(44.192.112.123) 您好!臺灣時間:2021/03/09 00:46
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:陳曉明
研究生(外文):Chen, Hsiou-Ming
論文名稱:台灣南部風化沉積岩邊坡破壞機制與防治工法探討
論文名稱(外文):A Study on Slope Failure Mechanisms and Mitigation of Werthering Sedimentary Rock in Southren of Taiwan
指導教授:廖洪鈞廖洪鈞引用關係
指導教授(外文):Hung - Jiun Liao
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:營建工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:58
中文關鍵詞:淺層破壞生態工程生態工法軟岩
相關次數:
  • 被引用被引用:7
  • 點閱點閱:324
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:3
台灣南部風化沉積岩邊坡破壞機制
與防治工法探討
研 究 生:陳曉明
指導教授:廖洪鈞
時 間:91年7月
論 文 摘 要
本案例研究為針對於第二高速公路台南路段通過台灣西南部之軟弱砂岩和泥岩等沉積岩地層,其邊坡於雨季時屢有坡表小規模淺層破碎型破壞情事發生,而傳統極限邊坡穩定分析方法,難以顯示此類破壞現象,致無法對此類崩塌預為考量適度防治措施,為此探討過程中除藉由文獻回顧掌握軟岩基本物理與工程性質及可能破壞型態外,主要乃為選採不同之岩石強度、岩層界面強度與地下水位等輸入參數變化,利用數值分析電腦程式分析,再據此約130餘組之層面與坡表位移量、相對剪應力色階圖及塑點圖等分析結果資料進行交叉分析比對,顯示施工期間解壓造成之岩體強度衰減約略高於試驗之殘餘強度值,且岩石強度與岩層界面強度之衰減有其一致性,同時亦顯現當邊坡開挖後於岩層界面出露位置、台階緣端、地錨承壓版下端及坡頂等處有明顯張應力集中現象,因而可能形成有張力裂隙,與案例所呈現之破壞區位頗為相近,此表面型破壞在採地錨穩定處理亦無明顯改善,而因復受到地下水流動及暴雨導致水壓增高,而衍生漸進式之破壞,推斷此乃為造成破壞的主要成因。為此採取坡表錨筋加勁工法,以增加側向束制方式改善張應力區集中現象,由分析比較結果,確能達到束制的效果,同時坡表位移量亦相當之縮減。
再者,軟岩坡表侵蝕破壞亦為防治之另一重點,在探討各類耐雨性護坡工法後,認為採格梁護坡配合厚層客土植生工法較為符合長期性防侵蝕功能需要,綜合穩定與坡表侵蝕破壞探討結果,並融合生態工法之概念研擬綜合性改善方案,此方案雖未經驗證,然依多年經驗研判應具有實用性與經濟性,同時亦可保留有未來植物生態演替過程之環境與空間。
A Study on Failure Mechanisms of Weathering Sedimentary Rock in Southern 0f Taiwan and Mitigation
Thesis Advisor : Hung - Jiun Liao
Graduate Student : Hsiou — Ming Chen
ABSTRACT
This case study is regarding for Second Freeway, Tainan section of South — West of Taiwan, that is built on the formations of soft sand stone and mudstone sedimentary rock, and in the raining season, the slope surface often has the minor shallow failure and the traditional limit equilibrium analysis of rock slope failure could not predict the happening of the phenomenon, Therefore it is difficult to mitigate this problem.
In the process of study, use the records of basic physics of soft rock strength, engineering character and type of possible failure, but mainly use the choice of different rock strength, strength of interface and ground water level change as the input parameters for numerical and computer programming analysis, which are used to analysis (130 combinations) the deformations of the bedding and slope surface, then compare with the analysis results of relative shear stress shading and plastic point, the comparison shows that reduction of the rock strength due to the pressure release, during the construction is little more than test residual strength and also the reduction of the rock strength and the strength of bedding is coincidental. Meantime, after the rock slope are excavated the tension stress are concentrated obviously at the cutting face, the edge of berm, the lower part of earth anchor plate and the top of slope and these areas we are studying, although we adopt the earth anchor steady method and obviously, it is no improvement, therefore we conclude that these are the main reasons for the failure. In order to increase the lateral confine effect to improve the area with tensile stress was concentrated, the soil nail reinforcement method is adopted and from the results of the analysis, it shows the confine effect and same time the
displacement of slope surface is correspondingly.
Furthermore, it is important to mitigate the erosion of the soft rock slope, after study the methods for slope protection from rain and find that for a long term protection, the soil binder frame grid protection system is the best solution. Summarize the results of the study of steady and slope erosion and incorporate with the concept of ecological engineering to draft an improvement plan, also this plan has not been validated, but based on the study by years experience it should be a practical and economic plan, meantime, it also retain the environment and room for ecological
evolution of the future plant.
目錄
摘要……………………………………………….…….………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………….….………………Ⅲ
誌謝…………………………………………………….……………….Ⅴ
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法與流程 2
1.3論文內容 2
第二章 文獻回顧 4
2.1沉積軟岩之定義與基本性質 4
2.2軟岩之工程性質 6
2.3軟岩之破壞型態 8
第三章 案例問題點探討 13
3.1沿線地質概況 13
3.2天候狀態: 15
3.3沿線邊坡破壞概況 16
第四章 案例模擬分析與探討 19
4.1 應用分析工具 — PLAXIS有限元素電腦程式 20
4.2 分析幾何斷面 23
4.3輸入參數探討 24
4.4 破壞準則 27
4.5 分析群組研選 28
4.6 分析結果詮釋 32
4.7 改善方案分析 39
第五章 防治方式探討 42
5.1 邊坡災害防止對策探討 42
5.2生態工法 47
5.3護坡工法探討 51
第六章 結論與建議 53
6.1 結論 53
6.2 建議 55
參考文獻 56
表目錄…………………………………………………………………..Ⅷ
圖目錄…………………………………………………………….…….Ⅸ
照片目錄…………………………….………………………............ ⅩⅣ
參考文獻
1. A. Keith Turner, Robert L. Schuster,(1998), Landslides investigation and Mitigation,FHWA special report 247。
2. Christian Veder (1981),“Landslides and Their Stabilization”,pp.13 - 20。
3. David M. Potts, Lidija Zdravkovic,(1998),“Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering Theory”pp.1-21。
4. E. Hoek (2000), “Practical Rock Engineering”pp.161-203。
5. Gray, D. H. and Leiser,A. T. (1996) “Biotechnical Slope Protection and Erosion Control”。
6. P. R. C. Morgan , R. J. Rickson (1995) “Slope Stabilization and Erosion Control : A Bioengineering Approach”pp.95 - 105。
7. R.B.J.Brinkgreve, P.A.Vermeer,(1998)“PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analysis ”。
8. 中華顧問工程司(1997),“國道第二高速公路新化田寮段工程設計報告”。
9. 中華顧問工程司(1994),“國道第二高速公路新化田寮段地質調查工作報告”。
10. 日本地盤工學會(平成9年3月),“降雨による地盤災害に關する研究報告書”,pp.38 - 40;pp131 -187。
11. 井上 孝人、岩佐 直人(2001),“About the New Slope Stability Method of Construction Which Preserved Trees”,J. of the Japan Landslide Sec.,Vol.38. No.1,pp.47 - 52。
12. 朱凌毅 ( 1998 ),“岩石弱化微觀機制之實驗研究”,臺灣大學土木工程研究所碩士論文,第47 - 51頁。
13. 林宏明 ( 1999 ),“軟岩在不同環境及應力條件之力學行為”,國立成功大學土木工程研究所博士論文,第6 - 83頁。
14. 李怡德 ( 1996 ),“軟弱砂岩弱化行為研究”,臺灣大學土木工程研究所碩士論文,第17 - 35頁。
15. 李德河,紀雲曜,田坤國 ( 1994 ),“泥岩基本特性及泥岩邊坡之保護措施”,地工技術,第48期,第35 - 47頁。
16. 杉山 友康 (1997.5),“A Study on Disaster Risk Estimation for Prevention of Railway Slope Failure during Rainfall”,日本鐵道總合技術論文誌,鐵道總研報告,特別第19號,pp.19 - 22 。
17. 林信輝(2001.2),“水土保持植生工程”,高立圖書有限公司 pp.185 - 247。
18. 周南山 (1999),“土壤與地工結構之互動分析”,200e大地工程電腦軟體應用研討會論文集,pp.2-1∼2-13。
19. 范嘉程 (2001),“大地工程土壤-結構互制問題概論及電腦程式之應用”,200e大地工程電腦軟體應用研討會論文集,pp.3-1∼3-23。
20. 國道新建工程局(2000),“第二高速公路邊坡坍滑案例回饋設計之研究”。
21. 陳時祖 ( 1994 ),“臺灣西南部地區泥(頁)岩之工程特性”地工技術,第48期,第25 - 33頁。
22. 陳榮河、洪勇善(2002),“考量生態之工法研析”山坡地開發之災害防治研討會論文輯,pp.1 - 20。
23. 森野 亮宏 ( 1997 ),“鐵道斜面防治對策”,日本鐵道總研報告,pp.42-54。
24. 橫山 俊治,櫻井 皆生,平野 裕三 ( 2000 ),“Movement Types of Rainstorm - induced Surface Collapses Controlled by Structures of Granite fault Crush Zone”,Journal of Japan Landslide Society,37-1,pp.18 - 24。
第一章 緒論
1.1 研究動機與目的
台灣西南部麓山帶於嘉義、台南縣地區出露地層主要為上—更新世晚期之二重溪層與六雙層,此類沉積岩地層多為由細至中粒砂岩和泥岩互層,或由暗灰色泥岩及與夾有砂岩的泥岩組成,因成岩期短,普遍具有膠結不良與壓密不佳之特性,復受到台灣南部地域性乾溼季分明,溼季雨量與地下水充沛,致使岩石強度加速弱化,對於邊坡工程之穩定性有相當程度之影響。近年來由於第二高速公路台南路段之興建,於該地質區域範圍產生相當里程之挖方邊坡,且受到地質構造線走向與路線約略平行之影響,其北上線右側挖方邊坡泰半呈順向之勢,由長時間之觀察顯示,雖然無較大規模之邊坡坍塌情事,然小規模坡表淺層破碎型流動式破壞則時有發生,特別是在8、9月間颱風暴雨期間,且此種破壞類型有漸進育發現象,致造成修復處理之迫切性與困難度,顯見該等軟弱沉積岩之邊坡穩定主要受控於因周遭環境變更,肇因於軟岩物理性質與力學性質弱化所致。
在傳統一般岩石邊坡穩定分析模式中,對於順向坡分析,概為依地質研判結果選擇特定弱面建構平面破壞之地質模型,採用極限平衡(Limit Equilibrium)方法進行分析,並視需要選擇構建適切抑止工法,雖此舉或可掌握岩坡整體性穩定問題,及顯示明確之安全指標,然對於前述局部小規模之淺層破碎型流動型破壞似無法於分析模式予以顯示,致忽視對此之防治(Mitigation)措施與手段。而以往學者的研究多著重於應力環境改變對於大地工程材料力學特性方面,且在分析應用方面則偏重於隧道工程方面,鮮有對邊坡工程進行探討者。然以為就水土保持觀點而言,此類軟弱沉積岩邊坡破壞主要受控於天候與軟弱岩石材料特性,其破壞行為具持續性,屬長期性大地工程問題,故而誘發對於此等軟弱沉積岩之邊坡破壞機制與分析模式進行探討之動機。為此,本研究將以台灣西南部地區之軟弱沉積岩之邊坡破壞案例為基礎予以檢討,應用數值分析程式,由應力與位移關係,模擬邊坡破壞行為狀態,再針對於環境天候與軟弱岩石材料之特性條件,探討其破壞制機以為未來工程研究與設計作業參考。
1.2 研究方法與流程
本研究係以實際案例為出發點進行探討者,首先由案例中探討及研判其破壞形態與原因,次為引用既有地質資料與邊坡幾何形狀(Geometry)及邊坡穩定工法等建構分析用地質模型;後再以各種可能之岩石強度組合及邊界條件,利用數值分析程式進行有限元素之參數研究,由分析結果之應力、應變及位移情形,與破壞案例進行比對,以期能掌握邊坡破壞時之岩石強度變化趨勢,及可能之邊界條件趨向。研究方法與流程如圖1-1所示。
1.3論文內容
本論文內容共分為六章,茲分別概要說明於后:
第一章 緒論:由實際邊坡破壞案例所面臨成因探討之疑義與復舊處理之困境,以及在工程設計時所面臨無法預期之分析盲點,說明研究動機與目的。
第二章 文獻回顧:主要為彙集與研讀國內外有關沉積軟岩基本性質與工程性質、軟岩破壞型態以及防治處理等文獻,以瞭解影響軟岩弱化機制諸如浸水、乾濕循環、潛變、剪脹等之破壞行為狀態,及防護處理原則,藉為後續探討之參考。
第三章 案例問題點探討:由邊坡破壞現象,配合地質岩性及層面位態,及天候、施工等環境條件變化,依破壞區位差異探究可能之破壞成因,納入後續模擬分析考量。
第四章 模擬分析與探討:除就分析工具、分析幾何斷面、輸入參數以及破壞準則等予以討論與界定外,其主要為藉由PLAXIS程式就初始狀態、穩定處理狀態及改善狀態等,進行不同情境模擬分析,並針對於分析結果加以比較詮釋,以期顯現破壞之趨勢。
第五章 防治方式探討:依改善方案模擬分析所獲致之有效改善方向,針對一般常用之保護工法,由主要影響因子觀點,評估較為適當之護坡工法,並由生態植生綠化之角度切入,探討得以兼顧之防治方式。
第六章 結論與建議:針對研究成果提出諸點結論與建議。
第二章 文獻回顧
為期掌握研究範圍具廣度與深度以進行此議題之探討與研究工作,並能分析合理結果或趨勢性研判。因此,首先在文獻回顧中將引據或摘取之資料包括有沉積軟岩之定義與基本性質、軟岩之工程性質、分析方式選擇,以及因應與改善策略等,擇取其要點摘錄說明於后,以為探討參考。
2.1沉積軟岩之定義與基本性質
弱岩(weak rock)就其材料性質、成岩期長短及地質構造與環境因素影響程度差異,參照ISRM(1981)定義區分為軟岩(soft rock)、破碎岩(fractured rock)、及風化岩(weathered rock),而由弱岩岩體性質上通常具有膠結不良、破碎、高孔隙率的特性,並易受到外在環境影響,其力學性質呈快速弱化現象,謹摘要資料研讀心得說明於后。
軟岩最常用的定義是根據岩石之質流(rheology)性質予以判斷,亦為以變形性、單壓強度、剪力強度、破壞應變、破壞形態、模數比及時間依存性等予以判斷之。
而在工程應用方面,則一般多以岩石單壓強度為判斷之依準。就Bieniwaski (1984)及林宏明 (2000)等綜整之常見軟岩定義為。
(1)Rocha (1977) 提出土壤與岩石的界限為當材料之凝聚力在0.3 MPa,單壓強度在2 MPa 以上時,即可判定為岩石。
(2)ISRM (1981) 將凝聚性土壤與岩石材料的強度分成13個等級,其中土壤分級由S1 至S6,R0至R6則為岩石分級如圖2-1。
軟岩分級:
Weak rock:單壓強度介於5.0 ~ 25 MPa。
Very weak rock:單壓強度介於1.0 ~ 5.0 MPa。
Extremely weak rock:單壓強度介於0.25 ~ 1.0 MPa。
土壤分級:(與岩石重疊部分)
Very staff clay:單壓強度介於0.25 ~ 0.5 MPa。
Hard clay:單壓強度介於0.5 MPa以上。
(3)Bieniwaski (1984)彙整七種不同的岩石強度分類表如圖2-2,顯示weak rock、low strength rock、soft rock之單壓強度定義界限差異頗大,最大值可達70 MPa (Coates,1970),最小值約在0.7 MPa ( Broch and Franklin,1972)。
(4)ISSMFE (International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering,1985)建議單壓強度在0.5 ~ 25 MPa 之地質材料歸為軟岩(soft rock),其下限值之考量在於大多數文獻顯示粘土單壓強度均小於0.5 MPa之故。
(5)赤井浩一(1993)對於軟岩之描述為。
(a)物理性質與力學性質介於土壤與岩石之間。
(b)單壓強度常在0.5 ~ 10 MPa,且單壓強度多小於20MPa。
(c)吸水率在10 ~ 50%。
(d)顆粒間之膠結作用易受到環境影響而劣化。
(e)力學行為受圍壓影響,呈脆性至延性之變化。
(f)力學性質易受到孔隙水壓影響。
(6)Russio (1994)綜合Bieniawski整理之岩石分類與Dobereiner and De Freitas 的軟弱岩石分類圖,顯示軟岩之單壓強度下限約在0.5 ~ 1.2 MPa間,上限約在12 ~ 20 MPa間。
2.2軟岩之工程性質
Oliverira (1993)研究顯示軟岩具有之工程性質,分別為(1)在低應力狀態會產生潛變現象,(2)變形性大,(3)孔隙率較大,(4)膠結不良。
據李怡德(1996)於軟弱砂岩弱化行為研究中,以木山層砂岩進行之實驗顯示以下結果:
(1)木山層砂岩含水量由0.43%增加到5.41%,其單軸壓縮強度及變形模數約降低50~60%,而柏松比與含水量之變化則無明顯關係存在,約介於0.26~0.38間。
(2)在三軸壓力低圍壓 (0~5 MPa)狀態,木山層砂岩含水量由0.43%增加到4.72%,其強度及變形模數有大幅下降現象,且脆性程度有變弱趨勢,尖峰強度約下降35%,殘餘強度下降約20%,彈性模數約降低45%。
(3)木山層砂岩含水量由0.43%增加到5.41%,其剪力變形模數(Gt)大約降低60%,且體積變形模數(Kt)更降低達70%。
由其研究顯出軟弱之砂岩材料強度及變形性受到含水量及濕度變化之影響頗重。
朱凌毅(1998)對於砂岩弱化微觀機制研究中,針對於木山層及東坑層之完整(Intact)砂岩進行浸水及乾濕循環之弱化試驗,以探討其力學性質變化,並顯示以下之試驗結果。
(1)乾燥試體之破壞形態為破壞裂隙可穿過岩石顆粒,形成顆粒的破壞,而浸水飽和試體之破壞形態則傾向於沿基質破壞,且其強度也隨之下降60~46%。
(2)由乾濕循環試驗結果顯示木山層砂岩於60循環後強度約降低達85%,其因在於乾濕循環基質含量減少,孔隙度增加,經比對力學性質與砂岩之組織特徵,顯現砂岩之遇水弱化行為與基質膠結能力下降及析出有關。
由其試驗研究砂岩之浸水弱化機制,推論為岩石基質提供顆粒間之膠結能力,而浸水導致膠結能力下降,使顆粒間之摩擦阻抗能力減低,造成整體岩石強度下降;乾濕循環弱化機制,推論與基質中之黏土礦物被析出,膠結材料減少所致。
參考林宏明(2000)於軟岩在不同環境及應力條件下之力學行為研究中,其試驗結果顯示原狀泥岩在不同含水量與圍壓狀態下強度變化於后。
(1)針對於原狀泥岩在不同含水量狀況下,當泥岩含水量為19.7%時尖峰強度為1.34MPa,破壞時應變為6.3%;隨著單壓強度含水量減少至10.6%,應變在2.7%時產生破壞,其強度約增加2倍;而當其含水量接近為零時,其強度約為含水量19.7%試體之6~8倍如圖2-3,此外泥岩之正割與正切彈性模數亦隨著含水量減少而明顯增加,同時顯現於高含水量,試體的破壞行為呈延性破壞,於低含水量,試體的破壞行為呈脆性破壞。
(2)另於泥岩在不同含水量下之三軸壓縮試驗結果顯示,在定含水量狀態,隨著圍壓之增加試體之尖峰強度與殘餘強度亦隨之增加,其破壞行為亦由脆性破壞轉為延性破壞之形式,此外泥岩尖峰強度之內摩擦角和凝聚力會隨含水量的增加而明顯下降趨勢如附圖2-4。
2.3軟岩之破壞型態
台灣西南部出露之六雙層與二重溪層地層(亦有以關廟層概稱之),其岩石性質以膠結疏鬆細粒至粉砂質塊狀厚層淺灰色砂岩,夾青灰色泥岩,依參考文獻節錄之坡壞型態於后。
(1)參考森野 亮宏( 1996 )在鐵路邊坡整治研究中指出,邊坡的災害就其特徵、型態、規模、地形特性及降雨量的關係,約略可分類為地層滑動、層面滑移、坡表崩滑、落石及土石流等,而針對於挖方路塹邊坡坡面表層崩塌收集之事例整理資料顯示之破壞類型如圖2-5,其中Ⅰa與Ⅰb類之破壞以坡高較低者居多,約佔52%,Ⅰc與Ⅰd類之破壞以坡高較高者居多,約佔34%;崩塌量體在50立方公尺以下的約佔65%,且挖方路塹邊坡坡面表層崩塌與降雨有密切的相關性,累積降雨量達100 mm就有相當多崩塌發生,累積降雨量達200 mm時約有65%之崩塌事例;除降雨量之影響外,周邊環境或地貌改變化造成雨水逕流係數增加,集水量與集滯流時間變動,亦為誘發崩塌之主要原因。
(2)依陳時祖等( 1985 )對於台灣西南部地區泥岩之耐蝕指數( 消散性質,Slake Durability, Id )試驗與以進行比較,顯示六雙層是最易消散崩解的地層;而由顏富士等( 1985 )所做化學性質試驗資料,顯示由於鈣、納、鎂等可溶性陽離子含量皆高,因此容易消散崩解,且對植生不利。
(3)根據李德河、紀雲曜、田坤國及陳時祖等(1994)以台灣西南部地區泥岩邊坡進行系列之觀察與研究顯示,於泥岩區域範圍常發生之邊坡破壞型態包括有坡表沖蝕及崩壞與風化岩層滑落等,依據觀察資料顯示每年坡表沖蝕深度約大於10公分,其沖蝕率受到地形影響甚大,最主要影響因子為坡向、坡長及坡角等三項。邊坡崩壞與風化岩層滑落為另一類破壞,崩壞多為坡趾受到人為或自然營力侵蝕淘空作用之持續進行,而使邊坡產生崩坍(落石),另風化岩層經浸水回脹崩解及乾濕交互等作用,風化層產生相當多的龜裂,至使風化層得以育發,滲透性增加,地表水經裂隙或植物根之裂隙,滲入風化層而停滯於風化層與新鮮泥岩層之界面上,導致界面強度降低而由潛變進而衍生順界面之滑動,泥流、管蝕及地表沉陷為泥岩地區常見之破壞類型。
(4)參閱橫山俊治等( 2000 ),對於暴雨對花崗岩斷層破碎帶坡表崩壞運動型態探討中將表層坍塌依其運動模式之特徵分類為破碎流動型坍塌( Cataclastic flow - collapses ) 與群發翻倒型崩塌(Topple swarm - collapses ),並由觀察顯示破碎流動型坍塌之發生流動為由於管流之破壞或地下侵蝕,與由於其浸潤之強度低減,而成為不安定狀態,加上重力之作用而發生者,變形規模較小,破壞長度均在2~3公尺,範圍亦有不滿1平方公尺,呈局部性葉片狀破壞。群發翻倒型崩塌為岩塊傾倒或滾落堆積於坡趾,形成變動型坍塌,岩塊運動型式相當於翻倒式破壞,惟就整體性而言其變動範圍具有類似地滑之輪廓形態,坍塌深度較深,範圍較廣為其特徵。
(5)Christian Veder(1980)於Landslide and Their Stabilization文中曾論及工程地質過壓密塑性黏土形成漸進破壞(progressive failure)行為其先決條件有以下諸點:
(a)漸進破壞之發生條件,僅於當土壤材料其尖峰強度τp與殘餘強度τr間有明顯之差異,或於維持邊坡穩定所需之平均剪應力阻抗較大,或於殘餘強度τr處於極低狀態時,亦即當土壤材料發生較小的變位時剪力強度隨即趨近殘餘狀態,此時發生漸進地滑之敏感性較高,具此類性質之材料包括過壓密硬黏土、原生黏土(primarily clay)、沉泥質黏土、泥板岩、片岩等;另Bishop(1967)曾利用脆性指數(Brittleness index, IB)詮釋漸進地滑形成機制,較大的IB值土壤具有較高的漸進地滑潛能,公式為 。
(b)另當坡體有弱面存在,此弱面造成剪應力集中勢必衍生差異變形,而坡體弱面導因於人為開挖或坡趾侵蝕等行為,致誘使剪力阻抗因風化及後繼之軟化而減低,又解壓使土體凝聚性降低而膨脹,然因山側向束制影響使膨脹方向趨向坡面位置,導致應力流平行坡表而衍生局部破壞。
(c)同時利用簡化平面單一弱面模型如圖2-6來詮釋漸進地滑發生與歸納出其演化歷程中材料尖峰及殘餘強度(τp,τr)與驅動剪應力(τo)以及位移量間三種可能之關聯性變化,摘紀於后:
l < :此狀況為應力集中現象後移,側向土壓由後側未受擾動土體承擔,下滑驅動力低於τp滑動停止。
l :此時實際上漸進地滑破壞將連續性發生,並可能無限延伸。
l > :此狀態漸進地滑破壞立即發生,且將會持續性滑動破壞,滑落塊體則視土壤黏滯力強度而異。
(6) Philip C. Lambe (1996) 述及殘留土壤 (Residual soils) 為由岩層風化形成者,是故殘留土壤地層亦代表岩石風化之歷程,依Deere 及Patton''s (1971) 對於火成岩與變質岩等風化地層分類系統,詳如圖2-7,概分為殘留土壤、風化岩及未風化岩等三區帶,其中介於殘留土層與部分風化岩層 ( PWR )間,分類為ⅠC (腐植土,Saprolite ) 及ⅡA (轉換帶,Transition)等兩層次之性質為於本研究較關注者。按其定義ⅠC子分類為仍保有殘存之岩石結構,呈沉泥至砂性材料性質,未風化岩含量少於10%;ⅡA子分類之變化性大,呈土狀至岩狀之材料性質為細至粗顆粒砂質及一般顯現球狀風化,以下謹就其坍滑、材料及孔隙水壓等特性於后:
(a)在坍滑型態方面,Deere 及Patton''s (1971)之分類系統提供四類殘留土層坍滑類型,詳圖2-8,其中論及ⅠC、ⅡA及ⅡB等地層受到殘存節理系統(relict joint system)影響故而其節理分布形態為坍滑形體之主要控制因素,而構成如2-8b圖型態b坍滑模式;同時降雨將明顯影響到孔隙水壓變化,故於暴雨後因坡體產生二或三向度滲流水影響而導致此類型之淺層坍滑破壞,其中又以降雨後垂直向滲透為引發此類型之破壞較為常見。
(b)於材料性質方面,討論之ⅠC及ⅡA地層由於其材料行為介於土壤力學與岩石力學間,因取樣不易與試樣尺度限制等影響,致使無法提供較高品質之強度與滲透等參數,而此類地層一般呈不飽和狀,弱膠結性 (weakly bounded)以及受殘存節理影響屬異向性土壤;Vaughan er al.(1988)研究報告指出殘留土壤土層之行為受控於膠結強度與孔隙率,由其重模樣本試驗結果顯示,低應力與弱膠結性導致小應變發生;由試驗計量顯出其破壞應力低於現地試驗結果,其因在於取樣過程中之膨脹與膠結破壞等之影響;Brand (1985)研究亦指出受到膠結力影響在低有效應力狀態呈現較高之剪應力現象,此與採高有效應力狀態之三軸試驗結果,採以Mohr - Coulomb破壞包絡線直線延伸摘取之強度為高,如2-9圖;另由降雨誘發邊坡坍滑與三軸試驗之應力路徑如2-10圖,顯示當水平應力路徑q, 維持不變,減低p'', 時相當於孔隙水壓上升而導致之邊坡坍滑現象,此與一般由三軸試驗結果預測於較高p''值之破壞環境與應力路徑顯有所差異。
(c)對於孔隙水壓影響特性方面,Townsend (1985)報告中述及殘餘土層之現地滲透率約為 至 cm/sec,同時Brand亦強調於轉換帶即ⅡA地層整體之滲透率非常高,致使暴雨時孔隙水壓之反應相當快速;Lamb (1962)建議之暴雨時地下水位上升趨勢與飽和度關係如2-11圖。
第三章 案例問題點探討
第二高速公路(國道3號)新化燕巢段設計里程247k + 698 ~ 281k+647,全長約33.95公里,至關廟起通過新化丘陵與中寮嶺口丘陵地形,地表高程起伏變化在海拔20 ~ 360公尺間,呈向南漸高之勢;在地質上概屬中新世晚期至更新世晚期之地層,其主要涵括之大地工程課題,包括有挖填邊坡之穩定問題、橋梁基礎承載力及隧道工程等,此路段工程於民國85年初起陸續興工至民國89年通車,其間造成之工程施工困難點要以開挖路塹面臨之地質問題為最。而其中影響施工較大者為邊坡之破壞,雖在設計階段已然體認到地質之不確定性,故挖方路段僅8.3公里佔全段之24%,然於施工期間陸續有破壞影響者即約達30%,主要破壞為屬淺層之坡表破壞,且由於岩性掌握不易,處理時間迫急,加上受施工合約限制,致使災害處理對策未臻完善,亦有造成二次破壞之情事,相關破壞案例分析臚列於后以為詳細探討參考。
3.1沿線地質概況
該路段之出露的地層由北向南依次為六雙層、二重溪層、古亭坑層、烏山層、蓋子寮頁岩和南勢崙砂岩,以及呈零星分佈且上覆於其上之階地堆積與河道沖積層,在岩性上於旗山斷層為界西側為六雙層、二重溪層、古亭坑層等概為泥岩和泥質砂岩及泥岩為主,此亦為主要探討範圍內之岩石性質,東側則以砂岩為主詳圖3-1計畫路線沿線區域地質圖。有關詳細之地層與地質描述於后:
(1)六雙層:出露於新路仔村以北,整合覆蓋於二重溪層之上,主要岩性以黃棕色厚層、塊狀且膠結疏鬆之砂岩與中至厚層之砂、泥岩互層構成;砂岩多為細砂質至粉砂質之乾淨砂岩組成,岩層緊密,唯相當鬆散,不具膠結性;泥岩多呈透鏡狀,延展性不好,並偶含半淡水相至潮坪環境之貝類化石。本層可細分為三段,下段(LS3,SS-MS)以厚層塊狀砂岩偶夾泥岩組成,膠結疏鬆,全段厚度約185公尺。中段(LS2,SS/MS)以中至厚層砂岩、泥岩互層組成,膠結疏鬆,泥岩富含化石,全段厚度約75公尺。上段(LS1,SS-MS)以厚層砂岩偶夾泥岩組成,膠結疏鬆,全段出露部分可量測範圍厚度約170公尺。本層與下伏之二重溪層之辨認,即以不含化石或微量化石之厚層狀、疏鬆砂岩偶夾泥岩為界線。此層層面均傾向西北,傾角在10~20度間,節理不發達,岩體相當完整。
(2)二重溪層:為本探討區段主要之出露地層,整合覆蓋於古亭坑層之上,主要岩性以中至厚層之淡黃色砂岩與暗灰色泥岩之互層或砂岩間夾泥岩層構成,往上砂岩相漸趨發達。砂岩多為中至細粒之泥質砂岩,富含貝類化石;泥岩多為粉砂質,亦富含貝類化石。兩者均屬緻密之固結岩層,局部因鈣化而顯得相當堅硬。本層可再細分為三段,下段(E1,SS/MS)以砂岩與砂‧泥岩互層組成,膠結緊密,並夾有二至三層厚約數十公分至一公尺之河道沉積礫石(粒徑在數公分之內),全段厚度約205公尺;中段(E2,SS-MS)以厚層塊狀砂岩偶夾泥岩組成,膠結緊密,厚度約70公尺;上段(E3,SS/MS)以中至厚層之砂岩、泥岩互層組成,厚度約85公尺;另在崗山頭附近,並有厚層塊狀之石灰岩出露,呈凸鏡體,厚約50公尺以內,向東在崗山頭即已尖滅。本層層面相當平緩,傾角多在10度以下,向南或向北傾斜,呈一緩褶曲構造區;節理面並不發達,多呈高傾斜之節理,而於二仁溪河道兩側,河谷之解壓節理較為發達,易於崩落。
(3)階地堆積層與河道沖積層:在本區階地相當發達,局部呈現連續性緩坡,顯示階地發育之漸進性,沖積層僅分佈於目前河道及兩岸,階地堆積層與河道沖積層均由砂、粉土、黏土組成,呈水平狀,不具膠結,與風化之水平岩層分辨不易。階地堆積層局部夾有約數10公分之卵礫石,與下伏之岩層呈不整合接觸,界面清楚。
(4)地質構造:本路段範圍之地質構造有新化斷層、關廟向斜、歸仁背斜、瓊仔埔向斜、大崗山背斜、古亭坑斷層、田寮向斜、龍船斷層及旗山斷層等,主要影響邊坡穩定者為:
(a)關廟向斜:為不對稱之向斜,近軸部處呈平緩傾斜狀態,向斜西翼岩層較陡,向東傾斜約20~40度者居多,向斜東翼岩層較平緩,向西傾斜約8~10度,向斜軸約呈南北走向。
(b)田寮向斜:其向斜軸走向約為北30度東,東翼為龍船斷層所截,西翼為古亭坑斷層所切,由於向斜向南傾沒,在田埔附近出露較新之二重溪層,向斜軸東翼岩層走向呈北20~30度東,向西北傾斜50~70度;西翼岩層走向呈北40~80度東,向南傾斜30~50度。而近軸部附近亦有呈北40~80度西,向南傾斜10~20度者,顯示為一不對稱之向斜軸。與路段呈斜交通過,致使路線兩側邊坡一呈順向之勢。
(5)地層剖面:綜合地質分佈狀態與地質鑽探調查結果,研擬各分析斷面處之地層剖面圖,包括地層視傾角與走向、岩層屬性、地下水位,以及相關參考鑽孔等資料,詳附圖3-2。
3.2天候狀態:
在本區域有明顯地分為乾濕兩季,按民國88-89年中央氣象局台南/高雄氣象站提供之累積月雨量紀錄,顯示全年降雨量約有90%左右集中於每年5~9月間,月降雨量約在600~1,000mm;降雨天數約佔全年降雨天數之65%以上,可知每年5~9月份為台南地區雨量豐沛且集中之時段,對於邊坡穩定而言為須納入考量之重要環境因素。
3.3沿線邊坡破壞概況
路線沿線邊坡破壞情況始於施工中期,分別於民國88、89年之7~9月間陸續發生且持續進行,而經初步歸納概分為三種破壞類型,分別為預鑄格樑岩錨坡面破壞類型、坡面淺層破碎流動破壞類型及坡頂弧形滑移破壞等三種類型。其破壞概況說明方式為以此三種類型具代表性者為主,並以地質說明、圖形、照片圖等說明於后。其發生之位置與型態詳圖3-3~圖3-8。
(1)預鑄格樑岩錨坡面破壞
此類型破壞顯現於關廟田寮區段北上線右側之順向坡,且普遍植生不良,對於採取預鑄格樑岩錨之錨碇功效產生不利之影響,且復舊不易,且有再次破壞之虞,以下謹就其中具代表性者列表說明之。
破壞區段 261K+900~264K+480(NB) 圖3-3~圖3-8
原設計方案 平均坡高25m;坡距比1V:1.2H
穩定工法 預鑄格樑岩錨輔以植生護坡,錨碇力40T/ea
地質狀況 六雙層之LS5 (SS-MS) 岩段,岩性為厚層塊狀砂岩夾泥岩,風化之砂岩呈黃褐色,細粒,膠結疏鬆。岩層位態N10°~30°E/10°~30°W。
邊坡破壞狀況 邊坡於出露之砂泥岩界面處,風化砂岩呈岩屑狀流動型破壞,破壞範圍為順岩層走向延伸,有達數十公尺者,深度約在2公尺左右,預鑄十字型格樑岩錨下端懸空,及有部分錨座歪斜傾倒,預力鬆脫損失。植生不良不均勻為普遍之現象。 照片圖3-1照片圖3-2照片圖3-3照片圖3-4
破壞成因 於順向坡坡面砂泥岩層面出露處,由於岩質軟弱,砂岩受解壓與風化影響而鬆脫剝落,下伏之泥岩,受到地下水之浸蝕弱化,遇豪雨坡表逕流之沖刷,及岩層內含水量增高,而使風化鬆動之砂岩岩屑呈流動型破壞,此類型破壞多出現於砂泥岩層面處,且有因基岩裸露使風化加深,而有日趨擴大延伸之勢。 圖3-9
處理方案 較小規模破壞處,於預鑄格樑範圍內採用自由框梁工法以減少沖刷侵蝕坡長,並配合以客土或植生袋或噴凝土以降低風化。範圍較大,且對岩錨有顯著影響者,採土壤或混凝土回填,以掛網噴凝土封面,重新安置預鑄格樑岩錨。 圖3-10照片圖3-5照片圖3-6
(2)坡面淺層破碎流動破壞
在此路段多處有此類型破壞現象,且泰半發生於逆向之穩定邊坡坡表,經觀察顯示一般坍滑體之破壞深度甚淺僅只1~2公尺,坍滑形態為類似破碎流動式破壞模式,造成維護與修復之困擾,以下謹以具代表性之破壞列表說明於后:
破壞區段 259K+800~267K+570 圖3-3~圖3-8
原設計方案 平均坡高20~35m;坡距比1V:1.2H
穩定工法 逆向坡,採客土植生護坡,及水平排水管。
地質狀況 六雙層上部之厚層、塊狀、黃棕色砂岩與中至厚層砂岩、泥岩互層(L3),砂岩膠結疏鬆,易風化崩落;泥岩偶含化石,較緻密。岩層走向約呈南北向,向西傾斜8~20度;節理以北東走向之節理較發達,節理面均屬高角度或約略垂直層面。
邊坡破壞狀況 由紀錄顯示於民國88~89年之7~9月間連續降雨後,該區域之邊坡產生局部性小規模之坍滑,且有日趨擴展之情事,崩坍範圍一般約以30~50公尺寬,長度僅約10~15公尺,冠部深度約2~3公尺,尾端呈擴散形,發生位置約在坡面中段處,坍滑岩屑順坡面沖刷而下,堆積於坡趾處。 照片圖3-7照片圖3-8照片圖3-9照片圖3-10
破壞成因 路塹開挖後呈裸露狀加速風化,又因節理較發及達解壓裂隙,於出露之砂岩層坡面分割呈網目狀,復因局部管流或地下水侵蝕,含水量增高,致使岩面細粒料伴隨地下水流失,繼之導致破碎岩屑塊顯現不穩定狀態,呈翻倒型滾動坍滑,此類坍塌多為順岩層走向延伸。
處理方案 由於屬於淺層坍滑,復舊方式有兩類,無路權限制者採緩坡及植生綠化方式處理,而屬局部或坍滑較深者,則以石籠或箱籠穩定坡趾,再以回填整坡處理。
(3)坡頂弧形滑移破壞
在此路段多處有此類型破壞現象,且泰半發生於坡頂及平台台階處,經觀察顯示一般坍滑體之破壞深度甚淺僅只2~3公尺,坍滑形態為圓弧形類破壞模式,滑動破壞面於坡面處出露,坍滑之破碎岩塊堆積於坡趾,造成維護與修復之困擾,以下謹以具代表性之破壞列表說明於后:
破壞區段 260K+500~264+000 圖3-3~圖3-8
原設計方案 坡頂處外側設計有截水溝及以噴凝土保護開挖面頂之緣部。台階寬度為3公尺向內傾斜,佈設有60公分寬平台溝,下坡側外緣以噴凝土保護。
穩定工法 以噴凝土保護坡緣弱帶。
地質狀況 六雙層上部之厚層、塊狀、黃棕色砂岩與中至厚層砂岩、泥岩互層(L3),砂岩膠結疏鬆,易風化崩落;泥岩偶含化石,較緻密。‧岩層走向約呈南北向,向西傾斜8~20度;節理以北東走向之節理較發達,節理面均屬高角度或約略垂直層面。
邊坡破壞狀況 沿坡頂截水溝外緣或平台溝內側開裂,由此形成約有2~3公尺之斷差,並以圓弧形破壞型態坍滑,坍滑破壞面於坡面中央處出露,順坡向堆積於坡趾處,坍塌範圍寬約50~70公尺,長約5~10公尺,坍塌體約100~150立方公尺。 照片圖3-11照片圖3-12照片圖3-13照片圖3-14
破壞成因 開挖衍生之解壓裂隙,與水溝壁面與岩盤界面處地表逕流順勢下滲,此水壓力造成下滑之動力,復因開挖坡面之風化與岩性軟弱之影響,肇使沿阻抗最少之弱面產生滑落。
處理方案 近坡頂處以工程織物加勁工法處理。若破壞接近坡趾處,則以石籠或箱籠穩定坡趾,再以回填整坡處理。 圖3-11
第四章 案例模擬分析與探討
前述第二高速公路新化燕巢段案例設計係依循傳統岩坡分析步驟與方式進行者,先研判地質構造與岩層位態等,以立體投影圖分析法( stereographic analysis )或稱運動分析( kinematic analysis ),判別可能破壞模式,再以二維極限平衡法( Limit Equilibrium Method )之PCSTABL 5M分析程式,搜尋分析假設臨界滑動面( Critical Slip Surface )之安全係數及視需要補以適當之阻抗並據以選定擋土工法之穩定程度。而從分析結果資料顯示,在未採取地錨工法之順向坡其穩定性安全係數約為1.02 ~ 1.46間隨坡高而降低,均低於常態安全係數1.5之要求,而在配置適當之錨碇力後其穩定性安全係數提昇至1.6 ~ 1.8間,由觀察施工階段無大規模之破壞事例發生,顯示此分析步驟與方法足可掌握邊坡之穩定與避免大規模之破壞情事,然局部性小範圍之淺層坍塌無法於分析中顯現。
鑑於好的分析在能模擬真實行為,並能使工程師從而瞭解及掌握問題所在,惟極限平衡法分析所須資料僅為材料強度參數,而非應力─應變關係,故無法顯示邊坡局部位移之變化,顯然極限平衡法不足以顯現軟弱岩石邊坡之破壞行為。而理想之分析方法其基本考量應為不論在力與位移狀態下,均可滿足平衡( equilibrium )、協和性( compatibility )、材料行為( material behavior )及邊界條件( boundary conditions ),參考David M. Potts與Lidija Zdravkovic (1998)將現行之地工分析方法粗分為理論分析法(closed form)、簡易分析法(simple)、及數值分析法(numerical analysis)等三類,經由其歸納結果顯示,唯有理論分析法與數值分析法較能同時滿足力與位移之邊界條件,詳如表4-1。是以本探討擬藉由有限元素分析法進行模擬與探討,期能以另一類之分析方法顯示軟岩邊坡之破壞行為。
在本節之模擬與探討中,首先為掌握應用分析程式,續而為依各階段地質調查結果,並配合研讀相關報告與參考文獻所獲之資料,構建適合之分析模型,及按各類不同之分析條件諸如岩石強度、地下水位、岩層透水性等組合等,藉由有限元素分析程式進行試算分析,試圖由分析結果能模擬與試現場狀態趨近之破壞型態,並詮釋之以期瞭解與掌握破壞成因,可供後繼防治工法研選之契機。
4.1 應用分析工具 — PLAXIS有限元素電腦程式
PLAXIS有限元素電腦分析程式之發展為於1987年由Technical University of Delft 為荷蘭公共工程事務與水資源管理部(Dutch Department of Public Works and Water Management )需求而研發者,復經多年之研究與改進,使其應用性擴及較廣泛之大地工程領域,而於1993年由PLAXIS BV公司推出為商業化之套裝分析軟體。此程式研發目的在於提供大地工程師們不需藉由有限元素專家協助亦可使用之實務性分析工具,同時亦可免除工程師們對於非線性有限元素計算繁瑣與耗時之困擾。
吾等服務單位近期亦引進此應用程式,故擬以此為分析工具,對於研究課題進行模擬分析,以期由其中顯現出極限平衡分析,所無法發覺之問題點, PLAXIS有限元素電腦分析程式之主要功能, 依PLAXIS使用手冊與參考范嘉程(2001)“大地工程土壤-結構互制問題概論及電腦程式之應用”及周南山(2001)土壤與地工結構之互動分析等文獻資料綜合摘錄如下。
PLAXIS為有限元素套裝軟體,特別適用於分析大地工程之變形與穩定性問題,並具有供模擬分析非線性與隨時間變化行為之應力-應變組合律(Constitutive models),同時為適應大地工程材料之多面向性(非均質、非均向性、非彈性、非線性),特別考量水壓力之靜態水壓(Hydrostatic)與非靜態孔隙水壓(Non - hydrostatic pore pressure)之分析程序。此外亦針對大地工程材料與結構物互制問題之模擬,提供模擬結構物與大地工程材料界面間行為功能,以克服多樣化及複雜之大地工程構造物問題。以下謹就此程式之重要功能臚列予后:
(1)分析幾何圖形輸入:在地層,構造物,施工步驟,荷重與邊界條件等均可以傳統簡易之繪圖步驟(CAD),詳細及正確地模擬實際之斷面幾何圖形,並自動產生有限元素網格。
(2)有限元素類別:除可完全自動構建有限元素網格,並可依需求設定不同的疏密度,或變更局部區位疏密度。其平面元素為採三角形分格,提供6節點三角形元素(具3應力點)或15節點三角形元素(具12應力點),節點用以計算位移量,應力與應變則由應力點來分析。此外尚包括樑元素(Beam Element),用以模擬擋土牆,隧道襯砌及其他狹長型大地工程構造物。界面元素(Interface Element),為用於大地工程材料與構造物間互制行為分析,提供模擬薄層界面強度化剪力帶之材料行為。此外尚有雙節點地錨彈簧線性元素(Node-node anchors Element),為雙節點之彈簧線性元素可承受軸向拉力與壓力,具彈簧係數性質,可施預力,用以模擬地錨之自由端,並與地工勁材元素(Geotextile Element)併合以模擬地錨行為。以及固定端地錨元素(Fixed - end anchors Element),用以模擬開挖之內支撐行為。
(3)大地工程材料應力-應變組合律:PLAXIS程式提供五種土壤應力-應變組合律(Constitutive models),分別為性線彈性(Liner Elastic Model)、Mohr-Coulomb Model、Soft Soil Model、Hardening Soil Model、及Soft Soil Creep Model。前四種為 一般應力-應變組合律;而Soft Soil Creep Model則可分析土壤受荷重後隨時間變化之潛變問題;Soft Soil Model為類似Cam - Clay型式之彈塑性土壤應力-應變組合律,較適用於黏性土壤;Hardening Soil Model適用於各類型土壤之彈塑性土壤應力-應變組合律。一般黏性土壤受荷重產生應變時,幾乎無膨脹行為,砂質土壤則依密度與內摩擦角值,受荷重產生不同程度之體膨脹行為,Mohr-Coulomb Model及Hardening Soil Model均使用膨脹角Ψ控制土壤受剪時之膨脹行為,Mohr-Coulomb Model於PLAXIS程式中之土壤應力-應變模擬示如圖4-1。而所設定之內摩擦角ψ大於30∘者受力後產生體膨脹,須輸入膨脹角參數(Dilatancy Angle),膨脹角參數定義為 。
( 4 ) 初始應力:於大地工程分析常須定義初始應力,此應力肇於重力影響,用以表示未擾動土壤與岩層之平衡狀態。在PLAXIS程式中以 KO或重力荷重(Gravity loading)兩種選項付予,其中KO僅應用於水平地層構造,此外均以重力荷重方式設定初始應力,在採完全彈塑性模式分析時,KO值取決於岩石柏松比,由試驗結果泥岩與砂岩之柏松比為0.24、0.3時,按ν = KO / (1-KO) 計算值約在0.3〜0.5間。
(5)安全係數分析:一般大地工程有限元素法數值分析軟體多用於分析土壤或岩石之應力及應變行為,PLAXIS程式提供計算土體安全係數之功能,計算方式為採“ψ- C折減”程序,亦為對土壤強度參數凝聚力C及摩擦角tanψ多次反覆折減,使土體達到臨界破壞點,故以多重總體安全係數Σ Msf (Total Multipliers Safety Factor) 表示之。定義公式為:

(6)輸出資料:分析結果之網格應力及應變可採列表或圖形表示,輸出圖形可分別以等值線圖(Contour)、等值色階圖(shading)、及向量(Vector),以及配合探討需要而摘取特定斷面之應力、位移圖形與物理量等型態呈現,以利整合與探討。
4.2 分析幾何斷面
參考設計階段若干分析斷面之幾何形式,及配合現場破壞案例之區段等資料,綜合考量選擇三處順向坡斷面,其一處為屬高傾角順向坡岩層未出露亦無破壞現象,然因具有傾斜變位之施工觀測紀錄,故特選出。另兩處採地錨為穩定工法,各為分析之斷面其詳細資料概述於后。
斷面位置:設計里程261+100(順向坡)、264+375 (順向坡);254+900 (傾斜變位觀測斷面)。
參考鑽孔:SM-60-01、SM-60-02;BM-62-06、BM-62-07、SM-62-01;SM-60-06、PM-52-11、SM-60-05等三組8鑽孔資料。
坡高:分別為19.3公尺、24.5公尺及22.2公尺。
坡距比:1.2H:1V ( 坡角:39.8 º )。
台階高度:10公尺,平台寬度:3公尺。
層面視傾角:12 º W/35º W(傾角/走向)。
地層分佈:254+900斷面粉砂岩為主夾薄層泥岩;261+100、264+375斷面為粉砂岩與泥岩互層。
穩定工法:順向坡採十字形預鑄格樑地錨,錨碇力40噸/支。
護坡工法:植生網帶附肥料包工法。
構建幾何分析模型依據案例邊坡幾何條件、地層層位及位態等資料建構之分析剖面,另邊界之設定範圍將會影響分析模型內之應力 — 應變分佈狀態,為避免邊界效應之影響,以本分析案例坡高為25公尺計,分析之邊界範圍採65m ×45m,遠大於坡高之1倍以上,完成之有限元素網格詳圖4-2,建立之網格元素為6節點三角形平面應變元素,共677元素,2046節點,2031應力點。
4.3輸入參數探討
依據二重溪層砂岩與泥岩其單壓強度試驗結果資料顯示平均強度值,砂岩在0.1~1.4 MPa間 (自然含水量3.6~22.5%) ,平均約為0.7 MPa。泥岩在1.0~5.2 MPa間(自然含水量1.7~28%),平均約為2.2 MPa。另風化砂岩在0.06~1.0 MPa間 (自然含水量3~24.3%) ,平均約為0.3 MPa;風化泥岩在0.17~1.4MPa間 (自然含水量3~30%) ,平均約為0.8 MPa。
按ISRM分類及相關分類研判顯示砂岩與泥岩單壓強度介於0.5~10 MPa間為軟弱岩石,而風化砂岩與泥岩單壓強度介於0.25~1 MPa間屬極軟弱岩石。按ISSMFE(1985)之分類亦可歸於硬黏土範圍,其物理性質與力學性質為介於土壤與岩石間,故此類極軟弱之沉積岩石,在大地工程分析上應可歸屬於土壤行為。
本節之探討參數主要為應用彈塑性之Mohr-Coulomb分析模式中所必須且具關鍵性影響者,包括E(彈性模數)及ν(柏松比),C(凝聚力)及φ(內摩擦角),以及Ψ(膨脹角)等基本參數。其中彈性模數E為依三軸試驗取得,C及φ值為採取各岩層材料力學試驗之平均值,ν值為參考相關文獻之範圍,至於弱化影響探討方面其範圍為彙整參考文獻依各類材料之物理性質特別是含水量變化研判後選定者。
(1)彈性模數E:
(a)砂岩部分:平均為42.5MPa (434 kg/cm2),平均含水量7.2%。
(b)泥岩部分:平均為126.7MPa (1,293 kg/cm2),平均含水量10.6%。
(c)弱化影響:砂岩部分當含水量近乎飽和狀態其彈性模數降低約50~60%;泥岩部分當含水量近乎飽和狀態其彈性模數降低更高達95%,而以此趨勢推估,以本地區之平均含水量12.8%而以飽和含水量約為18.3%時,推斷其彈性模數下降約達40~60%。
(2)強度參數
(a)砂岩部分:依三軸試驗與直接剪力試驗資料顯示(採平均值),尖峰凝聚力C p值約為21.5kPa,尖峰內摩擦角φp值約為33.7度;殘餘凝聚力C r值約為10.3kPa,殘餘內摩擦角φr值約為31.7度。風化砂岩之尖峰凝聚力C p值約為34.3kPa,尖峰內摩擦角φp值約為32.8度;殘餘凝聚力C r值約為8.8kPa,殘餘內摩擦角φr值約為30.5度。
(b)泥岩部分:依三軸試驗與直接剪力試驗資料顯示(採平均值),尖峰凝聚力C p值約為69.5kPa,尖峰內摩擦角φp值約為30.2度;殘餘凝聚力C r值約為25.1kPa,殘餘內摩擦角φr值約為27.3度。
(c)弱化影響:砂岩部分由試驗結果比較殘餘強度約為尖峰強度之67%~83%,而風化砂岩之殘餘強度更較之降低約25%~40%,且有隨正向荷重增加而漸增之現象。又依相關研究資料顯示當含水量趨近於飽和狀態時,其尖峰強度約下降35%,殘餘強度約下降20%。泥岩部分由參考文獻研究資料顯示,其強度隨圍壓之增加而提高,而隨含水量增加而呈明顯降低之勢,由試驗結果比較殘餘強度約為尖峰強度之45%~60%,顯示其弱化狀態。
(3)物理性質
(a)砂岩部分
l 粒徑分布:砂含量平均為59%(42%~77%),粉土含量平均為41%(58%~23%),顯示趨進於粉砂岩,其透水係數約為10-4cm/s。
l 現地密度(γt):平均為19.2kN/m3,平均含水量15.2%,平均孔隙比e為0.59,據此推算其飽和度S約為0.68,飽和狀態含水量為22%,飽和單位重約為20.1kN/m3
(b) 泥岩部分
l 粒徑分布:砂含量平均為5%(0.2%~19%),粉土含量平均為95%(99.8%~81%),其透水係數約為10-6cm/s。
l 現地密度(γt):平均為20.1kN/m3,含水量12.8%,孔隙比e為0.50,據此推算其飽和度約為0.71,飽和狀態含水量為18.3%,飽和單位重約為21.1kN/m3,顯示泥岩岩體較砂岩緻密。
(4) 參數研判
依據前各類岩層參數之整理,及配合探討計畫之構想,即為擬藉由文獻回顧與設計階段岩石強度試驗結果,推測岩石強度可能弱化之最大範圍,初估其弱化程度約在20%~80%間,再藉由初始狀態分析結果與邊坡開挖後現場量測或觀察所得之位移及變形狀況比較,以探討較為符合現況之岩石弱化範圍,並據此進行後繼之模擬分析與探討,故本項參數研判係利用分析之比對探討過程中擇選者,而基本分析參數為未風化岩石尖峰強度之實際試驗結果平均值。
此外,針對於所採用3或4排之預鑄十字形地錨穩定工法之材料尺寸與性質等,配合PLAXIS程式可模擬應用之結構元件包括,以樑桿件(Beam) - 模擬預鑄十字形地錨面版之勁度與剛度;以兩端非固定桿元件(Node — to — node anchor) - 模擬地錨自由段鋼腱具彈簧係數性質之線性行為;另採用地工織物元件(Geotextile) -模擬地錨固定段承受之軸向拉力勁度。
綜合以上對於相關模擬分析參數之討論,擬具基本分析參數表如表4-2,4-3,4-4,以為後續模擬分析之依準。
4.4 破壞準則
運用有限元素來預測與分析大地工程問題,其準確性取決於有限元素構架及大地工程材料應力與應變模式之選擇,故模型構建與輸入參數間有不可分離之關係,大地工程材料在荷重狀態下為呈現高度非線性行為,在適應詮釋複雜性差異程度而有各種不同之非線性應力與應變破壞準則諸如Mohr-Coulomb、Hoek-Brown、Adachi-Ogawa,等二維的破壞準則或行為模式,顯然地隨著模式之複雜程度增加,其所須要之參數條件程度亦趨於複雜,然而一般工程上最常被採取之摩爾庫倫破壞模式除有簡易使用之優點外,主要在能符合試驗條件,及在有限元素分析中已然能顧及一次趨近之大地工程材料行為模式,以此彈性-完全塑性之模式須要參數分別為彈性參數(E、ν)、塑性參數(C、φ)及膨漲參數(ψ),配合此五種基本模擬參數,依排水三軸試驗導引之應力與應變曲線如圖4-1,亦即為大地工程材料受壓時呈均向性變化至某特定圍壓σ3後,隨軸向應力σ1增加而剪應力維持常數狀態,而當有效應力摩爾圓觸及有效應力包絡線時即顯示材料之破壞狀態。而其塑性行為導引者為應變之不可回復性,此時降伏函數(Yield Function)表示者為於主應力空間之降伏面,此面可完全由模型參數予以定義之且與塑性變形無關,於此面以下部分之行為則屬純彈性範圍所有應變均為可回復性。
參考Practical Rock Engineering (E. Hoek ,2000)對岩體破壞後行為之討論中,述及當利用數值模式分析岩體漸進破壞(Progressive failure)時,其岩體強度宜選擇後尖峰(post peak)或後破壞(post failure)之性質,且以岩體品質差異建議採用不同之行為模式。當屬岩體品質佳之硬岩以採彈脆(Elastic brittle)行為模式,如圖4.3(a);而當屬一般性岩體品質者,建議採岩體破裂強度以應變軟化(Strain softening) 行為模擬,如圖4.3(b);對於非常軟弱岩體之分析,可假設為完全塑性(Perfect plastic)行為,意為在岩體破壞過程中無體積變化,及在等應力狀態下變形持續進行,其行為模式如圖4.3(c),並臚列出此類弱岩體之典型力學強度性質表如附表4.5,相較與案例探討地段砂與泥岩性質顯示,其強度軟弱程度相仿,因此本項模擬分析探討擬以摩爾庫倫破壞模式及彈性-完全塑性應力與應變組合率(Constitutive model)。
另於分析問題中可能衍生之張應力現象,按Mohr-Coulomb包絡線當剪應力極低時,最小主應力σ3可能呈張力狀態,此時邊坡破壞為受到張力而非剪力,PLAXIS應用程式為易於區分採以張力截斷(Tension cut - off)形態顯示低剪應力狀態時之張力破壞現象。
4.5 分析群組研選
依探討地區地質條件,環境條件及破壞狀態等進行分析比對三處斷面分別為:(a) 254+900SB斷面:為約35公尺高之路塹邊坡地層分布以厚層砂岩為主,與夾薄層泥岩之砂泥岩互層,層面視傾角略大於坡面角,雖屬順向坡但由於層面未出露故設計中未考量採以邊坡穩定工法,於施工完成後現場觀察顯示無破壞情事,而經由施工階段伴隨降挖施工之傾斜變位觀測資料顯示,初期開挖解壓造成最大變位量約60㎜,爾後持續觀測六個月資料顯示位移變化量極微,且均在量測誤差範圍內,呈穩定狀態。(b) 261+100NB斷面:為約20公尺之路塹邊坡地層分布以厚層砂岩與泥岩互層為主,及泥岩夾薄層砂岩,岩石層面視傾角約12度呈順向坡,為維長期穩定輔以3支45噸之地錨,由施工後觀察顯示現象主要破壞位置為砂泥岩界面層面於坡趾出露,或於十字形格樑岩錨下端坡面或於坡頂處,其中除坡頂處破壞為小規模之弧形破壞外,餘者皆屬淺層之坡表破壞,同時坡表破壞區段均有地下水順層面滲流現象。(c)264+350NB斷面:為坡高約22公尺之挖坡地層分布以厚層泥岩為主,及夾薄層砂岩之砂泥岩互層,岩石層面視傾角約10度呈順向坡,為維長期之穩定輔以4支45噸之地錨,由施工後觀察顯示現象主要破壞位置為砂泥岩界面層面出露趾部或於十字形格樑岩錨周圍坡面或台階與下邊坡銜接等區位處,其中除台階處之破壞為受到平台溝施工影響衍生小規模之弧形破壞外,餘者皆屬淺層之坡表破壞,破壞時除砂泥岩界面有地下水滲流及出露之厚層泥岩坡面局部區位有管流現象外,且坡面有略呈現膨脹隆起狀。
及而在分析類別方面,則將包括開挖後尚未經穩定處理之初始狀態,及經穩定處理後地層狀態以至地下水位變化影響等為主予以模擬分析,並針對於採加勁式坡面保護之差異性進行對比,故依序分為四分析類別群組,配合三處探討斷面逐項進行分析,並藉由所獲資料包括滑動面或坡面內特定點或斷面位置之應力及位移等量化資料,進行比對與趨勢研判等工作;而為易於識別各分析組群採以編碼標示,10/12位之編碼其首兩碼為岩石強度比折數,續三碼為分析斷面里程,後繼文字碼代表界面強度折數,末兩碼為地下水位,以下謹就探討分析類別群組之目的、作法與預期結果說明如后:
(1) 初始狀態分析
(a)目的:分析模型之適合性探討。
(b)方法:依照分層岩石之平均強度與設計階段所採用之邊界條件為基礎,再配合岩石強度、岩層界面強度及地下水位之改變為影響因子,分別利用PLAXIS程式進行演算,其間岩石強度之變化為參考文獻資料以弱化至40%為基礎,分為岩石平均強度之40%、60%及80%等三級;界面強度方面則借由分析程式提供之界面元素Ri值調整岩層界面間強度由0.01至0.75約分為四級變化(即0.01、0.25、0.5、0.75)進行分析;另在地下水水位變化方面則分別採取設計階段高水位及坡面出露岩層之高水位與低水位為基本考量。並由試算結果之數據及應力與位移量與斷面位移圖形與現地觀測及破壞情形比對,以探討岩層界面因解壓浸水弱化或岩層界面間強度或地下水位變化,對於破壞模式之影響及分析之合宜性。
(c)分析斷面:以 254+900SB斷面、261+100NB斷面及264+350NB斷面等三處斷面,依邊界條件之改變分析課題包括強度變化,界面強度改變及地下水位升降變化等共99例。
(d)預期結果:由摘取分析案例特定斷面位移量之變化與現場施工觀測值予以比對,以探求開挖岩體應力狀態改變後其整體材料強度變化趨向進而研判可能之岩體強度弱化範圍;另藉由不同邊界條件分析結果之破壞模式變化,確立適用之破壞機制、分析模式。
(2)穩定處理後狀態分析
(a)目的:本項分析目的為包括
l 探討穩定處理後之應力與位移變化與現場破壞狀態及設計結果進行比對,以剖析與邊界條件及岩石材料強度等變化對於此局部破壞行為之影響與趨向。
l 地錨承壓面版周邊應力與位移之情形。
l 探討岩層界面強度弱化及對地下水位變化對於坡體內應力與位移之變化及驅勢。
(b)方法:以選取設計斷面進行在依據前項分析結果研討選定適宜的岩石材料強度進行不同情境之分析包括層面強度與地下水位變化等兩主要變數;在層面強度變化方面將以岩石材料強度試驗結果之殘餘強度約為岩體強度之60%為基礎,配合參考文獻資料之解壓、剪力破壞與浸水弱化等之岩石強度弱化影響百分比為下限,依前階段分析結果亦即設定Ri值為0.5,而在地下水位變化狀態下之分析,則為按透水層(砂岩層)厚度及破壞時地下水位情形,逐次調整地下水位高程進行分析。然慮及此兩種環境變因互有其關聯性影響,故於分析中特採交錯分析計算以期避免遺漏,再依分析結果之應力及位移集中情形及塑性區間改變等趨勢資料與實際破壞狀況進行研判比對,以探討破壞時可能之邊界條件範圍。
(c)分析斷面: 261+100NB斷面及264+350NB斷面等二處斷面,依邊界條件之改變分析課題包括界面強度變化與地下水位者共計24例。
(d)預期結果:由邊坡體內之應力與位移行為變化,研判符合研討案例實際破壞狀態可能之邊界條件及推測其誘發機制。
(3)改善方案探討
(a)目的:鑑於此案例模擬分析過程顯現若干於設計、工法適用性及施工流程中所無法查覺或忽視,而經探討確為誘發此局部破壞之可能成因者,本項探討將研議設計與施工之改善方案。
(b)方法:借由改變岩坡坡體因解壓及坡面長時間暴露等負面因子之控制條件,亦即考量採用全坡面加勁工法配合地錨進行模擬分析,復由演算結果比較其坡體應力、位移與塑性區域以及地錨錨碇段軸力等變化,並經由最終狀態與前項現況條件模擬分析結果加以對比,探討在束制條件改變前後坡體內各類應力與位移行為之變化差異,另為瞭解階段性施工對於開挖邊坡應力應變與位移等之影響,同時進行階段性施工之模擬分析,以配合三階地錨施工採取三階段開挖,每開挖速率定為20天一階段同時施予補償應力之模擬分析。
(c)預期成果:確認強化軟岩邊坡之束制與避免長時間暴露之工法考量,具有實效性。
4.6 分析結果詮釋
彙集前節規劃之案例斷面與分析組群合計約123組,各案例分析之條件彙整臚列如表4-6,並逐一進行分析探討,同時依據PLAXIS程式所提供之輸出資料中摘取包括有總位移量 、相對剪應力 、塑點(Plastic points)、地錨錨碇段軸向應力等,以及摘取特定斷面包括層面,及與坡面平行斷面之位移量等輸出資料其斷面位置如4-4圖,而為研判須要輸出之各式圖形資料均採與分析輸入一致之坐標系統,以下針對於分析結果逐一說明及綜合討論之:
(1)初始狀態分析結果
(a)254+900SB斷面:經由不同材料強度性質、岩層界面強度與地下水位等三變數進行約27組分析結果表現之特性行為如下:
i. 界面強度極度弱化狀態(Ri= 0.01)時,位移變化僅及於假設弱面以上之岩層,對下伏岩層影響甚微,當界面強度衰減Ri值增為0.5 狀態時,位移變化影響範圍擴及於假設弱面以下之岩層,對再下之岩層影響較小,而當界面強度衰減Ri值增至0.75 狀態時,位移變化影響範圍向下延伸至全部坡體範圍,經與現場I-2傾斜變位觀測資料之變位量與影響深度比較顯示為呈現整體性行為,且層面效應不明顯,以此推測界面強度衰減Ri值約可能在0.5以上程度,亦即現地邊坡之界面強度尚未處於極度弱化狀態。
ii. 岩石強度方面,由分析結果顯示岩石強度改變對位移量變化影響較為顯著,當岩石強度弱化至40%時其位移量明顯放大,其總位移量已高達數十公分程度,此與現場量測結果差距頗大,顯示岩石強度弱化程度應在60%以上狀態。
iii. 地下水變化影響方面,分析結果顯示就三層不同之地下水位對於位移量之影響,以中層地下水狀態及當岩石強度在60%程度時對總位移量影響最為顯著,而當岩石強度達80%以上程度時,對位移之影響差明顯異縮小,此時高地下水為主要影響因素。
iv. 藉由以上三變數交叉分析,並比較現場I-2傾斜變位觀測位移資料(包括位移量與影響深度等)顯示,岩石強度約為試驗強度之60%∼80%,界面強度約折減約為0.5,推測常態地下水位在中層砂岩位置,此時分析相對斷面位移變化狀態約略與現場I-2傾斜變位觀測位移紀錄相仿,其比對如圖4-5。
(b)261+100及264+350斷面:此兩斷面顯現相異之地層分布261+100NB斷面以砂岩為主,264+350NB斷面則以泥岩為主,試算項目包括不同岩石強度變化3類、岩層界面強度變化4類,地下水位變化3類,計進行72組之演算,依分析結果獲致以下之結果。
i. 相對於砂泥岩層面總位移變化量比較顯示如圖4-6 ~ 4-9,當界面強度處於極度弱化狀態(Ri= 0.01)時,層面位移量變化有較明顯之影響,約為界面強度值Ri大於0.25以上位移量之2∼4倍,隨岩石強度而異。而地下水位變化對於以砂岩為主之邊坡(261+100NB)影響較小,其中除當Ri= 0.01狀態時有高達10∼20餘公分之層面位移量變化外,一般之層面間的極大總位移量約在4∼6cm以下,而在近坡面約4公尺左右深度範圍有顯著之放大與發散現象,為分析中顯現之共同現象,位移量變化均約有6∼8cm左右,而以低岩體強度與界面強度弱時其位移量更高達10餘公分,顯受到地下水位變化影響,為造成破壞之可能因素。
ii. 以泥岩為主之邊坡(264+350NB),當地下水位分別於坡體內之三層砂岩內,此時水位高低變化對位移量無顯著影響,其中當Ri值為0.01時有高達10餘公尺之位移量變化,而出露之薄層砂岩之總位移量,則有依岩層強度與界面強度增加而急遽縮小趨勢,其受到岩層界面強度變化影響頗巨,由圖4-10、圖4-11所彙整層面位移影響圖中顯示此結果,當岩石強度在40%∼60%間總位移量約在30∼40cm間,當岩石強度在80%以上時總位移量約在15cm以下,且隨層面下降而有漸減趨勢,由近坡趾未出露層面總位移變化顯示受到岩石層面傾沒束制位移量大為減小。
iii. 又由彙整之各層面各網格單元之位移量圖顯示,坡體內遠端有位移量偏大現象,特別是當岩石強度在40%及Ri值為 0.01狀態時最為顯著,且隨分析選取層面下移而有漸減現象,經檢視為受到解壓後,坡體壓縮產生較大之垂直位移量所致。整體而言對於層面總位移變化,以界面強度影響較大,次為地下水之變動,岩石強度變化則較小。
iv. 邊界條件改變對坡體內應力狀態變化方面,為期清楚看出其變化趨勢特選擇相對剪應力比色階圖與塑點圖等,即由相對剪應力之色階漸層變化與張力截點(Tension cut-off point)及塑點(Plastic Mohr-Coulomb point)予以比對,初步依各別演算結果顯示低相對剪應力等高線密集與張力截點顯現區位相當,其因在鄰近坡表處當相對剪應力相當低時,可能產生張力區之故。經以低岩體強度(40%) 、Ri值為 0.01及低地下水位狀態時為基
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
1. 吳璧純(民90):科學-科技-社會(STS)教育思潮及教學取向。教育研究月刊,第92期,頁69-76。
2. 王澄霞(民84):STS活動中之「學」與「教」。科學教育學刊,3(1)115-137。
3. 王貴春、黃萬居(民88)師院生對於氧化還原知迷思概念研究。科學教育研究與發展季刊,第六卷,第二期,頁169-189。
4. 林顯輝(民80):科學、技學與社會三者相結合的科學教育新理念。國教天地,第87期。
5. 連啟瑞、盧玉玲(民86年):STS教學模組開發模式之建立及其實際教學成效評估。科學教育學刊,5(2),頁219-243。
6. 陳正改(民89):台灣地區的氣象災害與防災策略。環境教育季刊(41):38-48。國立台灣師範大學。
7. 陳泰然(民90):台灣地區之災變天氣與研究。科學發展月刊,第29卷,第12期,頁851-858。
8. 黃達三(民81):科學、技學、社會和小學科學教育。國教月刊,第三十八卷,第一期。
9. 蔡清田(民87):九年一貫國民教育課程改革與實施策略,教師之友,39卷4期,頁1-9。
10. 蘇宏仁(民85):科教課程模式-科學、技學、社會(STS)之探討研究。科學教育期刊,190,頁2-11。
11. 蘇育任(民86):運用模組開發活動培育STS教師之可行性研究。科學教育學刊,5(2),頁245-266。
12. 15. 李德河,紀雲曜,田坤國 ( 1994 ),“泥岩基本特性及泥岩邊坡之保護措施”,地工技術,第48期,第35 - 47頁。
13. 21. 陳時祖 ( 1994 ),“臺灣西南部地區泥(頁)岩之工程特性”地工技術,第48期,第25 - 33頁。
 
系統版面圖檔 系統版面圖檔