關于水利學科各課程中土的密度（重度）概念的分析與討論

潘景副，王輝，裴毅，黃理軍

摘要：本文通過對水利學科《土力學》、《建筑材料》和《土壤學與農作學》這三門課程中對于土的密度（重度）的相關定義進行分析和探討，對其在不同學科及各環境和狀態下的概念和意義做了思考和總結，從多角度探討了土的存在的概念理解，總結了一些經驗。希望能夠起到拋磚引玉的作用，提高教學質量，對教師和學生在課堂上遇到相似問題時有所幫助。

關鍵詞：水利；土；密度

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）48-0184-02

在大學課堂的教學過程中，專業名詞概念的準確程度，決定了教師講解和學生理解兩個過程對接的準確度，最終會影響到教學效果。把握好課程中基本原理的教學內容和方法，是大學課程教學改革的最重要部分。本文僅對水利學科與土的密度相關的概念進行分析和討論。在日常的工作和學習中，我們有機會接觸到水利學科中與土相關的課程，主要是《土力學》、《建筑材料》和《土壤學與農作學》。土在其中分別以地基、建筑材料和土壤作為研究對象，其中描述土的密度（重度）的概念有較大的差別，排除課程差別引起的區別外，主要表現為概念文字描述不準確和單位的差別等。這就有可能增加學生學習和理解的難度，造成一定的誤解，故在這里進行分析和討論，期望引起相應的關注和重視。

一、相關概念間的區別和聯系

在上述三門課程中，用于表示土的疏密程度的指標有密度、重度（容重）和比重（相對密度）三種說法。其中，密度表示某種物質的質量和其體積的比值，即單位體積的某種物質的質量，叫作該物質的“密度”，一般用ρ表示，國際單位制的單位為千克每立方米（Kg/m3）。重度（容重）則表示某種物質的重量和其體積的比值，即單位體積物質的重量，一般用γ表示，國際單位制中的單位為牛頓每立方米（N/m3）。比重（相對密度）表示物體的重量與相同體積的4℃時純水的重量的比值，一般用ds或Gs表示，是一個沒有單位的量[1-4]。從表面上看，它們是表示土的疏密程度的三個不同的指標。在本質上，它們確實也是相互聯系的。物體的密度，反映的是物體的內在特性，是單位體積物體的質量；而重度（容重）與密度之間有以下的關系：前者等于密度乘以重力加速度；而比重（相對密度）在數值上是等于重度（容重），只是一般用于土中固體部分土顆粒。前兩者用于整個土體（包括土中固體部分土顆粒和孔隙中充填的水和氣）。

二、《土壤學與農作學》課程中關于土的密度（容重度）的相關內容

在《土壤學與農作學》課程中，土主要是為農作物生長提供所需要的養分，其疏密程度影響肥力。

第一，《土壤學與農作學》課程中給出的土壤容重的概念為“單位體積的自然狀態土壤（包括孔隙）的干重（指105—110℃條件下烘干重）”，這不太準確。首先，“土壤容重”表述的是自然條件下的土壤天然容重，而不是土壤在絕對干燥下的容重。其次，“土壤容重”的測量是先用環刀法測定濕土的體積，然后用烘干法或其他方法測定土體的干重量，這一過程中土體及其中土顆粒的體積均有一定程度的變化，實驗過程不嚴謹。因此，可以借鑒《土力學》課程中的天然容重和干容重的概念和相關的測量、計算方法。

第二，《土壤學與農作學》課程中給出的土粒容重的概念為“單位體積（不包括孔隙體積）土壤固體土粒的重量”和最后給出的“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，其單位應該是牛頓每立方米（N/m3），而最后給出的代表值是沒有單位的。故建議可以將此概念中相關內容的單位修改為牛頓每立方米（N/m3），或者借鑒《土力學》教材中描述的土粒比重（或相對密度）的名稱將此概念名稱修改為“土粒比重（或相對密度）”。

第三，《土壤學與農作學》課程中給出的土壤容重的單位為t/m3，有別于密度和重度分別表示的是單位體積的質量和重量，所以建議這里修改單位為N/m3，或者將前面的概念名稱“容重”修改為“密度”。

一般土壤的密度數值大多在1.6—2.2，有機質含量高的土壤密度較低，常用單位為克每立方厘米（g/cm3）或噸每立方米（T/m3），用它和土粒比重（或相對密度）的數據可以計算出土壤總孔隙度，用來反映土的疏密程度。

三、《建筑材料》課程中關于土的密度（容重度）的相關內容

在《建筑材料》課程中，土中的顆粒是相對比較粗大的砂和石子，主要是用來作為土木工程中的建筑材料，其疏密程度影響建筑材料的用途和質量好壞。

1.《建筑材料》教材中的密度，其定義為：“干燥材料在絕對密實狀態下單位體積的質量。”這不太準確，完全干燥和絕對密實的兩種狀態僅存在于理想條件下，自然條件不可能達到且不能進行實際測量得到；可以考慮定義為天然條件下的密度，然后根據其疏密程度和相關狀態不同進行轉化計算得出。

2.《建筑材料》課程中，根據在測算材料體積時是否考慮材料中的封閉孔隙有密度和視密度之分。但針對合格的建筑材料而言，其中幾乎不存在封閉孔隙，即使存在封閉孔隙的情況，也很難準確地測量出這部分體積的數值。所以，不存在封閉孔隙或難以測量出這部分體積的情況下，密度和視密度是完全一樣的，可以不必另加區分。

3.《建筑材料》課程中關于密度的概念較多，有密度、表觀密度、視密度和堆積表觀密度之說。例如，其中的表觀密度和堆積表觀密度區別在于散粒材料砂和石子天然或人為條件下存在的狀態有所區別，感覺顯得有些過于多余。

四、《土力學》課程中關于土的密度（容重度）的相關內容

在《土力學》課程中，土體包括其中的固體部分土顆粒和孔隙中充填的液態水和氣，主要是用來作為土木工程中的地基，在自然或者工程荷載的作用下，三種狀態的物質組成的比例關系很容易發生變化，并影響土體疏密程度，最終決定其對應的工程特性。其中，相關的概念有：土體天然密度指天然條件下單位體積土體的質量；土體天然重度指天然條件下單位體積土體的重量；比重（相對密度）表示物體的重量與相同體積的4℃時純水的重量的比值。這里的天然條件，可能是絕對干燥、絕對飽和或二者之間的任意狀態。此外，土體的其他物理性質指標都可以用室內實驗直接得到的三個基本實驗指標，如含水量（含水率）、密度（容重）、比重（相對密度），通過相互的物理關系計算得出。另外，《土力學》課程中的研究對象土體的范圍相對比較深，其中一部分有可能處于地下水位以下，所以有土體的飽和密度（飽和重度）和有效密度（浮密度）說法。飽和密度（飽和重度）定義為：“在地下水位以下，單位體積中土體質量（重量）（包括空隙中充填的水的質量）除以整體土體的體積（固體和其中孔隙體積之和）；有效密度（浮密度）定義為：“在地下水位以下，土中固體部分土粒的質量（重量）扣除同體積水的質量（重量）后。”由物理學中質量的概念可以知道，單位體積中土粒質量是不會在處于地下水位以下發生變化的，只有單位體積中土粒重量在地下水位以下時會受到浮力作用而減小同體積水的重量。有部分《土力學》的課程，這里可能僅僅是為了借鑒密度和重度之間的關系，由浮重度而引申出來的一個浮密度概念，沒有考慮其實際的物理意義，所以建議刪除教材中浮密度的相關內容。

五、結論

作為水利行業的教師和學生，清楚區分以上土的密度（容重度）的相關概念，才能有利于相互交流和溝通，進一步提高教學效果。教師在授課過程中，應該根據課程自身的內容和特點，將土的相關基礎理論知識與工程實際問題進行聯系，才能讓學生對土的定義融會貫通。作為有職業背景的學生，更應將水利學科中的知識運用于工程實踐，在處理不同的實際問題時能夠運用自如。

參考文獻：

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[4]潘景副，等.土力學課程中幾個基本概念名稱的分析與討論[J].教育教學論壇，2017，（6）.

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[6]崔長江.有關密度的幾個概念應統一[J].黃河水利教育，1996，（2）.endprint