土壤粒徑狀況對工程特性之影響

土壤粒徑分佈曲線中含多種會影響土壤工程特性之係數，不同之 係數常會對不同狀況之工程特性有一定之影響，其中包含了較常見之 粗料含量及細料含量、最大粒徑、有效粒徑（Effective Size，D10）、均 勻係數（Uniformity Coefficient，Cu）以及級配係數（Coefficient of Gradation，Cc），其中有效粒徑、均勻係數與級配係數又與土壤分類有 關係。而從粒徑分佈曲線上看不到之土壤顆粒之狀況亦包含了細料之 凝聚性、孔隙比大小以及土壤顆粒形狀等不同的影響因素。

(1) 細料含量

通常來說，細料含量之增加會造成塑性增加、潛變量增加、

內摩擦角下降以及滲透係數下降等現象（Shanyong 等人，2008）。

Mitchell於「Foundamentals of soil Behavior」一書中提到土壤中細 料之比表面積大，由鍵結所形成之表面力（Surface force）其影響 性將遠超過重力之影響，成為控制細顆粒土壤行為之主要因素，

因此細料含量常被用以研究於土壤各種性質之影響變因。根據統 一土壤分類法（Unified Soil Classification System）之定義，細料 為顆粒直徑D＜74μm之土壤顆粒。

程展國（1982）以紅土礫石材料對細料含量之影響做夯實試 驗，發現紅土礫石之最佳含水量（OMC）隨細料含量增加而增加，

而最大乾密度則隨細料含量增加而減少，整體夯實曲線趨勢隨細 料增加由左上向右下方移動，並且在細料含量達到30％以上時，

紅土礫石在最大乾密度時，其所含細料之含水量已接近其塑限，

且當礫石含量再減少時，其含水量有接近其最佳含水量之趨勢。

而由Shanyong等人（2008）以香港CDG土壤做不同細料含量之修 正夯實試驗，其試驗結果趨勢與程展國（1982）之結果相符。

程展國（1982）並且指出粉土係對於土壤含水量之改變較靈 敏，粉土質土壤夯實含水量微小之改變主要會對不同細料含量之 乾密度改變；黏土對於夯實之能量改變較靈敏，黏土質土壤夯實 時微小之夯實能量改變，會對不同細料含量之乾密度改變較大。

蔡光榮等人（1987）曾對中橫公路台八線80k沿線崩積層進 行坡體穩定性調查，對坡體內地質材料之力學特性加以分析，

並指出崩積土細料增加會影響c值增大、 值降低。

(2) 粗料及細料比例

洪如江（1984）指出，崩積土的組織極不規則，其性質變 化大又難測定，而且取樣困難。若將崩積土視為複合土之一種，

其粒徑分配為一重要因素，若粗粒料佔75%以上時，粗粒料各顆 粒已相互接觸，其力學行為（尤其指抵抗坍方之阻力）由粗粒 料成分所決定；反之，細粒料佔30%以上時，粗粒料各顆粒已難 於相互接觸，其力學行為由細粒料成分所決定。而崩積土中所

含顆粒粒徑大小，與氣候、風化程度、地表水沖刷及地形坡度 關係密切，加上崩落、堆積反覆進行下，堆積時間長短不一，

除了母岩材料不同外，在各處形成之崩積土性質並不完全相 同，上述75％或30％為一般情形，不同的崩積土，可能略有出 入。

Lade等人（1998）提出了最佳粒徑比之理論，指出當粗、細 顆粒之土壤存在於土壤中時，孔隙比隨著細料含量增加而變小（如 圖2.17 AB段所示），但在超過某一細料含量後，孔隙比隨著細料 含量增加而變大（如圖2.17 BC段所示）。造成此現象之原因係當 細料逐漸增加時，會填充粗料之間之孔隙造成孔隙比減小，但是 當細料再增加時，則會取代粗料間之空隙，因此會造成當細料含 量低於此最佳細料含量時，其力學行為由粗料控制，當超過此最 佳細料含量時，其力學行為則由細料控制，並且經實驗後得到之 結果為曲線狀之分佈，並非線性分佈之情形。

圖 2.17 兩種粒料組成之孔隙比對細料含量之示意圖

(3) 細料之凝聚性

Holtz 等人（1961）研究不同級配對強度之影響時，發現在 相同夯實能量下，細粒料含量愈高，抗剪強度有降低之現象，

若比較不同的細粒料成分時，發現剪力強度破壞包絡線在細粒 料為黏土顆粒時會呈直線關係；若細粒料為砂性顆粒時，則破 壞 包 絡 線 稍 具 有 曲 線 的 跡 象 ， 這 是 因 為 顆 粒 間 的 內 鎖

（Interlocking）效應所致。此現象在低正應力時更形顯著。

蘇苗彬等人（1990）研究中橫公路台七甲線72k+500處之

滑動邊坡，由崩積土直接剪力試驗結果顯示，c值隨試體細料含 量增加而逐漸變大，當細料含量大於60％後，c值趨向穩定； 值 變化趨勢不如c值明顯，但在細料含量大於78%後，其值亦趨於 定值。

(4) 粒徑大小

Holtz 與Gibbs（1956）分別以最大粒徑7.62cm、3.81cm、1.91cm 之試體進行三軸試驗，發現強度隨最大粒徑之增加而略增。林炳 森等人（1988）以最大粒徑7.62cm、5.08cm、2.54cm、1.27cm 之 試體研究林口台地紅土礫石發現，隨最大粒徑變小，內摩擦角亦 隨之降低。由以上研究得知，試體最大粒徑越大，內摩擦角越高。

(5) 孔隙比和孔隙率之影響

Zeller 與Wullimann（1957）曾以試驗顯示，剪力強度隨孔 隙率之減少而大量增加。Lee 等人（1967）研究指出，在相同 之應變率及圍壓下，孔隙比大者，其最大主應力比（σ¹/σ²） 較小。Marachi（1972）曾解釋孔隙比之所以對礫石土強度造成 影響，係因孔隙比為級配及顆粒形狀之函數。

(6) 土壤顆粒形狀之影響

Chen（1948）由試驗結果證實，在孔隙比相同之情況下，

顆粒形狀為角形者，其內摩擦角較圓形者高。Holtz 與Gibbs

（1956）以最大粒徑為7.62cm之礫石做試驗發現，顆粒形狀為 角形 （ angular ） 者 之 強度 較 次角 形 （subangular ） 、次 圓形

（sunbrounded）者高（如圖2.18），其原因為顆粒形狀之差異影 響顆粒表面之粗糙度，因而造成強度之差異。

圖 2.18 典型的粗顆粒土壤形狀（M. Surdnera 攝）