固體廢棄物剪力強度參數

評估 MSW 之強度參數對於垃圾掩埋場之結構體穩定性具有極重要之意 義。由於影響 MSW 之因素眾多，以及垃圾掩埋場結構體之複雜性，導致正確 之 MSW 剪力強度參數不易決定，不同研究針對不同掩埋場求得參數之間亦 未取得一致之趨勢(Gabr, 2007)。一般而言，MSW 之剪力強度參數與土壤性質 類似，可用凝聚力與摩擦角表示。MSW 之剪力強度參數，受限於取樣代表性 與試驗設備之限制，不易求得，一般多利用室內重模大型剪力試驗、現地大型 剪力試驗、三軸試驗、反算分析(backanalysis)等方法推估。

Dixon and Jones(2005)摘錄 Jones 等(1997)彙整多數學者之直剪試驗及破壞 回饋分析研究結果，得到廢棄物強度參數，詳表 2.10 所示。雖然其摘錄結果 並不廣泛，但其變化範圍值，足以證實及通用。Manassero et al. (1996)建議 c、

φ 值的設計範圍其破壞包絡線如圖 2.12，若無特定場所的資料可利用，即由圖 可得知 c、φ 值初始設計值。這些設計值可由 A~C，3 個區間範圍定義。

Landva及 Clark (1986)之研究，指出 MSW 之摩擦角介於 38°至 42°之間；

凝聚力介於 16 至 19kPa 之間。然當相同試體靜置一年之後，MSW 之分解導致 摩擦角降至 33°；凝聚力亦降至 6kPa。Howland 及 Landva (1992)使用大型直 剪，得知堆置 10~15 年之 MSW，其剪力強度以摩擦力為主，其結果為摩擦角 為 33°、凝聚力為 17kPa，但 Gabr 及 Valero (1995)以標準小型直剪量測 10~15 年之 MSW，發現當位移超過試樣直徑之 10%後，其剪力強度隨著位移之增加 而增加。其於 20%位移時測得之摩擦角則介於 20°至 33°之間、凝聚力則為 0 至 28kPa 之間。

Singh及 Murphy(1990)綜合相關文獻之剪力強度參數繪如圖 2.13 所示。由 圖可知，MSW 廢棄物之摩擦角與凝聚力大致呈反比關係。此外，Gabr et al.(2007) 整理 Howland 及 Landva (1992)、Kavazanjian et al.(1995)、Van Impe (1998)以 及 Pelky et al.(2001)等眾多相關文獻，發現 MSW 剪力強度參數實具有相當大 之歧異，除了 MSW 本身之異質性影響，亦顯示剪力強度之試驗方式與標準，

包括試體之準備、試體及儀器之尺寸、應變大小，以及強度求取之標準等亦具 有顯著之影響。Gabr et al.(2007)亦指出 MSW 之分解對於強度參數影響甚高，

惟目前此一方面之研究仍待加強。

在國外文獻方面：Fang 等人（1977、1983），於室內進行夯實垃圾之強 度試驗得到摩擦角 φ＝150~250 之間，凝聚力 C＝7.2t/m²，而這些試驗垃圾並 無明顯的強度尖峰值，因此其強度定義應為應變在 15~20％時之強度。Oweis 等人（1985）由現地推算（垃圾在軟弱至中度軟弱之粘土層上）得到凝聚力 C

＝2.0~2.5t/m²及摩擦角 φ＝200。STS 公司（1985）由壓力計試驗，得到凝聚 力 C＝1.0~2.5t/m²及摩擦角 φ＝30°~35°之間。Dvinoff 及 Munion（1986）由一 破壞實例，推算垃圾之不排水剪力強度 CU＝3.9t/m²。Lutton 等人（1979）則 相當保守，他們建議將垃圾一土壤視為一複合材料之強度，因此複合材料之強 度為土壤強度乘以加權值[覆土厚度÷（垃圾厚＋覆土厚） 0.2~0.5] ≒ 。日本 三宅宏文（1981），建議摩擦角 φ＝32.2°及凝聚力 C=4.5t/m²（依福德坑衛生 掩埋場規劃報告書中提及之數據反推求得）。在國內文獻方面：陳榮河（2002）

彙整國外現有各種方法（包括室內試驗、現地試驗及反算分析等），求得之垃 圾剪力強度資料，上下界 C (kpa)＝-2.35φ81±17，提供作為初步穩定分析之參 考。鄭介眉 （2004） 依現地採樣資料分析，並考量垃圾成份權重，得摩擦角 φ＝38.9°及凝聚力 C=1.054t/m²

李政輝(2008)整理國外一些學者利用室內大型直剪試驗(Landva and Clark, 1990)、現地大型直剪試驗、三軸試驗(Singh and Murphy, 1990)、反算 分析(Singh and Murphy, 1990)等方法推估求得剪力強度值，如表 2.11 及表 2.12 所示。Landva and Clark (1990)將不同時間同一地點及粉碎後的廢棄物進 行室內大型直剪試驗，結果顯示其內摩擦角約在 24°~42°之間，這些材料也存 在 0~23 kPa 的內聚力。游中揚（1998）整理前人數據後指出，國外於掩埋場 現地以標準貫入詴驗及現場載重破壞性詴驗等詴驗結果顯示，垃圾之摩擦角(φ)

與凝聚 力(c) 大致 呈反比關係 ，其 摩擦角 約在 12°~26°之 間， 凝 聚力 約在 44.1~1.9 kPa 間。Singh and Murphy (1990)根據室內及現場試驗以及通過反算 得到的強度資料，分別以 c 及 φ 值為縱軸及橫軸繪於圖 2.14 中，發現垃圾 強度在本質上的極大差異性，但仍歸納出此值的範圍大致分布在圖中的陰影區 內。Kavazajian et al. (1995)依依據平鈑載重試驗反算分析、實驗室與現地大型 直剪試驗，配合已知穩定之現地掩埋場反算分析結果，提出了一條折線形的強 度包絡線，如圖 2.15 所示，當正向應力低於 30.0 kPa 時，取內聚力為 24.0 kPa，摩擦角為 0°；當正向應力大於 30.0 kPa 時則取內聚力為 0 kPa，摩擦角 33°。Eid et al. (2000)則綜合大型直剪結果及已發生破壞之現地掩埋場反算分析 結果，建議固體廢棄物之強度可取內聚力 25.0 kPa 及摩擦角 35°，如圖 2-16 所示。然而 Kavazajian et al. (2001)針對 Eid et al. (2000)所收集的強度資料特別 指出，當正向應力超過 150.0 kPa 後，摩擦角有明顯降低的現象，因此固體的 廢棄物不適合以單一線性來描述。(李政輝，2008)

表 2.10 從文獻上統計之剪力強度參數量測案例(Jones et al.) (Dixon and Jones, 2005)

剪力強度參數

出處 C’(kPa) φ(°) 方法 註釋

Jessberger(1994) 7 38 沒有指定 Gay and Kaiser(1981)報導 Jessberger(1994) 10 15 回饋分析 Spillman(1980)報導 Jessberger(1994) 10 17 回饋分析 Spillman(1980)報導 Jessberger(1994) 0 30 估計 現地觀察

Jessberger(1994) 0 40 估計 現地觀察

Jessberger(1994) 7 42 簡單剪力試驗 Gay and Kaiser(1981)報導 9個月的老舊廢棄物 Jessberger(1994) 28 26.5 簡單剪力試驗 新鮮廢棄物；

Gay and Kaiser(1981)報導 Fassett et al.(1994) 10 23 建議值 作者建議

Kolsch(1995) 15 15 建議值 作者建議 Kolsch(1995) 18 22 建議值 作者建議

Cowland et al.(1993) 10 25 回饋分析 Deep trench cut in waste Suggested values by authors Del Greco and Oggeri(1993) 15.7 21 直接剪力試驗 Tests on baled waste

Lower density bales Del Greco and Oggeri(1993) 23.5 22 直接剪力試驗 Tests on baled waste

Higher density bales Landva and Clark(1986) 19 42 直接剪力試驗 Old refuse

Landva and Clark(1986) 16 38 直接剪力試驗 Old refuse

Landva and Clark(1986) 16 33 直接剪力試驗 Old refuse+1 year Landva and Clark(1986) 23 24 直接剪力試驗 Fresh, shredded refuse Landva and Clark(1986) 10 33.6 直接剪力試驗 Wood waste/refuse mixture Golder Addociates(1993) 0 41 直接剪力試驗 Project specific testing

圖 2.12 設計上建議的剪力強度範圍(Dixon and Jones, 2005)

圖 2.13 MSW 有效剪力強度參數之彙整(Singh and Murphy, 1990) 範圍 A 非常低的應力

(0kPa≦σv＜20kPa)：c=20kPa 範圍 B 中等應力

(20kPa≦σv＜60kPa)：c=0kPa；

φ=38°

範圍 C 高應力

表 2.11 廢棄物剪力強度值(摘自李政輝，2008)

表 2.12 廢棄物剪力強度值(Sadek and Manasseh, 2005；摘自李政輝，2008)

圖 2.14 一般固體廢棄物強度歸納(Singh and Murphy, 1990)

圖 2.15 固體廢棄物之剪力強度(Kavazanjian et al., 1995)

圖 2.16 固體廢棄物之剪力強度(續)(Eid et al., 2000)

2.7.2.1 MSW 剪力強度參數量測方法 剪力強度參數量測方法 剪力強度參數量測方法 剪力強度參數量測方法

Dixon and Jones(2005)摘錄多數學者探討 MSW 剪力行為的量測方法 結果，詳表 2.13 所示。

表 2.13 MSW 的剪力行為量測方法探討(Dixon and Jones, 2005) 位

置 量測方式 註釋 參考文獻

邊坡破壞回饋分析 適當參數未知(例如孔隙 水壓、剪力破壞面之形 式與位置)

Koerner and Soong(2000)

開挖邊坡試驗回饋 分析

產生大變位惟未並未發 生剪力破壞

Singh and Murphy(1990)，

Cowland et al.(1993) 現有穩定邊坡的回

饋分析

由於廢棄物組成持續變 化，現有經驗未必可預 測未來性能表現

Gotteland et al.(2002)

現地直接剪力試驗 執行不易且所得剪力強 度屬低應力範圍

Jeddberger and Kockel(1993)

現地

SPT、CPT、十字片 剪試驗

貫入阻力與 MSW 剪力 強度未具有明顯關聯，

僅適用於己腐化如土之 MSW

三軸壓縮試驗 擾動試樣，由於試樣之 壓縮與緊密化，無法求 得尖峰剪力強度

Jessberger(1994)，Grisolia et al.(1995b)

直接剪力試驗 需要大型試驗儀器(例如 1*1*1m)，擾動試樣，必 須極大之位移方可求得 尖峰剪力強度

Kolsch(1995)，Gotteland et al.(2001)

實驗室

簡單剪力試驗 需要大型儀器，不規則 樣本

Kavazanjian et al.(1999)