第二章 文獻回顧
2.4 地盤改良應用於開挖工程之介紹
廖瑞堂(1996)指出開挖工程引致的變形大致可分為四種：(1)開挖 區外之地表沉陷；(2)擋土壁體之側向變形；(3)開挖區外土體之三向 度位移；(4)開挖區內土壤之隆起量。因進行開挖工程時擋土壁體側 向變位及開挖區外地表沉陷直接影響擋土措施與鄰近結構物之安 全，故針對擋土壁體變形與地表沉陷的相關研究較多，因此，施作地 盤改良之目的為改良現地土壤的特性，增加現地土壤的剪力強度，並 改善上述部份之變位量，以達到鄰產保護之目的。
根 據 歐 章 煜、吳 昭 慧 (1990)利 用 有 限 元 素 法 進 行 參 數 研 究 的 成 果，發 現 在 相 同 的 改 良 條 件 下，於 開 挖 區 內 施 作 地 盤 改 良 效 果 較 好 於 開 挖 區 外 施 作 地 盤 改 良。而 從 力 學 機 制 來 說，開 始 開 挖 時，無 論 開 挖 區 外 側 之 土 壤 有 否 改 良，擋 土 壁 均 會 向 開 挖 區 移 動，因 此 即 產 生 主 動 土 壓 力，故 並 不 會 減 少 太 多 作 用 於 擋 土 壁 上 之 土 壓 力；而 開 挖 區 內 側 進 行 地 盤 改 良 均 會 直 接 抑 制 擋 土 壁 的 向 內 擠 進。故 可 發 現 在 開 挖 區 內 改 良 的 效 果 較 開 挖 區 外 改 良 效 果 佳 。
地 盤 改 良 的 位 置 確 定 之 後，應 再 決 定 改 良 的 配 置 方 式；為 了 抵 抗 擋 土 壁 向 內 擠 進 之 地 盤 改 良 的 配 置 方 式，常 見 的 有 塊 狀
型、柱 狀 型 及 壁 狀 型 等 三 種，如 圖 2-33所 示，並 將 其 配 置 方 式 說 明 如 下 ：
1、 塊 狀 型 ： 於 特 定 區 域 內 ， 施 予 全 面 性 的 改 良 ， 在 此 區 域 內 原 來 的 土 體 全 部 被 置 換 或 與 化 學 藥 品 結 合 成 改 良 土 。
2、 柱 狀 型 ： 改 良 土 的 型 式 似 於 基 樁 ， 改 良 柱 體 彼 此 間 不 相 連 接，整 個 區 域 形 成 複 合 之 土 體。而 開 挖 區 內 土 壤 大 部 份 承 受 軸 向 解 壓 荷 重 (vertical material)， 如 圖 2-34所 示 。 故 根 據 力 平 衡 原 理 ， 複 合 土 體 的 強 度 (τeq)可 採 用 式 (2-27)所 示 。
(1 )
eq t rI s Ir
τ =ατ +τ − (2-27)
其 中 ：τt=改 良 土 體 (treated material)之 剪 力 強 度 τs=未 改 良 土 體 (untreated material)之 剪 力 強 度 Ir=改 良 率 (improvement ratio)
=改 良 土 體 面 積 除 以 總 面 積
α =複 合 土 體 強 度 折 減 係 數，一 般 介 於 0.3至 0.5之 間
而於上式中，τt及τs應該採用伸張強度，但由於工程設計實務上，
仍以壓縮試驗為主，一般甚少進行伸張試驗；因此，未改良土及改良 土之強度仍以壓縮試驗為主，並於式中加入一修正係數α 。
3、壁狀型：將改良柱體連成壁狀，並與擋土壁體相連接，形成類似 扶壁形式；壁狀體僅增加擋土壁前土壤的強度，並未增加擋土壁的抗 彎勁度。
第三章 試驗計畫、儀器設備及試驗內容
3.1 試驗計畫
本研究將以 2-D 之室內模型試驗對超軟弱黏土層進行不同型式 的地盤改良開挖之穩定性及行為研究。而由前人的研究中，發現利用 室內超軟弱黏土模型試驗於開挖過程的整體穩定性之試驗結果雖可 得到合理趨勢，但若以強度之折減比例換算其模型試驗變位量為原型 變位量值，會有偏大的現象（鄭肇杰，2003）。因此本研究之試驗內 容包含：
（1）企圖以實驗室十字片剪力試驗得到超軟弱黏土之不排水剪 力強度(su)，並比較前人研究時所採用之落錐試驗所得超軟弱黏土不 排水剪力強度之值。
（2）針對超軟弱黏土之土壤彈性模數(E)與不排水剪力強度(su) 之比值(E s/ u)加以研究，以建立較為合理之模型試驗及原型之變位的 換算關係，並以此作為程式模擬的相關參數且驗證前人研究之假設參 數(杜明昇，2002)。
（3）比較塊狀改良、柱狀改良、壁狀改良各種地盤改良型式於 不同改良範圍時，其抑制土壤變位量(或改良成效)為何。
（4）研究於擋土壁貫入硬土層及無貫入硬土層時，不同改良型 式對抑制土壤變位量(或改良成效)的比較。
（5）以變化全面改良土體強度檢核不同改良率(Ir)時之柱狀改良 的複合土體強度折減係數α值。
此試驗土樣取自台北市信義區信義路五段之工地，取樣深度在地
下 15～20M 之間。試驗前將現地原狀土樣除去貝類與腐葉等雜質，
並加以烘乾、粉碎、過篩，隨即進行基本物理試驗以了解重模土壤的 特性與工程性質，試驗之計畫流程如圖 3-1 所示。
3.2 試驗儀器設備介紹
本研究主要儀器設備可分為四部分：第一部分為量測土壤試體不 排水剪力強度（ su）所用之落錐試驗儀及實驗室十字片剪力試驗儀；
第二部分為利用荷重－沉陷曲線求得土壤彈性模數（E）進而求取E s/ u 所用之圓柱貫入試驗儀；第三部分為模擬現場開挖解壓行為所設計之 模型試驗儀；第四部分則為監測模型箱中土壤變形行為的數位相機監 測系統。
3.2.1 落錐試驗儀
本試驗所使用之落錐試驗儀為英國 ELE 公司所生產，規格 EL24-0545/02，儀器整體外觀如圖 3-2、照片 3-1（a）、（b）所示，而 主要設備可分為下列五個部分：
1、主體結構：
主體結構包含基座，如圖 3-2 中之 A 所示；而上下調整座如圖 3-2 中之 B，基座用來支撐整個儀器；整個主體結構重約 6 公斤，而 上下調整座，則可用來調整錐尖與試體間的距離。
2、位移量測器：
位移量測器包含兩部分，一為量測桿，如圖 3-2 中之 C 所示；二
為量測表，如圖 3-2 中之 D 所示；此量測表之最小刻度為 0.1mm，可 量測之範圍為 40.00mm。
3、錐體上下調整鈕：
圖 3-2 中之 E 為錐體上下調整鈕，其主要目的是要試驗開始進行 前，將試驗錐頭之頂端，調整自土壤試體表面。
4、試驗錐體：
整個錐體可以分為錐身與錐頭兩部分，整個錐體總重約為 80g。
錐身重約 50g，如圖 3-2 中之 F 所示；而錐頭長度 35mm，錐角 30o， 為表面極光滑摩擦力低之鋼性體，重約 30g，如圖 3-2 中之 G 所示。
5、試驗容器：
如
圖 3-2 之 H 為試驗杯，為直徑 55mm，深 40mm 重 160g 之銅 製容器，用來裝置土壤試體。6、電子自動控制器：
如圖 3-2 中之 I 為電子自動控制器，用來設定貫入時間。當按下 Start 鈕後，錐體將會自由墜落，並依照所設定之時間而停止下降。
3.2.2 實驗室十字片剪力試驗儀
本試驗所使用之儀器乃為英國 ELE 公司製造的實驗室十字片剪 力試驗儀（the laboratory vane apparatus），其構造如圖 3-3 及照片 3-2 所示，編號為 EL28-180。其主要設備可分為下列五個部分：
1、主體結構：
主體結構包含直徑 20 公分的底盤，及一個 50 公分高的支承架，
如圖 3-3 中之（9）所示；且包含兩個搖柄如圖 3-3 中之（5）及（10）
所示；其中（5）搖炳用來歸零度數盤；而（10）搖炳用來將葉片垂 直插入土體內部。
2、等速馬達：
如圖 3-3 中之（11）所示，此等速馬達以轉速約 10°/min 等速率 旋轉葉片，符合 British Standard(BS 1377：1975, Test 18)標準。
3、四個可更換彈簧箕圈：
彈簧箕圈位於如圖 3-3 中之（4）所示，附有四個彈簧勁度（K）
不同的彈簧箕圈，如照片 3-3，由左至右分別為 1、2、3、4 號彈簧，
其彈簧勁度（K）分別為 3.14、2.50、1.74、1.26(N-mm/degree)，並 對於土壤強度大小不同時可更換勁度不同的彈簧來量測。而此四個可 更換彈簧箕圈勁度附有經由原廠校正過後之率定書，如圖 3-4 所示。
4、三組十字狀葉片：
由於本研究為對於不排水剪力強度甚小的超軟弱土壤之試驗，而 原廠之十字葉片尺寸（D=H=12.7mm）（如圖 3-5 中（a）及照片 3-4
（左）所示）適用於不排水剪力強度稍大之土壤，所以，此研究設計 另外兩種尺寸較大之葉片（D=H=25.4mm 及 D=H=38.1mm）如圖 3-5 中（b）與（c）及照片 3-4 中（中）與（右）所示，以供視其不同土 壤之不排水剪力強度大小選擇適用的十字狀葉片，並施作些許十字片 剪力試驗驗證其設計正確性。此試驗步驟詳述於第 3.3.3 節。
5、一個度數盤：
度數盤上包含 90°外刻度環與 360°內刻度環，如圖 3-3 中之（7）
與（8）所示，由此二刻度環求得彈簧之破壞扭轉角（θf）及土體破 壞時之破壞角。此度數盤尚包含指針、滑針及圓型炳，如圖 3-3 中之
（12）、（13）及（6）所示。
3.2.3 圓柱貫入試驗儀
本試驗所使用之圓柱貫入試驗儀整體外觀如照片 3-5（右）及圖 3-6 所示，主要可分為兩個部分，包括試體模及載重桿。
1、 試體模：
採 用 實 驗 室 重 模 儀 ， 高 22cm、寬 28cm，用來裝置土壤試 體。
2、載重桿：
為 高 剛 性 鋁 合 金 製 品，淨 重 34.6g，直 徑 4cm。而 在 進 行 載 重 試 驗 時 ， 將 載 重 桿 內 置 入 九 隻 中 空 管 ， 將 水 銀 分 別 緩 慢 注 入 各 中 空 管 中 當 作 分 階 荷 重 並 控 制 載 重 桿 之 垂 直 沉 陷 ， 且 可 避 免 試 驗 過 程 中 載 重 桿 發 生 傾 斜 。
3.2.4 模型試驗儀
3.2.4.1 模型試驗儀器設計原理
影響開挖穩定性的條件有很多，包含土壤不排水剪力強度（su）、
開挖寬度、開挖深度、土壤密度、擋土壁貫入深度、擋土壁勁度、支 撐間距等等，其中除了前四項條件較為明確，並為一般承載力分析公 式所採用外，其它影響參數目前並無明確之定量結果，因此為簡化試 驗之變數，可定義安全係數FS = f
(
γ⋅H su)
。亦即只要模型與原型之 形狀因素相同，且穩定係數Nb =γH s/ u (stability number)相同，兩者之 安全係數便相同。例如，若模型之尺寸為現場尺寸之 1/n 倍，則黏土 之su值也要減為現地黏土su值之 1/n 倍，才能使穩定數(Nb)保持定值。事實上離心機試驗也是採用類似的原理，當模型尺寸為原尺寸之 1/n 時，利用離心機旋轉所產生之離心力，使土壤之單位重(γ)增加 n 倍，
維持穩定數為定值（李崇正等人，1994）。有關超軟黏土模型試驗和 離心機試驗之基本原理比較，詳圖 3-7 所示。黃思銘(2001)便依據此 原理，採用一開挖破壞案例：Pumping station , Fornebu , Olso，將模 型尺寸及土壤試體強度等比例縮小，使模型與原型之安全係數相同。
3.2.4.2 模型試驗儀
本試驗所使用之開挖模型試驗儀，整體外觀如照片 3-6 及圖 3-8 所示，主要可以分成二個部分，包括底座及模型試驗箱。底座、模型 試驗箱與上頂板之間以螺栓連接，因此試驗時將其組合完成以開始進 行試驗，以下將分別說明：
1、底座：
模型試驗儀主體下方所連接之底座，為高剛性之鋁合金製品。由 於重量大，因此下方設有滑輪，如圖 3-8 中之 B 所示，以便於移動；
而四個角落也都備有水平調整基腳，如圖 3-8 之 A，因此在基座固定 後，配合水準氣泡儀確保模型試驗儀主體處於水平狀態。
2、模型試驗箱主體
模型試驗箱整體外觀及尺寸大小如圖 3-8 之 C 所示，採 1：1.5
（垂直：水平）之斜率模擬土堤開挖，土堤深度為 10cm，土堤寬度 為 15cm 的模型儀，其主要設備可以細分為下面幾個部分:
(1) 觀測面板
如圖 3-8 中所示為觀測面板, 為了增加實驗的便利性，此部分與 試驗箱主體間是採活動式設計，兩者以螺栓連接。由於此實驗為不排
如圖 3-8 中所示為觀測面板, 為了增加實驗的便利性，此部分與 試驗箱主體間是採活動式設計，兩者以螺栓連接。由於此實驗為不排