2.2 土方工程

土方工程的施工过程包括土方开挖、运输、填筑与压实等。施工时，应尽量采用机械化与半机械化施工，以减轻繁重的劳动强度，加快施工进度。

2.2.1 土方开挖与运输

在土方开挖之前应根据工程结构形式、开挖深度、地质条件、气候条件、周围环境、施工方法、施工工期和地面荷载等有关资料，确定土方开挖和地下水控制施工方案。基坑（槽）及管沟开挖方案内容主要包括支护结构的龄期、土方机械选择、开挖时间、分层开挖深度及开挖顺序、坡道位置和车辆进出场道路、施工进度和劳动组织安排、降排水措施、监测方案、质量和安全措施，以及土方开挖对周围建筑物需采取的保护措施等。土方开挖常采用的挖土机械有推土机、铲运机、单斗挖土机、多斗挖土机、装载机等。

2.2.1.1 主要挖土机械的施工特点

1.推土机施工

推土机由动力机械和工作部件两部分组成，其动力机械是拖拉机，工作部件是安装在动力机械前面的推土铲。推土机行走方式有轮胎式和履带式两种，铲刀的操纵机构有索式和油压式两种。索式推土机的铲刀是借本身自重切入土中，在硬土中切土深度较小；液压式推土机是采用油压操纵，能使铲刀强制切入土中，切人深度较大。

推土机的特点是操纵灵活、运转方便、所需工作面小、行驶速度快、易于转移、能爬30°左右的缓坡。它主要适用于挖土深度不大的场地平整，铲除腐殖土，并推到附近的弃土区；开挖深度不大于2.0m的基坑（槽）；回填基坑（槽）、管沟；推筑高度在1.5m内的堤坝、路基；平整其他机械卸置的土堆；推送松散的硬土、岩石和冻土；配合铲运机、挖土机工作等。卸下铲刀还可牵引其他无动力的土方机械。推土机可推掘一至四类土壤，为提高生产效率，对三类和四类土宜事先翻松。推运距离宜在100m以内，以40~60m效率最高。

推土机的生产效率主要取决于推土铲刀推移土壤的体积及切土、推土、回程等工作循环时间。为此可采用顺地面坡度下坡推土、2～3台推土机并列推土（两台并列可增加推土量15%～30%）、分批集中一次推送（多刀送土）、槽形推土（可增加10%～30%的推土量）等方法来提高生产效率。如推运较松的土壤且运距较大时，还可在铲刀两侧加挡土板。

2.铲运机施工

铲运机由牵引机械和铲斗组成。按行走方式分为牵引式铲运机和自行式铲运机；按铲斗操纵系统分为液压操纵和机械操纵两种。

铲运机的特点是能综合完成挖土、运土、平土或填土等全部土方施工工序。对行驶道路要求较低，操纵简单灵活、运转方便，生产效率高。在土方工程中常应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。最适于铲运场地地形起伏不大、坡度在20°以内的大面积场地，土的含水率不超过27%的松土和普通土，以及平均运距在1km以内特别是在600m以内的挖运土方；不适于在砾石层和冻土地带及沼泽区工作；当铲运三类、四类较坚硬的土壤时，宜用推土机助铲或选用松土机配合把土翻松0.2～0.4m，以减少机械磨损，提高生产率。

铲运机的开行路线对提高生产效率影响较大，应根据挖填区的分布情况，并结合具体条件，选择合理的开行路线。根据实践，铲运机的开行路线有以下几种：

（1） 环行路线。施工地段较短，地形起伏不大的挖、填工程，适宜采用环形路线［图2-13（a）、（b）］。当挖土和填方交替，而挖填之间距离又较短时，则可采用大环形路线［图2-33（c）］，大环形路线的优点是一个循环能完成多次铲土和卸土，从而减少了铲运机的转弯次数，提高了工作效率。

(2)“8"字形路线。在地形起伏较大，施工地段狭长的情况下，宜采用“8”字形路线［图2-3(d)］。它适用于填筑路基、场地平整工程。

铲运机在坡地行走或工作时，上下纵坡不宜超过25°，横坡不宜超过6°，不能在陡坡上急转弯，工作时应避免转弯铲土，以免铲刀受力不均引起翻车事故。当铲运机铲土接近设计标高时，为了正确控制标高，宜沿平整场地区域每隔l0m左右配合水准仪抄平，先铲出一条标准槽，以此为准使整个区域平整到设计要求。

3.单斗挖土机施工

单斗挖土机是大型基坑（槽）或管沟开挖中最常用的一种土方机械。根据其工作装置的不同，分为正铲、反铲、抓铲和拉铲四种。常用斗容量为0.5~2.0m³。根据操纵方式，分为液压传动和机械传动两种。在建筑工程中，单斗挖土机更换装置后还可进行装卸、起重、打桩等作业，是土方工程施工中不可缺少的机械设备。

（1）正铲挖土机。

1）正铲挖土机的工作特点、性能及适用范围。正铲挖土机挖掘能力大，生产效率高。它的工作特点是“前进向上，强制切土”，适于开挖停机平面以上一至四类土壤。正铲挖土机需与汽车配合完成挖运任务。在开挖基坑（槽）及管沟时，要通过坡道进入地面以下挖土（坡道坡度为1∶8左右），并要求停机面干燥，因此挖土前必须做好排水工作。其机身能回转360°，动臂可升降，斗柄可以伸缩，铲斗可以转动。图2-14所示为正铲液压挖土机的简图及其工作状态。

表2-7所示为国产两种正铲液压挖土机的主要技术性能。图2-15所示为其工作尺寸与开挖断面之间关系的示意。

2）正铲挖土机挖卸土方式。根据挖土机与运输工具的相对位置不同，正铲挖土机挖土和卸土的方式有以下两种：①正向挖土、侧向卸土：挖土机向前进方向挖土，运输工具在挖土机一侧开行、装土［图2-16（a）］，二者可不在同一工作面（运输工具可停在挖土机平面上或高于停机平面）。这种开挖方式，卸土时挖土机旋转角度小于90°，提高了挖土效率，可避免汽车倒开和转弯多的缺点，因而在施工中常采用此法;②正向挖土、后方卸土：挖土机向前进方向挖土，运输工具停在挖土机的后面装土［图2-16（b）］，二者在同一工作面（即挖土机的工作空间）上。这种开挖方式挖土高度较大，但由于卸土时必须旋转较大角度，且运输车辆要倒车开入，影响挖土机生产率，故只适用于基坑（槽）宽度较小，而开挖深度较大的情况。

正铲挖土机的工作面及开行通道。挖土机在停机点所能开挖的土方面叫做工作面，一般称“掌子面”。其大小和形状取决于挖土机的机械性能、挖土和卸土方式以及土壤性质等因素。当开挖较大面积或深度超过挖土机工作面高度的基坑（槽）时，必须对挖土开行路线和进出口通道进行规划，绘出开挖平面和剖面图，以便于挖土机按计划开挖。如：当基坑（槽）开挖的深度小而面积大时，只需布置一层通道即可［图2-17（a）］，第一次开行采用正向挖土、后方卸土，第二、三次可用正向挖土、侧向卸土，一次挖到坑（槽）底标高。当基坑（槽）宽度稍大于工作面的宽度时，为了减少挖土机的开行通道，可采用加宽工作面的办法［图2-17（b）］，这时挖土机按“之”字形路线开行。当基坑（槽）的深度较大时，通道可布置成多层［图2-17（c）］，逐层下挖。

（2）反铲挖土机。

1)反铲挖土机的工作特点、性能及适用范围。反铲挖土机的工作特点是“后退向下，强制切土”，用于开挖停机平面以下的Ⅰ至Ⅲ类土，不需设置进出口通道。适用于开挖基坑、基槽和管沟，有地下水的土壤或泥泞土壤。一次开挖深度取决于挖土机的最大挖掘深度等技术参数。表2-8和图2-18所示为液压反铲挖土机的主要性能及工作尺寸。

2)反铲挖土机的开行方式。反铲挖土机的开行方式有沟端开行和沟侧开行两种。

沟端开行［图2-19（a）］：挖土机在基坑（槽）或管沟的一端，向后倒退挖土，开行方向与开挖方向一致，汽车停在两侧装土。其优点是挖土方便，挖土宽度和深度较大，单面装土时宽度为1.3R，两面装土时为1.7R。深度可达最大挖土深度h₀，当基坑（槽）宽度超过1.7R时，可分次开行开挖或之字形路线开挖。当开挖大面积的基坑时，可分段开挖或多机同挖。当开挖深槽时，可采用分段分层开挖。

沟侧开行［图2-19（b）］：挖土机在基坑（槽）一侧挖土、开行。由于挖土机移动方向与挖土方向垂直，所以其稳定性较差，挖土宽度和深度也较小，且不能很好地控制边坡。此法土方可就近堆放，也可弃土于距坑（沟）较远的地方。

（3）拉铲挖土机。拉铲挖土机用于开挖停机面以下的Ⅰ、Ⅱ类土。它工作装置简单，可直接由起重机改装。其特点是铲斗悬挂在钢丝绳下而不需刚性斗柄，土斗借自重使斗齿切人土中，开挖深度和宽度均较大，常用于开挖大型基坑、沟槽和水下开挖等。与反铲挖土机相比，拉铲的挖土深度、挖土半径和卸土半径均较大，但开挖的精确性差，且大多将土弃于土堆，如需卸土在运输工具上，则操作技术要求高，且效率降低。拉铲挖土机的开行路线与反铲挖土机开行路线相同。

（4） 抓铲挖土机。抓铲挖土机是在挖土机臂端用钢索装一抓斗，也可由履带式起重机改装。它可用以挖掘Ⅰ、Ⅱ类土，适用于挖掘独立柱基的基坑、沉井及开挖面积较小、深度较大的沟槽或基坑，特别适宜于水下挖土。

2.2.1.2 土方开挖的一般要求

（1）土方开挖时应防止附近已有建筑物、构筑物、道路、管线等发生下沉和变形。必要时应与设计单位或建设单位协商采取防护措施（如支护），并在施工中进行沉降和位移监测。

（2） 土方开挖之前，应检查龙门板（在基坑或沟槽外拐角处）、轴线、控制点有无位移现象，并根据设计图纸校核基础轴线的位置、尺寸及龙门板标高等。

（3） 在土方开挖前，应对原有地下管线情况进行调查，并事先进行妥善处理。

（4） 土方开挖应连续进行，尽快完成。施工时在基坑周围地面应进行防水、排水处理。

（5） 开挖基坑（槽）时，若土方量不大，应有计划地堆置在现场，满足基坑（槽）回填土及室内回填土的需要。若有余土则应考虑好弃土地点，并及时将土运走，避免二次倒运。开挖土方堆置，应距离坑（槽）边在0.8m以外，以免影响施工或造成坑（槽）土壁崩塌。

（6）在开挖过程中，应对土质情况、地下水位和标高等的变化作定量测量，做好记录，以便随时分析、处理。

（7）在开挖基坑（槽）和管沟时，不得扰动基土，破坏土壤结构，降低承载力。使用推土机、铲运机施工时，可在规定标高以上保留200mm土层不挖掘；使用拉铲、正铲、反铲挖土机施工时，可保留300mm原土层不挖。所保留土层将在基础施工前由人工铲除。

（8）土方开挖过程中，若发现古墓及文物等，要保护好现场，并立即通知文物管理部门，经查看处理后方可继续施工。

（9）在滑坡地段挖土时，不宜在雨期施工，尽量遵循先整治后开挖的施工程序，做好地面上、下的排水工作，严禁在滑坡体上部弃土或堆放材料。为了安全，尽量在旱季开挖，并加强支撑。

2.2.2 填土与压实

2.2.2.1 填筑要求

1.土料的选择

填方土料应符合设计要求，如设计无要求时，应符合下列规定：

（1）碎石类土、砂土和爆破石渣（粒径不大于每层铺厚的2/3）可用于表层下的填料。

(2)含水率符合压实要求的黏性土，可用做各层填料。

(3)碎块草皮和有机质含量大于8%的土，仅用于无压实要求的填方。

(4)淤泥和淤泥质土一般不能用做填料，但在软土或沼泽地区，经过处理使含水率符合压实要求后，可用于填方中的次要部位。

(5)含水溶性硫酸盐大于5%的土，不能用作回填土，因为在地下水作用下，硫酸盐会逐渐溶解流失，形成孔洞，影响土的密实性。

(6)冻土、膨胀性土等不应作为填方土料。

2.填土方法

填土应分层进行，每层厚度应根据所采用的压实机具及土的种类而定。同一填方工程应尽量采用同类土填筑，如采用不同土填筑时，必须按类分层铺筑，应将透水性大的土层置于透水性较小的土层之下。若已将透水性较小的土填筑在下层，则在填筑上层透水性较大的土壤之前，应将两层结合面做成中央高、四周低的弧面排水坡度或设置盲沟，以免填土内形成水囊。决不能将各种土混杂在一起填筑。

当填方位于倾斜的地面时，应先将斜坡改成阶梯状，然后分层填土以防填土滑动。回填施工前，应清除填方区的积水和杂物，如遇软土、淤泥，必须进行换土回填。回填时，若分段进行，每层接缝处应做成斜坡形，辗迹重叠0.5～1.0m，上、下层接缝应错开不小于1.0m。应防止地面水流入，并应预留一定的下沉高度。回填基坑（槽）时，应从四周或两侧均匀地分层进行，以防止基础和管道在土压力作用下产生偏移或变形。

2.2.2.2 填土的压实方法

填土的压实方法一般有碾压（包括振动碾压）、夯实、振动压实等几种（图2-20）。碾压法是由沿填筑面滚动的鼓筒或轮子的压力压实土壤，多用于大面积填土工程。

碾压机械有平碾（压路机）、羊足碾和气胎碾等。平碾有静力作用平碾和振动作用平碾之分。平碾对砂土、黏性土均可压实，静力作用平碾适用于较薄填土或表面压实、平整场地、修筑堤坝及道路工程；振动作用平碾使土受振动和碾压两种作用，效率高，适用于填料为爆破石渣、碎石类土、杂填土或轻亚黏土的大型填方。羊足碾需要较大的牵引力，与土接触面积小，但单位面积的压力比较大，对土壤的压实效果好，适用于碾压黏性土。气胎碾在工作时是弹性体，其压力均匀，填土质量较好。夯实方法是利用夯锤自由下落时的冲击力来夯实土壤，主要用于基坑（槽）及各种零星分散、边角部位的小型填方的夯实工作。优点是可以夯实较厚的土层，且可以夯实黏性土及非黏性土。夯实机械有冲击夯土机和蛙式打夯机等。

振动压实法是将振动压实机放在土层表面，借助振动机构使压实机械振动，土颗粒发生相对位移而达到紧密状态。这种方法主要用于非黏性土的压实。

2.2.2.3 影响填方压实效果的主要因素

影响土壤压实效果的因素有内因和外因两方面。内因是指土质和湿度；外因是指压实功能及压实时的外界自然和人为的其他因素等。归纳起来主要有以下几方面。

1.含水率的影响

土中含水率对压实效果的影响比较显著。当含水率较小时，由于颗粒间引力（包括毛细管压力）使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构，土中孔隙大都互相连通，水少而气多，在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于水膜润滑作用不明显，土粒相对移动不容易，因此压实效果比较差；含水率逐渐增大时，水膜变厚，引力缩小，水膜又起着润滑作用，外部压实功能比较容易使土粒移动，压实效果渐佳。

当土中含水率增加到一定程度后，在外部压实功的作用下，土的压实效果达最佳，此时，土的含水率称为最佳含水率。土中含水率过大时，孔隙出现了自由水，压实作用不能使液体排出，压实功能的部分被自由水所抵消，减小了有效压力，压实效果反而降低。由图2-21中土的密度与含水率关系可以看出，对应于最佳含水率曲线有一峰值，此处的干密度为最大，称为最大干密度ρ_dmax。然而含水率较小时土粒间引力较大，虽然干密度较小，但其强度比最佳含水率时土的强度还要高。此时因其密实度较低，孔隙多，一经泡水，其强度会急剧下降。因此，用干密度作为表征填方密实程度的技术指标，取干密度最大时的含水率为最佳含水率，而不取强度最大时的含水率为最佳含水率。土在最佳含水率时的最大干密度，可由击实试验取得，也可参考表2-9确定。

2.压实功能的影响

压实功能（指压实工具的重量、碾压遍数或锤落高度、作用时间等）对压实效果的影响，是除含水率以外的另一重要因素。当土偏干时，增加压实功能对提高土的干密度影响较大，偏湿时则收效甚微。因此，对偏湿的土企图用加大压实功能的办法来提高土的密实度是不经济的，若土的含水率过大，此时增大压实功能就会出现“弹簧”现象。另外，当压实功能加大到一定程度后，对干密度的提高就不明显了。所以，在实际施工时，应根据不同的土以及压实密度要求和不同的压实机械来决定压实的遍数（可参考表2-10）。此外，松土不宜用重型碾压机直接滚压，否则土层会有强烈起伏现象，效率不高，如先用轻碾压实，再用重碾就可取得较好效果。

3.铺土厚度的影响

压实厚度对压实效果有明显的影响。相同压实条件下（土质、湿度与功能不变），实测土层不同深度的密实度得知，密实度随深度递减，表层50cm最高。不同压实工具的有效压实深度有所差异，根据压实工具类型、土质及填方压实的基本要求，每层铺筑压实厚度有具体规定数值，见表2-4。铺土过厚，下部土体所受压实作用力小于土体本身的黏结力和摩擦力，土颗粒不能相互移动，无论压实多少遍，填方也不能被压实；铺土过薄，则下层土体压实次数过多，而受剪切破坏。所以，规定了一定的铺土厚度。最优的铺土厚度应能使填方压实而机械的功耗费最小。

4.土质的影响

在一定压实功能作用下，含粗粒越多的土，其最大干密度越大，即随着粗粒土增多，其击实曲线的峰点越向左上方移动。施工时应根据不同土质，分别确定其最大干密度和最佳含水率。

2.2.2.4 填土压实的质量检查

填土压实后必须达到一定的密实度要求，填土密实度以设计规定的控制干密度ρ_d作为检查标准。土的控制干密度ρ_d与最大干密度ρ_dmax之比称为压实系数λ。不同的填方工程，设计要求的压实系数不同，一般场地平整，其压实系数为0.9左右；地基填土为0.91~0.97。具体取值视结构类型和填土部位而定。检查土的实际干密度ρ_d，可采用环刀法取样测定。其取样组数为：基坑回填为每20~50m³取样一组（每个基坑不少于一组）；基槽或管沟回填每层按长度20~50m取样一组；室内回填土每层按100~500m²取样一组；场地平整填方每层按400~900m²取样一组。取样部位一般应在每层压实后的下半部。试样取出后，先称出土的密度并测出含水率，然后用下式计算土的实际干密度ρ_d （g/cm³）：

式中 ρ_d——土的天然密度，g／cm³；

w——土的含水率，%。

当土的最大干密度ρ_dmax无试验资料时，可按下式计算：

式中 η——经验系数，对于黏土取0.95，粉质黏土取0.96，粉土取0.97；

ρ_W——水的密度，g/m³；

d_s——土粒相对密度（比重）；

w_op——最佳含水率，%，可按当地经验或取w_op= w_p+2%；

w_p——土的塑限。