任务1.2 土的物理状态的认知

土的三相比例反映着土的物理状态，如干燥或潮湿、疏松或紧密。土的物理状态对土的工程性质（如强度、压缩性）影响较大，类别不同的土所表现出的物理状态特征也不同。如无黏性土，其力学性质主要受密实程度的影响；而黏性土则主要受含水率变化的影响。因此，不同类别的土具有不同的物理状态指标，不同状态的土具有不同的工程性质。

1.2.1 无黏性土的密实状态

无黏性土是单粒结构的散粒体，它的密实状态对其工程性质影响很大。密实的砂土，结构稳定，强度较高，压缩性较小，是良好的天然地基。疏松的砂土，特别是饱和的松散粉细砂，结构常处于不稳定状态，容易产生流沙，在振动荷载作用下，可能会发生液化，对工程建筑不利。所以，常根据密实度来判定天然状态下无黏性土层的优劣。

1.2.1.1 孔隙比e判别

判别无黏性土密实度最简便的方法是用孔隙比e，孔隙比愈小，表示土愈密实，孔隙比愈大，土愈疏松。但由于颗粒的形状和级配对孔隙比的影响很大，而孔隙比没有考虑颗粒级配这一重要因素的影响，故应用时存有缺陷。

1.2.1.2 相对密实度D_r判别

为弥补孔隙比的缺陷，在工程上采取相对密实度，相对密实度D_r是将天然状态的孔隙比e与最疏松状态的孔隙比e_max和最密实状态的孔隙比e_min进行对比，作为衡量无黏性土密实度的指标，判断无黏性土的密实度，其表达式为

式中 e_max——砂土在最疏松状态时的孔隙比；

e_min——砂土在最密实状态的孔隙比；

e——砂土在天然状态下的孔隙比。

显然，D_r越大，土越密实。当D_r=0时，表示土处于最疏松状态；当D_r=1时，表示土处于最紧密状态。工程中根据相对密实度D_r，将无黏性土的密实程度划分为密实、中密和疏松三种状态，其标准如下：

密实 D_r&gt；0.67

中密 0.67≥D_r&gt；0.33

疏松 D_r≤0.33

相对密实度D_r由于考虑了颗粒级配的影响，所以在理论上是较完善的，但在测定e_max和e_min时人为因素影响很大，试验结果不稳定。

1.2.1.3 标准贯入试验锤击数N判别

对于天然土体，较普遍的做法是采用标准贯入试验锤击数N来现场判定砂土的密实度。标准贯入试验是在现场进行的原位试验。该法是用质量为63.5kg的穿心锤，以一定高度（76cm）的落距将贯入器打入土中30cm中所需要的锤击数作为判别指标，称为标准贯入锤击数N。显然，锤击数N愈大，表明土层愈密实；反之N愈小，土层愈疏松。按标准贯入锤击数N划分砂土密实度的标准如表1.2所示。

1.2.2 黏性土的稠度

1.2.2.1 黏性土的稠度状态

所谓稠度，是指黏性土在某一含水率时的稀稠程度或软硬程度，黏性土处在某种稠度时所呈现出的状态，称稠度状态，土有四种状态，即：固态、半固态、可塑状态和流动状态，土的状态不同，稠度不同，强度及变形特性也不同，土的工程性质不同。

1.2.2.2 界限含水率

所谓界限含水率是指黏性土从一个稠度状态过渡到另一个稠度状态时的分界含水率，也称稠度界限。黏性土的物理状态随其含水率的变化而有所不同，四种稠度状态之间有三个界限含水率，分别叫做缩限ω_S、塑限ω_P和液限ω_L，如图1.6所示。

（1）缩限ω_S 是指固态与半固态之间的界限含水率。当含水率小于缩限ω_S时，土体的体积不随含水率的减小而缩小。

（2）塑限ω_P是指半固态与可塑态之间的界限含水率。

（3）液限ω_L是指可塑状态与流动状态之间的界限含水率。

如图1.6所示，当土中含水率很小时，水全部为强结合水，此时土粒表面的结合水膜很薄，土颗粒靠得很近，颗粒间的结合水联结很强，因此，当土粒之间只有强结合水时，按水膜厚薄不同，土呈现为坚硬的固态或半固态；随着含水率的增加，土粒周围结合水膜加厚，结合水膜中除强结合水外还有弱结合水，此时，土处于可塑状态。土在这一状态范围内，具有可塑性，即被外力塑成任意形状而土体表面不发生裂缝或断裂，外力去掉后仍能保持其形变的特性。黏性土只有在可塑状态时，才表现出可塑性；当含水率继续增加，土中除结合水外还有自由水时，土粒多被自由水隔开，土粒间的结合水联结消失，土就处于流动状态。

1.2.3 塑性指数与液性指数

1.2.3.1 塑性指数I_P

塑性指数I_P是指液限与塑限的差值，其表达式为

塑性指数表明了黏性土处在可塑状态时含水率的变化范围，习惯上用直接去掉百分数后的数值来表示。

1.2.3.2 液性指数I_L

液性指数I_L黏性土的液性指数为天然含水率与塑限的差值和液限与塑限的差值之比，其表达式为

塑性指数它的大小与土的粘粒含量及矿物成分有关，土的塑性指数愈大，说明土中黏粒含量愈多，土处在可塑状态时含水率变化范围也就愈大，I_P值也愈大；反之，I_P值愈小。所以，塑性指数是一个能反映黏性土性质的综合性指数，工程上可采用塑性指数对黏性土进行分类和评价。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）按塑性指数大小对黏性土的分类标准为：黏土（I_P&gt；17）；粉质黏土（10&lt；I_P≤17）。

土的含水率在一定程度上可以说明土的软硬程度。只知道土的天然含水率还不能说明土所处的稠度状态，还必须把天然含水率ω与这种土的塑限ω_P和液限ω_L进行比较，才能判定天然土的稠度状态。根据土的液性指标I_L，划分黏性土的稠度状态，《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）规定的划分标准见表1.3中。

值得注意的是，黏性土的塑限与液限都是将土样扰动后测定，没有考虑土的原状结构对强度的影响，用于评价原状土的天然稠度状态，往往偏于保守。

【思考题】

黏性土的黏性用什么指标判断?怎么对细粒土进行稠度判断?

【例1.4】从某地基中取原状土样，测得土的液限ω_L=46.8%，塑限ω_P=26.7%，天然含水率ω=38.4%，问：地基土为何种土?该地基土处于什么状态?

解：由下式求塑性指数：

I_P=ω_L—ω_P=46.8—26.7=20.1

由下式求液性指数：

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002），I_P=20.1&gt；17，该土为黏土。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007），0.25＜I_L≤0.75，该土处于可塑状态。

【例1.5】某砂层的天然重度γ=18.2kN/m³，含水率ω=13%，土粒的比重G_s=2.65，最小孔隙比e_min=0.40，最大孔隙比e_max=0.85，该土层处于什么状态?

解：

（1）求土层的天然孔隙比e。

（2）求相对密度D_r。

因为0.67&gt；D_r&gt；0.33，故该砂层处于中密状态。