土的三相系指土是由土颗粒（固相）、土中水（液相）和土中气（气相）组成的。土的三相组成物质的差异、结构构造不同及形成年代不同等因素必然影响土的工程性状，并在土的含水量、重度、软硬程度、孔隙比、强度、承载能力方面有所反映。下面分别介绍土的三相关系。

1）土的固相

土的固相指的是土中固体颗粒的大小及所构成的骨架，土骨架可以传递有效应力。有效应力σ′=上覆土层的总应力σ-孔隙水压力u。土的固相由各种大小不同的矿物颗粒组成，所以有必要对土颗粒分组。

（1）粒组的划分及特征

粒径（或粒度）：土颗粒直径的大小（单位：mm），可通过筛分时的筛孔孔径和水中下沉的当量球体的直径来确定。

粒组：粒径处于一定范围内的土粒组。

土的粒度成分（或称土的颗粒级配）：土中各粒组颗粒的质量分数。颗粒级配良好表示土颗粒大小不均匀。

土的粒径由大到小逐渐变化时，土的工程性质也相应地发生变化。因此，在工程上粒组的划分在于使同一粒组土粒的工程性质相近，而与相邻粒组土粒的性质有明显差别。土粒粒组的划分见表7.2。

表7.2　土粒粒组的划分

从表7.2可以看到，粒组特征如下：

①土颗粒愈细小，与水的作用愈强烈。毛细作用由无到毛细上升高度逐渐增大。

②土颗粒越大，透水性越好。

③黏性土由于结合水与双电层的作用，颗粒越细越易吸水膨胀，具有可塑性和流变性，但黏土基本不透水。

（2）颗粒分析试验

土的颗粒级配需通过土的颗粒大小筛分实验来测定。对于粒径大于0.075mm粗颗粒用筛分法测定粒组的土质量。试验时将风干、分散的代表性土样通过一套孔径不同的标准筛（例如20，2，0.5，0.25，0.1，0.075mm）进行分选，分别用天平称重即可确定各粒组颗粒的相对含量。粒径小于0.075mm的颗粒难以筛分，可用比重计法或移液管法进行粒组相对含量测定。实际上，小土颗粒多为片状或针状，因此粒径并不是这类土粒的实际尺寸，而是它们的水力当量直径（与实际土粒在液体中有相同沉降速度的理想球体的直径）。

颗粒级配曲线法是一种最常用的颗粒分析试验结果的表示方法，它表示土中小于某粒径的颗粒质量占土的总质量百分率与土粒粒径的变化关系。其横坐标表示土粒粒径，采用对数坐标；纵坐标表示小于某粒径颗粒的质量分数。筛分试验所得曲线称为颗粒级配曲线或颗粒级配累积曲线，如图7.8所示。从级配曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况，如果颗粒级配曲线陡峻（曲线C），表示土粒大小均匀，级配不好；反之，曲线平缓（曲线B），则表示土粒大小不均匀，级配良好。

有效粒径d10指小于某粒径的土粒的质量分数为10%时相对应的粒径指标。d10之所以被称为有效粒径，是因为它是土中有代表性的粒径，对分析评定土的某些工程性质有一定意义，例如碎石土、砂土等粗粒土的透水性与由有效粒径的土粒构成的均匀土的透水性大致相同，因而可由d10估算土的渗透系数及预测机械潜蚀的可能性等。平均粒径d50指小于某粒径的土粒的质量分数为50%时相对应的粒径指标。限定粒径d60指小于某粒径的土粒的质量分数为60%时相对应的粒径指标。d60与d10之比值反映颗粒级配的不均匀程度，所以称为不均匀系数Cu：

图7.8　土的颗粒级配曲线

Cu愈大，土粒愈不均匀（颗粒级配累积曲线愈平缓），作为填方工程的土料时，则比较容易获得较小的孔隙比（较大的密实度）。工程上把Cu<5的土看作是均匀的，Cu>10的土则是不均匀的，即级配良好的。

除不均匀系数（Cu）外，还可用曲率系数（Cc）来说明累积曲线的弯曲情况，从而分析评述土粒度成分的组合特征：(www.daowen.com)

式中　d10，d60的意义同上，d30为相应累积粒径的质量分数为30%的粒径值。

　　　Cc值为1～3的土级配较好。Cc值小于1或大于3的土，累积曲线都明显弯曲（凹面朝下或朝上）而呈阶梯状，粒度成分不连续，主要由大颗粒和小颗粒组成，缺少中间颗粒。

2）土的液相

土的液相是指存在于土孔隙中的水。通常认为水是中性的，在零度以下时冻结，但实际上土中的水是一种成分非常复杂的电解质水溶液，它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。土中水溶液与土颗粒表面及气体有着复杂的相互作用，其作用程度不同，则形成不同性质的土中水，可将土中水分为结合水和非结合水两大类。

（1）结合水

结合水是指受分子引力、静电引力吸附于土粒表面的土中水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。结合水又可分为强结合水和弱结合水。

①强结合水（吸着水）：强结合水也称吸着水，是牢固地被土粒表面吸附的一层极薄的水层。强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其相对密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。由于受土粒表面的强大引力作用，吸着水紧紧地吸附于土粒表面，失去自由活动能力，整齐地排列起来。强结合水厚度很小，一般只有几个水分子层。它的特征是，没有溶解能力，不能传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动，具有极大的黏滞度、弹性和抗剪强度。

②弱结合水（薄膜水）：弱结合水是距离土粒表面稍远的水分子，受到土粒的吸引力较弱，有部分活动能力，排列疏松不整齐。弱结合水厚度比强结合水大得多，且变化大，是整个结合水膜的主体，它仍然不能传递静水压力，没有溶解能力，冰点低于0℃。但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜缓慢转移。当土中含有较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土比表面较小，几乎不具可塑性，而黏性土的比表面较大，其可塑性就大。

弱结合水离土粒表面愈远，其受到的静电引力愈小，并逐渐过渡到非结合水。

③土粒表面的双电层结构：双电层结构的第一层是指最靠近土粒表面处，静电引力最强，把水化离子和水分子牢固地吸附在颗粒表面形成的固定层。土粒周围水溶液中的阳离子和水分子，一方面受到土粒所形成电场的静电引力作用，另一方面又受到布朗运动（热运动）的扩散力作用。

双电层结构的第二层是指在固定层外围，静电引力比较小，因此水化离子和水分子的活动性比在固定层中大而形成的扩散层。

固定层和扩散层中所含的阳离子与土粒表面负电荷一起构成双电层（见图7.9）。弱结合水则相当于扩散层中的水。

图7.9　土粒表面双电层、结合水及其所受静电引力变化示意图

从上述双电层的概念可知，反离子层中的结合水分子和交换离子，愈靠近土粒表面，则排列得愈紧密和整齐，即靠近土体表面的强结合水活动性也愈小。因此蒙脱石类黏性土与水作用最强烈，伊利石类次之，高岭石类相对不是很活跃。

（2）非结合水

非结合水为土粒孔隙中超出土粒表面静电引力作用范围的一般液态水。主要受重力作用控制，能传递静水压力和溶解盐分，在温度0℃左右冻结成冰。液态非结合水包括毛细水和重力水。

①毛细水：毛细水是由于毛细作用保持在地下水位附近土的毛细孔隙中的地下水。它分布在结合水的外围，有极微弱的抗剪强度，能传递静水压力，在外力较小的情况下就可以发生显著的流动。毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细水上升接近建筑物基础底面时，毛细压力将作为基底附加压力的增值，而增大建筑物的沉降；毛细水上升接近或浸没基础时，在寒冷地区将加剧冻胀作用；毛细水浸润基础或管道时，水中盐分对混凝土和金属材料常具有腐蚀作用。

②重力水：重力水是存在于较粗大孔隙中，具有自由活动能力，在重力作用下流动的水，为普通液态水。重力水流动时，产生动水压力，能冲刷带走土中的细小土粒，这种作用称为机械潜蚀作用。重力水还能溶滤土中的水溶盐，这种作用称为化学潜蚀作用。两种潜蚀作用都将使土的孔隙增大，增大压缩性，降低抗剪强度。同时，地下水面以下饱水的土重及工程结构的重量，因受重力水浮力作用，将相对减小。

3）土的气相

土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括土中与大气连通的气体和土中密闭的气体两类。与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；但是密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。密闭气体很难从土中排除，对土的性质影响较大，使土不易压密、弹性变形量增加等。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。