第三節 土石方工程

水利工程中，土石方工程應用非常廣泛。有些水工建筑物，如土壩、堆石壩、土堤、土渠等，幾乎全部都是土石方工程。它的基本施工過程是開挖、運輸和壓實。可根據實際情況采用人工、機械、爆破或水力沖填等方法施工。

一、土的施工分級和可松性

對土方工程施工影響較大的因素有土的施工分級與特性。

（一） 土的施工分級

土的施工分級的方法很多，在水利水電工程施工中，依據開挖方法、開挖難易、堅固系數等，將土石分為16級，其中土分為4級，巖石分為12級。土壤的工程分級見表45。

（二） 土壤的工程特性

（1）表觀密度。土壤表觀密度，就是單位體積土壤的重量。土壤保持其天然組織、結構和含水量時的表觀密度稱為自然表觀密度。單位體積濕土的重量稱為濕表觀密度。單位體積干土的重量稱為干表觀密度。它是體現黏性土密實程度的指標，常用它來控制壓實的質量。

（2）含水量。表示土壤空隙中含水的程度，常用土壤中水的重量與干土重量的百分比表示。含水量的大小直接影響黏性土壓實質量。

（3）可松性。自然狀態下的土經開挖后因變松散而使體積增大的特性，這種性質稱為土的可松性。土的可松性用可松性系數表示，即

式中 V₂——土經開挖后的松散體積，m³；

V₁——土在自然狀態下的體積，m³。

土的可松性系數，用于計算土方量、進行土方填挖平衡計算和確定運輸工具數量。各種土的可松性系數見表4 6。

（4）自然傾斜角。自然堆積土壤的表面與水平面間所形成的角度，稱為土自然傾斜角。挖方與填方邊坡的大小，與土壤的自然傾斜角有關。確定土體開挖邊坡和填土邊坡應慎重考慮，重要的土方開挖，應通過專門的設計和計算確定穩定邊坡。一般開挖安全邊坡可參考表4 7。

二、土石方開挖

土方開挖常用的方法有人工法和機械法，一般采用機械施工。用于土方開挖的機械有單斗挖掘機、多斗挖掘機、鏟運機械及水力開挖機械。

（一） 單斗挖掘機

單斗挖掘機是僅有一個鏟土斗的挖掘機械，如圖4 15所示。它由行走裝置、動力裝置和工作裝置三部分組成。行走裝置分為履帶式、輪胎式和步行式三類。履帶式是最常用的一種，它對地面的單位壓力小，可在各種地面上行駛，但轉移速度慢；動力裝置分為電動和內燃機驅動兩種，電動為常用形式，效率高，操作方便，但需要電源；工作裝置由鏟土斗、斗柄、推壓和提升裝置組成。按鏟土方向和鏟土原理分為正向鏟、反向鏟、拉鏟和抓鏟四種類型，如圖4 15所示。用鋼索或液壓操縱，鋼索操縱用于大中型正向鏟，液壓操縱用于小型正鏟和反鏟較多。

（1）正向鏟挖掘機。該種挖掘機，由推壓和提升完成挖掘，開挖斷面是弧形，最適于挖停機面以上的土方，也能挖停機面以下的淺層土方。由于穩定性好，鏟土能力大，可以挖各種土料及軟巖、巖碴進行裝車。它的特點是循環式開挖，由挖掘、回轉、卸土、返回構成一個工作循環，生產率的大小取決于鏟斗大小和循環時間長短。正鏟的斗容0.5～10m³，工程中常用斗容1～4m³。基坑土方開挖常采用正面開挖，土料場及渠道土方開挖常用側面開挖，還要考慮與運輸工具配合問題。常用正鏟挖掘機性能見表4 8。

（2）反向鏟挖掘機。能用來開挖停機面以下的土料，挖土時由遠而近，就地卸土或裝車，適用于中小型溝渠、清基、清淤等工作。由于穩定性及鏟土能力均比正鏟差，只用來挖Ⅰ～Ⅱ級土，硬土要先進行預松。反鏟的斗容有0.5m³、1.0m³、1.6m³幾種，目前最大斗容已超過3m³。在溝槽開挖中，在溝端站立倒退開挖，當溝槽較寬時，采用溝側站立，側向開挖。

（3）拉鏟挖掘機。拉鏟挖掘機的鏟斗用鋼索控制，利用臂桿回轉將鏟斗拋至較遠距離，回拉牽引索，靠鏟斗自重下切鏟土裝滿鏟斗，然后回轉裝車或卸土。挖掘半徑、卸土半徑、卸土高度較大，最適用于水下土砂及含水量大的土方開挖，在大型渠道、基坑及水下砂卵石開挖中應用廣泛。開挖方式有溝端開挖和溝側開挖兩種，當開挖寬度和卸土半徑較小時，用溝端開挖；開挖寬度大、卸土距離遠時，用溝側開挖。

（4）抓鏟挖掘機。抓鏟挖掘機靠鏟斗自由下落中斗辨分開切入土中，抓取土料合辨后提升，回轉卸土。適用于挖掘窄深型基坑或沉井中的水下淤泥開挖，也可用于散粒材料裝卸，在橋墩等柱坑開挖中應用較多。

（5）單斗挖掘機生產率。單斗挖掘機實用生產率可按式 （4 5）計算：

式中 n——設計每分鐘循環次數；

q——鏟斗容量，m³；

K₁——鏟斗充盈系數，正鏟取1；

K₂——卸土延誤系數，卸土堆為1.0，卸車為0.9；

K₃——時間利用系數，取0.8～0.9；

K₄——工作循環時間修正系數，K₄=1/（0.4A+0.6B）；

K₅——土壤可松性系數；

A——土壤級別修正系數，取1.0～1.2；

B——轉角修正系數，轉角90°時取1.0，100°～135°時取1.08～1.37。

挖掘機是土方機械化施工的主導機械，為提高生產率，應采取加長斗齒，減小切土阻力；合并一個工作循環各個施工過程，小角度裝車或卸土，采用大鏟斗；合理布置工作面和運輸道路；加強機械保養和維修，維持良好性能等措施。

（二） 多斗挖掘機

多斗挖掘機是有多個鏟土斗的挖掘機械，它能夠連續地挖土，是一種連續工作的挖掘機械，按其工作方式不同，分為鏈斗式和斗輪式兩種。

鏈斗式挖掘機最常用的型式是采砂船，如圖4 16所示。它是一種構造簡單，生產率高，適用于規模較大的工程，可以挖河灘及水下砂礫料的多斗式挖掘機械。采砂船工作性能見表4 9。

斗輪式挖掘機如圖4 17所示，斗輪裝在斗輪臂上，在斗輪上裝有7～8個鏟土斗，當斗輪轉動時，下行至拐彎時挖土，上行運土至最高點時，土料靠自重和旋轉慣性卸入受料皮帶上，轉送到運輸工具或料堆上。其主要特點是斗輪轉速較快，作業連續，斗臂傾角可以改變并作360°回轉，生產率高，開挖范圍大。

（三） 鏟運機械

鏟運機械是指用一種機械同時完成開挖、運輸和卸土任務，這種具有雙重功能的機械，常用的有推土機、鏟運機、裝載機、平土機等。

1.推土機

推土機是一種在履帶式拖拉機上安裝推土板等工作裝置而成的鏟運機械，是水利水電建設中最常用、最基本的機械，可用來完成場地平整，基坑、渠道開挖，推平填方，堆積土料，回填溝槽，清理場地等作業，還可以牽引振動碾、松土器、拖車等機械作業。它在推運作業中，距離不能超過60～100m，挖深不宜大于1.5～2.0m，填高小于2～3m。

推土機的基本構造如圖4 18所示。

2.鏟運機

鏟運機是一種能連續完成鏟土、運土、卸土、鋪土、平土等工序的綜合性土方工程機械，能開挖黏土、砂礫石等。適用于大型基坑、渠道、路基開挖，大型場地的平整、土料開采、填筑堤壩等。

鏟運機工作過程如圖4 19所示。

3.裝載機

裝載機具有作業速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優點，可以通過換裝不同的輔助裝置完成鏟、裝、推、起重、卸等作業，裝載機已成為工程建設中土石方施工的主要機械之一。

三、土料壓實

（一） 土料壓實基體理論

土是松散顆粒的集合體，其自身的穩定性主要取決于土料內摩擦力和黏結力。而土料的內摩擦力、凝聚力和抗滲性都與土的密實性有關，密實性越大，物理力學性能越好。例如：干表觀密度為1.4t/m³的砂壤土，壓實后若提高到1.7t/m³，其抗壓強度可提高4倍，滲透系數將降至原來的1/2000。由于土料壓實，可使壩坡加陡，減少工程量，加快施工進度。

土料壓實效果與土料的性質、顆粒組成與級配、含水量以及壓實功能有關。黏性土與非黏性土的壓實有顯著的差別。一般黏性土的黏結力較大，摩擦力較小，具有較大的壓縮性，但由于它的透水性小，排水困難，壓縮過程慢，所以很難達到固結壓實。而非黏性土料正好相反，它的黏結力小，摩擦力大，具有較小的壓縮性，但由于它的透水性大，排水容易，壓縮過程快，能很快達到密實。

土料顆粒大小與組成也影響壓實效果。顆粒越細，空隙比就越大，就越不容易壓實。所以黏性土壓實干表觀密度低于非黏性土壓實干表觀密度。顆粒不均勻的砂礫料，比顆粒均勻的砂礫料達到的干表觀密度要大一些。

含水量是影響黏土壓實效果的重要因素之一。當壓實功能一定時，黏土的干表觀密度隨含水量增加而增大，并達到最大值，此時的含水量為最優；大于此含水量后，干表觀密會減小，因此時土料逐漸飽和，外力被土料內自由水抵消。非黏性土料的透水性大，排水容易，不存在最優含水量，含水量不作專門控制。

壓實功能的大小，也影響著土料干表觀密度的大小。壓實功能增加，干表觀密度也隨之增大而最優含水量隨之減少。說明同一種土料的最優含水量和最大干表觀密度，隨壓實功能的改變而變化，這種特性對于含水量過低或過高的土料更為顯著。

（二） 土料壓實方法與機械

壓實方法按其作用原理分為碾壓、夯擊和振動三類。碾壓和夯擊用于各類土，振動法僅適用于砂性土。根據壓實原理，制成各種機械。常用的機械有羊腳碾、氣胎碾、振動碾、夯實機械。

1.羊腳碾

羊腳碾是碾的滾筒表面設有交錯排列的柱體，形若羊腳。碾壓時，羊腳插入土料內部，使羊腳底部土料受到正壓力，羊腳四周側面土料受到擠壓力，碾筒轉動時土料受到羊腳的揉搓力，從而使土料層均勻受壓，壓實層厚，層間結合好，壓實度高，壓實質量好，但僅適于黏土。非黏性土壓實中，由于土顆粒產生豎向及側向移動，效果不好。壓實原理如圖420所示。

羊腳碾壓實中，一種方式是逐圈壓實，即先沿填土一側開始，逐圈錯距以螺旋形開行逐漸移動進行壓實，機械始終前進開行，生產率高，適用于寬闊的工作面，并可多臺羊腳碾同時工作，但拐彎處及錯距交叉處易產生重壓和漏壓。另一種方式為進退錯距壓實，即沿直線前進后退壓實，反復行駛，達到要求后錯距，重復進行。這種方式壓實質量好，遍數好控制，但后退操作不便。

此法用于狹窄工作面。壓實遍數，由經驗可按土層表面被羊腳普遍壓過一遍就能滿足要求估算。壓實遍數可按式 （4 6）計算：

式中 S——碾筒表面面積，cm²；

F——羊腳的端面積，cm²；

M——羊腳的數量；

K——碾壓時羊腳在土料表面分布不均勻修正系數，一般取1.3。

2.氣胎碾

氣胎碾是利用充氣輪胎作為碾子，由拖拉機牽引的一種碾壓機械。這種碾子是一種柔性碾，碾壓時碾和土料共同變形，其原理如圖4 21所示。胎面與土層表面的接觸壓力與碾重關系不大，增加碾重 （可達幾十噸至上百噸），可以增加與土層的接觸面積，從而增大壓實影響深度，提高生產率。它既適用于黏性土的壓實，也可以壓實砂土、砂礫石、黏土與非黏性土的結合帶等。與羊腳碾聯合作業效果更佳，如氣胎碾壓實，用羊腳碾收面，有利于上下層結合；羊腳碾碾壓，氣胎碾收面，有利于防雨。

3.振動碾

振動碾是一種具有靜壓和振動雙重功能的復合型壓實機械。常見的類型是振動平碾，也有振動變形 （表面設凸塊、肋形、羊腳等）碾。它是由起振柴油機帶動碾滾內的偏心軸旋轉，通過連接碾面的隔板，將振動力傳至碾滾表面，然后以壓力波的形式傳到土體內部。非黏性土的顆粒比較粗，在這種小振幅、高頻率的振動力的作用下，摩擦力大大降低，由于顆粒不均勻，慣性力大小不同而產生相對位移，細粒滑入粗粒孔隙而使空隙體積減小，從而使土料達到密實。振動碾的構造如圖4 22所示。

由于振動力的作用，土中的應力可提高4～5倍，壓實層達1m以上，有的高達2m，生產率很高。可以有效地壓實堆石體、砂礫料和礫質土，也能壓實黏性土，是土壩砂殼、堆石壩碾壓必不可少的工具，應用非常廣泛。

4.夯實機械

夯實機械是一種利用沖擊能來擊實土料的一種機械，有強夯機、挖掘機夯板等，用于夯實砂礫料，也可以用于夯實黏性土。適于在碾壓機械難于施工的部位壓實土料。

（1）強夯機。強夯機是一種發展很快的強力夯實械機。它由高架起重機和鑄鐵塊或鋼筋混凝土塊做成的夯砣組成。夯砣的重量一般為10～40t，由起重機提升10～40m高后自由下落沖擊土層，影響深度達4～5m，壓實效果好，生產率高，用于雜土填方、軟基及水下地層。

（2）挖掘機夯板。挖掘機夯板是一種用起重機械或正鏟挖掘機改裝而成的夯實機械。其結構如圖4 23所示。夯板一般做成圓形或方形，面積約1m²，重量為1～2t，提升高度為3～4m。主要優點是壓實功能大，生產率高，有利于雨季、冬季施工。當石塊直徑大于50cm時，工效大大降低，壓實黏土料時，表層易發生剪力破壞，目前看有逐漸被振動碾取代之勢。

（3）蛙式打夯機。蛙式打夯機是利用沖擊和振動作用分層夯實回填土的一種小型壓實機械，主要用于工作面狹小部位或與其他結構的接觸部位。

（三） 壓實標準及參數確定

1.壓實標準

土料壓實越好，物理力學性能越高，壩體質量越有保證。但對土料過分壓實，不僅提高了費用，還會造成剪力破壞。因此，應確定合理的壓實標準。

（1）黏性土料。其壓實標準主要以壓實干表觀密度和施工含水量這兩個指標來控制。

1）壓實干表觀密度用擊實試驗來確定。我國采用擊實儀25擊 [89.75（t· m）/m³ ]作為標準壓實功能，得出一般不少于25～30組最大干表觀密度的平均值γ_dmax （t/m³）作為依據，從而確定設計干表觀密度γ_d（t/m³）：

式中 m——施工條件系數，一般Ⅰ、Ⅱ級壩及高壩采用0.97～0.99，中低壩采用0.95～0.97。

此法對大多數黏土料是合理的、適用的。但是，土料的塑限含水量、黏粒含量不同，對壓實度都有影響，應進行以下修正：①以塑限含水量為最優水量，由試驗從壓實功能與最大干密度與最優含水量曲線上初步確定壓實功能；當天然含水量與塑限含水量接近且易于施工時，以天然含水量做最優含水量確定壓實功能；②考慮沉降控制的要求，通過控制壓縮系數α=0.0098～0.0196cm²/kg確定干表觀密度。

2）施工含水量是由標準擊實條件時的最大干表觀密度確定的，而最大干表觀密度對應的最優含水量是一個點值，而實際的天然含水量總是在某一個范圍變動。為適應施工的要求，必須圍繞最優含量規定一個范圍，即含水量的上下限。即在擊實曲線上以設計干表觀密度值作水平線與曲線相交的兩點就是施工含水量的控制范圍，如圖4 24所示。

（2）砂土及砂礫石砂土及砂礫石的壓實程度與顆粒級配及壓實功能關系密切，一般用相對密度D_r表示。

式中 e_max——砂石料的最大孔隙比；

e_min——砂石料的最小孔隙比；

e——設計孔隙比。

在施工現場，當使用相對密度不方便時，可換算成相應的干表觀密度γ_P：

式中 γ_max——砂石料最大干表觀密，t/m³；

γ_min——砂石料最小干表觀密，t/m³。

在填方工程中，一級建筑物可取D_r=0.7～0.75，二級建筑物可取D_r=0.65～0.7。

（3）石碴及堆石體。石碴及堆石體作為壩殼填筑料，壓實指標一般用空隙率表示。根據國內外的經驗，碾壓式堆石壩壩體壓實后空隙率應小于30%，為了防止過大的沉陷，一般規定為22%～28%。上游主堆石區標準為21%～25%。

2.壓實參數確定

根據土料的性質、顆粒大小及組成、壓實標準等條件初步確定壓實機械的類型后，還應進一步確定壓實參數，使之經濟合理。最好的方法是進行現場碾壓試驗，確定施工控制含水量、鋪土厚度、壓實遍數。

3.壓實試驗

現場壓實試驗是土石壩施工中的一項技術措施。通過壓實試驗核實壩料設計填筑指標的合理性，作為選擇壓實機械類型、施工參數的依據。

土料的碾壓試驗，是根據已選定的壓實機械，來確定鋪土厚度、壓實遍數及相應的含水量。應選擇有代表性的土料，各料場如有差異應分別試驗。

試驗組合方法一般采用淘汰法，也叫逐步收斂法。此法每次變動一種參數，固定其他參數，通過試驗求出該參數的適宜值，依此類推。待各項參數選定后，用選定參數進行復核試驗。這種方法的優點是效果相同時試驗總數較少。