1.1 土的组成
1.1.1 土中固体颗粒
土中固体颗粒即为土的固相，其大小、形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。
1.土的颗粒级配
土的颗粒大小称为粒度，通常用粒径表示。工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，各粒组随着分界尺寸的不同呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。表1.1为国内常用的土粒粒组界限划分标准及各粒组的主要特征。表中根据《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007），以界限粒径200mm、60mm、2mm、0.075mm、0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、砾粒、砂粒、粉粒和黏粒。
为了表示天然土体中土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。
确定各粒组相对含量的方法称为颗粒分析试验，有筛分法、密度计法和移液管法。筛分法适用于粒径小于等于60mm、大于0.075mm的粗粒组，密度计法和移液管法适用于粒径小于0.075mm的细粒组。当土中粗细兼有时，则可联合使用筛分法和密度计法或筛分法和移液管法。
筛分法试验是将事先称过质量的风干、分散的代表性土样通过一套从上至下孔径逐渐减小的标准筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算占总土粒质量的百分数。
密度计法和移液管法都属于沉降分析法，适用于粒径小于0.075mm的试样，此类方法根据球状细颗粒在水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比的原理，把颗粒按其在水中的下沉速度进行粗细分组。在实验室内具体操作时，是利用比重计或移液管法测定不同时间土粒和水混合悬液的密度，据此计算出某一粒径土粒占总土粒质量的百分数。
根据颗粒分析试验结果，可绘制如图1.1所示的颗粒级配曲线，由颗粒级配曲线可求得各粒组的相对含量。图中纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比，横坐标表示土粒的粒径，以mm表示。由于土体中所含粒组的粒径往往相差很大，而细粒土的含量对土的性质影响显著，因此，为了清楚表示细粒土含量，通常将粒径的坐标取为对数坐标。
表1.1 土粒粒组的划分
图1.1 颗粒级配曲线
图1.1中级配曲线的坡度和曲率是判断土的级配状况的重要依据。如曲线平缓、分布宽，表示土粒大小不均，级配良好；反之则表示颗粒粒径相差不大，粒径较均匀，级配不良。
为了定量反映土的不均匀性，工程上常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来描述颗粒级配情况，其计算式为
式中：d60、d10、d30分别为土中小于该粒径的土的质量占总土粒质量的60%、10%、30%，d60为限制粒径，d10为有效粒径。
不均匀系数Cu反映不同粒组的分布情况。对于级配连续的土，Cu越大，表示土粒越不均匀。工程上把Cu<5的土视为级配不良的土；Cu>10的土视为级配良好的土。
曲率系数Cc反映级配曲线的整体形状。对于级配不连续的土，采用单一指标Cu不能准确判定土的级配情况，需参考曲率系数值。一般认为，砾类土或砂类土同时满足Cu≥5和Cc=1～3两个条件时，定名为级配良好砾（砂）。
级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙可以被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好。
2.土粒的矿物成分
土中固体颗粒的矿物成分包括矿物质和少量有机质。
土粒的矿物成分取决于母岩的矿物成分及风化作用，可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物颗粒由原岩经物理风化形成，其成分与母岩相同，常见的有石英、长石和云母等。这种矿物成分的物理化学性质较稳定，由其组成的粗粒土具有无黏性、透水性较大、压缩性较低的特征。
次生矿物是岩石经化学风化后所形成的新矿物，其成分与母岩不相同。土中的次生矿物主要是黏土矿物，如高岭石、伊利石和蒙脱石等。次生矿物性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀，是细粒土具有塑性特征的主要因素之一，对土的工程性质有很大影响。
土中有机质一般是混合物，与组成土粒的其他成分结合在一起，根据其分解程度可分为未分解的动植物残骸、半分解的泥炭和完全分解的腐殖质。有机质的多少和存在方式对土的工程性质有明显影响。
1.1.2 土中水
土中水即为土的液相，可以处于液态、固态或气态。土中水的含量及性质对土（尤其是黏性土）的工程性质有着明显的影响。
土中水除了一部分以结晶水的形式紧紧吸附于固体颗粒的晶格内部外，存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。
1.结合水
结合水是指受电分子引力吸附于土粒表面呈薄膜状的水。根据受电场作用力的大小及离颗粒表面的远近，结合水又可以进一步分为强结合水和弱结合水两类，如图1.2所示。
图1.2 结合水示意图
（a）极化子的水分子；（b）土粒表面引力分布
（1）强结合水。指紧靠颗粒表面的结合水，受表面引力作用定向排列，性质接近于固体，不服从静水力学规律。冰点可降至-78℃，密度约为1.2～2.4g/cm3，只有吸热变成蒸汽（温度一般达105℃以上）时才能移动。
（2）弱结合水。指强结合水以外、电场作用范围以内的水，亦称薄膜水。弱结合水也受颗粒表面电荷所吸引成定向排列于颗粒四周，但电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱。弱结合水是一种黏滞水膜，不受重力作用，也不能传递静水压力，但较厚的弱结合水能向临近较薄的水膜缓慢转移。弱结合水的存在及水膜的厚度是黏性土在某一含水率（量）范围内表现出可塑性的根本原因。
2.自由水
自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水无异，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。自由水按其所受控制力的不同，又可分为毛细水和重力水。
（1）毛细水。毛细水是存在于地下水位以上的自由水。土体内部间相互贯通的孔隙，可以看成是许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管，在水气交界面处弯液面上产生的表面张力作用下，土中自由水从地下水位通过毛细管逐渐上升，形成高度为hc的毛细水，如图1.3（a）所示，并根据其与地下水面是否联系可分为毛细上升水和毛细悬挂水。所以毛细水主要受表面张力的支配，上升高度和速度取决于土的孔隙大小和形状、颗粒尺寸和水的表面张力等，可用试验方法或经验公式确定。一般说来，粒径大于2mm的颗粒可不考虑毛细现象；极细小的孔隙中，土粒周围有可能被结合水充满，亦无毛细现象。
土中由毛细管作用上升的水柱hc的重力经弯液面传递，形成使相邻土粒挤紧的毛细压力 ［图1.3（b）］。若以大气压力作为基准面，这种水对骨架产生的毛细压力就会按静水压力的规律，呈-γwhc到0的倒三角分布［图1.3（a）］。毛细管压力pc=-γwhc被称为负孔隙水压力（即孔隙水吸力），可使无黏性土表现出一定的黏聚力，使湿砂具有一定的可塑性。通常将毛细管压力所形成的无黏性土粒间的联结力称之为“似黏聚力”，当土体在完全浸没和完全干燥条件下，弯液面消失，毛细压力变为零，似黏聚力现象也随之消失。
图1.3 毛细水示意图
（2）重力水。重力水存在于地下水位以下的透水土层中，是受重力或水头压力作用的自由水。重力水对于土粒和结构物水下部分有浮力作用，在重力作用下能在土体孔隙中流动，并对所流经的土体施加动水压力。在土力学相关计算中必须考虑重力水的浮力及渗流作用。
1.1.3 土中气
土中气体即为土的气相，存在于土孔隙中未被水占据的部分，可分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体两种。非封闭气体成分与空气相似，受外荷作用时易被挤出土体外，对土的性质影响不大。封闭气体一般以封闭气泡的形式存在于细粒土中，在外力作用下可被压缩或溶解于水中，不能逸出，压力减小时又能有所复原，可使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时。