降雨對邊坡不飽和土壤強度之影響

Fredlund and Rahardjo (1993) 建議不飽和土壤之強度可參考 Mohr-Coulomb 破壞準則使用下式計算：

w b a

a)tan ' (u u )tan u

( ' c

s    ……….(2-3) 上式中c’為有效凝聚力，’為(- ua)引起之有效抗剪角，ua為孔 隙氣壓，uw為孔隙水壓，^b為因基質吸力(ua - uw)而對應增加之不飽 和土壤抗剪角。

不飽和土壤之基質吸力可以考量成為土壤凝聚力值之增加，因此 式2-3 可以修正為：

' tan ) u ( ] tan ) u u ( ' c [

s  _a  _w ^b  _a ……….(2-4) '

tan ) u (

* c

s  

_a

般土壤相同以Mohr-Coulomb 破壞準則加以表示。

應用式2-5 可合理解釋不飽和土壤邊坡因強度折減而產生之破壞 規律。如圖 2.7 所示，不飽和土壤之修正凝聚力隨著降雨入滲造成基 質吸力之降低而產生折減，終致於破壞之發生（Abramson et al., 2002）。

圖2.7 基質吸力降低而導致修正凝聚力之折減 (Fredlund and Rahardjo, 1993)

Abramson et al. (2002)說明降雨造成邊坡破壞之原因係由於地表 逕流之沖刷、侵蝕、地下水浸潤所增加土體之自重與飽和度，以及孔 隙水壓上升或滲流壓力增加等作用所降低之土壤剪力強度。此種影響 尤以不飽和土壤邊坡發生破壞之機率為最，因此降雨所產生之入滲對 於不飽和土坡穩定之力學與物理行為之影響均已引起廣泛的探討(Ng and Pang, 2000)。研究結果顯示，邊坡於降雨時之穩定與環境變化具 有密切互動關聯，其中不飽和土壤即為邊坡與環境互動之界面。邊坡

穩定分析必須將飽和與不飽和土壤作一整體分析方可了解其正確之 安全性(Rahardjo, 2003)。

降雨入滲之過程中，地表逕流之滲水短期內首先將於不飽和之地 層內形成飽和浸潤帶，從而引致不飽和土壤抗剪強度之立即折減，因 此暴雨分析除應考量長期狀態地下水位之上升外，另應計算因地表逕 流滲水所形成之飽和浸潤帶深度及其因此對土壤不飽和強度參數所 造成之短期狀態折減(周南山等人，2004；Cho and Lee, 2002；Abramson et al., 2002)。

由於降雨所引致之邊坡破壞多為平行坡面之淺層坍滑，顯示對於 不飽和土壤而言，此種短期狀態之強度折減實為多數邊坡於暴雨後破 壞之主因(Abramson et al., 2002; Cho and Lee, 2002)。范嘉程、馮道偉 (2003)認為傳統邊坡穩定分析的方式並未考量降雨時雨水入滲使得 不飽和土壤中基質吸力降低導致強度折減對於邊坡穩定之影響。目前 國內關於邊坡暴雨分析之模擬多以地下水位上升之方式為之，然自降 雨於邊坡強度之影響方式而言，此種假設與實際狀況並不相符，實有 加以檢討之必要。

范嘉程與馮道偉(2003)綜合前人之研究指出，隨含水量或飽和度 之增加，土壤之凝聚力會大幅降低。降低之程度應與土壤之基本性質 有關，如塑性指數、粒徑，以及初始含水量等。如缺乏土壤試驗資料，

則建議採用 20%~30%之凝聚力。此外，土壤飽和度之增加對土壤之 摩擦角亦略有影響，惟其折減程度尚待進一步探討，目前初步建議暫 可忽略摩擦角因飽和度而產生之變化。

圖2.8 說明紅土之無圍壓縮強度與飽和度具有密切之關係。馮道 偉等人(2003)之觀察結果顯示，紅土飽和度之變化歷史為影響強度之 關鍵因素。當飽和度先降後增，可使無圍壓縮強度折減至原始值之 40%。

圖2.8 紅土無圍壓縮強度與飽和度之關係(馮道偉等人，2003) 陳爾義(2001)以三軸壓密不排水試驗推求崩積土飽和剪力強度 與浸潤時間之關係。試驗發現，崩積土試體在浸水一段時間後，產生 有效摩擦角下降而有效凝聚力則上升之趨勢，且細料含量愈少者，其 變化幅度愈大。上述試驗結果與范嘉程、馮道偉(2003)之建議不同，

由此顯示試驗條件與試體飽和度影響強度參數之變化至鉅。

UnconfinedCompressionStrength（kPa）

～

葉信富(2004)針對地下水位、土壤單位重、土壤凝聚力、土壤摩 擦角及邊坡坡度等邊坡性質因降雨之影響可能造成之不穩定因子，利 用邊坡穩定分析程式STEDwin 進行敏感度分析，探討各因素對邊坡 穩定性之影響。研究結果顯示，土壤內摩擦角之變異性對邊坡穩定影 響最大，邊坡坡度之變異性影響次之，再次為地下水位抬升、土壤凝 聚力及土壤單位重。