砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-151-041- 執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學土木工程系 計 畫 主 持 人 ： 熊彬成 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：謝豐丞 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 100 年 09 月 01 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□成果報告

□期中進度報告

砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析

計畫類別：▇個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC 99－2221－E－151－041

執行期間： 99 年 8 月 01 日至 100 年 7 月 31 日

執行機構及系所：國立高雄應用科技大學 土木工程學系

計畫主持人：熊彬成 博士

共同主持人：

計畫參與人員：謝豐丞

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▇精簡報告 □完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

▇出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：

除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年▇二年後可公開查詢

中 華 民 國 年 月 日

附件一

摘要

本研究係以高雄捷運 O6 車站開挖案例為背景，利用三維有限元素法分析軟體 MIDAS GTS，選擇 彈性- 全塑性的組成律 Mohr-Coulomb(MC)模式模擬土壤行為，進行砂質地盤深開挖模擬分析。首先， 將現場監測之壁體變位資料給予合理修正，再進行三維有限元素分析，並將二者與前人二維有限元素 程式 PLAXIS 分析結果做比對和探討，以確定 MIDAS GTS 電腦程式於模擬砂質地盤深開挖工程之適 用性。根據本研究結果指出三維分析地表沉陷方面能得到較合理的預測，但數值分析和觀測結果上之 差異，主要是在於選擇組成律上的限制和潛變行為的發生。至於二維和三維分析成果上的差異，可能 是由介面元素和結構參數選擇上的差異所造成的。 其次，本研究採用三維分析探討開挖時在不同位置的土體應力大小，再繪製其應力路徑圖與開挖 的位移路徑圖。再次，本研究亦探討不同擋土壁體貫入深度、壁體厚度和支撐預力對位移路徑與角隅 效應之影響，由研究成果得知壁體貫入深度對壁體變位影響較小，壁體厚度和支撐預力則對壁體變位 影響較大。本研究也發現在距離角隅 30 公尺以上的地方，即無角隅效應的產生。 最後，本研究探究土壤與結構之間的介面行為，建議若改變介面的法向剛性模數 Kn，對分析結果 影響較大；而改變介面切向剛性模數 Kt的話，則對分析結果影響較小。 關鍵字：MIDAS GTS、深開挖、壁體變位、地表沉陷、應力路徑、位移路徑、角隅效應、法向剛性模 數、切向剛性模數 1.前言 近年來，都市區都市人口有逐漸增加趨勢，為了滿足都市發展之需要，勢必往地下空間發展。再 者，地下開挖的深度與規模也越來越大，對周圍環境的不良影響也日漸凸現，引起人們高度的重視， 根據以往經驗，且深開挖所造成的損鄰事件與法律糾紛已屢見不鮮，因此，深開挖過程中對土體與結 構之間的變形特性之相關研究，已顯得日益迫切和重要。 2.文獻回顧 2.1 三維數值分析 Ou et al(1998) [1]利用有限元素 CUT3D 軟體，對海華金融中心進行三向度分析，並且與平面應變 分析及觀測值的結果相比較。該研究指出，平面應變分析的結果，會高估了擋土壁的變形量，但三向 度分析則可得到較理想的結果，如圖 1 所示。另外，該研究亦建議可依據二維分析成果來評估在距角 隅不同距離下擋土壁水平位移之大小。

再者，Lin and Woo(2007) [2]則是採用分析軟體 PLAXIS 3D Foundation，以 Mohr-Coulomb 模式分 別進行二維與三維分析，並以台北 101 的地下室開挖為背景進行模擬。分析模式垂直邊界是假設在岩 層頂部深度，水平邊界則假設在距開挖 3 倍開挖深度處。如圖 2 所示，不論是在塔樓區或裙樓區，三 維分析的壁體側向變形會遠小於二維分析變位，且較接近實際的觀測結果；再者，若要模擬設置扶壁 的深開挖案例時，採用三向度分析是有其必要性。 高世鍊(2010) [3]針對某扶壁式深開挖工法為案例背景，並考慮開挖抽降水情況，分別採用三維分 析軟體 MIDAS GTS 及一維分析軟體 RIDO，進行連續壁壁體變位分析研究。該研究指出，GTS 可有效 模擬開挖造成的連續壁變形，如圖 3 所示；而 RIDO 要用特殊的方法模擬扶壁，分析時需要配合較多 的假設才能達到合理的分析結果。 圖 1 海華金融中心角隅處連續壁之 2D、3D 及觀測值的比較

3

圖 2 台北 101 地下連續壁之 2D、3D 及觀測值的比較

圖 3 扶壁式連續壁側向位移監測及分析結果比較

2.2 傾度管位移修正及位移路徑於深開挖之應用

Hsiung and Hwang(2009) [4]根據對高雄地區數個開挖案例之監測資料顯示，指出擋土壁側向壁體 變位皆有低估的現象，其主要原因為傾度管底部位移被忽略了。實際上，傾度管底部位移是存在且需 重視的，連續壁壁體變位在量測上有必要作合理的修正。以高雄 06 車站開挖案例來說，該案例傾度管 底部多出連續壁底端 5m，且未安置於夠深且夠硬的土層中，傾度管底部可能產生 9～15mm 的位移， 由於工程監測上忽略傾度管底部位移，會造成連續壁側向變位的低估，必須予以修正；該變位的校正 可考慮利用擋土牆頂部的相對位移來進行。此外，在順打工法中，亦可假設第一和第二層支撐是沒有 向未開挖側移動的情形進行修正。 Hwang et al (2007) [5]曾根據台北盆地深開挖案例進行分析，其研究指出在某特定開挖深度和該開 挖深度所對應的最大側向壁體變位，在 x 軸與 y 軸取 log-log 的情況下，開挖深度在 4 公尺以下時，其 最大側向壁體變位幾乎是固定不變的，然而，當開挖深度更深時，發現開挖深度與最大側向壁體變位 會保持一定的線性關係，依此關係，可以導出不同開挖深度時所引致之最大側向壁體變位，其壁體最 大變位與開挖深度間之關係稱為位移路徑，如圖 4 所示。其中所謂的 Δ4 與 Δ100 為開挖深度在 4m 與 100m 時的最大壁體側向變位，因為一般深開挖的第一挖深度通常不會超過 4m，因此該階段的最大壁

體側向變位會固定在 4m，故以 Δ4 稱之；而為了方便觀察不同因子所造成的差異，並考慮到 y 軸是採 用 log，因此以 100m 之深度為基準，即該開挖深度在 100m 時的最大壁體側向變位以 Δ100 稱之。另 外參考包絡線可能會因為不同因素，如是否有外加載重或地下室接近，甚至連續壁長度過短或過長， 會出現不同斜率的形式，如圖 5 所示。 Hsiung(2009[6])曾以高雄捷運信義國小站(O6)為例，利用監測與數值分析結果，建議高雄砂質地盤 開挖的位移路徑；並且指出位移路徑之經驗公式或經驗法則應建立在素地開挖經驗之上，即沒有任何 內外在因素的影響。若開挖區之一側有地表載重將會造成兩側土壓力之不平衡，自然連續壁之位移路 徑會被影響，但不論單側加載或無加載側，兩側皆會隨著深開挖的深度愈深而更趨近於基準位移路徑。 圖 4 位移路徑曲線與參考包絡線 圖 5 不同施工條件的參考包絡線 2.3 應力路徑和土壤破壞準則 大地工程中，為了表示大地材料受力的狀況，莫爾(Mohr 1900)提出材料破壞理論應用於土壤上， 當作用於土壤中微小元素的有最大主應力σ1和最小主應力σ3，可繪出莫爾圓，若假設最小主應力σ3 保持不變，當σ1遞增時，莫爾圓之直徑亦隨之增大，最後與庫倫破壞包絡線相切，達到此時之應力狀 態，土壤即導致剪力破壞，如圖 6 所示，圖中 A 應力圓在 τf 線（破壞包絡線）以下，顯示該土體處於 穩定狀態；B 應力圓與 τf 線相切，表示在某一斷面處於極限平衡狀態；C 應力圓超出 τf 線，表示該土 體有許多斷面之剪應力已超過抗剪強度而破壞，但實際上這種情形是不存在的，因為該土體在 B 應力 圓時就已經破壞了。莫爾圓與τf 線相切時，土體應力處於極限平衡狀態，並結合庫倫剪力強度破壞理 論，以此作為土壤的破壞準則稱為莫爾-庫倫破壞準則。 由於基礎開挖解壓的現象，將引起開挖區周圍土體應力的變化；因所處位置不同，土體經受的應力路 徑也不盡相同，而深開挖過程中土壤受力狀況的變化，亦可用應力路徑法 p、q 圖表示。 Lambe et al(1979) [7]曾利用三軸試驗，探討砂土及正常壓密黏土在不同載重下之應力路徑；應力 路徑可利用 p-q 圖表示，其中 p 與 q 分別為摩擦圓頂點之座標；p 為軸向應力(σ1)加側向應力(σ3)之平均 值，q 為軸向應力(σ1)減側向應力(σ3)之平均值。圖 7 所示試驗的應力路徑有 AC、AE、LE 及 LC 等四 種： 一、基礎加載：在有限面積加載時，基礎面下之土壤，Δσv增加，Δσh增量很小，假設Δσh=0，其狀況 與三軸壓縮試驗類似，視為垂直加壓條件(Axial Compression)，應力路徑如圖 7 之 AC 線。 二、基礎開挖：在有限面積的解壓，開挖面下之土壤Δσv減少，Δσh增量很小，假設Δσh=0，其狀況 與三軸軸向伸張試驗類似，視為垂直解壓條件(Axial Extension)，應力路徑如圖 7 之 AE 線。 三、被動土壓：當土壤側向被外力推擠時，是為被動土壓狀況，例如擋土牆牆前之土壤被牆背後土壤 推擠，或開挖支撐的擋土壁外某一 距離內之土體被施加預力之支撐推擠，則 Δσh增 加，Δσv=0，是為側向加壓條件(Lateral Compression)，是為側向加壓條件，應力路徑

5 如圖 7 之 LC 線。

四、主動土壓：當土壤側向解壓時，是為主動土壓狀況，例如基礎開挖尚未支撐之側壁土體，或擋土 牆背後之土壤，則Δσh減少，Δσv=0，是為側向解壓條件(Lateral Extension)，應力路徑 如圖 7 之 LE 線。

Hashash and Whittle(2002) [8]使用 MIT-E3 model 去模擬波士頓藍黏土在開挖時的應力大小與應力 路徑，作為研究所選取的土體位置，如圖 8 中的 3A、3B、3C、3D 和 3E，並且用擬 3D 的方式繪製出 應力路徑圖，如圖 9 中顯示；在淺層 3A 和 3B 土體應力路徑，隨開挖深度增加逐漸往被動土壓趨勢發 展；但在深層 3C、3D 和 3E 的應力路徑，則相當接近主動破壞包絡線。 ψ B A C 0 σ τ τf ＝ c +σt anψ σ3 σ1 遞 增 圖 6 莫爾庫倫破壞準則 圖 7 開挖之各種應力路徑圖 圖 8 選取土壤元素之相關位置圖 圖 9 土壤開挖之有效應力路徑 3.三維深開挖數值分析 在本研究的三維模型中，模型長為 182m 寬為 181m 高為 60m，開挖區長為 100m 寬為 20m 深度為 19.7m，左右邊界則假設為 4 倍開挖深度。利用 MIDAS GTS 3D 進行分析和前人葉賢輝(2010)PLAXIS 2D 分析結果與現場監測值進行比較，另外數值模擬施工階段，各取第一階開挖深 2.5m、第二階開挖深 5.9m、第三階開挖深 9.1m、第四階開挖深 12.6m、第五階開挖深 16.1m 和第六階開挖深 19.6m 之主要 施工階段進行探討，以下為壁體變位與地表沉陷之比較結果，如圖 10 和 11 所示。

圖 10 各開挖階段 2D、3D 與監測值之壁體變位 圖 11 各開挖階段 2D、3D 與監測值之地表沉陷 4.應力路徑之分析 本研究利用 SMP 準則，繪製出應力路徑圖，該準則又稱為 Matsuoka-Nakai 準則[10]，由日本學者 松崗-中井提出，該理論是將二維應力狀態下的莫爾-庫倫準則，進一步推廣到三維應力狀態下的 SMP 準則，可以反應中間主應力(σ2)的影響。材料是假設在三個不同主應力(σ1、σ2、σ3)作用下，可以畫出 三個莫爾圓，由於土壤顆粒間須克服摩擦阻力產生相對滑移破壞，所以著重引自原點的直線與各莫爾 圓相切的切點處，如圖 12 中的 P1、P2、P3點。而在圖 12 中各點 O1、O2、O3、 分別是 σ 軸上(σ2+σ3)/2、 (σ3+σ1)/2、(σ1+σ2)/2、(σ1+σ2+σ3)/3 各點。另外在 τ-σ 應力平面上的垂直應力 σSMP和剪應力τSMP，可由 下列的公式計算如下： 2 tan 3 SMP SMP POO  _                                  _  _{ }                          1

+

2

+

3

O=

3

  

SMP

= O cos

sin











SMP

= O cos

cos











根據上節公式可分別計算出不同開挖階段和不同土體位置的正向應力σSMP與剪應力τSMP，再將各對應 的應力點連接繪製成應力路徑圖；另外，為避免連線點位太過擁擠，無法清楚呈現應力變化，只取初 始應力、第二階開挖、第四階開挖和第六階開挖來比較，以清楚顯示應力之變化。最後，再依據不同 土體位置可區分主動側、被動側和中間側繪出應力路徑，其繪出的應力路徑如圖 13、14 和 15 所示。 圖 13 主動側之應力路徑 圖 14 被動側之應力路徑

7 圖 15 中間側之應力路徑 5.位移路徑之分析 本節採用和 Hwang et al (2007)同樣的方法，建立修正觀測值、二維與三維位移路徑，如圖 16 所示。 另外，連續壁的貫入深度、厚度和支撐預力是施工設計中的一個重要指標，過小的貫入深度、厚度和 支撐預力將會導致穩定不足和變形過大，過大的貫入深度、厚度和預力使得工程造價提高；本節利用 3D 分析不同的壁體貫入深度、壁體厚度和支撐預力，並探討對位移路徑的影響。分析之結果如圖 17、 18 和 19 所示。 圖 16 修正觀測值、3D 和 2D 分析之 位移路徑 圖 17 不同壁體貫入深度之位移路徑 圖 18 不同壁體厚度之位移路徑 圖 19 不同支撐預力之位移路徑

6.角隅效應之探討

在角隅附近的擋土壁，由於受到拱作用的影響，其位移應小於開挖的中央區域。Ou et al(1996)曾 研究深開挖在軟弱黏土層，角隅效應對最大壁體變位造成的影響，利用三維分析的結果進行討論，定 義出平面應變比(Plane Strain Ratio,PSR)和角隅距離的關係。平面應變比的定義如下：

, , hm d hm ps

PSR







其中δhm,d為距角隅距離 d 處擋土壁之最大變形量，δhm,ps為平面應變下擋土壁之最大變形量。本節 將利用 PSR 值及相對應距角隅距離大小，在不同壁體貫入深度和壁體厚度等不同條件下，探討角隅效 應在深開挖砂質地盤所產生的影響。 三維分析所選擇的離角隅距離位置，分別是 10m、20m、30m、40m、60m、80m 和 100m。再者， 利用前人 PLAXIS 2D 分析所得的最大壁體變位，根據上述公式計算得到平面應變比(PSR)；首先，繪 出不同壁體貫入深度 PSR 及距角隅距離之關係，如圖 20 所示。結果顯示，在距離角隅 30m 內，角隅 效應有較大的影響，超過 30m 則不明顯。同樣的考量不同壁體厚度和距角隅距離之關係，圖 21 所示 為 PSR 和角隅距離之間的關係。從分析結果可知角隅效應所能產生的影響範圍也在 30m 內。 圖 20 不同壁體貫入深度 PSR 及距角隅距離之關係 圖 21 不同壁體厚度 PSR 及距角隅距離之關係 7.接觸面參數對連續壁變形之探討 由於建立接觸單元所需要的參數，不易自實驗中取得，即使能經由實驗取得參數，可能也無法真 實反應接觸面的特性，使計算模擬分析時，仍會有許多不確定性。本章節透過改變不同接觸面的法向 剛性模數 Kn及切向剛性模數 Kt，分析這兩種參數，探討壁體變位的影響。 為方便探討接觸面參數的影響，分析時的初始切向剛性模數 Kt，然後在初始切向剛性模數 Kt不變 下，同時分析 0.001、0.01、0.1、1 與 10 倍的初始法向剛性模數 Kn，分析得到的最大壁體變位，如圖 22 所示。由分析圖 22 可知，當初始法向剛性模數 Kn大於 0.01 倍之後，壁體變位趨勢幾乎相同，數值 的增加對最大壁體變位的影響較小，參數取值於其這範圍內可以得到合理的計算結果，但若取值低於 初始法向剛性模數 Kn的 0.01 或 0.001 倍之間，則壁體變位的瞬間變化大。由於法向剛性模數 Kn反應 著接觸面承受正向壓力的特性，因此過小的 Kn值，將會造成接觸單元的破壞，使計算結果不收斂。 同樣地，在初始法向剛性模數 Kn不變下，同時分析 0.001、0.01、0.1、1 與 10 倍的切向剛性模數 Kt，分析得到的最大壁體變位，如圖 23 所示。由分析圖 23 可知，初始切向剛性模數 Kt大於 1 倍時， 壁體的變位趨勢幾乎相同，另外，隨著 Kt參數取值低於 0.1 倍之後，壁體變位有逐漸增加的趨勢，但 變形增加幅度不大，因此切向剛性模數 Kt對壁體變位雖有一定程度的影響，整體而言影響並不大。

9 圖 22 不同法向剛性模數 Kn之最大壁體變位 圖 23 不同切向剛性模數 Kt之最大壁體變位 7.結論 1. 本研究在壁體變位預測方面，3D 分析之壁體側向位移與監測值比較有低估的現象，這可能是土壤 組成律無法考慮土壤潛變，但是在預測地表沉陷方面，則有相當不錯的分析結果。 2. 若以 Matsuoka- Nakai 破壞準則，嘗試繪出的 τ-σ 應力路徑，由於考慮到 σ2的影響，主動側、被動 側和中間側的應力路徑，確實能反應工程開挖行為，以理論可得到合理的解釋，因此進一步的證 實三維分析模式的正確性和合理性。 3. 根據本研究成果，增加壁體貫入深度對減少壁體的側向變形並不是特別明顯；另外，在壁體長度 與開挖寬度比值＝0.1 之條件下，在砂質地盤中距角隅距離 30m 之內會發生角隅效應，30m 之外 則無太大影響。 4. 根據本研究成果，增加壁體厚度對控制壁體側向變形的效果良好；當壁體長度與開挖寬度比值為 0.1 之條件下，在砂質地盤中同樣距角隅距離 30m 之內會發生角隅效應，30m 之外則無太大影響。 5. 接觸單元法向剛性模數的增加，連續壁壁體變位趨勢幾乎一致，但若法向剛性模數取值過小，變 形瞬間增加，對於壁體變位的影響則較大；而切向剛性模數的增加，連續壁壁體變位趨勢也幾乎 一致，當切向剛性模數越來越小時，變形增加幅度不大，因此取值在合理範圍內，對於壁體變位 的影響較小。 致謝 感謝國科會提供經費，台灣邁達斯公司提供產學合作計畫技轉金及軟體使用技術，謹此感謝。 參考文獻

[1] Ou, C. Y., Chiou D. C. and Wu T. S.,1996,“Three-Dimensional Finite Element Analysis Of Deep Excavations”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE.Vol.122, No. 5, Paper No. 7498. [2] Lin D. G. and Woo S.M.,2007, “Three Dimensional Analysis Of Deep Excavations In Taipei 101

Construction Project” Journal of Geotechnical , Vol.2, No. 1, pp. 29-41.

[3]高世鍊，2010，「深開挖工程之 3D 數值分析」，MIDAS GTS 3D 大地工程有限元素程式交流研討會。 [4] Hsiung, B. C. and Hwang, R. N., 2009, „„Evaluating Performance of Diaphragm Walls by Wall Deflection

Paths”, Journal of The Southeast Asian Geotechnical Society.

[5] Hwang, R. N. and Moh , Z. C. 2007, „„Deflection Paths and reference envelopes for diaphragm walls in the Taipei Basin”, Journal of GeoEngineering,Vol.2, No. 1, pp. 1-12.

Journal of The Southeast Asian Geotechnical Society.

[7] Lambe, T. W., 1967, “Stress path method”, J. Journal of The Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE. 93(6),Nov., pp. 309-331.

[8] Hashash, M. A. and A. J.Whittle., 2002 „„Mechanisms of Load Transfer Arching for Braced Excavations in Clay‟‟, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.128, No. 3, pp. 187-197.

[9]葉賢輝，2010，「砂質地盤深開挖之位移及應力路徑探討」，國立高雄應用科技大學，碩士論文。 [10]松岡元(著)、羅汀、姚仰平(譯)，2001，土力學，中國水利水電出版社。

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國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期：100 年 8 月 8 日 報告人於西元 2011 年 5 月 22 日(星期日)中午飛抵香港，當日下午在香港大學(University of Hong Kong)工學院譚國煥副院長的安排下，參觀香港大學土木系與大地工程相關之實驗室。晚上則與香港地 工界人士餐敘與碰面。 本次亞洲區國際土壤力學與大地工程會議由香港岩土工程學會(HKGES)與香港理工大學主辦，主 要的籌備工作是由香港 Ove Arup 工程顧問公司的何毅良(Mr. Albert Ho)董事及香港理工大學的殷建華 教授負責分配所有的籌備工作，其下又分成出版、議程安排(由香港科技大學吳宏偉教授領軍)與工程參 觀(由 AECOM 工程顧問公司的張展濤董事負責)三個分組。會場都在紅磡的香港理工大學內。大會正 式的議程是從 5 月 23 日(星期一)上午開始，由吳宏偉教授擔任司儀，並且由香港理工大學副校長、香 港特區政府屋宇暨發展署署長與國際土壤力學與大地工程學會(ISSMGE)會長 Briaud 教授等貴賓致 詞。之後在何毅良董事代表 HKGES 致詞，及為東日本 311 大地震罹難者默哀 3 分鐘後，開始正式的 議程。 大會議程的第一場演講是 ISSMGE 成立 75 週年演講，由前任 ISSMGE 亞洲區副主席，印度籍的 Professor Madhav 擔任主持人，並由現任 ISSMGE 亞洲區副主席，來自哈薩克的 Professor Askar、台灣 亞新工程顧問公司 Za- Chieh Moh 董事長與斯里蘭卡的 Dr. Priyankara 談大地工程的現在、過去與未 來。從這場演講中可以瞭解到雖然大地工程的發展是日新月異的，但由於整體環境的改變與大型天然 災害，如豪雨、地震與海嘯的增加，大地工程研究與實務也應該與實際上的需求結合，以達到永續發 展的目的。

緊跟著第一場演講之後的第一場專題演講(keynote speech)，邀請新加坡國土交通局(Land and Transportation Authority, LTA)的溫大志博士(Dr. Wen Dazi)以新加坡本身的經驗，談深開挖與潛盾隧道施 工時常產生的問題為何，並且提及控制施工引致變位為何。溫博士的主要結論，包括： (1) 就深開挖工程的地盤改良而言，對改良與未改良土的應力- 應變行為要予以仔細檢核。此外，黏土

計畫編號

NSC99－

2221

－

E －

151

－

041

計畫名稱

砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析

出國人員

姓名

熊彬成

服務機構

及職稱

國立高雄應用科技大學土木系

會議時間

100 年 5 月 23 日

至

100 年 5 月 27 日

會議地點

香港

會議名稱

(中文)第十四屆亞洲區國際土壤力學與大地工程會議

(英文) The 14th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and

Geotechnical Engineering

的壓密可能會產生額外的變位。

(2) 支撐或托底工法是可以被運用在建物保護的措施中；對處於混合型式基礎上的建物的保護，是要特 別注意的。

(3) 對潛盾隧道環片間的止水條的選擇及安裝，尤其是止水條的耐久性，是很重要的。再者，維持適當 的土壓及進排土量平衡，是很重要的。最後，對潛盾機的出發及到達，也要格外注意。

第二場的專題演講是邀請香港大地工程處的 Raymond Chan 處長，以”Challenge of extreme rainfall to landslide risk management in Hong Kong”為題，發表演說。在這場演講中也提到莫拉克風災在台灣南部 所帶來的災害。雖說香港對降雨對邊坡所造成的災害，也多有著墨，但地球的溫室效應很有可能在未 來造成更大的降雨，這也是日後在進行相關研究時需要注意的。

在上午的兩場演講結束後，下午進行分組的會議研討。報告人主要參加的”地下施工與隧道 (Underground construction and tunnelling)”分組(編號為 S6.1 及 S6.2)。兩個分組討論的主持人分別是亞新 工程顧問公司的莫董事長、國立台灣科技大學的林宏達教授、香港大學的譚國煥副院長以及印度大地 工程學會主席暨印度理工學院德里校區(IIT Delhi)的 K. S. Rao 教授。參與論文發表者，有來自中國、 香港、日本、泰國、埃及、印度與馬來西亞等地的專家學者。論文內容則多是與深開挖與隧道在施工 時的現場觀測結果與模擬，還有相關的實驗室實驗為主。 報告人在參加完第一天的議程後，即搭乘當天晚上班機，由香港飛往印度德里，執行國科會的台印 合作計畫。在執行完台印合作計畫後，配合班機時間，再返回香港參加最後一天下午的議程與閉幕式。 在本次的會議中亦決定下一屆將在日本的福岡舉辦。 就本次研討會的觀察，報告人可歸納出幾點結論： (1) 由於香港國際化程度高，本地參與國際研討會的人數就多；再加上目前與中國內地互動較為密切， 來自當地的參與者也不少；此外，香港岩土工程學會(HKGES)和其他國家的也有相當來往，亞洲區 的各會員國，如日本、韓國及印度的參加人數也不少。然香港距台灣僅一小時航程，台灣的代表只 有 14 位，這或許跟台灣人不喜歡參加以英語為主的國際研討會，以及會期與其他研討會相近(海峽 兩岸地工研討會，廣州)有關。然全球化及國際化是未來的趨勢，如何鼓勵我國地工界人士參與國 際研討會，是非常重要的。 (2) 本次活動的籌備主力為香港大學、香港科技大學與香港理工大學三所大學，但業界出的力亦不少， 兩家以”A”字母開頭的顧問公司，ARUP 及 AECOM，以及營造廠 Gammon 與 Keller 不止出錢贊助， 亦派員參加，甚至協助研討會的執行。相較起來，台灣實務界對國際研討會的參與程度是低的多， 這對未來台灣實務界想投身國際市場來說，可能是不利的。

(3) 和其他國家比較起來，台灣年輕學者若想參與國際研討會，可以爭取的補助，是比較少的，這對年 輕學者吸收新知與爭取國際知名度來說，也是比較不利的。

3

圖 1 香港大學土木系的岩石力學實驗室

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圖 3 研討會開幕式

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期：100 年 8 月 8 日 報告人於西元 2011 年 7 月 13 日(星期五)晚間搭乘國泰航空班機先飛抵東京，並於隔日代表國立高 雄應用科技大學土木系拜訪位在東京都江東區越中島清水建設技術研究所。拜訪清水建設技術研究所 (以下簡稱”清水技研”)的主要目的，在於： (1) 拜會新任技術研究所石川裕所長，並就過去高雄應用科技大學土木系及清水技研的交流，作一簡單 說明。 (2) 商討教育部補助”學海築夢”計畫的執行內容及時間。 (3) 商討清水技研田藏隆副所長到高雄應用科技大學擔任客座教授的時間。 陪同石川所長接見報告人的清水技研同仁，包括藤村博英副所長、鈴木誠副所長、中村豐上席研究 員(負責國際關係)、田藏隆副所長與高雄應用科技大學校友，現在在清水技研服務的劉銘崇博士。 在完成清水技研的拜會後，報告人即趕往東京車站搭乘新幹線，經名古屋抵達大阪。在抵達新大阪 車站後，轉搭地鐵前往位在西大橋的建設交流館，參加研討會所參加的歡迎餐會，並於餐會後返回旅 館休息。 本次的研討會為國際土壤力學及大地工程學會(ISSMGE)TC302 技術委員會與日本大地工程學會 (Japan Geotechnical Society)關西分會共同主辦，籌備委員會主席為大阪 Geo-Research Institute 的執行理 事岩崎好規教授。本研討會的主要目的，主要在探討地工案例失敗之成因為何，以及如何有效運用觀 測法(Observational Method)與現場觀測結果，配合適當的分析，以避免地工破壞的發生。應邀出席研討 會，並在研討會中發表演說者，包括英國劍橋大學的 Malcolm Bolton 教授、ISSMGE 亞洲區副主席 Askar 教授，以及日本的石原研而教授與足立紀尚教授等人。除了報告人以外，國立台灣科技大學李維峰博 士與亞新工程顧問公司黃南輝博士也應邀在本研討會中發表演講。在本研討會中，包括新加坡 Nicoll Highway、越南 Can Tho Bridge 與台灣的地下鐵失敗案例，都被引用並作討論。

報告人在本次研討會中以”Rethink of failure of underground construction- lessons learned from

計畫編號

NSC99－

2221

－

E －

151

－

041

計畫名稱

砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析

出國人員

姓名

熊彬成

服務機構

及職稱

國立高雄應用科技大學土木系

會議時間

100 年 7 月 14 日

至

100 年 7 月 15 日

會議地點

日本

會議名稱

(中文) 國際大地工程及大地建設監測研討會

(英文) International Symposium on Backwards Problem in Geotechnical

Engineering and Monitoring of Geo- Construction

7 Taiwan”為題，發表演說，並且在第二天下午的議程中擔任主持人。報告人此次的論文發表，主要是探 究如何有效應用監測的結果，來回饋到深開挖現場的實際發生狀況。再者，以深開挖與潛盾隧道工程 為背景，試著將地工和契約/履約管理作一結合，去探討工址調查、設計、施工與監測的責任歸屬問題。 主要結論包含： (1) 可靠的監測結果，可確實回饋出現場的實際狀況。 (2) 由於業主是唯一能夠掌握預算及時間的單位，因此，提供可靠的工址調查結果應該是業主的責任， 不能卸責給承包商。 (3) 再者，由於軟硬體發展上的日新月異，利用電腦分析來輔助設計是非常常見的，然分析結果應該非 常謹慎且小心的運用；此外，為了降低設計上的不確定性，在大型的地下工程裡，建議由業主提供 可靠的地工及結構參數給承商來使用。此外，可以另外聘請獨立檢核顧問來驗證設計成果，提高設 計的可信度。 (4) 最後，建議應聘請真正的地工專家來協助判別監測結果，以期發揮監測預期之成效。 在報告人發表完之後，英國的 Bolton 教授與印度的 Dr. V. V. S. Rao 也分別就設計參數的決定與責任 鑑定方式，進行提問。 除了一般地工性問題外，京都大學管理學院的講座教授 Toshihiko Omoto 教授也針對工程進行中責 任的判定與歸屬，進行討論，並提出設置所謂爭議處理委員會(Dispute Resolve Board, DRB)的方式，解 決工程進行中相關團隊所發生的爭議。目前日本國土交通省已批准一個 pilot project，可以以 DRB 的方 式來進行。Omoto 教授建議或許台灣也可以朝這個方向試試看。

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11

圖 1 報告人與清水技研人員合影留念

圖 3 報告人報告 (II)

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2011/08/06

國科會補助計畫

計畫名稱: 砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析 計畫主持人: 熊彬成 計畫編號: 99-2221-E-151-041- 學門領域: 大地工程

無研發成果推廣資料

99 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：熊彬成 計畫編號： 99-2221-E-151-041-計畫名稱：砂質地盤深開挖引致應力與壁體變位路徑之三維分析 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 1 1 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次

其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 對於較為複雜的大地工程問題，如深開挖、隧道等等，應考慮使用符合實際的 三維軟體，以求較為精準與經濟的工程設計，而台灣目前主要的工程顧問公司， 如台灣世曦、亞新、中興與富國，皆已採購 MIDAS GTS，做為未來進行三維分 析的工具。本研究成果對於深開挖在砂質地盤的地表沉陷及壁體變位，提供了 良好的預測，可提昇工程業界在使用 MIDAS GTS 的價值，廣泛在業界使用，並 且能減少過於保守設計的工程經費。 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

對於較為複雜的大地工程問題，如深開挖、隧道等等，應考慮使用符合實際的三維軟體， 以求較為精準與經濟的工程設計，而台灣目前主要的工程顧問公司，如台灣世曦、亞新、 中興與富國，皆已採購 MIDAS GTS，做為未來進行三維分析的工具。本研究成果對於深開 挖在砂質地盤的地表沉陷及壁體變位，提供了良好的預測，可提昇工程業界在使用 MIDAS GTS 的價值，廣泛在業界使用，並且能減少過於保守設計的工程經費。