☆ 陳修弓 譯 ☆
|
一、前言： 構造物介由基礎工程再由地盤來支承。一棟壯大無比之美奐美侖建築物，雖受眾多人民所稱讚，但直接支持之安全性地盤則通常不受外人所注目，況且地盤所構成之土壤，很可惜只有在災害發生，否則有重大變故時才有機會成為茶餘飯後之話題。由地震所被害之關連性地盤災害之名稱是眾所周知之事。但由地震以外要因所行成之事故變寡尚有軟弱而造成違害事故也常有發生。又如構造物由其用途有名稱種類名稱，然而地盤也有很多種類之稱呼。尤其值得一提的是同一種類之地盤由於其狀態之異在工學上之性質則有互異之解釋。所謂地盤之種類有砂土地盤與粘土地盤之分，並據其狀態有密度，拘束壓力之大小、飽和、不飽和之區別。然而對支持構造物之地盤就軟弱地盤用語在土質工學上不是很適當。通常申論一般工學材料之強度大小、地盤有強弱區別也是事實，至於考慮構造物之基礎地盤，而應對構造物之設計案件，而預測地盤之舉動，再考慮其不適合對策，此為我們所要研究的課題。 有關構造物之基礎地盤大致有如上述之舉例，通常也有不良之預測精度之地盤或設計施工時之疏忽導致不良之狀況之地盤，產生也在所難免之事實。就此下列為有關構造物基礎之地盤，相關問題點做詳實之論述。 二、特種地盤： 地盤之分類，就觀點上來探討各有不同之分別，但如對都市或臨海上地盤來研究時，通常以粘土地盤，砂土地盤來區別為多。而構成這些地盤之土粒子，有粘土粒子、shelt粒子、砂粒子、礫等，單一種類之土粒子所構成之地盤實際上也難有，通常上都有適當之土粒子混合在一起，因此所稱之粘土地盤，也即是粘土粒子混合量較多之謂，相同的砂土地盤則屬砂粒子之混合比例較多之解釋。至於構造物基礎地盤之軟弱地盤其概要又如上述，但一般上常發生問題之地盤則多指軟弱地盤為多。尤其地震時呈顯液狀化現象多發生在飽和較緩之砂土地盤上，此種地盤在地震時即是軟弱地盤。 另外含水比較大之粘土地盤，其支持力較小而下沈時間也較長，並會繼續才是問題點，但地震發生時相關之液狀化現象之急激狀態變化則不易發生。 一般粘土、近沿海之粘土地盤，含水量高、強度小、壓縮性大，此種軟弱情形，臨海之東南亞地帶都有相同現象，此種地盤可說是世界之冠也無可諱言。但是粘土地盤在地震時比較有安定性、沿海地區多震之區域也算是不幸中之大幸可如此說。砂土地盤除地震時之外很少有出狀況情形發生。新瀉地震時之地盤災害雖然也是很大之話題，在此地震中砂土地盤表層之發生液狀化現象，在過去對構造物之基礎地盤，很少提到具有特種問題之存在。尤其新瀉地區地下1000Ｍ都有粘土層壓縮之地盤下陷現象產生，因此表層砂地盤之地下水位相對的上昇，助長液狀化現象之發生。同時，當時之地震預報也未提及新瀉地區有大地震之發生預感，若能提早預知，當時必須做某程度之表層砂土地盤之地震應變設施此點也是震後覺得十分遺憾之事。 從世界觀來分析或許日本之地盤問題特色為，軟弱粘性土之軟弱程度較為明顯以及地震較多，也呈顯清潔而自然美，地盤也是如此，不像他國地盤上都是奇形怪狀，有特異性質，其代表有二1.quick clay. 2. 膨脹性粘土所稱quick clay為海成粘土由於地盤隆起受淡水浸透而土中間隙水之鹽分溶脫、紛亂，並由剪力歪度所附加之強度下降異常極大之因。剪力歪度附加極限，其反覆強度與不攪亂強度比稱銳敏比，日本之粘土銳敏比最大20時，quick clay為150∼200值。反言之，反覆強度1/150∼1/200。quick clay之地盤施工時之紛亂必須注意更恐怖的走山津波似之急激地滑產生破壞，也會廣大範圍散播。日本之粘土地盤構造物之荷重過大產生地盤破壞，在一定範圍內維持15分鐘之變形就終止是一般現象，也不會產生連鎖性，周邊地盤之破壞。 相片一為1978年秋瑞典之Goteborg近郊新開發住宅地產生滑動破壞之狀況。此種破壞在27萬m2區域內流失400萬m3之土方，而在此地上所興建之房屋最大移動量為200M，而全部斜坡為1:40以下，一部分則1:8之斜面。再之別的滑動破壞，在偶然攝影之8mm軟度，見得粘土斜面滑動時最後泥水上揚，其速度之快比人快跑還快之速度進行滑動破壞之情形。 
雖不是構造物之基礎地盤，一般之粘土受集中豪雨浸襲時地面也會快速滑動情形發生。此況雖然是急斜坡，表層粘土泥水化而滑動，而此種滑動緩土會波及斜面下構造物而受害。此景當然起因於水作用，因此若地形屬谷形斜面會經常發生此事，然而尾根形斜面下之構造物則受此種情形較少。下雨地盤易陷是常有之事，因下雨時土之單位體積重增加，而土中間隙水壓升高，土粒間之壓力減少，此種滑動破壞所做之分析可知，基因於土之質劣程度有關此也是值我們考慮之事。至於膨脹性粘土，吸收水分時即刻膨脹在地表面上形成不規則浮上而造成破壞構造物之原因。在此種地盤上建設構造物時如圖一所示在椿之周邊與建物下面膨脹，確保空隙，吸收水分，而且一方面也助土中水之蒸發空氣與接觸面積增加膨脹壓力抵抗得重量構造物。但普通家屋規模重量不足家屋全體剛性高家屋自動破損程度下降之進行。 
除以上所列外，其他如西伯利亞，加拿大之凍土為特異類，若是永久凍土之場合，只要施行融解防具手段其地盤也算是硬質良土。最近日本本身也有LNG地下土土曹周邊地盤發生凍結問題，所以就凍結膨脹對於周邊構造物之變位，破壞等也做些措施性檢討，現在以溫水循環施設在土土曹邊以限制凍結範圍也是個良好處理。另外有一種叫特殊土(Problem Soil)之地盤，是種有機質土，此種地盤之土類與一般之砂質土、粘性土異同，雖然對其調查試驗之方法必須做特殊之考慮，但對此種地盤其quick clay或膨脹粘土也沒有太大差異。 三、砂質土地盤 砂質土地盤有問題的是地震時液狀現象發生。對此問題題也有過許多研究在進行，又如設計如何防止地震時之液狀化現象發生，做如何預防，已有明確規範其施工目標。此種目標在標準貫入試驗Ｎ值之表示，也即是說在地震時，砂之密度如何升值為對策。也不限於砂質土地盤，一般土之密度增大，而增加強度，壓縮性減少即成良好之地盤。除化學方法外，一般都以地盤改良工法做為效果在推行，土經剪力作用體積產生變化，若事先增大其密度也即即受剪力時膨脹之意。在飽和密質砂土地盤地震時剪力增加，土也吸水膨脹之傾向，因地震之短期間無法充分吸收水分因此土中間隙水壓減少，土粒間應力即是說有效應力在內部產生增加現象地盤就呈安定化。此種液狀化對策，也即是砂質土地盤有締固作用也即是密度增大之意。 有關砂質土液狀化現象之研究在新瀉地震以後，也進行的很活潑，為了成果證實到目前尚未遇應有之地震對液狀化對策之限界尚未得到充分之掌握。為了應對液狀化對策，在構造物性格上尤其重要公共設施之建設也相關在實施因此工程費之增加也是問題所在。因此就現狀可採行的為如何防止液狀化現象之發生為手段做講究，其次問題是地震時外常時之支持力與下沈問題。砂質土地盤之支持力研究，自古已在做，其計算法之差異在極限支持力實際所加之荷重強度也有不同值之差異實用上之問題點則較少。也即是說砂質土地盤，常時載荷，地盤受剪力破壞機會較少。 因此砂質土地盤上構造物之建設問題主要為下沈之事先預估。砂質土地盤之沈下量，較粘性土盤相比通常較小，因短時間內終止之性質，在處理上也較容易。但荷重變化迅速對於加在構造物基礎之荷重強度有關狀來之變化等，也必須做充分之檢討之必要。 至於砂質土地盤之下沈量預測也有種種經驗方法在用，最近則依彈性理論做基礎之努力在推行。此種利用彈性係數值則以標準貫入試驗之N值由經驗而求出得之方法在進行。在此必須注意的是相等Ｎ值之砂質土地盤，則依自然狀態或人工的固結者其所使用之彈係數值都有不同此點因為砂質土之力學特性求法較為困難之故。 砂質土由簡單之供試體可做，也即是說有關土之力學試驗之實行較粘土易做之原因。但是這些力學試驗結果與供試體之初期狀態相違較為繁感，譬如加在供試體之壓力條件與自然地盤相同，在自然狀態下之舉動是無法再現也難於保證。再之在相同之供試體下，所做成方法如砂粒子之配列狀況異同時，其試驗結果也異同。更且現在砂質土地盤之密度如何求其正確其方法在工學上尚未確立，因此砂質土地盤之實驗預測，不能只利用室內力學試驗，做為結果應利用種種特性總合之Ｎ值才是多用之中，上述Ｎ值與彈性係數間關係，由Ｎ值所不能發現之砂粒子配列狀況就能影響土之構造表現。 因此砂質土地盤之舉動預測所殘留之問題點，在於粘性土地盤時較調查試驗其設計效用較少。但粘性土時之下沈量較少支持力則大也是一種救濟方法。 地盤土區別為砂質土與粘性土，基本上在於其透水性相異。因砂質土透水性良好，土中間隙水排出入迅速，因此土中之有效應力之變化速度也大，另一方面因透水性良好砂質土地盤與地下水問題也有關連。在砂質土地盤挖掘時，若把孔內水位過度下降時，泥水狀會吹上，因構造物建設後地下水位上升極限支持力會減少之傾向，若下沈條件較嚴時必須加以考慮。 四、粘性土地盤 粘性土為粘土粒子分較多，比砂質土其透水性與強度較小，壓縮性較大，為其一般性特徵，但日本之都市以及臨海區所看到的都是含水比大也較軟弱。至於所說之較砂質土強度小，壓縮性大即是說對支持力與下陷量有直接反映，因此其相異點在於透水性之低為原因。而土之力學特性在以有效應力也即是說依存在土粒子間之平均應力，而粒性土之透水性低在以間隙水之排出入所受影響，一般對外力變化之應答速度較小。現顯於此種特性在於下陷之速度，由載荷之砂質土地盤之下陷，對於施工期間中之終了此情形有直接影，譬如粘性土地盤之場合在數年間以上壓密下陷仍會繼續存在。(一)支持力： 砂質土之場合，靜的載荷，其極限支持力較大，此時，下陷之預測即是主要關心事情，而粘性土時由靜性載荷所生之地盤剪力破壞也不見得少此點也值得注意。 粘土或粘性土之地盤，雖不像砂質土地盤之液狀化，直接受地震被害之機會較少，但常時載荷之地盤受剪力破壞則很容易受一時疏忽而倒致地盤破壞，不得不注意及之。 在地盤做載荷之際，下陷之地盤破壞，本來要從地盤之應力及應變度一連貫之關係過程視其不同視點過程，但是就目前之土質工學上兩者無法做一連貫之探視，必須個別做全盤之分析方可。因此地盤雖受無法支承之大載荷仍可求出其下沈量。而粘性土地盤發生地盤破壞時，受前述亂源影響剪力強度大幅減少，而透水性也減低是普通現象。據此發生地盤破同時也起了極大惡化之現象。因此設計者應先檢討支持力之問題，確實無地盤破壞再進行下沈之預測較妥。 至粘性土地盤之地盤破壞在施工終結時較易發生，因此短期安定問題就是討論題目。砂質土在載荷之增加，也是短時間內有效應力之增加，也就是強度之增加，因為黏性土有效應力之增加速度較小，因此施工期中強度之增加幾乎沒有所以在製造破壞原因之載荷所產生之地中剪應力最大時之施工終期最為危險。 對於粘性土地盤破壞之安全性檢討，其安定計算所含之各要素到目前尚未明瞭，因此對破壞以否之相關結果之判定，其信賴度也極高。此時所採用之計算其剪力強度定數也非排水剪力強度，對於實際之土質調查與剪力試果如何利用只能依據實際方法之確立而定。依據上述對粘性地盤之破壞例也多，也可稱為一種人災，就實際而論，施工管理之不全，為安全考量所要增加 之工程費也是很龐大的事情。 在粘性地盤所發生之地盤破壞都在連速發生，普通在15∼20分間就大部分產生變形。在地盤內發生滑動面在數十米以上規模時,可由目視現象可察知構造物之下沈量，若加以詳細觀察構造物側方地盤也有膨脹上浮現象。像此種大規模剪力破壞起因之地盤破壞，可依據下陷及側方變位之觀測相繼時就能觀察出變形速度之增加現象。只要採取此種慎重之觀測行為，在現場上做出安定性檢討，對實際破壞過程之記錄機會就較少。只要發覺地盤破壞現象，僅能採取逃難，也就無法做其他事情了。 除了上述短期安定問題外，也有長期安定問題之存在。他的典型問題即是掘削斜面做長期間之放置。因在進行掘削時除去一部拘束壓力，粘性土地盤也有膨脹傾向，而在自由水之存在或降雨時吸水容易進行之條件下，粘性土因長期間吸水膨張後強度鬆動減低，其斜面安定度也隨之下降。因粘性土透水性低，排水吸水與相同速度進行，同時挖土工程在短時間內進行，強度減少也難於估計只能以短期安定問題來處理。而長期安定問題之處理對象只能限定於大規模掘削，只能在除埋之涵洞埋設或岸墻工程才多見。此種大規模臨海部掘削，由膨脹產生粘性土強度之減少，可一併做安定性之檢討也是有其要，目前工程界對於長期安定問題所引索之地盤破壞實例尚未發現。 (二)下沈： 粘性土地盤之下沈可分二項來考慮。第一種為如砂質土地盤之下沈在短時間內所產生之彈性下沈，另一種則為由載荷重而排水土之體積減少而產生壓密下沈。其中彈性下沈稱之即時下沈，因速度極快即稱在工地施工中所面對之事，其壓縮下沈可繼續維持數年甚至數十年，長期連續，其下沈量也比較大是極重要之課題。 粘性土地盤之壓密下陷，大致可分為起因於建築物載荷之下陷與由深部滯水層汲地下水上來所生之廣域地盤下陷二種。無論何種都是就土中間隙水之壓力分布變化所產生，可是由於廣域地盤下沈，尤如其名由各種構造物之規模大小而產生，因此其範愈廣其自體下陷所引起之構造物破損就顯得較少。因此一般來講構造物之破損起因於不等下陷，可由都市規範圍所波及為多方知廣域地盤下陷之沈下量。而不會波及各種構造物所影響。 至於不等下陷量之預測至目前為止尚無明確之進展，只能說不等下陷量應全下陷量而增大，萬一有大規模之急激下陷發生必須要多加留意。一般來講由廣域地盤下陷所受之被害，要說下陷本身之影響不如關連到基礎工程為多。又如上浮基礎，由構造物本身自體之荷重產生壓密下陷時，構造物本身則隨地盤表面下陷，被害之情形就較少，如深基礎之施工，基椿打到基盤下面，構造物則上浮在構造物之地盤上，這些在市區內工地都常發現之景象。 另外，起因於構造自重之壓密下陷在處理上必須更謹慎。因加壓在地盤上之載荷重不一定是等分布狀態而地盤之壓縮性以及層厚也不一定相同。在此必須要注意的問題點在表層粘性土層上。此種表層粘性土在地盤形成後之時間較短，又所受之埋土壓力也小，較深層者壓縮性顯著較大之故。至於深層部分所存在之壓密層，土埋壓力較大其壓縮性相對的較小，因此對於地盤表上之載荷重所生之地中應力增分，由應力分散故較小也較為平均化。 所以在粘性土地盤上要建設構造物時，為了將來下沈量之經時變化必須先行預測。而預測上所採用之壓密性理論，Terzaghi理論是眾所周知，但實用上則採用三笠壓密理論較多，通常多由實際下沈量與時間觀測記錄做依據以決定壓密理論之適用性。一般性結論，在下陷量本身之預測精度都很好，只在下沈之速度預測則有不同之答案。下沈量都以壓密現象以及土壓力之歪度關係所求得，而下沈速度則由壓密理論做預測。一般下沈預測都由Terzaghi壓密理來決定，此為一次元壓密(壓密層厚)廣大區域之壓密荷重加壓時為對象，對於一次元壓密以外之條件為對象之壓密理論如二次元，三次元壓密現象都以一次元為迅速之例。至於上述之下陷記錄之檢討，則較預測下沈速度為快。因此實際之壓密以二次元，三次元為條件而進行則較多，另外較均質之海成粘性土地盤以一次元條件所壓密之壓密理論其預測精度較高。對於將來下沈預測主題必須就，不均質地盤，二次元、三次元之壓密條件所能適用之計算方法做設計上依據而不能就均質地盤之一次元壓密理論為適用此必事先做一衍量之參考。 因為由構造物之種類，在開始前就無法適用其壓密下陷之容許，為了將來下陷量之限小，採用淨力基工法，或Preloading工法兩種。浮力基礎則在建設之先將地盤挖掘之土重量與構造物重量相等，而將構造物建設後消去荷重之增加，若能正確進行，挖掘後地盤之彈性膨脹與建設中之彈性下陷，在建設終了後至為抵消，為無壓密下陷，在日本工程界，利用於中規模構造物之場合，因此完成後就無殘留下陷之情形。 另外Preloading工法則採用事先採用比構造重量較大之壓力荷重加上後產生壓密下陷，然後除去壓密荷重，而建設構造物。因為Preloading工法事先使其產生壓密現象，必須有一定期限，若有工期限定則利用Vertical drilling以增加壓密透度。 因為粘性土地盤壓密下沈量通常較大，則多採用Preloading工法較多。至於理想之Preloading工法是使將來完成後不再產生下陷之意但實際上不大可能。 此為在一定工期內必須壓密下陷很大，若先採用很大之壓密荷重否則不為功，因為地盤支持力、用地限制也會限制荷重載重量之大小，因此在實際施工法，Preloading則多少能有殘留下陷之容許。 對於上述殘留下陷之注意事項在於粘性土地盤上進行載荷時沒有下陷停止之情形，此在室內壓密方式試驗就可知，受載荷試驗之粘性土壓縮機構有二種區分：根據壓密理論有一次壓密後產生壓縮再有二次壓密之Creep現象產生。此種二次壓密則隨時間對數成比例進行比在實際經驗可得知，因此在實施長時間之壓密試驗依據其結果為限而沒有二次壓密終了情形。因此普通之構造物其耐用年限之期間程度，雖一次壓密有終了時但其二次壓密仍繼續進行，因此其理想之Preloading必包含二次壓密之將來沈陷量為對象。最近對於耐用年數較長之大規模構造物之場合也包含二次壓密之下陷預測之進行，無論其時間對數比例，實際上下陷速度實用上也毫無問題可言。 如上述，壓密下陷之計算則以地盤支持力做個別計算才是。但是在地盤破壞前，由載荷重所發生之剪力應變則以實際之壓密下沈量之支持力其安全性有影響。再之對於支持力之安全率與全部之下沈量之定量關係，目前在工學上尚未定論，在堤狀構造物上之局部下陷大時，又如古時河道跡，局部之土剪力強度小，而對支持力之安全性也小之場合較多。 五、結論： 通常都市或沿海部分，地盤上都屬於砂質土地盤與粘性土地盤之分類，又如上述之概論，但就土質工學方面來研究相關連中間土(intermediate soils)也必須一併加以研究之必要。對於此種土質之研究並非列為特種土(problem soils)之區分，在土質工學上則在砂質土與粘質土之中間推論較為適當。據上述說明雖有砂質土與粘性土之區別，也未做嚴密之定義區分，在土質試驗上以工學特性應用於設計上，也必須做定量區分之必要。在歐美各國對於此問題之探討也含有實務專家之關心集作用在內，以策者所略知砂質土、粘性土之區分定量性規定在區洲道路技術團體為先例。此種區分以土之塑性指數值做基本7以上為粘性土，7以下為砂質土，這些規定日方，以前就有，目前以主要機構之設計規準也有類似之區分。土壤力學之教材裏就剪力說明也有，砂與粘土之區別。砂與粘土、砂質土與粘性土之區別，一般於透水係數值之相異而別，若以有效應力原理做土之工學上有效應力之變化原因，因砂與粘土其變化速度互異，其他以時間尺度做變化考量時，兩者之間也有很大之差異，但是實際上砂之有效應力變化速度則是無限大為多。另外粘土之壓密理論也有強力之後循，有心研究者必須連續的將其變化由土之種類特性做兩極端分析收集資料方可。 他的本意，若以一般土稱中間土時，砂與粘土稱之極端土(extreme soil)，而在此所稱之中間土也又如近似silt地盤主要是silt為多為其特徵，因此silt分較多之土就分類為中間土，此為毫無他義之事實。在美國之稱呼中間土為headache soile表示。 通常設計規範之擔任者多為實務家，對於土之區分，有關有效應力之統一性以及實際問題之處理上也非常之困難，一般都會理解，況且一般所進行之土質試驗結果，對於適用法之考慮，多少難免有誤差偏重安全邊，因此分為砂質土與粘性土兩大類。然而事關有效應力之變化速度也難考慮為無限大，另方面在現行試驗法規裏有效應力之速度變化，所相關者也以聚合土為多，對此問題也必須就有效應力上做統一解釋之必要，一般解釋上都於聚合別區分並以全應力做基準，較為實際。 本文雖未觸及有關土之舉動則自前之履歷，尤其應力履歷之影響。在粘性土發現混亂仍屬其一例，因此區別為正規壓密粘土與過壓密粘土而區別也有其特處。若將土譬如為人之記憶，粗糙者為記憶力好者，而砂則之記憶喪失症之人謂，一般人則若兩者中間之屬也可如此釋之。■ 譯自︰原著中瀨明男(東京工大教授) |
