1、選擇地層改良方法時,除應考慮構造物之重要性、地層條件、改良 目標、改良範圍、施工可行性、工期、材料之性質及經濟因素外、
尚應仔細詳估該類改良方法之有效性、相關之工程經驗、周圍環境 之限制、及對周圍環境與地下水污染之影響等。
2、因地層改良之工法甚多,本規範只針對下列國內較常使用之工法加 以說明:
(1)淺層拌合工法 (2)深層攪拌工法 (3)灌漿工法 (4)預壓排水工法 (5)振動夯實工法 (6)土壤冰凍工法 (7)炸震夯實工法 (8)其他工法
【解說】
地層改良工法之分類方法很多,條文中所列各改良工法係依改良工 法之屬性而分類,為一般國內工程界較常使用之分類法,各工法之特性 及適用情況將分述於下列各節中。
1.2.1 淺層拌合工法
淺層拌合工法是利用特殊之機具,將硬化材就地與地表面下1~3m內之 軟弱土壤拌合,經夯壓、固化後形成較堅實表層,以增加基礎承載力。
此法主要適用於軟弱粘土、砂土及回填土。
【解說】
民國 50 年代,土壤水泥土壤(soil cement)、土壤石灰(soil lime) 和土壤瀝青 (soil bitumen) 等淺層拌合之處理方法,常用於道路或機 場跑道等之軟弱地層改良,用來處理地表污泥、腐植土或廢棄雜物。近 年來由於各種新的土壤改良劑之研製成功,對高含水之黏土和有機污泥 亦可獲得改良效果,因此淺層拌合工法被廣泛地用於各種需要提高淺層
土壤承載力之場合。
1.2.2 深層攪拌工法
深層攪拌工法是利用特殊之機械於地層中注入硬化材,同時攪拌土壤,
使硬化材與土壤在現地拌合,形成固結體。藉由與原地層共成複合地基 之作用,來提高現地土壤強度或遮水性。其主要處理對象為深層之軟弱 粘土層或透水地層。
【解說】
深層攪拌工法在軟弱地層之處理上是非常有效的工法。在工法原理 上,三十多年來並未有太多改變,但隨著施工機具的改進其適用範圍大 幅擴大,用量也大為增加。在考量待改良地層之特性以及構造物之規 模、重要性、和經濟性時,深層攪拌工法是台灣地區經常被選用之軟弱 地層處理工法。
深層攪拌工法區分為機械攪拌、高壓噴射攪拌、機械和高壓噴射併 用等三種工法。依使用硬化材料之不同,又分為漿液系(濕式)和粉狀 系(乾式)兩種工法。
機械攪拌工法係利用附有有攪拌翼之複式中空鑽桿,配合水壓沖洗 鑽至設計深度後,提昇鑽桿,同時以適當壓力噴出硬化劑,並以攪拌翼 將土壤與硬化材拌合形成固結體。
高壓噴射法係利用裝有朝下噴嘴之噴射管,鑽挖至設計深度後提昇 噴射管,改用水平噴嘴,以高壓噴出硬化材,經高壓水流、氣壓噴流之 衝擊與切削作用,使硬化材與周圍土壤拌合成固結體。此外,在使用高 壓噴射攪拌工法時,也有將大量的改良對象土壤排出,再以水泥漿填充 之半置換式高壓噴射法,通常在要求較高強度之改良體時採用之。不同 工法之間,在改良地盤之特性、設計方法、 施工管理和品質管理上是 有其大同小異之處。
1.2.3 灌漿工法
灌漿工法係將水泥漿、水泥砂漿、藥液或此等混合液,以壓力灌漿入地 層中,以改善其承載力、變形性及遮水性之工法。灌漿工法種類繁多,
因施灌機制與方法之不同,可概分為滲透灌漿、劈裂灌漿、擠壓灌漿、
高壓噴射灌漿及電誘化學灌漿五類。本規範將只涵蓋國內較常使用之滲 透灌漿及劈裂灌漿兩種工法,高壓噴射灌漿工法則併入深層攪拌工法專 章討論。
【解說】
早在 1887 年法國人,即發明了以水玻璃和氯化鈣先後注入地層內,
使水玻璃矽化之 Joosten 工法。隨後,灌漿工法就被廣泛地用來處理工 程上遭遇的軟弱地盤和地下工程的止水問題,直到 1974 年日本九州福 岡發生灌漿藥液污染水井事件後,才限制了藥液灌漿工法之發展,目前 藥液灌漿只可使用不含毒素及氟化物之水玻璃系藥液。
本規範所涵蓋之滲透灌漿及劈裂灌漿兩種工法,其施灌機制與方法 分別說明如下:
1、滲透灌漿工法(Permeation grouting):在灌漿過程中,漿液在低壓力 下滲入土層孔隙或裂隙中,地層仍保有原來結構,不受灌漿擾動與 破壞。適用於含細料低之砂土層(細粒土壤含量在 10~15%以下)。
2、劈裂灌漿工法(Fracture grouting):在灌漿壓力之作用下,部份漿液滲 入孔隙或裂縫中,另有部份漿液克服了地層之大地應力及抗張強 度,於地中劈裂出裂隙,並向外延伸,使漿液呈脈狀或層狀擴散。
通常發生於含細料高之砂土層或黏土層。
1.2.4 排水預壓工法
1、排水預壓工法係利用額外載重使土壤產生超額孔隙水壓,或利用透 水性良好之砂礫、砂袋(Sand-pack drains)、紙帶(Paper drains)、
織物排水帶(Prefabricated vertical drains, PVD)等材料,以縮短土 壤孔隙水之排水路徑,加速粘土之壓密速率;或結合兩者之效果,
使粘土層因構造物之加載而將產生之壓密沉陷量,得以在構造物施 築前完成。
2、排水預壓工法最終將減少土壤之孔隙比、含水量、透水性、以及增 大土壤密度,以達降低日後沉陷量和增加土壤剪力強度之目的。
3、排水預壓工法依使用排水材料或預載方式之不同,可分為預載排水 工法、砂樁排水工法、織物排水帶排水工法及預載配合砂樁(織物 排水帶)排水工法等四類。
【解說】
排水預壓工法主要係於構造物施築前,先於基地打設排水材及施加 預壓力,藉由水分排出土層而達到預先壓密之效果,於工程使用上可克 服土層沉陷及強度的問題。
1、沉陷問題:使地基在排水加載預壓期間,完成大部份或基本之沉陷 量,讓建築物建造後,不致發生不利之壓密沉陷及不均勻之沉陷。
2、強度問題:因排水可加速粘土層之壓密度並提高粘土之抗剪強度,
進而提高地基之承載力與穩定性。
排水預壓工法是由排水系統與加壓系統兩部分共同組合而成,其中 排水系統包含砂(袋)樁及織物排水材;加壓系統則包含堆載法、真空 法、降低地下水位法及電滲法。
1、堆載法係在構造物建造之前,先行以堆填土石料將基 地加載預壓,
經固結作用完成部份沉陷量,及增加地層載力,然後卸除堆填料施 築構造物。加載預壓之苛重應視地層沉陷量、固結時間及基土承載
能力而定。
2、真空法係在基地上舖設砂墊並蓋一層不透氣薄膜,薄膜四周深埋於 土內,然後以真空泵浦將砂墊內空氣抽出,造成膜內真空,基地因 大氣壓力作用而產生預壓。真空預壓荷載一般可達 7~8 tf/m2 (約 為 70~80% 之大氣壓力)。
3、降低地下水法係以抽水泵將基地內之地下水位降低,使地層有效應 力增大,提早完成固結沉陷,提高地層之支承力。
4、電滲法係在粘土基地中,插入金屬電極並通之直流電。陽極離子連 同水分子受電場作用從陽極流向陰極,以點井方法排除水份,則陽 極處之含水量降低,強度及沉陷量均增大,可提高基地土層之承載 能力。
1.2.5 振動夯實工法
振動夯實工法之原理為利用機械振動、夯實或其他外力使基地土層密度 增加、孔隙比減少,以達到強化之目的。適用於非粘性土層或回填土。
常用之工法有下列幾種:
1、動力夯實工法-係利用起重設備吊高重錘再令其自由落下,反復多 次夯擊地面,藉由巨大衝擊能量改變現地土壤之組構,使地層壓實,
進而達到強化地層,增加支承力與抗剪力,減少沉陷,或降低液化 潛能之目的。
2、振動擠壓工法-係將砂、礫料強制擠入地層中,形成複合地盤,並 藉施工過程之振動與擠壓改良樁間土層,減少其孔隙比,增加其密 度,進而達到強化地層,增加支承力與抗剪力,減少沉陷或降低液 化潛能之目的。
【解說】
動力夯實工法係利用吊車或特製之起重設備將鋼製或混凝土製之 重錘吊起相當高度,再讓重錘自由落下,藉重錘落下時所產生之巨大衝 擊能量改變現地土壤之組構,使疏鬆地層壓縮趨於密實。動力夯實工法 改良土壤的原理大致可歸納為下述三項,第一為加密作用,指空氣或氣 體的排出;第二為壓密作用,指的是土體內孔隙水或流體的排出;第三 為預加變形作用,指土壤顆粒在結構上的重新排列。
振動擠壓工法包括振動擠壓砂樁或礫石樁工法兩者因成樁方式不 同,對周圍地層會產生三種不同的作用,一為擠壓密實作用(砂質地層) 或置換作用(粘質地層),一為加勁補強作用,一為加速排水作用。
1.2.6 土壤冰凍工法
土壤冰凍工法係利用埋置於地中之冷凍管,使土層內之孔隙水溫度降 至冰點下而凍結,以減低土層之透水性,並提高其強度。此法可適用 於地下水位以下之砂土層及軟弱粘土層,但因粘土層較不易冰凍,因 此在處理砂土/粘土互層時,需特別注意整體的冰凍效果。
【解說】
土壤冰凍工法須於欲改良土體中預先設置循環冷凍管,將不凍液
(如氯化鈣溶液)以大型之冷凍設備注入冷凍管中,使冷凍管鄰近之土 壤孔隙水凍結而達改良目的;也有利用液態氮作為注入冷凍管之冷媒。
前者冰凍效率較差,但成本也較低,故較適用於大範圍、長時間的土壤 冰凍工程;後者冰凍效率較佳,但因成本較高,故只適用於小範圍、短 時間的工程。此法適用於任何含有充分水份之土層,但地下水要在近乎 靜止的狀態下才適用。
惟土壤冰凍工法成本昂貴,將地盤長期維持在低溫須要很高之成 本,通常僅適用於為施工需要而採取之臨時性局部地層改良工法,台北