現代營建 268---概述台灣地區路基土壤壓實度問題 (上)

概述台灣地區路基土壤壓實度問題 (上)

☆ 房性中 ☆

摘要
路基土壤的壓實度問題是一個很重要的課題。從路基土壤領域的界定、設計、試驗、品質、施工乃至於驗收各階段，皆與壓實度有密切關係。本文擬針對上述各階段之定義、作業方式、程序、注意事項或筆者淺見等要項，予以分別列述之，以供讀者卓參、並祈釐清不當之作為而提昇工程品質。最後，仍冀盼業界先進不吝賜教指正。

一、前言

         路基土壤良寙與否，其中因素固然頗多，諸如：土壤本身之性質、級配以及天候造成之含水量等等，皆屬重要之致因。
         惟無論土壤本身之特性以及外界之影響條件如何，作為路基之土壤材料時，壓實度是最為重要的控制項目之一，應無庸置疑。否則，路基鬆軟所衍生之沈陷、側移乃至鋪面結構損壞等，均需耗費更多人力與經費進行改善作業；相當頭痛的事、卻只靠壓實度即可克服大部分的難題，又何樂不為呢?
         因此，簡單而重要的壓實度觀念必須加強推廣並落實在公共工程中，將能節省大量公帑與人力資源。

二、壓實度定義與目的

(一)定義
         壓實度是用來表示土壤、級配料、水泥處理土壤及結構回填材料等項目在工地現場滾壓緊密之程度值，亦為設計工程師在某一壓實度基準下必須設定工程材料強度值下限，以利憑作鋪面結構厚度設計作業之準據。因此，除工程材質之外，壓實度乃為施工作業主要控制項目之一。
         鋪面工程除了填方石堤工程之外，路堤、路床、路基或基底層級配料(含水泥處理土壤作為基底層者)等，皆規定材料最大尺寸為50mm(2吋)或100mm(4吋)以下；故本文所針對之路基土壤，仍以使用壓實度作為設計暨品管之依據居多。
         若採用公式來定義「壓實度」一詞，詳如公式(1)所示。相當簡單且明確。

式中RC：相對壓實度(Relative Compaction)。

：工地密度試驗之最大乾密度值。

：試驗室內夯壓試驗之最大乾密度值。
(二)目的
         路基土壤壓實的目的，可從主、客觀立場來分析，茲歸納其要點如下：
         1.以人工或機械方式施加能量於土壤材料，促使土壤孔隙內之空氣排出而降低孔隙比、增加土壤密度之作用，謂之壓實。
         2.增加土壤顆粒間之結合力(Mechanical Bond)。
         3.增加土壤之剪力強度(Shearing Strength)及承載力(Bearing Capacity)。
         4.防止鋪面結構之沈陷、側移及延緩損壞程度。
         5.從業人員為了確認工程品質，致必須訂定「壓實度」之規定值，而工地密度試驗即為檢驗壓實度之必要手段，否則無法了解壓實度是否合乎設計要求。

三、路基土壤定義

         「路基土壤」係指接觸於鋪面結構系統最下面一個層次的土壤材料，應包括在鋪築結構內。超過路基土壤整治或滾壓深度以下的部份，則屬於填方路堤或挖方路塹，均定義為路床(Road Bed)。少數從業人員對於「鋪面結構」的認知，僅針對面層及基底層等層次而言，導致路基土壤的重要性經常被忽略或未予以正視，甚至造成失敗案例而時有所聞。
         本章茲就台灣地區現階段常用之定義方式，列述如下：
(一)填方路堤
     1.一般規定(含高速公路工程)：
         (1)路基：路基頂面以下75公分以內者。
         (2)路床：路基頂面以下超過75公分深度者。
     2.AI MS-1 1991年版設計手冊規定：
         (1)路基：路基頂面以下60公分以內者。
         (2)路床：路基頂面以下超過60公分深度者。
     3.民航局機場工程施工技術規範及FAA規定：
         (1)路基：路基頂面以下30公分以內者。
         (2)路床：路基頂面以下超過30公分深度者。
     4.AASHTO 高速公路施工規範規定：
         (1)路基：路基頂面以下90公分以內者(最小值為60公分)。
         (2)路床：路基頂面以下超過90公分深度者(最小值為60公分)。
(二)挖方路塹
     1.一般規定(含高速公路工程及AASHTO)：
         (1)路基：路基頂面以下30公分以內者。
         (2)路床：路基頂面以下超過30公分深度者。
     2.民航局機場工程施工技術規範及FAA規定：
         (1)路基：路基頂面以下15公分以內者。
         (2)路床：路基頂面以下超過15公分深度者。
(三)其他規範之定義
     1.日本運輸省航空局規定：
         基底層底面以下的部份，均定義為「路床」一詞。
     2.越南交通部設計院規定：
         (1)填方及挖方之路基厚度均定為15公分。
         (2)「亞洲公路專案」經筆者建議、溝通及協調、堅持之前提下，修訂為：
         ①填方路基厚度為30公分。
         ②挖方路基厚度為15公分。

四、路基土壤壓實度設計值

(一)因路基型態而規定之壓實度
     1.填方路堤：
         (1)交通部公路工程施工規範(2001年版)：
             距路基頂面以下75公分以內之土壤的壓實度為AASHTO T180所得最大乾密度值的95%以上，大於75公分者為90%以上。此為2001年版最新之規定，並採用AASHTO T180取代AASHTO T99。
         (2)高速公路局施工規範(1998年增修版)：
             同交通部規範所述。
         (3)國道新建工程局施工規範(1996年版)：
             除與交通部規範所述內容相同外，尚加列頂層25公分內須加做滾壓檢驗(Proof Rolling)。
         (4)公路局施工說明書(1997年版)：
             同交通部規範所述，亦採用AASHTO T180取代1993年版之AASHTO T99。
     2.挖方路塹：
         國道新建工程局規範規定詳如表一所示，惟最近各單位增、修改之規範作業，皆未納入表一相關之條文。
(二)因土壤性質而規定之壓實度
     1.公路局施工說明書(1993年版)：
         距路基頂面以下75公分以內的壓實度(依據AASHTO T99)，非粘性土壤為100%以上，黏性者為95%以上，大於75公分深度者一律為95%以上。
     2.AI MS-1 1984年版規定：
         (1)非黏性土壤：
             路基頂面以下30公分以內為AASHTO T180所得最大乾密度的100%以上，大於30公分深度者為95%以上。
         (2)黏性土壤：
             路基頂面以下30公分以內為AASHTO T180所得最大乾密度的95%以上，大於30公分深度者為90%以上。
     3.中華顧問工程司機場專案特訂條款規定：
         (1)填方區域：
             非粘性土壤：路基頂面以下40公分以內為AASHTO T180所得最大乾密度的98%以上，大於40公分深度者為95%以上(基於安全性考量，填方厚度由30公分增為40公分。)。
             黏性土壤：路基頂面以下40公分以內為AASHTO T180所得最大乾密度的95%以上，大於40公分深度者為90%以上(基於安全性考量，填方厚度由30公分增為40公分。)。
         (2)挖方區域：
             非黏性土壤：頂層依據AASHTO T180所得最大乾密度的98%以上。
             黏性土壤：頂層依據AASHTO T180所得最大乾密度的95%以上。
(三)因設計用途而規定之壓實度
     1.美國FAA施工規範：
         以飛機設計總重27200kg(60000lb)為基準，大於27200kg時採用AASHTO T180規定，小於27200kg時採用AASHTO T99規定。其詳細設計值如表二所示。
     2.民航局機場工程施工規範：
         以美國FAA施工規範為藍本，惟僅表二中挖方路塹15～46公分之範圍值則為15～60公分。

五、路基土壤壓實度試驗規定

(一)標準式夯壓試驗方法依據
     1.AASHTO T99：詳表三所示。
     2.ASTM D698：詳表四所示。
(二)改良式夯壓試驗方法依據
     1.AASHTO T180：詳表五所示。
     2.ASTM D1557︰詳表六所示。

(三)試驗作業注意事項
     1.最新版之ASTM D698及D1557均已刪除D法不用。
     2.如規範中未特別註明使用之試驗方法，一律採用A法為基準。
     3.ASTM與AASHTO兩者所規定之試驗方法及操作程序未克完全相同，筆者建議公路和運輸工程以AASHTO方法較為妥當。
     4.AASHTO T99及T180之D法剔除50mm材料，50～19mm之材料則改以19～4.75mm者替代之。
     5.ASTM規定依照土樣中之含量及粒徑等因素以選擇採用之試驗方法如下所列，而AASHTO則無法此項規定。
         (1)小於20%(含)的土樣停留於No.4號篩者採用A法。
         (2)大於20%的土樣停留於No.4號篩且小於20%(含)停留於3/8吋號篩者，採用B法。
         (3)大於20%的土樣停留於3/8吋號篩、且小於30%停留於3/4吋號篩者，採用C法。
     6.試驗儀器或器材，於初使用前或使用1000次後，甚至在任何可能影響試驗結果之情況發生或有重大疑慮時，均應加以校正後並確認無誤始可再使用。
     7.試驗前，已拌合水分之土樣，若依ASTM辦理時，應經表七規定之時間進行靜置養治作業。

     8.塑性愈低的土壤，愈不容易獲致完美平順的夯壓曲線圖。
     9.最大乾密度之值與夯壓能量成正比關係、與土壤本身塑性成反比。最佳含水量則適得其反。
     10.較具規模的路基土壤工程，夯壓曲線宜繪製飽和曲線，以茲證實夯壓曲線無誤。

<未完待續>