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) 土的分級和特性 土方工程在水利水電工程施工中應用非常廣泛，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分類法，通常把前四級叫做土質(zhì)土（一般叫土），五級以上的都叫做巖石。 土的工程性質(zhì)指標常用的有：密度、含水量、滲透性、可松性等。 （一）土的工程性質(zhì)指標 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)粘性土密實程度的指標，常用于控制壓實質(zhì)量，如碾壓土石壩中應用廣泛。 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)常用于計算土方量、土方挖填平衡計算和確定運輸工具數(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。重要的土方開挖，應通過專門的設計和

3、計算確定邊坡穩(wěn)定。如深基坑等。 挖深在5米以內(nèi)的窄槽未加支撐時的安全邊坡系數(shù)見表1-2。人工開挖時邊坡宜緩，機械開挖時邊坡可適當陡些。 （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）土的松實關系 自然方、松方、實體方三種狀態(tài) 1、土的體積關系 對于可壓縮性的土體而言： V實V自V松 但是，對于爆破后的塊碎石，壓實方體積大于自然方。 典型土體的體積變化換算系數(shù)見表1-4 2、自然方和實體方的關系經(jīng)驗公式如下： V實-壓實后的實體方的體積，m3; V自-自然

4、方的體積，m3; A-綜合系數(shù)； d-設計干密度，KG/m3 o-未經(jīng)擾動的自然干密度，KG/m3自實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機械填筑混合壩壩體土料5.86人工填筑心墻土料 3.43機械填筑均質(zhì)壩壩體土料4.93壩體砂石料、反濾料2.2機械填筑心墻土料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 具體見書中72頁，表3-1。 一、單斗挖掘機 單斗挖掘機是一種循環(huán)作業(yè)的施工機械，在土石方工程施工中最常見。按其行走機構(gòu)的不同，可分為履帶式和輪胎時；按其傳動方式不同

5、，分機械傳動和液壓傳動兩種；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。（視頻） 如下圖，正鏟挖掘機由動臂、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、返回四個過程。 根據(jù)掌子面布置的不同，正鏟挖掘機有不同的作業(yè)方式，如下圖所示。 2、反向鏟斗式挖掘機 （視頻） 反鏟挖掘機為液壓操作方式，適用于停機面以下土方開挖。 反鏟挖掘機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 （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（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、單斗挖掘機生產(chǎn)率 單斗挖掘機的實用生產(chǎn)率可按下式計算 P=60nqK1K2K3K4/K5P單斗挖掘機實用生產(chǎn)率，m3/h; n設計每分鐘循環(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時間利用系數(shù)，取0.80.9；K4工作循環(huán)時間修正系數(shù)， K4=1/（0.4 +0.6 ）K5土壤可松性系數(shù)；土壤級別修正系數(shù)，取1.0 1.2；轉(zhuǎn)角修正系數(shù)，轉(zhuǎn)角90時取1.0，100 135 時取1.08 1.37 二、多斗挖掘機 多斗挖掘機是一種

7、連續(xù)作業(yè)的挖掘機械，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（視頻） 三、鏟運機械 1、推土機 推土機是一種挖運綜合作業(yè)機械。是在拖拉機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。索式推土機的鏟刀是借刀具自重切入土中，切土深度較??；液壓推土機能強制切土，推土板的切土角度可以調(diào)整，切土深度較大。因此，液壓推土機是目前工程中常用的一種推土機。(下圖)。 推土機（視頻） 2、鏟運機 鏟運機能獨立完成鏟土、運土、卸土和平土作業(yè)，對行駛道路要求低，操作靈活，運轉(zhuǎn)方便，生產(chǎn)效率高。(下圖)。 鏟運機（視頻） 3、裝載機 裝載機是一種高效的挖運綜合作業(yè)機

8、械。(下圖)。 裝載機（視頻） 四、水利開挖機械 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，然后運送到指定地點的開挖方法。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。利用水槍開挖土料場、基坑，節(jié)約勞動力和大型機械，經(jīng)濟效益明顯。水槍開挖適于砂土、亞粘土和淤泥，可用于水力沖填筑壩。對于硬土，可先進行預松，提高水槍挖土的工效。 四、水利開挖機械 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)浮動輸泥管運至岸上或運泥船。 吸泥船開挖視頻 五、運輸機械 1、無軌運

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

10、，也可做斜坡運輸，且可轉(zhuǎn)任何方向；在運輸中途任何地點都可卸料適用范圍：地形復雜、坡度較大、通過比較復雜的地形和跨越溝壑的情況，特別適用于運輸大量粒狀材料的情況。 4、索道運輸適用：在地形崎嶇復雜的地區(qū)，特別是由高處向低處運送材料時，利用料斗及材料自重沿索道下滑，不需要動力，更為經(jīng)濟。第3節(jié) 土方壓實與季節(jié)性施工 一、土的壓實理論 填筑于土壩或土堤上的土方，通過對其壓實，可以達到以下目的：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被壓縮的，土料壓實的實質(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，密實度提高。所以，土料壓實的過程實際上就是在外力作用下土料的三相重新組合的過程。 二、土料的壓實方法、壓實機械 （一）壓實方法 土料的物理力學性能不同，壓實時要克服的壓實阻力也不同。粘性土的壓實主要是克服土體內(nèi)的凝聚力，非粘性土的壓實主要是克服顆粒間的摩擦力。壓實機械作用于土體上的外力有靜壓碾壓、震動碾壓和夯擊三種，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，其大小隨時間而變化。 震動碾壓：作用在土體上的外力隨時

12、間作周期性的變化。 見下圖 （二）壓實機械 常用的壓實機械有平碾、肋形碾、羊角碾、氣胎碾、振動碾、蛙夯，如下圖。特點：土料層能均勻受壓，壓實層厚，層間結(jié)合好，壓實度高，壓實質(zhì)量好。僅適用于黏土。特點：增加碾重可增加與土層的接觸面積，從而增大壓實影響深度，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。與羊腳碾聯(lián)合作業(yè)效果更佳。特點：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，生產(chǎn)率高?？蓧簩嵍咽w、砂礫料和礫質(zhì)土，也能壓實黏性土。強夯機視頻特點：夯砣重量一般為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(chǎn)率

13、高，用于雜土填方軟基及水下地層。挖掘機夯板視頻特點：壓實功能大，生產(chǎn)率高，有利于雨季、冬季施工。 碾壓機械碾壓實土料的方法有兩種：圈轉(zhuǎn)套壓法和進退錯距法。 如下圖 （三）壓實機械的選擇 選擇壓實機械主要考慮以下原則。 (1)適應筑壩材料的特性。粘性土應優(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)的砂卵石宜用震動碾。 (2)應與土料含水量、原狀土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和設計壓實標準相適應。對含水量高于最優(yōu)含水量12%的土料，宜用氣胎碾壓實；當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計標準，宜用重型羊腳碾、夯板；當含水量很高且要求的壓實標準低時，粘性土也可

14、選用輕型的肋型碾、平碾。 (3)應與施工強度大小、工作面寬窄和施工季節(jié)相適應。氣胎碾、震動碾適用于生產(chǎn)強度要求高和搶時間的雨季作業(yè)；夯擊機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、高效能的機械。 最優(yōu)含水率:是指在一定功能的壓實（或擊實、或夯實）作用下，能使填土達到最大干密度（干容量）時相應的含水率。 三、填土壓實的影響因素 壓實功 土的含水量 每層鋪土厚度 1.壓實功的影響 圖圖 土的密度與壓實功的關系示意圖土的密度與壓實功的關系示意圖 2.含水量的影響 含水量的大小直接影響碾壓(或夯實)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； 當土具

15、有適當含水量時，土的顆粒之間因水的潤滑作用使摩阻力減小，在同樣壓實功作用下，得到最大的密實度，這時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 在壓實功作用下，土中的應力隨深度增加而逐漸減小，其壓實作用也隨土層深度的增加而逐漸減小。 各種壓實機械的壓實影響深度與土的性質(zhì)和含水量等因素有關。 對于重要填方工程，其達到規(guī)定密實度所需的壓實遍數(shù)、鋪土厚度等應根

16、據(jù)土質(zhì)和壓實機械在施工現(xiàn)場的壓實試驗決定。若無試驗依據(jù)應符合表1.6的規(guī)定。 圖圖 壓實作用沿深度的變化壓實作用沿深度的變化填土施工時的分層厚度及壓實遍數(shù)填土施工時的分層厚度及壓實遍數(shù) 壓實機具 分層厚度(mm) 每層壓實遍數(shù) 平碾 250300 68 振動壓實機 250350 34 柴油打夯機 200250 34 人工打夯 200 34 （一）土方冬季施工 水利水電施工組織設計規(guī)范（SDJ 33889）規(guī)定：當日平均氣溫低于0時，粘性土應按低溫季節(jié)施工；當日平均氣溫低于10時，一般不宜填筑土料，否則應進行技術(shù)經(jīng)濟論證。土方工程冬季施工的中心環(huán)節(jié)是防止土料的凍結(jié)。通常可以采用以下三方面的措施：

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)加大施工強度，保證填土連續(xù)作業(yè)。采用嚴密的施工組織，嚴格控制各工序的施工速度，使土料在運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)凍土應及時清除。 塑限是指土由可塑狀態(tài)過渡到半固體狀態(tài)時的界限含水率 2、保溫 (1)覆蓋隔熱材料。對開挖面積不大的料場，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土料進行保溫。 (4)松土保溫。在寒潮到來前，對將要開采的料場表層土料翻松、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，壓實溫度不低于2，便能保證土料的壓實效果。 3加熱 當氣溫低、風速過大，一般保溫措施不能滿足要求時，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)改進粘性土特性，使之適應雨季作業(yè)。在土料中摻入一定比例的砂礫料或巖