地工合成材界面剪力強度參數

在阻水系統中存在著可能的兩個滑動面，分別為現地土壤與地工膜布以及覆土與地工膜布如 圖

圖

圖圖 2-8 所示，至於如地工膜布等地工合成材之張力 T 則依圖圖圖圖 2-9 所示，由上下二介面剪力大 小決定，只有邊坡角度 β 小於各介面間的摩擦角，所有的地工合成材構件都不會產生張力，

且邊坡穩定之安全係數都大於一，但只要在上界面剪力大於下界面剪力時，地工合成材構件 就會產生張力，邊坡愈長則邊坡上鋪設之地工合成材料（包括地工止水膜）所受張力愈大，

故邊坡長度應予以限制。

圖 圖

圖圖 2-8 地工膜布之界面強度參數地工膜布之界面強度參數地工膜布之界面強度參數地工膜布之界面強度參數（（（（單信瑜單信瑜單信瑜單信瑜，，，，1999））））

圖圖

圖圖 2-9 地工膜布張力與界面剪應力圖地工膜布張力與界面剪應力圖地工膜布張力與界面剪應力圖地工膜布張力與界面剪應力圖（（（（單信瑜單信瑜單信瑜單信瑜，，，，1999））））

地工膜布與土壤介面剪力強度參數隨著地工膜布表面處理方式不同而差異極大，對具平滑表 面之地工合成膜(smooth geomenbrane)，其典型靜態摩擦角約為 8°，而織物類(textured)地工膜 布其典型靜態摩擦角可達到 25°，Mitchell et al. (1990)之研究指出介面靜態視摩擦角受材質本 身、接觸介面性質與介面濕潤度影響，而

Kavazanjian et al. (1991)與 Yegian and Lahlaf (1992)

因此可利用靜態試驗值進行擬靜態分析。對於複合式櫬墊層中夯實黏土與地工合成膜介面摩 擦角，其值受黏土夯實時水分與介面濕潤度影響極大，摩擦角分佈可從 6°至 30°，實務上多 利用此介面為滑動面時之反算值代表。另外夯實黏土櫬墊層其剪力強度介於 44~83 kPa (Augello et al. 1995)。

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根據Martin et al. (1984)的研究，HDPE 地工膜布與砂之間的摩擦角約 18°，PVC 地工膜布與 砂之間的摩擦角約 23°。HDPE 地工膜布與地工織物之間的摩擦角約 6° - 11°，PVC 地工膜布 與地工織物之間的摩擦角約 11° - 24°。其他的研究數據顯示，砂和光面地工止水膜的摩擦角 大約在 17° – 25°之間(Koerner, 1994; Orman, 1994; Stamatopoulos and Kotzias, 1996; Liu et al., 1998; Stamatopoulos, 1998; Luellen et al., 1999)。織布和糙面地工止水膜的尖峰摩擦角則 在 19°-27°之間，殘餘摩擦角在 17°-24°之間(Luellen et al., 1999)。

有關掩埋場覆蓋系統的邊坡設計在考慮界面剪力強度或 GCL 之內剪力強度時，採用尖峰剪力 強度或殘餘剪力強度的抉擇，在過去曾經引發不少的討論。在許多地區，尤其是地震較為頻 繁的地區，常採用的原則是利用短期直剪試驗所得之尖峰剪力強度計算之邊坡滑動的安全係 數應大於 1.5。但是若預期在未來某界面或材料的尖峰剪力強度會降低（例如加勁 GCL 的纖 維已不存在），則應探討未來邊坡發生滑動(安全係數 FS < 1.0)的可能性以及其後果。因此，

或許應該在設計時明確指出設計年限以及納入未來維修或重建的可行性，或就此進行風險與 成本分析；類似Duncan (2000)所提出的機率設計方法，但是再加上時間的考量(Thiel and von Maubeuge, 2002)。

另一種設計概念則是採用最低的殘餘剪力強度來分析邊坡穩定性。GCL 則以其殘餘剪力強度 來考量，意味著部分的加勁纖維已經拉斷。利用此種方式設計，則邊坡滑動的安全係數的要 求是 FS ≥ 1.0。在長期安全係數大於 1 的狀況下，邊坡將不至於發生滑動。但此種設計原則 較為保守。但是不僅法規中並未規定，且業界也無通用的準則究竟應採取哪一種安全係數的 計算方法以及所考量的設計年限。

表 表

表表 2-10 舉出曾經以標準之檢驗方(ASTMD5321)土壤與 Smooth HDPE 求出介面強度之參數值。

Martin et al. (1984)研究發現，土與地工止水膜之間的摩擦角總是低於土與土之間的摩擦角，

地工止水膜越光滑堅硬，它與土之間的摩擦角就越小(如 HDPE)。Mitchell et al. (1992)指出介 面摩擦角不但受材質本身，接觸面性質、土壤的含水比都有一定程度的影響。Williams and Houlihan (1987)研究在不同種類的土壤及各種濕潤度下，土壤與地工止水膜的摩擦角範圍約在 17°~27°間，而土壤與織物類之摩擦角可到達 30°。

表 表

表表 2-10 HDPE 界面強度參數值界面強度參數值界面強度參數值界面強度參數值（（（劉家男（劉家男劉家男，劉家男，，2004）， ）） ）

Geosynthetics Soil Test Condition

σn

(kPa)

Shear Rate (mm/min)

φ_p ^cp

(kPa)

Reference Sm HDPE sand hydrated 20-60 0.0025

-0.25

26-28 0 Koutsourais et al.(1991) Sm HDPE sand saturated 14-100 0.127 17-18 0 Martin et al.(1984) Sm HDPE sand saturated 5-25 0.3 19-27 0.6-

0.7

Williams and Houlihan(1987) Sm HDPE Sapolite saturated 5-25 0.3 21 0.4 Williams and

Houlihan(1987) Sm HDPE clay saturated 5-25 0.3 25 1 Williams and

Houlihan(1987)

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Sm HDPE sand drain - - 18 0 Mitchell et al.(1992) Sm HDPE clay 壓實 - - 15 - Mitchell et

al.(1992)

地工合成材與土壤介面剪力強度參數隨著地工材的種類不同而有極大的差異，Mitchell et al.

之研究亦指出介面靜態視摩擦角受材質本身、接觸介面性質與介面溼潤度影響。Martin et al.

(1984)利用不同土壤試體與不同地工合成材以研究地工材界面剪力強度，如表表表表 2-11，其認為 土壤與地工膜布的尖峰界面摩擦角總是較土壤間摩擦角為小，其中又以 HDPE 地工膜布界面 摩擦角最小。

表 表

表表 2-11 地工合成材與土壤界面摩擦角地工合成材與土壤界面摩擦角地工合成材與土壤界面摩擦角 地工合成材與土壤界面摩擦角

Soil type concrete sand

(φ=30°)

Ottawa sand (φ=28°)

Mica schist sand (φ=26°) geomembrane

smooth HDPE 18 18 17

rough PVC 27 - 25

smooth PVC 25 - 21

geotextile

nonwoven needle-punched 30 26 25

nonwoven heat-bonded 26 - -

woven monofilament 26 - -

woven slit-film 24 24 23

林聖琪(2000)利用內湖焚化廠底渣與平滑地工膜布進行大型界面直剪試驗(30×30 cm)以探討 接觸面摩擦特性。取得界面剪力強度如表表表表 2-12，界面黏滯力約為 0-7.08 kPa，界面摩擦角約 為 19.1-25.7°。結果發現灰渣-地工膜布不同於土壤-地工膜布界面摩擦特性，土壤易受水的作 用影響而使界面剪力強度下降。灰渣因顆粒呈角狀並含有碎玻璃、陶瓷等尖銳物體，在正向 應力作用下，灰渣會嵌入地工膜布內，並在剪動時，使地工膜布產生刮痕。而亦因顆粒的嵌 入，提供了額外的阻止滑動的力量，此阻抗力量會大於水對界面摩擦的影響。

表 表

表表 2-12 底渣與平滑地工膜布界面剪力強度底渣與平滑地工膜布界面剪力強度底渣與平滑地工膜布界面剪力強度底渣與平滑地工膜布界面剪力強度

組別 相對密度 Dr (%) 含水量 w (%) 尖峰強度參數 c (kPa) φ (°)

1 60 0 5.52 19.1

2 60 20 7.08 19.9

3 80 0 2.04 24.6

4 80 5 0 24.3

5 80 20 1.5 25.7

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