第一課：擋土設施及支撐之種 類及其工作原理 第二課：擋土支撐之力學行為 及側向變位量與管理 值之關係 第一課：擋土設施及支撐之種 類及其工作原理 第二課：擋土支撐之力學行為 及側向變位量與管理 值之關係 講師：簡茂洲

第一課習題講解 1.試從地質條件(如砂土層、黏土層、卵礫石層)、工期、開挖深度等觀點，列表比較全挖工法、支撐開挖工法、地錨開挖工法、島區工法及逆打工法之優劣。 2.試從地質條件(如砂土層、黏土層、卵礫石層)、工期、開挖深度、止水性等觀點，列表比較兵樁、鋼版樁、排樁、連續壁、擋土柱等工法之優缺點。 (參考講義內容，自行體會瞭解)

第一課習題講解 3.從兵樁及鋼版樁的施工特性來看，試列出其「打設施工階段」及「開挖階段」工地所可能產生的施工問題及鄰房損害事件。 答：打設兵樁及鋼版樁會因為『震動』造成地盤下陷及鄰房牆壁龜裂；開挖階段兵樁會有地下水滲流，土砂流失造成地盤下陷及鄰房牆壁龜裂；鋼版樁勁度小，變形大也會造成地盤下陷及鄰房損壞；二者在拔除時常會連帶土砂一起拔出，再次造成地盤下陷及鄰房損壞。總共『三次』損壞鄰房。

第一課習題講解 4.從預壘排樁的施工特性來看，試列出其「施工階段」及「開挖階段」工地所可能產生的施工問題及鄰房損害事件。 答：施工階段，使用『緩凝性』水泥砂漿，固結慢，軟弱土層容易擠壓側移及下陷而損壞鄰房；垂直度及施工品質難以控制，往往底部間隙過大，雖有止水灌漿，仍難免土砂流失造成鄰房損害。

第一課習題講解 5.於地下水位「高」的砂質地盤中施作連續壁，以您的經驗及觀念來看，可能會遭遇那些工程問題？ 答：導溝內穩定液通常要高於地下水位3.0m以上，穩定液壓力＞地下水壓力，方足以維持連續壁挖掘土壁的穩定，否則土壁容易坍塌，嚴重影響連續壁施工之安全及品質。解決方法為利用點井，將地下水位適度降低。

第一課習題講解 6.於地下水位「很低」的砂礫質地盤中施作連續壁，以您的經驗及觀念來看，可能會遭遇那些工程問題？ 答：地下水位「很低」的砂礫質地盤很容易使穩定液逸失，砂礫質土壁沒有黏滯性，垂直挖掘很深也會坍塌造成危險；解決方法為提高穩定液的濃度，並摻入止逸材料於穩定液中，降低逸失量，並一直補充穩定液，至施工完成為止。

第一課習題講解 7.如果您負責施工的工地在台中市區，地質為非常堅硬的卵礫石層，地下水位約在地面下5.0公尺，基地面積約1,000m2，設計上要開挖15.0m，需施作擋土柱18.0m深做為擋土設施，試以您可能想像的任何觀點及角度來看，您認為遭遇到那些困難或困惑的問題？ 答：抽水井的深度、數量及打井方法，擋土柱的工班安排，工安維護及施工成本、工期等。

第一課習題講解 8.在上課的支撐系統幻燈片中曾經提到工地的「錯誤示範」做法，請問是指什麼？您認為可以如何避免之？ 答： 「錯誤示範」為在水平推置重物、材料；應明令禁止承包商及工人犯此錯誤。

擋土支撐之力學行為及側向變位量與管理值之關係 講師：簡茂洲

擋土支撐之力學行為 一般之力學行為：物體受力→ 應變 (變形) 開挖之力學行為：破壞平衡→ 變形→土壓力

圖2 主、被動土壓力與擋土壁側移的關係圖

※擋土支撐的受力 1.土壓力 2.水壓力 3.地面超加載重 4.視土壓力

§ 土壤的專有名詞 ◎非凝聚性土壤－砂性土層－透水性土壤 ◎凝聚性土壤－黏土層及粉土層－低透水性土壤

1. 土壓力 1.1非凝聚性土壤之土壓力 有效靜止土壓力 有效主動土壓力 有效被動土壓力 ◎非凝聚性土壤，通稱為砂性土層，屬於透水性良好之土壤 有效靜止土壓力 有效主動土壓力 有效被動土壓力

．地質條件越好 ．有效抗剪角 及凝聚力 越大 ．主動土壓力越小 ．被動土壓力越大 ．安全性越高 ．反之，危險性則越高

1. 土壓力 1.2凝聚性土壤之土壓力 ◎凝聚性土壤，通稱為黏土性質土層，粉土層也屬於凝聚性土壤 靜止土壓力 主動土壓力 被動土壓力

．地質條件越好 ．不排水剪力強度 越大 ．主動土壓力越小 ．被動土壓力越大 ．安全性越高 ．反之，危險性則越高

※擋土支撐的受力 1.土壓力 2.水壓力 3.地面超加載重 4.視土壓力

圖3 非均質砂土層開挖抽水之地下水滲流及水壓力分佈(摘自王劍虹，1991)

圖4 分析常用之簡化地下水壓力分佈圖

圖4 分析常用之簡化地下水壓力分佈圖

圖4 分析常用之簡化地下水壓力分佈圖

※擋土支撐的受力 1.土壓力 2.水壓力 3.地面超加載重 4.視土壓力

３．地面超加載重 (1)車輛及施工機具： 一般性交通車輛估計1.0tons/m2。 施工機具估計2.0tons/m2。 (2)施工材料堆置： 按實際預定堆置量估計，施工時之堆置量不宜超過設計預估量之80%。 (3)鄰房： 每層樓(含地下室)以1.0至1.2tons/m2估計，筏基以1.5至2.0tons/m2估計，但可扣除地下室取代之相等體積土重。

圖5 各種情況之地面超加載重計算公式 (改繪自徐振煌，深開挖工程設計)

※擋土支撐的受力 1.土壓力 2.水壓力 3.地面超加載重 4.視土壓力

視土壓力：概估支撐受力專用之土壓力 圖6 視土壓力分佈圖(Peck, 1969)

圖7 開挖工程可能引起之問題

圖7 開挖工程可能引起之問題

2.1擋土壁體之變形

擋土支撐之力學行為 一般之力學行為：物體受力→ 應變 (變形) 開挖之力學行為：破壞平衡→ 變形→土壓力

控制擋土壁體變形的因素： (1)地質條件：土質條件越差，擋土壁體之變形越大， 風險越高。 (2)開挖深度：開挖深度越深，擋土壁體之變形越大， (3)開挖範圍：開挖範圍越大，擋土壁體之變形越大， (4)擋土壁體剛度：擋土壁體之剛度越大，擋土壁體之 變形越小，風險越小。 (5)支撐型式：支撐密度越高，擋土壁體之變形越小， 風險越小。 支撐勁度越高，擋土壁體之變形越小，風險越小。 支撐施加預壓力，可減少擋土壁體之變形。 (6)開挖未設置支撐之露空時間： 露空時間越長，因基礎土層為塑性體，所以擋土壁體之位移及土層內擠將與日俱增，風險不斷擴大，所以開挖後支撐設置於最短時間內完成，實為最重要之任務。

2.2開挖面以下擋土壁體之內擠 圖9 擋土壁體貫入深度不足所發生之危險狀態

圖10 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之擋土壁貫入深度檢核公式

2.3開挖面以下土層之隆起 圖11 開挖底面土層隆起所發生之危險狀態

圖12 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之開挖底面土層隆起檢核公式

2.4 砂質土層之砂湧 圖13 開挖底面土層砂湧所發生之危險狀態

圖14 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之開挖底面土層砂湧檢核公式

2.5 受壓水層之上舉 圖15 受壓水層上舉所發生之危險狀態

圖16 原文摘錄「建築物基礎構造設計規範」之受壓水層上舉檢核公式

2.6 開挖工程引起之地盤沉陷 (1)工地抽水 (2)擋土壁側移及變形

問題1：開挖抽水的影響範圍有多遠？

圖17 透水性擋土壁與止水性擋土壁開挖抽水影響之差別

圖17 透水性擋土壁與止水性擋土壁開挖抽水影響之差別

圖17 透水性擋土壁與止水性擋土壁開挖抽水影響之差別

抽水影響半徑 (1) Sichardt 公式： (m) (2) Weber 實驗式： (m) (3) Kozeny 公式： (m) s為井內最大水位降低量(m)。 k為土層滲透係數(m/sec)。 H為井內、外最大水頭差(m)。 t為抽水時間(sec)。 C為隨時間而改變之係數，通常 。 n為土壤有效孔隙率。 Q為抽水量(m3/sec)。

(改寫自林耀煌，1987，高層建築基礎開挖施工法與設計實例) 表1 土壤種類與抽水影響半徑 (改寫自林耀煌，1987，高層建築基礎開挖施工法與設計實例) 土 壤 種 類 滲透係數 抽水影響半徑 區 分 粒 徑 (mm) (m/sec) R (m) 粗 礫 ＞10 ＞10-2 ＞1500 礫 2～10 10-2 500～1500 粗 砂 1～2 10-3～10-2 400～500 0.5～1.0 200～400 中 砂 0.25～0.50 10-4～10-3 100～200 0.10～0.25 10-5～10-4 50～100 細 砂 0.05～0.10 10-6～10-5 10～50 粉土質細砂 0.025～0.05 10-7～10-6 5～10 粉土 10-8～10-7 1～5 黏土 ＜10-8 ＜1

圖18 高雄市靠海邊某工地抽水引起地盤沉陷之等沉陷量曲線圖

問題2：開挖抽水的地盤沉陷量有多大？ 如何估算？

地盤沉陷量 (m) 其中 為因地下水位降低所增加的土壤有效 應力，(t/m2)。 地下水位每降低1.0m， 增加1.0 t/m2。 為各壓縮土層之厚度，(m)。 為各壓縮土層之彈性模數，(t/m2)。 各種不同性質土壤之彈性模數的經 驗值歸納如表2。

表2 不同性質土壤的彈性模數 (改寫自Bowles, J. E., 1988) 土壤類別 (t/m2) 一般性砂土 50(N＋15) 飽和砂土 25(N＋15) 黏土質砂土 32(N＋15) 粉土質砂土 30(N＋6) 緊密或夯壓砂土 1800＋75N 礫石層含砂土 120(N＋6) 60(N＋15) ， N≦15 60(N＋15) ＋200)，N ＞15 正常壓密之靈敏性黏土 (250～500) 正常壓密之低靈敏性黏土 (750～1200) 過壓密黏土層 註：N為黏土之SPT-N值。 Su為黏土層不排水剪力強度，(t/m2)。 Es(NC)為正常壓密黏土之彈性模數。 OCR為黏土之過壓密比。

問題3：如何避免或減少砂土層開挖 抽水的沉陷？ 問題3：如何避免或減少砂土層開挖 抽水的沉陷？ (1)儘量使用止水性擋土壁。 (2)儘量使擋土壁貫入不透水層。 (3)避免使用強制性降水，宜採用漸進式 或集水坑降水。 (4)儘可能減少開挖深度。

2.低透水性土層(不透水層)的祛水及沉陷 粉土層的滲透係數小於粉土質細砂的1/10，黏土層的滲透係數小於粉土質細砂的1/100，粉土層及黏土層皆為低透水性土層(俗稱不透水層)，在低透水性土層進行開挖，因抽水井很難將地下水自土層中分離抽除，只能以集水坑讓地下水自然由土層中泌流匯集，再利用抽水泵，標準的集水坑如圖19 。

圖19 標準的開挖抽水集水坑

壓密沉陷 低透水性土層地下水位雖然不會立即因開挖抽水而下降，但會遲緩的慢慢下降，地下水壓力跟隨慢慢的降低，土壤的有效應力慢慢的增大，地面沉陷量緩緩的增大，這種作用稱為「壓密沉陷」，地下水位下降及水壓力消散的示意圖如圖20。

圖20 低透水性土層開挖降水之地下壓力消散示意圖

壓密沉陷會拖延多久？經過許多工地的監測，新建大樓完工後，壓密沉陷還在持續發生，以台北盆地的經驗，三年內完成的壓密度大約可達70%至80%，剩下的20%至30%何時終結，還需相當長的時間，數年或十餘年，尚無具體的答案。

開挖後壓密前的土體有效垂直應力為 (t/m2) 其中 為壓密之再壓指數， 為土壤孔隙率。

2.6.2 擋土壁側移及變形引起之地盤沉陷

擋土支撐之力學行為 一般之力學行為：物體受力→ 應變 (變形) 開挖之力學行為：破壞平衡→ 變形→土壓力

圖22 開挖區附近沉陷量、開挖深度及影響距離關係圖 (Peck, 1969) 第I區為砂土層及軟弱至堅硬程度之黏土層。 第II區為很軟弱至軟弱程度之黏土層，但開挖面以下黏土層的深度有限。 第III區為很軟弱至軟弱程度之黏土層，但開挖面以下黏土層相當厚。 圖22 開挖區附近沉陷量、開挖深度及影響距離關係圖 (Peck, 1969)

圖23 各種估算因擋土壁體側移及變形所造成地表沉陷量的方法

圖23 各種估算因擋土壁體側移及變形所造成地表沉陷量的方法

圖23 各種估算因擋土壁體側移及變形所造成地表沉陷量的方法

圖24 沉陷量與主要影響區(PIZ)之關係圖 (Ou & Hsieh法)

圖25 深開挖工地對四周鄰房之影響程度實例(台灣省土木技師公會，1995)

(台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002) 圖26 開挖安全監測系統配置示意圖 (台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002)

(台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002) 圖26 開挖安全監測系統配置示意圖 (台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002)

(內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」) 表3 開挖安全監測管理值之涵義與處理對策 (內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」) 管理 基準值 第一管理值 第二管理值 第三管理值 (注意值) (警戒值) (行動值) 安全性 安全 安全但需 加以注意 安全性降低 危險 概 括 之 涵 義 1.監測值低於設計值或容許值某百分比(通常定80%)。 2.工地變化在預期範圍內。 3.監測變化量正常。 1.監測值低於設計值或容許值，但超過設定之百分比。 1.監測值已超過設計值或容許值。 2.設計規範所設定之安全係數或安全因素已開始降低。 3.工地變化可能超過設計預期範圍。 4.監測變化量可能出現異常現象。 1.監測值已接近極限值或臨界值。 2.設計規範所設定之安全係數或安全因素已降低至接近1.0的程度。 3.工地變化遠超過設計預期的範圍。 4.監測變化量出現異常現象。 應 採 取 處 理 對 策 正常施工及監測。 正常施工及監測，但需注意監測值的變化趨勢。 1.謹慎施工。 2.加強監測，並注意監測值之變化趨勢是否正常。 3.找出監測值變化異常原因，研判安全性，並開始擬定應變措施。 1.暫停影響安全的施工項目。 2.找出變化異常之原因，並立即採取應變及補救措施。 3.密集監測，至監測值穩定正常為止。 4.工程危機解除後再恢復正常施工。

表4 擋土壁、支撐系統、地下水位及水壓力之建議管理值 (內政部建築研究所「建築物基礎施工大地監測計畫之作業準則」) 監測管理項目 注意值 警戒值 行動值 傾 度 管 擋土壁側位移 0.8倍設計值 設計值 由鄰房容許 沉陷量決定 R.C.擋土壁撓曲度(臨時結構) 1/450 1/360 1/240 R.C.擋土壁撓曲度(永久結構) 1/600 鋼筋計 擋土壁鋼筋應力(臨時結構) 0.8倍容許應力 容許應力 1.25倍容許應力 擋土壁鋼筋應力(永久結構) 0.64倍容許應力 支撐 應變計 支撐軸力 0.8倍容許軸力 容許軸力 1.25倍容許軸力 地錨拉力 設計拉力 1.1倍設計拉力 1.2倍設計拉力 橫擋應力 水位與 水壓計 砂性土層之地下水位及水壓 (砂湧安全係數) FS=2.0對應之 水位及水壓 FS=1.5對應之 FS=1.2對應之 (上舉安全係數) FS=1.1對應之

圖27 建築物結構容許角變量之限度(Bjerrum, 1963) (台灣省土木技師公會，鑑定手冊，2010年3月修訂版)

(台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002) 表5 一般房屋建築容許最大沉陷量建議值 (台北市土木技師公會，實用開挖擋土支撐工程設計手冊，2002) 構造 土層 基礎類別 最大沉陷量 （公分） 磚造 砂土 單獨 基腳 2.5 黏土 5.0 RC 單獨基腳 4.0 筏基 8.0 7.5 15.0 鋼構 10.0 20.0 表6 一般房屋建築容許沉陷量建議值 (內政部營建署，建築物基礎構造設計規範，第四章) 構造物種類 混凝土 鋼 筋 混 凝 土 基礎型式 連續基腳 獨立及聯合基腳 筏式基礎 總沉陷量(公分) 4.0 10.0 20.0 30.0