了解其三相在体积和质量方面的比例关系，所以就需要更多的指标。如下图所示的三相草图，将质量和体积分别标注在左右两侧，这样更加生动形象。

三相草图中有 10 个物理量。其中 4 个是其他量之和，其余 6 个是独立的量。在土力学中，可忽略气体质量，近似认为水的比重为 1.0，也就是质量与体积在数值上相等。实际应用中，还可假设任意一个量为 1.0，所以只需知道 3 个量就能求解。

要确定这三个量，就需要通过实验室的试验来进行测定。一般会做三个比较容易操作的基本物理性质试验，分别是土的密度试验，包括环刀法和腊封法；土粒比重试验，有比重瓶法、浮称法和虹吸筒法；土的含水量试验，包含烘干法和酒精燃烧法。如下所示，分别是浮称法和虹吸筒法。

工程中为便于表达土中三相含量的某些特征，定义了以下几种指标，如下面这些指标为笔者整理后所呈现的：

表示土的三相量比例关系的指标有 9 个，分别是土的密度、土粒比重、含水量、孔隙比、孔隙率、饱和度、饱和密度、干密度、浮重度。很多教材都有三相比例之间的基本换算公式以及相互换算公式，这些公式很容易从三相草图推算得出。读者应准确掌握其定义和基本概念，不应死记硬背公式。

土的三相，在工程施工应用方面是十分重要的基础概念。土的三相，在岩土结构设计方面是十分重要的基础概念。土的三相，在灾害评估方面是十分重要的基础概念。土的三相，在注册考试方面是十分重要的基础概念。