第四章 土方工程()新.doc

第4章 土方工程本章要求：（一）了解土方施工分级和土的工程特性；（二）熟悉各种土方施工机械的特点，适用条件，土方挖运配套计算方法，挖运工作面布置等；（三）掌握土方压实原理，压实参数确定等；（四）了解土方工程在特殊季节：如冬季和雨季施工方法措施；（五）掌握土方施工的质量控制及施工安全技术。水利水电工程中，土方工程应用非常广泛。有些水工建筑物，如土坝、土堤、土渠等，几乎全部都是土方工程。其基本施工类型是挖方和填方；基本施工过程是开挖、运输和填筑。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。4.1 概述4.1.1 土的施工分级在水利水电工程施工中，根据开挖的难易程度，将土壤分为级，见表4-1。不同级别的土应采用不同的开挖方法，且施工挖掘时所消耗的劳动量和单价亦不同。表4-1 土壤的工程分级土质级别土壤名称自然湿密度外形特征开挖方法砂土种植土1.651.75疏松，黏着力差或容易透水，略有黏性用锹（有时略加脚踩）开挖壤土淤泥含根种植土1.751.85开挖能成块并易打碎用锹并用脚踩开挖黏土干燥黄土干淤泥含砾质黏土1.801.95粘手，干硬，看不见砂砾用镐、三齿耙或铁锹并用力加脚踩开挖坚硬黏土砾质黏土含卵石黏土1.902.1土壤结构坚硬，将土分裂后成块状或含黏粒、砾石较多用镐、三齿耙等工具开挖4.1.2 土的工程特性土的工程特性对土方工程的施工方法及工程进度影响较大。主要的工程性质有表观密度、含水量、可松性、自然倾斜角等。1. 表观密度。土壤表观密度就是单位体积土壤的质量。土壤保持其天壤组织、结构和含水量时的表观密度称为自然表观密度。单位体积湿土的质量称为湿表观密度。单位体积干土的质量称为干表观密度。表观密度是体现黏性土密实程度的指标，常用它来控制黏性土的压实质量。2. 含水量。含水量是土壤中水的质量与干土质量的百分比。它表示了土壤空隙中含水的程度，含水量的大小直接影响黏性土的压实质量。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，称为土的可松性。土的可松性用可松性系数Ks表示，即KsV2 /V1 （41）式中 V2土经开挖后的松散体积； V1 土在自然状态下的体积。土的可松性系数，可用于计算土方量、进行土方挖填平衡计算和确定运输工具数量。各种土的可松性系数见表4-2。表4-2 土的密度和可松性系数土的类别自然状态挖松后密度（t/m3）可松性系数密度（t/m3）可松性系数砂土壤土黏土砂砾土含砂砾壤土含砂砾黏土卵石1.651.751.751.851.801.951.902.051.852.001.902.101.952.151.01.01.01.01.01.01.01.501.551.651.701.601.651.501.701.701.801.551.751.701.901.051.151.051.101.101.201.101.401.051.101.101.351.154. 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，称为土的自然倾斜角。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方边坡应慎重考虑，对于重要的土方开挖边坡，应专门进行边坡稳定设计；对于中小型临时边坡，坡度可根据经验确定或参考4-3选用。表4-3 中小型土质边坡容许坡度值土的种类土料性质容许坡度值坡高5m坡高510m碎石土密实中密稍密1:0.351:0.501:0.501:0.751:0.751:1.001:0.501:0.751:0.751:1.001:1.001:1.25粉土饱和度Sr0.51:1.001:1.251:1.001:1.50黏性土坚硬硬塑1:0.751:1.001:1.001:1.251:1.001:1.251:1.251:1.50黄土按地质年代分为次生黄土Q4马兰黄土Q3离石黄土Q2午城黄土Q11:0.51:0.751:0.301:0.501:0.201:0.301:0.101:0.201:0.751:1.001:0.501:0.751:0.301:0.501:0.201:0.30注：应结合工程所在地水文、气象、施工方法等条件具体选定。土方的边坡开挖应采取自上而下、分区、分段、分层的方法依次进行，不允许先下后上切脚开挖；对于不稳定边坡的开挖，尽量避免采取爆破方式施工（冻土除外），边坡加固应及时进行；坡面开挖时，应根据土质情况，间隔一定的高度设置永久性戗台，戗台宽度视用途而定，台面横向应为反向排水坡，同时在坡脚设置护脚和排水沟；应严格施工过程质量控制，避免超、欠挖或倒坡；采用机械开挖时，应距设计坡面留有不小于20cm的保护层，最后用人工进行坡面修整。受施工条件等因素的制约，施工中经常会遇到不稳定边坡，应采取适当措施加以支护，以保证施工安全。支护主要由锚固、护面和支挡几种型式。其中，护面又有喷护混凝土、块石（或混凝土块）砌护、三合土挡护等方法，支挡又有扶壁、支墩、挡土墙（板、桩）等型式。4.2 土方开挖土方开挖常用的方法有人工开挖法和机械开挖法，一般采用机械开挖。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。4.2.1 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4-1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和轮胎式两种。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，电动为最常用形式，效率高，操作方便，但需电源。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铲、反铲、拉铲和抓铲四种类型，如图4-1所示，用钢索或液压操纵。钢索操纵用于大中型正铲，液压操纵用于小型正铲和反铲。1.正铲挖掘机正铲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，也能挖掘机面以下的浅层（12m）土方。由于稳定性好，铲土能力大可以挖各种土料及软岩、岩渣进行装车。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的长短。正铲的斗容从0.5m3至几十立方米不等，工程中常用14 m3。图4-1 单斗挖掘机（a）正铲挖掘机；（b）反铲挖掘机；（c）索铲挖掘机；（d）抓铲挖掘机正铲挖掘机开挖方式有以下两种：(1）正向开挖、侧向装土。正铲向前进方向挖土，汽车位于正铲的侧向装车，如图4-2所示。铲臂卸土回转角度小于90，装车方便，循环时间短，生产效率高，常用于土料场及渠道土方开挖 。图4-2 正向开挖、侧向装土法（a）正向开挖 （b）侧向卸土(2）正向开挖、后方装土。开挖工作面较大，但铲臂卸土回转角度大、生产效率降低，如图4-3所示。常用于基坑土方开挖。图4-3 正向开挖、后方装土法正铲挖掘机工作尺寸见图4-4，常用挖掘机性能见表4-4。图44 正铲挖掘机工作尺寸A停机面以下挖掘深度；R平停机面以上最大挖掘半径；R小停机面以上最小挖掘半径；R大最大挖掘半径；H最大挖掘半径时的挖掘高度；R最大挖掘高度时的挖掘半径； H大最大挖掘高度；r大最大卸土半径；h最大卸土半径时的卸土高度；r最大卸土高度时的卸土半径；h大最大装土高度表4-4 正铲挖掘机工作性能项目WD-50WD-100WD-200WD-300WD-400WD-1000铲斗容量（m3）0.51.02.03.04.010.0动臂长度(m)5.56.89.010.510.513.0动臂倾角（）60.060.050.045.045.045.0最大挖掘半径（m）7.29.011.614.014.418.9最大挖掘高度（m）7.99.09.57.410.113.6最大卸土半径（m）6.58.010.112.712.716.4最大卸土高度（m）5.66.86.06.66.38.5最大卸土半径时的卸土高度（m）3.03.73.54.95.8最大卸土高度时的卸土半径（m）5.17.08.712.415.7工作循环时间（s）28.025.024.022.02325卸土回转角度（）100120901001002.反铲挖掘机反铲挖掘机能用来开挖停机面以下的基坑（槽）或管沟通及含水量大的软土等，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，故只用来级土，硬土要先进行预松。反铲挖掘机开挖方法一般有以下几种：（1）端向开挖法。反铲停于沟端，后退挖土，同时往沟一侧弃土或装车运走。如图45（a）所示。（2）侧向开挖法。反铲停于沟侧沿沟边开挖，铲臂回转角度小，能将土弃于距沟边较远的地方，但挖土宽度比挖掘半径小，边坡不好控制，同时机身靠沟边停放，稳定性较差。如图45（b）所示。图45 反铲端向及侧向开挖法（a）端向开挖法 （b）侧向开挖法（3）多层接力开挖法。用两台或多台挖掘机设在不同作业高度上同时挖土，边挖土边将土传递到上层，再由地表挖掘机或装载机装车外运。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，回拉牵拉索，靠铲斗自重下切装满铲斗，然后回转装车或卸土。由于其挖掘半径、卸土半径、卸土高度较大，适用于类土开挖，尤其适合于深基坑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；当开挖宽度大，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瓣分开切入土中，抓取土料合瓣后提升，回转卸土。适用于开挖土质比较松软（类土）、施工面狭窄而深的基坑、深槽以及河床清淤等工程，最适宜于水下挖土，或用于装卸碎石、矿渣等松软材料，在桥墩等柱坑开挖中应用较多。抓铲能在回转半径范围内开挖基坑中任何位置的土方。2挖掘机生产率的计算（1）技术生产率 （42）式中 Pj挖掘机技术生产率，自然方，m3 /h； q铲斗几何容量，m3，查挖掘机技术参数； n挖掘机每分钟挖土次数，可根据表4-5进行换算； ks土壤可松性系数，见表4-2； kch铲斗充盈系数，见表46； ky挖掘机在掌子面内移动影响系数，根据掌子面宽度和爆堆高低而定，可取0.900.98； kz掌子面高低与旋转角大小的校正系数，见表47。表4-5 一次挖掘循环延续时间tx s铲斗类型挖掘机斗容（m3）0.81.52.03.04.06.09.5正铲1628162818281828203024342836反铲2433283730393646425043524656注 旋转角为90；开挖面高度为最佳值；易挖时取最大值，难挖时取最小值。表46 挖掘机铲斗充盈系数kch岩土名称kch岩土名称kch湿砂、壤土1.01.1中等密实含砾石黏土0.60.8小砾石、砂壤土0.81.0密实含砾石黏土0.60.7中等黏土0.751.0爆得好的岩石0.60.75密实黏土0.60.8爆得不好的岩石0.50.7表47 正铲挖掘机掌子面尺度校正系数kz最佳掌子面高度的百分比旋转角304560759012015018040%0.930.890.850.800.720.650.5960%1.101.030.960.910.810.730.6680%1.221.121.040.980.860.770.69100%1.261.161.071.000.880.790.71120%1.201.111.030.970.860.770.70140%1.121.040.970.910.810.730.66160%1.030.960.900.850.750.670.62注 1反铲可参照正铲参数选取；2最佳掌子面高度，查挖掘技术参数或使用说明书。（2）.实用生产率式中 Ps挖掘机实用生产率，m3 /台车；Pj挖掘机技术生产率，自然方，m3 /h；kt时间利用系数，见表48。表48 施工机械时间利用系数作业条件施工管理条件最好良好一般较差很差最好0.840.810.760.700.63良好0.780.750.710.650.60一般0.720.690.650.600.54较差0.630.610.570.520.45很差0.520.500.470.420.32（3）.提高挖掘机生产率的措施挖掘机是土方机械施工的主导机械，为提高生产率，应采取以下措施：加长斗齿，减小切土阻力；合并回转、升起、降落的操作过程，采用卸土转角小的装车或卸土方式，以缩短循环时间；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，维持良好的性能。4.2.2 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。1. 链斗式挖掘机链斗式挖掘机最常用的形式是采砂船，如图46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。采砂船工作性能见表4-9。图46 链斗式采砂船（a）侧视图 （b）正视图1斗架提升索；2斗架；3链条和链斗；4主动链轮；5泄料漏斗；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 采砂船工作性能项目链斗容量（L）160200400500理论生产率（m3/h）120150250750最大挖掘深度（m）6.57.012.020.0船身外廓尺寸（长宽高）（m）28.0582.431.982.352.212.43.569.9145.1吃水深度（m）1.01.12.03.12. 斗轮式挖掘机斗轮式挖掘机如图47所示，斗轮式挖掘机的斗轮装在斗轮臂上，在斗轮上装有78个铲土斗，当斗轮转动时，下行至拐角时挖土，上行运土至最高点时，土料靠自重和旋转惯性卸至受料皮带上，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3600回转，生产率高，开挖范围大。斗轮式挖掘机适用于大体积的土方开挖工程，且具有较高的掌子面，土料含水量不宜过大。多与胶带运输机配合作长距离运输。图47 斗轮式挖掘机（单位：mm）1斗轮；2升降机构；3司机室；4中心料斗；5卸料皮带机；6双槽卸料斗；7动力装置；8履带；9转台；10受料皮带机；11斗轮臂4.2.3铲运机械铲运机械是指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、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一种铲运机械，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60100m，挖深不宜大于1.52.0m，填高小于23m。推土机按安装方式分为固定式和万能式；按操纵方式分为钢索和液压操作；按行驶分为履带式和轮胎式。图4-8为国产移山-120型推土机的外形。图4-8 国产移山120（马力）型推土机 （单位：mm）1刀片；2推土机；3切土液压装置；4拖拉机固定式推土机的推土板，仅能上下升降，强制切土能力差，但结构简单，应用广泛，而万能式不仅能够升降，还可以左右、上下调整角度，用途较多。履带式推土机附着力大，可以在不良地面上作业；液压式推土机可以强制切土，重量轻，构造简单，操作方便。 推土机开挖的基本作业是铲土、运土、卸土三个工作行程和空载回行程。常用的作业方法如下： 1）槽形推土法。推土机多次重复在一条作业线上切土和推土，使地面逐渐形成一条浅槽，再反复在沟槽中进行推土，以减少土从铲刀两侧漏散，可提高工作效率10%30%。 2）下坡推土法。推土机顺着下坡方向切土与推运，借机械向下的重力作用切土，增大切土深度和运土数量，可提高生产率30%40%，但坡度不宜超过15，避免后退时爬坡困难。 3）并列推土法。用23台推土机并列作业，以减少土体漏失量。铲刀相距1530cm，平均运距不宜超过5070m ，亦不宜小于20m。 4）分段铲土集中推送法。在硬质土中，切土深度不大，将铲下的土分堆集中，然后再整批推送到卸土区。堆积距离不宜大于30m，堆土高度以2m以内为宜。 5）斜角推土法。将铲刀斜装在支架上或水平放置，并与前进方向成一倾斜角度进行推土。2.铲运机铲运机是一种能够连续完成铲运、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。适用于I级土，经济运距100500m。铲运机按牵引方式分为自行式和拖式；按操纵方式分为钢索和液压操纵；按卸土方式分为自由卸土、强制卸土和半强制卸土。其工作工程见图49。图49 铲运机工作过程示意图（a）铲土；（b）运土；（c）卸土1铲斗；2行走装置；3连挂装置；4操纵装置；5斗门；6斗底和斗后壁根据施工场地的不同，铲运机常用的开行路线有以下几种：1）椭圆形开行路线。从挖方到填方按椭圆形路线回转，适合于长100m内基坑开挖、场地平整等工程使用。2）“8”字形开行路线。即装土、运土和卸土时按“8”字形运行，可减少转弯次数和空车行驶距离，提高生产率，同时可避免机械行驶部分单侧磨损。3）大环形开行路线。从挖方到填方均按封闭的环形路线回转。当挖土和填土交替，而刚好填土区在挖土区的两端头，则可采用大环路线。4）连续式开行路线。铲运机在同一直线段连续地进行铲土和卸土作业，可消除跑空车现象，减少转弯次数，提高生产效率，同时还可使整个填方面积得到均匀压实。适合于大面积场地整平，且填方和挖方轮次交替出现的地段采用。为了提高铲运机的生产效率，通常采用以下几种方法：1）下坡铲土法。铲运机顺地势下坡铲土，借机械下行自重产生的附加牵引力来增加切土深度和充盈数量，最大坡度不应超过20，铲土厚度以20cm为宜。2）沟槽铲土法。在较坚硬的地段挖土时，采取预留土埂间隔铲土。土埂两边沟槽深度以不大于0.3m、宽度略大于铲斗宽度1020cm为宜。作业时埂与槽交替下挖。3）助铲法。在坚硬的土体中，使用自行式铲运机，另配一台推土机松土或在铲运机的后拖杆上进行顶推，协助铲土，可缩短铲土时间。每34台铲运机配置一台推土机助铲，可提高生产率30%左右。4.2.4 力开挖机械水力开挖主要有水枪开挖和吸泥船开挖两种。1.水枪开挖水枪开挖就是利用水枪喷嘴射出的高速水流切割土体形成泥浆，然后输送到指定地点的开挖方法。水枪可在平面上回转360，在立面上仰俯5060，射程达2030m，切割分解形成泥浆后，沿输泥沟自流或由吸泥泵经管道输送至填筑地点。利用水枪开挖土料场、基坑、节约劳力和大型挖运机械，经济效益明显。水枪开挖适于砂土、亚黏土和淤泥，可用于水力冲填筑坝。对于硬土，可先进行预松，以提高水枪挖土工效。2.吸泥船开挖吸泥船是利用挖泥船下的绞刀将水下土方绞成泥浆，由泥浆泵吸起经浮动输泥管运至岸上或运泥船上。4.3 土料压实4.3.1 土料压实基本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粒内摩擦力和粘结力。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，物理力学性能就越好。例如，干表观密度为1.4t/m3的砂壤土，压实后若能够提高到1.7t/m3，其抗压强度可以提高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，工程量减少，施工进度加快。土料压实效果与土料的性质、颗粒组成与级配、含水率以及压实功能有关。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，所以能很快达到密实。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。含水量是影响黏性土压实效果的重要因素之一。当压实功能一定时，黏性土的干表观密度随含水量的增大而增大，并达到最大值，此时的含水量为最优，大于此含水量后，干表观密度会减少，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，故对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。压实功能增大，干表观密度也随之增大，而最优含水量随之减小。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。4.3.2 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、振动碾和夯实机械。1.羊脚碾羊角碾是碾的滚筒表面设有交错排列的柱体，形似羊脚。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。羊脚碾压实层厚，层间结合好，压实度高，压实质量好，但仅适于黏性土。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。压实原理见图4-10。图4-10 羊脚碾压实原理 图4-11 气胎碾压实原理羊脚碾压实的方法有以下两种：1）回转套压法。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前进工作。但拐角处及错距交叉处易产生重压和漏压。2）进退错距法。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。此种方式压实质量好，遍数好控制，但后退操作不便，用于狭窄工作面。压实遍数可按下式计算： （43）式中 S碾筒表面面积，； F 羊脚的端面积，； 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.气胎碾气胎碾是由拖拉机牵引，以充气轮胎作为压实构件，利用碾的重量来压实土料的一种碾压机械。这种碾子是一种柔性碾，碾压时碾和土料共同变形，其原理见图4-11。胎面与土层表面的接触压力与碾重关系不大，可通过改变轮胎气压的方法来调节接触压力的大小，增加碾重（一般重量为830t，重型的可达到50200t），可以增加与土层接触面积，压实深度大，生产效率高，施工费用比凸块碾低。与刚性平碾相比，气胎碾压实效果较好。缺点是需加刨毛等工序，以加强碾压上下层的结合。气胎碾的适应范围广，对黏性土和非黏性土都能压实，在多雨地区或含水量较高的土料更能突出它的优点。其与羊脚碾联合作业效果更佳，如用气胎碾压实，如用气胎碾压实，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。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，摩擦力大大减小，由于颗粒不均匀，惯性力大小不同而产生相对位移，细粒滑入粗粒空隙而使空隙体积减小，从而使土料达到密实。因此，振动碾主要用于压实非黏性土。振动碾的构造见图4-12。由于振动力的作用，土中的应力可提高45倍，压实层达1m以上，有的高达2m，生产率很高。振动碾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。图4-12 振动碾构造示意图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4.夯实机械夯实机械是利用夯实机具的冲击力来压实土料的，由强夯机、挖掘机夯板等，用于夯实砂砾料，也可以夯实黏性土。适于在碾压机械难以施工的部位压实土料。（1）强夯机。是一种发展很快的强力夯实机械。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1040t，由起重机提升1040m高后自由下落冲击土层，影响深度达45m。压实效果好，生产率高，用于杂土填方、软基及水下地层。（2）挖掘机夯板。是一种用起重机械或正向铲挖掘机改装而成的夯实机械。其结构见图4-13。夯板一般做成圆形或方形。面积约1，重量为12t，提升高度为34m。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，压实黏性土料时，表层容易发生剪切破坏，有逐渐被振动碾取代之势。图4-13 挖掘机夯板示意图1夯板；2控制方向杆；3支杆；4起重索；5定位杆4.3.3 压实标准、压实参数确定及压实试验1.压实标准土料压实越好，其物理力学性能越好，坝体质量就越有保证。但对土料过分压实，不仅提高了费用，还会造成剪切破坏。因此，应确定合理的压实标准。(1)黏性土料粘性土料的压实标准，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（89.75tm/）作为标准压实功能，得出一般不少于2530组最大干密度的平均值（t/）作为依据，从而确定设计干密度（t/）：=m （44）式中 m施工条件系数，一般、级坝及高坝，采用0.970.99，中低坝采用0.950.97。这种方法对大多数粘性土料是合理的、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：以塑限含水量为最优含水量，由试验从压实功能与最大干表观密度和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，以天然含水量作为最优含水量确定压实功能；考虑沉降控制的要求，通过控制压缩系数=0.00980.0196c/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，但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范围内变化。为适应施工的要求，必须围绕最优含水量规定一个范围，即含水量的上下限。即在击实曲线上，以设计干表观密度值做水平线，与曲线相交的两点就是施工含水量的控制范围。如图4-14所示。图4-14 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，一般用相对密度表示。 （45）式中 砂石料的最大孔隙比； 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（t/）： =/-（-） （46）式中 砂石料最大干表观密度，t/； 砂石料最小干表观密度，t/。在填方工程中，一级建筑物可取=0.70.75，二级建筑物可取=0.650.7。(3)石渣及堆石体石渣及堆石体作为坝壳填筑料，压实标准一般用空隙率表示。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%,为了防止过大的沉降，一般规定为22%28%。上游主堆石区标准为21%25%。2压实参数确定压实参数包括碾压机具重量、含水量、碾压遍数及铺土厚度等。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，使之达到经济合理。最好的方法是进行现场碾压试验，确定施工控制含水量、铺土厚度和压实遍数。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和施工参数的依据。土料的压实试验，是根据已选择的压实机械，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。实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，依次类推。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。试验场地应平坦、坚实，靠近水源，地形开阔，有水电附属设施。用试验土料先在地基上铺筑一层，压实到设计标准，将这一层作为基层，然后在上面进行碾压试验。试验区的面积，每个试验组合面积为：黏土不小于5m2m(长宽)；砾石土、风化砾石土、砂及砂砾不小于4m8m；卵漂石、堆石料不小于6m10m。由于碾压时产生侧向挤压，因此试验区的两侧应各留出一个碾宽，试验区的两端各留45m（黏土）或810m（堆石坝）作为非试验区，以满足停车和错车的要求。一般一场试验可完成十几或几十个组合试验。淘汰法每场只变动一种参数，一般一场试验布置个组合试验，黏性土及堆石料一场试验布置如图415、图416所示。图4-15 黏性土压实试验场地布置 图4-16 堆石料压实试验场地布置按不同压实遍数（n）、不同铺土厚度（h）和不同含水量（W）进行压实、取样。每一个组合取样数量为：黏土、砂砾石1015个；砂及砂砾68个；堆石料不少于3个。分别测定干表观密度、含水率和颗粒级配。可绘出不同铺土厚度时压实遍数、干表观密度与含水量关系曲线，见图417。根据上述关系曲线，可作h、n、关系曲线，如图418所示。图4-17 铺土厚度、压实遍数 图4-18 铺土厚度、压实遍数与与干表观密度、含水量关系曲线 最大干密度、最优含水量关系曲线在图418曲线上，根据设计干表观密度，分别查取不同铺土厚度所需的碾压遍数a、b、c及相应的最优含水量d、e、f。然后计算压实遍数与铺土厚度的比值，即a/、b/和c/，取最小者。因为单位铺土厚度的压实遍数最少，需要压实功能最小，最经济合理。确定了合理的压实参数后，将选定的含水量控制范围与天然含水量比较，看是否便于施工控制，否则，应适当改变含水量或其他参数再进行试验。4.4 土方特殊季节施工4.4.1 土方冬季施工冬季土方施工，由于0以下冻结，注意防冻和保温措施。1防冻：降低土埌中的含水量，挖排水沟、截水沟,使土中含水量到塑限0.9倍，施工中不再加水，其中冻土块不超过15%，冻土块粒径d 铺土厚，且连续作业，加1%食盐等措施，可使施工继续在-12的条件下进行。下层未冻前迅速复盖上一层，及时清除冻土，有利防止土料冻结。水利水电工程建设强制性标准SDJ213-83第8.3.5条规定，负温下填筑，应做好压实土层防冻保温工作，避免土层冻结。均质坝体及心墙、斜墙等防渗体不得冻结，否则必须将冻结部分挖除。2保温：（1）复盖隔热材料；在填筑压实土体表面加一层保温复盖层，以免冻结。（2）松土：在填筑土层表面层刨松，使表面松土对下层土层达到保温作用，防止下层冻结。（3）加热：在重要关键部位可考虑采用加热防冻措施。4.4.2 雨季施工雨季施工，注意排水和防雨措施，首先根据工程进展、施工要求及气候变化等，制订施工组织设计，取土场高程不被水淹、土料储备满足需要，并修建排水设施。如若土场含水量偏高，应采取翻晒处理，或轮换掌子面的办法，使土料含水量降到规定的范围内。另外在含水量偏高的土料中掺入干土料掺含搅拌均匀后上坝填筑。再就是在土料场采用防雨措施，搭盖防雨棚，以防雨水淋湿土场。4.5 土方工程施工质量控制及施工安全技术施工质量检测与控制是土方工程质量和安全的重要保证，它贯穿于施工的各个环节和施工全过程。它包括料场和坝面的质检与控制。4.5.1 料场的质量检测与控制首先对料场规划，对料场质与量要保证满足要求，量方面要求实际开采总量与 体填筑量之比一般为：土料22.5，砂砾料1.52，水下砂砾料23，石料1.52，反滤料为筛后有效方量不少于3。料场规划还应从空间（上下游、左右岸，不同高程）和时间（季节、雨季、汛期、非汛期）上进行规划。对料场质量检查与控制从以下几方面进行：1对土料场应经常检查所取土料的土质情况、土质大小、杂质含量和含水量等。其中含水量的检查和控制尤为重要。2若土料的含水量偏高，一方面应改善料场的排水条件和采取防雨措施，另一方面需将含水量偏高的土料进行翻晒处理，或采取轮掌子面的办法，使土料含水量降低到规定范围再开挖。3当含水量偏低时，对于黏性土料应考虑在料场加水。料场加水的有效方法是采用分块筑畦埂，灌水浸渍，轮换取土。地形高差大也可采用喷灌机喷洒。无论哪种加水方式，均应进行现场试验。对非黏性土料可用洒水车在坝面喷洒加水，避免运输时从料场至坝上的水量损失。4当土料含水量不均匀时，应考虑堆筑“土牛”（大土堆），使含水量均匀后再外运。4.5.2 坝面的质量检查和控制1在坝面作业中，应对铺土厚度、土块大小、含水量、压实后的干密度等进行检查，并提出质量控制措施。对黏性土、含水量的检测是关键，可用含水量测定仪测定。干密度的测定，黏性土一般可用体积为200500cm3的环刀测定；砂可用体积为500cm3的环刀测定；砾质土、砂砾料、反滤料用灌水法或灌砂法测定；堆石因其空隙大，一般用灌用法测定。当砂砾料因缺乏细料而架空时，也用灌用法测定。2根据地形、地质、坝料特性等因素，在施工特征部位和防渗体中，选定一些固定取样断面，沿坝高510m，取代表性试样（总数不宜少于30个）进行室内物理力学性能试验，作为核对设计及工程管理之根据。此外，还须对坝面、坝基、削坡、坝肩接合部、与刚性建筑物连接以及各种土料的过渡带进行检查。对土层层间结合处是否出现光面和剪力破坏应引起足够重视，认真检查。对施工中发现的可疑问题。如上坝土料的土质、含水量不符合要求，漏压或碾压遍数不够，超压或碾压遍数过多，铺土百度不均匀及坑洼部位等，应进行重点抽查，不合格的应进行返工。3对于反滤层、过渡层、坝壳等非黏性土的填筑，主要应控制压实参数。在填筑排水反滤层过程中，每层在25m25m的面积内取样12个；对条形反滤层，每隔50m设一取样断面，每个取样断面每层取样不得少于4个，均匀分布在断面的不同部位，且层间取样位置应彼此对应。对于反滤层铺填的厚度、是否混有杂物、填料的质量及颗粒级配等应全面检查。通过颗粒分析，查明反滤层的层间系数（）和每层的颗粒不均匀系数（）是否符合设计要求。如不符要求，应重新筛选，重新铺填。4土坝的堆石棱体与堆石体的质量检查大体相同。主要应检查上坝石料的质量、风化程度、石块的重量、尺寸、形状、堆筑过程有无离析架空现象发生等。对于堆石的级配、孔隙率大小，应分层分段取样，检查是否符合规范要求。随坝体的填筑应分层埋设沉降管，对施工过程中坝体的深陷进行定期观测，并作出深陷随时间的变化过程线。5对于坝体填料的质量检查记录，应及时整理，分别编号存档，编制数据库，即作为施工过程全面质量管理的依据，也作为坝体运行后进行长期观测和事故分析的佐证。6根据水利水电工程建设强制性标准（1）埧体填筑要求1）防渗体填筑，应逐层取样检测合格后，方可继续铺填。反滤料、埧壳砂砾料和堆石料的填筑，应逐层检查埧层料质量、铺料厚高、洒水量、严格控制压实参数，经检合格方可继续填筑。2）防渗体与两岸坡及上下游反滤料必须平起施工。3）雨后复工处理要彻底，防渗体表层清渍水，清除混杂活染土，再翻松、晾晒使土料含水量达标。4）埧基填筑应在冻结前处理好，并预先填12m松土或其它防冻措施，防止埧基冻结。若有部分埧基冻结，需仔细检查。如粘性土含水率小于塑限，砂砾地基冻结后无显著冰夹层和冻胀现象，经监理批准方可继续填筑。5）土层中严禁夹冰雪，不得含冻块。必要时减薄层厚，加大压实功能，保证达设计要求。下雪后复工前应清理埧面积雪，检查合格后方可复工。（2）结合部位处理：1）防渗体与埧基结合部位应控制含水量与压实卸接处理好；2）防渗体与岸坡结合部位宜选粘土，薄层小机具压实，严禁漏欠压，搭接不小于1m，采用缓坡连接。铺料前应刨毛或洒水。3）施工质量控制要求：见表4-10表4-10 埧冻压实检查次数埧料类别及部位检查项目取样（检测）次数防渗体粘性土边角夯实部位干密度、含水率2-3次/层碾压面1次/100-200m3均质埧1次/200-500m3砾质土边角夯实部位