挡土墙基础工程

 研究動機:基礎工程是土木工程中最複雜的一環，不同之工址開挖有其不同之擋土對策，台北地區卻以水平支撐工法為主，深開挖工程基地內土體開挖後，在地下連續壁內外兩側將產生不平衡土水壓力，基地內側最可能由靜止土水壓力轉變成被動土水壓力，基地外側最可能由靜止土水壓力轉變成主動土水壓力。土水壓力為深開挖工程中最主要之作用力，而影響土水壓力的因素即為地質條件。地質條件包括地層之組成、工程性質、地下水位及地下孔隙水壓力。而台北地區土層之特色為土壤之承載力低、含水量高且靈敏度極高，在開挖解壓過程中，極易產生地盤鬆弛、隆起、上舉、擋土壁內擠、水平支撐挫屈破壞、鄰房龜裂與傾斜等公害甚至引起工程失敗。亦因如此因素，台北市連續壁之密度係居世界之冠，又因其動態工程性質差以及盆地地形因素，當地震發生時，軟弱土層處將深受地震波傳之反覆折射、反射之影響，常使地盤反應放大效應，且震動持續時間拉長，加速結構物之破壞。開挖階段因乾式施工常需藉抽水降低地下水位，而抽水速度以及抽水量控制不當，將引致鄰房下方地下水位下降，或土砂隨抽水而逐漸喪失導致鄰房下陷、公共管道破壞導致連續壁滲水、土層掏空或形成地下流槽之潛在危險之情形。常常發生於工地開挖階段之災變有隆起、水平支撐向上挫屈、砂湧、上舉、超挖、貫入深度不足、連續壁之側向勁度不足等。筆者就上述情形，以土壤力學之理論探討其發生原因及防治之道，是為本研究之動機所在。

 研究目的:本研究將針對台北市常用之連續壁支撐工法，提出其施工安全注意事項要點，供事業單位參考，使其達到進度、成本、品質控制與安全衛生等〝最佳化管理〞之目標。

 研究範圍:本研究係針對於軟弱地盤進行深開挖工程時安全支撐之施

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工安全研究，俾使工地深開挖災變防範於未然。但擋土措施種類繁多，本研究僅究台北市常用之連續壁支撐工法，提出其施工安全注意事項研究，其餘不同工址所施行之擋土措施，則不在本研究之範圍。

 研究方法:連續壁支撐工法其常用分析方法有兩種：、理論解析法：依據梁柱彈塑性理論分析開挖過程中各階段之壁體變位、彎矩及安全支撐所受反力，常用之分析程式有WALL、RIDO以及FREW等，此分析模式最大優點即在於計算機程式之簡便與快速，但是，土壤之水平、垂直地盤反力係數卻極難掌握，須藉由大型現場試驗，如LLT、平鈑載重試驗求得土層之等值彈簧，然而大型現場試驗常需考慮尺度效應之修正，因為試驗尺度越大，則所含蓋之裂隙越多，致使土壤強度下降越多，不易得到客觀之模擬結果為此分析模式缺點所在。、經驗法則歸納法：peck(1969)根據歐、美、日等地，開挖地下鐵隧道之內撐式支撐力量量測結果，反推牆背土壓力呈均勻分佈，其最大壓力包絡線側向視土壓力分佈（如下圖所示），砂土層為矩形分佈，粘土層中則呈矩形分佈，以作為當地安全支撐設計之依據。但視土壓力分佈圖，並不適用於C-Φ土壤，在台灣常見之土壤例如粉土質粘土與粘土質粉土等，且對於開挖規模較大之深層土壤，其側向土壓係接近主動土壓狀態，而非視土壓狀態，此為經驗法則歸納法受限之處。

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0.25H 0.25H H 0.75H H 0.5H H 0.25H 0.65 k, γH (a)砂土層 γH – 4Su 0.2γH – 0.4γH (b)軟弱至中等堅硬粘土層 (c)堅硬粘土層 視側壓力分佈圖(Peck，1969)

第二章 文獻探討

 凝聚性土壤剪力強度減少原因探討之文獻

Casagrande(1952)【1】認為解壓前之粘土結構型式為吸引力較大之絮凝結構，解壓後因吸水膨脹致使顆粒間傳遞力量之骨架遭破壞而改變為排斥力較大之分散結構，為其強度下降之主因。Casagrande(1952)【1】認為解壓後將粘土之膠結材料破壞，使其凝聚力下降為其強度下降之主因。Terzaghi(1967)【2】 曾提及粘土片表面的吸附水層內電子群，因離表面十分近被粘土片表面吸的十分緊，極不易被其它陽離子鍵所取代，但開挖解壓後會破壞粘土片表面吸附力，致使受擾動後之強度下降。因此，開挖解壓後土體因孔隙比增大使體積將變大，若遇下雨之潤濕後，水不僅破壞顆粒間之鍵結力，且對開挖面增加額外之側向土壓，對開挖面自立強度減少甚多，極不利於整體之穩定性，故應注意其吸水膨賬之效應，以避免強度下降甚多導致破壞。  無凝聚性土壤剪力強度減少原因探討之文獻

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Holtz R.D(1975)【3】曾提及無凝聚性土壤剪力強度來源為剪動過程中顆粒間本質摩擦角所產生之阻抗、顆粒間互鎖(Interlocking)能力所產生之膨脹角、顆粒排列之改變等，當砂顆粒間傳遞力量之骨架(chain)與施力方向平行時為最穩定之排列狀態（優良級配），但若開挖解壓後會使骨架變弱，致使骨架挫屈斷掉，而需重新調整其排列狀態與解壓外力達平衡，直至達到另一暫態平衡後始得穩定，故由孔隙比較小之優良級配狀態轉至孔隙比較大之不良級配狀態過程中，將使其達失穩而產生大規模之破壞。Seed，H.B.(1983)【4】及Seed 與Idriss(1969)【5】曾提及接近地表之淺層鬆砂層之液化潛能評估研究報告中，曾以1964年日本新瀉地震之現地液化資料分析，相對密度為百分之五十左右之鬆砂層發生相當嚴重之液化，而於相對密度大於百分之七十至七十五地區土壤，則幾乎沒有液化。因此，相對密度大於百分之七十以上之砂性土壤，可視之為具有抵抗液化現象之最低要求基準值，而對於相對密度小於百分之七十之砂性土壤，則須研究其發生液化之可能性。Seed 與Idriss(1969)【5】亦曾以1964年阿拉斯加地震資料顯示當地震震動開始後90秒後才發生液化，而位於Anchorage地區曾因液化而發生邊坡滑動現象。因此，震動持續時間越長時，越有激發液化之潛能。除此之外，對於地表加速度越大、越接近地表面之透水性差土壤、不良級配之細粒砂土而言，皆為構成高液化潛能之條件。因此，描述砂顆粒排列狀態之力學參數即為相對密度，意即砂顆粒之相對密度越高，其剪力強度越強，且達優良級配狀態時，孔隙比越小，其滲透性係數越小，工程動態性質越佳，反之，則工程動態性質越差。 第三章 資料分析

 擋土支撐之力學原理:依據莫爾庫倫學說，當達到極限平衡應力態時，其不同壓密壓力相對應之摩爾圓必相切於破壞包絡線，但在此相同之側向解壓狀態下，若人為增加側向壓力時，則其達到極限平

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衡應力態之摩爾圓須更大才能相切於破壞包絡線，意即壓應力可減少土體之最大主應力，增加其剪力強度，故軸壓力可抑制斜張應力，然而，軸拉力可增加斜張應力。對於無法承受張應力之土壤材料而言受張應力作用後，將產生裂縫，當豪雨後雨水會入滲至土壤內，產生額外之側向推力，致使側向鬆弛量增加，提早進入主動土壓狀態而產生破壞，因此，於支撐施壓力，不僅可使土壤之最大主應力不致形成張應力，且可減少版樁擋土壁之側向位移以及牆背土壤之側向鬆弛量，達到控制鄰近地盤下陷量，進而確保鄰房之安全，此為水平支撐須施加預壓力之理由(如下圖所示)。 C 

=C+tan



 常見之工程災變類型

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透水層發生湧水之原因706050403020100貫入深不足止水性不佳勁度不足其它24.61%12.30%4.63%58.46%透水層內擋土措施止水性不佳之原因47.37%3025201510505045403530252015.04%151050不39.47%透水層發生隆起之原因26.5%18.3%17.78%10.53%15%7.34%2.63%4%埋晚貫設入水深管不破足裂未超具挖置封重閉型性機壁具外沿堆擋置土廢壁棄縫土隙支滲撐流勁度不足支撐過土壁擋

 隆起發生之條件:飽和狀態之軟弱粘土層

 湧水發生之條件:飽和狀態之疏鬆砂土層，貫入深度不足將無法阻絕水滲流路徑及擋土壁體單元接合處止水不良，勢必成為水滲流之捷徑，故此兩項因素造成湧水之主因，是合理之結果。

 上舉發生之條件:對於台北市盆地邊緣砂與粘土互層之受壓水層，於台北市發生上舉之案例較少，但對於如部份內湖、南港等台北盆地邊緣地區砂與粘土互層之受壓水層而言，較有發生上舉之潛能。對於台灣省而言，曾發生於八十四年七月羅東某工地，因基礎開挖至地下八米深度時，忽然有類似噴泉般之地下水，噴至約十公尺高度，因未及時處理，導至基礎上浮與支撐破壞。 第四章 主要發現

由案例統計常見之地表沉陷曲線型態有如下兩種:（一）凹槽型：若

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壁外堆其它其它第一階段開挖之擋土壁體變位不大，而後續開挖時支撐位置之壁體變位量增加不多，但開挖面處之壁體變形量增加很多時，則沉陷曲線趨向凹槽型(如附圖一所示)。（二）三角槽型：若第一階段開挖引致較大壁體變

位而後續之開挖變位量較小或繼續造成壁體頂端類似懸臂式之變形時較易產生三角槽型沉陷（如附圖二所示）。  地盤沉陷之發生原因

造成沉陷原因有下列數種:（1）向內擠進:由於連續壁之擋土結構側向勁度不足，或貫入深度不足，或底部土壤強度不足而引致擠進以及地表下陷。（2）側向位移:由於內部支撐系統不足，或支撐架設時間過慢所致，而引致土壤向內側位移以及地表下陷。（3）擋土壁之壁厚不足，支撐間距過大或支撐斷面不足，將引致擋土壁往擋土面內位移，相對地使地表沉陷。(於不排水條件下，側移部份體積約等於地表下陷體積。（4）擋土壁體因止水性不佳，壁體外側地下水夾帶泥砂流入開挖面內，造成壁體外側土壤掏空及地下水位下降而產生湧水或施工抽水控制不良引致有效應力增加及壓密沉陷，所引起地表沉陷。（5）隆起: 由於土壤凝聚力太小、連續壁貫入深度不足以及超挖結果導致塑性流動，使壁體外側土壤經過壁體底端滑進開挖底面，造成擋土壁體之側向變位而常引致水平支撐向上挫屈破壞以及工地鄰近地表下陷。（6）砂湧(或稱湧水)現象:一般河川旁之堆積土壤以砂性土壤居多，其特性為透水性高，一旦連續壁內外兩側之總水頭不等時，水必從高總水頭往低總水頭處滲流，而對開挖面內砂性土壤產生向上滲流壓力與上浮力使其有效應力減少，當連續壁外側地下水位上升致使有效應力為零時，將造成湧水現象，或因擋土壁之水密性不佳，而沿著擋土壁縫隙滲流，使流線長度變短，增加水力坡降，進而使滲流壓力變大，將土砂攜帶出來，而土砂流失體積過大時將導致地表下陷。（7）上舉現象:由於開挖底部之粘土層其下接透水性良好之砂土層，因具受壓水層之湧泉水壓，一旦此上浮力大於粘土層

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之垂直覆土壓力時，會使開挖底部向上隆起，導致地面下陷。  影響鋼支撐容許應力降低之因素: 影 影響因子 響  鋼支撐反復使用 分 析  初始彎曲變形  溫度變化  材料缺陷  開孔影響  偏心影響  鋼斷面之寬厚比  未支撐長度  腹版厚度  鋼斷面之深厚比

第五章 建議與討論

 擋土支撐失敗之防治:依據上述隆起、砂湧、上舉等因素造成擋土

支撐失敗原因案例，就其發生原因提出防治之道如后。

5.1.1 隆起之防治:應從減少驅動力矩與增加抵抗力矩兩方面著手，可考慮下列的處理對策，挑出適合當地工址的解決方案，一、減少驅動力矩之對策:【1】避免超載:一般易引致開挖坑額外側向土壓之情形為於開挖坑外側地表堆置建材、施工機具、卡車等，而此額外側向土壓將會加速隆起滑動圓弧之發生，施工機具應於施工構台上取土，不可站在開挖坑

不良結果  降低彈性模數  殘留應力之生成  疲勞強度逐漸降低  容許挫屈應力之降低  容許挫屈應力之降低  殘留應力之生成  加速挫屈產生  應力集中  容許挫屈應力之降低  側向局部挫屈  側向挫屈  樑腹因應力集中所引致之壓摺  扭轉挫屈、局部挫屈 8

外側地表直接挖土，且卡車施工運輸動線應遠離開挖面。【2】減少開挖深度: 開挖深度越大，則引致潛在滑動圓弧越大，相對地，抗隆起安全係數越低，反之，則可提高抗隆起安全係數。在不減少地下室層數的條件下，且隆起安全係數接近規範要求時，以提高一樓地板高程或縮小各層地下室之淨高，可能是經濟有效的對策。【3】採用島區式分區施工法:開挖範圍越大，則會引致越大之潛在滑動圓弧，若開挖面內垂直向下抑制隆起發生之力量不足時，則會引致規模大滑動圓弧破壞，故基於端區束制效應之考量，一旦開挖範圍十分大時，須以分區開挖施工方式，並將已完成的結構體載重壓抑隆起。【4】階梯式開挖:若開挖坑之外側腹地廣大，端區束制效應較好，可考慮階梯式開挖，使外側載重減低，抗隆起安全係數增加，且減緩開挖坡度，有助於整體邊坡之穩定性。【5】加快施工速度:由於軟弱粘土層於開挖解壓時，會產生吸水回脹，若工地因故停工或施工慢，則其回脹量越多，且使土壤因吸收地下水量越多，會產生軟化現象，而剪力強度減少之結果將導致隆起之發生。二、增加抵抗力矩之對策:(1)擋土壁體須加深至入岩二公尺以上:從建築技術規則隆起分析公式可知，若可能隆起的粘土層下方有良質地層，如緊密砂土層、礫石層、硬粘土層及岩盤等，增加擋土壁體深度以貫入良質地層內，則使滑動圓弧通過良質地層，抗滑強度提高，進而提高抗隆起安全係數。若開挖深度為H，對粘土層而言，其貫入深度一般為1.8H至2.5H，而砂土層則為1.5H至1.8H。(2)地盤改良範圍應超過可能滑動面:一般常用JSP工法增加改良深度並提高可能滑動面內粘土不排水剪力強度，使其抗滑強度及抗隆起安全係數均增加。然而地盤改良之費用將相對提高許多，其對環境之影響利弊，筆者將於后作專節討論。(3)使用樁基礎:以土壤承載力觀點而言，在隆起滑動圓弧範圍之基樁，均可提供抗滑強度，避免隆起之發生。(4)鄰房托基:加固原有鄰房之基礎勁度，使托基之樁基礎將載重傳遞至良質地盤，並使其穿越隆起滑動圓弧，提供

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抗滑強度，防止隆起之發生。(5)採用水密性高且勁度高之連續壁工法輔以預載預力之內部支撐，可減少因側移引致之地盤下陷。(6)遇隆起發生時，應先回填砂或灌水，藉其重量抑制隆起之發生，一般應以選擇回填砂較佳，怠抑制隆起後，砂仍可外賣，而以灌水處理的話，不僅事後須抽水處理，且有土壤吸水軟化之虞。

 湧水之防治:應從增加流線長度與地盤改良兩方面著手，可考慮的處理對策一、增加流線長度，減少水力坡降之對策:【1】採用水密性高且勁度高之連續壁工法:其目的係防止因過大之側向土、水壓力作用下所導致連續壁破洞或沿其公母單元接頭滲漏，使原滲流之流線長度變短。一旦當水力坡降逐漸加大後，將會攜帶土砂流失而引起地表沉陷與支撐破壞。【2】擋土壁體須貫入至不透水地層: 其目的係阻絕流線通過，以減少其水力坡降，防止湧水之發生。【3】設置截水措施: 其目的係增加滲流之流線長度，以減少其水力坡降，防止湧水之發生。【4】完善之排水計劃: 其目的係排除豐雨期間之地表逕流入滲至土體中，避免使土體達飽和狀態與地下水位上升所導致開挖面內、外過大之水壓差。二、減少砂性土壤滲透性與增加抗剪強度之對策:【1】於可能湧水區域地盤改良:對於發生湧水區域的土壤多半為疏鬆砂土層居多，故可藉夯實、振動等地盤改良方法，將孔隙比減少，並增加抗剪強度與減少滲透性，即可增加抗湧水之能力。

 上舉之防治:上舉係因開挖底面向上水浮力過大所致。故應從增加抗浮效果、減少上浮力兩方面著手，可考慮的處理對策有:一、增加抗浮效果:【1】筏基填重與抗浮基樁、抗浮地錨之並用:於水箱中貫注混凝土，藉此重量荷重，以抵抗上浮力。若受壓水層之上浮力過大時，前述不足部份，可與抗浮基樁、抗浮地錨之並用抵抗上浮力。【2】開挖面下方採用井字型連續壁:以整體壁體與土壤間所發揮的摩擦力

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來抵抗上浮力，若不足部份，可採用扶壁式補強之。【3】加深連續壁之貫入深度:除了可增加壁體與土壤間所發揮的摩擦力以外，亦可防止壁體向內擠進之破壞。一般而言，連續壁須貫入至低透水性之粘土層較加。二、減少上浮力之對策:【1】止水或降水工法:其目的係減少水壓，但須避免降低地下水位同時所引致之地盤下限，若過度降水時，須以復水工法補注地下水位。【2】減少開挖深度:若上浮水壓太大，且考慮處理上舉風險過高時，可考慮減少地下室樓層數、地下室各樓高度減少或將一樓樓地版提高，以減少開挖深度。【3】筏基底版減壓工法: 於粘土層與筏基底版間設置高透水性排水層或設消壓井，將水浮力所產生之過大孔隙水壓解除，以減少上扶力之作用。

 建議: 因大地工程之變異性極大，不同工址有其不同程度之風險，為確保施工安全，本文建議如下:【1】專業技師簽認制度之落實:事業單位需檢附有關連續壁、支撐系統設計計算書及開挖過程中安全觀測結果之反推分析結果，以研判支撐之實際受力行為，茲因涉及專業領域皆須經由土木技師、結構技師、大地技師等國家認可之專任技師簽認無施工危險之虞，對於每一施工階段皆要有技師在場處理緊急事故，以將施工風險降至最低程度。【2】地質調查資料之建立:工址附近地質調查資料應包括斷層、地下孔洞、地質剖面圖、地下水位…等，以提供現場工程師作最佳化之設計與管理之依據。【3】臨時排水計劃之妥善規劃:尤其遇豪雨季節時，工地極須透過所設之臨時排水措施消散地面水，以減少對支撐系統額外所產生之壓力。【4】施工動線計劃之妥善規劃:支撐架設後，將直接限制施工動線之流暢性，而且增加對人員、機具吊裝等施工危險度，尤其施工人員之教育訓練與施工技術之熟練程度、吊裝設施之完備性等，將是工地動態管理成敗之關鍵所在。【5】落實特殊技術證照之執行:於支

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撐架設、吊裝、拆除過程、以及施預力過程，皆為最具危險性之施工階段。若施工人員因對作業程序、施工技術不熟練，不僅對施工品質影響甚鉅，而且增加施工安全之風險性。因此，落實特殊技術證照制度將有助於減少職業災害之發生。【6】危險性工作場所施工安全評估制度之建立:除了事業單位需檢附有關連續壁及支撐系統設計計算書經技師簽認外，尚需通過勞動檢察單位審查對於各施工階段之危險性工作場所施工安全評估審查，合格後始得進行施工。因都市建築、土木深開挖施工涉及土木力學方面，然而，基於專業分工負責之理念，有關深開挖之審查方面，建議增列土木專家如土木技師公會、結構技師公會、大地技師公會等均可加入審查行列，俾使提升審查制度之效能。【7】聯合承攬之技術轉移:可透過聯合承攬方式吸取國外大型營造廠之高階研發技術，藉此提升國內之施工技術。【8】營建技術研發基金制度之建立:因涉及國內營造廠之資金周轉能力，對於營建技術研發並不普及，大大限制國內營建技術之提升，致使營建自動化窒礙難行。為確保營建品質、施工安全獲提升，營建技術之研發是刻不容緩的。至於提撥基金額度，可視其工程規模而定，所研發之技術應彙整成冊廣為宣導，並時常更替、創新研發內容，藉此使國內營建技術邁入國際之林。筆者僅就平時檢查工地時所觀察到之施工問題，提出個人淺見，所謂見山不是山，見水不是水，山水皆有情，大地皆學問。本人才疏學淺，疏漏之處在所難免，期先進不吝指教為荷。

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