无论哪种类型的土，都是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成的，是一个多相、分散、多孔的系统。土一般为三相体系，即固态相、液态相与气态相，有时是二相的（干燥或饱水）。三相组成物质中，固体部分（土颗粒）一般由矿物质组成，有时含有机质（腐殖质及动物残骸等），其构成土的骨架主体，是最稳定、变化最小的部分。液体部分实际上是化学溶液而不是纯水。三相之间的相互作用，固体相一般居主导地位，而且还不同程度地限制水和气体的作用。从本质上说，土的工程地质特性主要取决于土粒的大小和矿物类型，即土的颗粒级配与矿物成分，水和气体一般是通过其起作用的。当然，土中液体相部分对土的性质影响也较大，尤其是细粒土，土粒与水相互作用可形成一系列特殊的物理性质。

5.2.2.1　土的固相特征

5.2.2.1.1　土的矿物成分

土的固体相部分是由各种矿物颗粒或矿物集合体组成的，不同矿物成分其性质不同，因此由不同矿物组成的土的性质也是不同的。

土的矿物成分可分为原生矿物、次生矿物和有机质三大类。原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。原生矿物主要有石英、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石、石榴石等，其中尤以石英、长石、云母最为常见。原生矿物颗粒一般都较粗大，它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。

次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。次生矿物又可分为两种类型，一种是原生矿物中部分可溶性物质被水溶滤后带到其他地方沉淀下来所形成的可溶性次生矿物；另一种是原生矿物中的可溶部分被溶滤带走后，残留下来的部分改变了原来矿物的成分与结构，形成了新的不可溶性次生矿物。

可溶性次生矿物又叫水溶盐，按其在水中的溶解度又分为易溶盐、中溶盐和难溶盐3类。常见的易溶盐有岩盐（NaCl）、钾盐（KCl）、芒硝（Na2SO4·10H2O）和苏打（NaHCO3）等；常见的中溶盐是石膏（CaSO4·2H2O）；常见的难溶盐有方解石（CaCO3）和白云石（CaCO3·MgCO3），难溶的方解石在地壳上分布最广。当土中含水少时，这些次生矿物结晶沉淀，在土中起胶结作用，可暂时提高土的力学强度；当含水较多且盐分遇水溶解后，土的联结随之破坏，可使土的性质急剧变差。

不可溶性次生矿物有次生二氧化硅、倍半氧化物和黏土矿物。次生二氧化硅是由硅酸盐、长石等风化后形成的次生矿物，含水的二氧化硅（SiO2·nH2O）、燧石、玛瑙、蛋白石等都属于此类矿物，其颗粒细小，在水中呈凝胶状态。倍半氧化物是由三价的Fe、Al和O、OH、H2O等组成的次生矿物，用R2O3表示，最常见的矿物有红色的针铁矿（Fe2O3）、黄色的褐铁矿（Fe2O3·3H2O）、铝矾土（Al2O3·nH2O）等，大多呈胶体状，颗粒极细小，具较强的亲水性。黏土矿物是主要的次生矿物，是组成黏粒的主要矿物成分。黏土矿物是原生矿物长石及云母等硅酸盐类矿物经化学风化作用而形成。黏土矿物大多具有云母片状的结晶格架，这种层状结晶格架由硅氧四面体与铝氧八面体两个基本单位所组成。根据不同结晶格架，可形成很多种类的黏土矿物，其中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、高岭石和伊利石（或水云母）3种。它们均具有一定的亲水性、膨胀性与收缩性，其中以蒙脱石最为明显，伊利石次之，高岭石最弱。

5.2.2.1.2　土的颗粒级配

（1）粒组的划分。自然界中土的颗粒大小十分不均匀，性质各异。土颗粒大小通常以其直径大小表示，简称粒径，单位为mm；土粒并非理想的球体，通常为椭球状、针片状、棱角状等不规则形状，因此粒径只是一个相对的、近似的概念，应理解为土粒的等效粒径。土粒大小变化范围极大，大者可达数千毫米及以上，小者可小于万分之一毫米，随着粒径的变化，土粒的成分和性质也逐渐发生变化。

自然界中土一般都是由大小不等的土粒混合而组成的，也就是不同大小的土颗粒按不同的比例搭配关系构成某一类土，比例搭配（级配）不一样，则土的性质各异，因此，研究土的颗粒大小组合情况，也是研究土的工程性质一个很重要的方面。所谓土的颗粒大小组合情况在工程上就是按土颗粒（粒径）大小分组，称为粒组。每个粒组都以土粒直径的两个数值作为其上下限，并给以适当的名称。简言之，粒组就是一定的粒径区段，以mm表示。土的粒组划分方法如表5-1所示。

表5-1　土的粒组划分方案

该划分方案符合量变到质变的规律，同时，该方案与现代粒组分析技术及观察技术相适应。如粒径大于200mm的土粒可直接测其粒径大小；粒径大于2mm的土粒，用粗筛分离粒组，用肉眼观察颗粒大小与矿物成分，也可进行岩石的薄片研究；砂粒可用细筛分离粒组，用双目镜观察；粉粒与黏粒可按颗粒在静水中的沉降原理进行分离，并测定各粒组的相对含量；粉粒可用显微镜观察，黏粒常用电子显微镜观察。

（2）颗粒级配的表示方法。为了使颗粒分析成果便于利用和容易看出规律性，需要把颗粒分析资料加以整理并用较好的方法表示出来。目前，常用的方法有表格法与图解法两种。

表格法是将分析资料（各粒组的百分含量或小于某粒径的累积百分含量）填在已制好的表格内（表5-2与表5-3）。该方法可以很清楚地用数量说明各粒组的相对含量，可用于按颗粒级配给土分类命名，该法简单，内容具体，但对于大量土样之间的对比有一定的困难。

各粒组的百分含量也可换算成不大于某粒组界限的累积百分含量填在表中，如表5-2中的1号土样的累积百分含量如表5-3所示。

表5-2　颗粒分析成果表

表5-3　颗粒分析成果表

图解法有累积曲线法、分布曲线法和三角图法，目前在生产实际中应用最广泛的是累积曲线图。该方法是以土粒直径为横坐标，以粒组的累积百分含量（小于某粒径的所有土粒的百分含量）为纵坐标，在直角坐标系中所设点子的连线（光滑的曲线），累积曲线图有自然数坐标系和半对数坐标系（横坐标为对数）两种，实际中一般以半对数坐标系表示（图5-3）。

图5-3　土的累积曲线图

累积曲线图的用途很多，根据累积曲线图的形态，可以看出各粒组的分布规律，可以大致判断土的均匀程度与分选性。曲线平缓，说明土颗粒大小相差悬殊，土粒不均匀，分选性差，级配良好；曲线较徒，则说明土颗粒大小相差不多，土粒较均匀，分选性较好，级配不良。根据累积曲线图还可以确定土的有效粒径（d10）、平均粒径（d50）、限制粒径（d60与d30）和任一粒组的百分含量。有效粒径、平均粒径和限制粒径分别为非均粒土累积曲线上累积含量10%、50%、60%和30%所对应的粒径。其中，有效粒径是土的最有代表性的粒径，它大体上等于与该土透水性相同的均粒土的颗粒直径。某一粒组的百分含量等于其上限粒径所对应的百分含量减去下限粒径所对应的百分含量。(www.daowen.com)

利用土的有效粒径和限制粒径可以计算土的不均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）。不均匀系数是土的限制粒径（d60）和有效粒径（d10）的比值，即为：

Cu值越大，土粒越不均匀，累积曲线越平缓；反之，Cu值越小，则土粒越均匀，曲线越徒。工程实际中，将Cu＜5的土视为级配不良的均粒土，而Cu＞5的土称为级配良好的非均粒土。曲率系数Cc是土的限制粒径（d30）的平方与有效粒径（d10）和限制粒径（d60）乘积的比值，即为：

工程中常采用Cc值来说明累积曲线的弯曲情况或斜率是否连续，累积曲线斜率很大，即急倾斜状，表明某一粒组含量过于集中，其他粒组含量相对较少。经验表明，当级配连续时，Cc=1～3；当Cc＜1或Cc＞3时，均表示级配曲线不连续，这种土一般认为是级配不良的土。

5.2.2.2　土中的水

天然状态的土一般都含有水，水常以不同的形式和状态存在于土中，并与土粒相互作用，这是影响土的性质的主要因素。按土中水的存在形式、状态、活动性及其与土的相互作用，将土中水划分为矿物成分水、结合水、液态水、气态水、固态水等类型。

矿物成分水存在于矿物结晶格架的内部，又称矿物内部结合水。孔隙中的水即存在于土粒间孔隙中的水。液态水是距土粒表面较远的水分子，几乎不受或者完全不受土粒表面静电引力的影响，主要受重力或毛细压力作用的控制，能传递静水压力和能溶解盐分，在温度0℃左右冻结成冰。液态水可分为重力水和毛细水。

毛细水主要存在于粒径为0.002～0.5mm的毛细孔隙中，主要存在于粉细砂与粉土中。孔隙更小时，土粒间主要充满结合水，不能再有毛细水。粗大的孔隙毛细力极弱，也难以形成毛细水。毛细水对土性质的影响，主要是毛细力常使砂类土产生微弱的毛细水连结。毛细水上升至地表时不仅引起沼泽化、盐渍化，而且使地基、路基侵蚀，降低土的力学强度。

重力水存在于较大孔隙中，具有自由活动的能力，在重力作用下产生流动，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，这种作用常称为机械潜蚀作用，如管涌、流土等；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。潜蚀作用将使土的孔隙增大，增大压缩性，降低土的抗剪强度；同时，地下水面以下饱水的土，受重力水浮力作用，土粒及土的重量相对减小。

气态水以水气状态存在于土孔隙中，一般情况对土的性质影响不大，且含量相对较少。当温度降低至0℃以下时，土中水主要是重力水冻结成固态水（冰），固态水常以冰夹层、冰透镜体和细小冰晶等形式存在于土中，在土中起暂时胶结作用，提高土的力学强度，降低透水性。但冰融时，土的结构变疏松，强度降低，压缩性增大，土的性质显著恶化。

上述几种类型的水中，对土的性质影响较大的主要是弱结合水和重力水，其次是固态水。

5.2.2.3　土中的气体

土中的气体主要为空气与水气，一般与大气连通，处于动平衡状态，对土的性质影响不大。少数情况下土中存在封闭气体时对土的性质有一定的影响，主要表现在透水不畅，加固土时不易使土压实等。另外，封闭气体的突然逸出可造成意外的沉陷。总之，土中气体对土性质的影响不如固体颗粒与土孔隙中的水。

5.2.2.4　土按颗粒级配的分类

土的颗粒级配是决定土工程性质的物质组成和主要的结构标志，因此，土的颗粒级配是土分类的主要标志之一。工程上将土中粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50%的称为粗粒土，小于50%的称为细粒土，具体的分类命名各部门有所不同，如《岩土工程勘察规范》中的分类法，将粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%的称为碎石土；将粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量50%而大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50%的称为砂土，砂土由粗到细还可细分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂；将大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量50%的定为粉土或黏性土。碎石土、砂土和粉土又称为无黏性土。