湖北水利水电职业技术学院 教 师 授 课 教 案 课程名称：水利水电工程施工技术 200 年至200 年第 学期第 25 次课 授课班级： 03级水工 编制日期： 年 月 日 课题（章节）： 第八章 土石建筑物施工  8.3 土方工程施工工艺  传授主要知识点：  土方开挖、 土方运输、 土方压实  传授主要技能点：  了解土方工程碾压试验的方法及影响压实的因素  掌握土方工程施工方法，挖运设备生产率计算及设备配套  教学步骤安排： 1、复习上节课内容  2、讲述土方工程施工工艺  3、小结本次课内容    授课方式： 1、课堂讲授  2、多媒体演示   3、介绍典型的施工实例  教学手段：  板书、多媒体、相关施工图片  作业布置情况：  利用课后习题进行练习，巩固知识，补充习题。    课后分析与小结：           土方工程施工工艺 一、土方开挖 1.推土机 推土机是一种挖运综合作业机械。是在拖拉机上装上推土铲刀而成(图9-2)。按推土板的操作方式不同，可分为索式和液压式两种。索式推土机的铲刀是借刀具自重切入土中，切土深度较小；液压推土机能强制切土，推土板的切土角度可以调整，切土深度较大。因此，液压推土机是目前工程中常用的一种推土机。 推土机构造简单，操作灵活，运转方便，所需作业面小，功率大，能爬30°左右的缓坡。适用于施工场地清理和平整，开挖深度不超过1.5m的基坑以及沟槽的回填土，堆筑高度在1.5m以内的路基、堤坝等。在推土机后面安装松土装置，可破松硬土和冻土，还可牵引无动力的土方机械 (如拖式铲运机、羊脚碾等)进行其它土方作业。推土机的推运距离宜在100m以内，当推运距离在30~60m时，经济效益最好。  图9-2 提高推土机生产效率的方法： (1)下坡推土。借推土机自重，增大铲刀的切土深度和运土数量，以提高推土能力和缩短运土时间。一般可提高效率30~40%。 (2)并列推土。对于大面积土方工程，可用2~3台推土机并列推土。推土时，两铲刀相距15~30cm，以减少土的侧向散失，倒车时，分别按先后顺序退回。平均运距不超过50~75m时，效率最高。 (3)沟槽推土。当运距较远，挖土层较厚时，利用前次推土形成的槽推土，可大大减少土方散失，从而提高效率。此外，还可在推土板两侧附加侧板，增大推土板前的推土体积以提高推土效率。 2．铲运机 按行走机构不同，铲运机有拖式和自行式两种。拖式铲运机由拖拉机牵引，工作时靠拖拉机上的操作机构进行操作。根据操作机构不同，拖式铲运机又分索式和液压式两种。自行式铲运机的行驶和工作都靠本身的动力设备，不需要其它机械的牵引和操作，如图9-3。  图9-3 铲运机能独立完成铲土、运土、卸土和平土作业，对行驶道路要求低，操作灵活，运转方便，生产效率高。铲运机适用于大面积场地平整，开挖大型基坑、沟槽以及填筑路基、堤坝等，最适合开挖含水量不大于27%的松土和普通土，不适合在砾石层和沼泽区工作。当铲运较坚硬的土壤时，宜先用推土机翻松0.2~0.4m，以减少机械磨损，提高效率。常用铲运机的铲斗容量为1.5~6m3。拖式铲运机的运距以不超过800m为宜，当运距在300m左右时效率最高；自行式铲运机经济运距为800~1500m。 3．装载机 装载机是一种高效的挖运综合作业机械。主要用途是铲取散粒材料并装上车辆，可用于装运、挖掘、平整场地和牵引车辆等，更换工作装置后，可用于抓举或起重等作业(图9-4)，因此在工程中被广泛应用。  图9-4 装载机按行走装置分为轮胎式和履带式；按卸料方式分为前卸式、后卸式和回转式三种；按载重量分为小型(＜1t)、轻型(1~3t)、中型(4~8t)、重型(＞10t)四种。目前使用最多的是四轮驱动铰接转向的轮式装载机，其铲斗多为前卸式，有的兼可侧卸。 4．单斗挖掘机 单斗挖掘机是一种循环作业的施工机械，在土石方工程施工中最常见。按其行走机构的不同，可分为履带式和轮胎时；按其传动方式不同，分机械传动和液压传动两种；按工作装置不同分为正铲、反铲、拉铲和抓铲等(图9-5)。  图9-5 正铲挖掘机。如图9-6，正铲挖掘机由动臂、斗杆、铲斗、提升索等主要部分组成。  图9-6 图9-7为正铲工作过程示意图。每一工作循环包括挖掘、回转、卸料、返回四个过程。挖掘时先将土斗放到工作面底部(Ⅰ)的位置，然后将铲斗自下而上提升，同时向前推压斗杆，在工作面上形成一弧形挖掘带(Ⅱ、Ⅲ)；铲斗装满后，将铲斗后退，离开工作面(Ⅳ)；回转挖掘机上部机构至运输车辆处，打开斗门，将土卸出(Ⅴ、Ⅵ)；此后再回转挖掘机，进入第二个工作循环。  图9-7 正铲挖掘机施工时，应注意以下几点：为了操作安全，使用时应将最大挖掘高度、最大挖掘半径值减少5~10%；在挖掘粘土时，工作面高度宜小于最大挖土半径时的挖掘高度，以防止出现土体倒悬现象；为了发挥挖掘机的生产效率，工作面高度应不低于挖掘一次即可装满铲斗的高度。 挖掘机的工作面称为掌子面，正铲挖掘机主要用于停机面以上的掌子开挖。根据掌子面布置的不同，正铲挖掘机有不同的作业方式，如图9-8所示。  图9-8 正向挖土，侧向卸土[如图9-8(a))：挖掘机沿前进方向挖土，运输工具停在侧面装土(可停在停机面或高于停机面上)。这种挖掘运输方式在挖掘机卸土时，动臂回转角度很小，卸料时间较短，挖运效率较高，施工中应尽量布置成这种施工方式。 正向挖土，后方卸土[如图9-8(b))：挖掘机沿前进方向挖土，运输工具停在它的后面装土。卸土时挖掘机动臂回转角度大，运输车辆需倒退对位，运输不方便，生产效率低。适用于开挖深度大施工场地狭小的场合。 (２)反向铲斗式挖掘机 反铲挖掘机为液压操作方式，适用于停机面以下土方开挖。挖土时后退向下，强制切土，挖掘力比正铲挖掘机小，主要用于小型基坑、基槽和管沟开挖。反铲挖土时，可用自卸汽车配合运土，也可直接弃土于坑槽附近。 反铲挖掘机工作方式分为以下两种： [沟端开挖，如图9-9(ａ)]：挖掘机停在基坑端部，后退挖土，汽车停在两侧装土。 [沟侧开挖，如图9-9(b)]：挖掘机停在基坑的一侧移动挖土，可用汽车配合运土，也可将土弃于土堆。由于挖掘机与挖土方向垂直，挖掘机稳定性较差，而且挖土的深度和宽度均较小，故这种开挖方法只是在无法采用沟端开挖或不需将弃土运走时采用。  图9-9 (3)单斗挖掘机生产效率的计算 挖掘机的生产率是指在单位时间内从掌子中挖取并卸入土堆或车箱的土方量。影响挖掘机生产率的主要因素有：土壤性质、掌子的高度、旋转角度、工作时间的利用程度、运输车辆的大小、司机的操作水平和挖掘机的技术状况等。根据具体施工条件分析上述因素后，单斗挖掘机生产率可按下式计算，即 P=60nqK充K修K时K延/K松 (m3/h，自然方) (9－2) 其中　　　K修＝1/(0.4K土+0.6β) 式中 n－设计每分钟循环次数，ｎ＝3600/T，T为挖掘机一个工作循环时间(s)； q－铲斗平装容量，即铲斗的几何容积，ｍ３； K充－铲斗充盈系数，与土质有关，一般取0.80~1.10； K修－工作循环时间修正系数； K土－土壤级别修正系数,可采用1.0~1.2； β－转角修正系数，转角90。时取1.0，100~135。时取1.08~1.37； K时－时间利用系数，取0.8~0.9； K延－联合工作系数，卸入弃土堆时取1.0，卸入车箱时取0.9； K松－土壤的可松性系数。 提高挖掘机生产效率的措施：合理布置掌子面，缩短挖掘机工作循环时间；合理配套挖运设备；规范施工方法和步骤，提高机械设备操作水平，加强施工管理，提高时间利用系数；加强机械维修保养，保证机械正常运转。 二、土方运输 土方运输机械可分为：有轨运输、无轨运输和皮带机运输。 1．有轨运输 (1)标准轨运输(轨距1435mm) 工程量一般不少于30万m3，运距不少于1km，坡度不宜大于2.5%，转弯半径不小于200m。 (2)窄轨运输 轨距有1000 mm、762 mm、610mm三种。窄轨运输设备简单，线路要求比准轨低，能量消耗少，在工程中得到广泛使用。 有轨运输路基施工较难，效率较低，除窄轨运输有时用于隧洞出碴外，一般较少采用。 2．无轨运输 (1)自卸汽车运输 机动灵活，运输线路布置受地形影响小，但运输效率易受气候条件的影响，燃料消耗多，维修费用高。自卸汽车运输，运距一般不宜小于300m，重车上坡最大允许坡度为8~10%，转弯半径不宜小于20m。 (2)拖拉机运输 拖拉机运输是用拖拉机拖带拖车进行运输。根据行走装置不同，拖拉机分为履带式和轮胎式两种。履带式拖拉机牵引力大，对道路要求低，但行驶速度慢，适用于运距短、道路不良的情况。轮式拖拉机对道路的要求与自卸汽车相同，适用于道路良好，运距较大的情况。 3．皮带机运输 皮带机是一种连续式的运输设备。与车辆运输相比，皮带机具有以下特点：结构简单、工作可靠、管理方便，易于实现自动控制；负荷均匀，动力装置的功率小，能耗低；连续运输，生产效率高。如图9-10。  图9-10 三、土方压实 (一)压实理论 填筑于土坝或土堤上的土方，通过对其压实，可以达到以下目的：提高土体密度，提高土方承载能力；加大土坝或土堤坡角，减小填方断面面积，减少工程量，从而减少工程投资，加快工程进度；提高土方防渗性能，提高土坝或土堤的渗透稳定性。 土坝或土堤填方的稳定性主要取决于土料的内摩擦力和凝聚力。土料的内摩擦力、凝聚力和防渗性能都随填土的密实程度的增大而提高。例如某种砂壤土的干密度为1.4 g/cm3压实提高到1.7 g/cm3，其抗压强度可提高4倍，渗透系数将降低为原来的1/2000。 土体是三相体，即由固相的土粒、液相的水和气相的空气所组成。通常土粒和水是不会被压缩的，土料压实的实质是将水包裹的土粒挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的空隙率减少，密实度提高。所以，土料压实的过程实际上就是在外力作用下土料的三相重新组合的过程。 试验表明，粘性土的主要压实阻力是土体内的凝聚力。在铺土厚度不变的条件下，粘性土的压实效果(即干密度)随含水量的增大而增大，当含水量增大到某一临界值时，干密度达到最大，如此时进一步增加土体含水量，干密度反而减小，此临界含水量值称为土体的最优含水量，即相同压实功能时压实效果最大的含水量。当土料中的含水量超过最优含水量后，土体中的空隙体积逐步被水填充，此时作用在土体上的外荷，有一部分作用在水上，因此即使压实功能增加，但由于水的反作用抵消了一部分外荷，被压实土体的体积变化却很小，而呈此伏彼起的状态，土体的压实效果反而降低。 对于非粘性土，压实的主要阻力是颗粒间的摩擦力。由于土料颗粒较粗，单位土体的表面积比粘性土小得多，土体的空隙率小，可压缩性小，土体含水量对压实效果的影响也小， 在外力及自重的作用下能迅速排水固结。粘性土颗粒细，孔隙率大，可压缩性也大，由于其透水性较差，所以排水固结速度慢，难以迅速压实。此外，土体颗粒级配的均匀性对压实效果也有影响。颗粒级配不均匀的砂砾料，较级配均匀的砂土易于压实。 (二)压实方法 土料的物理力学性能不同，压实时要克服的压实阻力也不同。粘性土的压实主要是克服土体内的凝聚力，非粘性土的压实主要是克服颗粒间的摩擦力。压实机械作用于土体上的外力有静压碾压、震动碾压和夯击三种，如图9-11。 静压碾压：作用在土体上的外荷不随时间而变化，如图9-11(a)所示。 夯击：作用在土体上的外力是瞬间冲击力，其大小随时间而变化，如图9-11(b)所示。 震动碾压：作用在土体上的外力随时间作周期性的变化，如图9-11(c)所示。  图9-11 (三)压实机械 常用的压实机械如图9-12。  图9-12 1．平碾 平碾的构造如图9-12(a) 所示。钢铁空心滚筒侧面设有加载孔，加载大小根据设计要求而定。平碾碾压质量差，效率低，较少采用。 2．肋碾 肋碾的构造如图9-12(b) 所示。一般采用钢筋混凝土预制。肋碾单位面积压力较平碾大，压实效果比平碾好，用于粘性土的碾压。 3．羊脚碾 羊脚碾的构造如图9-12(c) 所示。其碾压滚筒表面设有交错排列的羊脚。钢铁空心滚筒侧面设有加载孔，加载大小根据设计要求而定。 羊脚碾的羊脚插入土中，不仅使羊脚底部的土体受到压实，而且使其侧向土体受到挤压，从而达到均匀压实的效果。碾筒滚动时，表层土体被翻松，有利于上下层间结合。但对于非粘性土，由于插入土体中的羊脚使无粘性颗粒产生向上和侧向移动，会低压实效果，所以羊脚碾不适于非粘性土的压实。 4．气胎碾 　气胎碾是一种拖式碾压机械，分单轴和双轴两种。图9-12(d)所示是单轴气胎碾。单轴气胎碾的主要构造是由装载荷载的金属车箱和装在轴上的4~6个充气轮胎组成。碾压时在金属车厢内加载同时将气胎充气至设计压力。为避免气胎损坏，停工时用千斤顶将金属车箱顶起，并把胎内的气放出一些。 　气胎碾在压实土料时，充气轮胎随土体的变形而发生变形。开始时，土体很松，轮胎的变形小，土体的压缩变形大。随着土体压实密度的增大，气胎的变形也相应增大，气胎与土体的接触面积也增大，始终能保持较均匀的压实效果。另外，还可通过调整气胎内压，来控制作用于土体上的最大应力不致超过土料的极限抗压强度。增加轮胎上的荷重后，由于轮胎的变形调节，压实面积也相应增加，所以平均压实应力的变化并不大。因此，气胎的荷重可以增加到很大的数值。而对于平碾和羊脚碾，由于碾滚是刚性的，不能适应土壤的变形，当荷载过大就会使碾滚的接触应力超过土壤的极限抗压强度，而使土壤结构遭到破坏。 气胎碾既适宜于压实粘性土，又适宜于压实非粘性土，适用条件好，压实效率高，是一种十分有效的压实机械。 5．震动碾 震动碾一种振动和碾压相结合的压实机械，如图9-12(e)所示。它是由柴油机带动与机身相连的轴旋转，使装在轴上的偏心块产生旋转，迫使碾滚产生高频震动。震动功能以压力波的形式传递到土体内。非粘性土料在震动作用下，内摩擦力迅速降低，同时由于颗粒不均匀，震动过程中粗颗粒质量大、惯性力大，细颗粒质量小、惯性力小。粗细颗粒由于惯性力的差异而产生相对移动，细颗粒填入粗颗粒间的空隙，使土体密实。而对于粘性土，由于土粒比较均匀，在震动作用下，不能取得像非粘性土那样的压实效果。 以上碾压机械碾压实土料的方法有两种：圈转套压法和进退错距法，如图9-13(a)、图9-13(b)。圈转套压法：碾压机械从填方一侧开始，转弯后沿压实区域中心线另一侧返回，逐圈错距，以螺旋形线路移动进行压时。这种方法适用于碾压工作面大，多台碾具同时碾压，生产效率高。但转弯处重复碾压过多，容易引起超压剪切破坏，转角处易漏压，难以保证工程质量。进退错距法：碾压机械沿直线错距进行往复碾压。这种方法操作简单，容易控制碾压参数，便于组织分段流水作业，漏压重压少，有利于保证压实质量。此法适用于工作面狭窄的情况。  图9-13 6．蛙夯 夯击机械是利用冲击作用来压实土方，具有单位压力大、作用时间短的特点，既可用来压实粘性土，也可用来压实非粘性土，如图9-12(f)所示。蛙夯由电动机带动偏心块旋转，在离心力的作用下带动夯头上下跳动而夯击土层。夯击作业时各夯之间要套压，如图9-13(c)所示。一般用于施工场地狭窄、碾压机械难以施工的部位。 (四)压实机械的选择 选择压实机械主要考虑以下原则。 (1)适应筑坝材料的特性。粘性土应优先选用气胎碾、羊脚碾；砾质土宜用气胎碾、夯板；堆石与含有特大粒径(大于500mm)的砂卵石宜用震动碾。 (2)应与土料含水量、原状土的结构状态和设计压实标准相适应。对含水量高于最优含水量1~2%的土料，宜用气胎碾压实；当重粘土的含水量低于最优含水量，原状土天然密度高并接近设计标准，宜用重型羊脚碾、夯板；当含水量很高且要求的压实标准低时，粘性土也可选用轻型的肋型碾、平碾。 (3)应与施工强度大小、工作面宽窄和施工季节相适应。气胎碾、震动碾适用于生产强度要求高和抢时间的雨季作业；夯击机械宜用于坝体与岸坡或刚性建筑物的接触带、边角和沟槽等狭窄地带。冬季作业选择大功率、高效能的机械。 (五)压实参数与压实试验 １．压实标准 土方工程以设计干密度作为压实标准来控制填方质量。 2．压实参数的确定 当初步选择了压实机械类型后，还应进一步确定机械所能达到的、具有最佳技术经济效果的各种压实参数。为了使土料达到设计要求的压实效果，且技术经济效果最佳，要求在施工现场进行压实试验，以确定碾重、铺土厚度、压实遍数及土料的最优含水量等。 3．碾压试验 碾压试验方法步骤如下： (1)选择一60×6m2的条形试验区，如图9-14 所示。将此条带分为15m长的4等分，各段含水量依次为ω1、ω2、ω3、ω4，控制其误差不超过1%。对粘性土，试验含水量可定为：ω1＝ωｐ－4%；ω2＝ωｐ－2%；ω3＝ωｐ；ω4＝ωｐ＋2%（ωｐ为土料的塑限）。 (2)每段沿长边等分为4块，每块规定其碾压遍数分别为n1、n2、n3、n4。 (3)试验时，每一小块内取9个试样为一组，分别测定其含水量和干密度，根据整个试验区一次试验的结果，作出同一铺土厚度情况下不同压实遍数的压实效果曲线，如图9-15所示。 (4)改变铺土厚度，重复上述步骤。 (5)根据铺土厚度的不同，分别作出各不同铺土厚度情况下的最优含水量、最大干密度与压实遍数的关系曲线，如图9-16所示。  图9-14  图9-15 (6)根据设计干密度γd，从图9-16上分别查出不同铺土厚度时所对应的压实遍数n1、n2、n3，分别计算h1/ n1、h2/ n2、h3/ n3 (即单位压实遍数的压实厚度)，以单位压实遍数下压实厚度最大者所对应的压实参数作为最终施工参数。 对于非粘性土，由于压实效果与含水量的关系不显著，所以只需作土料压实的铺土厚度、压实遍数和干密度的关系曲线即可，如图9-17所示。确定合理的铺土厚度和压实遍数时，用设计要求的压实干密度查图9-17便可得到与不同铺土厚度相对应的压实遍数，然后仍以单位压实遍数下铺土厚度最大者所对应的压实参数作为最终施工参数。  图9-16  图9-17