1.3 土的物理状态指标

土的物理状态指标与土的物理性质指标不同，为进一步研究土的松散和软硬，按两大类进行阐述。

1.3.1 无黏性（砂）土的物理状态指标

无黏性土一般是指碎石（类）土和砂（类）土。这两类土中一般黏粒含量很少，呈单粒结构，不具有可塑性。无黏性土的物理性质主要取决于土的密实程度。若呈密实状态时，强度大，是良好的天然地基；反之，呈疏松状态时，则是软弱地基，特别是饱和的粉细砂，其结构常处于不稳定状态，在振动荷载作用下可能发生液化，对工程不利。因此，对于无黏性土，要求达到一定的密实度。

对无黏性土而言，土的密实度对其工程性质影响很大。无黏性土密实程度愈大，土的强度愈高，压缩性愈小，其工程特性就愈好；而无黏性土愈疏松则强度愈低，压缩性愈大，其工程特性就愈差。描述无黏性土的密实程度的指标有干密度、孔隙比等，但是对不同的无黏性土来说难以定出通用的统一的指标。孔隙比虽然在一定程度上能反映无黏性土的密实程度，但孔隙比的变化范围受到土粒的大小、形状和级配的影响很大。因此，即使两种无黏性土具备相同的孔隙比也未必表明它们就处于同样的状态。所以，目前工程上常用相对密实度Dr来衡量无黏性土的密实松紧程度，它是以该无黏性土自身最疏松和最密实两种极限状态作为判断的基准，其表达式为

式中：Dr为相对密实度；emax为无黏性土最疏松状态时的孔隙比，由其最小干密度换算；emin为无黏性土最密状态时的孔隙比，由其最大干密度换算；e0为无黏性土的天然孔隙比或填筑孔隙比。

按照式（1.43）可得相对密实度的实用表达式：

式中：ρdmax为无黏性土的最大干密度；ρdmin为无黏性土的最小干密度；ρd为无黏性土的天然干密度或填筑干密度。

由相对密实度定义工时控制，当Dr=1时，e=emin，表示无黏性土处于最密实状态，当Dr=0时，e=emax，表示无黏性土处于最疏松状态。工程中，用相对密实度Dr来划分无黏性土的状态。

【例1.2】从某天然砂土中取得试样通过试验测得其含水率ω=11%，天然密度ρ=1.7g/cm3，最小干密度为1.41g/cm3，最大干密度为1.75g/cm3，判断该砂土的密实程度。

【解】已知ρ=1.7g/cm3，ω=11%按式（1.21）可以计算出砂土的天然干密度为

再由ρdmin=1.41g/cm3，ρdmax=1.75g/cm3，将其带入式（1.44）可得

由于，所以该砂土层处于中密状态。

1.3.2 黏性土的物理状态指标

黏性土是具有可塑性状态性质的土，它们在外力状态下，可以塑成任何形状而不产生裂缝，当外力去掉后，仍然保持原形状态不变，这种性质叫作可塑性。黏性土的矿物含量高，颗粒细小，颗粒表面存在结合水膜，且结合水膜的厚度随着土中的含水量变化而改变。因此反映黏性土的物理状态指标不是密实度，而是软硬程度（或称为稠度）。同一种黏性土随其含水量的不同，而处于固态、半固态、可塑状态及流动状态，即黏性土由于含水量变化而表现出的稀稠程度这种性质称为黏性土的稠度，如图1.19所示为一种黏性土的稠度状态。

图1.19 黏性土的稠度状态

（a）固态或半固态；（b）可塑状态；（c）流动状态

1.黏性土的界限含水量

黏性土从一种状态转变到另一种状态的分界含水量称为界限含水量，又称为阿特堡（Atterberg）界限。黏性土由可塑性状态过渡到流动状态的界限含水量，称为液限，用ωL表示；由半固态变化为可塑状态的极限含水量称为塑限，用ωp表示；由半固态不断蒸发水分，体积不断缩小，直到体积不再缩小时的界限含水量称为缩限，用ωs表示。

我国常常用锥式液限仪来测定黏性土的液限ωL，如图1.20所示。它是将调成均匀的农糊状试样装满土杯中（盛土杯置于底座上），刮平杯口表面，然后将76g重圆锥体（含平衡球，锥角30°）轻放在试样的中心，使其在自重作用下沉入试样，若圆锥体恰好沉入深度为17mm，这时杯中土样的含水量就是液限ωL。

美国、日本等国家使用碟式液限仪来测定黏性土的液限ωL，如图1.21所示。它是将调匀的浓糊状试样装入圆碟内，刮平表面，使试样中心厚度为10mm，用切槽器在土中刮出一条底宽2mm的槽，然后将碟子抬高10mm，使之自由下落，连续25次后，如土槽合拢长度为13mm，这时碟中土样的含水量就是液限ωL。

图1.20 锥式液限仪

图1.21 碟式液限仪

黏性土的塑限ωP采用“搓条法”测定。把塑性状态的土搅拌均匀，用双手搓成小圆球（球径小于10mm）放在毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚呈小土条，若土条搓到直径为3mm时恰好开始断裂，这时断裂的含水量就是塑限ωp。搓条法受人为因素影响较大，测定成果不稳定，为此可以利用锥式液限仪联合测定液、塑限，取代搓条法。

图1.22 光电液塑限联合测定仪

图1.23 圆锥入土深度与含水量的关系曲线

联合测定法是采用锥式液限仪（如图1.22所示）以电磁放锥，利用光电方法测读锥如图中的深度。试验是，一般对三个不同含水量的试样进行测试，以含水量为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数坐标纸上做出各次锥入深度即相应的含水量的关系曲线（大量试验表明其接近于一条直线，如图1.23所示），则对应与圆锥体入土深度为10mm即2mm时的土样的含水率分别为该黏性土的液限和塑限。

2.黏性土的指数和液性指数

（1）塑性指数。黏性土的液限与塑限的差值（省去%符号），称为塑性指数，用Ip表示，即

塑性指数表示黏性土处在可塑状态的含水量的变化范围，习惯上用不带百分数的数值来表示。显然，塑性指数愈大，说明可塑状态的含水量变化范围愈大，即塑性指数的大小与土中的结合水的可能含量有关。从土颗粒来说，土颗粒愈细，表面积愈大，结合水含量愈高，也Ip愈大。从矿物成分来讲，黏土矿物（如蒙脱石）含量愈高，水化作用与剧烈，结合水含量就愈高，则Ip愈大。从土中的阳离子成分和浓度来说，当水中高价阳离子的浓度增加时，土粒表面吸附的反离子层中的阳离子数量减少，双电层变薄，结合水含量相应减少，则Ip就小。在一定程度上，塑性指数综合反映黏性土基本特征。因此，在工程中常采用塑性指数对黏性土进行分类。

（2）液性指数。液性指数是指黏性土的天然含水量和液限的差值与塑限指数之比，表示黏性土的天然含水量与界限含水量之间的相对关系，用IL表示，即

由式（1.46）可见，当土的天然含水量ω小于ωp时，IL小于0，土体处于坚硬状态；当ω大于ωp时，IL大于1，土体处于流动状态；当ω在ωp和ωL之间时，IL介于0～1之间，土体处于可塑状态。因此，可以利用IL来划分黏性土所处的软硬状态，表1.6给出了《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的标准划分的黏性土。

应该注意的是，液限和塑限都是采用重塑土样测定的，土的天然结构已被破坏，所以用IL来判断黏性土的软硬程度，没有考虑土原有的结构的影响。在含水量相同时，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量等于液限时，原状土并不处于流塑状态，但天然结构一经扰动，土即呈现出流动状态。

3.黏性土的灵敏度和触变性

（1）黏性土的灵敏度。土体保持天然状态，其结构没有被扰动的土称为原状土。天然结构被破坏后的土称为扰动土。在土的密度和含水量不变的条件下，原状土的无侧限抗压强度qu与重塑土的无侧限抗压强度q′u的比值，称为灵敏度，用St表示，即

灵敏度反映了由于重塑而被破坏土的原状结构时，土的强度降低的程度，是反映黏性土的结构性强弱的特征指标。根据灵敏度数值大小将饱和黏性土分为低灵敏（1.0<St≤2.0）、中灵敏（2.0<St≤4.0）和高灵敏（St>4.0）三类。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多。因此，在基础施工中，应注意保护基槽，尽量减少对地基土结构的扰动。

（2）触变性。饱和黏性土的结构受到扰动，导致强度降低，当停止扰动之后，土的强度有随着上将而逐渐恢复，这种性质称为土的触变性。土的触变性是由于土颗粒、离子和水分子体系随时间而逐渐趋于新的平衡状态的原因。也就是说土的结构逐步恢复而导致强度的恢复。例如，在黏性土中打桩时，桩侧土的结构受到破坏而强度降低，但在停止打桩以后，土的强度逐渐恢复，桩的承载力逐渐增加。

【例1.3】从某地基中取原状样，测得土的液限为45%，塑限为15%，天然含水量为38%，试判别该地基处于何种状态？

【解】已知ωL=45%，ωp=15%，ω=38%，则由式（1.46）得

由此判定该地基处于可塑状态。