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已知土的9个物理性质指标后，还需要判别土的松密和软硬，需要研究土的物理状态指标。
土的物理状态指标
无黏性土一般是指具有单粒结构的碎石土和砂土，土粒之间无黏结力，呈松散状态。影响无黏性土工程性质的主要因素是密实度。无黏性土的密实度是指碎石土和砂土的疏密程度，它与工程性质有着密切关系。若土颗粒排列紧密，其结构就稳定，压缩变形小，强度大，可作为良好的天然地基；反之，密实度小，结构疏松、不稳定，压缩变形大。工程中常用密实度判断无黏性土的工程性质。土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒的含量。
碎石土的颗粒较粗，试验时不易取得原状土样，《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）根据圆锥动力触探锤击数将碎石土按表1.5或表1.6、表1.7确定。
表1.5 碎石土的密实度按 N 63.5 分类
注：本表适用于平均粒径等于或小于50mm，且最大粒径小于100mm的碎石土。对平均粒径大于50mm或最大粒径大于100mm的碎石土，可用超型圆锥动力触探或野外观察鉴别。
表1.6 碎石土的密实度按 N 120 分类
表1.7 碎石土的密实度野外鉴别方法
圆锥动力触探是利用一定的锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，据每打入土中一定深度的锤击数或动贯入阻力判别土层的变化，确定土的工程性质，对地基土进行岩土工程评价的一种原位测试方法。国外使用的动力触探种类繁多，国内按其锤击能量划分为轻型（锤质量10kg）、重型（锤质量63.5kg）和超重型（锤质量120kg）。
圆锥动力触探的类型见表1.8。
表1.8 圆锥动力触探的类型
圆锥动力触探的优点如下：
①设备简单，坚固耐用。
②操作及测试方法容易。
③适用性广。
④快速，经济，能连续测试土层。
⑤有些动力触探，可同时取样，观察描述。
⑥经验丰富，使用广泛。
圆锥动力触探的缺点如下：
①不能采样对土进行直观描述，直观性差。
②实验误差大。
砂土通常采用相对密度来辨别，即以最大孔隙比 e max 与天然孔隙比 e 之差和最大孔隙比 e max 与最小孔隙比 e min 之差的比值 D r 表示，即
式中： D r ——砂土的相对密实度；
e max ——砂土在最疏松状态下的孔隙比，即最大孔隙比，一般用“松砂器法”测定；
e min ——砂土在最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比，一般用“振击法”测定。
根据 D r 值可把砂土的密实状态划分为密实、中密、松散3类，见表1.9。
表1.9 砂土的密实状态按 D r 值分类
续表
相对密实度是无黏性土粗粒土密实度的指标，它对土作为土工构筑物和地基的稳定性，特别是抗震稳定性方面具有重要意义。
对砂土也可用天然孔隙比 e 来评定其密实度。由于矿物成分、级配、颗粒成分等因素对砂土的密实度都有影响，并且在具体的工程中难于取得砂土原状土样，因此利用标准贯入试验、经历触探等原位测试方法来评价砂土的密实度得到了工程技术人员的广泛采用。
根据标准贯入试验的锤击数 N 把砂土的密实状态划分为密实、中密、稍密、松散4类，见表1.10。
表1.10 砂土的密实状态按标准贯入试验的锤击数 N 分类
轻型和中型动力触探，适用于一般黏性土；标准贯入试验除适用于一般黏性土外，还可适用于粉土、砂土。对粗砂、砾砂以及圆砾、卵石等碎石土类，则应采用重型动力触探。
标准贯入试验锤击数 N 值，可对粉土、砂土和黏性土的物理状态、土的强度、变形参数、地基承载力、单桩承载力、粉土和砂土的液化、成桩的可能等作出评价。
黏性土随着含水量不断增加，由固态到半固态到可塑状态到液体状态，相应的地基土的承载力逐渐下降。由此，黏性土的物理特性可以用稠度表示。稠度是指黏性土含水量不同时所表现出的物理状态，它反映了土的软硬程度或土对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质。
黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称为界限含水量，如图1.11所示；土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限，用符号 ω L 表示；土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为塑限，用符号 ω P 表示；土由半固体状态转到固态时的界限含水量称为缩限，用符号 ω s 表示。它们都以百分数表示。
图1.11 黏性土界限含水量
在实验室中，目前我国采用锥式液限仪来测定黏性土的液限 ω L ，如图1.12所示。黏性土的塑限 ω P 采用搓条法测定。
图1.12 锥式液限仪
测定塑限的搓条法存在着较大的缺点，主要是由于采用手工操作，受人为因素的影响较大，因此测试结果不稳定。近年来，许多单位都在探索一些新方法，以便取代搓条法，如以联合法测定液限和塑限，如图1.13所示。而缩限 ω s 是通过烘干箱的烘干试验测定的。
图1.13 碟式液限仪
塑性指数是指液限和塑限的差值（省去%符号），即土处在可塑状态的含水量变化范围，用符号 I P 表示，即
ω L 与 ω P 是分界含水量，都以百分数表示，而 I P 是 ω L - ω P 去掉百分数来表示。例如，某一土样， ω L = 28.5%， ω P = 13.1%，则 I P 不是15.4%，而是15.4。
塑性指数越大，土处于可塑状态的含水量范围也越大，土能吸附的结合水就越多，即土粒越细，且细颗粒（黏粒）的含量越高，则其比表面和可能的结合水含量越高， I P 也随之增大。从矿物成分来说，黏土矿物可能具有的结合水量大（其中尤以蒙脱石类为最大）， I P 也大。
在工程上常按塑性指数对黏性土进行分类。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定黏性土按塑性指数 I P 值可划分为黏土、粉质黏土，其标准为：
10 < I P ≤17 粉质黏土； I P > 17 黏土
液性指数是指黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，用符号 I L 表示。
液性指数 I L 可用来表示黏性土所处的软硬状态。黏性土根据液性指数值划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑5种软硬状态，见表1.11。
表1.11 黏性土的状态
注：当用静力触探探头阻力判定黏性土的状态时，可根据当地经验确定。
例 1.2已知某黏性土天然含水量 ω = 40%，液限 ω L = 38%，塑限 ω P = 18%，给该黏性土定名并确定其状态。
解： 塑性指数 I P = ω L - ω P = 38 - 18 = 20，因为20>17，所以该土为黏土。
液性指数
= 1.10>1，因此土的软硬状态为流塑。
土的结构形成后就获得某种强度，且结构强度随时间而增长。从地层中取出能保持原有结构及含水量的土称为原状土。土体结构受到破坏或含水量发生变化时称为扰动土。将扰动土再按原状土的密度和含水量制备成的试样，称为重塑土。黏性土的原状土无侧限抗压强度与原状土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值，称为土的灵敏度 S t ，工程上常用来衡量黏性土结构性对强度的影响，即
式中： q u ——原状土试样的无侧限抗压强度，kPa；
——重塑土试样的无侧限抗压强度，kPa。
根据灵敏度可以将黏性土分为低灵敏度（1< S t ≤2）、中灵敏度（2< S t ≤4）和高灵敏度（ S t > 4）。土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强度降低就越明显。在基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。
黏性土的结构受到扰动后，土的强度降低，但随着静置时间增加，土粒、离子、水分子之间又组成新的平衡体系，土的强度逐渐恢复，这种性质称为土的触变性。
对黏性土物理特性的研究，既是土的基本性质和基本理论问题，又具有明确的工程应用的目的。
在沉井下沉或顶管顶进过程中，为了减小施工时的阻力，在井、管壁和土体之间注入用含蒙脱石为主的膨润土制备的触变泥浆，施工时在动力作用下泥浆呈胶溶状态，阻力很小。但施工结束以后由于强度的触变恢复，使沉井或顶管与土之间的摩阻力得到恢复，保证了结构的稳定性。
北方路基的冻胀和翻浆是道路工程的严重病害，冻胀的原因是冻结时土中水分向冻结区迁移和集聚。由于结合水的过冷现象，即使地温在零度以下，结合水仍然处于液体状态，成为水分向冰晶体补充的通道。冰晶体附近的结合水膜因失水而使离子浓度增大，与未冻结区的结合水膜中原来的离子浓度构成浓度差，浓度差形成的渗附压力驱使水化离子从离子浓度低处向高处渗流，源源不断地从未冻结区向冻结区补充水分。只要地下水位比较高且从地下水面至冻结区之间存在毛细通道，便具备了冻胀的地质条件，负温持续的时间越长，冻胀就越严重。对冻胀机理的正确分析为预防冻胀病害提供了理论依据和有针对性的处理方法。
在工程建设中，经常遇到填土压实的问题，如修筑道路、水库、堤坝、飞机场、运动场、挡土墙，埋设管道，建筑物地基的回填等。为了提高填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩性，通常用分层压实的办法来处理地基。
土的压实性是指土在反复冲击荷载作用下能被压密的特性。土压实的实质是将水包裹的土料挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的孔隙率减少，密实度提高。同一种土，干密度越大，孔隙比越小，土越密实。研究土的压实性是通过在实验室或现场进行击实试验，以获得土的最大干密度与对应的最优含水量的关系，以含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制一条含水量与干密度曲线（ ω-ρ ），即击实曲线，如图1.14所示。
图1.14 含水量与干密度关系曲线
击实曲线具有以下特点：
①峰值。土的干密度与含水量的关系（击实曲线）出现干密度峰值 ρ dmax ，对应该峰值的含水量为最优含水量 ω op 。
②饱和曲线是一条随含水量增大干密度下降的曲线。实际的压实曲线在饱和曲线的左侧，两条曲线不会相交。
③击实曲线位于理论饱和曲线左侧。理论饱和曲线假定土中空气全部被排除，空隙完全被水占据，而实际上不可能做到。
④击实曲线在峰值以右逐渐接近于饱和曲线，且大致与饱和曲线平行；在峰值以左，击实曲线和饱和曲线差别很大，随着含水量的减小，干密度迅速减小。
影响击实的因素很多，比较重要的因素有土的性质、含水量和压实功。
当釆用压实机械对土进行碾压时，土颗粒彼此挤紧，孔隙减小，顺序重新排列，形成新的密实体，粗粒土之间摩擦和咬合增强，细粒土之间的分子引力增大，从而土的强度和稳定性都得以提高。
在同一压实功作用下，含粗粒越多的土，其最大干重度越大，而最佳含水量越小，即随着粗粒土的增多，击实曲线的峰点越向左上方移动。土的颗粒级配对压实效果也有影响。颗粒级配越均匀，压实曲线的峰值范围就越宽广而平缓。对黏性土，压实效果与其中的黏土矿物成分含量有关。添加木质素和铁基材料可改善土的压实效果。
含水量的大小对击实效果的影响显著。随着含水量增大，土的击实干密度增大，至最优含水量时，干密度达到最大值。当含水量超过最优含水量后，水所占据的体积增大，限制了颗粒的进一步接近，含水量越大，水占据的体积越大，颗粒能够占据的体积越小，干密度逐渐变小。含水量改变了土中颗粒间的作用力，并改变了土的结构与状态，在一定的击实功下，改变击实效果。
试验统计证明：最优含水量 ω op 与土的塑限 ω P 有关，大致为 ω op = ω P + 2%。土中黏土矿物含量越大，则最优含水量越大。
夯击的击实功与夯锤的质量、落高、夯击次数以及被夯击土的厚度等有关；碾压的压实功则与碾压机具的质量、接触面积、碾压遍数以及土层的厚度等有关。
对同一种土，用不同的功击实，得到的击实曲线如图1.15所示。曲线表明，在不同的击实功下，曲线的形状不变，但最大干密度的位置却随着击实功的增大而增大，并向左上方移动。也就是说，当击实功增大时，最优含水量减小，相应最大干密度增大。在工程实践中土的含水量较小时，应选用击实功较大的机具，才能把土压实至最大干密度。
图1.15 击实功对击实曲线的影响
含水量比最优含水量偏高或偏低，填土的性质各有优缺点，在设计土料时要根据对填土提出的要求和当地土料的天然含水量，选定合适的含水量。工程上常釆用压实度 D c 作为衡量填土达到的压密标准，其表达式为
压实度 D c 一般为0~1， D c 值越大压实质量越高，反之则差，但 D c > 1时实际压实功超过标准击实功。工程等级越高要求压实度越大，反之可以略小。大型或重点工程要求压实度都在95%以上，小型堤防工程通常要求80%以上。在填方碾压过程中，如果压实度 D c 要求很高，当碾压机具多遍碾压后，压实度 D c 的增长十分缓慢或达不到要求的压实度，这时切不可盲目增加碾压遍数，使得碾压成本增大、施工时间延长，而且很可能造成土体的剪切破坏，降低干密度，应该认真检查土的含水量是否符合设计要求，否则就是由于使用的碾压机是单遍压实功过小而达不到设计要求，只能更换压实功更大的碾压机械才能达到目的。
我国土石坝设计规范中规定，1级、2级坝和高坝的压实度不小于98%~100%，3级及其以下的坝（高坝除外）压实度应不小于96%~98%。太低得不到好的压密效果。实践经验表明，细粒土可以采用击实试验得到的最优含水量 ω op 进行控制。粗粒土的压实标准，一般用相对密实度 D r 来控制。