邊坡破壞之臨界地下水位與邊坡土壤組成之關係

圖 4-13 至 4-14 為地下水滲流誘發崩塌試驗之結果，地下水位面可 由左方窗口觀測，試驗結果顯示在崩塌發生時孔隙水壓計讀數有明顯上 升的現象，邊坡因坡趾超額孔隙水壓上升強度降低，進而無法支撐重量 產生崩塌，與 1g 模型試驗不同，處於離心重力場之邊坡會從坡頂整片 崩落，並非漸進式破壞，另也發現隨著土壤黏土比例增加，誘發崩塌所 需之水頭越高，圖 4-15 至 4-17 分別為 10% fines、15% fines 及 20% fines 邊坡崩塌試驗之側面，10% fines 為 10 cm，15% fines 為 15 cm，20% fines 為 18.5 cm，如表 4-5 所示，而崩塌規模也隨之增加。

82

圖 4-13 邊坡受地下水入滲誘發崩塌

圖 4-14 邊坡受地下水入滲誘發崩塌

83

圖 4-15 10% fines 地下水試驗

圖 4-16 15% fines 地下水試驗

84

圖 4-17 20% fines 地下水試驗

圖 4-18 水力梯度之定義(左側水位線)

85

表 4-5 地下水誘發崩塌之水力梯度

10% fines 15% fines 20% fines

水位高度(cm) 10 15 18.5

水力坡降(H/L) 0.31 0.48 0.59

4.3.2 地下水試驗孔隙水壓變化

進行地下水試驗時於坡址處(圖 4-19)，埋設一孔隙水壓計，水壓計從 地下水開始入滲時啟動紀錄，藉以觀察實驗進行時邊坡破壞行為與孔隙 水壓間之關係。由試驗結果得知：試驗初期，因地下水尚未入滲致坡指 處，坡趾處之土體為不飽和狀態且在離心加速度之影響下，可能造成土 壤中之水分流失以致初始水壓出現負值的狀況，試驗時位於坡址處孔隙 水壓有明顯升高的現象，且升高時間點符合模型邊坡崩塌之時間(圖 4-20 至 4-22)。

86

圖 4-19 地下水試驗孔隙水壓計配置圖(左側水位線)

圖 4-20 10% fines 地下水試驗孔隙水壓計讀數

-1 0 1 2 3 4 5 6

0 100 200 300 400

PP T( kP a)

歷時(sec)

PPT讀數 破壞時間

87

88

4.4 降雨試驗結果

圖 4-23 及圖 4-24 為降雨試驗誘發邊坡崩塌之結果，由降雨試驗觀察 可以發現崩塌發生的時間會隨著降雨強度提高而提前，同時有較高黏土 比例之土壤邊坡也會有較短之降雨延時(圖 4-25、表 4-6)，同樣黏土比例 下，使用 14 顆噴頭(降雨強度

0.52 cm/min)

有最長之降雨延時、20 顆(0.74

cm/min

)次之、而 38 顆(1.4

cm/min

)最短，同樣降雨強度下 10% fines 有 最長之降雨延時、15% fines 次之、而 20% fines 最短。崩塌規模地下水 試驗為小，多屬淺層破壞，崩塌時孔隙水壓計反應與地下水試驗時相比 變化較不明顯。

圖 4-23 降雨試驗誘發邊坡崩塌

89

圖 4-24 降雨試驗誘發邊坡崩塌

圖 4-25 崩塌時間與降雨延時關係圖

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0 10 20 30 40 50 60

降雨強度(cm/min)

降雨延時 (S)

10% fines 15% fines 20% fines

90

表 4-6 不同降雨強度下滑坡時降雨延時比較(Model scale) 土壤種類

降雨強度

10% fines 15% fines 20% fines

0.52 (cm/min) 55(s) 43(s) 33(s)

0.74 (cm/min) 38(s) 29(s) 25(s)

1.4 (cm/min) 32(s) 24(s) 19(s)

4.4.1 降雨試驗孔隙水壓變化

本研究於降雨試驗中，於坡趾處及坡頂下方約 3 cm 處埋設孔隙水壓 計(圖 4-26)。降雨試驗中可發現坡趾的水壓計讀數有隨時間緩緩上升的趨 勢，而於坡頂中之水壓計讀數隨時間緩緩下降，推測可能是由於土壤中 含水受離心機之重力場影響向下滲流所產生，於破壞時坡趾水壓計變化 較地下水試驗時不明顯，但仍有緩緩上升之趨勢(圖 4-27 至 4-35)。

圖 4-26 降雨試驗孔隙水壓計配置圖(左側水位線)

91

92

93

94

95

圖 4-35 20% fines #2×14 降雨試驗孔隙水壓計讀數

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PP T( kP a)

歷時(sec)

坡頂 坡趾 破壞時間

96

97

圖 4-36 10% fines 土壤保水特性曲線回歸圖

圖 4-37 15% fines 土壤保水特性曲線回歸圖

98

圖 4-38 20% fines 土壤保水特性曲線回歸圖

表 4-7 試驗砂土特性曲線分析結果

土壤試體 10% fines 15% fines 20% fines a 0.06884 0.08675 0.0125

n 2.864 2.876 3.979

m 0.651 0.652 0.748

Ks(cm/sec) 8.30×10^-6 3.22×10^-6 9.68×10^-7 K(θ) (cm/sec) 2.77×10^-6 1.09×10^-7 1.84×10^-10

99

第五章 試驗結果分析

5.1 地下水試驗結果分析

將邊坡破壞面描繪於透明投影片上，利用掃描機轉成電子檔再將破 壞曲面數位化資料進行比對。圖 5-1 為資料數位化之圖型，X 及 Y 軸以 邊坡高 21 cm 正規化。

5.1.1 地下水試驗崩塌曲面比較

根據實驗結果顯示，土壤含黏土量越多之邊坡需要較高水頭誘發邊 坡崩塌，所產生之破壞深度愈深。其中 10% fines、15% fines、20% fines 之崩塌規模分別為 93.5 m³/m、106.4 m³/m、118.3 m³/m。

圖 5-1 地下水實驗崩塌面

100

5.1.2 ReSSA3.0 邊坡崩塌面數值分析

利用試驗土樣進行三軸及平面應變力學試驗，求得三土樣凝聚力 c 值與摩擦角 φ 值如表 5-1 所示，10% fines、15% fines、20% fines 利用平 面應變試驗求得之 c 值分別為 6、10、18 kPa，摩擦角ψ分別為 36.1°、

28.8°、27.5°。利用三軸試驗利用求得之 c 值分別為 10、17、26 kPa，摩 擦角ψ分別為 40.5°、39.3°、39.0°。以 ReSSA 邊坡穩定分析軟體進行分 析，所得到之破壞面與離心模型試驗結果進行比較(圖 5-2 至 5-6)。可以

101

圖 5-2 平面應變試驗模擬崩塌面比較圖

圖 5-3 三軸試驗模擬崩塌面比較圖

102

圖 5-4 10% fines 離心機試驗結果與數值分析結果之比較

圖 5-5 15% fines 離心機試驗結果與數值分析結果之比較

103

圖 5-6 20% fines 離心機試驗結果與數值分析結果之比較 表 5-2 地下水試驗與數值分析結果誤差比較

土壤種類

離心試驗 數值模型

離心試驗結果 平面應變試驗 三軸壓縮試驗

10% fines

崩塌規模(m³/m) 93.5 103.9 106.3

差異百分比 0 10.8% 13.4%

15% fines

崩塌規模(m³/m) 106.4 108.3 112.6

差異百分比 0 1.6% 5.6%

20% fines

崩塌規模(m³/m) 118.3 117.2 115.7

差異百分比 0 0.9% 2.2%

104

5.1.3 SEEP/W 地下水試驗滲流力分析

由地下水試驗得知，誘發邊坡破壞之臨界水頭分別為 10% fines－10 cm、15% fines－15cm、20% fines－18.5 cm，邊坡模型均高 21 cm、底邊 長 31.5 cm，在受到 75 g 離心重力場影響下尺度放大 75 倍，模型高 15. 8 m、水頭高分別為 7.5 m、11.3 m、13.9 m(圖 5-7)。利用 SEEP/W 建立數 值模型，相關參數由表 5-3 所示。

SEEP/W 程式分析結果可以發現，當邊坡破壞時的水位面高度約略 在坡趾附近，如圖 5-8 至 5-10 所示。

進一步分析不同土壤中之滲流力，土體中之滲流力定義為 P = γ_w∆hA

其中γ_w為水之單位重、∆h為水頭差、A 為流經的斷面積。

而單位體積滲流力為 P V =

γ_w∆hA

AL = iγ^w

將邊坡網格中之水力梯度加總計算後可獲得滲流力表如表 5-4，並將滲流 力與崩塌規模大小進行比較(圖 5-11 至圖 5-13)。

105

106

圖 5-8 10% fines SEEP 模擬地下水面

圖 5-9 15% fines SEEP 模擬地下水面

107

圖 5-10 20% fines SEEP 模擬地下水面 表 5-4 土體滲流力

10% fines 15% fines 20% fines

ix 12.4 16.1 24.0

iy -7.49 -11.3 -19.3

Px(g/cm³) 12.4 16.1 24.0 Py(g/cm³) -7.49 -11.3 -19.3

*負值表示向下、向左。

108

109

5.2 降雨試驗結果分析

本研究將模型試驗所得之 2D 破壞曲線，繪製成數位化圖型後進行 比對，試驗結果如圖 5-14 至圖 5-19 所示，可以發現比起地下水滲流誘 發之崩塌規模，降雨所誘發之邊坡崩塌規模小許多，且多發生在邊坡表 面屬淺層破壞。

5.2.1 降雨試驗崩塌面比較

隨著黏土含量增加，崩塌規模有縮小的趨勢，推測是由於黏土含量 較少的土壤擁有較良好滲透性，雨水能滲透到較深層土壤，所以會有較 大的崩塌規模，黏土含量較高之土壤水分會在表層累積不易入滲導致崩 塌面較淺，在黏土含量較高時不同降雨強度對於同樣比例土壤之影響較 不明顯。

圖 5-14 10% fines 降雨試驗崩塌面

110

圖 5-15 15% fines 降雨試驗崩塌面

圖 5-16 20% fines 降雨試驗崩塌面

111

圖 5-17 降雨強度 1.4cm/min 崩塌面

圖 5-18 降雨強度 0.74cm/min 崩塌面

112

圖 5-19 降雨強度 0.53cm/min 崩塌面

113

5.2.2 降雨試驗崩塌量分析

本研究將模型試驗描繪之 2D 破壞面掃描圖檔，進行崩塌量計算，

依計算結果(表 5-5)進行分析比較，其中降雨強度、降雨延時與離心重力 因子關係由表 5-7 表示，彙整結果後將崩塌量與降雨強度、降雨延時及 總雨量，等以立體圖呈現(圖 5-20 至 5-22) 。

圖 5-20 中可見，降雨延時隨黏土含量增加以及降雨強度增強而降低；

於圖 5-21 中可以發現降雨強度在 0.42 (cm/hr)及 0.59 (cm/hr)時，同樣黏 土含量之邊坡其總降雨量相近，降雨強度為 1.12(cm/hr)時總降雨量明顯 高出許多；圖 5-22 崩塌量關係圖中，低降雨強度時崩塌規模隨著黏土含 量上升而減少，與 0.42(cm/hr)相比，降雨強度提高至 0.59(cm/hr)時，誘 發崩塌量有減少之趨勢，但降雨強度提高至 1.12(cm/hr)時，崩塌量又隨 之上升。

黏土含量較低之土壤有較良好的水力傳導係數，能使降雨以較快速 入滲至土體內部，邊坡較慢達到臨界狀態故有較長之降雨延時，同時浸 潤影響範圍也較大會有較大之崩塌規模。隨著降雨強度增加，能越早使 邊坡達到臨界狀態而崩塌，但也因入滲時間縮短，產生崩塌規模隨之降 低。降雨強度超過土體入滲速度時，土體無法吸收的水分會產生額外的 沖刷使得崩塌規模增加。

114

表 5-5 降雨入滲試驗推估崩塌量

實驗種類 崩塌規模(m³/m)

降雨 入滲

模型 原型 10%fines 15% fines 20%fines 0.53(cm/min) 0.42 (cm/hr) 23.6 11.9 7.36 0.74(cm/min) 0.59 (cm/hr) 12.0 9.0 3.1 1.40(cm/min) 1.12 (cm/hr) 17.5 16.2 14.6

115

116

117

圖 5-22 降雨試驗崩塌量立體關係圖

0.424 0.592

1.12

0 5 10 15 20 25

10% 15%

20%

降雨強度 (cm/hr) 崩塌規模

m³/m

土壤種類

118

119

120

121

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126

127

128

129

P35、P51

3 數值模擬之初始條

件如何設定，分析使 用 steady or unsteady model

感謝委員意見，數值模擬之 初始條件設定已於論文中補 述說明，分析使用 steady state model。

P64

P97~P99

130

7 數值模型之區域形

狀與試驗不同， 實 驗用坡高 21 cm，為 何計算時用 15.8 m

感謝委員意見，本研究之數 值模型乃以離心機試驗模型 所對應之原型尺寸計算，因 模型坡高為 21 公分，離心重 力場為 75g，因此邊坡原型 坡高為 15.8 m，詳見表 5-1。

P100

8 表 5-3 推估崩塌量與 圖 5-14 10%降雨試 驗結果不符

感謝委員意見，標示錯誤部 分已完成修正。

P107

在文檔中 離心機模擬水文因子導致滑坡之研究 (頁 93-0)