1.4 土的物理状态指标
土的物理状态指标可以间接描述土体的承载能力，对于黏性土是指土体的软硬程度，也称为黏性土的稠度，对于无黏性土则是指土体的密实程度。
1.4.1 黏性土的稠度
1.黏性土的界限含水率
黏性土的稠度可定义为土对于受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力。如图1.11所示，当土中含水率很大时，土粒被自由水所隔开，表现为流动状；随着含水率的减少，土浆变稠，逐渐变成可塑的状态，这时土中水分主要为弱结合水；当含水率继续减少，土就呈现半固态；而当土中主要含强结合水时，土处于半固态或固态。土体状态的变化直接反映了土粒与水互相作用的结果。
图1.11 黏性土的稠度状态
黏性土由某一种状态过渡到另一种状态的界限含水率称为阿太堡界限（Atterberg limits），它对于黏性土的分类及工程性质判断具有重要意义。工程上常用的界限含水率有液限（liquid limit，wL）、塑限（plastic limit，wP）和缩限（shrinkage limit，wS）。液限为土从流动状态转变为可塑状态时的界限含水率，塑限为土从可塑状态转为半固状态时的界限含水率；缩限为土由半固态转为固态时的界限含水率（图1.11）。
液塑限的测定方法在我国一般采用“联合测定法”，试验仪器如图1.12（a）所示。试验时取加了不同数量纯水的代表性试样调成三组不同稠度的土膏，用电磁落锥法［图1.12（b）］分别测定圆锥在自重下沉入试样5s时的下沉深度，并按测定结果在双对数坐标纸上以含水率为横坐标，圆锥下落深度为纵坐标绘制关系线（图1.13）。根据大量试验资料，双对数坐标系中w-h应为一条直线，如图1.13所示的A线。如果由试验结果获得的三点不在一条直线时，可通过高含水率的一点与其余两点连成两条直线，然后作其平均值连线，如图1.13所示的B线。试验方法标准规定，下沉深度17mm所对应的含水率为液限，下沉深度2mm所对应的含水率为塑限。我国部分行业也取下沉深度10mm所对应的含水率为液限。
图1.12 光电式液、塑限仪（单位：mm）
（a）结构示意图；（b）圆锥仪结构
1—水平调节螺丝；2—控制开关；3—指示灯；4—零线调节螺丝；5—反光镜调节螺丝；6—屏幕；7—机壳；8—物镜调节螺丝；9—电磁装置；10—光源调节螺丝；11—光源装置；12—圆锥仪；13—升降台；14—水平泡
图1.13 圆锥下沉深度与含水率关系图
美国、日本等国家一般采用碟式液限仪测定黏性土的液限，如图1.14所示。将调成土膏状的试样装在碟内，刮平表面，做成约8mm深的土饼；然后用开槽器在土中成槽，槽底宽约2mm；将碟抬高10mm后使其自由下落，连续25次后，如土槽合拢长度为13mm，此时土样对应的含水率即为液限。塑限采用搓条法测定：在毛玻璃板上用手掌慢慢将适当湿度的小土球搓滚成土条，若土条搓到3mm时出现横向断裂，则对应的含水率就是缩限。
图1.14 碟式液限仪
碟式仪测得的液限值相当于落锥法确定的lgw-lgh线上下落深度为17mm对应的含水率。
2.黏性土的物理状态指标
（1）塑性指数。塑性指数是指液限与塑限的差值，习惯上略去百分号，记为IP，即
塑性指数表示土处在可塑状态的含水率变化范围，其值的大小取决于土颗粒吸附弱结合水的能力，亦即与土中黏粒含量有关。黏粒含量越多，土的比表面积越大，塑性指数就越高。
塑性指数是描述黏性土物理状态的重要指标之一，工程上常根据其值高低对黏性土进行分类。
（2）液性指数。液性指数是指土的天然含水率与塑限的差值与塑性指数之比，记为IL，即
液性指数表征了土的天然含水率与界限含水率之间的相对关系。当IL≤0时，w≤wP，表示土处于坚硬状态；当IL>1时，w≥wL，土处于流动状态。因此，根据IL值可以直接判定土的软硬状态，见表1.3。
表1.3 黏性土状态的划分（GB 50007—2011）
1.4.2 无黏性土的密实度
无黏性土一般指砂（类）土和碎石（类）土。天然状态下无黏性土的密实度通常指单位体积土中固体颗粒的含量，根据土颗粒含量的多少，无黏性土处于从密实到松散的不同物理状态。呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基；呈松散状态时，则是不良地基。因此，无黏性土的密实度与其工程性质有着密切关系。
以砂土为例，描述密实状态的指标可采用下述几种。
1.孔隙比e
由于砂土所具有的单粒结构，对于具有相同级配的土，孔隙比e是评价砂土密实度的有效指标，即孔隙比越大，土越松散，当孔隙比小于某一限度值时，土处于密实状态。
该评价方法的主要缺陷是不能考虑到颗粒级配这一重要因素对砂土密实状态的影响，如同一孔隙比下，对于级配不良的土体可评价为密实，而对级配良好的土体可能只能是中密或稍密。另外，由于取原状砂样和测定孔隙比存在实际困难，故在实用上也存在问题。
2.相对密度Dr
为了合理判定无黏性土所处的密实状态，在工程上提出了相对密度的概念：将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实孔隙比emin和最疏松孔隙比emax相对比。相对密度以Dr表示：
式中：e为砂土在天然状态下或某种控制状态下的孔隙比；emax为砂土在最疏松状态下的孔隙比，即最大孔隙比；emin为砂土在最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比。
当Dr=0时，e=emax，表示土处于最疏松状态。当Dr=1.0时，e=emin，表示土处于最密实状态。用相对密度Dr，判定砂土密实度的标准如下：
根据三相比例指标间的换算关系，将e=（dsρw/ρd）-1代入式（1.15），可得到以干密度表示的相对密度为
采用相对密度评价砂土的密实度在理论上是比较合理的，但在实际使用中要通过试验准确测定原状土的emax和emin（或ρdmin和ρdmax）却比较困难，而无黏性土的天然孔隙比测定的困难则已如上文所述。因此，该指标更多用于填方工程的质量控制，对于天然土的应用还有一定难度。
3.原位试验
为避免原状试样的取样困难，可按原位标准贯入试验的锤击数N划分砂土的密实度，按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5评定天然碎石土的密实度，见表1.4。
表1.4 砂土和碎石土密实度评定（GB 50007—2011）
注 1.用N值评定砂土密实度时，表中的N值为未经过修正的数值。当用静力触探探头阻力判定砂土的密实度时，可根据当地经验确定。
2.用于评定碎石土密实度的N63.5，为经综合修正后的平均值。本表适用于平均粒径小于或等于50mm且最大粒径不超过100mm的卵石、碎石、圆砾、角砾，对于平均粒径大于50mm或最大粒径大于100mm的碎石土，可按GB 50007—2011的附录B鉴别其密实度。
【例1.3】 试验测定A、B、C 3种土样的天然含水率w、液限wL及塑限wP见表1.5，试判断各土样的稠度状态。
表1.5 A、B、C 3种土样的指标
解：
A土：
B土：
C土：
【例1.4】 通过试验测定某砂土试样的天然干密度ρd=1.66g/cm3。已知砂样（V=1000cm3）处于最密实状态时的干砂质量ms1=1.76kg，处于最疏松状态时的干砂质量ms2=1.55kg。试确定相对密实度Dr，并判断该砂土所处的密实状态。
解：
砂土最大干密度
砂土最小干密度
相对密度
因为0.67>Dr>0.33，所以该砂处于中密状态。