适宜的土料只提供了修建合乎规范的土工建筑物的基本材料，而要建成理想的工程，还要解决一些土力学问题。对于经常遇到的土工建筑物——防洪堤来说，必须重视基础处理、边坡选择、土料含水量的控制、堤身夯筑等。

(一)土料含水量控制

    土工建筑压实度与土料含水量有直接的关系，战国时期已明确认识到土料含水量对堤防填筑质量的影响，以及不同季节中土壤含水量的差异及其与施工质量的关系。《管子?度地》在论述堤防施工的合理季节时称：
春三月，天地干燥，水纠裂之时也。山川涸落，天气下，地气上，万物交通，故事已，新事未起，草木荑，生可食。寒暑调， 日夜分。分之后，夜日益短，昼日益长，利以作土功之事，土乃益刚。

    指出夏历“春三月”是堤防施工的最好时机。因为这个季节“天地干燥”，土料的含水量比较适宜，容易保证施工质量(“土乃益刚”)。从农事来说，这时“故事已，新事未起”，正好利用这个农闲时节大搞水利建设，修筑堤防，而其他季节则“不利作土功之事”。其中“夏三月”，由于是农忙季节，兴建水利工程占用劳力多，会贻误农时(“妨农焉”)；“秋三月”，土壤含水量大，“濡湿日生，土弱难成”，不宜筑堤；而“冬三月”，则天寒地冻(“大寒起”)，取土困难，冻土含水量又很不均匀，而且难以捣实(“土刚不立”)，因而，在当时社会生产条件下，“不利作土功之事”。可见，对土料的工程特性和填筑质量的关系，这时已有了比较深入的认识，掌握了控制土料含水量是提高填筑质量的一个关键。

    含水量对夯筑质量的影响为现代土力学实验所证明。由击实曲线可以看出，黏性土的干容重开始时随含水量的增大而增加，当达到最优含水量时，含水量继续增加则将导致击实强度的急剧下降。这是由于在最优含水量时土粒周围的水膜较厚，粒间黏结较弱，容易击实，而水膜太厚，则容易阻塞击实时粒间气体的逸出，反而不易击实。

    那么，当堤防施工时土料含水量较小，则需对土料加水。明代中叶著名河臣刘天和认为，施工土料“必干湿得宜。燥则每层需用水洒润”③。如果不得已要选用淤泥等含水量过大的土
   ①甘肃省文物工作队，甘肃秦安大地湾901号房址发掘简报，文物，1986年，第2期，第3页。
    ②维特鲁威著，高履泰译，建筑十书，中国建筑工业出版社，1986年，第39～41页。
    ③明?刘天和：《问水集》卷1，水利珍本丛书本，第15页。

    料，则“第须取起晒晾，候稍干，方加夯杵”①。清代河工施工的规范性著作《安澜纪要》对调节土料湿度的办法有具体记述。如土料太干，在上一坯土时(一般为一尺三寸厚)先在堤边用锨做成临时水沟或水坑，将水倒入沟(或坑)内，用水慢慢将土料润湿。也有直接在土料上洒水的做法。至土料湿度合适时再用硪连环套打夯实。如施工场地缺少水源，则在上土时，必须将表层土剥去，使用二锨以下潮润之土，并趁其潮润及时夯筑，才能保证填筑质量②。此外，土料块体大小也有讲究。《修防琐志》载：“至于坯土，宜用润泽散土，则遇硪坚固，盛水不渗。如用焦干，大块，则夯硪不胶，遇水即漏。”③施工操作中对于土料块体大小、湿润程度掌握也有所规定，《河工纪要》④载，新加土料，先令锨夫将大块土料劈碎如鸡蛋大小，再令水夫向土料上洒水，使水分将土料泡透，经晾晒后，再用石夯趁湿杵打，则土堤无不坚固。不过古代对土料适宜含水量掌握缺乏具体度量，不同土料适宜的含水量也无明确规定，具体施工中可能主要依据经验判断。

(二)夯筑和签试

    有了适宜含水量的土料，还必须加以夯实，以增加土体的紧密度和干容重，从而保证土体抗倾覆的稳定性和抗渗透能力。
    土工建筑物的夯实由来已久。《管子?度地》中记载当年预先准备修河筑堤所需工具的情况：“案行阅具备水之器，以冬无事之时，笼锸版筑各什六，土车什一，雨84问什二，食器两具，人有之，锢藏里中以给丧器。”意思是说，冬季治河民工要事先准备好筐、锹、版、筑等筑堤用具，用具数量要按合理的比例配备，同时要留有必要的储备，以便替换劳动中损坏的工具。

    其中，版是筑堤用的模板。《尔雅?释器》称：“大版谓之业”，晋代郭璞注解说，“筑，墙版也”。而据东汉末年许慎《说文解字》的解释是：“筑，捣也”，即人力捣实。版筑的历史悠久，相传商代贤者傅说擅长用版筑法建造土墙和养牛，后被用为相，遂派生出“版筑饭牛”的成语。古代常用的捣实工具有夯、硪、杵等。1956年在长沙曾发掘出战国时代的器物，其中有铁夯锤，口大底略小，直径约5.4厘米，长1.25厘米，上端有圆孔，可装木柄。⑤建筑夯土墙起源很早，1977年在河南登封告成王城岗遗址中发现小型城堡的夯土墙基，其年代测定为距今4010±85年，约当夏朝开国的年代。⑥《建筑十书》中记载，在公元前后欧洲也使用铁头木夯夯实蓄水池底。唐代修筑黄河堤还曾使用版筑。大诗人杜甫(712～770)有诗“临邑舍弟书至，苦雨，黄河泛溢，堤防之患簿领所忧，因寄此诗，用宽其意”，其中有“舍弟卑栖邑，防川领簿曹，尺书前日至，版筑不时操”句。杜甫弟杜颖其时任山东临邑主簿。唐代临邑在今临邑南，北70里有黄河，主簿负责黄河修防。北宋人王洙(997～1057)注解上句曰：“以版筑夹土而筑也，书得传说于版筑之间。”⑦
   ①  明?潘季驯：《河防一览》卷3，水利珍本丛书本，第99页。
    ②清?徐端：《安澜纪要》卷上，同治刊本。
    ③清?李世禄：《修防琐志》卷5，水利珍本丛书本，第134～135页。
    ④河工纪要(清代抄本)。
    ⑤《考古通讯》，1956年，第1期，转引自单士元，夯土技术浅谈，科技史文集第七辑，上海科学技术出版社，1981年。
    ⑥文物编辑委员会，文物考古工作三十年，文物出版社，1979年，第274页。
    ⑦《分门集注杜工部诗》卷4，四部丛刊本，第103页。

    后代土堤夯筑不再使用版筑，而直接在堤面上逐层进行。夯筑质量的关键在于每层厚度不能太大(“薄坯”)。每层厚度控制，根据工程规模、夯筑工具种类和重量不同而有所不同。江南圩田堤埂一般较矮，农家施工一般多用杵捣，因此，徐光启认为，“法如岸高一丈，其下五尺分作十次加土，每加五寸筑一次。上五尺乃作五次加土，每次加一尺筑一次”①。由于圩田堤防下部常淹水，质量要求较上部高，因而夯筑要求严格。珠江三角洲地区还有一种称之为“牛练”的夯筑方法，用大水牛践踏堤面。一人牵三头水牛为一组，称作一手。由于水牛体重，牛脚旋压，踩练的堤土至为坚实。②见图2-28。

    黄河防洪大堤修筑，因其工程量大，每层土料自然要比圩田堤防来得大些，因此，对夯筑工具重量和夯筑密实程度的要求也更高。康熙三十九年(1700)总理河道张鹏翮制定的《治河条例》中，对黄河堤防夯筑的要求是：“每堆土六寸谓之一皮，夯杵三遍以期坚实，行硪一遍以期平整。虚土一尺，夯硪成堤仅有六、七寸不等，层层夯硪，故坚实而经久。”③不过，在实行中，由于各河段土料的不同，夯筑工具和重量有差异，具体掌握也有所差别。清朝后期，对于硪工更加重视，故有“堤工坚实，全仗硪工”④之说，并规定：“上土坯头愈薄
   ①明?徐光启：《农政全书》卷15，上海古籍出版社，1979年，第373页。其中所说下部五尺每加五寸，应为夯实后实得五寸。上部五尺每加一尺，也应为夯实后实得一尺。并非每层未经夯筑的土料厚五寸或一尺。
    ②《珠江水利简史》，中国水利电力出版社，1990年，第156页。
    ③清?傅泽洪：《行水金鉴》卷53，国学基本丛书本，第778页。
    ④清?徐端：《安澜纪要》卷上，创筑堤工条。

   愈妙，宜定以限制，俾知遵循。今定每坯以虚土一尺三寸，打成一尺为式。如估高一丈五尺之堤，令其十五坯做。倘少有不敷，再加一漫足矣。”①而《河工纪要》说：“如堤高六尺，必估四层行硪。初筑荒高二尺五寸即可行硪，得二尺实土。……如此筑法，照六折算，每荒高一尺，硪实八寸，则坚实堪御暴涨矣。”②但每层土料过厚，“虽有重硪，亦无能为力”，两种说法大致相同。为控制每层上土量，古人在施工堤面上插竹签子，作为衡量标志。同时特别强调两个工段之间的衔接部位，必须仔细督促检查。

    古代土工夯筑主要依靠人力。常用的夯筑工具有硪、夯、杵等。其中硪按形状分作墩子硪、束腰硪、灯台硪、比子硪、乳硪等。按重量又分作大石硪、中石硪、小石硪等。一个乳硪有重90多斤的，往往4至12人同时操作夯打。夯多为木制，一般2至4人同时操作。杵则单人使用。

    土工建筑物的基础是保证建筑物稳定和减少地基渗流的重要部位，更需要加强夯筑。《修防琐志》对于地基处理的重要性有专门论述，认为堤防建成后出现堤身蛰陷和基底渗漏问题，其原因主要是地基处理不够所致。因此，“筑堤以底土为吃紧”。“应于筑堤之始，先将本地土上树木草根尽行刨除，行硪二三遍，是平地之病根已除，……然后方铺底土”③。当然，地基情况不同，做法也可相应变通。如地基为多年老土，沉陷已实，则用重硪套打一遍即可。如系近年新淤土，则需沿堤防外沿挖一宽三丈、深二尺的底槽，然后先用重硪套打，再分两次回填新土，“追打坚实，锥试不漏，方准再行上土”④。

    夯筑质量的检查手段，主要是锥探，所用工具是铁锥。《河工器具图说》载，铁锥长四尺，每打一坯或数坯试锥一遍，试锥时，将铁锥用木榔头打入新筑堤内，垂直拔起后，立即在锥孔中灌水，“若一灌即泻，名曰漏锥；半存半泻，名曰渗口；存而不泻，名曰饱锥”⑤。起锥时，为保证效果，要特别注意防止作弊。常用的作弊方法有：“兵夫于提拔之时有意旋转，则灌水易保，名曰泥墙；灌水之时，故将泥浆及胶粘之水(通常采用山药汁等和水)灌入，名曰作料。”⑥

(三)抗滑和渗流稳定问题

    掌握堤防横断面的合理形状以及边坡陡缓的程度，是保证堤防抗滑稳定和渗透稳定的又一个重要因素。任何土料都有其维持稳定所必须的边坡。对此，战国时代已有所认识。《管子?度地》提出，堤防横断面要做成“大其下，小其上”的梯形。而梯形两腰的坡度应该选取多大，《考工记?匠人》说：“凡为防，广与崇方。其閷叁分去一，大防外閷。”东汉人郑玄注释这段文字说：“崇，高也；方，犹等也；閷者，薄其上。”意思是，修建堤防，高和宽应大致相等，而閷即是指上窄下宽的收分，在堤防底宽与高大致相等的情况下，边坡应“叁分去 一”，也就是取三比一的边坡。若以修建高三米的堤防为例，其底宽应取三米。然后按三比一的边坡往上修，则顶宽将为一米。而所谓“大防外閷”者，说的是较高的堤防，其边坡还要在常规的三比一的基础上另外加閷，即边坡要缓于三比一的坡度，这是传统的解释。不过照这样的解释，则所筑堤防过于陡峻，既不易施工，又难以稳定。若将“广”解释为堤顶宽，“叁分去一”解释为堤两面坡度的总和(即每边的边坡都分别是一比一点五，也就是横一点五，纵一)，就比较合理了。①
    
    ①清?周家驹：《河防辑要》。
    ②此处六折说法有误。一尺虚土，夯实后得八寸，应为八折。如此理解，和前述二尺五寸土料夯实后得二尺的说法也相吻合。不过该书在回答“筑堤如何筑法方为十足好土?”的问题时谈到：“要做十足好土，需得铲碎土块，拣净草根，泼水润透，用连环老硪。限定每坯荒高一尺，打实六寸，俱照六折合算，则坚之板矣。可能是对个别险要堤段的特殊要求。
    ③清?李世禄：《修防琐志》卷5，水利珍本丛书本，第134，162页。
    ④清?徐瑞：《安澜纪要》卷上，创筑堤工条。
    ⑤清?麟庆：《河工器具图说》卷2，万有文库本，第96页。
    ⑥清?黎世序：《皇朝经世文编》卷103，覆奏河工诸弊疏。

    水工建筑物地基和土堤本身中的渗流，可能会引起土体的渗漏和渗透变形，为此，必须适当延长上游至下游的渗流长度，提高地基的密度和选择较大的堤防边坡。在清代的治河文献中已记载了对这一问题的认识。
地基渗漏容易造成堤防背水面的管涌。管涌是在高水位情况下建筑物地基土壤发生流土和潜蚀，抢救不及往往导致出险。对此，《修防琐志》专门提出，“筑堤利病何如?曰筑堤以底土为吃紧，承修堤工先将地面草根刨尽，行硪数遍，然后铺底土不过尺许，自底至顶逐层行鱼鳞套环之硪三四遍，庶无渗漏之患”②。

    堤身渗漏则容易造成堤防脱坡和流土，为避免这一险情，古代往往依靠加大堤防断面，延长渗径，减小渗流坡降来解决。清代规定：“如高一丈之堤，应筑宽六丈之堤底(即两面边坡各为1:3)，共计顶宽二丈，底宽八丈，高一丈。”③除了断面尺寸要保证，土堤夯实也要符合规范，“务要自底至顶，层层夯硪打就，则彻底坚固，可免渗水之患”④。

    为防止渗漏险情，取土地点也有讲究。规范规定，在大堤两面取土，都限制在“离堤十五丈之外取之响，原因是“盖逼(近)堤则堤趾卑洼，便有积水伤堤之患”，同样会减少渗径，导致险情发生。

(四)桩基施工中的土动力学问题及技术处理

    用木桩来处理地基基础或堤防、海塘工程的基础防冲设施，施工时面对的不仅仅是松散的沙砾石。河滩或海滩桩工的基础如果是含有丰富水分的饱和或半饱和的土体，且土粒级配不均匀，土壤骨架稳定性差的粉沙，在这种土性条件下打2米以上的深桩，由于冲击木桩的动力作用和随之产生的孔隙水压力，就会产生土动力学的所谓“土壤液化问题”，使得桩基失稳，不能起到地基加固作用。