行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 極軟弱岩石之大地工程行為（II）子計畫
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※ （二）淺基礎在軟岩中之行為
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Engineering Performance of Shallow Foundation
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In Very Weak Rocks
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計畫類別：□個別型計畫
整合型計畫
計畫編號：NSC90－2611－E－009－010
執行期間：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
計畫主持人：廖志中 國立交通大學土木工程系博士教授
計畫參與人員：張振成 國立交通大學土木工程系博士研究助理
計畫參與人員：劉英助 國立交通大學土木工程系碩士研究助理
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學土木系
中 華 民 國 91 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
極軟弱岩石之大地工程行為（II）子計畫（二）淺基礎在軟岩中之
行為
Engineering Performance of Shallow Foundation in Very Weak
Rocks
計畫編號：NSC 90-2611-E-009-010
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：廖志中 執行機構︰交通大學 職稱︰教授
計畫參與人員：張振成 國立交通大學土木工程系博士研究助理
計畫參與人員：劉英助 國立交通大學土木工程系碩士研究助理
一、中文摘要 台灣中北部（桃園至台中）麓山帶地 區出露之地層，係以卓蘭層及頭嵙山層為 主。卓蘭層以砂岩夾薄頁岩層及砂頁岩互 層組成。頭嵙山層又可分為二種岩相，即 由礫岩組成之火炎山相及由厚層砂岩、粉 砂岩與頁岩組成之香山相（或通霄砂岩）； 卓蘭層及頭嵙山層香山相等地層甚年輕， 砂岩孔隙大、透水性高，材料性質介乎土 壤及岩石間。由於取樣不易，早期對其力 學性質及行為甚難加以掌握，本研究群在 國科會前期整合性計畫支持下，對於此等 地層岩石之力學行為與性質已能初步掌 握。然而，此類地層內之大地工程行為， 例如邊坡穩定，基礎承載，及坑室行為一 直未被有效掌握。本研究團隊擬針對此類 地層的大地工程行為加以探討。本計劃為 其中之一子計劃。 本計畫將以三年時間進行淺基礎之研究， 企圖提出適用且廣泛之淺基礎承載分析方 法，本研究主要工作包含人造軟岩研製， 室內基礎模型承載試驗，理論基礎承載分 析，及現地基礎承載試驗等。研究課題除 考慮座落於水平地表上之淺基處外，並將 探討文獻上較被忽略之課題-淺基礎位於 邊坡上及位於坡頂上之議題。本報告為第 二年度之研究成果，本年度主要完成的工 作包括基礎人造砂岩的力學性質、淺基礎 承載試驗、基礎破壞行為、極限承載力探 討，本精簡報告將提出提出上述主要成 果。本計畫並與其他子計劃共同完成寶二 試驗場址調查，此部份成果將於總計畫報 告提出。 關鍵詞：卓蘭層，頭嵙山層，力學模式， 人造軟岩，淺基礎，模型試驗。 AbstractThe outcrops in the northern and central regions of Western Taiwan (e.g., the Pliocene Cholan Formation and the Pliocene to the Pleistocene Toukoshan Formation) often contain very weak rocks. The rocks are composed of the poorly cemented sandstone, shale, and interbed of very thin sandstone and shale. The strengths of these young formations lie within “very weak” and “extremely weak”. The mechanical properties and behaviors of these rocks are between soils and rocks in the geotechnical spectrum. The engineering performance of geotechnical structure in these rocks is not
fully understood.
This project aims to investigate the
engineering performance of shallow
foundation in such rock. In this project, a synthetic soft rock will be developed as the foundation material. The mechanical behavior of the synthetic rock will be analogous to the nature weak rock. A series of loading tests will be performed on the physical foundation model. The footing will be located on a horizontal surface, a slopping ground, or at the crest of a slope. A few loading tests will also be conducted on different ground in fields. Finally, an useful analysis approach for estimating the bearing capacity of weak rock will be proposed. This report presents the second year research results for the three periods project. The results include the loading test for shallow foundation model and site investigation of the Bao-shan II reservoir experimental station.
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Keywords: Cholan, Toukoshan Formation,
Poor cemented sandstone, Synthetic Rock, Model Loading Test, Shallow Foundation, Bearing Capacity 二、緣由與目的 卓蘭層以砂頁岩互層及砂岩夾薄頁岩 層組成。頭嵙山層又可分為二種岩相，即 由礫岩組成之火炎山相及由厚層砂岩、粉 砂岩與頁岩組成之香山相（或通霄砂岩） [1]。此等地層甚年輕，砂岩孔隙大、透水 性高，材料性質介乎土壤及岩石間。由於 取樣不易，早期對其力學性質及行為甚難 加以掌握，本研究群在果科會整合性計畫 支持下，歷經近三年之努力，對於此等地 層岩石之力學行為與性質已能初步掌握 [2]。 由於此地層之邊坡常於豪雨或開挖 後，於砂岩體內常產生局部之侵蝕破壞或 沿頁岩面上產生各種形態之大規模岩層滑 動，例如北二高關西至新竹段施工時曾產 生二十多個邊坡滑動皆屬此類型態之邊坡 滑動[3]，及台中大坑地區常有軟岩邊坡破 壞[4]。此外，大規模之山坡地工程中常於 大填方或挖方整平之基地上構築結構物， 或由於夯實不良，或由於岩層受風化作用 產生軟化現象，常使基礎承載力及沉陷量 不易估計，而產生基礎沉陷以致造成房屋 龜裂之現象（例如新竹青草湖附近某高級 社區）。此外，此等地層內地下坑室開挖 後之行為及岩壓之估計、合適之支撐等問 題，尚不是完全明瞭。因此，本研究群將 於未來三年針對上述軟岩之大地工程行為 加以研究。本子計畫負責淺基礎之研究， 企圖提出適用且廣泛之淺基礎承載分析方 法，本研究主要工作包含人造軟岩研製， 室內基礎模型承載試驗，理論基礎承載分 析，及現地基礎承載試驗等。研究課題除 考慮座落於水平地表上之淺基處外，並將 探討文獻上較被忽略之課題-淺基礎位於 邊坡上及位於坡頂上之議題，由於樁基之 底端（end bearing）受力行為與本議題相 近，亦將涵蓋於本子計畫內。 三、結果與討論 （一）基礎人造砂岩力學性質：本研究採 用去年度研究成果(5)之識體製作方 法，製作五個基礎模型試體，製作 條件相同，僅是壓密應力較低。經 由泡沫鑽心取樣，本研究進行單 壓、巴西及三軸等試驗，其結果說
明如下。人造膠結不良砂岩單壓試 驗當軸向應力到達尖峰值，此時試 體將產生裂縫而破壞。由試體最後 之破壞形態得知，人造膠結不良砂 岩試體大多為軸向劈裂之破壞形 態。此因與材料呈脆性，以及材料 在加載過程中，因為相對於試驗儀 器的勁度很低，很快達到張裂的現 象。本研究彈性模數(E)取單壓尖峰 強度50%處之割線斜率，其值介於 140~250 MPa。從模型相似律中模數 比(E/σc)的值來比較，本研究之模 數比介於50~80，而去年成果人造膠 結不良砂岩試體的模數比介於 70~115之間，皆屬於低模數比(小於 200)，且略小於本研究施作天然軟砂 岩的模數比。巴西試驗所得之間接 張力強度的範圍介於0.6~0.7 MPa， 與文獻人造膠結不良砂岩施作巴西 試驗得到的結果相似。人造岩石試 體因裂隙較少，所以張力強度略 大，導致強度比的比值較小，Moon et al.(1986)調查人造岩石試體的強度 比指出其值約在3~10之間。而本研 究製作之人造膠結不良砂岩試體強 度比約在4~6之間，屬於合理的範圍 且相似。本研究針對人造膠結不良 砂岩試體編號No. 進行三軸試驗， 圖一為其中之一的應力應變曲線， 由應力應變曲線，以及超額孔隙水 壓與應變之關係，可以發現平均圍 壓增高，試體呈剪縮趨勢，誘發正 的超額孔隙水壓，且屈服段與應變 延展段皆有增大趨勢；而在平均圍 壓減少下，試體呈剪脹趨勢，誘發 出負的超額孔隙水壓。經分析，本 研究之強度參數凝聚力c= 0.06MPa，有效內摩擦角=37.27o 。 人造膠結不良砂岩之有效內摩擦角 偏高，且凝聚力則有偏低的現象。 （二）淺基礎模型試驗：本研究進行模擬 平面應變之基礎承載試驗(二個試 體)；其代表性承載曲線及試驗施作 前後網格描述之照片，分別如圖 二、三所示。由承載曲線示意圖(圖 四)大致可將人造膠結不良砂岩的 承載行為分為三大階段，分別為初 始階段、降伏階段及破壞階段。另 外，透過繪製網格，試驗施作後依 其變形經觀察結果顯示，試體破壞 可分成四區(圖五)，即主動受壓區、 被動受壓區、主要剪裂面、及完整 區。 （三）極限承載力探討：本研究將承載試 驗所得之極限承載力與各個理論分 析所預測之極限承載力的比較，顯 示出幾乎所有的承載理論分析方式 所預測之極限承載力與本試驗之結 果的偏差量均大；初步探討的原因 為各理論分析針對的材料對象大多 為凝聚性的砂土或是以硬岩為主， 少有針對軟弱岩石的承載理論，加 上各承載力公式中，主要的控制因 子為凝聚力，而本研究製作之人造 膠結不良砂岩的凝聚力偏低，故以 理論預測之承載力遠低於實驗所 得，不適用於預估膠結不良砂岩之 極限承載力。此有待進一步將人造 膠結不良砂岩之製作流程標準化， 包含壓密應力與時間等因素，再以 其材料參數作為比較依據，可得更 佳的結果。 四、計畫成果自評 本研究計劃為三年期之研究，針對台
灣地區軟弱砂岩之大地工程行為加以探 究，以提供土木工程分析、設計之參考。 本報告為本子計劃的第二年度成果，皆能 依照計劃書執行，詳細成果可見於本校本 年度之碩士論文(劉英助[6]，洪任賢 [7] ， 簡宜嫻[8])。前述研究成果，顯示具有創新 性，將準備投稿至國際期刊。 五、參考文獻 [1] 何 春 蓀 ， 台 灣 西 部 麓 山 帶地質，地 工技術，第二十期，第 80-98 頁，民 國 76 年。
[2] Huang, A.B., Liao, J.J., Pan, Y.-W., Cheng, M.H., Hsieh, S.Y., and Peng, J.K.(2000), “Characterization of Soft Rocks in Taiwan,”
Proceedings of the 4th North American Rock
Mechanics Symposium, July 31-August 3, Seattle, U.S.A., pp. 83-90. [3] 蘇英豪，北二高關西至新竹段沿線邊 坡坍滑整治方案彙集報告，國道建設技 術研討會論文集，pp.69-87，民國 83 年。 [4] 董家鈞、廖志中、潘以文(1999)，”臺中大 坑 地 區 軟 岩 邊 坡 崩 滑 型 態 與 機 制 之 探 討” ，第八屆大地工程學術研究討論會論 文集，民國 88 年 8 月, 屏東，1616-1627. [5] 鍾峻偉，人造軟岩之研製與性質，國 立交通大學土木工程研究所，民國九十 年。 [6] 劉英助，人造膠結不良砂岩之模型承 載試驗設備建立及淺基礎承載試驗，國 立交通大學土木工程研究所，民國九十 一年。 [7] 洪任賢，軟弱岩石之應力應變行為， 國立交通大學土木工程研究所，民國九 十一年。 [8] 簡宜嫻，膠結不良軟岩之彈塑性模式 與基礎承載模擬應用，國立交通大學土 木工程研究所，民國九十一年。
0 1 2 3 4 v - h, M P a No.3-1 No.3-2 No.3-3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a, % -0.4 -0.2 0.0 0.2 ud , M P a 圖一 人造砂岩之三軸試驗結果 0 20 40 60 r / D, % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 B e a ri n g S tr e s s , M P aNo.4 Bearing Stress-Settlement curve
Yield Stress = 15.60 MPa Ultimate Bearing Stress = 21.66 MPa
D = 50 mm
試驗前
試驗後
圖三 淺基礎承載試驗前後照片
圖四 淺基礎承載曲線示意圖
