第01章 水利工程施工土方工程課件

1、水利工程工種施工-土方工程第一節(jié) 土的分級(jí)和特性 土方工程在水利水電工程施工中應(yīng)用非常廣泛，幾乎所有的水電工程都涉及土方工程。 一、土的工程性質(zhì) 土包括土質(zhì)土和巖石兩大類。水電工程中沿用十六級(jí)分類法，通常把前四級(jí)叫做土質(zhì)土（一般叫土），五級(jí)以上的都叫做巖石。 土的工程性質(zhì)指標(biāo)常用的有：密度、含水量、滲透性、可松性等。 （一）土的工程性質(zhì)指標(biāo) 1、密度（單位體積土壤的質(zhì)量） 自然密度：土壤保持自然組織、結(jié)構(gòu)和含水量的密度。 濕密度：單位體積濕土的質(zhì)量。 干密度：單位體積干土的質(zhì)量，是體現(xiàn)粘性土密實(shí)程度的指標(biāo)，常用于控制壓實(shí)質(zhì)量，如碾壓土石壩中應(yīng)用廣泛。 2、含水量 含水量是指土壤空隙中含水的程度

2、，常用土壤中水的質(zhì)量與干土的質(zhì)量的百分比表示。 含水量的大小直接影響粘性土的壓實(shí)質(zhì)量。 3、可松性 可松性是指自然狀態(tài)下的土壤開挖后體積增大的特性。常用可松性系數(shù)表示，即其中 V2-土經(jīng)開挖后的松散體積，m3; V1-土在自然狀態(tài)下的體積，m3; 可松性系數(shù)常用于計(jì)算土方量、土方挖填平衡計(jì)算和確定運(yùn)輸工具數(shù)量。12/VVK 各種土的可松性系數(shù)見書中表1-1。問題1: 通常情況下，壤土在（ ）情況下體積最小。 A 自然狀態(tài) B 挖松后 C 壓實(shí)后 4、自然傾斜角 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。 挖方和填方邊坡的大小與土壤的自然傾斜角有關(guān)。重要的土方開挖，應(yīng)通過專門的設(shè)計(jì)和

3、計(jì)算確定邊坡穩(wěn)定。如深基坑等。 挖深在5米以內(nèi)的窄槽未加支撐時(shí)的安全邊坡系數(shù)見表1-2。人工開挖時(shí)邊坡宜緩，機(jī)械開挖時(shí)邊坡可適當(dāng)陡些。 （二）土的顆粒分類 見表1-3顆粒名稱粒徑mm顆粒名稱粒徑mm漂石或塊石200砂粒2.0-0.05卵石或碎石200-20粉粒0.05-0.005圓礫或角礫20-2.0黏粒0.005 （三）土的松實(shí)關(guān)系 自然方、松方、實(shí)體方三種狀態(tài) 1、土的體積關(guān)系 對(duì)于可壓縮性的土體而言： V實(shí)V自V松 但是，對(duì)于爆破后的塊碎石，壓實(shí)方體積大于自然方。 典型土體的體積變化換算系數(shù)見表1-4 2、自然方和實(shí)體方的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式如下： V實(shí)-壓實(shí)后的實(shí)體方的體積，m3; V自-自然

4、方的體積，m3; A-綜合系數(shù)； d-設(shè)計(jì)干密度，KG/m3 o-未經(jīng)擾動(dòng)的自然干密度，KG/m3自實(shí)VAVd01001 上述公式中的綜合系數(shù)考慮了施工的各種損失。包括壩上運(yùn)輸、雨后清理、邊坡削坡等損失。綜合系數(shù)A參見下表。填筑料A填筑料A機(jī)械填筑混合壩壩體土料5.86人工填筑心墻土料 3.43機(jī)械填筑均質(zhì)壩壩體土料4.93壩體砂石料、反濾料2.2機(jī)械填筑心墻土料5.7壩體堆石料1.4人工填筑壩體土料3.43 （二）土的工程分級(jí) 具體見書中72頁，表3-1。 一、單斗挖掘機(jī) 單斗挖掘機(jī)是一種循環(huán)作業(yè)的施工機(jī)械，在土石方工程施工中最常見。按其行走機(jī)構(gòu)的不同，可分為履帶式和輪胎時(shí)；按其傳動(dòng)方式不同

5、，分機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種；按工作裝置不同分為正鏟、反鏟、拉鏟和抓鏟等(下圖)。 第二節(jié) 土方開挖1、正鏟挖掘機(jī)。（視頻） 如下圖，正鏟挖掘機(jī)由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、提升索等主要部分組成。 下圖為正鏟工作過程示意圖。每一工作循環(huán)包括挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料、返回四個(gè)過程。 根據(jù)掌子面布置的不同，正鏟挖掘機(jī)有不同的作業(yè)方式，如下圖所示。 2、反向鏟斗式挖掘機(jī) （視頻） 反鏟挖掘機(jī)為液壓操作方式，適用于停機(jī)面以下土方開挖。 反鏟挖掘機(jī)工作方式分為以下兩種： 溝端開挖 溝側(cè)開挖 （具體見下圖） 3、索鏟（拉鏟）挖掘機(jī) （視頻） 利用鋼索控制鏟斗，適用于水下土砂及含水量大的土方開挖。 4、抓鏟挖掘機(jī)（視頻） 靠鏟

6、斗自由落下切入土中抓取土料，適用于挖掘窄深型基坑或沉井中的水下淤泥開挖，也可用于橋墩等柱坑開挖。 5、單斗挖掘機(jī)生產(chǎn)率 單斗挖掘機(jī)的實(shí)用生產(chǎn)率可按下式計(jì)算 P=60nqK1K2K3K4/K5P單斗挖掘機(jī)實(shí)用生產(chǎn)率，m3/h; n設(shè)計(jì)每分鐘循環(huán)次數(shù)；q鏟斗容量，m3；K1鏟斗充盈系數(shù)，正鏟取1； K2卸土延誤系數(shù)，卸土堆為1.0，卸車為0.9；K3時(shí)間利用系數(shù)，取0.80.9；K4工作循環(huán)時(shí)間修正系數(shù)， K4=1/（0.4 +0.6 ）K5土壤可松性系數(shù)；土壤級(jí)別修正系數(shù)，取1.0 1.2；轉(zhuǎn)角修正系數(shù)，轉(zhuǎn)角90時(shí)取1.0，100 135 時(shí)取1.08 1.37 二、多斗挖掘機(jī) 多斗挖掘機(jī)是一種

7、連續(xù)作業(yè)的挖掘機(jī)械，按構(gòu)造不同，可分為鏈斗式和斗輪式兩類。鏈斗式采砂船（視頻）斗輪式挖掘機(jī)（視頻） 三、鏟運(yùn)機(jī)械 1、推土機(jī) 推土機(jī)是一種挖運(yùn)綜合作業(yè)機(jī)械。是在拖拉機(jī)上裝上推土鏟刀而成。按推土板的操作方式不同，可分為索式和液壓式兩種。索式推土機(jī)的鏟刀是借刀具自重切入土中，切土深度較?。灰簤和仆翙C(jī)能強(qiáng)制切土，推土板的切土角度可以調(diào)整，切土深度較大。因此，液壓推土機(jī)是目前工程中常用的一種推土機(jī)。(下圖)。 推土機(jī)（視頻） 2、鏟運(yùn)機(jī) 鏟運(yùn)機(jī)能獨(dú)立完成鏟土、運(yùn)土、卸土和平土作業(yè)，對(duì)行駛道路要求低，操作靈活，運(yùn)轉(zhuǎn)方便，生產(chǎn)效率高。(下圖)。 鏟運(yùn)機(jī)（視頻） 3、裝載機(jī) 裝載機(jī)是一種高效的挖運(yùn)綜合作業(yè)機(jī)

8、械。(下圖)。 裝載機(jī)（視頻） 四、水利開挖機(jī)械 1、水槍開挖 水槍開挖是利用水槍噴嘴噴射出的高速水流切割墻體形成泥漿，然后運(yùn)送到指定地點(diǎn)的開挖方法。水槍可在平面上回轉(zhuǎn)360，在立面上仰俯50 60 ，射程20 30m，切割分解形成泥漿后，沿輸泥溝自流或由吸泥泵經(jīng)管道輸送至填筑地點(diǎn)。利用水槍開挖土料場(chǎng)、基坑，節(jié)約勞動(dòng)力和大型機(jī)械，經(jīng)濟(jì)效益明顯。水槍開挖適于砂土、亞粘土和淤泥，可用于水力沖填筑壩。對(duì)于硬土，可先進(jìn)行預(yù)松，提高水槍挖土的工效。 四、水利開挖機(jī)械 2、吸泥船開挖 利用挖泥船下的絞刀將水下土方絞成泥漿，由泥漿泵吸起經(jīng)浮動(dòng)輸泥管運(yùn)至岸上或運(yùn)泥船。 吸泥船開挖視頻 五、運(yùn)輸機(jī)械 1、無軌運(yùn)

9、輸 自卸汽車運(yùn)輸優(yōu)點(diǎn)：操縱靈活、機(jī)動(dòng)性大、適應(yīng)各種復(fù)雜地形缺點(diǎn)：運(yùn)輸費(fèi)用高、維修要求高 拖拉機(jī)運(yùn)輸 履帶式：牽引力大，對(duì)道路要求低，對(duì)地面壓強(qiáng)小，但行駛速度慢，適用于運(yùn)距短、道路不良、汽車運(yùn)行困難的情況。輪胎式：行駛速度快，適用于運(yùn)距較大的情況。 2、有軌運(yùn)輸 側(cè)卸式V型翻斗車窄軌運(yùn)輸：工程施工所用的有軌運(yùn)輸均為窄軌鐵路，軌距：1000mm、762mm、610mm等。1000mm、762mm3m36m315m3可傾翻車箱機(jī)車牽引610mm0.6m31.5m3可傾鐵斗車人力推運(yùn)或電瓶車牽引 3、帶式運(yùn)輸機(jī)（視頻） 皮帶機(jī)運(yùn)輸特點(diǎn)：連續(xù)式運(yùn)輸設(shè)備，生產(chǎn)率高，機(jī)身結(jié)構(gòu)簡單、輕便，造價(jià)低；可做水平運(yùn)輸

10、，也可做斜坡運(yùn)輸，且可轉(zhuǎn)任何方向；在運(yùn)輸中途任何地點(diǎn)都可卸料適用范圍：地形復(fù)雜、坡度較大、通過比較復(fù)雜的地形和跨越溝壑的情況，特別適用于運(yùn)輸大量粒狀材料的情況。 4、索道運(yùn)輸適用：在地形崎嶇復(fù)雜的地區(qū)，特別是由高處向低處運(yùn)送材料時(shí)，利用料斗及材料自重沿索道下滑，不需要?jiǎng)恿?，更為?jīng)濟(jì)。第3節(jié) 土方壓實(shí)與季節(jié)性施工 一、土的壓實(shí)理論 填筑于土壩或土堤上的土方，通過對(duì)其壓實(shí)，可以達(dá)到以下目的：提高土體密度，提高土方承載能力；加大土壩或土堤坡角，減小填方斷面面積，減少工程量，從而減少工程投資，加快工程進(jìn)度；提高土方防滲性能，提高土壩或土堤的滲透穩(wěn)定性。 土體是三相體，即由固相的土粒、液相的水和氣相的空

11、氣所組成。通常土粒和水是不會(huì)被壓縮的，土料壓實(shí)的實(shí)質(zhì)是將水包裹的土粒擠壓填充到土粒間的空隙里，排走空氣占有的空間，使土料的空隙率減少，密實(shí)度提高。所以，土料壓實(shí)的過程實(shí)際上就是在外力作用下土料的三相重新組合的過程。 二、土料的壓實(shí)方法、壓實(shí)機(jī)械 （一）壓實(shí)方法 土料的物理力學(xué)性能不同，壓實(shí)時(shí)要克服的壓實(shí)阻力也不同。粘性土的壓實(shí)主要是克服土體內(nèi)的凝聚力，非粘性土的壓實(shí)主要是克服顆粒間的摩擦力。壓實(shí)機(jī)械作用于土體上的外力有靜壓碾壓、震動(dòng)碾壓和夯擊三種，如下圖。 靜壓碾壓：作用在土體上的外荷不隨時(shí)間而變化。 夯擊：作用在土體上的外力是瞬間沖擊力，其大小隨時(shí)間而變化。 震動(dòng)碾壓：作用在土體上的外力隨時(shí)

12、間作周期性的變化。 見下圖 （二）壓實(shí)機(jī)械 常用的壓實(shí)機(jī)械有平碾、肋形碾、羊角碾、氣胎碾、振動(dòng)碾、蛙夯，如下圖。特點(diǎn)：土料層能均勻受壓，壓實(shí)層厚，層間結(jié)合好，壓實(shí)度高，壓實(shí)質(zhì)量好。僅適用于黏土。特點(diǎn)：增加碾重可增加與土層的接觸面積，從而增大壓實(shí)影響深度，提高生產(chǎn)率。適用于黏土、砂土、砂礫石、黏土與非黏性土的結(jié)合帶的壓實(shí)。與羊腳碾聯(lián)合作業(yè)效果更佳。特點(diǎn)：由于振動(dòng)力的作用，土中的應(yīng)力可提高4-5倍，壓實(shí)層達(dá)1m以上，生產(chǎn)率高?？蓧簩?shí)堆石體、砂礫料和礫質(zhì)土，也能壓實(shí)黏性土。強(qiáng)夯機(jī)視頻特點(diǎn)：夯砣重量一般為10-40t，由起重機(jī)提升10-40m高后自由下落沖擊土層，影響深度達(dá)4-5m，壓實(shí)效果好，生產(chǎn)率

13、高，用于雜土填方軟基及水下地層。挖掘機(jī)夯板視頻特點(diǎn)：壓實(shí)功能大，生產(chǎn)率高，有利于雨季、冬季施工。 碾壓機(jī)械碾壓實(shí)土料的方法有兩種：圈轉(zhuǎn)套壓法和進(jìn)退錯(cuò)距法。 如下圖 （三）壓實(shí)機(jī)械的選擇 選擇壓實(shí)機(jī)械主要考慮以下原則。 (1)適應(yīng)筑壩材料的特性。粘性土應(yīng)優(yōu)先選用氣胎碾、羊腳碾；礫質(zhì)土宜用氣胎碾、夯板；堆石與含有特大粒徑(大于500mm)的砂卵石宜用震動(dòng)碾。 (2)應(yīng)與土料含水量、原狀土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。對(duì)含水量高于最優(yōu)含水量12%的土料，宜用氣胎碾壓實(shí)；當(dāng)重粘土的含水量低于最優(yōu)含水量，原狀土天然密度高并接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，宜用重型羊腳碾、夯板；當(dāng)含水量很高且要求的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)低時(shí)，粘性土也可

14、選用輕型的肋型碾、平碾。 (3)應(yīng)與施工強(qiáng)度大小、工作面寬窄和施工季節(jié)相適應(yīng)。氣胎碾、震動(dòng)碾適用于生產(chǎn)強(qiáng)度要求高和搶時(shí)間的雨季作業(yè)；夯擊機(jī)械宜用于壩體與岸坡或剛性建筑物的接觸帶、邊角和溝槽等狹窄地帶。冬季作業(yè)選擇大功率、高效能的機(jī)械。 最優(yōu)含水率:是指在一定功能的壓實(shí)（或擊實(shí)、或夯實(shí)）作用下，能使填土達(dá)到最大干密度（干容量）時(shí)相應(yīng)的含水率。 三、填土壓實(shí)的影響因素 壓實(shí)功 土的含水量 每層鋪土厚度 1.壓實(shí)功的影響 圖圖 土的密度與壓實(shí)功的關(guān)系示意圖土的密度與壓實(shí)功的關(guān)系示意圖 2.含水量的影響 含水量的大小直接影響碾壓(或夯實(shí))遍數(shù)和質(zhì)量。 較為干燥的土，由于摩阻力較大，而不易壓實(shí)； 當(dāng)土具

15、有適當(dāng)含水量時(shí)，土的顆粒之間因水的潤滑作用使摩阻力減小，在同樣壓實(shí)功作用下，得到最大的密實(shí)度，這時(shí)土的含水量稱做最佳含水量。 各種土的最佳含水量和最大干密度土的種類 變動(dòng)范圍 最佳含水量(%) (質(zhì)量比) 最大干密度 (g/cm3) 砂土 812 1.801.88 粘土 19231.581.70 粉質(zhì)粘土1215 1.851.95 粉土 1622 1.611.80 3.鋪土厚度的影響 在壓實(shí)功作用下，土中的應(yīng)力隨深度增加而逐漸減小，其壓實(shí)作用也隨土層深度的增加而逐漸減小。 各種壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)影響深度與土的性質(zhì)和含水量等因素有關(guān)。 對(duì)于重要填方工程，其達(dá)到規(guī)定密實(shí)度所需的壓實(shí)遍數(shù)、鋪土厚度等應(yīng)根

16、據(jù)土質(zhì)和壓實(shí)機(jī)械在施工現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)試驗(yàn)決定。若無試驗(yàn)依據(jù)應(yīng)符合表1.6的規(guī)定。 圖圖 壓實(shí)作用沿深度的變化壓實(shí)作用沿深度的變化填土施工時(shí)的分層厚度及壓實(shí)遍數(shù)填土施工時(shí)的分層厚度及壓實(shí)遍數(shù) 壓實(shí)機(jī)具 分層厚度(mm) 每層壓實(shí)遍數(shù) 平碾 250300 68 振動(dòng)壓實(shí)機(jī) 250350 34 柴油打夯機(jī) 200250 34 人工打夯 200 34 （一）土方冬季施工 水利水電施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范（SDJ 33889）規(guī)定：當(dāng)日平均氣溫低于0時(shí)，粘性土應(yīng)按低溫季節(jié)施工；當(dāng)日平均氣溫低于10時(shí)，一般不宜填筑土料，否則應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。土方工程冬季施工的中心環(huán)節(jié)是防止土料的凍結(jié)。通?？梢圆捎靡韵氯矫娴拇胧?/p>

17、 防凍、保溫、加熱 二、土方的季節(jié)性施工 1防凍 (1)降低土料含水量。在入冬前，采用明溝截、排地表水或降低地下水位，使砂礫料的含水量降低到最低限度；對(duì)粘性土將其含水量降低到塑限的90%以下，并在施工中不再加水。 (2)降低土料凍結(jié)溫度。在填土中加入一定量的食鹽，降低土料凍結(jié)溫度。 (3)加大施工強(qiáng)度，保證填土連續(xù)作業(yè)。采用嚴(yán)密的施工組織，嚴(yán)格控制各工序的施工速度，使土料在運(yùn)輸和填筑過程中的熱量損失最小，下層土料未凍結(jié)前被新土迅速覆蓋，以利于上下層間的良好結(jié)合。發(fā)現(xiàn)凍土應(yīng)及時(shí)清除。 塑限是指土由可塑狀態(tài)過渡到半固體狀態(tài)時(shí)的界限含水率 2、保溫 (1)覆蓋隔熱材料。對(duì)開挖面積不大的料場(chǎng)，可覆蓋樹

18、枝、樹葉、干草、鋸末等保溫材料。 (2)覆蓋積雪。積雪是天然的隔熱保溫材料，覆蓋一定厚度的積雪可以達(dá)到一定的保溫效果。 (3)冰層保溫。采取一定措施，在開挖土料表面形成1015cm厚度冰層，利用冰層下的空氣隔熱對(duì)土料進(jìn)行保溫。 (4)松土保溫。在寒潮到來前，對(duì)將要開采的料場(chǎng)表層土料翻松、擊碎，并平整至535cm厚，利用松土內(nèi)的空氣隔熱保溫。 一般來講，開采土料溫度不低于510，壓實(shí)溫度不低于2，便能保證土料的壓實(shí)效果。 3加熱 當(dāng)氣溫低、風(fēng)速過大，一般保溫措施不能滿足要求時(shí)，則采用加熱和保溫相結(jié)合的暖棚作業(yè)，在棚內(nèi)用蒸汽或火爐升溫。蒸汽可以用暖氣管或暖氣包放熱。暖棚作業(yè)費(fèi)用高，只有在冬季較長，工期很緊，質(zhì)量要求很高，工作面狹長的情況下使用。 （二）土方雨季施工 在多雨的地區(qū)進(jìn)行土方工程施工，特別是粘性土，常因含水量過大而影響施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。因此，規(guī)范要求：土料施工盡可能安排在少雨季節(jié)，若在雨季或多雨地區(qū)施工，應(yīng)選用合適的土料和施工方法，并采取可靠的防雨措施。 (1)改進(jìn)粘性土特性，使之適應(yīng)雨季作業(yè)。在土料中摻入一定比例的砂礫料或巖