关于水利学科各课程中土的密度（重度）概念的分析与讨论

潘景副，王辉，裴毅，黄理军

摘要：本文通过对水利学科《土力学》、《建筑材料》和《土壤学与农作学》这三门课程中对于土的密度（重度）的相关定义进行分析和探讨，对其在不同学科及各环境和状态下的概念和意义做了思考和总结，从多角度探讨了土的存在的概念理解，总结了一些经验。希望能够起到抛砖引玉的作用，提高教学质量，对教师和学生在课堂上遇到相似问题时有所帮助。

关键词：水利；土；密度

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）48-0184-02

在大学课堂的教学过程中，专业名词概念的准确程度，决定了教师讲解和学生理解两个过程对接的准确度，最终会影响到教学效果。把握好课程中基本原理的教学内容和方法，是大学课程教学改革的最重要部分。本文仅对水利学科与土的密度相关的概念进行分析和讨论。在日常的工作和学习中，我们有机会接触到水利学科中与土相关的课程，主要是《土力学》、《建筑材料》和《土壤学与农作学》。土在其中分别以地基、建筑材料和土壤作为研究对象，其中描述土的密度（重度）的概念有较大的差别，排除课程差别引起的区别外，主要表现为概念文字描述不准确和单位的差别等。这就有可能增加学生学习和理解的难度，造成一定的误解，故在这里进行分析和讨论，期望引起相应的关注和重视。

一、相关概念间的区别和联系

在上述三門课程中，用于表示土的疏密程度的指标有密度、重度（容重）和比重（相对密度）三种说法。其中，密度表示某种物质的质量和其体积的比值，即单位体积的某种物质的质量，叫作该物质的“密度”，一般用ρ表示，国际单位制的单位为千克每立方米（Kg/m3）。重度（容重）则表示某种物质的重量和其体积的比值，即单位体积物质的重量，一般用γ表示，国际单位制中的单位为牛顿每立方米（N/m3）。比重（相对密度）表示物体的重量与相同体积的4℃时纯水的重量的比值，一般用ds或Gs表示，是一个没有单位的量[1-4]。从表面上看，它们是表示土的疏密程度的三个不同的指标。在本质上，它们确实也是相互联系的。物体的密度，反映的是物体的内在特性，是单位体积物体的质量；而重度（容重）与密度之间有以下的关系：前者等于密度乘以重力加速度；而比重（相对密度）在数值上是等于重度（容重），只是一般用于土中固体部分土颗粒。前两者用于整个土体（包括土中固体部分土颗粒和孔隙中充填的水和气）。

二、《土壤学与农作学》课程中关于土的密度（容重度）的相关内容

在《土壤学与农作学》课程中，土主要是为农作物生长提供所需要的养分，其疏密程度影响肥力。

第一，《土壤学与农作学》课程中给出的土壤容重的概念为“单位体积的自然状态土壤（包括孔隙）的干重（指105—110℃条件下烘干重）”，这不太准确。首先，“土壤容重”表述的是自然条件下的土壤天然容重，而不是土壤在绝对干燥下的容重。其次，“土壤容重”的测量是先用环刀法测定湿土的体积，然后用烘干法或其他方法测定土体的干重量，这一过程中土体及其中土颗粒的体积均有一定程度的变化，实验过程不严谨。因此，可以借鉴《土力学》课程中的天然容重和干容重的概念和相关的测量、计算方法。

第二，《土壤学与农作学》课程中给出的土粒容重的概念为“单位体积（不包括孔隙体积）土壤固体土粒的重量”和最后给出的“土壤的土粒容重常以2.65做代表”不一致。按其文字描述的概念，其单位应该是牛顿每立方米（N/m3），而最后给出的代表值是没有单位的。故建议可以将此概念中相关内容的单位修改为牛顿每立方米（N/m3），或者借鉴《土力学》教材中描述的土粒比重（或相对密度）的名称将此概念名称修改为“土粒比重（或相对密度）”。

第三，《土壤学与农作学》课程中给出的土壤容重的单位为t/m3，有别于密度和重度分别表示的是单位体积的质量和重量，所以建议这里修改单位为N/m3，或者将前面的概念名称“容重”修改为“密度”。

一般土壤的密度数值大多在1.6—2.2，有机质含量高的土壤密度较低，常用单位为克每立方厘米（g/cm3）或吨每立方米（T/m3），用它和土粒比重（或相对密度）的数据可以计算出土壤总孔隙度，用来反映土的疏密程度。

三、《建筑材料》课程中关于土的密度（容重度）的相关内容

在《建筑材料》课程中，土中的颗粒是相对比较粗大的砂和石子，主要是用来作为土木工程中的建筑材料，其疏密程度影响建筑材料的用途和质量好坏。

1.《建筑材料》教材中的密度，其定义为：“干燥材料在绝对密实状态下单位体积的质量。”这不太准确，完全干燥和绝对密实的两种状态仅存在于理想条件下，自然条件不可能达到且不能进行实际测量得到；可以考虑定义为天然条件下的密度，然后根据其疏密程度和相关状态不同进行转化计算得出。

2.《建筑材料》课程中，根据在测算材料体积时是否考虑材料中的封闭孔隙有密度和视密度之分。但针对合格的建筑材料而言，其中几乎不存在封闭孔隙，即使存在封闭孔隙的情况，也很难准确地测量出这部分体积的数值。所以，不存在封闭孔隙或难以测量出这部分体积的情况下，密度和视密度是完全一样的，可以不必另加区分。

3.《建筑材料》课程中关于密度的概念较多，有密度、表观密度、视密度和堆积表观密度之说。例如，其中的表观密度和堆积表观密度区别在于散粒材料砂和石子天然或人为条件下存在的状态有所区别，感觉显得有些过于多余。

四、《土力学》课程中关于土的密度（容重度）的相关内容

在《土力学》课程中，土体包括其中的固体部分土颗粒和孔隙中充填的液态水和气，主要是用来作为土木工程中的地基，在自然或者工程荷载的作用下，三种状态的物质组成的比例关系很容易发生变化，并影响土体疏密程度，最终决定其对应的工程特性。其中，相关的概念有：土体天然密度指天然条件下单位体积土体的质量；土体天然重度指天然条件下单位体积土体的重量；比重（相对密度）表示物体的重量与相同体积的4℃时纯水的重量的比值。这里的天然条件，可能是绝对干燥、绝对饱和或二者之间的任意状态。此外，土体的其他物理性质指标都可以用室内实验直接得到的三个基本实验指标，如含水量（含水率）、密度（容重）、比重（相对密度），通过相互的物理关系计算得出。另外，《土力学》课程中的研究对象土体的范围相对比较深，其中一部分有可能处于地下水位以下，所以有土体的饱和密度（饱和重度）和有效密度（浮密度）说法。饱和密度（饱和重度）定义为：“在地下水位以下，单位体积中土体质量（重量）（包括空隙中充填的水的质量）除以整体土体的体积（固体和其中孔隙体积之和）；有效密度（浮密度）定义为：“在地下水位以下，土中固体部分土粒的质量（重量）扣除同体积水的质量（重量）后。”由物理学中质量的概念可以知道，单位体积中土粒质量是不会在处于地下水位以下发生变化的，只有单位体积中土粒重量在地下水位以下时会受到浮力作用而减小同体积水的重量。有部分《土力学》的课程，这里可能仅仅是为了借鉴密度和重度之间的关系，由浮重度而引申出来的一个浮密度概念，没有考虑其实际的物理意义，所以建议删除教材中浮密度的相关内容。

五、结论

作为水利行业的教师和学生，清楚区分以上土的密度（容重度）的相关概念，才能有利于相互交流和沟通，进一步提高教学效果。教师在授课过程中，应该根据课程自身的内容和特点，将土的相关基础理论知识与工程实际问题进行联系，才能让学生对土的定义融会贯通。作为有职业背景的学生，更应将水利学科中的知识运用于工程实践，在处理不同的实际问题时能够运用自如。

参考文献：

[1]张明炷，等.土壤学与农作学[M].第三版.北京：中国水利水电出版社，2007.

[2]李亚东，方坤河.建筑材料[M].第6版.北京：中国水利水电出版社，2009.

[3]赵明华.土力学与基础工程[M].第4版.武汉：武汉理工大学出版社，2014.

[4]潘景副，等.土力学课程中几个基本概念名称的分析与讨论[J].教育教学论坛，2017，（6）.

[5]吴能森，朱德良.地基与基础[M].北京：中国建材工业出版社，2015.

[6]崔长江.有关密度的几个概念应统一[J].黄河水利教育，1996，（2）.endprint