土、岩混合材料特性的力學特性

本研究旨在探討灰色板岩夾黏土層的力學行為，如圖2-9 所示，

此類地質材料可視為併構岩，其材料組成亦與土岩混合材料（築壩材 料等）相近。圖 2-9 為黃玉麟(2006)N-2 鑽探孔 16-20 公尺的岩心照片，

其中16 ~ 17.6 m 依黃玉麟對梨山地層分類，定義為灰色板岩夾黃色 黏土層，17.6 m ~ 20m 則稱為灰色板岩夾灰色黏土層。

圖2-9 N-2 16 ~ 20m 岩心圖(黃玉麟(2006))

Holtz 及 Willard (1961)曾探討土壤礫石混合物力學參數的變化，

他們分別於粘土(摩擦角Φ′ 24 ~ 26°)及砂土(摩擦角Φ′ 35°~ 37°)中加 入礫石施作試驗，發現礫石含量增加時，有效摩擦角相對增加，而凝 聚力c′ 卻降低，如表 2-8。除此之外，不同的土壤加入等比例的礫石 之後，其c′及Φ′之改變量也有所不同。

表2-8 卵礫石含量對粘土砂土Φ’及 c’影響（Holtz ,Willard(1961)）

Marachi (1972)研究土石堆填壩材料(Rockfill)的力學性質，利用三 種不同壩體的材料並依照現地粒徑分佈曲線平移製作直徑2.8 in, 12 in, 36 in 的圓柱試體， 分別在 30 psi, 140 psi, 420psi, 及 650psi 的圍 壓下進行大型三軸試驗，結果發現：

1 )當最大顆粒尺寸增大時，其內摩擦角呈現降低之趨勢，並不受 材料不同而改變，如圖 2-10。本文研判可能為試體含大顆粒岩塊時，

影響到試體之孔隙比，較大顆岩塊導致孔隙比較低，間接造成摩擦角 降低的結果。

圖2-10 最大粒徑與內摩擦角關係 摘自(Marachi ,1972)

2 ) Marachi 並提出，材料之形狀、配比接近且相似，即使粗顆粒 材料強度不同，最後表現出來的應力應變行為和抗剪強度相當接近；

並且顆粒形狀愈接近圓形，強度愈高。如Pyramid 壩材為厚層泥岩，

材料本身具高度異向性且易破碎。而破碎玄武岩(Crushed Basalt)本身 為等向性，不易用榔頭敲碎。但兩者顆粒形狀皆為角狀，所表現之行 為十分類似。而顆粒形狀為圓形的 Oroville 壩材主要顆粒由角閃岩組 成，則比上述兩者之摩擦角高約3 ~ 4°。

洪如江(1984)描述崩積土之行為，建議將此類含有岩石及土壤之

崩積土稱為複合土，此種崩積土力學模式受粒徑分佈影響大。當粗顆 積土，其組成包含了黏土、粉土以及破碎岩塊。Montrasio 將山崩滑 落的崩積土稱為複雜土(complex soil)，並認為複雜土的力學行為受岩 塊含量影響，包括受剪過程中應變增加行為也會改變。他以一簡單的 數學模式探討此行為：

先將複雜土分為細料的基質(fine matrix)及粗顆粒(inclusions)，其 比例如下：

max

因此，應變門檻值對試體應力應變行為相當重要，

Montrasio

利 用一個簡單的模型做解釋，圖

2-12

將一個試體分成為許多立方元素 所組成之群體，元素的邊長為

Li

，元素中有半徑為

Ri

之礫石，假設 礫石不可壓縮，便可得到應變門檻值

ε

max與岩塊含量

p

的關係；

………..(

公式

2.2)

圖

2-12 Montrasio

所假設的模型

圖

2-13

為利用式

2.2

作圖，得到的岩塊含量與應變門檻關係，圖 中顯示當岩塊含量在

30 %

以下時，即使達到

20 %

應變岩塊也不會接 觸到。此時試體的破壞為沿著岩塊周圍的基質滑動。當含量超過

50 %

後，代表在剪動前岩塊已完全接觸，因此試體的剪力強度極可能由岩 塊相互的摩擦所提供。

圖

2-13

依含量比不同而相對應之應變門檻值

(Montrasio , 1998)

然而

Montrasio

的理論模型仍然過度理想化，畢竟天然試體內部

的岩塊絕非大小相同的球體且排列整齊。在尺寸不同的岩塊、不均勻 分佈於試體內情況下，即便含量低也可能已有岩塊接觸，因此造成岩

際情形岩塊完全接觸或完全分離的臨界含量也更難定義。

Vallejo

及

Mawby(2000)

認為孔隙率可作為評判粗顆粒接觸型態之指標。他們利

用靜態夯實法製作

5

組不同含量比例的砂

-

黏土混合試體

(

表

2-9)

，並 分別以

54.2 kPa

、

102.1 kPa

、

150 kPa

等正向力做單剪試驗。

表

2-9 5

組不同含量比的砂

-

黏土混合試體

(Vallejo,(2000))

表

2-9

中的

n

mix為砂與黏土混合後，經過靜態夯實之後得到的孔隙 率。可用下面公式表示：

………(2.3)

其中

n

mix

:

砂與黏土混合物之孔隙率

W

s

:

砂子重量

W

c

:

黏土重量

γs

:

砂子單位重

γc

:

黏土單位重

V

0

:

靜態夯實

24

小時後的試體體積

單剪試驗所得之結果如下圖

2-14

，圖中可看出砂子含量在

40%

以下時，尖峰剪力強度受砂含量減少有而增加之情形。當超過

40%

後開始降低，直到砂子含量達到約

75 %

時，尖峰強度又逐漸增加。

並受到正向力變大而有增加的趨勢。

Vallejo

及

Mawby

根據尖峰剪力 強度變化量推斷：

1

、 當砂土含量比低於約

40 %

時，可解釋為黏土完全控制力學行為

2

、 而砂土含量介於

75 % ~ 40 %

間，推論為砂土與黏土各提供部

分強度。

3

、 直到砂土含量超過

75 %

時，斷定砂土顆粒完全接觸，而黏土只 存在於砂土中孔隙，因此力學情形則轉由砂土控制。

VS

s VS

T

n V V

= V =

圖

2-14

單剪試驗尖峰剪力強度與含量比關係圖

(Vallejo , 2000)

同時，

Vallejo

及

Mawby

整理孔隙率隨砂、黏土含量比分佈改變

曲線發現，孔隙率

/

含量改變曲線，能更確切區分材料含量比的臨界 值（圖

2-15

）。圖

2-15

中虛線代表試驗中實際量測計算得到的孔隙率 改變曲線，利用公式

2.4

求得。而實線段為理論孔隙率改變直線，茲 以圖

2-15

、圖

2-16

、圖

2-17

說明如何得到理論孔隙率。圖

2-17(A)

表示乾淨砂的孔隙率，因此乾淨砂的孔隙率

n

s可表為：

………..( 2.4) n

s：砂的孔隙率

V

VS：乾淨砂孔隙體積

V

T：砂總體積，在此假設

V

T

= 1

S VS VC C

min

圖2-16 含量比變化下砂與黏土顆粒排列情形 (摘自 Vallejo , 2000)

圖2-17 Vallejo(2000)乾淨砂受黏土填於孔隙中之理論模型

圖 2-15 與圖 2-14 相互比對後，更清楚由孔隙率區分出砂黏土含 量不同下所反應之力學行為，然而砂子與土壤混合試體與本研究的風 化板岩夾黏土有以下的差距：

1、砂子與黏土間顆粒差異大，風化板岩與基質間差異沒這麼明顯，

Medley 認為岩塊的分佈與含量深深的影響著併構岩的力學行 為。較高含量的岩塊導致了破壞的路徑較蜿蜒，破裂沿著岩塊發展，

圖 2-18 併構岩體積含量比與有效摩擦角關係圖

本研究由鑽探岩心觀察得到，梨山崩積地層內灰色板岩夾黏土層 的組成，包含了輕度風化的板岩塊，其大於#4 之比例約佔 30% ~ 60%

不等。粗粒料大小多為2 ~ 4 cm，而亦有大到接近鑽孔直徑之尺寸。

細料也因深度不同而存在風化後殘留之灰色黏土或上層表土填充於 其中之黃色粉土質黏土。本材料所含岩塊及細料的比例變化亦大，因 此這類地質材料之工程行為僅依靠少數的室內試驗將很難加以確 定。灰色黏土夾板岩碎屑段如圖2-19 中 54 ~ 56 m 岩心，岩塊含量相 較於 SY、SG 有較少之趨勢，一般含量比低於 20 %左右，且岩塊顆 粒也較小，因此力學行為應類似一般黏土或粉土。

圖2-19 N-2 52 ~ 56m 岩心圖(黃玉麟(2006))

新鮮板岩即黃玉麟(2006)定義的代號 S 段，如圖 2-20 。新鮮板 岩可能為完整板岩或含有一至多面裂面之節理板岩，但是裂面中沒有 含泥，因此可判斷應當未滑動之岩體。若為無節理面的板岩，則可視 為完整岩石。而當含有多組裂面時，則得視為破碎岩體。。

，

圖2-20 N-2 68 ~ 72 m 岩心圖(黃玉麟(2006))

在文檔中 梨山崩積層中類併構岩（板岩夾黏土）之力學行為 (頁 38-52)