土石方工程施工

第二章 土石方工程施工

概 述

土方工程是人类改造自然、建设社会的一种技术措施。水利水电工程中的土方工程在整体工程建设中，工程量和投资占有很大比重；就土方工程本身而言，种类繁多。按其工程类型分；有挖方（如渠道、基坑等）、填方（拦河坝、河堤、填方渠道等）及半挖半填（如半挖半填渠道）等。按其施工方法分：有人力施工、机械施工、爆破施工及水力机械施工等。对于工程数量大的大中型水利水电工程亦可采取综合的施工方法。土方工程施工的特点是：工程量大，受外界干扰较多。例如：在高挖方中常遇到边坡稳定问题；在深挖方中常遇到地下水的困惑；气候因素往往使工期紧张。还有土质的差异、地形的陡缓都给施工带来诸多不利条件。应按实际情况，决定施工方法。

水利水电工程土方施工的基本过程一般是挖掘、运输、填筑三个主要工序， 这是本章第一至三节讲述的内容。

2．1 土的工程性质和分级

从广义的角度而言，土，包括土质土和岩石两大类。由于开挖的难易程度不同，水利水电工程中沿用十六级分类法时，通常把前I～Ⅳ级叫土(即土质土)，后面V～XⅥ级都叫做岩石。

2．1．1 土的工程性质 2．1．1．1 土的颗粒分类

根据土的颗粒级配，土可分为碎石类土、砂土和粘性土。按土的沉积年代，粘性土又可分为老粘性土，一般粘性土和新近沉积粘性土。按照土的颗粒大小 分类，又可分为块石、碎石、砂粒等，详见表2—1。

土的颗粒分类 表2－1 颗粒名称 漂石或块石 卵石或碎石 圆砾或角砾

2．1．1．2 土的松实关系

自然状态下的土，经开挖扰动之后，因土体变得松散而使体积增大，这种伯

粒径/㎜ ＞200 200～20 20～2.0 颗粒名称 砂粒 粉粒 粘粒 粒径/㎜ 2.0～0.05 0.05～0.005 ＜0.005 质叫做土的松散性，各种土的松散系数见相关表。

当自然状态的土挖松后，再经过人工或机械的碾压、振动，土可被压实，锣 如：在填筑拦河坝时，从土区取1m3的自然方，经过挖松运至坝体进行碾压后6<实体方，就小于原1m3的自然方。这种性质叫做土的可缩性。

在土方工程施工中，经常有三种土方的名称即：自然方、松方、实体方。它们之间有着密切的关系。

1．土的体积关系

土体在自然状态下是由土粒(矿物颗粒)、水和气体三相组成。当自然土体松动后，气体体积(即孔隙)增大，当土粒数量不变，原自然土体积V自<松动后的土体积V松；当经过碾压或振动后，气体被排出，则压实后的土体V实

对于砾、卵石和爆破后的块碎石，由于它们的块度大或颗粒粗，可塑性远小 于土粒，因而它们的压实方>自然方。单位体积土体的重量称为容重。

当1m3的自然土体松动后，土体增大了，因而单位体积的重量变轻了；再经过碾压或振动，使土粒紧密度增加，因而单位体积重量增大。

2．自然方和压实成品方的关系

在土方工程施工中，设计工程量为压实后的成品方，取料场的储量是自然方。在计算压实工程的备料量和运输量时，应该将二者之间的关系考虑进去，并考虑施工过程中技术处理、要求以及其它不可避免的各种损耗。水利水电系统在多年施工实践经验的基础上，在(水利水电建筑工程预算定额)中，提出了压实成品方与所需自然方的换算,该公式实践性很强，综合反映了土方施工中各方面的影响

因素。式中综合系数A考虑了施工中各种损失。它包括：坝上运输、雨后清理、边坡削坡、接缝削坡、施工沉陷、取土坑、试验坑和不可避免的压坏等损失因素。

2．1．2 土的工程分级

土的工程分级按照十六级分类法，前四级称为土。同一级土中各类土壤的特性有着很大的差异。例如坚硬粘土和含砾石粘土，前者含粘粒量(粒径<0．005mm)在50％左右，而后者含砾石量在50％左右。它们虽都属Ⅳ级土，但颗粒组成不同，开挖方法也不尽相同。在实际工程中，对土壤的特性及外界条件应在分级的基础上，进行分析研究认真确定土的级别。

2．2 土方开挖和运输

土方开挖和运输可分为人工挖、运和机械挖、运两种类型。本节重点讲述机械挖、运的施工方法。

2．2．1 人工土方开挖及运输的施工方法 2．2．1．1 人工开挖

人工开挖是较原始的施工方法，但在机械设备缺乏的小型农田水利工程或大中型工程中的某些辅助工程还时有采用。它是以人力用锹铣为工具，在开挖区按一定的施工程序，将土直接挖起装筐(车)，抬运或用架子车运至弃土区。由于要求不同，所采用方法也各异。例如：人工挖渠(河)道，纵向较长，应分段施工。分段长度按工程实际情况确定。开挖顺序应从下游段先行施工，向上游逐渐推进。每段开挖应从中心向两侧扩展，先深(中部预挖排水龙沟)后宽，分块分层开挖。

2．2．1．2 人工运输

人工开挖土方其运输配套设施应尽量采用革新机具或半机械化施工。 1．人工挑、抬及独轮车运输，前者地面坡度不应陡于1：7～1：5；后者不应陡于1：9—1：12。

2．架子车运输，轻便灵活，每车容量约0．1—0．2m3。平地运距以不超过 1km为宜；上坝运输当坡度陡于1：10时，应用爬坡机牵引上坡。

3．机动小型翻斗车运输：翻斗车斗容0．5—1．0m3，道路坡度不宜大于10%。

2．2．2 开挖机械的类型

在水利水电工程中常用的挖土机械有挖掘机、铲运机械等主要类型。挖掘机按I作机构的不同又分为单斗式和多斗式两类。铲运机械能综合完成挖土、运土和铺土等工作程序，它又分为拖式和自行式两种。另外还有推土机、装载机也是能连续挖运的一种机械。 2．2．2．1 单斗挖掘机

单斗式挖掘机是仅有一个铲土斗的挖掘机械，由行走装置、动力装置和工作装置三大部分组成。行走装置有履带式或轮胎式。常用的为履带式，它对地面的单位压力小，可在较软的地面上开行，但转移速度慢。动力装置有电动和内燃机两类，常用的为电动的，其效率高，操纵方便，但需要有电源。工作装置有正向铲、反向铲、拉铲和抓铲四类，前两类应用较广。工作装置可用钢索操纵或液压操纵。大、中型正向铲一般是钢索操纵的，小型正向铲和反向铲已趋向液压操纵。液压操纵的挖掘机结构紧凑、重量轻、传动平稳、操纵灵活、工作效率高、使用可靠。

挖土机的每一工作循环包括挖掘、回转、卸土和返回四个过程。它的生产率 主要决定于每斗的铲土量和每斗作业的延续时间。为了提高挖土机的生产率，除了工作面(指挖土机挖土时的工作空间，也称为掌子面)高度必须满足一次铲土能装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械的配合问题，应尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。 2．单斗反向铲挖掘机

目前常用的多是液压反铲。液压反铲最适于开挖停机面以下的土方，如基坑、渠道、管沟等的土方，但也可开挖停机面以上的土方，因此应用日益广泛。反铲的稳定性及铲土力均较正铲为小，适合挖I～Ⅱ类土，硬土须预松。一般砂砾石料开采也常用到反铲挖掘机。常用反铲的斗容量有0．5m3、1．0m3、1．6m3等数种，大的已超过3m’，最大挖土深度由4m至6．8m不等。反铲挖土可采用两种开挖方式：一种是挖掘机位于沟端倒退着进行开挖，称为沟端开行；另一种是挖掘机位于沟侧，行进方向与开挖方向垂直，称为沟侧开行。后者挖土的宽度与深度小于前者，但能将土弃于距沟边较远的地方。

此土粒表面束缚水的电分子力的影响也小得多。故其粘结力较土粒间的摩擦力要小得多。由于颗粒粗而不均匀，孔隙率比粘性土小，压缩性和膨胀性都不大。由于土粒表面电分子力弱，易于排水固结。这就不难解释非粘性土的容重常大于粘性土。在消耗相同压实功能的情况下，非粘性土能获得更大的密实度。施工中非粘性土的干容重超过2t／m3是常见的，而粘性土要达到1．8t／m3也较困难。

2．3．2 土料的压实

当土料由料场经过挖、运送到填筑面上以后，其施工程序包括基本作业和辅 助作业。基本作业为卸料、平料、压实；辅助作业为质量检查、刨毛、洒水、清理表面和接缝处理等。

2．3．2．1 铺 料

铺料包括卸料和平料两道工序。选择铺料方法主要考虑两个因素。一是铺 土层厚要均匀，二是对已压实合格的土料不产生剪力破坏。对于有防渗要求的粘性土，铺料时一般多用自卸汽车卸料配推土机平料。

为避免土体剪力破坏，必须采用进占法卸料铺土。所谓进占法，主要是要求载重汽车在刚铺好的松土上行驶、卸料，并应避免所有的载重车行驶在同一条车道上。由于碾压工具决定了粘性土的铺土厚度一般较薄，而推土机平土很容易产 生铺土厚度不均，造成局部虚土层的质量事故。解决这一关键环节的措施，首先 是要推土机的马力与汽车载重吨位相配合，以便做到随卸料、随散料、不积压；按方上料，根据每一填土区的面积和计划铺土厚度算出需卸料车数，并根据估算的每车土料所控制的面积，在填筑面上均匀卸料；推土机平料过程中应及时检查铺土厚度，发现厚薄不均的部位应及时处理。另外在岸坡、搭接等部位，应辅以人工仔细平土。对于无粘性砂砾料的铺料方法也多用自卸汽车卸料配推土机平料。由于砂粒料的粒径一般较小，推土机很容易在松料堆上平土，因此可采用常规的后退法卸料、铺料。砂砾料中含有特大粒径的蛮石(如0．5～1．0m)时，应清除至填筑体以外，以免局部松散甚至空洞，造成隐患。当采用铲运机铺料时，

铲运机平行于坝轴线依次卸料，从填筑面边缘逐行向内铺料，铺设到填筑面中心线(约一半宽度)后，铲运机反向运行，从另一半靠中心线已铺土料逐行向填筑面的另一半的外缘铺料。空机从刚填好的松土层上返回取土区。

2．3．2．2 压 实

压实工序是土工建筑物填筑的关键和施工中的核心。当完成铺料工序后，即可开始压实(或称碾压)。压实方法与填筑部位、土料性质、碾压机械的类型等有关，现介绍几种土料的压实方法。

1．粘性土的压实粘性土的压实通常采用羊足碾、凸块碾、气胎碾和夯板等机械。前几种属碾压式机械，实用于大面积的碾压部位。而夯板属于冲击式，在压实粘性土中多用于边、角等小范围部位。两种互补不足。羊足碾、凸块碾、汽胎碾可采取转圈套压法或进退错距法。

(1)转圈套压法：为单向开行，在工作段两端不停车，在机械转向的碾压部位产生重压过多，而四角又产生严重的漏压，质量难以保证。

(2)进退错距法：操作简便；碾压作业和铺土、质量检查等工序容易协调，便于分段流水作业，错距容易掌握，压实质量容易保证。这种方法使用比较广泛。 碾压段长度，按工程实际情况而定，一般取40m，最长可达到100m。采用进退错距的开行方式时，由于碾压的起始和终了的部位，按正常的错距法压不到要求的遍数，为避免漏压现象，在碾压带的两侧先往复压够遍数后，再进行错距碾压。 当分段碾压时，相邻两段(应设立标志，以便分区)交界带碾迹应彼此重叠，顺碾 压方向不得小于0．3～0．5m。当碾压两岸接坡或分缝处时，必须有专人指挥，保证必要的搭接宽度，防止漏压和损坏边坡。

(3)夯板夯实法：用打夯机夯实时，需严格控制含水量、铺土厚度、落距和套夯。当用夯板夯实粘粒含量高达40％以上的粘土或粉质粘土时，应特别注意夯实从一个方向有秩序的进行，以便使土体中的气体顺利排出。

2．砾质土的压实

砾质土的碾压设备以气胎碾、羊足碾和夯板为宜。尤以气胎碾最优。当砾质土含砾石量高达50％左右时，羊足碾则不适合。夯板最适宜于夯实砾质土坝壳。其压实方法与粘性土相同。

3．堆石、砂砾料的压实

对于堆石、砂砾料等无粘性土的压实，可采用振动碾、夯板，尤其是重型振动碾，当砂砾料充分洒水的情况下，能达到很高的相对密度。对于压实标准要求较低的砂砾料，也可用气胎碾、拖拉机履带来压实，但铺料厚度只能达30～40cm。 对于堆石的压实，宜采用重型振动碾压实。其施工方法简单，一般采用前进后退碾压法。国内外的施工经验，堆石的碾压遍数一般为4—6遍。另外人工夯实多应用在小型农田水利工程土方填筑上。人工夯种类繁多，如石滚夯等。在夯击时，均采用连环套打法；

2．3．2．3 土料压实的辅助作业 1．填土结合层面的刨毛处理

当使用平碾、气胎碾等机械时，填土面将形成光滑的表面。铺土前必须刨毛1～2cm深。

2．填筑面土料含水量的调整

调整含水量一般应在料场进行，但当填筑面的土料含水量小于碾压施工含水量2％左右时，可在填筑面上直接用洒水汽车洒水。加水后的土料一般应用圆盘耙或三铧犁使其掺合均匀。当土料的含水量大于施工控制含水量的上限1％时，碾压前可用圆盘耙或、三铧犁在填筑面翻晒，以降低土料的含水量。

3．填筑体接缝处理

填筑体的横向接缝之接合坡度不应陡于1：3。接缝坡度应自上而下削坡，削坡合格后，要控制含水量使其为施工含水量范围的上限。

4．质量检查

在填筑过程中，应对铺土厚度，土块大小、含水量、干容重与压实层结合情

况等进行检查，看是否符合要求。

2．3．3 压实机械及其选择

土工建筑物填筑的施工，历来都是采取分层压实的方法。现将几种常用的压实机械及其选择分述如下：

2．3．3．1 羊足碾

羊足碾的碾压滚筒设有交错排列的羊足，在滚筒的侧面设有加载孔，加载量根据设计需要确定。加载物料可以是铸铁块也可以是砂砾石。滚筒用框架支撑，与牵引的拖拉机用杠辕相连。在国内外土工建筑物粘性上填筑时，广泛采用羊足 碾压实。另外在压实过程中羊足对表土还有翻松的作用，无需刨毛就能保证土料层间的良好结合。用羊足碾压实非粘性土，由于羊足插入土后，其周围产生的挤压力会使非粘性土粒产生强烈的移动，而当羊足出土时形成翻松现象，达不到较好的压实效果。因此，用羊足碾压实非粘性土是不适宜的。

2．3．3．2 气胎碾

气胎碾分单轴和双轴面种。单轴的主要构造是由装载荷重的金属车箱和装在轴上的4～6个气胎组成。碾压时在金属车箱内加载并同时将气胎充气至设计压力。

气胎碾压实的最大特点，就是它能够改变轮胎的充气压户来调节接触应力，以适应压实不同性质土料的要求。所以气胎碾既适于压实粘性土，也适于压实非粘性土。

2．3．3．3 振动碾

振动碾是一种振动和碾压相结合的压实机械，它是由柴油机带动与机身相连的轴旋转，使装在轴上的偏心块也旋转，迫使碾滚产生高频振动。振动在土石料压实中，起着重要的作用。因为土石料在周期性的振动力作用下，其颗粒也随之振动，同时颗粒之间摩阻力迅速降低，产生强烈的相对位移，并在颗粒自重和碾重的作用下，使土石料得到压实。

振动碾压实土料的厚度，不仅取决于振动碾的自重，而且与振动力有关。一般其振动力为碾重的1—4倍，平均约为2．5倍。目前重型振动碾的压实厚度已超过1m以上。振动碾结构简单，制作方便，成本较低、生产率高是压实非粘性土石料的高效压实机械。 2．3．3．4 夯实机械

夯实机械是借助于夯体下落的动能来压实土料的，它有大型夯和小型夯两种。夯实机械可用以夯实粘性土和非粘性土。用夯实机械压实土料的特点：大型夯能够夯实较厚的土料层，需要的工作面较小；小型夯能够夯实碾压机械不能压到的边角和接头部位。

2．3．3．5 压实机械的选择

压实机械的选择一般应通过野外碾压试验来确定。在初步选择时应考虑以下原则：

1．应以现实已有的压实机械为基础，不能片面追求大、洋、全的设施，否则会造成不应有的困难。

2．按设计标准和施工要求选择压实机械。

3．根据填筑土料的性质来选择压实机械。如粘性土宜用羊足碾、振动凸块碾、气胎碾或夯板来压实；砾质土宜用气胎碾、夯板压实；堆石宜用重型振动碾压实；对于块径较小的堆石、砂砾料可用振动碾、夯板压实。

4．按土料含水量来选择压实机械。对于含水量高于最优含水量1％一2％ 的土料，宜用气胎碾压实；低于最优含水量的重粘性土、硬粘性土，宜用重型羊足 碾、重型夯板压实；当含水量很高，只能采用轻型平碾压实。

5．当施工强度较大时，应优先考虑工效高、压实遍数少的气胎碾、振动碾作为压实机具。

6．当施工场面较狭小时，如建筑物的接触带周围、边角、拐角等，只能用小型夯进行夯实。

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