深開挖影響因素及變形特性

2.2.1 深開挖影響因素

Mana and Clough(1981)以有限元素法進行開挖變形行為之參數 研究，指出影響深開挖行為的主要影響因素有：(1)抗隆起安全係數 (2) 擋土支撐系統之勁度 (3)支撐施加之預力 (4)開挖區幾何形狀 (5)工 期長短。

O’Rourke(1981)指出影響地盤沉陷變形的因素尚包括施工前之 準備工作及施工方式如：(1)管線遷移或托底工作 (2)降水施工 (3)擋 土壁施工 (4)是否採用島區施工 (5)擋土支撐之預力。

廖瑞堂(1996)指出深開挖引致的變形大致可分為四種：(1)擋土壁 體之側向變位 (2)開挖區外之地表沉陷 (3)開挖區外之土體三向度位 移 (4)開挖區內土壤之隆起量。

2.2.2 開挖引致之擋土壁變形特性

Clough & O’Rourke(1990)指出擋土壁的變形形狀可分為二種型 式，一種是懸臂式位移，一種是深層向內位移，而大部分之深開挖位 移則是上述兩種形式之累加，變形示意圖如圖2.2 所示。

吳沛軫等人（1997）依台北捷運資料，顯示連續壁變形曲線形狀 約可歸納成四種型式：(1)標準型 (2)旋轉型 (3)多折型 (4)懸臂型，如 圖2.3 所示。

擋土壁的變形量與開挖引致之不平衡力、擋土支撐系統勁度及開 挖穩定性等因素有關，而不平衡力又與開挖寬度、開挖深度、支撐預 力等因素有關。其中Ou et al.(1993)的研究指出，擋土壁的變形會隨 開挖深度的增加而增加，而台北地區深開挖的擋土壁最大變形量與開 挖深度的關係如圖2.4 所示，由此圖可估計擋土壁的最大變形量(δhm) 大約為 0.2% ~ 0.5%倍的開挖深度(He)；在分析時，軟弱粘土之δhm

可採用上限值，而砂質地盤可採用下限值，砂、粘土互層之地盤可採 用中間值。

另外吳沛軫等人(1997)對台北捷運與以往之觀測結果比較整理 得知，捷運施工造成的壁體最大側向變位δhm約為 0.07% ~ 0.2%He 如圖2.5 所示，而最大側向位移所在深度多分佈在 0.8He ~ 0.2He 如圖 2.6 所示。

2.2.3 開挖引致之地表沈陷特性

在正常的情形下，擋土壁後之土壤會隨著擋土壁的變形而向前且 向下移動，地盤因此產生沈陷，所以影響擋土壁變形的因素亦會影響 地表沈陷。開挖引致的地表沈陷特性如下所述：

1.地表沈陷型式

Hsieh and Ou (1998)的研究發現，開挖引致之地表沈陷有三角槽 及凹槽式等二種型態，如圖2.7 所示。通常擋土壁產生懸臂式位移，

其伴隨之地表沈陷會較易產生三角槽型式；若擋土壁產生深層向內位 移變形之形狀，地表最大沈陷位置會發生在壁後某距離處，因而產生 凹槽式沈陷。

2.最大地表沈陷量

Ou et al. (1993)將台北地區之深開挖資料與芝加哥、舊金山、挪 威奧斯陸的開挖資料(Mana and Clough,1981)整理成圖 2.8，圖中顯示 大部分的開挖案例之最大地表沈陷量約在 0.5~0.75δhm，砂質土壤之 深開挖在下限值，粘土在上限值，砂、粘土互層則介於兩者之間，但 對於軟弱土壤而言，δvm可能達1.0δhm以上。

3.沈陷影響範圍

Peck(1969)曾建議沈陷影響範圍為二到四倍開挖深度，Clough and O’Rourke(1990)建議砂土層開挖之沈陷影響範圍為二倍開挖深 度，堅硬至非常堅硬粘土層之沈陷影響範圍為三倍開挖深度，軟弱至 中等軟弱粘土層之影響範圍為二倍開挖深度。

Hsieh and Ou (1998)的研究認為沈陷的影響範圍可能相當遠，但 不論是三角槽或凹槽式沈陷，都包含主要影響區(Primary Influence Zone, PIZ)及次要影響區(Secondary Influence Zone, SIZ)。在 PIZ 內的 沈陷曲線斜率較陡，對建物的影響較大，在SIZ 內的沈陷曲線斜率較 緩，對建物影響較小，而SIZ 的範圍約等於 PIZ 的範圍。

根據土壤受力行為可知 PIZ 是開挖的潛在破壞區，而在一般的情 況下，開挖的破壞可以分為內擠破壞及底面隆起破壞，所以PIZ 可以 用下列兩種方式決定：

PIZ1=min(2He,Hg) ， 其中 He是開挖深度 Hg是堅硬土層深度

PIZ2=min(Hf,B) ，其中 Hf是軟弱粘土層底部之深度 B 是開挖寬度

由於 PIZ1與 PIZ2均是可能的開挖破壞潛能區，所以 PIZ 為兩者 中的最大者。

4.最大沈陷發生位置

Nicholson(1987)認為凹槽沈陷的最大地表沈陷發生在壁後 0.5 倍 開挖深度；但Ou et al. (1993)觀察台北地區深開挖之沈陷曲線發現，

最大地表沈陷的位置不會隨著開挖深度增加而增加。根據謝百鈎 (1999)以有限元素法參數研究指出，凹槽曲線的最大沈陷位置可以 0.3PIZ 表示，而 PIZ 在開挖一開始即已確定。然而三角槽沈陷之最大 沈陷位置則發生在擋土壁頂端與地表交界處。

2.2.4 開挖引致之不同基礎型式的建物沈陷特性

Hsiung (2002)利用 Ou and Hsieh 地表沈陷預測法比較台北地區的 台北捷運(TRTS)及京華城購物中心(CPC)於基礎深開挖時，不同基礎

型式下的鄰近建物沈陷；其研究結果發現基礎型式為獨立基腳建物沈 陷與預測法所得的地表沈陷相近，而筏式基礎型式的建物沈陷卻約只 有預測法所得的地表沈陷之半，如圖2.9(a)(b)所示。此研究結果顯示 筏式基礎似乎有抑制地盤沈陷的作用。

黃子毓(2003)對本案例基地之連續壁施工之監測研究結果得 知，獨立基腳之建物沈陷和地表沈陷相近，但筏式基礎之建物沈陷約 為地表沈陷之85 ~ 90%。而周漢鍇(2004)對本案例基地之淺挖及樁式 地中壁施工監測結果亦有同樣的情形。

2.2.5 時間與變形關係

廖瑞堂(1996)的研究指出，逆打工法每開挖一階段需較長的時間 澆置樓版，其靜置時間常需30~60 天不等；在靜置時間擋土壁側向變 位、地表沈陷及開挖區的隆起量均有增加的現象。此現象的原因可能 是開挖區內土壤之孔隙水壓力消散或土壤潛變，但評估認為以潛變最 有可能。Mana and Clough(1981)也曾對芝加哥及舊金山之開挖案例進 行研究發現，當抗隆起之安全係數較低時，高潛變行為常常發生。而 國家企業中心的監測結果整理出來靜置時間產生的壁體位移量約佔 總位移量的30~35%，如圖 2.10(a)所示，另外靜置時間產生的地表沈 陷量更是佔總沈陷約43%，如圖 2.10(b)所示，其所佔的比例相當大。

另外方篤誠、蔡淵堯和蘇鼎鈞(2004)對台北市區一順打工地研究

也指出，開挖靜置5 天最大變位增量約已達穩定值之 70% ~ 80%，靜 置 10 天後幾乎趨於穩定值，且靜置期間壁體最大變位之增量約為最 大變位量之10% ~ 20%。