第三节 土石方工程
水利工程中，土石方工程应用非常广泛。有些水工建筑物，如土坝、堆石坝、土堤、土渠等，几乎全部都是土石方工程。它的基本施工过程是开挖、运输和压实。可根据实际情况采用人工、机械、爆破或水力冲填等方法施工。
一、土的施工分级和可松性
对土方工程施工影响较大的因素有土的施工分级与特性。
（一） 土的施工分级
土的施工分级的方法很多，在水利水电工程施工中，依据开挖方法、开挖难易、坚固系数等，将土石分为16级，其中土分为4级，岩石分为12级。土壤的工程分级见表45。
表4-5 土壤的工程分级
（二） 土壤的工程特性
（1）表观密度。土壤表观密度，就是单位体积土壤的重量。土壤保持其天然组织、结构和含水量时的表观密度称为自然表观密度。单位体积湿土的重量称为湿表观密度。单位体积干土的重量称为干表观密度。它是体现黏性土密实程度的指标，常用它来控制压实的质量。
（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与干土重量的百分比表示。含水量的大小直接影响黏性土压实质量。
（3）可松性。自然状态下的土经开挖后因变松散而使体积增大的特性，这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数表示，即
式中 V2——土经开挖后的松散体积，m3；
V1——土在自然状态下的体积，m3。
土的可松性系数，用于计算土方量、进行土方填挖平衡计算和确定运输工具数量。各种土的可松性系数见表4 6。
表4-6 土的容重和可松性系数
（4）自然倾斜角。自然堆积土壤的表面与水平面间所形成的角度，称为土自然倾斜角。挖方与填方边坡的大小，与土壤的自然倾斜角有关。确定土体开挖边坡和填土边坡应慎重考虑，重要的土方开挖，应通过专门的设计和计算确定稳定边坡。一般开挖安全边坡可参考表4 7。
表4 7 挖深在5m以内的窄槽未加支撑时的安全施工边坡
二、土石方开挖
土方开挖常用的方法有人工法和机械法，一般采用机械施工。用于土方开挖的机械有单斗挖掘机、多斗挖掘机、铲运机械及水力开挖机械。
（一） 单斗挖掘机
单斗挖掘机是仅有一个铲土斗的挖掘机械，如图4 15所示。它由行走装置、动力装置和工作装置三部分组成。行走装置分为履带式、轮胎式和步行式三类。履带式是最常用的一种，它对地面的单位压力小，可在各种地面上行驶，但转移速度慢；动力装置分为电动和内燃机驱动两种，电动为常用形式，效率高，操作方便，但需要电源；工作装置由铲土斗、斗柄、推压和提升装置组成。按铲土方向和铲土原理分为正向铲、反向铲、拉铲和抓铲四种类型，如图4 15所示。用钢索或液压操纵，钢索操纵用于大中型正向铲，液压操纵用于小型正铲和反铲较多。
（1）正向铲挖掘机。该种挖掘机，由推压和提升完成挖掘，开挖断面是弧形，最适于挖停机面以上的土方，也能挖停机面以下的浅层土方。由于稳定性好，铲土能力大，可以挖各种土料及软岩、岩碴进行装车。它的特点是循环式开挖，由挖掘、回转、卸土、返回构成一个工作循环，生产率的大小取决于铲斗大小和循环时间长短。正铲的斗容0.5～10m3，工程中常用斗容1～4m3。基坑土方开挖常采用正面开挖，土料场及渠道土方开挖常用侧面开挖，还要考虑与运输工具配合问题。常用正铲挖掘机性能见表4 8。
图4-15 单斗挖掘机
表4 8 正铲挖掘机工作性能
（2）反向铲挖掘机。能用来开挖停机面以下的土料，挖土时由远而近，就地卸土或装车，适用于中小型沟渠、清基、清淤等工作。由于稳定性及铲土能力均比正铲差，只用来挖Ⅰ～Ⅱ级土，硬土要先进行预松。反铲的斗容有0.5m3、1.0m3、1.6m3几种，目前最大斗容已超过3m3。在沟槽开挖中，在沟端站立倒退开挖，当沟槽较宽时，采用沟侧站立，侧向开挖。
（3）拉铲挖掘机。拉铲挖掘机的铲斗用钢索控制，利用臂杆回转将铲斗抛至较远距离，回拉牵引索，靠铲斗自重下切铲土装满铲斗，然后回转装车或卸土。挖掘半径、卸土半径、卸土高度较大，最适用于水下土砂及含水量大的土方开挖，在大型渠道、基坑及水下砂卵石开挖中应用广泛。开挖方式有沟端开挖和沟侧开挖两种，当开挖宽度和卸土半径较小时，用沟端开挖；开挖宽度大、卸土距离远时，用沟侧开挖。
（4）抓铲挖掘机。抓铲挖掘机靠铲斗自由下落中斗辨分开切入土中，抓取土料合辨后提升，回转卸土。适用于挖掘窄深型基坑或沉井中的水下淤泥开挖，也可用于散粒材料装卸，在桥墩等柱坑开挖中应用较多。
（5）单斗挖掘机生产率。单斗挖掘机实用生产率可按式 （4 5）计算：
式中 n——设计每分钟循环次数；
q——铲斗容量，m3；
K1——铲斗充盈系数，正铲取1；
K2——卸土延误系数，卸土堆为1.0，卸车为0.9；
K3——时间利用系数，取0.8～0.9；
K4——工作循环时间修正系数，K4=1/（0.4A+0.6B）；
K5——土壤可松性系数；
A——土壤级别修正系数，取1.0～1.2；
B——转角修正系数，转角90°时取1.0，100°～135°时取1.08～1.37。
挖掘机是土方机械化施工的主导机械，为提高生产率，应采取加长斗齿，减小切土阻力；合并一个工作循环各个施工过程，小角度装车或卸土，采用大铲斗；合理布置工作面和运输道路；加强机械保养和维修，维持良好性能等措施。
（二） 多斗挖掘机
多斗挖掘机是有多个铲土斗的挖掘机械，它能够连续地挖土，是一种连续工作的挖掘机械，按其工作方式不同，分为链斗式和斗轮式两种。
链斗式挖掘机最常用的型式是采砂船，如图4 16所示。它是一种构造简单，生产率高，适用于规模较大的工程，可以挖河滩及水下砂砾料的多斗式挖掘机械。采砂船工作性能见表4 9。
图4-16 链斗式采砂船
1—斗架提升索；2—斗架；3—链条和链斗；4—主动链轮；5—卸料漏斗；6—回转盘；7—主机房；8—卷扬机；9—吊杆；10—皮带机；11—泄水槽；12—平衡水箱
表4 9 采砂船工作性能表
斗轮式挖掘机如图4 17所示，斗轮装在斗轮臂上，在斗轮上装有7～8个铲土斗，当斗轮转动时，下行至拐弯时挖土，上行运土至最高点时，土料靠自重和旋转惯性卸入受料皮带上，转送到运输工具或料堆上。其主要特点是斗轮转速较快，作业连续，斗臂倾角可以改变并作360°回转，生产率高，开挖范围大。
图4-17 斗轮式挖掘机 （单位：mm）
1—斗轮；2—升降机构；3—司机室；4—中心料；5—卸料皮带机；6—双槽卸料斗；7—动力装置土机；8—履带；9—转台；10—受料皮带；11—斗轮臂
（三） 铲运机械
铲运机械是指用一种机械同时完成开挖、运输和卸土任务，这种具有双重功能的机械，常用的有推土机、铲运机、装载机、平土机等。
1.推土机
推土机是一种在履带式拖拉机上安装推土板等工作装置而成的铲运机械，是水利水电建设中最常用、最基本的机械，可用来完成场地平整，基坑、渠道开挖，推平填方，堆积土料，回填沟槽，清理场地等作业，还可以牵引振动碾、松土器、拖车等机械作业。它在推运作业中，距离不能超过60～100m，挖深不宜大于1.5～2.0m，填高小于2～3m。
推土机的基本构造如图4 18所示。
图4-18 推土机构造示意
1—推土板；2—液压油缸；3—推杆；4—引导轮；5—托架；6—支承轮；7—铰销；8—托带轮；9—履带架；10—驱动轮
2.铲运机
铲运机是一种能连续完成铲土、运土、卸土、铺土、平土等工序的综合性土方工程机械，能开挖黏土、砂砾石等。适用于大型基坑、渠道、路基开挖，大型场地的平整、土料开采、填筑堤坝等。
图4-19 铲运机工作过程示意
1—铲斗；2—行走装置；3—连挂装置；4—操纵装置；5—斗门；6—斗底和斗后壁
铲运机工作过程如图4 19所示。
3.装载机
装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，可以通过换装不同的辅助装置完成铲、装、推、起重、卸等作业，装载机已成为工程建设中土石方施工的主要机械之一。
三、土料压实
（一） 土料压实基体理论
土是松散颗粒的集合体，其自身的稳定性主要取决于土料内摩擦力和黏结力。而土料的内摩擦力、凝聚力和抗渗性都与土的密实性有关，密实性越大，物理力学性能越好。例如：干表观密度为1.4t/m3的砂壤土，压实后若提高到1.7t/m3，其抗压强度可提高4倍，渗透系数将降至原来的1/2000。由于土料压实，可使坝坡加陡，减少工程量，加快施工进度。
土料压实效果与土料的性质、颗粒组成与级配、含水量以及压实功能有关。黏性土与非黏性土的压实有显著的差别。一般黏性土的黏结力较大，摩擦力较小，具有较大的压缩性，但由于它的透水性小，排水困难，压缩过程慢，所以很难达到固结压实。而非黏性土料正好相反，它的黏结力小，摩擦力大，具有较小的压缩性，但由于它的透水性大，排水容易，压缩过程快，能很快达到密实。
土料颗粒大小与组成也影响压实效果。颗粒越细，空隙比就越大，就越不容易压实。所以黏性土压实干表观密度低于非黏性土压实干表观密度。颗粒不均匀的砂砾料，比颗粒均匀的砂砾料达到的干表观密度要大一些。
含水量是影响黏土压实效果的重要因素之一。当压实功能一定时，黏土的干表观密度随含水量增加而增大，并达到最大值，此时的含水量为最优；大于此含水量后，干表观密会减小，因此时土料逐渐饱和，外力被土料内自由水抵消。非黏性土料的透水性大，排水容易，不存在最优含水量，含水量不作专门控制。
压实功能的大小，也影响着土料干表观密度的大小。压实功能增加，干表观密度也随之增大而最优含水量随之减少。说明同一种土料的最优含水量和最大干表观密度，随压实功能的改变而变化，这种特性对于含水量过低或过高的土料更为显著。
（二） 土料压实方法与机械
压实方法按其作用原理分为碾压、夯击和振动三类。碾压和夯击用于各类土，振动法仅适用于砂性土。根据压实原理，制成各种机械。常用的机械有羊脚碾、气胎碾、振动碾、夯实机械。
1.羊脚碾
羊脚碾是碾的滚筒表面设有交错排列的柱体，形若羊脚。碾压时，羊脚插入土料内部，使羊脚底部土料受到正压力，羊脚四周侧面土料受到挤压力，碾筒转动时土料受到羊脚的揉搓力，从而使土料层均匀受压，压实层厚，层间结合好，压实度高，压实质量好，但仅适于黏土。非黏性土压实中，由于土颗粒产生竖向及侧向移动，效果不好。压实原理如图420所示。
羊脚碾压实中，一种方式是逐圈压实，即先沿填土一侧开始，逐圈错距以螺旋形开行逐渐移动进行压实，机械始终前进开行，生产率高，适用于宽阔的工作面，并可多台羊脚碾同时工作，但拐弯处及错距交叉处易产生重压和漏压。另一种方式为进退错距压实，即沿直线前进后退压实，反复行驶，达到要求后错距，重复进行。这种方式压实质量好，遍数好控制，但后退操作不便。
图420 羊脚碾压实原理
此法用于狭窄工作面。压实遍数，由经验可按土层表面被羊脚普遍压过一遍就能满足要求估算。压实遍数可按式 （4 6）计算：
式中 S——碾筒表面面积，cm2；
F——羊脚的端面积，cm2；
M——羊脚的数量；
K——碾压时羊脚在土料表面分布不均匀修正系数，一般取1.3。
2.气胎碾
气胎碾是利用充气轮胎作为碾子，由拖拉机牵引的一种碾压机械。这种碾子是一种柔性碾，碾压时碾和土料共同变形，其原理如图4 21所示。胎面与土层表面的接触压力与碾重关系不大，增加碾重 （可达几十吨至上百吨），可以增加与土层的接触面积，从而增大压实影响深度，提高生产率。它既适用于黏性土的压实，也可以压实砂土、砂砾石、黏土与非黏性土的结合带等。与羊脚碾联合作业效果更佳，如气胎碾压实，用羊脚碾收面，有利于上下层结合；羊脚碾碾压，气胎碾收面，有利于防雨。
图4-21 气胎碾压实应力分布图
3.振动碾
振动碾是一种具有静压和振动双重功能的复合型压实机械。常见的类型是振动平碾，也有振动变形 （表面设凸块、肋形、羊脚等）碾。它是由起振柴油机带动碾滚内的偏心轴旋转，通过连接碾面的隔板，将振动力传至碾滚表面，然后以压力波的形式传到土体内部。非黏性土的颗粒比较粗，在这种小振幅、高频率的振动力的作用下，摩擦力大大降低，由于颗粒不均匀，惯性力大小不同而产生相对位移，细粒滑入粗粒孔隙而使空隙体积减小，从而使土料达到密实。振动碾的构造如图4 22所示。
图4-22 振动碾构造示意
1—牵引挂钩；2—碾滚；3—轴；4—偏心块；5—轮；6—车架侧壁；7—隔板；8—弹簧悬架
由于振动力的作用，土中的应力可提高4～5倍，压实层达1m以上，有的高达2m，生产率很高。可以有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土，也能压实黏性土，是土坝砂壳、堆石坝碾压必不可少的工具，应用非常广泛。
4.夯实机械
夯实机械是一种利用冲击能来击实土料的一种机械，有强夯机、挖掘机夯板等，用于夯实砂砾料，也可以用于夯实黏性土。适于在碾压机械难于施工的部位压实土料。
（1）强夯机。强夯机是一种发展很快的强力夯实械机。它由高架起重机和铸铁块或钢筋混凝土块做成的夯砣组成。夯砣的重量一般为10～40t，由起重机提升10～40m高后自由下落冲击土层，影响深度达4～5m，压实效果好，生产率高，用于杂土填方、软基及水下地层。
图4-23 挖掘机夯板示意
1—夯板；2—控制方向杆；3—支杆；4—起重索；5—定位杆
（2）挖掘机夯板。挖掘机夯板是一种用起重机械或正铲挖掘机改装而成的夯实机械。其结构如图4 23所示。夯板一般做成圆形或方形，面积约1m2，重量为1～2t，提升高度为3～4m。主要优点是压实功能大，生产率高，有利于雨季、冬季施工。当石块直径大于50cm时，工效大大降低，压实黏土料时，表层易发生剪力破坏，目前看有逐渐被振动碾取代之势。
（3）蛙式打夯机。蛙式打夯机是利用冲击和振动作用分层夯实回填土的一种小型压实机械，主要用于工作面狭小部位或与其他结构的接触部位。
（三） 压实标准及参数确定
1.压实标准
土料压实越好，物理力学性能越高，坝体质量越有保证。但对土料过分压实，不仅提高了费用，还会造成剪力破坏。因此，应确定合理的压实标准。
（1）黏性土料。其压实标准主要以压实干表观密度和施工含水量这两个指标来控制。
1）压实干表观密度用击实试验来确定。我国采用击实仪25击 [89.75（t· m）/m3 ]作为标准压实功能，得出一般不少于25～30组最大干表观密度的平均值γdmax （t/m3）作为依据，从而确定设计干表观密度γd（t/m3）：
式中 m——施工条件系数，一般Ⅰ、Ⅱ级坝及高坝采用0.97～0.99，中低坝采用0.95～0.97。
此法对大多数黏土料是合理的、适用的。但是，土料的塑限含水量、黏粒含量不同，对压实度都有影响，应进行以下修正：①以塑限含水量为最优水量，由试验从压实功能与最大干密度与最优含水量曲线上初步确定压实功能；当天然含水量与塑限含水量接近且易于施工时，以天然含水量做最优含水量确定压实功能；②考虑沉降控制的要求，通过控制压缩系数α=0.0098～0.0196cm2/kg确定干表观密度。
2）施工含水量是由标准击实条件时的最大干表观密度确定的，而最大干表观密度对应的最优含水量是一个点值，而实际的天然含水量总是在某一个范围变动。为适应施工的要求，必须围绕最优含量规定一个范围，即含水量的上下限。即在击实曲线上以设计干表观密度值作水平线与曲线相交的两点就是施工含水量的控制范围，如图4 24所示。
图4-24 设计干表观密度与施工含水量范围
（2）砂土及砂砾石砂土及砂砾石的压实程度与颗粒级配及压实功能关系密切，一般用相对密度Dr表示。
式中 emax——砂石料的最大孔隙比；
emin——砂石料的最小孔隙比；
e——设计孔隙比。
在施工现场，当使用相对密度不方便时，可换算成相应的干表观密度γP：
式中 γmax——砂石料最大干表观密，t/m3；
γmin——砂石料最小干表观密，t/m3。
在填方工程中，一级建筑物可取Dr=0.7～0.75，二级建筑物可取Dr=0.65～0.7。
（3）石碴及堆石体。石碴及堆石体作为坝壳填筑料，压实指标一般用空隙率表示。根据国内外的经验，碾压式堆石坝坝体压实后空隙率应小于30%，为了防止过大的沉陷，一般规定为22%～28%。上游主堆石区标准为21%～25%。
2.压实参数确定
根据土料的性质、颗粒大小及组成、压实标准等条件初步确定压实机械的类型后，还应进一步确定压实参数，使之经济合理。最好的方法是进行现场碾压试验，确定施工控制含水量、铺土厚度、压实遍数。
3.压实试验
现场压实试验是土石坝施工中的一项技术措施。通过压实试验核实坝料设计填筑指标的合理性，作为选择压实机械类型、施工参数的依据。
土料的碾压试验，是根据已选定的压实机械，来确定铺土厚度、压实遍数及相应的含水量。应选择有代表性的土料，各料场如有差异应分别试验。
试验组合方法一般采用淘汰法，也叫逐步收敛法。此法每次变动一种参数，固定其他参数，通过试验求出该参数的适宜值，依此类推。待各项参数选定后，用选定参数进行复核试验。这种方法的优点是效果相同时试验总数较少。