極軟弱岩石之大地工程行為(I)---子計畫二：淺基礎在軟弱岩石中之行為

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（I）子計畫

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※ （二）淺基礎在軟岩中之行為

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Engineer ing Per for mance 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：NSC89－2211－E－009－107

執行期間：

89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計畫主持人：廖志中

共同主持人：

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

90 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（I）子計畫（二）淺基礎在軟岩中

之行為

Engineer ing Per for mance of Shallow Foundation in Very Weak

Rocks

計畫編號：NSC 89-2211-E-009-107

執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

主持人：廖志中 執行機構︰交通大學 職稱︰教授

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，係以上新世之卓蘭層及上 新-更新世之頭嵙山層為主。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。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。本年度主要 完成的主要工作包括人造軟岩試體製作、 軟砂岩力學模式修正，並與其他子計劃共 同完成試驗場址調查、室內模型試驗規 劃。本精簡報告將提出人造軟岩試體製 作、軟砂岩力學模式修正的研究成果。至 於試驗場址調查及室內模型試驗規劃成果 將分別於子計劃四及子計劃一提出提出。 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。 Abstr act

The 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

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 first year research results for the three periods project. The results include the preparation and the mechanical properties of the artificial weak rock, and the modified material model of poorly cemented sandstone.

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Keywor ds: Cholan, Toukoshan Formation,

Poor cemented sandstone, Synthetic Rock, Model Loading Test, Shallow Foundation, Bearing Capacity 二、緣由與目的 台灣中北部（桃園至台中）麓山帶地區 出露之地層，係以上新世之卓蘭層及上新-更新世之頭嵙山層為主。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）人造軟岩試體製作及性質：台灣中 北部麓山帶軟弱砂岩(卓蘭層及頭 嵙山層等)是本研究之人造軟砂岩 欲模擬的對象，針對該地質材料特 性，本研究以目標地層之岩屑作為 模擬材料，使用過200號篩溼篩的方

式將研磨過的岩屑分為粗粒料與細 粒料水溶液。依配比拌和、灌入模 具後，以高壓壓密的方式製作人造 軟砂岩試體。經過本研究測試與改 良，制訂出製作人造軟砂岩試體的 標準製作流程（圖一），並以此進 行各項物理與力學試驗，完成之人 造軟岩如圖二。製作完成之人造試 體單壓強度介於2.5 6.5Mpa 符合 ISRM定義之軟岩強度範圍。再根據 模型相似律，本研究之人造試體五 個無因次項分別為：模數比介於 70 115間，強度比約5 10、卜松比 介於0.17 0.24、破壞應變介於 1 2%、內摩擦角約38.7o。本研究之 人造試體屬低模數比，破壞應變稍 大，其他應力應變行為與天然試體 極為相似，應可提供模型試驗之 用。圖三為然造軟岩之典型單壓應 力應變曲線。 （二）軟砂岩力學模式：地質材料之力學 行為極為複雜，往往並非簡單的力 學模式所能輕易模擬。本模式運用 複屈伏面觀念，提出一套三面模 式，可以合理考慮軟岩之真實力學 行為，如：非線性、受應力歷史影 響、異向性等。對於材料參數之標 定，本文採最佳化方法，將標定材 料參數視為一個逆問題，引用基因 演算來處理求解。本文所提出之三 面模式若配合離散力學分析方法 （如有限元素法），即可以模擬分 析一般之地工邊界值問題。本文將 三面模式分別融入非線性與彈塑性 有限元素分析方法，用以模擬現地 傍壓儀以及實驗室三軸實驗，由數 值模擬結果與試驗結果之比較驗證 此模式之合理性與正確性。本研究 採用本整合性研究群實驗站-交通 大學光復校區西南側坡地鑽探、實 驗取樣，所得的三軸試驗及旁壓試 驗加以模擬及比對。圖四為其中一 個徬壓儀實驗及模擬結果，圖五為 室內三軸試驗及模擬結果。由上述 二圖顯示模擬結果與實驗結果接近 且合理，因此三面模式可用於未來 大地工程分析。 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一年度成果，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 ( 鍾 峻 偉 [5] ， 王 慧 蓉 [6] ，林景民[7])。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] 王 慧 蓉 ， 軟弱 岩石 之漸 進與 屈服 模 式，國立交通大學土木工程研究所，民 國九十年。 [7] 林景民，軟弱岩石之應力應變與屈服 行為，國立交通大學土木工程研究所， 民國九十年。

取得岩樣 岩樣處裡 粒徑分析 研磨岩屑 通過30號篩 粗細粒料分離 (溼篩) 互相檢核決定 拌和比 粗粒料 細粒料 水溶液 依比例拌合 灌模 組裝模具 壓密 (荷重、天數) 頂出氣乾 切割修整 試體完成 圖一 人造軟岩之製作流程 圖二 人造軟岩 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 Axial strain, % 0 1 2 3 4 5 A x ia l st re ss , M P a NO.18 NO.18L 0.8 0.4 0 Lateral strain, % 圖三 人造軟岩之應力應變曲線 0 2 4 6 εr,% 0 1 2 3 4 S tr es s, M P a A1 Deep15.75m PMT simulation Gur=190 MPa Gur=144 MPa Gur=261 MPa Gur=403 MPa 圖四 徬壓儀實驗與模擬結果 0 1 2 3 Strain,% 0 0.4 0.8 1.2 1.6 P re ss u re ,M P a

triaxial test data three-surface model

Gur=205 Gur=284