第三节 筑堤土料
一、筑堤土料的选择
筑堤土料的选择首先应遵循就近取材的原则，以利于运输。通常，在筑堤地点可能储藏有几种土料，选择哪一种土料来筑堤，这与土料的性质、化学成分和储量有关。
1.均质土堤
均质土堤的土料一般要求具有一定的不透水性及可塑性，黏粒含量适宜，土中有机物和水溶性盐类的含量不超过允许的数值。
均质土堤的堤身要求具有一定的防渗能力，因此筑堤土料应具有一定的不透水性，通常采用渗透系数不超过10-4～10-5cm/s、黏粒含量为10%～25%的壤土。黏粒含量过大，如黏粒达50%～60%的黏土，不仅开采困难，而且土块不易分散，含水量不易均匀，施工辗压也较困难。黏粒含量低的土，例如黏粒含量在6%以下的轻壤土、细砂和粉土，不仅防渗性能差，抗剪强度小，而且易发生液化。
土的可塑性不仅影响到土料填筑时的辗压效果，而且影响到堤体适应变形的能力，对堤体是否产生裂缝起着重要作用。对于均质土堤，通常以塑性指数在7以上的轻壤土和中壤土为最好。塑性指数过大，则黏粒含量过高，塑性指数过小，则透水性增大。
土中含有适量的有机物对改进土的抗剪强度、压缩性和湿化性是有利的，根据我国的筑堤经验，有机物含量按质量计不超过5%是适宜的。
水溶性盐类通常是指氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、磷酸钙、磷酸铁和石膏等物质，这些物质易于溶滤，溶滤后将增大土的压缩性，并降低土的强度。因此，通常要求水溶性盐类的含量按质量计不超过3%～5%。
我国南方的棕、黄、红色的残积土和坡积土，虽然黏粒含量高，压实性能差，但是在容重较低和含水量较高的情况下，具有较高强度、较低压缩性和较小渗透性，因此也可用于填筑均质土堤。
西北地区的黄土，虽然其天然密度小、湿陷性大，但在适宜的填筑含水量情况下经压实后，仍为填筑均质土堤的良好材料。
2.心墙和斜墙
用作心墙和斜墙等防渗体的土料，一般要求土的渗透系数应小于堤身材料渗透系数的
100倍，通常以不大于10-4～10-6cm/s为宜，渗透系数过大则防渗性能较差。土料的塑性指数一般要求在7～20之间。黏粒含量在15%～30%、塑性指数在10～17之间的中壤土和重壤土，是填筑心墙和斜墙的较理想的土料。黏粒含量在40%～60%、塑性指数在17～20的砂质黏土和轻黏土，也可使用，但应该用非黏性土较好地保护，以免干裂和冰冻。对于塑性指数大于20，或者液限大于40的冲积黏土，以及浸水后膨胀软化较大的黏土，应避免使用，因为这些土不仅施工时开采和压实困难，而且稳定性差。
掺砂砾料的黏土可在较宽含水量的范围内压实，压实性能好，沉陷量小，具有自滤作用，一旦发生裂缝，容易自动愈合。
用作防渗体的土料要求有机质含量按质量计不超过2%，水溶性盐类的含量按质量计
不超过3%。
3.透水料
采用风化砂石筑坝也已取得很大的发展，白莲河、陸浑等水库即成功地采用了这种土料。
级配良好，不均匀系数（Cu=dd6100）在30～100的砂卵石，易于压实，密实性好，是建造心墙土堤和斜墙土堤堤身的较理想材料。不均匀系数小于5～10、级配均匀的砂，压实性能不好。但粒径大于5mm、含砾量为30%～60%的连续级配的砂砾料，压实性好，而且抵抗渗透破坏的能力强。颗粒细而均匀、天然孔隙率在43%～45%之间、有效粒径小于0.1，以及不均匀系数小于5的细砂，在动力荷载作用下易于液化，一般不宜采用。
用于填筑堤身的土石料，其有机质含量按质量计不应超过5%，水溶性盐类含量按质量计不应超过8%。
4.排水料
用作土堤排水的材料，要求排水性能好、抗剪强度高，而且抗水性好，抗风化能力强。用于填筑反滤料的砂和砾石，其中粒径小于0.1mm的颗粒含量，按质量计不应超过5%。风化砂和风化砾石一般不应用作反滤料。
用作排水和护坡的石料，除了应有较高的抗水性和抗风化能力（抗冻融作用）外，还应有足够的强度（抗压强度应在500MPa以上），软化系数不小于0.75～0.85，岩石孔隙率不大于3%，吸水率不大于0.8，而且不易受水的溶蚀。石料应没有尖角，以避免压碎后使堤体产生较大的沉降。石块应具有一定的容重（重力密度），一般应不小于22kN/m3，堆石压实后其容重应不小于18～21kN/m3。风化石料应避免使用。
二、土的工程分类
（一）按土的颗粒大小分类
天然状态的土是由不同大小的颗粒所组成的，但是要知道土的所有各种粒径实际上是不可能的，而且也没有必要。因此常将土的颗粒分成一定粒径的几组，叫做粒级（粒组）。根据粒级来划分土粒（用占土样质量的百分数表示），称为级配分析或机械分析。
表11中列出根据粒组来进行土的分类。
表1 1
按土的颗粒大小分类
为了使用方便起见，在工程实践中常常采用累计曲线的图表形式来表示土的颗粒级配，如图19所示。
图19 土的颗粒级配曲线
颗粒级配曲线可以用普通比例尺或半对数比例尺来绘制。当采用普通比例尺绘制时，纵坐标表示以百分数计的粒级的累计含量，而横坐标则表示以毫米计的颗粒直径。如采用半对数比例尺来绘制，此时纵坐标仍保持不变，而横坐标则表示颗粒直径的对数值。由于用普通比例尺绘制成的颗粒级配曲线往往拉得太长，因此多采用半对数比例尺来绘制。
根据颗粒级配曲线的形状可以看出土的不均匀程度，级配曲线越平缓，表示土的颗粒越不均匀；反之，颗粒级配曲线越陡，则表示土中所含有的相同的颗粒越多。如果曲线成了一条垂直线，则说明此种土是由完全相同粒径的颗粒所组成的。
土中粗颗粒含量的多少也影响到土的性质，因此也常根据粗颗粒的含量将土分为黏土、壤土和砂土。
（二）黏性土按塑性指数和液性指数的分类
黏土常常按塑性指数来分类。塑性指数是指液限（塑性上限）和塑限（塑性下限）两种状态时土中含水量的差值（以百分数计），即
IP=ωL-ωP
（1 1）
式中 IP———塑性指数；
ωL———液限，或称为流性限度，这种状态是土处于由塑态过渡到液态时的含水量；ωP———塑限，或称为塑性限度。这种状态是土处于由固态过渡到塑态的含水量。根据塑性指数的大小，黏性土可分为表12中所列的几种。
表1 2
黏性土的种类
土的性质也可以用液性指数IL来表征，液性指数IL为
IL=ω-ωP
（1 2）
IP
式中 ω———土的含土量。
根据液性指数IL的不同，黏性土可分为表13所列的几种。
表1 3
黏性土根据液性指数的分类
续表
对于含有腐殖质的土需要确定植物残渣的含量，如果植物残渣的含量不超过矿物部分干重的10%（当温度为100～105℃时），则这种土可以认为是含有有机物杂质成分的土；如果植物残渣的含量为10%～60%，则这种土可以认为是半泥炭土；如果植物残渣含量超过60%，则属于泥炭土。
（三）一般土按三角坐标分类
首先根据土的颗粒分析试验结果，确定土中砂粒、黏粒和粉粒含量的百分数，在三角坐标的三个边上定出三个点，从这三个点出发作坐标指示线的平行线，并相交于一点，根据交点所在的图中分区位置即可确定该土的名称，如图110所示。
图110 土的分类图
注 若土中含有砾，但其含量不超过10%，在土名之前加“含少量砾的”五字。
（四）砂土的分类
砂土可按表14分为粗砂、中砂、细砂、极细砂。
表1 4
砂土分类表
注 1.上表适用于黏粒含量＜3%，粉粒含量＜20%的砂土。
2.确定砂土的种类时，将土按大小粒径的重量百分比加以统计，首先为大于0.5mm的颗粒，其次为大于0.25mm的颗粒，余类推。按表中排列的次序，以最先适合的名称命名。
（五）砾质土的分类
首先根据土的颗粒分析试验结果，确定土中砾、砂粒、粉粒加黏粒含量的百分数，在三角坐标图的三个边上定出三个点，然后从这三个点出发作坐标指示线的平行线，并交于一点，根据交点所在图中分区的位置即可确定该砾质土的名称，如图111所示。
图111 砾质土分类图
注 如果按上图查得为“砾质”土时，将粒径小于2mm的土作为整体，分别求出砂粒、粉粒及黏粒含量百分数，再根据图110分类；然后在所得土名之前，加“砾质”二字。例如：砾质砂土、砾质砂壤土等。
（六）砾石的分类
砾石可按表15进行分类。
表1 5
砾石分类表
（七）土的野外分类
在野外进行工程地质勘查时，如果没有土工试验仪器，可根据手触的感觉、肉眼的鉴别以及少量简单易行的试验，按照表16进行土的野外分类。
表1 6
土的野外分类
三、土的物理力学性质
土的容重（重力密度）、比重（相对密度）、含水量、孔隙率（孔隙比）、粒度（级配）、压缩性和渗透性能等均属于土的基本的物理力学性质，因为这些指标决定着土的变形情况、强度和稳定性。
1.比重（相对密度）
将土在温度100～105℃下烤干达恒重时，土粒重量与4℃时同体积水的重量之比值。土的比重G决定于土中矿物成分和有机物的含量。如果土中不含有植物残渣，则均具有恒比重。土的一般比重列于表17中。
表1 7
不同种类土的比重值
2.容重（重力密度、简称重度）
单位体积的土的重量（重力）称为容重。（重力密度）因为一般情况下的土都是三相的，所以同一种土的容重并非是固定不变的，而是随着含水量的变化而变化的，因此干土和湿土的容重是不同的。
当将土在温度100～105℃的情况下烤干到恒重时，这时干土（土骨架）的容重称为干容重，用γd表示，并可按下式计算：
γd=G（1-n）
（1 3）
式中 n———单位体积的土的孔隙率。
湿土（自然含水量情况下）的容重称为湿容重γ，其值决定于孔隙中的含水量，可按下式计算。
γ=γd（1+ω）
（1 4）
式中 ω———土的含水量。
在工程建设中一般所指的土的容重，均系指土在自然含水量情况下的容重，即湿容重
γ，其值见表1 8。
表1 8
自然含水量情况下土的容重密度（重力密度）的平均值
土的天然干密度如表19所示。
表1 9
土的天然干密度
续表
对于浸没于水中的土（例如位于地下水位以下的土），其容重称为浸水容重或称为浮容重γ′，根据阿基米德原理，其值等于土的干容重减去固体颗粒的同体积水重，即
γ′=（G-1）（1-n）
（1 5）
或
γ′=G-γω
（1 6）
1+e
式中 γ′———土的浸水容重；
γω———水的比重；e———土的孔隙比。
有时为了简化计算，可近似地取γ′=1g/cm3=10kN/m3，这种情况相当于土的孔隙率接近40%的情况。
3.孔隙率和孔隙比
干土所占有的体积可以分成两部分：一部分是固体颗粒所占有的体积；另一部分是孔隙所占有的体积。对于单位体积的土来说，其关系是
Vs+Vv=1
（1 7）
式中 Vs———土中固体颗粒所占有的体积；
Vv———土中孔隙所占有的体积。
土的孔隙体积与土的总体积之比称为孔隙率，可以用体积比值表示或以百分数表示。以百分数表示的孔隙率可以按下式计算：
n=（1-γGd）×100
（1 8）
土的孔隙率决定于土的填筑密度，其近似值如下：
（1）砂：25%～50%。
（2）黄土类：25%～50%。（3）软黏土：50%～70%。（4）硬黏土：15%～30%。
由于孔隙率还不能充分表征土的性状，所以在计算中常常使用土的密度指标值———孔隙比e。孔隙比是孔隙体积Vv与固体颗粒体积Vs之比值，对于单位体积的土，孔隙比e按下式计算：
e=Vv
（1 9）
Vs
孔隙比e也可以用孔隙率n或固体颗粒体积Vs来表示，即
e=n
（1 10）
1-n
或
e=1-Vs
（1 11）
Vs
反之，土的孔隙率n和固体颗粒体积Vs也可以用孔隙比e来表示，即
n=e
（1 12）
1+e
Vs=1
（1 13）
1+e
随着孔隙比e的减小，土的密度增加，因而土的容重也就增大，所以根据孔隙比的大小可以判断土的密度。砂土的孔隙比与其密实度的关系见表110。
表1 10
砂土的孔隙比e与密实度的关系
4.砂土的相对密度
砂土的密实度常常用相对密度Dr来表征，其值按下式决定：
Dr=emax-e
（1 14）
emax-emin
式中 emax及emin———土在最疏松的和最密实的状态下的孔隙比，根据试验来确定；
e———相应于Dr值时的孔隙比。
Dr的数值系由0变化到1，当土处在最疏松的状态下时，Dr=0；当土处在最密实的
状态下时，Dr=1。一般认为，当Dr为0～0.33时，土是疏松的；Dr为0.33～0.66时，
土是中等密实的；Dr为0.66～1时，土是密实的。
5.含水量
土的孔隙含水的数量称为含水量ω，可用重量指标和体积指标来表示。在用重量指标表征时，土的含水量是在一定体积的土中含水重量与矿物颗粒重量的比值，并用百分数来表示，即
ω=γγ-dγd×100
（1 15）
6.饱和度
在用体积指标表征时，通常称为土的饱和设Sr，是指在一定体积的土中充水部分的孔隙体积与孔隙总体积的比值，可以用分数值表示，也可以用百分数表示，即
Sr=Vω
（1 16）
Vv
式中 Sr———土的含水程度，以分数值计；
Vω———水所占有的孔隙体积；
Vv———孔隙的总体积。
土的饱和度也可以用下式表示：
Sr=ωγd
（1 17）
eγω
式中 γω———水的容重；
e———土的孔隙比。
土的饱和程度Sr由0变化到1。当Sr=1时土的孔隙全部被水所充满（属于二相土），相应于这种状态时的含水量称为土的饱和含水量。
对于砂土，若Sr≤0.5，则认为是稍含水的；若0.5＜Sr≤0.8时是含水的；若Sr＞
0.8，则认为是饱和的。
土的孔隙中的水可以是气态的、固态的（在结冰的状态）和液态的。液态的水可以是土粒表面的吸着水和薄膜水，以及土粒孔隙中的自由水。自由水又可分为重力水和毛管水。在重力作用下重力水将沿着土的孔隙移动，而毛管水的移动则与表面张力有关。
毛管水对土堤的工作将产生一定的影响，因此在拟定土堤堤身剖面和结构时应该考虑它的作用。毛管水的平均升高值与土的种类有关，粗砂为5～10cm，中砂为10～
30cm，细砂为30～60cm，砂壤土为60～120cm，黏壤土为120～160cm，黏土达400cm。
7.透水性
土的透水性是指水通过土的自由孔隙进行渗透的能力。土的透水性用渗透系数来表示，各种土的渗透系数的平均值见表111。
表1 11
各种土的渗透系数平均值
土的渗透系数通常用下列几种方法来确定：
（1）野外试验法。在天然土体的试坑和钻孔中抽水和注水。（2）实验室法。用渗透仪等专门仪器对试验土样进行试验。
（3）分析法。用土的机械分析的资料根据一些经验公式进行计算。
在上述方法中，用野外试验的方法所得到的土的渗透系数的资料是最可靠的。实验室确定的土的渗透性能只能代表试验土样的，因此有一定的局限性。分析法主要是通过结构已扰动的土样取得的，因此多用于砂土。
水在土的孔隙中的运动主要是由下列基本因素引起的：重力、外压力、毛细管力、电流作用、温度梯度、蒸发、土的冻结、气体作用和蒸气压力等。在土堤中，水的运动主要是由于形成水头以后在重力作用下引起的。
从理论上说，所有的土都是透水的，其中最明显的是砂土。对于黏性土，由于孔隙中的大部分水是与土粒成黏结状态的，因此渗透性很小，所以与透水性较大的土比较，实际上可以认为是不透水的。但是当在黏土中水的压力逐渐增大时，则孔隙中水的运动就变得明显起来。研究证明，黏土中的水的运动只有在达到某一水力梯度的情况下才开始，这一梯度叫做渗透原始梯度，或叫做渗透起始梯度。
黏土中的水的运动可近似地用图112中的一条直线来表示，这条直线有一段起始横坐标i0，它相当于原始水力梯度❶。
图112 渗透流速与水力梯度的关系
8.土的压缩性
若在土上附加外荷载，则土的孔隙就被压缩，土的体积也就随之减小，这种现象称为土的压缩。
❶ 严格地说应该是一条曲线，但是要反映出这条曲线是比较困难的，所以往往用直线来代替，这将不会产生大的误差。
根据土样在无侧向膨胀情况下进行压缩试验所得的资料，可以绘制出孔隙比与外荷载的关系曲线，称作土的压缩曲线（图113）。这一曲线可以用下列对数形式的方程式来表示：
e=-Aln（P+Pc）+C1
（1 18）
式中 A，Pc，C1———土样的三个常数值，它们是根据由试验求得的相应于三个荷载值
P1、P2、P3的孔隙比e1、e2、e3按式（118）计算求得的。
由于确定上述三个常数是比较复杂的，所以在实用上可以采用下述简化方程：
e=e1-2.B3lgP
（1 19）
式中 e———相应于计算压力的孔隙比；
e1———相应于P=10N/cm2时的孔隙比；
B———无因次系数，它表示土的压缩性，与荷载无关。
根据式（119）绘制压缩曲线只需要确定e1及B这两个参数值。由于e1及B接近于常数，因此可以根据一些经验数值来确定，而不必进行土工试验。参数e1及B的近似
值列于表112。
表1 12
参数e1及B的近似值
必须指出，采用对数坐标的压缩曲线只适用在压力变化很大的情况，或者是压缩性很
强的土（泥炭、堆积土等）。在一般实际计算中，作用在土上的压力的变化幅度是不大的（10～
30N/cm2），很少达到40～50N/cm2，因此若近
似地将压缩曲线取为直线（在上述压力变化范围内），其计算精度几乎不会受多大影响。此时压缩曲线可采用下列公式计算：
e=e0-e1-e2
P
（1 20）
P1-P2
式中 e0———压缩线（直线）在纵坐标上的截距
（图1 13）。
为了简化起见，取Pe11--e2P2=ΔΔeP=a，则得
e=e0-aP
（1 21）
图113 压缩曲线
式中 a———土的压缩性系数（cm/N）。
a值需通过对土样进行试验来确定，其近似值如下：
（1）实际上不压缩的土：a＜0.1。
（2）低压缩性的土：a为0.01～0.1。（3）中等压缩性的土：a为0.1～0.5。（4）高压缩性的土：a为0.5～1.0。（5）强压缩性的土：a＞1.0。
9.土的抗剪强度
在荷载作用下，土中将产生剪切应力，当剪应力超过土的抗剪强度时，土就会产生剪切破坏。土的抗剪强度通常用库仑（C.A.Coulomb）强度公式来表示。
库仑通过一系列剪切试验的结果提出土的抗剪强度的表达式如下。
（1）砂土。无黏性土的抗剪强度与作用在剪切面上的法向应力成正比，当法向应力等于零时，抗剪强度等于零，如图1 13（a）所示，可用下式表示：
τf=σtanφ
（1 22）
式中 τf———土的抗剪强度（kPa或kN/m2）；
σ———作用在剪切面上的法向应力（kPa或kN/m2）；
φ———土的内摩擦角（°）。
由式（122）可知，无黏性土的抗剪强度是由剪切面上土粒之间的摩阻力所形成。
（2）黏性土。黏性土的抗剪强度由两部分组成，即由摩阻力和黏聚力所组成，可用下式表示：
τf=σtanφ+c
（1 23）
式中 c———土的黏聚力（或凝聚力，kPa或
kN/m2）。
当剪切面上的法向应力等于零时（即σ=0），抗剪强度等于抗剪强度线在纵坐标轴上向截
距c值，如图1 14（b）所示。
由图113可见，土的抗剪强度τf与法向应力σ之间成直线关系，直线起点处的纵坐标等于黏聚力c，直线的倾角等于内摩擦角φ。土的
图114 土的抗剪强度
黏聚力c的大小决定于土中含有的天然胶结物质（胶凝体和胶结盐类）、分子作用和毛细管压力等。c和φ值均可通过土的剪切试验来确定，表113中列出土的黏聚力c和内摩擦角φ的初步值，可供参考。
表1 13
土的黏聚力c、内摩擦角和变形模量E0值
砂土
续表
黏性土
10.土的变形模量和压缩模量
如果将土在无侧向膨胀的情况下加压，则土层中将既产生水平截面方向的应力，又产生竖直截面方向的应力，其相互关系如下式所示：
σx=σy=ξσz
（1 24）
式中 σx，σy———竖直截面上的法向应力；
σz———水平截面上的法向应力；
ξ———比例常数，称为侧压力系数。
侧压力系数ξ与侧向膨胀系数μ（泊松系数）有关，其函数关系如下：
ξ=1μ-μ
（1 25）
竖直截面上的应力也可以用水平截面上的应力和侧向膨胀系数来表示：
σx=σy=1μ-μσz
（1 26）
土的泊松系数（侧向膨胀系数）μ值通过试验来确定，在无试验资料的情况下可以根据表114中所列的数值采用，表114中也列出了相应的ξ值。
表1 14
各种土的μ和ξ值
土的变形模量是指土在无侧向限制的条件下（能自由侧胀的情况下）进行压缩时，竖向压缩应力与竖向单位变形（应变）之比，通常用E0来表示。
土的压缩模量是指土在侧向限制的条件下（无侧向变形的情况下）进行压缩时，竖向压缩应力与竖向单位变形（应变）之比，通常用Es表示。
在三向受力的情况下，根据广义虎克定律可知，土的竖向应变可用下式表示：
εz=Eσz0-Eμ0（σx+σy）
（1 27）
式中 εz———竖向应变；
σx———沿x轴方向的应力；σy———沿y轴方向的应力；
σz———沿z轴方向（竖向）的应力；
μ———土的泊松系数；
E0———土的变形模量。
由于水平应力σx=σy，故式（1 27）可写成：
εz=Eσz0-E2μ0σx
（1 28）
将式（126）代入式（128），则得
εz=Eσz0（1-12μ-2μ）
（1 29）
如令
β=1-2μ2
=（1+ξ）（1+2ξ）
（1 30）
1-μ
1+ξ
式中 ξ———土的侧压力系数。
将式（130）代入式（129），则得
εz=Eσz0β
或
E0=εσzzβ
由于压缩模量
Es=σz
εz
故得变形模量E0与压缩模量之间的关系为
E0=Esβ
（1 31）
表114中所列μ的较小值是相应于土的密实度较大的情况，μ的较大值相应于土的密实度较小的情况。
当已知μ及ξ值，并具有压缩曲线的情况下，土的变形模量可按下式计算：
E0=（1-ξ）（1+2ξ）
·1+e1
（1 32）
1+ξ
a
或
E0=（1-12μ-2μ）1+ae1
（1 33）
或
E0=1+ae1β
（1 34）
表115中列出土的平均物理力学指标值。
表1 15
土的平均物理、力学指标
续表
注 1.平均比重取：砂—2.66；轻亚黏土—2.70；亚黏土—2.74；饱和度0.90。
2.粗砂与中砂的E0值适用于不均匀系数Cu=dd6100=3时，当Cu＞5时应按表中所列值减去23，Cu为中间值时E0值按内插法确定。
3.对于地基稳定计算，采用内摩擦角φ的计算值低于标准值2°。