坡地災害防治技術研究子計畫二：既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘

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(1)坡地災害防治技術研究. 子計畫二：既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 內政部建築研究所委託研究報告.

(2) 093301070000G1020. 坡地災害防治技術研究子計畫二：既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 受委託者：淡江大學研究主持人：洪勇善協同主持人：陳榮河研. 究員：吳朝賢. 研究助理：紀柏全. 范峻崇. 內政部建築研究所委託研究報告中華民國九十三年十二月.

(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. An Enhancing Technique for Slope Located in Aged Hillside Community – Soil-Nailing. BY YUNG-SHAN HONG RONG-HER CHEN CHO-SEN WU PO-CHUAN CHI JIEN-CHUNG FAN December 20, 2004.

(4) 章節目次. 章節目次表次…………………………………………………………………… III 圖次…………………………………………………………………… IV 摘要…………………………………………………………………… VI Abstract………………………………………………………………...VIII 第一章前言………………………………………………………… 1 第一節研究緣起與目的……………………………….…. 1 第二節山坡地社區的定義與災害類型.............................. 2 第三節研究方法與內容……………………………….…. 8 第二章土釘工法之特性…………………………………………… 10 第一節發展歷史與應用範疇………………………….…. 11 第二節加勁機制概述………………………………….…. 13 第三節土釘類型……………………………………….…. 14 第四節土釘工法之優點……………………………….…. 17 第五節土釘應用的限制與注意事項………………….…. 17 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍……………….... 19 第一節土釘於各種地質之極限拉出阻抗……………….. 19 第二節土釘結構一般性參數…………………………….. 20 第三節土釘之防蝕處理………………………………….. 23 第四節排水系統………………………………………….. 32 第五節現地檢測………………………………………….. 35 第六節土釘加勁邊坡之適用範圍………………………. 39 第四章土釘配合坡地社區邊坡保護措施之適用性……………… 40 第一節常見坡地社區邊坡之保護措施…………………. 40 I.

(5) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究－土釘. 第二節土釘對既有擋土措施補強之適用性…………….. 49 第三節山坡地社區既有擋土設施土釘補強之建議…….. 53 第五章國內案例研究與生態環境影響評估…………………….... 56 第一節明德水庫集水區仁隆村崩塌地邊坡補強……….. 56 第二節關渡新天母社區邊坡補強……………………….. 66 第三節土釘工法對生態環境影響評估………………….. 75 第四節土釘配合植生復育方法與施工建議…………….. 79 第六章土釘邊坡穩定分析之設計方法………………………….... 83 第一節加勁機制之探討………………………………….. 83 第二節設計分析方法…………………………………….. 87 第七章結論與建議………………………………………………… 101 參考文獻………………………………………………….................... 104 附錄一第一次專家座談會專家意見……………………………… 110 附錄二期中審查會專家意見……………………………………… 114 附錄三第二次專家座談會專家意見……………………………… 118 附錄四聯合研討會專家意見……………………………………… 123. II.

(6) 表次. 表次表 1.1. 山坡地分類表…………………………………………………. 3. 表 1.2. 山坡地開發建築管理法令沿革表………………………………. 4. 表 1.3. 活斷層地帶不得開發範圍……………………………………… 7. 表 3.1. 土釘極限拉出阻抗…………………………………………….. 21. 表 3.2. 土釘支撐結構參數…………………………………………….. 21. 表 3.3. pH 值與防蝕處理之對策……………………………………….. 25. 表 3.4. 地層的腐蝕標準……………………………………………….. 25. 表 3.5. 美國土釘防蝕處理方式………………………………………… 28. 表 3.6. 土壤腐蝕性分類表…………………………………………….. 29. 表 3.7. 防蝕加大截面積……………………………………………….. 29. 表 3.8. 鍍鋅鋼筋於不同腐蝕性土壤中之腐蝕速率……………………… 30. 表 3.9. 土釘工法適用與不適用之地質條件…………………………….. 39. 表 4.1. 邊坡保護措施之適用性與優缺點……………………………….. 41. 表 4.2. 單一地錨之最小安全係數……………………………………… 49. 表 4.3. 擋土牆穩定分析安全係數採用標準…………………………….. 53. 表 4.4. 香港 GCO(1984)擋土牆穩定分析安全係數之建議………………. 53. 表 4.5. 香港 GCO(1984)新設邊坡設計安全係數建議表…………………. 54. 表 4.6. 香港 GCO(1984)整治性邊坡設計安全係數建議表……………….. 54. 表 4.7. 坡地社區既有設施使用土釘補強之建議………………………… 55. 表 5.1. 苗栗明德水庫地區地層表……………………………………… 58. 表 5.2. 仁隆村崩塌地土壤試驗結果……………………………………. 59. 表 5.3. 仁隆村崩塌地邊坡之力學參數…………………………………. 61. 表 5.4. 仁隆村崩塌地土釘結構參數…………………………................. 63. 表 5.5. 新天母社區邊坡補強土釘結構參數…………………………….. 71. 表 6.1. 各階土釘最大張力、剪力與彎矩……………………………........ 85. III.

(7) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究－土釘. 圖次圖 1.1. 研究流程圖……………………………………………………9. 圖 2.1. 土釘邊坡示意圖……………………………………………… 10. 圖 2.2. Versailles-Chantiers 車站土釘牆斷面圖…………………………. 12. 圖 2.3. 土釘受力機制………………………………………………… 14. 圖 2.4. 鑽孔灌漿釘構造……………………………………………… 15. 圖 3.1. 氫脆化示意圖………………………………………………… 24. 圖 3.2. 痘痕式腐蝕示意圖…………………………………………… 24. 圖 3.3. 應力腐蝕示意圖……………………………………………… 24. 圖 3.4. 不同腐蝕環境土釘所需犧牲之厚度……………………………. 31. 圖 3.5. 地工織物複合物排水帶………..……………………………… 33. 圖 3.6. 現地土釘拉出試驗設備示意圖………………………………… 37. 圖 3.7. 土釘拉出試驗之潛變曲線示意圖……………………………… 38. 圖 3.8. 臨界潛變荷重示意圖………………………………………… 38. 圖 4.1. 砌石牆示意圖………………………………………………… 42. 圖 4.2. 卵石堆壘法示意圖……………………………………………. 42. 圖 4.3. 箱籠牆示意圖………………………………………………… 43. 圖 4.4. RC 擋土牆示意圖...…………………………………………… 44. 圖 4.5. 加勁擋土結構示意圖…………………………………………. 46. 圖 4.6. 錨拉式擋土牆示意圖………………………………………..... 48. 圖 4.7. 以土釘修復之自然邊坡示意圖………………………………… 51. 圖 4.8. 以土釘修復之砌石牆示意圖…………………………………... 51. 圖 4.9. 以土釘修復之加勁擋土牆示意圖……………………………… 52. 圖 4.10. 搭配土釘之錨拉式擋土牆示意圖……………………………… 52. 圖 5.1. 明德水庫集水區仁隆村崩塌地概圖……………………………. 56. 圖 5.2. 崩塌前照片…………………………………………………... 57. 圖 5.3. 仁隆村崩塌地取樣位置概圖…………………………………... 59. 圖 5.4. 粒徑分佈曲線………………………………………………… 60. 圖 5.5. 崩塌後之靜態穩定分析……………………………………….. 62. IV.

(8) 圖次圖 5.6. 仁隆村崩塌地土釘補強配置斷面圖……………...…………….. 62. 圖 5.7. 土釘補強後靜態穩定分析……………………………………... 63. 圖 5.8. 崩塌地整治後照片……………………………………………. 64. 圖 5.9. 新天母社區邊坡補強施工情形………………………………… 66. 圖 5.10. 新天母社區邊坡補強土釘鑽孔情形……………………………. 67. 圖 5.11. 新天母社區建物配置圖………………………………….......... 68. 圖 5.12. 新天母社區地質分佈圖……………………………….............. 72. 圖 5.13. 補強前之靜態穩定分析……………………………….............. 73. 圖 5.14. 土釘補強後靜態穩定分析……………….……………………. 73. 圖 5.15. 邊坡整治後照片……………………………………………… 74. 圖 5.16. 仁隆村崩塌地整治後植生復育情形……………………………. 76. 圖 5.17. 新天母社區邊坡補強照片…………………………………….. 77. 圖 5.18. 關渡新天母社區邊坡補強完工一年後照片…………………….. 79. 圖 5.19. 新社鄉溪畔護坡工程施工照片………………………………… 81. 圖 5.20. 噴附團粒化劑後之土壤……………………………………….. 81. 圖 6.1. 分析網格與邊界條件……………………………….................. 84. 圖 6.2. 樑元素與二力桿件元素在均佈荷重 100kPa 時軸力分佈………… 86. 圖 6.3. 樑元素與二力桿件元素在均佈荷重 100kPa 時坡面位移………… 86. 圖 6.4. 土釘結構內部破壞示意圖……………………………............... 88. 圖 6.5. 坡高 10m 與 20m 設計圖之比較……………………………....... 91. 圖 6.6. 坡度 50 ﾟ、SvSh=1 之設計圖表……………………………......... 92. 圖 6.7. 坡度 50 ﾟ、SvSh=2 之設計圖表……………………………......... 93. 圖 6.8. 坡度 50 ﾟ、SvSh=4 之設計圖表……………………………......... 94. 圖 6.9. 坡度 60 ﾟ、SvSh=1 之設計圖表……………………………......... 95. 圖 6.10. 坡度 60 ﾟ、SvSh=2 之設計圖表……………………………......... 96. 圖 6.11. 坡度 60 ﾟ、SvSh=4 之設計圖表……………………………......... 97. 圖 6.12. 坡度 70 ﾟ、SvSh=1 之設計圖表……………………………......... 98. 圖 6.13. 坡度 70 ﾟ、SvSh=2 之設計圖表……………………………......... 99. 圖 6.14. 坡度 70 ﾟ、SvSh=4 之設計圖表……………………………......... 100. V.

(9) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 摘. 要. 關鍵詞 : 邊坡、補強、土釘工法、適用性一、研究緣起已開發完成之坡地社區，邊坡保護措施已施作完成，配合生態及景觀之措施亦已完備。若此類社區有補強之需求時，其邊坡穩定與保護設施之設置將與新開發案有所不同。採行慣用的邊坡保護措施作為補強措施時(如擋土牆等)，不僅常需破壞既有的構造物，衝擊生態及景觀，且經常因部分房舍鄰近邊坡，有施工作業空間不足之問題。因此，在降低生態及景觀之衝擊，減少對既有邊坡保護措施的破壞之前提下，如何補強邊坡以提升其穩定性，為當今坡地防災技術研究之重要課題。二、研究方法及過程本研究蒐集國內外相關文獻，依據地質、地形與水文條件，歸納檢討土釘應用於坡地社區之適用範圍，並彙整土釘於各種地質之極限拉出阻抗。並依據既有邊坡構造物可能的現況，評估土釘補強處理方式的可行性。此外，蒐集美國、法國、英國及香港等國家對永久性土釘的防蝕處理方式，提供國內在應用土釘於腐蝕性與非腐蝕性土壤時的防蝕對策參考。另以國內既有坡地社區邊坡補強案例，說明土釘工法對生態環境的影響，以及日後可採用的植生復育方式。最後，以電腦數值模擬分析土釘應用於一般邊坡補強的加勁機制，建議國內土釘邊坡之設計方法，並建立土釘邊坡之設計圖表，供相關工程人員參考。三、重要發現本計畫彙整土釘於數種凝聚性、非凝聚性土壤及岩層中之拉出阻抗，以及土釘適用與不適用之地質條件。為確保土釘在設計使用年限內，不會因鋼材的腐蝕破壞而降低或喪失加勁效能，因此土釘鋼筋之防蝕處理極為重要；研究中建議依據土壤腐蝕特性，可採用鋼材加大 VI.

(10) 摘要. 斷面及鍍鋅方式或另以外加塑料波紋套管之方式處理。此外，根據國內社區邊坡常用之保護工法，包括砌石牆、箱籠牆、 RC 擋土牆、加勁擋土牆、錨拉式擋土牆，依其設計原則及施工特性，建議土釘配合該措施之適用性及補強施工程序。除箱籠牆外，其餘各保護工法皆可使用土釘進行補強。由於土釘施工僅需就邊坡不規則處進行小規模修坡，且設置土釘鋼筋時僅需鑽掘直徑約 10cm 之孔洞，對原有環境之影響及破壞程度相當輕微，對於原生植物也可獲得保留。研究發現土釘結構之破壞大多由土釘拉出所控制，此結構下之土釘受力機制即由土釘與土壤間之摩擦阻抗傳遞至土釘內承受軸力之鋼棒，而土釘提供之剪力與彎矩阻抗則可忽略。因此，設計土釘結構時僅需考慮土釘承受軸力，利用邊坡穩定切片法計算整體安全係數。本計畫建議設計時土釘拉出阻抗之安全係數至少為 2，並依此針對不同地質、地形提供設計圖表，作為土釘邊坡工程設計參考依據。四、主要建議事項根據本計畫之研究成果顯示，土釘於適當地質條件下，非常適合應用於坡地社區邊坡穩定及補強，在本研究計畫之基礎下，尚有部分議題值得繼續研究，茲建議如下： 1. 土釘設計準則及施工規範。 2. 台灣各種地質之土釘極限拉出阻抗資料彙整與現地試驗。 3. 台灣地區土釘工程完整設計圖表(包含荷重、地下水之影響及案例分析)。 4. 土釘應用於坡地社區之動態分析。 5. 土釘生態面版應用之研究. VII.

(11) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. ABSTRACT Keywords: slope, renovation, soil nailing, feasibility assessment. For an aged community located on hillside slope protections were constructed previously and arrangements needed for ecological and landscape concerns were also accomplished. Construction techniques to remedy aged retaining structure will be different from that for a newly developed community should the slope needed to be renovated. Methods commonly used for a newly developed community usually give minimal considerations on the destruction of the existed retaining structure and impacts on the ecological system and the landscape. However, increase in living standard calls forth public expect to renovation techniques with less impact on the ecological system and the landscape. Buildings closed to the aged slope also restricted some renovation techniques. Therefore, slope renovation techniques with less impact on the ecological system and the landscape are important issues for hazardous prevention research. Soil-nailing techniques have been widely used in soil excavation and slope stabilization. The advantages of this technique are cost effectiveness, easy construction in restricted space, and little impact to the ecological system and the existed slope protection works. The technique is reported to be highly feasible for renovation of aged slopes. Contents in this report include the following aspects: 1. Assess the suitability of soil nailing technique to be applied for slope renovation based on the geological, topographical and hydrological considerations. 2. Review the pullout resistance for nail embedded in various soils. 3. Review the corrosion treatment techniques applied in the United States, France, England and Hong Kong. 4. Case study of a slope renovation with building located on the hilltop. 5. Analyze the reinforcing mechanism of a nailed structure by numerical method. 6. Provide suggestions and establish a design chart for slope renovation design.. VIII.

(12) 第一章前言. 第一章前言第一節研究緣起與目的台灣地形崎嶇，高山眾多、平原面積稀少，加上平原地區人口密度與開發程度趨於飽和，因此山坡地的開發與利用逐年增加。但台灣地處環太平洋地震帶上，地震頻繁，加上受到海洋氣候影響，雨量集中、颱風數量眾多，先天條件不利於邊坡之穩定，而不當的人為開發使用更是破壞了大自然的平衡。八十年代中期，大規模山坡地社區的開發達到高峰，但由於當時法令規章不足，設計考量不夠周詳，因此選址、邊坡穩定設計、水土保持規劃等常不夠嚴謹，每當雨季或颱風夾帶大量降雨，常常導致山坡地崩塌及土石流等災害，如淡水米蘭山莊二次崩塌事件，以及汐止林肯大郡災變等，災害程度相當高並嚴重危害人民生命財產的安全。近年來，透過法規之修訂及設計與施工漸趨周延，坡地社區開發已趨成熟嚴謹；但早期開發的社區之坡地穩定與保護設施多有不足，遇有地震、颱風、豪雨來襲，此類社區之安全性堪虞。如何增進山坡地社區保護設施之穩定，以提升社區的安全性，避免災變發生，實為山坡地建築安全防災之重要課題。隨著土木工程技術發展，許多邊坡穩定的補強工法應運而生，除了傳統擋土牆外，地錨、排樁等邊坡穩定工法也時有所見；但這些方法需較大型的施工機械，時常遭遇到既有社區空間的限制，而無法順利施作；此時則相當適合採用具施工快速、施工機具輕巧、施工彈性高及成本低等優點之土釘工法。在國外，自 1970 年代發展迄今，土釘加勁技術很快地受到推廣，包括應用於邊坡穩定、基礎開挖等工程上，也成功地應用於舊有擋土牆的修復與加固，成為相當普及的現地加勁技術；國內則是近十年來才開始逐漸使用土釘。由於早期對土釘加勁機制的不明確與施工技術的疑慮，因此大. 1.

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(14) 第一章前言. 多數土釘僅用於臨時性的穩定支撐；但隨著近幾年國內、外對土釘結構之力學行為的研究與瞭解，使得原先混淆的加勁機制逐步明朗，也將土釘技術擴及於邊坡不穩定問題之處理或崩塌地之整治。內政部建築研究所有鑑於過去老舊坡地社區，部分擋土設施受損或安全性不足，而亟需提出一套適合應用於國內既有坡地社區之邊坡補強工法。經建研所依據採購法規定辦理評選，選擇過去具有此方面學術經驗之淡江大學團隊承辦本項計畫。本研究計畫之目的是蒐集國內外土釘加勁技術的相關文獻及施工經驗，針對坡地社區災害防治探討土釘工法的適用性及範圍，且對現有邊坡穩定設施配合土釘工法的適用性及優缺點提供建議；另評估土釘施工對生態環境的影響，及提供土釘配合植生復育施工的建議。最後，以數值模擬方式，釐清土釘應用於邊坡補強之加勁機制，並提出設計分析方法與較佳配置方式之建議，供實務界在採用此補強方式時的參考。. 第二節山坡地社區的定義與災害類型一、山坡地社區的定義一般而言，山坡地的範圍具有標高與傾斜度之特徵，在此範圍內之山坡地利用與平地應有所區別。從建築學的觀點而言，山坡地的利用必須合乎人類生活條件的需求，才能增進人類生活環境的品質。而從經濟學的觀點，山坡地是都市外圍的邊際土地，其開發投資必須有一定之效益，否則應以保育為重。就法律規章方面，山坡地的定義分見於「水土保持法」、「山坡地保育利用條例」、以及「山坡地開發建築管理辦法」(內政部營建署，1997a)，符合下列情形之一者劃定為山坡地： 1. 標高在一百公尺以上者。 2. 標高未滿一百公尺，而其平均坡度在百分之五以上者。另外有關坡度的分級詳見表 1.1 所示。. 1.

(15) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 表 1.1 山坡地分類表(張石角，1989) 分類平坦地極緩坡緩坡中坡陡坡極陡坡. 坡度(%) <5 5~15 15~30 30~45 45~100 >100. 分級一級坡二級坡三級坡. 適合開發對象大規模住宅建設高級別墅住宅階梯住宅. 備註開發成本低需注意水土保持成本及危險度高. 四級坡. 不得開發. 不得開發. 民國 89 年 5 月以前，由於坡度小於 55%皆可開發，因此有些老丙建的開發案趕在這個時候推出，形成後來高危險之山坡地住宅社區，往後山坡地的開發則依照「非都市土地開發審議規範」施行，坡度小於 40%者方能開發。但自從汐止林肯大郡災變事件以來，在各界大加撻伐、檢討政策的聲浪中，山坡地可開發的限制，修正至平均坡度 30%以下。有關山坡開發建築法令之沿革可參考李咸亨(1998)，如表 1.2。社區的定義則甚為廣泛，徐震(1980)將社區定義為，居住於某一地理區域，具有共同關係、社會互動及服務體系的一個人群。行政院文建會主委陳其南先生，則從「社區」的英文(Community)含意將之定義為社會性較強，空間性、行政性較弱的一個「共同體」(陳秋山， 1996)。基於上述「社區」與「山坡地」的定義，山坡地社區即為設立於山坡地的住宅社區。自民國 68 年以來，各縣市山坡地建用地開發面積(包括已完成、施工中、已停工或已廢置者)共達 4027 公頃，其中約 11%為都市土地，41%為非都市土地，其餘為未完成區域計畫非都市土地使用編定的土地(內政部營建署，1997a)。由此可知，山坡地社區開發多位於都市計畫範圍外，其區位的特性、地理地質特徵、工程設計與施工，均不同於一般平地社區。. 2.

(16) 第一章前言. 表 1.2 山坡地開發建築管理法令沿革表(李咸亨，1998) 管制方式. 時間. 無管制時期. 62/12 前. 主要法令依據無. 允許開發程度無. 全面建築管制時期. 坡度小於 55%地區；容積率限制為 160%. 86/3 迄今. 修正非都市土地開發審議規範 (87/9/25). 注重自然形勢及可利用限度，以維護自然景觀建立開發許可制，提供較為理想的管理流程強調區域整體觀點，考量開發計畫區位之適宜性，並建立開發許可的審查內容及原則. ). 防災管制時期. 78/8 ~ 86/3. 無. 丙建老(丙建. 審議管制時期. 山坡地開發建築面積十公頃以下核發開發許可應注意事項(79/6/13) 非都市土地山坡地住宅社區開發審議規範(79/10/30) 非都市土地高爾夫球場開發審議規範 (79/10/30) 修正非都市土地開發審議規範 (86/5/9) 建築技術規建築設工篇山坡地建築專章(87/1/1). 無. 老丙建. 坡度小於 30%地區. 山坡地開發建築管理辦法(72/7/7). 管制特點. 偏重水土保持以防工程災害. 實施都市計畫以外部分建築 62/12 ~ 66/9 地區建物管理辦法使用時期 (62/12/14) 山坡地保育利用條例(65/4/29) 山坡地保育利用條保育利用 66/9 ~ 72/7 例施行細則管制時期 (66/9/9) 非都市土地使用管制規則(70/4/22). 72/2 ~ 78/8. 建地名稱. 坡度小於 40%地區；容積率限制為 120% 坵塊平均坡度在 30% 以上未逾 40%地區，不得建築使. 朝向防災及災後處理的相關法制、技術修正改進. 3.

(17) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘用. 二、山坡地建築災害類型與成因針對山坡地社區之災害及可能原因歸納如下(周筑昆，1998)： 1. 山坡地建築災害常見主要成因： (1)土地利用不當； (2)整地規劃設計未能充分符合當地地形； (3)道路規劃設計對環境地質認知有待加強； (4)下水道系統不完備； (5)災害防護措施有效性存疑； (6)水土保持設施對現有地形地貌衝擊； (7)生態保育及復育不足； (8)建築設施設計不當。 2. 山坡地社區工程災害原因：地形、地質、地下水調查不夠完整，邊坡穩定分析考慮未盡周延，安全係數選擇可能因預算考量而不夠嚴謹。 (1)擋土牆側壓力估算不當； (2)擋土牆排水濾層施工不當； (3)填方夯實不當； (4)排水設施不足； (5)地震力估計不當。 3. 山坡地社區災害類型： (1) 地滑引起之山坡地災害地滑為岩石或土壤貼沿著一明顯的破壞面向下坡處或向外運動，與未滑動體間產生相對的剪切位移，運動土石的破壞程度較低，部份仍可維持其內部構造。在台灣，最常見者為平面型地滑. 4.

(18) 第一章前言. 和弧型地滑。平面型地滑常見於岩石邊坡之中，與地質構造因素間的關連性較崩落型為高，該類滑動之滑動面為既存於岩體當中的不連續面，不連續面的傾斜方向和坡向相同，即所謂的「順向坡」，當不連續面之傾角大於滑動面上的溼內摩擦角，且坡腳因為自然作用的切蝕或人為的開挖而形成自由端時即會發生滑動，台北縣汐止鎮林肯大郡後方山坡的災害類型即是屬於此類。弧型地滑則常發生於組成均質、強度軟弱的厚層極軟岩邊坡或土壤邊坡中，滑動面多是在滑動行為發生前，地質體因受到應力場的變化而於邊坡內部發展形成，破壞面的形狀以弧形為主。人為的填土區、棄土區等，若是水土保持措施處理不當，都是發生弧型地滑的高危險區。. (2) 土石流引發之災害土石流經常發生在陡峻的山區溪谷中，典型的土石流危險溪流可分為發生區、流動區與堆積區三段。發生區一般位於溪谷上游，即其發源地，具備陡坡及堆積物多的特性，提供土石流所需之土砂來源，本區段土石流災害特徵為沖刷；流動區為土石流高速移動通過之地段，此區段土石流之危害特徵為撞擊。而一般位於下游或谷口扇狀地等地形較為平緩處，由於地形平坦，土石流的動能迅速減弱，最終停止下來，而堆積成扇狀、錐形或帶狀的堆積體，本區段土石流之災害型態以掩埋為主。 (3) 活斷層上方導致之災害斷層地帶岩質因受兩側地層擠壓與錯動之強烈運動，使斷層面形成一條剪力破碎帶，如遇地震更可能產生較大的位移，因此建築技術規則建築設計施工之「山坡地建築專章」明訂活斷層地帶不得開發之範圍如表 1.3。 (4) 崩積土坡導致之山坡地災害坡體中的岩石或土壤等地質材料因風化或侵蝕作用，而向下產生塊體運動，並於下坡趾處造成堆積現象稱為「崩積土層」。. 5.

(19) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 其崩積之地質材料膠結鬆散，容易透水，常因豪雨或不當開挖而再次產生局部或整體滑動。表 1.3 活斷層地帶不得開發範圍(內政部營建署，1997b) 歷史地震規模 M≧7 7 ﹥M ≧ 6 M < 6 或無記錄者. 不得開發建築範圍斷層帶兩外側邊各 150 m 斷層帶兩外側邊各 50 m 斷層帶兩外側邊各 30 m 內. (5) 泥岩邊坡導致之山坡地災害因泥岩邊坡組成的顆粒較細，含水後易降低抗剪強度而導致邊坡破壞，使建築物的基礎產生變形或下陷現象。泥岩表面不易透水，其坡面易產生沖蝕現象，而造成坡體崩塌。 (6) 河谷沖積扇可能之山坡地災害溪流從山谷內流至山麓或平原時，因坡度降低，水流面積擴大，使得流速銳減及搬運力降低，於是溪流中的地質材料便在谷口進行堆積，形成以谷口為頂點，向低處形成扇狀分布的堆積地形，稱為沖積扇。建築物若位於活動性之沖積扇上，則有受衝出谷口的土石流沖毀或掩埋之虞。 (7) 紅土台地邊坡導致之山坡地災害由紅土台地形成之邊坡稱為紅土台地邊坡。紅土具有遇水膨脹，強度弱化與其細粒料易擴散流失之缺點，當豪雨或持續性梅雨侵蝕時，易造成坡地的崩塌或土石流災害。紅土台地容易因地表水的沖蝕而分割成許多小型. 裂區域，為邊坡產生潛在. 破壞的常見因素。 (8)地下水可能影響坡地安全之原因地下水增高，邊坡內孔隙水壓增大，有效抗剪強度減小，因此邊坡穩定性亦隨之減小。地下水在裂隙與層面間將產生橫向推力與上浮力，兩者皆加速岩體邊坡之破壞。. 6.

(20) 第一章前言. (9)排水不良可能影響坡地安全之原因 a. 增加土壤含水量，致使承載力降低而造成不均勻的地層下陷； b. 減少土壤的凝聚力而導致土方崩塌； c. 增加土壤的側壓力而危害擋土設施； d. 沖蝕坡腳造成土壤滑動現象； e. 減低岩層間的摩擦力而造成岩層滑動。. 第三節研究方法與內容本研究首先針對土釘工法之特性作一完整之敘述，包括加勁機制、土釘類型、土釘工法之優點與限制，以及施工注意事項，此內容詳述於第二章。第三章為土釘應用於坡地社區之措施與範圍，內容為蒐集國內外土釘工法之研究，針對土釘在各種地質之拉出阻抗、土釘之防蝕處理與排水系統，以及土釘加勁邊坡之適用範圍彙整研究，期能提供坡地社區邊坡補強選用土釘工法之參考。目前國內於坡地社區常見邊坡穩定措施簡介於第四章，包括各擋土結構物之設計原則、特性與適用範圍，並分析及歸納各擋土措施配合土釘施行補強，在適用性上之優缺點，提供土釘配合其他工法之參考。經上述歸納分析後，計畫中另蒐集國內採用土釘工法補強之坡地社區的成功案例，其一為苗栗縣明德水庫集水區仁隆村崩塌地，其二為關渡新天母社區。除了分析崩塌機制與條件，並研究案例使用土釘補強後之成效，希望藉由現地經驗提供設計與施工之參考，並驗證土釘工法於坡地社區補強之適用性。隨著自然生態保育意識逐漸高漲，工程建設對環境生態的影響也受到高度關注，近幾年政府單位全力推行生態工法，對自然環境衝擊較大的施工方式，也必須儘量考量對原有生態的保護與施工後的復育。因此，計畫中同時就上述兩個案例，由施工前後植生情形評估土釘工法對於生態環境的影響，並建議配合. 7.

(21) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 植生復育之施工方式。第六章採用電腦數值分析，探討土釘應用於一般邊坡之加勁機制及較佳配置方式，並建議土釘邊坡補強之設計分析方法，以提供工程實務界之參考。本計畫之研究流程圖如圖 1.1。. 圖 1.1 研究流程圖. 8.

(22)

(23) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 第二章土釘工法之特性土釘加勁是藉由植入具抗張特性之加勁材料，並使其穿越預估的可能破壞面的方式，以加勁現有地層，並增加土壤整體穩定性；其施工方式係將鋼棒或碳纖維棒依一定間距植入土中以達到加勁之成效。植入方式一般先於預定施作位置鑽孔，後將鋼棒(一般採用#5~#10 之螺紋鋼筋)或碳纖維棒插入鑽孔，再以水泥砂漿以低壓填充孔洞與鋼棒或碳纖維棒間之空隙。灌漿完成後之土釘與現地土壤結為一體，形成一類似重力式擋土牆構造，以抵抗牆後土壓力並抑制其變形，防止邊坡破壞，如圖 2.1 所示。. 圖 2.1. 10. 土釘邊坡示意圖.

(24) 第二章土釘工法之特性. 第一節發展歷史與應用範疇土釘加勁技術的觀念，應回溯到 1960 年代初期所發展的新奧隧道工法(NATM)，此工法利用柔性支撐系統（鋼絲網噴凝土、輕型鋼支堡、岩栓）於硬岩中隧道斷面的開挖支撐，提供岩體約束力量，使隧道周圍之地盤構成一承載環，隧道變形得以迅速穩定。此觀念幾乎在同一時期（1970 年代）由歐洲許多國家(德國、法國、西班牙等) 各自提出應用於開挖支撐或邊坡穩定之土釘加勁技術。文獻上記載（Bruce 與 Jewell，1987），最早應用土釘加勁技術於邊坡穩定始於 1972 年，法國著名的承包商 Bouygues 將新奧隧道工法的施工經驗推廣至邊坡開挖之支撐穩定，在法國凡爾賽(Versailles) 城市附近為拓寬一處鐵路路基之邊坡開挖工程中，採用緊密間距，且預先鑽孔置入鋼棒再灌漿之土釘，並配合鋼絲網噴凝土以穩定坡面 (圖 2.2)。工程總長 965m，最大坡高 21.6m，坡度 70°，土層屬於黏土質砂土，摩擦角 33°~40°，凝聚力 20kPa；土釘長度於較上層採用 4m，較下層採用 6m，水平和垂直間距均為 0.7m，土釘與坡面呈直角，即土釘傾角約 20°；鑽孔前先以 50～80mm 厚之鋼絲網噴凝土保護坡面，再進行鑽孔；於直徑 100mm 之鑽孔內置入 2 根直徑 10mm 之鋼筋，並進行孔內灌漿及承載鈑鎖定。最後，於臨時性的支撐坡面上，再構築鋼筋混凝土牆，以做為永久性之擋土設施。這是有詳細記載的第一個土釘工程，而當時的施工方法也一直沿用至今。兩年後(1974 年)，上述承包商又在法國巴黎地鐵站開挖工程中首次採用非鑽孔之灌入式土釘，土釘為直徑 40～49mm 之圓形鋼管。之後，圓形鋼管在其他工程中被角鋼取代，以獲得更佳灌入地層的能力。經過這幾年的發展，土釘加勁技術很快地在法國各地得到推廣，除了應用於新建的基礎開挖支撐與邊坡穩定工程上，也應用於舊有擋土牆的修復與加固。雖然土釘加勁技術迅速發展，但有關土釘力學行為和設計方法之 11.

(25) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 研究卻遠落於後；因此，法國政府於 1985 年開始進行一項名為 Clouterre 的四年研究計劃，共投資約 400 萬美元，包括政府研究機構、學校及施工承包商等 21 個單位參與。這項研究包括 3 組大型土釘試驗牆，及 6 處現地土釘擋土牆之監測，以深入瞭解土釘擋土牆之行為。除了法國之外，德國應用土釘加勁技術也非常廣泛， 1979 年於 Stuttgart 城市附近建造了 14m 高之第一座永久性土釘擋土牆。同年， Stocker 等人基於模型試驗觀測結果，依破壞面為雙直線之假設，提出第一個土釘設計方法(German 法)。過去二十幾年土釘發展過程中，除了採用重力灌漿式土釘之外，亦有部分以高壓灌漿或擴座等方式來增加土釘與周圍土壤之握裹力。國內在土釘加勁技術之應用起步較晚，近幾年於一些私部門的基礎開挖支撐工程和現有邊坡補強工程上，可見土釘技術逐漸的應用；不論做為暫時性支撐結構或永久性擋土結構，都有許多成功的案例，值得推展應用至現地邊坡整治工程上。除了上述應用於邊坡穩定、基礎開挖之外，此工法亦可用於橋台、路堤、隧道出入口及其周邊之護坡工程；且國外也曾將土釘運用於瀕臨破壞之老舊擋土牆或變形過大之加勁擋土牆，做為二次補強。. 圖 2.2 Versailles-Chantiers 車站土釘牆斷面圖(Bruce 與 Jewell，1987) 12.

(26) 第二章土釘工法之特性. 第二節加勁機制概述土釘屬於剛性材料，承受張力、剪力及彎矩，土釘必須藉由土壤的變形，才開始發揮加勁功能；因此，土釘與土壤間之互制作用就顯得相當重要。土釘加勁效應的發揮，主要與土釘和土壤間之相對勁度和兩者界面間之摩擦特性，以及土釘結構中之土壤變形有關。土釘加勁結構體依受力狀態可分為主動區與阻抗區，如圖 2.3，主動區即為潛在滑動楔塊，阻抗區則為穩定區。土釘加勁可分為以下兩項基本機制： 1. 當主動區產生下滑驅動力時，由於滑動楔塊內土壤與土釘摩擦之束制作用將土釘軸力傳遞至阻抗區，藉著阻抗區土釘與土壤間之摩擦阻抗及土釘抗張力來抵抗該驅動力，因此土釘設計要求乃是確保土釘與土壤間能有效發揮互制作用，以抵抗主動區土層之滑移。 2. 土釘受潛在滑動面兩側土體之剪向相對位移，而發展出作用於土釘上之被動土壓力，使得土釘得以發揮剪力與彎矩以抵抗主動區之滑移。土釘受力機制，早期以模型和現地試驗，觀察土釘加勁結構於破壞時土釘可提供抵抗剪力和彎矩之作用(Beech 等人，1984；Plumelle 等人，1990)，也因此許多設計方法將土釘之剪力和彎矩納入考慮 (Schlosser，1982；Juran 等人，1990；Schlosser 與 Buhan，1990)。然而，近幾年不論在直剪試驗、理論分析或數值模擬的研究(Pedley， 1990；Shewbridge 與 Sitar，1990；Jewell 與 Pedley，1992；Raju，1996； Raju 等人，1997；Hong 等人，2003a)皆顯示土釘主要承受張力，而剪力和彎矩的發揮很小；對於垂直開挖，即使整體土釘加勁結構瀕臨破壞，土釘之剪力發揮程度仍小於張力發揮程度之 5％（Hong 等人， 2003a），因此於垂直開挖支撐時可忽略土釘之剪力與彎矩，而僅考慮軸力作用即可。但因本計畫主要將土釘應用於一般山坡地社區邊坡 13.

(27) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 補強工程上，因此，於第六章將以數值方法分析土釘於坡地加勁結構體內之受力機制，作為設計分析時之依據。. 圖 2.3. 土釘受力機制. 第三節土釘類型一般最常使用之土釘稱為鑽孔灌漿釘，即先在欲加勁之土層鑽孔，置入螺紋鋼筋，再灌漿填孔，使得鋼筋和外裹的水泥砂漿結合，並與周圍土壤形成一結構體。為了確保鋼筋置入鑽孔中心位置，使得鋼筋周圍有足夠的漿體作為保護層，因此沿鋼筋每隔 2~3m 設置中心固定器(如圖 2.4)。使用於土釘之鋼筋直徑大多為 16~32mm(#5~#10)，降伏強度約 400~500MPa；鑽孔直徑則約為四倍鋼筋直徑，即約 70~120mm。 14.

(28) 第二章土釘工法之特性. 圖 2.4 鑽孔灌漿釘構造. 土釘之鑽孔技術大致與地錨相同，鑽孔方式取決於欲加勁地層之特性與施工單位已有之設備條件。一般在硬黏土和緊密粒狀土壤的鑽孔多採用旋轉鑽，旋轉鑽又分實心與空心兩種鑽桿，即在鑽孔時利用壓縮空氣或水將孔內土粒排出；採用這種方法時，另外可選擇套管使用於較易坍孔的土層，但若使用套管則應避免使用泥漿護壁，因為很難將其洗淨，會導致界面黏結力大幅降低。灌漿釘之灌漿方式也有許多種類，最簡單的為重力式灌漿，鑽孔需向下傾斜 10°以上，為改善土釘與土體之界面黏結力，一般情況下宜採用低壓灌漿(灌漿壓力≦0.5MPa)，此時需同時設置止漿塞及排氣孔。若土釘於端部車有螺紋並通過螺母、承載鈑與面層相連，則在灌漿硬結之後拴緊螺母，亦可使得土釘產生微量之預應力，約為設計拉力的 5%~10%。. 15.

(29) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 除鑽孔灌漿釘外，尚有其他類型：擊入釘. 1.. 使用角鋼、圓鋼或鋼管作為土釘材料，由振動沖擊或液壓錘擊，只將土釘打入而不灌漿，因此與土體的接觸面積小，加上釘長又受到限制，所以土釘配置需較密集，每平方公尺內需配置 2~4 根土釘。擊入釘的優點是不需鑽孔，因此施工極為快速，但不適用於卵礫石層及鬆散砂土，擊入釘在緊密砂土中的加勁效果優於黏性土壤。灌漿擊入釘. 2.. 使用表面帶孔的鋼管，底部封閉，在擊入後由管內灌漿並透過鋼管壁上的孔將漿體滲出。國外有特殊加工的土釘，在軸向有孔槽，能在置入土體後灌漿使土釘與周圍土體黏結。德國曾發展底部呈擴大狀的土釘，稱 Bauer system，在置入土釘時能在鋼筋與周圍土層間形成環形空隙並同時灌漿填充。高壓噴射灌漿擊入釘. 3.. 這種土釘中間有縱向小孔，由高頻率沖擊振動錘將土釘擊入，同時以約 20MPa 的壓力，將水泥漿從土釘底部的小孔中射出。在土釘置入土體的過程中，流射出的水泥漿不但能發揮潤滑作用，並且能滲透入周圍的土體，達到提高土釘與土體間黏結力的效果。氣動式射擊釘. 4.. 為英國開發，藉由高壓氣體作為動力，氣體發射時作用於土釘的擴大端，造成土釘在置入土體的過程中受拉力作用。這種射擊釘直徑有 25mm 與 38mm 兩種尺寸，每小時可射入 15 根以上之土釘。德國的 Ischebeck 公司也開發出一套稱為 TITAN 30/11 的特殊中空式土釘，土釘內外徑分別為 11mm 和 30mm，土釘本身可作為鑽桿，鑽入土體同時可由土釘中孔灌漿。. 16.

(30) 第二章土釘工法之特性. 第四節土釘工法之優點土釘工法具有下述之優點 1. 土釘之施工設備簡單、機具輕巧且機動性高，因此，對於已開發完成之社區狹窄作業環境仍可輕易施工。 2. 土釘施工時噪音低、震動小，故特別適用於都會區或坡地社區。 3. 土釘由於無須額外施加預力，因此工期較短。 4. 土釘之打設密度較高，若有局部土釘因施工不當或其他因素而失效，則對於整體穩定性而言影響較低，且可視情況補充打設。 5. 土釘之長度較短，對於鄰地之干擾範圍較小。 6. 施工之機動性高，因此特別適用於不規則之坡面，且可於施工過程中，因應實際地層之條件或障礙物，調整打設位置及數量。 7. 土釘邊坡屬於柔性之構造物，能承受較大變形且耐震性佳。 8. 土釘前端面版因承受土壓力較低，因此對於面版之勁度及強度要求較低，可採用較經濟之噴凝土，或採型框植生方式以減少對現地環境之衝擊。 9. 就施工成本而言，土釘與地錨工法相較，約可節省 10% ~ 30﹪之費用（Bruce 與 Jewell，1986）。. 第五節土釘應用的限制與注意事項一、土釘工法之限制： 1. 土釘不適合使用在軟弱或高潛變之黏土層，因無法提供土釘界面足夠之握裹力；如果在上述粘土層採用土釘加勁，則在長度及密度方面均需提高，故較不經濟可靠。土釘加勁在各種地質條件下的適用範圍請參閱第三章第六節。 2. 如經地質調查顯示有深層滑動的可能(如順向坡)，單靠土釘可能. 17.

(31) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 無法滿足設計需求（土釘長度一般在 2~12m 間），必須搭配其他擋土措施如地錨一起施作運用以符合安全需求。二、土釘工法之注意事項 1. 由於土釘打設密度高，尤其對於坡地住宅區而言，應事先做好詳盡之既有地下構造物調查，諸如地下車道、管溝及其他維生管線等，以免施工時造成損害。 2. 對於地下水位高之地區，應配合採用適當之降水工法或坡面排水工法。 3. 對於高靈敏度或膨脹性黏土而言，應謹慎評估土釘施工因土層之擾動及土壤遇水弱化之情形。 4. 若為永久性結構，則須考慮土釘之防鏽與耐久性，應依其使用功能、年限及現地腐蝕環境，評估防鏽蝕處理之方式與必要性。土釘之防蝕處理請參閱第三章第三節。. 18.

(32) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍設計土釘加勁邊坡必須充分掌握土壤與土釘之力學行為、強度參數及界面參數等，因此需事先進行相關之試驗與分析，所需參數應包括： 1. 土壤性質：含水量、單位重、粒徑分佈、阿太堡限度、土壤分類、強度參數(c、φ)等。 2. 土釘的力學性質：土釘的抗拉力、剪力強度及撓曲勁度等。 3. 土釘與土壤界面間之握裹性質：設計土釘加勁邊坡前或施工時應於現地進行適量之拉拔試驗，以求取土釘與現地土壤界面之摩擦阻抗，尤其是對於大型工程而言更為重要。 4. 作用於土釘上之側向土壓力：必須事先預估土壤之水平地盤反力係數。 5. 土釘的幾何條件：土釘尺寸、形狀、長度及打設角度等。 6. 土釘施工方式：如灌漿釘、擊入釘等，詳細施工方式請參閱第二章。 7. 邊坡頂面荷重情形、地下水位高度及現地其他影響因子。. 第一節土釘於各種地質之極限拉出阻抗土釘與土壤界面之摩擦阻抗，是土釘得以發揮作用的基礎。不同的灌漿壓力和鑽孔方法對於界面的黏結性能產生重大影響，對於滲透係數在 10-2~10-1cm/s 之間的砂、礫石和軟弱岩體，漿體可滲入土體孔隙或岩體裂隙中，進而提高黏結範圍；而滲透係數小於 10-3cm/s 的粉細砂，則應使用壓力灌漿使其密實。另外鑽孔方式、鑽孔直徑、土釘形狀、土壤強度與施工技術都會影響土釘之摩擦阻抗，Lazarte 等人(2003)將現地土釘拉出試驗之結果歸納整理如表 3.1，該表僅能作為初步設計參考之用，對於實際拉出阻抗，必須於 19.

(33) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 現地施作土釘拉出試驗，俾能與原設計之假設比較或進一步修正。 Schlosser(1982)由現地拉出試驗之結果，建議土釘與土壤間之極限摩擦阻抗τmax 可表示為τmax=µ σ0，其中µ 為視摩擦係數，σ0 為覆 ﹡. ﹡. 土壓力，且極限摩擦阻抗於地表下 10m 內大約不隨深度變化。對於顆粒性土壤，土釘與土壤間之摩擦阻抗主要由土壤的膨脹行為所控制，由於土壤膨脹的束制所增加作用在土釘上的正向應力，於低覆土壓力下(σ0＜100kPa)更加顯著，甚至高達 10 倍之覆土壓力。至於黏性土壤，一般土釘極限拉出阻抗偏低，特別是軟弱黏土層，因此所需之土釘長度很長，相對地成本也將提高，並不適合使用土釘加勁方法。. 第二節土釘結構一般性參數土釘支撐的結構參數如土釘長度、分佈密度、傾角等指標，主要依靠工程經驗並經過分析計算而定。Bruce 與 Jewell(1987)曾歸納國外早期工程數據，提出土釘結構的四個參數指標： 1. 長度比－L/H，其中 L 為土釘長度，H 為加勁結構的高度。 2. 粘結比－DL/S，其中 D 為孔徑，S 為每一個土釘承受的土體面積，即為土釘水平間距和垂直間距的乘積。 3. 強度比－d2/S，其中 d 為土釘鋼筋直徑，如果土釘非圓截面，則以面積相等的原則來確定等效直徑 d，並以粘結面積相等的原則來確定等效孔徑 D。這些參數的範圍如表 3.2 所示，適用於無地下水作用的土釘加勁陡坡（坡度＞70°），國內實務界欲應用需適當修正。. 20.

(34) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 表 3.1 土釘極限拉出阻抗(Lazarte 等人，2003) 岩層之極限拉出阻抗岩石種類泥岩/石灰岩沸石白堊石軟弱白雲岩具裂隙白雲岩風化砂岩風化頁岩風化片岩玄武岩硬頁岩. τ max (kPa) 300 – 400 100 – 300 500 – 600 400 – 600 600 – 1000 200 – 300 100 – 150 100 – 175 500 – 600 300 – 400. 非凝聚性土壤之極限拉出阻抗土壤種類砂土/卵礫石沈泥質砂沈泥崖錐堆積細顆粒崩積層. τ max (kPa) 100 – 180 100 – 150 60 – 75 40 – 120 75 – 150. 沈泥質砂土沈泥質細顆粒砂土沈泥質的黏土質砂. 20 – 40 55 – 90 60 – 140. 砂土砂土/卵礫石凝聚性土壤之極限拉出阻抗土壤種類沈泥質黏土. 380 700. 施工方式. 旋轉式鑽掘. 施工方式. 旋轉式鑽掘. 螺旋鑽掘. 噴射灌漿施工方式旋轉式鑽掘. 黃土軟弱黏土堅硬黏土堅硬黏土質沈泥石灰質的砂質黏土. 螺旋鑽掘. τ max (kPa) 35 – 50 25 – 75 20 – 30 40 – 60 40 – 100 90 - 140. 表 3.2 土釘支撐結構參數(Bruce 與 Jewell，1987) 土釘類型重力灌漿式灌入式. 地質材料砂質土層堅硬粘土層砂質土層. L/H 0.5~0.8 0.5~1.0 0.5~0.6. 設計參數 DL/S 0.3~0.6 0.15~0.20 0.6~1.1. d2/S (10-3) 0.4~0.8 0.10~0.25 1.3~1.9 21.

(35) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 此外，陳肇元和崔京浩(1997)也曾建議鑽孔灌漿釘在初步設計釘長、間距和傾角之原則： 1. 釘長對陡坡土釘而言，於工作應力狀態下，上下土釘的最大軸力相差甚多，一般為高度約一半處之土釘軸力最大，而頂部和底部都偏小，但是頂部土釘對於限制最大水平位移甚為重要。如果頂部土釘較短，在土釘尾部或尾部以外的上方地表容易出現裂隙，所以在坡地社區採用土釘補強，更需加長頂部土釘的長度；至於底部土釘也不宜過短，否則不利於整體抵抗基底滑動、傾覆、或基底底部失穩。另外當土釘結構接近極限狀態時，底部土釘的軸力會明顯增大，所以削弱下部土釘的作法並不合理。因此在一般的均質土層中，將上下所有土釘取成等長，或頂部土釘稍微偏長較為合適。一般坡地社區施工，非飽和土壤土釘長度 L 值宜在 0.6~1.0 牆高範圍內，對頂部土釘不宜小於 0.8 倍牆高。 2. 土釘密度為使土釘與周圍土壤形成一體，土釘的間距顯然不能過大，目前無足夠理論依據的定量指標，但土釘水平間距與垂直間距的乘積應小於 6m2。一般工程選擇土釘的水平間距與垂直間距相等，在非飽和土中為 1.2~1.5m 左右，對堅硬黏土或風化岩土可超過 2m，在軟弱土層中則小於 1m。一般而言，土釘的間距不宜超過 2m，底部土釘的間距也不宜減少，除非底部土層具有較強的抗剪能力。 3. 土釘傾角陡峭的土釘結構，土釘傾角一般在 0°~25°之間。粒狀土層中的模型試驗顯示，增加土釘傾角使結構的位移和地表角變位增加，傾角大時增加的趨勢更為明顯；有限元素法分析結果也有相同結論。依極限平衡法分析整體穩定性的結果顯示土釘傾角在 5°~20°範圍內，加勁結構的穩定性安全係數最大。所以除非重力灌漿的需要，. 22.

(36) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 或者更大的傾角有利於土釘插入下層較好的土層內，土釘的傾角不宜超過 15°。. 第三節土釘之防蝕處理為確保土釘在設計使用年限內，不會因鋼材的腐蝕破壞而降低或喪失加勁之效能，在設計及施工時必須考量土釘的防蝕處理。除了掌握現地腐蝕環境，選擇處理方式時也應以對土釘最不利的條件來決定。一、腐蝕形式生鏽是一種電化學反應，表面的一處電子移至另一處，失去電子之處成為陽極，得到電子之處成為陰極；陽極反應的鐵成為+2 價之鐵離子，陰極則為水分子還原成氫氣與氫氧根離子。陽極的+2 價離子與陰極之氫氧根離子接觸生成氫氧化鐵，再氧化變成水和氧化鐵，而此生成物即為所謂的鏽，鏽剝落後下層之鐵還會繼續氧化。鋼材之腐蝕形式分為下列三種：(廖洪鈞等人，1994) 1. 氫脆化(Hydrogen embrittlement)(如圖 3.1) 2. 痘痕式腐蝕(Pitting corrosion) (如圖 3.2) 3. 應力腐蝕(Stress corrosion)(如圖 3.3) 痘痕式腐蝕作用會減少鋼材的斷面積，降低張力強度，同時也會因體積膨脹而使土釘鋼筋周圍漿體受到張力而破裂；氫脆化及應力腐蝕作用將降低鋼材的延展性而成為脆性材料。在上述三種作用中，痘痕式腐蝕作用是因氯離子而產生的，而氫脆化腐蝕作用則由氫離子的作用造成，所以氯、氫離子的充足與否，對於鋼材的腐蝕性有決定性的影響。因此，環境條件對於土釘的防蝕處理是相當重要且必須瞭解。. 23.

(37) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 圖 3.1 氫脆化示意圖（重繪自廖洪鈞等人，1994）. 圖 3.2 痘痕式腐蝕示意圖（重繪自廖洪鈞等人，1994）. 圖 3.3 應力腐蝕示意圖（重繪自廖洪鈞等人，1994） 24.

(38) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 二、腐蝕環境造成鋼材鏽蝕與環境條件的關係如下： 1.. pH 值對於鋼材而言，酸性愈強，腐蝕速度愈快，尤其當 pH 值在 4 以. 下時腐蝕甚速，單使用高鹼性水泥漿體的保護，易因裂隙或碳化或氯離子存在而降低，因此仍須有其他保護措施如表 3.3. 表 3.3 pH 值與防蝕處理之對策(FIP，1986). 2.. pH 值. 防蝕處理. 5.5 以上. 地下水滯留時，良好之水泥漿體不會受到侵蝕. 5.5~3.5. 使用水密性之漿體，如水泥加粉狀飛灰或高爐渣等. 3.5 以下. 使用一般波特蘭水泥系以外的灌漿材料(如抗硫水泥). 視電阻值地層之視電阻值與土壤的含水量及地層之透水性有關，FIP(1986). 建議之地層視電阻值與酸化還原勢能值及腐蝕度大小關係如表 3.4 所示。. 表 3.4 地層的腐蝕標準(FIP，1986) 腐蝕度. 視電阻值(ohm-cm). 酸化還原勢能值(mV). 大. 700 以下. 100 以下. 中. 700~2000. 100~200. 小. 2000~5000. 200~400. 輕微或沒有. 5000 以上. 400 以上(若在黏性土中). 25.

(39) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 3.. 細菌厭氧的硫酸鹽還原細菌，常存在於土壤及水中，特別是飽和的. 黏土層，這種菌新陳代謝的結果產生硫化離子會腐蝕鋼材，特別是有刮痕處，腐蝕會特別嚴重。在 pH 值為 7.5 的中性土壤中，此種硫酸鹽還原菌可能更加活躍。 4.. 土壤中之溶解成分地下水中的游離碳酸、火山溫泉地帶或工廠附近之亞硫酸氣及. 硫化物、有機物腐敗產生的阿摩尼亞、鹽化物及硫化物等都會加速腐蝕，而如磷酸離子、硝酸離子、碳酸離子、游離鹼、及易吸附之陽離子(如 Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Fe2+等)則不會造成腐蝕或可以減少腐蝕的速度。 5.. 游離電游離電(鐵路或電車軌道附近)可能使拉力鋼材產生腐蝕，若施工. 區位於附近，宜應設計隔離系統，以減少腐蝕機會。三、腐蝕速率依照美國國家標準局(National Bureau of Standard, NBS)鏽蝕試驗結果，Elias(1997)建議以下公式(1)(2)作為土釘鏽蝕及使用年限參考依據：一般鋼筋： X=40t0.80………...………………………………………………..(1) 鍍鋅鋼筋： X=25t0.65………………………………………………………….(2) 式中 X 為腐蝕深度，t 為時間以年為單位。根據 Camitz 與 Vinka(1989)的研究，一般鋼筋及鍍鋅鋼筋在低 pH 值的環境下鏽蝕速率皆較快；若以土壤來區分，則兩種鋼筋在黏土中的鏽蝕速率較快，而在砂土中則較慢。若考慮水的影響，研究 26.

(40) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 中發現一般鋼筋在地下水之上的鏽蝕速率較在地下水面之下為高，但對於鍍鋅鋼筋則無明顯差異。 ZALAS(1985)建議僅以鍍鋅處理之鋼筋不應於 pH 值小於 6 或 pH 值大於 12.5 的環境下使用，而在 pH 值為 6 至 12 之間，鍍鋅的薄膜保護則可達到降低鋼筋鏽蝕速率的效果。四、防蝕處理方法概述作為永久性土釘，可採取的防鏽蝕措施大致如下： 1. 加大土釘鋼筋的截面積。這種方式是目前最簡單且最為廣泛採用的方式(Shiu 與 Cheung，2003)，根據現場情況預測鋼筋的鏽蝕率，按照規定的使用年限，確定可能的最大鏽蝕深度，並將其加到土釘鋼筋的直徑上。鏽蝕產物會形成一層保護膜介於鋼筋及周遭環境之間，可藉此以降低腐蝕速率。 2. 使用水泥砂漿保護層。即採用一般灌漿方式之土釘，保護層厚度不小於 30~40mm；由於土釘受拉會引起砂漿保護層開裂，所以水泥砂漿在許多國家被視為不具防蝕保護功效，因此在計算腐蝕速率時需將土釘視為無水泥砂漿保護之一般鋼筋(French National Research Project，1991；Mitchell 與 Villet ，1987)。 3. 在鋼筋表面上鍍鋅以增加抗鏽能力。這種方法一樣需要考慮鏽蝕率並加大截面，而且這種塗層容易受碰撞損傷，在連接處也較難處理；保護層之有效時間除大致與鍍鋅厚度成比例外，並與土壤腐蝕性有關 (Murray，1993)，以目前最常見之鍍鋅厚度 85µm(610 g/m2)，在非腐蝕性的土壤中保護層可維持 21 年，但在腐蝕性土壤中僅可維持 6 年。 4. 在鋼筋表面塗環氧樹脂。這種方法為美國普遍使用，環氧樹脂藉由將鋼筋與周遭環境隔絕達到防蝕效果；為了有效防蝕，環氧樹脂塗層必須確保其連續性及不透水性，且鋼筋與塗層之間絕不可有空隙，若水或氧從塗層裂隙處進入塗層與鋼筋之間， 27.

(41) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 則環氧樹脂即喪失防蝕效果。 5. 採用塑料波紋封套。在鋼筋外面加塑料波紋套管，套管壁厚不小於 1mm，套管與鋼筋之間須留有大於 5mm 的間隙以注入水泥漿，而在套管與鑽孔之間仍灌漿封填，這種方式最為可靠； Barley(1992)曾提出採用雙層封套的防蝕方法，使鋼筋為兩層同心塑料波紋套管所環繞包圍，鋼筋與套管間隙同樣注入水泥漿；此方式施工技術難度較高，目前國外也甚少採用。五、美國、法國、英國及香港土釘防蝕處理方式 . 美國防蝕處理方式美國土釘防蝕處理目前主要依據 Byrne 等人(1998)提出之方. 式，除不適合使用土釘補強之地層(例如現地標準貫入試驗 N 值小於 10 之疏鬆砂土、相對密度低於 30%之土壤、有機土壤)外，防蝕保護皆依照土釘結構設計使用年限及土壤的腐蝕性為依據。表 3.5 為美國防蝕處理之細節；至於鍍鋅在美國並非標準之土釘防蝕保護方式。. 表 3.5 美國土釘防蝕處理方式(Byrne 等人，1998) 使用類型. 土壤腐蝕性. 防蝕方式 1. 使用塑料波紋套管。. 具腐蝕性. 2. 套管與鑽孔間隙需大於 12mm，鋼筋與套管間隙需大於 5mm。. 永久性結構. 1. 使用環氧樹脂，最小塗層厚度為. (75~100 年) 非腐蝕性. 0.3mm。 2. 最小灌漿厚度為 25mm。 3. 中心固定器設置間距應小於 2.5m。. 暫時性結構. 具腐蝕性. 無指定方式. (1.5~3 年). 非腐蝕性. 灌漿保護. 28.

(42) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 至於土壤腐蝕性之定義，Byrne 等人(1998)也提出一分類法則如表 3.6 所示。土壤只要符合表中任何一項即屬於具腐蝕性土壤。. 表 3.6 土壤腐蝕性分類表(Byrne 等人，1998). . 土壤性質. 臨界值. 視電阻值. 2000 ohm-cm 以下. pH 值. 5 以下. 硫酸鹽含量. 200 ppm 以上. 氯離子含量. 100 ppm 以上. 法國防蝕處理方式 French National Research Project(1991)為法國防蝕處理主要參考. 依據，採用之處理方式以加大斷面積及配合塑料波紋套管為主，對於鋼筋鍍鋅能產生的防蝕效用予以忽略。法國將土釘結構的設計使用年限分為三類：短期(1.5 年以內)、中期(1.5~30 年)、永久性(30~100 年)，防蝕保護處理方式則由土壤腐蝕性及設計使用年限決定，如表 3.7，表中的數字為土釘截面半徑需要加大的尺寸。. 表 3.7 防蝕加大截面積(French National Research Project，1991) 臨時(≦1.5 年). 1.5~30 年. 30~100 年. 輕度腐蝕性. 0. 2mm. 4mm. 中度腐蝕性. 0. 4mm. 8mm. 中高度腐蝕性. 2mm. 8mm. 加用塑料套管. 高度腐蝕性. 必須加用塑料套管. 29.

(43) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. . 英國防蝕處理方式英國土釘結構防蝕處理參照 Murray(1993)所提出之建議方式。. 表 3.8 為鍍鋅鋼筋於不同腐蝕性土壤中之腐蝕速率；圖 3.4 為鋼筋於不同腐蝕程度之土壤中隨使用年限與損失厚度之關係。對於高度腐蝕性土壤，Murray(1993)不建議於永久性結構中採用土釘。除了鍍鋅與加大斷面之外，Murray(1993)也建議更進一步之防蝕保護，即採用塑料波紋套管，但對於套管並無建議之適用條件或使用方式。. 表 3.8 鍍鋅鋼筋於不同腐蝕性土壤中之腐蝕速率 (Murray，1993) 土壤條件. 鍍鋅層腐蝕速率. 厚度 85µm(610 g/m2). (Eyre and Lewis，1987). (µm/year). 鍍鋅層預估使用年限. 無腐蝕性. 4. 21 年. 輕度腐蝕性. 8. 11 年. 腐蝕性. 14. 6年. . 香港防蝕處理方式香港對於土釘防蝕處理並無特定標準，對於臨時性土釘結構，. 通常將土釘周圍灌漿視為防蝕保護層；而永久性之土釘結構，香港大地工程處(GEO)目前建議以加大鋼筋斷面並於表面鍍鋅之防蝕方式(Shiu 與 Cheung，2003)，另於極少部分需要高度防蝕保護地區可使用塑料波紋套管。一般而言，通常以加大鋼筋半徑 2mm，並配合鍍鋅厚度 85µm(610 g/m2)；若以土釘結構最常使用之＃8 鋼筋為例，加大斷面半徑 2mm 之後，即等於採用＃10 鋼筋。. 30.

(44) Sacrificial Thickness per Exposed Surface (mm). 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 腐蝕性. 輕度腐蝕性. 非腐蝕性. Elapsed Time (Year). 圖 3.4 不同腐蝕環境土釘所需犧牲之厚度(Murray，1993). 六、台灣地區防蝕處理建議方式台灣過去對於土釘工法並無一套標準之施工方針或規範，針對土釘之防蝕處理也缺乏相關研究成果可供參考依循；因此，本計畫謹評估上述鏽蝕條件、計算及各國防蝕處理，可供國內實務界設計及施工參考之依據。在土壤腐蝕性的定義上，本計畫建議可採用美國土壤腐蝕性分類(Byrne 等人，1998)，如表 3.6。在與各國之土壤腐蝕性分類評估相較之下，此一分類方法實較為簡單且易於遵循。依據土壤腐蝕性質，對於土釘鋼筋防蝕處理方式，建議在一般非腐蝕性土壤中，可採加大斷面及鍍鋅防蝕的方式，因其處理方式 31.

(45) 既有山坡地社區邊坡穩定補強工法之研究—土釘. 較為簡單且國內鍍鋅技術已趨成熟。以香港經驗為例，＃8 鋼筋加大斷面半徑 2mm 之後即等於直接採用＃10 鋼筋，此方式在大量採用後並無因土釘鏽蝕造成斷裂而產生意外；而鋼筋鍍鋅防蝕早已是一種普遍的防蝕方式，僅需注意塗料之完整並避免施工上的碰撞。在具腐蝕性土壤中，建議採用外加塑料波紋套管之方式，需注意套管與鑽孔間隙需大於 12mm，鋼筋與套管間隙需大於 5mm(Byrne 等人，1998)，在套管與鑽孔之間仍需以灌漿封填，即能達到較佳之防蝕效果。至於雙層套管之方式因相關技術研究尚未成熟，故本計畫不予建議。另外於土釘外露之釘頭、承載鈑及螺帽，也必須進行防蝕處理；土釘外露部分之防蝕處理除鍍鋅外，直接噴漿也可達到防蝕保護之效果。. 第四節排水系統邊坡排水即將地下水有效引導、分流或排除至坡外，以減輕或避免地下水導致之破壞，且對於土釘成效而言，地下水的影響甚大，因此土釘加勁排水系統的完善就更形重要。對於邊坡而言，排水系統可以分為坡面排水及地下排水，兩者對於邊坡排水都相當重要。一、坡面排水系統地工織物在過濾排水的應用日趨廣泛，許多土釘加勁邊坡之坡面排水也選用地工織物作為排水帶以利將加勁土體內之水排出。在土體中，當水由較細顆粒土壤流至粗顆粒排水層時，部分細顆粒土壤會被水流帶動，而流經細顆粒土壤之孔隙，或停留於粗顆粒土壤之孔隙中；其結果將導致粗顆粒土壤穩定性之喪失或滲透性之降低，織物的設計即在使水流暢通及顆粒不致過度流失。當使用織物於顆粒狀土壤以作為過濾材時，其功能為允許部分顆粒通過織物或停留於織物孔隙內，但阻擋大部分粗顆粒於織物前，經由依序阻擋更前方的次小顆粒，催化穩定過濾層的形成。當. 32.

(46) 第三章土釘應用於坡地社區之措施與適用範圍. 使用於具些許凝聚性的良好級配土壤時，藉由纖維的交錯與折曲，於織物前形成圓拱狀自由纖維緩衝層，以防止土壤顆粒的進一步流失。故織物的功能為提供土壤形成穩定過濾層的催化材料，地工複合織物的照片如圖 3.5 所示。. 圖 3.5 地工複合物排水帶(左圖為單面不織布，右圖為雙面不織布). 理論上織物濾層之設計原理與級配濾層並無差異，但織物的高壓縮性質使其開孔結構(水流管道)變得複雜。要有效執行過濾功能，地工織物必須在設計年限內達到四項基本要求：(1)防止大多數土壤顆粒的移動：(2)提供足夠的水流能力；(3)提供足夠的開孔路徑，使部分顆粒停留於織物孔隙後，尚不致過度阻礙水流；(4)抵抗包括施工過程及使用期間的外來刺激，如溫度、化學、紫外線、應力等。為了防止過量的顆粒流失，法國地工織布與地工不透水布協會 (CFGG，1986)限制織物最大開孔徑的公式為 33.