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地球表面30~80km厚的范围是地壳。地壳中原来整体坚硬的岩石，经风化、剥蚀、搬运、沉积，形成固体矿物、水和气体的集合体，称为土。
不同的风化作用形成不同性质的土，风化作用有下列3种：
岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度、湿度的变化，发生不均匀膨胀与收缩，产生裂隙，崩解为碎块。这种风化作用，只改变颗粒的大小与形状，不改变原来的矿物成分，即没有新矿物生成——原生矿物，称为物理风化。
由物理风化生成的土一般为粗粒土，颗粒间没有黏性，如碎石土、砾石和砂土等，这种土统称为无黏性土。
岩石的碎屑与水、氧气和二氧化碳等物质相接触时，逐渐发生化学变化，原来组成矿物的成分发生了改变，产生新的矿物——次生矿物。这类风化称为化学风化。
经化学风化生成的土为细粒土，颗粒间具有黏结力，如黏土与粉质黏土，统称为黏土。
由动物、植物和人类活动对岩体的破坏称为生物风化。例如，长在岩石缝隙中的树，因树根伸展使岩石缝隙扩展开裂。而人们开采矿山、石材，修铁路打隧道，劈山修公路等活动形成的土，其矿物成分没有变化。
在自然界中，土的物理风化与化学风化时刻都在进行，而且相互加强。这就形成了碎散的、三相的和具有强烈自然变异性的产物——土。仅根据土的堆积类型还远不足以确定土的工程特性。要进一步描述和确定土的性质，必须具体分析和研究土的三相组成，土的物理状态和土的结构，并以适当的指标表示。
土是由构成土骨架的固体颗粒以及土骨架孔隙中的水和气体三部分组成，通常称为土的三相组成（固相、液相和气相）。
同一地点的土体，它的三相组成的比例是否固定不变呢？不是。随着环境的变化，土的三相比例也发生相应的变化。例如，天气的晴雨、季节变化、温度高低以及地下水的升降等，都会引起土的三相之间的比例产生变化。
土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异。例如，固体+气体（液体= 0）为干土，此时黏土呈坚硬状态。固体+液体+气体为湿土，此时黏土多为可塑状态。固体+液体（气体= 0）为饱和土，此时松散的粉细砂或粉土遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏。黏土地基受建筑荷载作用发生沉降，有时需几十年才能稳定。
由此可知，研究土的各项工程性质，首先要从最基本的组成土的三相（即固相、液相和气相）本身开始研究。
土的固体颗粒构成土的骨架，其大小、形状、矿物成分及其粒组相对含量对土的物理力学性质起着决定性的作用。
土的矿物成分取决于母岩的成分及其所经历的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响。土中的矿物成分可分为原生矿物、次生矿物和腐殖质3类。土的固相部分包含物质矿物颗粒和有机质，主要是土粒，有时还有粒间胶结物和有机质，它们构成土的骨架。
·原生矿物
原生矿物由岩石经物理风化而成，其成分与母岩相同，化学性质比较稳定。它包括：单矿物颗粒，即一个颗粒为单一的矿物，如常见的石英、长石、云母、角闪石与辉石等，砂土即为单矿物颗粒；多矿物颗粒，即一个颗粒中包含多种矿物，如巨粒土的漂石、卵石和粗粒土的砾石，往往为多矿物颗粒。
·次生矿物
次生矿物是母岩岩屑经过化学风化改造成的新生矿物，其化学组成和构造都经过改变，主要是黏土矿物，粒径 d < 0.005mm，用电子显微镜观察为鳞片状，成分与母岩完全不同，其性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀。
常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石。蒙脱石结构单元联结较弱，亲水性最大，具有较强的吸水膨胀和失水收缩的特性。伊利石亲水性低于蒙脱石。高岭石结构单元的相互联结力较强，水分子不易进入，亲水性最小。
·腐殖质
腐殖质是已死的生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质。腐殖质呈黑褐色，它可以让空气和水进入的空隙产生植物生长发育所必需的氮、硫、钾和磷。如果土中腐殖质含量多，土的压缩性会增大。对有机质含量超过3%~5%的土应予以注明，不宜作为填筑材料。
颗粒的大小通常用粒径来表示。土粒的粒径变化时，土的性质也相应地发生变化。工程上将各种不同的土粒按粒径范围的大小分组，即某一级粒径的变化范围，称为粒组。土的各粒组的相对含量称为土的颗粒级配。土的颗粒级配是确定土（尤其是无黏性土）的工程名称和建筑材料选用的主要指标和依据。
土的颗粒级配通过土的颗粒大小分析试验来确定。实验室常用的有筛分法和沉降分析法（密度计法或移液管法）。对粒径大于0.075mm的粗颗粒土采用筛分法测定。对粒径小于0.075mm的土颗粒，其难以筛分，可以采用密度计法或移液管法来测定其颗粒级配。
常用的土的颗粒级配的表示方法有表格法、颗粒级配曲线法和三角坐标法。下面主要介绍表格法和颗粒级配曲线法。
·表格法
同一粒组的土粒一般具有相类似的性质，自然界中的土体往往不是由单一粒组的土粒所组成，而是由多种粒组的土粒混合组成。显然，土中所含各粒组的相对含量不同，所表现出来的物理力学性质也不同。表1.1是常用的土粒粒组的划分法。
表1.1 土颗粒组划分
续表
·颗粒级配曲线法
土的颗粒级配曲线法是一种方法，如图1.1所示。图中横坐标采用对数坐标，表示颗粒粒径；纵坐标表示小于某粒径的土粒质量分数。不同的土有不同的级配曲线。根据颗粒级配曲线的坡度和曲率可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良好。工程上希望得到密实度高的土，如果土的颗粒组成合理，有粗有细，则大颗粒间的孔隙可由小颗粒填充，土就容易密实；反之，颗粒比较均匀（如一筐乒乓球），孔隙比较大，就不容易得到密实的土。
图1.1 颗粒级配曲线
如果曲线平缓，则表示粒径分布范围较宽，土中颗粒大小悬殊，土粒不均匀，级配良好；如果曲线较陡，则表示粒径分布范围较窄，土颗粒大小均匀，级配不良。为了定量反映土的级配特征，在工程上常采用不均匀系数 C u 和曲率系数 C c 来定量地分析颗粒级配的不均匀程度。
不均匀系数：
曲率系数：
式中： d 10 ——粒径级配曲线上纵坐标为10%所对应的粒径，称有效粒径，mm；
d 30 ——粒径级配曲线上纵坐标为30%所对应的粒径，mm；
d 60 ——粒径级配曲线上纵坐标为60%所对应的粒径，称限定粒径，mm。
不均匀系数 C u 表示颗粒级配曲线的倾斜度，反映不同粒组的分布情况及土颗粒大小的均匀程度。 C u 越大，表示土颗粒粒径的分布范围越广，土粒越不均匀，其级配良好。作为填方工程的土料时，比较容易获得较大的密实度。工程上一般把 C u ≤5的土称为均匀土，属级配不良； C u > 10的土则称为级配良好的土。
单独用一个指标 C u 确定土的级配情况是不够的，还必须同时考虑级配曲线的整体形状。曲率系数 C c 可以反映颗粒级配曲线的平滑度。 C c 值接近1，曲线平滑，表示土中含有大小不同的土颗粒。
一般认为 C u > 10且 C c = 1~3时，为级配良好的土，其密实度高，如果作为地基土，其强度高，稳定性好，透水性和压缩性小，一般为良好地基；如果作为填方工程的建筑材料，则较易获得较大的密实度，是良好的填方用土。
在天然状态下，土孔隙中总是存在着水，土中水按其形态可分为固态水、液态水和气态水。土中细粒越多，即土的分散度越大，水对土的性质的影响也越大。研究土中水，必须考虑水的存在状态及其与土粒的相互作用。
根据土中水与土粒表面的相互作用，存在于土中的液态水可分为结合水和自由水。
·结合水
实验表明，大多数矿物颗粒，尤其是细小土粒表面都带有负电荷，在土粒周围形成静电引力场。在土粒电场范围内的水分子以及水溶液中的阳离子（如Na + ，Ca 2+ 等），一同被吸附在土粒表面。另外，由于水分子是极性分子（氢原子端显正电荷、氧原子端显负电荷），因此它受土粒电场的作用而定向排列，被紧紧吸附在土粒表面，如图1.2所示。这样在电场范围内就形成了包围土粒的极薄水膜，称为结合水。
图1.2 土粒与水分子的相互作用示意图
随着与土粒表面距离的增大，吸附力逐渐减弱，结合水膜的黏滞性变小，结合水可分为强结合水和弱结合水。
①强结合水。紧紧吸附在土粒表面的结合水称为强结合水，又称吸着水，它所受的压力可达几百兆帕。
强结合水的力学性质接近于固态，不传递静水压力，不能流动，无溶解能力，密度大（为1.2~2.4 g/cm 3 ），冰点为-78℃，具有极大的黏滞性、弹性和抗剪强度，不受重力作用，不易与土粒分离，只有温度在105℃以上时才能蒸发。当黏性土仅含强结合水时，呈固态；磨碎后，呈粉末状态。
②弱结合水。在强结合水外围的一层水膜，又称薄膜水，其厚度远比强结合水厚，具有较高的黏滞性和抗剪强度，不能传递静水压力，但能以水膜的形式从较厚处向较薄处转移。弱结合水的存在直接影响黏性土的性质。弱结合水膜越厚，土的可塑性越高、变形越大、强度越低。
·自由水
自由水是在土粒表面电场影响范围以外的水，不受土粒表面电场的引力作用。自由水能传递静水压力，有溶解能力，冰点为0℃，自由水按移动时所受作用力不同分为重力水和毛细水。
①重力水。重力水在压力差或重力作用下，在土孔隙中能自由流动，一般存在于地下水位以下的透水层中。重力水对土粒有浮力作用，在孔隙中流动时会产生动水压力。
在分析土中应力状态时，要考虑重力水对土中应力的影响；在开挖基坑和修筑地下构筑物时，应采取排水、防渗等措施，以避免重力水的不良影响。
②毛细水。受水与空气交界面处表面张力作用的自由水，就是毛细水。毛细水一般存在于地下水位以上透水层的细小孔隙中。
由于表面张力的作用，地下水沿着不规则的毛细孔上升，形成毛细上升带。毛细上升带的上升高度与孔隙的大小有关：孔隙较大，粒径大于2mm的颗粒，一般无毛细现象；极细小的孔隙，土粒周围被结合水充满，也无毛细现象；毛细现象主要发生在0.002~0.5mm的土粒孔隙中，如砂土、粉土及粉质黏土中。
在工程中，要注意毛细上升水的高度和速度，毛细水的上升对建筑物地下部分的防潮措施及地基土的浸湿和冻胀等有重要影响。毛细水上升到地表会引起沼泽化、盐渍化，而且还会浸湿地基土、降低强度、增大变形量。在施工现场常常可以看到稍湿状态的砂堆，能保持垂直陡壁达几十厘米高而不坍塌，就是因为砂粒间具有毛细黏聚力的缘故。在饱水的砂或干砂中，土粒之间的毛细压力消失，原来的陡壁就变成边坡，其天然坡面与水平面所形成的最大坡角称为砂土的自然坡度角。此外，在干旱地区，地下水中的可溶盐随毛细水上升后不断蒸发，盐分便积聚于靠近地表处而形成盐渍土。在寒冷地区还会加剧冻土的冻胀等。
当气温降至0℃以下时，液态的自由水结冰为固态水。水在结冰后会发生膨胀，体积增大，使土体产生冻胀，破坏土的结构，冻土非常坚硬，但融化后强度大大降低。寒冷地区基础的埋置深度要考虑冻胀问题。
气态水即水蒸气，对土的性质影响不大。
土的固体颗粒之间的孔隙中，没有被水填充的部分都是气体。土中气体分以下两种：
这类气体常与大气相连通，其含量取决于孔隙的体积和孔隙被水所填充的程度。当土体受压时，易被排出，对土的工程性质影响不大。
封闭气泡与大气隔绝，存在于黏性土中，这类气体的存在增大了土的弹性变形和压缩性，降低了土的透水性。当土层受荷载作用时，封闭气泡被压缩，卸荷时气泡又会恢复原状，增大了土的弹性，使土不易压实，这类土在工程上称为“橡皮土”。土中封闭气泡很多时，土的渗透性将降低。
在淤泥、泥炭等有机土中，由于微生物的分解作用，在土中蓄积了一定数量的可燃和有害气体（如硫化氢、甲烷等），含气的土层在自重作用下长期得不到压密而形成高压缩性土层。施工时，要注意土中有害气体的危害。
土的特性与基本特点
土在沉积过程中，颗粒单元的大小、形状、相互排列及粒间联结关系等因素形成的综合特征，称为土的结构。它一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构3种基本类型。
粗颗粒在重力的作用下独立下沉并与其他稳定的颗粒相接触，稳定下来就形成了单粒结构。单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的，如图1.3所示。
图1.3 单粒结构
疏松的单粒结构，土粒间排列疏松，孔隙较大，土颗粒容易发生相对移动，产生较大的压缩变形，这类土层如果未经处理，不宜作建筑物的天然地基；紧密的单粒结构，土粒呈紧密状单粒结构，排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的沉降，其强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。
较细的颗粒在水中单独下沉时，碰到已沉积的土粒，因土粒间的分子引力大于土粒自重，故下沉的土粒被吸引不再下沉，依次一粒粒被吸引，最终形成具有很大孔隙的蜂窝状结构，如图1.4所示。
粒径极细的黏土颗粒在水中长期悬浮，这种土粒在水中运动，相互碰撞而吸引，逐渐形成小链环状的土集粒，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一个小链环时相互吸引，不断扩大形成大链环状的絮状结构，如图1.5所示。
图1.4 蜂窝结构
图1.5 絮状结构
以上3种结构中，以密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构如被扰动破坏了天然结构，则强度低、压缩性高，不可用作天然地基。
同一土层中颗粒或颗粒集合体相互间的特征就是土的构造，一般有层状构造、分散构造、裂隙状构造和结核状构造。
土粒在沉积过程中，沉积的阶段不同，使得不同物质成分、颗粒大小或颜色的沉积物，沿竖向呈现层状特征，这种层状构造反映不同年代、不同搬运条件形成的土层，为细粒土的一个重要特征。常见的有水平层理构造和带有夹层、尖灭和透镜体等的交错层理构造，如图1.6所示。
图1.6 层状构造
1—淤泥灰黏土透镜体；2—黏土尖灭；3—砂土夹黏土层；4—基岩
在搬运和沉积过程中，经分选的卵石、砾石、砂等沉积厚度常较大，无明显的层理，呈现分散构造。具有分散构造的土分布均匀，各部分性质相近，可以看作是各向同性体，如图1.7所示。
土体被许多不连续的小裂隙分割，不少坚硬和硬塑状态的黏性土具有这种裂隙构造，如黄土具有柱状裂隙。裂隙破坏了土体的整体性，增大了透水性，降低了土体强度，对工程有不利影响，如图1.8所示。
图1.7 分散构造
图1.8 裂隙状构造
在细粒土中混有粗颗粒或各种结核，如含砾石的粉质黏土、含砾石的冰碛黏土等，均属结核状构造。
在以上4种土的构造中，通常分散构造的工程性质最好；结核状构造工程性质好坏取决于细粒土部分；在裂隙状构造中，裂隙附近强度低、渗透性大，工程性质差。
各类土的生成条件不同，其工程特性相差也很大。
①搬运、沉积条件。流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土。
②沉积年代。土的沉积年代越长，土的工程性质越好。
③沉积的自然地理环境。我国地域辽阔，各地区的地形高低、气候冷热、雨量悬殊，所生成的土的工程特性具有较大的差异。