工作任务一 土的工程性质及分级

水利水电工程施工中，土方工程在工程量和投资上均占有很大比重。按工程类型分有挖方（如渠道、基坑等）、填方（拦河坝、河堤、填方渠道等）及半挖半填方（如半挖半填渠道）；按施工方法分有人力施工、机械施工、爆破施工及水力机械施工等。

土方工程施工的特点是工程量大，受外界干扰较多。例如，土方开挖时的边坡稳定问题，深挖工程中地下水的影响，冬雨季节施工中的气候因素，以及土质的差异、地形的陡缓等各方面都给施工带来诸多不利条件。在进行土石方开挖及确定挖运组织时，应根据各种土石的工程性质、具体指标来选择施工方法及施工机具，确定工料消耗和劳动定额。

对土石方工程施工影响较大的因素有土的施工分级与性质。由于开挖的难易程度不同，水利水电工程中沿用十六级分类法时，通常把前Ⅰ～Ⅳ级称为土（即土质土），Ⅴ级以上的都称为岩石。

一、土的工程性质

土的工程性质对土方工程的施工方法及工程进度影响很大。主要的工程性质有密度、含水量、渗透性、可松性等。

（一）土的工程性质指标

1.密度

土壤密度，就是单位体积土壤的质量。土在天然状态下单位体积的质量，称为土的天然密度，又称湿密度。它影响土的承载力、土压力及边坡稳定性。土的天然密度ρ按下式计算

式中 m——土的总质量，kg；

V——土的天然体积，m³。

土的干密度ρ_d是指单位体积干土的固体颗粒的质量，它是体现黏性土密实程度的指标，常用它来控制压实的质量。土的干密度用下式表示

式中 m_s——土中固体颗粒的质量，kg。

土的干密度在一定程度上反映了土颗粒排列的紧密程度，密度越大开挖难度也越大。工程中常把干密度作为评定填土压实质量的控制指标。土的最大干密度值可参考表1-1。

2.含水量

土的含水量w是指土中所含水的质量与土的固体颗粒质量之比，常用土壤中水的质量与干土质量的百分比表示，即

式中 m_w——土中水的质量，kg；

m_s——土中固体颗粒的质量，kg。

土的含水量反映土的干湿程度。含水量在5%以下称干土，含水量5%～30%之间称为湿土，大于30%称为饱和土。土的含水量对挖土的难易、土方边坡的稳定性及填土压实等均有直接影响。因此，土方开挖时，应采取排水措施。回填土时，应使土的含水量处于最佳含水量的变化范围之内，详见表1-1。

3.渗透性

土的渗透性也称透水性，是指土体被水透过的性质。它主要取决于土体的孔隙特征，如孔隙的大小、形状、数量和贯通情况等。地下水在土中的渗流速度一般可按达西定律计算

式中 v——水在土中的渗流速度，m/d或m/h；

K——土的渗透系数，m/d或m/h；

I——水力坡度，，即A、B两点水头差与其水平距离之比，如图1-1所示。

渗透系数K反映出土透水性的强弱。它直接影响降水方案的选择和涌水量的计算。可通过室内渗透实验或现场抽水试验确定，一般土的渗透系数参考值见表1-2。

4.可松性

自然状态下的土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经回填夯实，仍不能完全恢复到原状态土的体积，土的这种经扰动而体积改变的性质称为土的可松性。土的可松程度用最初可松性系数K_S及最终可松性系数K′_S表示。即

式中 V₁——土在天然状态下的体积，m³；

V₂——土在挖出后松散状态下的体积，m³；

V₃——土经压（夯）实后的体积，m³。

土的可松性对土方量计算，进行土方填挖平衡计算及运输工具数量的计算均有直接影响。各类土的可松性系数见表1-3。

5.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土边坡应慎重考虑，重要的土方开挖，应通过专门的设计和计算确定稳定边坡。挖深在5m以内的窄槽未加支撑时的安全施工边坡一般可参考表1-4。

（二）土的颗粒分类

根据土的颗粒级配，土可分为碎石类土、砂土和黏性土。按土的沉积年代，黏性土又可分为老黏性土、一般黏性土和新近沉积黏性土。按照土的颗粒大小，又可分为块石、碎石、砂粒等，详见表1-5。

（三）土的松实关系

当自然状态的土挖松后，再经过人工或机械的碾压、振动，土可被压实，例如，在填筑拦河坝时，从土区取1m³的自然方，经过挖松运至坝体进行碾压后的实体方小于原1m³的自然方，这种性质称为土的可缩性。

在土方工程施工中，经常有三种土方的名称，即自然方、松方、实体方，它们之间有着密切的关系。

1.土的体积关系

土体在自然状态下由土粒（矿物颗粒）、水和气体三相组成。当自然土体松动后，土体增大，若土粒数量不变，小于松动后的土体积；当经过碾压或振动后，孔隙气体被排出，则压实后的土体积小于自然体积。三者之间的关系为：V_原土&lt；V_压实&lt；V_松散。

对于砾、卵石和爆破后的块碎石，由于它们的块体大或颗粒粗，可塑性远小于土粒，因而它们的压实方大于自然方，几种典型土的体积变化换算系数见表1-6。

当自然土体松动后土体积增大，单位体积的质量变轻；再经过碾压或振动，土粒紧密程度增加，单位体积质量增大，即ρ_松散&lt；ρ_原土&lt；ρ_压实。

2.自然方和实体方的关系

在土方工程施工中，设计工程量为压实后的实体方，取料场的储量是自然方。在计算压实工程的备料量和运输量时，应该将两者之间的关系考虑进去，并考虑施工过程中技术处理、要求以及其他不可避免的各种损耗。在水利水电施工实践经验的基础上，得出压实后的实体方与所需自然方的换算公式

式中 V_压实——压实后的实体方的体积，m³；

V_原土——自然方的体积，m³；

ρ_d——设计干密度，kg/m³；

ρ₀——未经扰动的自然干密度，kg／m³；

A——综合系数（考虑了施工中的各种损失）。它包括坝上运输、雨后清理、边坡削坡、接缝削坡、施工沉陷、取土坑、试验坑和不可避免的压坏等损失因素。土料施工综合系数见表1-7。

二、土的工程分级

土的工程分级按照十六级分类法，通常把前Ⅰ～Ⅳ级称土（即土质土，见表1-8），后面Ⅴ～XⅥ级称做岩石。同一级土中各类土壤的特征有着很大的差异。例如，坚硬黏土和含砾石黏土，前者含黏粒量（粒径小于0.005mm）在50%左右，而后者含砾石量在50%左右。它们虽都属Ⅰ级土，但颗粒组成不同，开挖方法也不尽相同。