第二节 土的物理性质
土的物理性质是指土本身由于三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态及固、液两相相互作用所表现出来的性质，主要指土的轻重、干湿、松密和细粒土的稠度、塑性、胀缩性等。
一、土的三相指标及换算
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干燥与潮湿、疏松与紧密，是评价土的工程性质最基本的物理性质指标，也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。为了推导土的三相比例指标，通常把在土地中实际上是处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，构成如图2-4所示的三相图。在图2-4（c）中，右边注明各相的体积，左边注明各相的质量。通常认为空气的质量可以忽略，则土样的质量就仅为水和土粒质量之和。
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
通过实验测定的指标有土的密度、含水率和土的相对密度。
1．土的密度（ρ）
土单位体积的质量称为土的密度，即：
图2-4 土的三相图
V w．水的体积；V s．土的体积；V a．空气的体积；V v．空气与水的体积；V．空气、水、土的体积之和；
m s．土的质量；m w．水的质量；m．土、空气、水质量之和
式中：m——土的质量；
V——土的体积。
土的密度常用环刀法测定，其单位是g／cm3，一般土的密度为1．60～2．20g／cm3。当用国际单位制计算重力时，由土的质量产生的单位体积重力称为重力密度（γ），简称为重度。重力等于质量乘以重力加速度（工程上为简化计算常取重力加速度为10m／s2），则重度由密度乘以重力加速度求得，其单位是k N／m3，即：
式中：g——重力加速度；
其他符号意义同前。
对天然土求得的密度称为天然密度，相应的重度称为天然重度，以区别于其他条件下的指标，如下面将要讲到的干密度和干重度、饱和密度和饱和重度。
2．土的含水率（w）
土中水的质量与固体（土粒）质量之比称为土的含水率，用百分数表示，即：
式中：m w——水的质量；
m s——固体质量。含水率常用烘干法测定，是描述土的干湿程度的重要指标。含水率越小，土越干；反之，土越湿。土的天然含水率变化范围很大，干砂的含水率接近于零，而蒙脱土的含水率可达百分之几百。
3．土的相对密度（d s）
土的固体颗粒的质量与同体积4℃时纯水的质量之比，称为土粒相对密度，无量纲，即：
式中：ρs——土粒密度，g／cm3；
ρw——纯水在4℃时的密度，g／cm3；
Vs——土的固体颗粒体积，g／cm3；
ms——固体质量。
土的相对密度主要取决于土中矿物成分，不同种类土的相对密度变化幅度不大，在有经验的地区可按经验值选用。一般土的相对密度值见表2-3。
表2-3 土的相对密度的一般数值
（二）换算指标
除了上述三个指标之外，还有其他一些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、孔隙率和饱和度等。
1．土的干密度（ρd）
土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度，可由下式表示：
式中各符号意义同前。
土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密度的施工控制指标。
2．土的饱和密度（ρsat）
当土的孔隙全部被水所充满时的密度，称为土的饱和密度，即：
式中：V——土的总体积；
Vv——孔隙体积；
ρw——密度；
ms——固体质量。
3．土的孔隙比（e）
土中孔隙体积与土颗粒体积之比称为土的孔隙比，用小数表示，即：
式中各符号意义同前。
孔隙比用来评价土的紧密程度，或从孔隙比的变化推算土的压密程度，在土力学的计算中经常用到这个指标。
4．土的孔隙率（n）
土中孔隙总体积与总体积之比称为土的孔隙率，用百分数表示，即：
5．土的饱和度（S r）
土中水的体积（V w）与孔隙体积（V v）之比称为土的饱和度，用百分数表示，即：
式中：各符号意义同前。
（三）三相比例指标的换算
土的三相比例指标之间可以互相换算，根据上述三个试验指标，可以用换算公式求得全部计算指标，也可以用某几个指标换算其他的指标。这种换算关系见表2-4。
表2-4 三相指标的换算关系
二、土的物理状态指标
土的物理状态与土的粒度成分有很大的关系，所以在此分别叙述粗颗粒土和细颗粒土的物理状态。
（一）无黏性土的密实度
无黏性土以砂土为代表叙述，用其密实度来表示。影响砂、卵石等无黏性土工程性质的主要因素是密实度。若土颗粒排列紧密，其结构就稳定、压缩变形小、强度大，是良好的天然地基。反之，密实度小，呈疏松状态时，如饱和的粉细砂，其结构常处于不稳定状态，对工程不利。因此在工程中，对于无黏性土，要求达到一定的密实度。
判断无黏性土密实度最简便的方法，是用孔隙比（e）来描述，e大，表示土中孔隙大，则土疏松。但由于颗粒的形状和级配对孔隙比有着极大的影响，而孔隙比（e）未能考虑级配的因素，因此在工程中常引入相对密实度的概念。
若将砂土处于最松散状态的孔隙比称为最大孔隙比（e max），砂土处于最紧密状态时的孔隙比称为最小孔隙比（e min）。而当土粒粒径较均匀时，差值较小；当土粒粒径不均匀时，其差值较大。因此，利用砂土的最大、最小孔隙比与所处状态的天然孔隙比（e）进行比较，能综合地反映土粒级配、土粒形状和结构等因素。该指标称为相对密实度（Dr），Dr一般用百分数表示，即：
显然，当D r＝0，即e max＝e时，表示砂土处于最松散状态；当Dr＝1，即e＝e min时，表示砂土处于最紧密状态。因此，根据Dr值，可把砂土的密实度分为下列三种，见表2-5。
表2-5 砂土密实度划分标准
相对密实度试验适用于透水性良好的无黏性土，如纯砂、纯砾等。试验时，一般可采用松散器法，测定最大孔隙比（e max），采用振击法测定最小孔隙比（e min）。相对密实度对于土工构筑物和地基的稳定性，特别是在抗震稳定性方面具有重要的意义。但由于天然状态下，砂土的孔隙比（e）难以测定，尤其是位于地表下一定深度的砂层测定更为困难，此外按规范方法室内测定时人为误差也较大，因此，我国现行的《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）采用标准贯入试验的锤击数（N）来评价砂类土的密实度，这是一个行之有效的方法，根据N，可将砂土密实度分为松散、稍密、中密与密实四种，其划分标准见表2-6。
表2-6 砂土密实度的划分
（二）黏性土的物理及化学性质
所谓黏性土，就是指具有可塑状态性质的土。它们在外力的作用下，可塑成任何形状而不开裂，当外力去掉后，可保持原形状不变，土的这种性质称为可塑性。含水率对黏性土的工程性质有着极大的影响。随着黏性土含水率的增大，土变成泥浆——呈黏滞性流动的液体。当施加剪力时，泥浆将连续变形，土的抗剪强度极低。而当含水率逐渐降低到某一值，土会显示出一定的抗剪强度，并具有可塑性，这些特征与液体完全不同。当含水率继续降低时，土能承受较大的剪切应力，在外力作用下不再具有可塑性，而呈现具有脆性的固体特征。
1．黏性土的界限含水率
黏性土从一种状态转变为另一种状态的分界含水率称为界限含水率。土由可塑状态变化到流动状态的界限含水率称为液限（或流限），用ωL表示；土由半固态变化到可塑状态的界限含水率称为塑限，用ωP表示；土由半固体状态不断蒸发水分，体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时，土的界限含水率称为缩限，用ωs表示。界限含水率首先由瑞典科学家阿特堡提出，故这些界限含水率又称为阿特堡界限。
我国目前采用锥式液限仪来测定黏性土的液限。测定者将调成浓糊状的试样装满盛土杯，刮平杯口面，如76g重圆锥体在自重作用下徐徐沉入试样，若经过15s，深度恰好为10mm时，该试样的含水率即为液限值。
在欧美等国家大都采用碟式液限仪测定液限。测定者将浓糊状试样装入碟内，刮平表面，用切槽器在土中划一条槽，槽底宽2mm，然后将碟子抬高10mm，自由下落撞击在硬橡皮垫板上，连续下落25次后，若土槽合拢长度刚好为13mm，该试样的含水率就是液限。
塑限多用搓条法测定。测定者把塑性状态的土重塑均匀后，用手掌在毛玻璃板上把土团搓成小土条，搓滚过程中，水分渐渐蒸发，若土条刚好搓至直径为3mm时，产生裂缝并开始断裂，此时土条的含水率即为塑限。
由于上述方法采用人工操作，人为因素影响较大，测试成果不稳定，因此，多年来许多单位都在探索一些新的方法，如液限塑限联合测定法，详见国标《土工试验方法标准》（GBJ 123—88）。
2．黏性土的塑性指数和液性指数
液限与塑限的差值被定义为塑性指数（I P），即：
I P＝ωL-ωP （2-14）
塑性指数习惯上用不带“%”的百分数表示。从式（2-14）可见，塑性指数正好是土处于可塑状态的上限和下限含水率之差。该值越大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的黏性或亲水矿物（如蒙脱石）含量愈高，土处在可塑状态的含水率变化范围就愈大。也就是说，塑性指数综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响，因此，塑性指数作为工程上对黏性土进行分类的依据。
虽然土的天然含水率对黏性土的状态有很大影响，但对于不同的土，即使具有相同的含水率，如果它们的塑限、液限不同，则它们所处的状态也不同。因此，还需要一个表征土的天然含水率与分界含水率之间相对关系的指标，这就是液性指数（I L），即：
液性指数一般用小数表示。由式（2-15）可见，当土的天然含水率（ω）小于ωP时，I L小于0，土体处于坚硬状态；当ω大于ωL时，I L大于1，土体处于流动状态；当ω在ω和ωL之间时，I L＝0～1，土体处于可塑状态。因此可以利用液性指数来表示黏性土所处的软硬程度。
《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）规定：黏性土根据液性指数可划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种软硬程度，其划分标准见表2-7。
表2-7 黏性土的软硬程度
尚需注意的是，稠度是由扰动土样确定的指标，土的天然结构已被破坏，所以用它来判断黏性土的软硬程度没有考虑土原有结构的影响。在含水率相同时，原状土要比扰动土坚硬。因此，用上述标准判断扰动土的软硬程度是合适的，但对原状土则偏于保守。通常当原状土的天然含水率等于液限时，原状土并不处于流塑状态，但天然结构一经扰动，原状土即呈现出流动状态。
3．黏性土的灵敏性和触变性
天然状态下的黏性土，由于地质历史作用常具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高。工程上常用灵敏性（S t）来衡量黏性土结构性对强度的影响，即：
式中：q u——原状土试样的无侧限抗压强度；
q o——重塑土试样的无侧限抗压强度。
土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。
与结构性相反的是土的触变性。饱和软黏土受到扰动后，结构产生破坏，土的强度降低，但当扰动停止后，土的强度随时间又会逐渐增强，这是土体中土颗粒、离子和水分子体系随时间而逐渐趋于新的平衡状态的缘故，也可以说土的结构逐步恢复。黏性土的结构遭受破坏，强度降低，但随着时间的发展，土体的强度恢复的胶体化学性质称为土的触变性。例如打桩时会使周围软土体的结构扰动，使黏性土的强度降低，而打桩停止后，土的强度会部分恢复。
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