三相土

由土固體顆粒（固相）、土中水（液相）和土中氣（氣相）三相組成的土。自然界中的土都是三相土。各相的性質、相對含量及相互作用是決定土體物理力學性質的主要因素。

基本介紹

• 中文名：三相土
• 外文名：tri-phase soil
• 組成：液相、固相、氣相
• 存在：自然界
• 形式：飽和土、不飽和土

土的三相

自然界的土體由固相（固體顆粒）、液相（土中水）和氣相（土中氣）組成，通常稱為三相分散體系。

固相

固相構成土的骨架部分。它按構成物質分為無機礦物顆粒（包括原生礦物和次生礦物）、有機質和鹽類結晶；按分化程度又可細分，對工程性質的可能影響見表1。

表1 土的固相

固相構成			顆粒大小	特點及對工程性質、力學性質的可能影響
依風化作用的深入程度（物理→化學→生物）而發展	原生礦物（石英、長石、輝石和角閃石、雲母等）		粗大，呈塊狀或粒狀（碎石、礫石與砂土的主要成分）	性能穩定，視顆粒大小與形狀對力學、工程性質的影響不同。例如，級配好，土粒不; 均勻，則該土的密度、強度大，壓縮性低。透水性小。
	次生礦物	溶於水的如方解石、石膏；不溶於水的如粘土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）	顆粒細小，成片狀，是粘性土的固相的主要成分	高度的分散性．呈膠體性狀。它的含量的變化對粘性土性質十分敏感。巨大的比表面使其具有很強的與水相互作用的能力。對於粘土礦物，它的結晶結構的不同。會帶來其工程性質的顯著差異。
有機質			細粒和膠態	親水性強，大量的有機質是不良的地基

液相

液相是指土孔隙中存在的水。它按構成物質分為結晶水、液態水、冰及水蒸氣。前兩種水對工程性質的影響見表2。

表2 土的液相

液相構成			特點及對工程性質的可能影響
結晶水
液態水	結合水	強	為電場範圍以內的水，是極性水分子與土粒物理化學作用之結果，結合水的存在是粘性土的主要特性之一，是蠕變、次固結特性的機制所在，可因蒸發而失去這種結合水。	是緊排土粒表面的結合水，處於雙電層中的固定層，不能傳遞靜水壓力，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強度。粘性土只含強結合水時呈固態，磨碎後成粉末狀態。
		弱		是緊排強結合水的外圍形成的一層水膜。處於雙電層中的擴散層，呈粘滯狀態，可在壓力及電流下從水膜厚的地方向水膜薄的地方緩慢移動，也可通過離子交換或改變離子濃度使擴散層厚度發生變化。這正是粘性土具有可塑性、觸變性的機制所在。
	自由水	毛細水	受重力作用產生運動而處於土粒電場影響範圍之外，有溶解能力; γW=10kN/m^3	受水與空氣界面處表面張力作用的自由水，在粉、細砂中，土的毛細現象較嚴重。處於重力和表面張力的雙重作用下，土粒將因毛細壓力而擠緊，因而濕砂挖成直立邊坡在短期內不會坍塌；工程中要注意毛細水上升對建築物地下部分的防潮和凍脹問題。
		重力水		是砂、粘土中常有的水體，能傳遞靜水壓力，是土中孔隙壓力的主要構成水體；對土顆粒產生浮力；地下水位升降會引起土中應力變化；開挖基坑時要防止動水壓力引起的流砂現象。

氣相

土中氣體分為與大氣連通的自由氣體，以及與大氣不連通的封閉氣體兩類。與大氣連通的氣體對土的工程性質影響不大。在受到外力作用時，這種氣體能很快地從孔隙中被擠出；而與大氣不連通的封閉氣體對土的工程性質影響較大。在受到外力作用時，隨著壓力的增大，這種氣泡可能被壓縮或溶解於水中，壓力減少時，氣泡會恢復原狀或重新游離出來。增大了土的彈性，減少了土的滲透性，延緩了土的壓縮和膨脹、變形隨時間的發展過程。在淤泥和泥炭土中，由於微生物的活動分解作用，土中產生一些可燃氣體（如硫化氫、甲烷等），使土層不易自重壓密而形成高壓縮的軟土層。

電磁波在三相土中的傳播

基本假定

1.土由土顆粒 、 水和空氣組成。土體介電常數隻由此三相介電常數計算。

2.土顆粒在外加電場和水分子的共同作用下，會電離生成電子和離子。由於離子的質量遠遠大於電子的質量，可以認為在土體中離子是靜止不動的，在土體中的電流僅由電子運動引起的。

3.土體各相中電子數之和等於混合土體電子數。

模型的建立

對於土體這樣的混合介質，我們必須考慮在電磁波對土體各相的作用來求解電磁波的傳播方程。根據麥克斯韋方程

其中i=，H 、E 分別為磁場強度和電場強度，J_c為電流密度，ε₀為真空中介電常數，ω為電磁場圓頻率。

如果用等效介電常數來考慮土中各相對電磁波傳播的影響，那么傳播方程就能方便求解。

麥克斯韋方程可寫成

其中‖ε‖為土體的等效介電常數。

結果分析

從模型的推導以及計算結果，可得到以下結論：

1.外加磁場存在時，土體為各向異性介質，而且各向異性程度隨外加磁場強度增長而增長。只有在外加磁場很小時，土體可以看成各向同性介質。

2.含水量對土體介電常數影響很大，對電磁波在土中傳播也有很大的影響。

3.當土體飽和度一定時，土體介電常數隨孔隙率變化，可能通過此方法測量土體孔隙率。

4.當土體孔隙率一定時，土體介電常數隨飽和度上升而增加。