運用低強度再生材料替代橋樑進橋板之研究 -以義隱二號橋為例

全文

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國立宜蘭大學土木工程學系 碩士論文

Department of Civil Engineering National Ilan University

Master Thesis

運用低強度再生材料替代橋樑進橋板之研究 -以義隱二號橋為例

Study on Refilled Low Strength Recycle Material are Being Substituted for Near Bridge Abutment

指導教授:徐輝明博士 Hsu Hui-Mi Ph. D.

研究生:王錫銘

Wang his-ming

中華民國九十八年七月

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摘 要

橋樑為連接相隔之兩端,以提供人車通行的構造物。而進橋板則是銜 接橋樑及引道的共同附屬設施,目的則是用於緩和橋台與橋台兩側構造 物,與填土部分遽變產生差異沉陷為主,以達成平順銜接橋面與橋台背之 引道路面,讓通過其上的車輛都能有平順的旅途。

但因為橋台背及翼牆與引道擋土牆施築完成後,均需以土石或級配 料,將結構物背面回填至與橋面或路面相同的高程,以便後續道路面層鋪 設瀝青混凝土作業步驟,但在實際回填過程中的滾壓工作,因許多主客觀 因素,亦無法達到 100%的壓實度,即使是規範規定亦是如此。故就算是以 進橋板作為緩衝設施,仍然會因橋台與引道間不均勻沉陷,而造成高程差,

影響行車舒適度,甚至安全性。

通常解決橋台與引道間的差異沉陷方法,是最常以進橋板方式辦理。

但也有許多文獻指出,需要對進橋板所產生問題的解決對策,而其所指出 的實際問題,卻也是因為進橋板,及位於進橋板底下之回填材料,發生沉 陷所產生。所以如果能直接改善回填材料自身的性質,以再生及現地材料 之狀況下,無需特殊施工機具下,能減少沉陷量,讓橋台與引道能平順接 合,使道路橋樑能夠提供用路人有更舒適的行車旅程,故提出改良 CLSM,

以符合台灣之施工狀況之「低強度再生材料」,來解決進橋板施工,及日 後維護、管理上的問題。

關鍵詞: 進橋板、再生材料、差異沉陷、CLSM

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Abstract

A bridge is a structure built to connect two separate ends to provide passage for people and vehicles. A slab connection is a common auxiliary that connects the bridge deck and the approach.

The primary purpose of a slab connection is to connect the bridge abutment with structures on both sides of the abutment and to mitigate differential settlement in refilled soil so that the approach can smoothly connect the bridge deck and the abutment top, providing smooth passage for all vehicles crossing the bridge.

Nevertheless, the tops of the said structures are to be refilled to an elevation level equivalent to the bridge deck or the road, using earth, stones or gradation materials. This is to be done after the completion of construction at the abutment top, abutment wall and retaining wall for the approach, for greater convenience in subsequent concreting and bitumen laying of the road surface. However, due to many subjective and objective constrains, the actual rolling compaction process during the refilling cannot achieve a 100% compaction degree, even when the process is implemented in strict accordance with regulations. Therefore, even if a slab connection is adopted as the cushion, the uneven settlement between bridge deck and approach slab may still result in differences in elevation level, degrading the driving experience on the bridge or even jeopardizing user safety.

The most common solution for differential settlement between bridge deck and approach slab is the slab connection. However, it has been pointed out in many studies that other solutions are required for the issues caused by a slab connection. These issues are caused by the settlement of the slab connection and the refill materials beneath the slab connection. Therefore, if the properties of the refill materials can be directly improved and the existing in-situ materials can be recycled, settlement can be decreased without using any proprietary instruments, and the smooth joint

between bridge deck and approach slab can be guaranteed. This study proposes an improved CLSM that enables use of "low strength recycled materials" in construction in Taiwan, so that solutions can be found for bridge deck construction as well as for issues in future maintenance and management.

Keywords: Near Bridge Abutment、Recycle Material、Differential Settlement、CLSM

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誌 謝

其實早在十年前就有想繼續進修的打算,但在嘗試過乙次的失敗後,

自己就失去信心,不敢再繼續努力嘗試,就找一些理由搪塞,讓自己心理 好過些。所以要很感謝我的指導老師徐輝明博士,一直鼓勵我繼續進修,

讓我可以提起信心與勇氣,來全力完成這段學業。

在課業修習過程中,也要感謝其他老師,提醒了相當多在實務上應該 注意的原則及事項,也讓我能更廣泛的接觸相關的專業智能與新知,可以 在工作上能有更多的發揮與進步,而在學習過程當中,才了解自己的不足,

好讓自已可以設法補充,也激起了自己對某些專業知識上的學習興趣及求 知的想法,讓自己在工作與生活上可以得到更多的收穫。另外也要感謝內 人、家人與同事,在這段期間的支持與支援,忍受著我以課業為由的所有 作為與不為,才能在這段學習過程,能順利完成學業,特別要感謝陳浩賢 博士的協助,包括在專業上的研討,以及相關資料與資訊的提供。

希望往後在自己能力範圍內,可以提供經驗或專業上的知識,提攜後 進傳承下去,在讓我成長的這片土地上,可以有更多的滋養,讓更多人能 繼續獲得更多的成長,而不忝此生。

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目錄

摘  要 ...I

ABSTRACT ...II

誌  謝 ...IV 目錄 ...V 圖目錄 ...VI 表目錄 ...VII

第一章  緒論 ... 1

1.1

 研究背景... 1

1.2 研究動機與目的... 1

1.3 研究範圍 ... 4

1.4

 研究架構... 5

第二章文獻回顧 ... 7

2.1 前言... 7

2.2 相關文獻回顧... 2

2.2.2 回填材料性質... 7

2.3 文獻回顧結語... 18

第三章研究構想 ... 20

3.1 前言... 20

3.2

 管線挖埋施工及回填探討 ... 20

3.3

 橋台背填施工構思 ... 23

第四章現況探討 ... 27

4.1

 案例場址分析 ... 27

4.2

 沉陷問題... 29

4.3

 材料特性... 33

第五章實作及分析... 40

5.1

 低強度再生材料回填狀況 ... 40

5.2

 實作成果探討 ... 43

5.3

 成本及工期比較 ... 48

第六章結論與建議... 51

6.1 預期效益 ... 51

6.2 結論... 52

6.3 建議... 54

參考文獻... 55

附錄 A 現況照片集 ... 57

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圖目錄

圖 1 義隱橋平面圖... 5

圖 2 宜壯橋平面圖... 5

圖 3 剛性鋪面載重力分佈圖... 7

圖 4 柔性鋪面載重力分佈圖... 7

圖 5 滾輪靠牆滾壓示意圖... 5

圖 6 橫斷面上的弧形沉陷圖... 5

圖 7 縱斷面上鞍型沉陷圖... 6

圖 8 以進橋版改善沉陷示意圖... 6

圖 9 顆粒及水分示意圖... 14

圖 10 顆粒壓縮體積變化圖... 14

圖 11 擋土牆外開體積變化圖 ... 16

圖 12 土壤顆粒與牆面孔隙圖... 16

圖 13 土壤顆粒受力體積變化圖... 17

圖 14 人手孔上承受載重示意圖... 22

圖 15 滾壓弱區示意圖... 23

圖 16 擋土牆受力變位示意圖... 24

圖 17 鋪面厚度與基底層受力情形示意圖... 24

圖 18 擋土牆背填承載受壓示意圖... 25

圖 19 義隱橋地質柱狀圖... 27

圖 20 宜壯橋地質柱狀圖... 28

圖 21 宜壯橋縱斷示意圖... 29

圖 22 直接基礎擋土牆橫斷示意圖... 30

圖 23 打樁基礎擋土牆橫斷示意圖... 30

圖 24 砂錐法取樣示意圖... 37

圖 25 回填低強度再生材料示意圖... 40

圖 26 進橋板示意圖... 41

圖 27 義隱橋斷面編號示意圖... 43

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表目錄

表 1 斷面 1 實測計算表... 43

表 2 斷面 2 實測計算表... 44

表 3 斷面 2'實測計算表... 44

表 4 斷面 3 實測計算表... 45

表 5 斷面 3'實測計算表... 45

表 6 斷面 4 實測計算表... 46

表 7 斷面 4'實測計算表... 46

表 8 左側車道t 檢定... 47

表 9 右側車道t 檢定... 47

表 10 進橋版及引道部分經費比較表... 49

表 11 進橋版部分經費比較表 ... 50

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第一章 緒論

1.1 研究背景

在社經發展迅速的現代,公路運輸在整體發展中,扮演著重要的 角色,且在對環境保護及土地利用上的需求,更為嚴格及更為多元狀 況下,橋樑工程在公路工程中所佔的比例越來越高,數量也越來越多。

所以橋樑在工程技術上及材料性能日新月異的進步,也引進更多元的 工法來因應需求。而橋樑間伸縮縫的型式與工法,亦隨著橋樑構造越 來越複雜的變化下,型式也變的更為美觀,且在橋柱變的更高、跨距 變的更長的影響下,也有相當的發展。但橋台及引道間的進橋設施(本 研究統稱為進橋板),究竟屬於橋樑工程或是道路工程的附屬設施,

卻無定論。在沒有關注的情況之下,所以往往在整個道路及橋樑改善 工程完成後,就成為最先必須予以維修改善的部位。雖然可以利用瀝 青混凝土加封,解決不均勻沉陷問題,但是也造成一般民眾駕駛車輛 經過,所產生不平順的感覺,致使對於整個橋樑工程的品質有所懷疑。

1.2 研究動機與目的

在整體的工程生命週期從規劃、設計、施工及使用、維護、管理 等各階段,均是環環相扣緊密連結的循環。其中的任一步驟的瑕疵、

缺點或是忽略,都將造成後續作業執行上的困難與問題。材料及工法 的使用,如在設計前的規劃,未盡周詳,就可能影響工程的使用壽命,

甚至是無法發揮功能。比如在沿海地區趕潮帶,或直接接觸海水區域 的結構物,如未使用抗硫型水泥,則該構造物壽命恐怕只有十至二十 年,影響相當大。而針對橋面與引道間的銜接,通常以使用進橋板來 聯結,因橋台通常需較深的開挖,在施築橋台完成後的回填,卻形成 了橋台與引道間差異沉陷的主要因素。所以希望藉由改變路面結構的 回填材料與工法,來解決此項差異沉陷問題。

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一般的橋樑工程,主要在以橋樑跨越阻隔連通兩地的往來通行,

也因橋樑造價較高,所以通常選擇以較為經濟的土工路堤結構(Earth Embankment Structure),用以連結橋樑與引道,並平順銜接至一般平面 道路。另外雖然也可以地下道方式來穿越阻隔物或阻隔設施,但因地 下道設置的相關條件限制也較多,而且施工期較長,造價也較為昂貴,

除非在有空間限制的都會區才會去採用;且在地下水位豐沛的地區,

在施工時其經費與技術需相對地增加與耗費,亦較為不恰當。所以在 一般地區或山區道路,仍以橋樑做為兩地連接的結構設施。而在為數 眾多的橋樑,時常在伸縮縫或橋台及引道間產生高程差異,造成通行 車輛顛簸,而使駕駛與乘客有不適的感覺,對於施作的政府單位更是 一大缺憾。所以如何去改善此一品質不佳的狀況,應是當務之急。而 在伸縮縫的改進,可以多跨連續方式,減少數量上的問題,另伸縮縫 本身的材質及工法的改進,也將行車跳動的問題化小。但橋台及引道 間沉陷問題,在數量上則是無法避免;差異量的部分,就如何減緩或 縮小問題,也是必需加以克服,才能澈底解決車輛行駛橋樑路段所產 生的顛簸問題。

對於道路工程而言除,道路本身所提供交通功能之外,因土地取 得不易,故一般道路尚需作為維生管線佈設之用。所以在道路工程施 工當中,或者是管線工程埋設,對道路之開挖,都影響到道路路面品 質的穩定,尤其於佈設管線之後管線上方之回填,不論是施工步驟或 回填材料的品質,將是完成後路面是否穩定的關鍵。但一般於施工時,

為避免影響交通及道路底下滿佈各類管線與成本考量顧慮下,管線開 挖面寬度通常不大,一般均以 0.6 公尺寬度施作,又依規定管頂距路 面應大於 1.2 公尺以上,其寬深比通常大於 1 以上,雖然規範規定須 以 0.3 公尺為一層分層滾壓,但寬度只有 0.6 公尺左右,實在不容易滾

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壓。再則就算有滾壓機具,因其夯壓能量畢竟有限,無法確實完成滾 壓達到規範要求,而且即使規範規定的回填最大乾密度,也僅要求為 百分之九十五以上,日後仍有沉陷的可能。所以即使確實依規範規定 辦理,日後的沉陷仍然無法避免,此為道路管理單位時常接獲用路人,

對於道路路面不平齊,所產生抱怨之最大原因,也確實會造成用路人 行車安全上之威脅。

對管線開挖回填因管線工程新設及汰舊換新趨向頻繁,所造 成道路無法平齊之困擾,亦因機動車輛逐年增加成長,及休閒旅遊風 氣增長,交通旅次隨之逐步增加,所以對於道路不良狀況之反應頻率 更高。因道路本身管理單位依其道路等級分有:國道由交通部高速公 路局管養。快速道路及省道由交通部公路總局管養。縣道則由交通部 公路總局代為管養或由縣市政府管養。鄉道則由縣市政府或公所管 養。市區道路由公所負責管養。還有眾多道路,如村里道路、農路、

產業道路、專用道路等等,管理單位眾多,又所涉業務繁雜外,管線 單位也不少,對於管線單位圖資管理並不完善,導致管線埋設位置及 深度不夠明確,即使因管線挖埋所造成路面坑洞,接獲民眾反應,一 時亦無法確實掌握該由誰來如何處理。唯一可以解決的方法,就是把 開挖回填工作確實好,就可避免困擾。

一般的管線單位在實際狀況下,均有在橋樑上附掛管線設施的需 求,即必須於引道埋設管路來銜接橋樑附掛管,惟在管路埋設後,一 樣須面對不均勻沉陷問題,於管線埋入路基後,如依規定回填與滾壓,

則管路設施承受較大的施工載重壓力,管線亦可能產生脫管或破裂情 形。所以橋台背的回填與滾壓,在施工人員不願意去損壞管路的情形 下,自動省略部分施工步驟,及忽略規範要求標準,最後的結果,自 然就形成日後的較大的沉陷量情形發生。如果要解決此種情形,就必

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須兼顧管線施工的配合因素。另外也必需考量的是工期、養護期及經 費的影響因素。再以道路管線挖埋為例,以往管線挖埋施工,切割瀝 青混凝土路面後,以機具挖掘至設計深度,將管材佈設完成後,再以 回填砂或混凝土,填築部分深度作為管材保護層之後,再以傳統砂石 級配材料回填,並分層滾壓後,鋪上臨時瀝青混凝土路面。經過一段 時間,再予該路段刨除一定寬度的原有及臨封路面後,再加封瀝青混 凝土,完成路面修復工作。但在回填砂石級配材料後,往往因空間不 足因素,而使用小型滾壓機具,導致其滾壓效果有限。所以常常造成 完成面的差異沉陷,而且情形相當嚴重,尤其以多雨的地區更為顯著。

但在最近幾年來,以 CLSM(控制性低強度材料)回填挖掘管溝後,原有 路面與開挖回填後之管溝面的差異沉陷問題,獲得很明顯的解決,反 倒是將問題焦點集中在人手孔的平整度上。可見改以 CLSM 施工作為 改善差異沉陷的做法,值得研究運用,所以本研究希望橋台與引道間 的差異沉陷問題,也一樣可以運用「低強度再生材料」施工來獲得解決。

1.3 研究範圍

本研究主要以宜蘭縣三星鄉大隱村與行健村跨越安農溪之聯絡橋 樑『義隱二號橋』改建工程為對象,因其道路路線與安農溪為 57 度相 交,而成為斜交橋樑(如 圖 1),且於引道平行水防道路外側,均設 有農機出入穿越箱涵。

在不同基底材料及高程狀況下,針對其改建後南端引道,以進橋 板方式施工,北端引道,以低強度再生材料回填方式施工,來了解兩 種不同材料工法間的差異與功效。並與同樣為斜橋之宜蘭市外環道路 跨越美福大排『宜壯橋』新建工程,在橋的兩端相同地也有車行穿越 箱涵(如 圖 2),以傳統回填施工方式,經過多年以後的沉陷的實際 狀況比較,期能更了解沉陷問題的發生,是在設計上、施工時或者是

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其他原因所造成,以利尋求解決方式。

圖 1 義隱橋平面圖

圖 2 宜壯橋平面圖

1.4 研究架構

1.4.1 文獻回顧

對於回填材料、路面結構、進橋板的設計、施工及改善方式,與 CLSM 材料運用等相關議題,與其他有關的期刊、論文研究成果及相 關報告、書籍,進行蒐集、閱讀、研析及探討。

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1.4.2 研究構想及方法

進行一般進橋鋪面相關問題檢討,並針對問題的產生原因,於 CLSM 材料本身的特性,與低強度再生材料在使用上之結合提出構 想。並實際進行以低強度再生材料材料替代進橋板工法施工,再對其 完成經過一段時間後,比較一般進橋鋪面與低強度再生材料材料替代 進橋板工法施工完成面之各斷面沉陷情形,與完工時狀況進行比較與 分析、檢討。

1.4.3 現況及進橋鋪面問題檢討

針對現有之橋樑及引道與各項設施間有關的相關問題及改善方 式,與施工當時現地地質及相關環境狀況進行了解,與其原設計資料 比較分析,再進行相關文獻資料探討。再將現行一般傳統方式的橋台 背與翼牆及引道擋土牆,施工回填之材料、工法,所產生的相關問題,

與路基路面結構之影響,檢討其相互間影響程度,再加以設置進橋板 予以改善後,或以低強度再生材料材料替代進橋板工法,對路面結構 影響提出檢討。

1.4.4 成果驗證與探討

將義隱二號橋及宜壯橋進橋段進行縱、橫斷面高程量測,再與工 程完工時相關縱、橫斷面高程予以比較,以進一步了解以進橋板方式 施工及使用低強度再生材料方式施工兩者相互間差異情形,進而分析 在設計、施工或維護、管理上等各項優、缺點後,檢討相關可改進或 注意事項。並將檢討結果,提出相關結論及建議事項。

1.4.5 論文撰寫

將本研究內容及所進行的文獻蒐集、參考、比較、研析,以及實 作成果驗證的相關過程、檢測分析的成果,逐一撰寫。並針對所得的 成果與預期效益等,作出結論與建議。

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第二章文獻回顧

2.1 前言

全球社會總人口數仍然有成長趨勢,又在科技發展迅速,資訊傳 達無遠弗屆情形下,進而更加刺激工、商業的迅速發展,對交通運輸 需求就越來越大,道路也開始大肆開闢,形成四通八達的交通路網,

車輛性能也越來越好,行駛速度也越來越快,車輛載重的噸位也越來 越大;而為了使陸路的交通運輸更為便捷、迅速與舒適,對於路面結 構的要求,自然越來越高,路面從一般土石改變為碎石路面,再改進 為貫入式瀝青路面,直到現在最廣泛使用的瀝青混凝土路面;近來再 大量運用為環保議題所發展的再生瀝青混凝土。剛性路面在承受車輛 載重時,其對受力的傳遞分佈情形,在對於較淺的基底層影響較大,

較深層的地下級配層則影響較小(如 圖 3)。而柔性路面在承受車輛 載重時,受力的傳遞分佈則會穿透較淺的基、底層,以至於影響到地 下級配層(如 圖 4)。

圖 3 剛性鋪面載重力分佈圖 圖 4 柔性鋪面載重力分佈圖

以沉陷速率而言,柔性路面的沉陷,就會相當的明顯;剛性路面 則因受力所傳撥的範圍較小,其產生之沉陷量及速率自然較小。一般 路面不論是剛性或是柔性路面,為了經濟考量,在其底部的基、底層,

通常使用碎石級配或天然級配,甚至於使用其他工程開挖土石方,如

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隧道渣料、邊坡土石或可以就地取用材料、打除的混凝土、磚塊等,

將取得容易且品質較差價格較便宜的材料置於下層,品質較高價格較 為昂貴的材料置於較上一層,聯結層及面層再置於上,以組成完整的 路面結構。公路運輸的形態與道路路面組成,也是經過不斷的演進,

早期車輛的重量較小,車流量也不大,對於整個路面結構要求較為簡 單,甚至可能使用現地所有的材料,直接整理滾壓夯實,就可提供一 般車輛通行運送物資。因為一般道路工程的路面基層與底層壓密度,

依據一般規範通常規定須符合 AASHTO T180 試驗求得最大乾密度之 90-95%或 98%以上,因為實際施工上有相當多因素影響,導致壓實度 無法達到 100%,所以日後仍然一定會有沉陷情形發生。也有部分研究 報告,針對近橋板底部淘空或沉陷後的補救或改善檢討。本研究就進 行對進橋板相關期刊、論文、報告、書籍等文獻蒐集並探討,加上對 路基結構與 CLSM 進行相同的文獻蒐集並探討作業,來了解相互間影 響因素與關係,作為本項研究參考。

2.2 相關文獻回顧

2.2.1 進橋板運用現況

道路橋樑改建施工時,均會影響工區附近之交通,除非為新闢建 之道路橋樑,所以施工的工期長短,也就會影響工區附近的交通維持。

對於橋樑施工順序至進橋板施工階段時,大概就進入路工部分的工程 施工,通常道路工程施工時,現場施工人員的數量,不會多於施工機 具太多,所以一般民眾的認知是橋樑已經完成了,工地又沒有太多施 工人員在施工,為什麼不趕快鋪設瀝青混凝土路面並開放通車,對於 要求開放通行的壓力就來了。但是在引道路面鋪設瀝青混凝土面層 前,因大部分工程均需配合管線單位及進橋板施工,所以由不同單位 施工時,工程界面上的配合,與時程上的銜接,往往有些落差,造成

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施工空窗期。再則一般進橋板施工完成,進橋板主體混凝土澆築後,

需要有 28 天的養護期,所以工區現場不會有太多的施工人員,更容易 讓民眾指責為施工單位的怠工。施工界面及時程上的銜接,是可以用 協調方式,來避免施工上的空窗期,但養護期間的假性空窗期,除非 以不同的材料工法或施工方式,否則很難避免,這也是在進橋板施工 上可以更加精進的部分。

一般橋台施工完成後,其背填材料高度約在 3 公尺以上,且有兩 側翼墻及引道擋土牆的空間位置限制,造成因回填後材料的夯壓確實 度不足,而有日後的不同的沉陷量發生 [ 1]陳世芳,理論土壤理學與實 用基礎工程(上),第六版,文笙書局,(2004)。],即使在規範要求 90%

~95%或 98%的壓密度下,並確實分層夯壓達到規範要求m,仍然會有 部分的孔隙空間存在,因為在機械夯壓、車輛輾壓、自然沉陷或地震 等等各種因素狀況下,會造成不同速率的沉陷。而橋台為混凝土結構,

本身則僅可能有壓縮狀況,而不會有壓密情形產生,所以較無沉陷量,

且在設計上,橋台的沉陷也是必須被限制的。進橋板則是可以將橋台 的少量沉陷,與引道的必然而較大沉陷,兩者之間的差異沉陷,做乙 緩衝的界面,但橋台背的基、底層回填材料沉陷仍無法避免,造成進 橋板的功能,只是分散其沉陷量及減緩其發生速率。

橋樑之組成就整體而言,大致可分為上部結構及下部結構兩部 分,上部結構包括大樑、橋面板、伸縮縫、附屬設施等。下部結構則 包括基礎、橋墩、橋台等,為一般工程師所了解。在部頒公路橋樑設 計規範中,並無提及進橋板應如何設計,且在公路工程施工規範中之 橋樑施工規範,也未說明有關進橋板施工之應注意事項。甚至在橋樑 檢測記錄格式 21 項檢測項目中,也沒有列入容易沉陷變位的進橋板 (僅列有引道路堤乙項)。所以進橋板在橋樑工程部位屬性上,既不屬

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橋樑的上部結構,亦不屬橋樑的下部結構。又在道路工程部分,並無 施工規範可引用,由此可見進橋板的重要性常常被忽略。探究原因,

亦可能是因為要解決回填材料與時俱進的必然沉陷,有相當困難,而 仍然

造成路面的凹陷,而致使完工使用後的行車,仍 然顛

以進橋板去緩衝,並分散與橋台之差異沉陷。 [ 2] [ 3] [ 4][ 5]

進橋板通常用來稱作橋台與引道間銜接設施名稱,也有稱為引進 板、引道板或搭橋板,名稱並無統一,而本研究則予以統稱為「進橋 板」。進橋板的施作,旨在避免橋台背回填材料發生不均勻沉陷,影 響行車安全 [ 6]。其施作時機是在橋台及翼牆與引道擋土牆施築完成之 後,再將配合辦理附掛於橋樑的管線埋設工程完成以後的最後階段。

而配合管線工程施工,是引道部分經過回填滾壓後,再予開挖施工,

而且基本的自來水、電力、電信等三個單位的開挖,往往讓已滾壓的 路基挖得滿目瘡痍,又因土木部分及管線部分均由不同的分包專業廠 商施工,所以就算一開始就確實回填滾壓,還是會被管線分包商開挖,

乾脆只填不壓以後再說。而管線分包商則抱持土木分包商還是要滾壓 乙次,就隨意回填,甚至對於回填材料的標準更是馬虎,進而造成的 結果就是路基無法穩定,沉陷速率快且沉陷量大增,即使以進橋板緩 衝,遠端的下陷一樣

簸無法順暢。

另外進橋板施工往往屬於要徑工作,加上進橋板的混凝土澆築 後,需要較長的養護期,達到一定強度之後,方能供施工機具及材料 出入通行,繼續進行其他工項施作,及最後的瀝青混凝土面層鋪築與 標線的劃設等工作,整個工程才算完成。許多的情形則是在工期的壓 迫下,進橋板就以較設計強度高 1 ~ 2 級( 500 PSI )以上的混凝土澆 築,以使進橋板混凝土提早達到規定可供工作之強度,得以承載施工 機具通行,繼續進行後續作業。又迫於趕工狀況,進橋板下的各層回

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填材料滾壓,通常是囫圇吞棗草草了事,根本無法達到規範要求及設 計壓密度,造成日後的沉陷更為嚴重,甚至有進橋板斷裂情形發生。

上述進橋板下的各層回填材料滾壓問題,並非完全無法滾壓,而是大 型滾壓機具對於角隅、端點處,因滾輪幾何形狀確實無法接近(如 圖 5),所以其壓實效果不佳,應再輔以小型機具配合,惟確實較耗 費人力及時間,且其夯壓能量及效果,一定不如大型機具,日後沉陷 情況則勢必無法避免。而就改善進橋板因施工程序步驟,與材料因素 所造

圖 6),尤其以快車道及大型車輛出入頻繁路段 之情形更為明顯。

成的沉陷,以低強度再生材料施築恰可以滿足其需求。

針對橋台及引道之不均勻沉陷情形,在橫斷面上,沉陷較大位置 均發生在車道上(如

5 滾輪靠牆滾壓示意圖 圖 6 橫斷面上的弧形沉陷圖 圖

在縱斷面上,則因橋台及引道兩者結構剛度不同,會有鞍型沉陷

(如 圖 7)情形,而通常在實地現場狀況,則常有在引道因路面沉陷 而產生積水狀況發生,進而更加速其差異沉陷的情形。實際差異沉陷 的發生,有可能是橋址地基的土質材料性質不佳、或是回填材料的性 質問題,再加上回填施工上的順序或工法上,無法達到規範要求標準 所造成。而要防止橋台及引道間差異沉陷情形,則可以由地質改良方 式,解決原有橋址地基層產生沉陷問題,或是由選擇較佳的路基回填

5

(22)

材料,與回填排水方法改善,以減少回填層沉陷量。以及利用結構上 的相關措施,來改進差異沉陷相關問題(如圖 8)。

圖 7 縱斷面上鞍型沉陷圖 圖 8 以進橋版改善沉陷示意圖

項改善、改良作業,造成施工成本的過度膨脹,

甚至

品質優良,但仍 地基層的地質改良,旨於穩定地基在受橋台基礎經過深開挖之 後,所產生對土壤的施工擾動,以降低或減少因原有地基本身所產生 的沉陷量。再則回填層部分,如果路基回填材料可以選擇級配良好、

硬度高及透水性佳的材料,並搭配以確實滾壓,就可以減少因孔隙或 材料破壞,所產生的沉陷量。但在經濟性的考量上,應在規劃時即予 以一併考量,俾免因各

無法執行情形。

一般路面的變形或沉陷之處理,最常以表面加鋪的方式解決,對 於深層缺陷的修補,則尚無相關規範可資遵循,故其改善後路面平整 度的維持,則均視其深層缺陷狀況而定,通常均在很短期間內就須重 新修補,而且必須時常進行 [ 7]。而以傳統進橋板之施工方式,多數於 完工 3~5 年期間,總有大量沉陷的發生。此種現象似乎無法完全避免,

而較容易為工程師們所忽略的是,因為瀝青混凝土路面的維護周期,

大致上也在 2 ~ 5 年期間,當在維護瀝青混凝土路面時,即一併將有 沉陷落差的缺陷填補鋪平,故經常看到的是橋頭前、後端,總是有新 鋪瀝青混凝土的痕跡。但是在沉陷不平的期間所過往的車輛,總是還 要經過此路段不平整的撼動,造成即使整座橋樑施工

6

(23)

會有多數人對整座橋樑工程的施工品質產生懷疑。

2.2.2

路基的好與壞,必須有各方面的妥適搭配,方 能得

, 回填材料性質

路基對公路工程而言,是至為重要的一環,其成敗最終也決定了 道路的服務品質,甚至安全性。中國土木工程學會就指出 [ 8]『路基構 成乃由當地原有土壤、加工如挖或填、洒水、滾壓、及加強有時摻加 級配料,或其他加強用材料,如石灰等等手續之後所形成。土壤本身 組成份子成分已極為複雜;況路基在承載荷重後,影響所及,並非單 純為直接輪重下之一部分範圍土壤。換言之路基並非僅靠輪重下之局 部土壤,為承載之單純個體。一經載重影響所及,近旁土壤均將發生 側向推擠作用。是以受力之後,所生之變形,不僅輪重下局部土壤所 生的垂直向沉陷一端而已。構成土壤顆粒及水分,受力之後之變形,

多由孔隙之縮小或變形而起。受影響之土壤,往往失敗於抗剪能力之 先已超過極限或限值下所發生之變形或破損。』。所以路基的形成組 合,是一種複合性的行為,並無法單就材料良窳、加工的程度或後續 車輛輾壓承載,來論斷

到最高的效能。

所以在工程的各項施工步驟,對於材料及加工與施築後的檢驗或 試驗,成為一項重要的工作,但所需耗費的人力及時間與經費,亦有 一定的影響程度。如以一般的級配料回填工法,依據公路工程施工規 範(93.04 交通部頒)規定,首先,必須先針對材料取樣,送實驗室辦理 相關物理性質的檢驗,如洛杉磯磨損試驗、CBR、液性限度、塑性限 度、含砂當量、篩分析、實驗室密度、最佳含水量等,加工施築後的 檢驗或試驗,則包括回填厚度、壓實度及完成面平整度與高度等檢、

試驗,可謂繁瑣至極。但如果使用低強度再生材料,除其拌合依配比 辦理外,僅需對工作性之坍流度檢驗,與一定時間之強度(早強)檢驗

7

(24)

對於所需的工具設備人員及工程進度,已可較一般級配料回填所需 檢、

包括强塑性和粒料含量。若只是增加 水泥

試驗更能精確掌控時程。

而依據美國混凝土協會(America Concrete Institute、ACI)的定義 CLSM(Controlled Low Strength Material 控制性低強度材料〉為一種具備 自我充填性用來回填,且具有水泥質的新興材料 [ 9] ,是具有便利 性,易施工,高流度,低沉陷,速凝,及易開挖等特性。目前大量運 用於管線挖掘後回填材料使用,但因需具有速凝及易開挖的特性,在 規範的限制上則較為嚴格,如粗粒料的使用量應在 400 kg/㎥以下,12 小時的強度需大於 7 kg/㎠等等。如依此規範施作,則需使用較多的細 粒料及強塑劑,因添加強塑劑的關係,故其有很高的工作性,但須注 意的是因添加強塑劑的關係,可能會導致析離現象產生。而增加細粒 料在混凝土中含量(約增加達 10%),可降低因添加強塑劑所導致的析 離,但相對地也必須減少粗粒料的配比,以保持混凝土應有的凝聚性。

水泥關鍵的成分是C3 A、C3 S和硫酸鹽,以及盡可能的細度。高C3 A含 量在低水含量的情況下限制流動性。在於強度上最敏感的影響因子是 水泥,而對於其品牌的選擇也是一個重點。細度雖提高早期反應速率,

但太細反而增加用水量,而且會對流度和長期強度造成反效果。對於 選擇水泥,決定水泥和添加劑是否能共處是很重要的。而相容性首先 是用流動試驗去評估,但通常用坍度試驗較容易。控制混凝土強度不 是只有改變水泥,正確攪拌調和

本身會增加水化熱。

因 CLSM 有早強需求,其主要功能應在一定短暫的期間內,能夠 達到要求的承載力,以便繼續施工,來縮短對交通或生活環境等的影 響。所以在配比設計時,將氯化鈣列入作為催化劑,使初期之抗壓強 度達到一定標準,但實際上對於早期抗壓強度,因必須在短時間內取

8

(25)

得結果,故有其認定上的難度。再與大部分趨於不符實際之運用狀況,

仍需有相當繁複的步驟必須執行,也需在相當短的時間內,運用相當 多的人力,對於確實執行成果效益有待觀察,惟在其後期強度因均可 符合

何確實執行,卻也成 為監

低拌合水量( 120 kg/m3 ) 的情況 下,

實際需求,所以並沒有結構性的強度問題。

但實際在一短暫時間內要達到要求強度的檢驗方式是有 ASTM D6024-96 、ASTM-C403、ASTM-D1558 等規範可提供參照辦理,作為 是否可繼續施工之判斷,但如何在要求的時間點上,把應做的檢驗或 試驗完成,而不超過時間點?再則如一般規範檢驗不合格品處理結 果,以加倍檢驗,對實際的需求時間點,已無法達到要求,而是否以 挖除重做方式處理?更是與縮短施工時程的原定目標背道而馳,但因 時間的延長,及強度要求有設上、下限,其後期的強度卻可能可以達 到要求強度範圍內,是否需要求挖除重做?及如

造單位最大考驗,也是相當棘手的問題。

以Malhotra的研究中顯示 [10],礦物添加物取代部分水泥,他們提 供比水泥更強的強度。尤其在長期強度,以飛灰、高爐石、天然卜作 嵐材料以及矽灰,被使用於高強度混凝土的添加物時,飛灰、高爐石、

天然卜作嵐材料,一開始的水化作用較慢,飛灰可減少用水量,和減 少強塑劑去達到工作性標準。高表面積的矽灰增加用水量,結果要增 加強塑劑去維持要求的坍度。其中根據特定的礦物添加劑之取代量來 說,高爐石使用最高的添加量,配合矽灰最低的添加量。矽灰通常用 於協助發展混凝土早期強度,但矽灰特別注意的是用量不可太高,以 避免損害長期強度,而飛灰及爐石在

對長期強度非常有貢獻。

對於身為新世紀工程師,對於材料之運用,也應從整個營建生命 週期思考起,對於從設計面、施工面、養護面、拆除回收面等各個面

9

(26)

向,應有一個完整而清晰的構思。在面向運用之資源,應設法利用現 地資源及回收再利用之材料來運用於工程中,是以再生材料也是設計 上必

涵義 [11],那對日後整個地球的生活環境,也 將會

因為大都無法 符合

質之原因,而 要之考量。

在二十年前各項工程建設,對於土方工程的管制及運用,通常的 慣例只是在工程發包中的工作項目中,列入乙項廢方處理,然後承包 廠商就必須竭盡心思想盡辦法,把多餘出來的土方處理掉。如果多餘 的土方還堪用,問題不大,只是需要尋求去處或暫置埸地,需用時即 可隨時取用。但如果材質較差的土方,就造成任意棄置的環境問題,

不僅只在外在有髒亂問題,如果其含有的有機質較高,或者是棄置於 妨礙水流處,還可能產生衛生及水患等有關生命、財產安全問題。在 台灣省政府時期,於 1998 年 2 月 5 日頒佈「台灣省營建工程剩餘土石 了處理及資源堆置埸設置管理要點」後,廢棄土多了資源及環保概念 後,轉化為剩餘土,使土方工程中的處理,能更為多元廣泛。如果可 以確實將土方視為資源,對於土方的利用更加的重視,因為再生材料 是具有廢棄物減量(Reduce)、重複使用(Reuse)、再生利用(Recycle)、能 源回收(Recovery)等四項

有極大的貢獻。

以 CLSM 之基本構思上,將添加拌合之材料,來包括廢混凝土、

廢鑄件料(包括廢鑄砂、爐碴及粉末廢鑄砂)、磚瓦類材料、水泥、

飛灰、黏土(管線開挖後就地取材)等再生粗粒料,在粒料外形上,

已經可以符合混凝土粒料之要求,而再生細粒料方面,

ASTM 33 規範之要求,故建議仍需採用天然砂。

再生粒料之物理性質來說,再生粒料經過碎化後,粒料表面多呈 粗糙多孔狀,而外觀上呈扁平且多稜角,為天然粒料與舊水泥砂漿之 組合,並附著於表面,而其係主要影響再生混凝土之性

10

(27)

且再

及降低回填材料時所產生的土壓,而增加 其整

故可推斷在同一粒徑下,再生粒料吸水率約為天然粒料的 2

~4 倍

生粒料粒徑愈小,附著之水泥砂漿比例亦愈高。

回填材料具有孔隙,對土壤本身自重的減少,反倒成為一項優點。

但其前提是所有孔隙都應該有其固定不變的體積及位置,如此才有輕 質回填材料的優點,方可減輕對於軟弱地盤上回填所產生的沉陷,或 對結構物背填時,可以降低回填材料時所產生的土壓,而增加其整體 的穩定性。所以如何可以達到孔隙體積及位置不能產生變化,EPS輕 質填土工法 [12],是可以達到孔隙體積及位置不變的一種北歐及日本 目前廣泛運用的工法。而低強度再生材料,如選用較為輕質的骨材運 用,相同可以達成孔隙體積及位置不變的要求,而能有減輕對於軟弱 地盤上回填所產生的沉陷,

體的穩定性的功能。

比較再生粒料與天然粒料有,有比重較低、孔隙率及吸水率較高 之特性。國內處理所得之再生粗粒料,其比重約介於 2.2 ~2.6 間,

吸水率則低於 10 %多在 5 ~ 7% 間,乾搗單位重約介於 1200 ~ 1400

㎏/m3 間,

而MRC(Multi-functional Recreation Concrete 多功能再生混凝土)則 是可利用再生粒料,而限制較少,相對亦無嚴謹之規範,一般認為其 實用性較佳、兼具機動及簡便性,其原始用意有二:一為解決傳統回 填工程因夯實不足引發之破壞行為,及兼具提高道路基、底層穩定值 之功用;另為直接將營建工程之剩餘土石方,佐以配比設計方式,製 成各類需求之MRC,以解決工程上大量之開挖土石方處理問題,並創 造再生資源,降低開發過程造成之生態破壞率,可視工程需求區域既 有資源,交通維持情形及經濟成本等因素,通盤考量後,據以設計之 回填材料,並以採用再生材料為主,旨在可減少土石開採,可說較具

11

(28)

生態性的工法,目前多使用於管線挖埋,做為回填材料使用,以減少 使用傳統砂石級配料回填所造成下陷,而產生路面不平及坑洞情形,

且持續在推廣使用當中。但問題在於材料不限制,即產生品質變異性 大,

相同強 度的

至地下水位高的處所,

陷性所產生的沉陷。 [17]

2.2.

始 難以控制在適當使用之範圍內。 [13][14]

是以不論CLSM或MRC的強度,均已達到行政院公共工程委員 會施工綱要規範第 03377 章建議的 28 天抗壓強度 90 kg/㎠以下規定的 主要訴求 [15],但卻對於下限未能提出如何控制之說明(或根本未規 定),顯而易見的是將造成因為強度偏低時,其材料穩定度及車輛承 載力不足,產生日後的結構破壞。在價格上,CLSM的價格比

一般混凝土為貴,但施工時確實有相關特性的發揮。

而對於背填材料的使用上,應較為注意的是材料的排水性是否能 符合需求,因為土壤的沉陷,會在一定時段即停止發生,在過程中沉 陷速率及大小,則視受壓狀況或材料類別而有所不同,但也有因為沒 有加載,但增加含水量時,而產生額外沉陷的情形,稱之為濕陷性 (Hydrocollapse or Wetting-Induced Settlement)[16]。但如果改採以低強度 再生混凝土,則不會因材料含水量增加,而導致額外的沉陷,再則不 用去解決材料含水量過大的問題,也可以運用

去減少回填材料因濕

3 材料運用構想

道路修補作業,如在小坑洞未形成前,無法迅速確實維護,將可 能造成全面挖除重鋪的可觀社會成本支出。所以惟邇來各先進國家,

對於道路開挖埋設管線之回填材料使用,及工法上已有所變革,開 逐步採用“控制性低強度材料" (Controlled Low Strength Material, CLSM) 使用於基礎或管線之回填用,以降低或減少因回填所造成之沉 陷,並減緩沉陷速率。因控制性低強度材料其材料組成上,有加入水

12

(29)

作為拌和水化用,故材料本身則具有一定的流動度,可以填充於使用 一般回填工法無法確實滾壓的角落,運用 CLSM 本身具有較大流動度 的特性,來填滿一般回填及滾壓,所無法確實壓時之孔隙或死角(圖 5)。而且不必經過夯壓,只要澆築後一段時間,即可提供足夠之工作 強度,繼續進行後續作業步驟,且在其材料完成水化膠結後,本身除 彈性變形外,不會有沉陷量產生,所以可以確實解決前述因材料或工 法、

以避免不均勻 沉陷

生或現地挖掘出之原有級配為品質控制方式加以修改改 良。

步驟誤失造成之路面沉陷不平齊現象。

而既然可以用 CLSM 取代一般回填材料,又其施工方法及步驟,

可以避免執行一般回填的繁複規定,所產生的誤失或怠工,而無法達 成品質要求。此等材料工法在回填的品質確保上具高執行度,可減少 日後維護管理頻率及成本。又針對橋台與引道間,因橋台結構通常以 較引道擋土牆深度更深之基礎型式施作,用以負擔上部結構及車輛的 承載,屬於較為剛性之結構。而引道擋土牆則僅負擔車輛及路基與鋪 面產生之側向土壓,其剛性度較小。又路基路面屬於柔性材質,其所 產生之差異沉陷量,要比以 CLSM 回填管線工程之沉陷為大,更容易 於行車時造成危險。所以更需要尋求替代材料或工法,

所帶給用路人感覺路面顛簸不平之不適或影響。

是以研究上考量目前回填土之施工方式如何改良?思考上CLSM 有美國公路規範一貫作風,有材料、試驗、使用規定等,對於品質較 易掌握,但價格較高;相對MRC強調的是就任何材料都可以作為混合 之用,自然對於材料規定鬆散,試驗、使用規定較欠缺考量,對於品 質比較難以控制。所以在現地化、再生資源化之考量下,綜合二者之 優點提出「低強度再生材料」之構思,以CLSM原有規範為基本條件,

將材料以再 [18]

13

(30)

單就回填材料的基本物理性質,其應具有顆粒間抵抗滑動的內摩 擦力、黏合力、剪力強度、毛細現像、彈性及壓縮性與滲透性等等;

而內摩擦力與顆粒形狀、密度與級配有關,與水份則較無相關;黏合 力即為顆粒間分子吸力及水份的表面張力( 圖 9),水分含量至一定 程度時,有最大的黏合力;剪力強度則是路基是否會發生破壞的一項 物理性質,此部分庫倫定律(Coulomb゙s Low)即是將前兩項物理性

質,與剪力強度作一相關的連結 C

N

S = tanφ+ (1) 所以回填材料中,如果有小部分的粘土質級配料,會比砂礫石級 配料具有較高剪力強度(C>0);另毛細現象即為水位高低,將影 響材料的飽和度,進而影響承載力問題;彈性材料因受力時將產生體 積反覆變形,是為較不適合的回填材料,而其壓縮性則是會影響沉陷 量( 圖 10),但因屬一次性的影響,仍比彈性材料為佳;另外滲透 性則是影響材料含水與透排水能力。

圖 9 顆粒及水分示意圖

圖 10 顆粒壓縮體積變化圖

又因土壤不是剛性體,故在承載後一定有沉陷量發生,而沉陷一 般都需經三、五年甚至十年以上才會趨緩 [19]; 土層於承受載重後所產 生之壓密沉陷量,原則上應依其孔隙比之變化計算之。而在一般工程 應用上,常利用壓縮指數(compression index , Cc )之方式估算之,即利

14

(31)

用單向度壓密試驗之結果,研判黏性土層係屬於正常壓密土壤、過壓 密土壤或壓密中之土壤,估計其壓縮指數,再利用壓密沉陷計算公式 加以估算 [20] 。 在土壤工地壓密曲線上可求得壓縮指數Cc及回脹指 數Cs,而正常壓密土壤的沉陷量

`

log 0

1 σ

σ σ +Δ + e

H Cc (2) 則與壓縮指數有關,但如以「低強度再生材料」施作即將顆粒予 以膠結,則空隙並不會造成作用於土壤之壓力,因超額孔隙壓力消散,

而土壤體積縮小而形成壓密。除了土壤顆粒本身的壓縮外,也不會因 為受壓而產生顆粒的排列重新組合而減少空隙,即當 C

0

`

`

0

= ΔH

c趨近於零時,

ΔH

剪力破壞,而後產生漿體的剪力及張 力破

孔的裂縫,具有鈍化裂縫端部 的效

亦趨近於零,如此則可解決因沉陷所造成問題。

要考量的即是粒料顆粒問題,粒料顆粒不僅形狀不規則,而且和 水泥的黏結也不完美。局部應變較平均應變大 4.5 倍,局部應力超過 平均應力 2 倍多,這是因為最大的應變產生於接觸區,也就是初始開 裂發生於界面邊的原因。當粒料顆粒比漿體更堅硬時,其應力破壞時,

會由黏結張力破壞,再進行黏結 壞,最後部分粒料破壞。

由於粒料的存在,而導致小範圍的非等向性,此有助於解釋混凝 土的變形及破壞特性。在承受壓力時,粒料顆粒周圍的某些區域,也 會承受拉應力;所以破壞是由於材料的微觀結構被破壞,所引起之橫 向拉應力所導致。因粒料比水泥漿體來得堅硬,有助於阻止裂縫的成 長。裂縫在繞過粒料顆粒生長時,比直接貫穿粒料顆粒時的能量來的 大,因此對於混凝土而言,裂縫生長的面積愈大,所需的能量也愈大,

而穩定裂縫的效果也就愈好。而通過氣 果,也有助於阻止裂縫的成長。

再以橋台及引道結構來說,除橋台本身,還有翼牆及引道擋土牆

15

(32)

所形成三面結構體,而施築結構體時,均以分層方式澆築,並隨層昇 高回填路基材料。當回填路基材料時,機具滾壓均於結構物施有側向 土壓,造成三面結構產生向外的撓度及變位( 圖 11),日後的車行 載重亦會有相同情形。而且回填材料與三面結構體的平整表面,無法 確實與回填材料顆粒契合,亦造成有許多孔隙的存在( 圖 12),於 日後壓密過程,亦提供沉陷產生的一項因素。

圖 11 擋土牆外開體積變化圖

圖 12 土壤顆粒與牆面孔隙圖

水平方向的移動,經過顆 而已回填鋪築的路基路面材料體積,則只會因壓密而減少卻不會 增加。但因結構變位所形成的空間體積增加,而使填築材料的顆粒,

因重力與壓力關係,改變其原有的排列組合( 圖 13),而且顆粒產 生位移並不會只有垂直方向的情形,也會有

16

(33)

粒的位移後,路面的沉陷也因此自然形成。

圖 13 土壤顆粒受力體積變化圖 黃仰賢也指出

量自然就減少,再則以Boussinesq以彈性力 學理論,點

[21]路面結構組合層厚度的變化,主要是由於材料 的側向移動所引起,而不是密度增加的原因。而如以「低強度再生材 料」做為回填材料填築,當材料已固結時,不會造成因施工或有外來 載重時,產生過大的側向土壓。且於完成後車行載重,因「低強度再 生材料」的Ka值變小,也不會有太大的側向土壓,造成結構產生向外 的變位減少,路面的沉陷總

荷重公式

Nb

Z Z

Q

= 2 (3) 來說,在荷重點正下方其Nb值約為 0.477,但以「低強度再生材料」

做為回填材料填築乙層時,其因車輛通行之超載所形 Δσ

成Δσz,因壓力 傳撥而大幅降低,使沉陷量降低並趨緩。 [19]

通常沉陷的原因考量,均在於其是否確實滾壓,及要求其壓密度 達到規範要求,但如其深層土質不夠穩定,日後因行車載重也將造成 車轍的形成( 圖 6)。另外因行車載重所產生的側向土壓,造成結構 物的變位,因為變位所產生的體積變化,更是影響沉陷的主要原因之

17

(34)

一。其實也可以全厚式瀝青路面 [21]*來取代進橋板,因為瀝青混凝土 受瀝青膠結,其顆粒間要發生側向位移的情形不大,在施工所需的時 間上也較為短暫。又其比級配層更高的承載當量,亦可應付大型車輛 的輾壓,但因受橋台及翼側牆的場地限制,及瀝青混凝土需分層滾壓 的限制,滾壓機具來回滾壓反覆次數繁多,較難能達到全面確實滾壓 的效果,而且其日後的體積壓縮變化仍然存在。但其最大的限制條件,

應該是其價格為一般混凝土三倍左右,更是傳統回填材料六、七倍以 上,所以在品質、進度、成本、安全及環保等因素的整體考量上,較

勢。

2.3 文

故如何因地制 宜運

難有廣泛運用的優 獻回顧結語

在工程計畫的生命週期中,可分為規劃、設計、施工及使用維護 等四個階段,每個階段都影響著下一階段工作的進行與成果,所以每 個階段都應針對各階段的任務確實執行,以達成整體工程計畫之完 美。 [22]而優良工程應兼具容易使用、安全耐久且經濟並兼具環保、

美觀等特性,再良好更優良的材料,如果使用上未因地制宜適時適量 使用,也可能造成浪費或損失。各項工程施工均需由基礎做起,從擋 土開挖構造物施設完成後回填夯壓,再繼續進行回填面以上各項作 業,而回填是否確實,將影響整體工程後續施工,及日後完工後之工 程品質,與維護管理及使用壽命,如因有所不慎所造成缺失,小則增 加施工及維護成本,或造成使用上之不便,大則可能釀成災害,變成 無法收拾之後果。所以回填工作在施工步驟及材料品質、規格之要求,

不可不慎,尤其以回填材料適用與否,更是一大關鍵,

用材料、工法及契合環境,是極為重要的課題。

一般為了工程品質的確保,通常就需要主辦單位確實建立品質督 導機制,並加強對監造單位所提出之監造計畫內容審查,並追蹤施工

18

(35)

進度。而對於監造單位需要完整建立監造組織,及確實審查廠商所提 供之施工計畫與品質計畫內容及作業程序,並訂定材料、設備抽驗及 施工查核之程序及標準,並確實執行品質稽核文件紀錄管理等,監造 計畫內容與執行情形,廠商部分則須建立自主檢查、材料檢驗程序、

施工檢驗程序、品質管理標準、施工要領、矯正及預防措施、與文件 紀錄管理等等工作,而此部分工程施工品質之確保,就依據上述種種 程序、步驟、標準予以建立。就土方回填的相關作業步驟,作一比較 完整

缺失的機會也會減少,工程品質的要 求與目標,則較為容易達成。

的制度建立,應可確保施工品質的穩定性。

惟綜觀所有工程缺失,除規劃、設計問題外,均不外乎未能落實 工程管理所需與前述相關作業及標準所導致,而這些缺失應該是在施 工階段時就應該克服解決 [22]。但如果在規劃、設計時,能對於材料 工法的選擇設定上,有妥適的構想,儘量選擇程序、步驟、標準越少 越單純的方式施工,自然會產生

19

(36)

第三章研究構想

3.1 前言

橋台與引道間,爲了避免不均勻沉陷問題,進而運用進橋板來解 決此項問題。但是進橋板所發生的問題,卻也是不均勻沉所造成的。

如此想真正解決問題,可能不是光靠確實滾壓就可以解決,必須要有 不同於現況的作法,才有可能去突破此一因果不分的問題。而近年來 有較廣泛解決沉陷問題的作法,大概就算是管線回填的 CLSM 運用,

或許在此項較新構思的工法、材料上,可以得到有效的改善的方法。

3.2 管線挖埋施工及回填探討

在對道路鋪面的管理維護上,必須針對管線單位的挖埋回填有一 套確實的管理機制,才有辦法能將道路的平整度確實做好。因為在此 方面的民眾反應較多,且較為激烈。而且實際上也有許多交通事故的 發生,也跟路面平整度有關聯,也引發不少民眾因事故發生,造成生 命或財產損失,進而請求國家賠償案件。所以行政院公共工程委員會 也針對道路不平整問題,特別成立路平專案,由各道路主管機關及管 線單位共同與會,每個月召開一次專案會議,且要求各與會單位輪流 報告針對路平專案的相關作為,且如有需檢討案件,均持續列管直到 改善完成為止。而該專案的執行內容,比較針對管線單位的相關設施 為主,係因為管線單位的挖埋管理非為其主要業務,所以往往忽略施 工當中,及完工之後用路人的權益問題,所以也請各與會機關單位必 須提出對影響道路平整人手孔的減量計畫與作為,實際也造成與會各 機關單位實質的壓力,而不的不有所作為,也希望藉此機會,透過各 機關單位的共同努力,能夠確實達到道路平整的共同目標。再對管線 埋設的觀察上,以往以傳統級配料回填時,臨時假修復路面,因為必 須等到管理機關單位辦理發包後,再行予以進行刨除加封作業。而該

20

(37)

段時程往往是超過半年以上,在這段期間,如果遇到下雨的狀況,路 面往往容易產生坑洞,而有時因雨天無法進行路面瀝青混凝土修補作 業,坑洞越來越大,變成千瘡百孔慘不忍睹的情形,因而造成人車往 來通行非常之不便。更有管理機關單位雖經向申請開挖的管線單位收 取修復費用,但為了撙節經費,就等候另外其他單位再來申請挖掘完 成後,再一併辦理。這段期間,可就不知是要等候多久的時間,甚至 是遙遙無期,尤其在比較偏遠地區,因為出入車輛較少,坑洞形成較 不容易,該路段的修補作業就可能被遺忘掉了。

管路的維修與佈設,就必須利用人手孔來進行,而人手孔通常佈 設在管線需分岔處,通常在路口的附近。另外除光纖纜線外,一般的 纜線線徑較粗,尤其以台灣電力公司所有的超高壓地下電纜,因為纜 線的自重也大,在要佈設纜線時,纜線與管路間的磨擦力不可過大,

以免傷害管路或纜線,所以必須在固定的一段距離內加設人手孔以便 佈纜作業進行,而不是真的有維修上的需求。這些的人手孔在完成佈 纜後。其功能就不大,所以基本上在路平專案中,該類型人手孔被下 地封除的數量最多。

而人手孔不平整的原因,除因一般道路的路面,會隨著現地地形 狀況與道路的線形,而有不同的橫向坡度。正常路拱則為 2%,轉彎路 段則是依道路直線交角角度與轉彎半徑,及現地條件而有不同的超高 度。在設計規範上,依照行車速率可有從 6%道 10%的不同標準。但是 對管線佈設而言,過大的轉彎角度,同樣對纜線與管路間的磨擦力也 更大,所以更需要以佈設人手孔來進行穿纜作業。但是要讓在道路橫 向有坡度,或昇、降路段縱向坡度上的人手孔蓋面完全符合路面的平 齊,可以說是一項挑戰,因為人手孔面的框與蓋,根本沒有看過是有 斜度設計成品,當然人手孔蓋就無法與路面平齊。而且人手孔蓋的形

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狀,也有方形及圓形兩種型式,圓形所置放位置對路面影響較小,但 方形往往如果無法垂直或平行行車方向,又因鐵質蓋面較為光滑,如 遇下雨很容易造成車輪打滑而摔車,對機車駕駛人形成嚴重的安全威 脅。所以在路平專案中,就要求各管線單位要提出人手孔的減量計畫。

管線埋設作業中,其施工順序為:先將人手孔按預定位置先行開 挖佈放,再進行孔位間的管路開挖及埋設。在目前改用CLSM回填,

對管路沉陷量的發生已有顯著減少,不過還是會產生。但是在人手孔 部位,因其面積較大,如有載重經過人手孔蓋面時,其力量將傳遞至 人手孔座底面,再加上人手孔側面於路基的摩擦力,所以人手孔的沉 陷就會比較小。相對在路基部份,因開挖回填即使運用CLSM回填,

其沉陷情形仍然存在。所以在現地的反應上就是人手孔週邊路面高程 從埋設完成起,與人手孔蓋面高程落差逐漸加大(如 圖 14)。但在 其他的路面狀況,同樣有沉陷的情形發生,所以看起來反變成人手孔 高出路面,而可能必須再將人手孔調降。這就可以說明為何有許多人 手孔是高出路面的情形,也造成對車輛行駛上的安全舒適問題。

圖 14 人手孔上承受載重示意圖

但如果以另外一種觀點來看,是否可以利用類似相同的方式,來

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改善一般沉陷的問題。因為進橋板是準備用來解決沉陷問題,但是進 橋板本身的沉陷問題,可否透過類似人手孔與路面的沉陷差異來解 決,就是本研究要來探討的一項議題。

3.3 橋台背填施工構思

一般擋土牆在開挖後施築結構體,於完成結構體後,進行牆背回 填材分層回填作業,當然在分層回填時,就配合分層滾壓作業,以盡 量讓回填材的壓密度達到規範規定範圍,但是因為滾壓機具的形式大 小及滾輪輪軸等因素,致使部分分區無法獲得確實的滾壓,形成滾壓 弱區(如 圖 15),該區域會隨著分層數跟著累積,其壓實度自然無 法達到要求的範圍,而形成了日後沉陷的原因之一。

圖 15 滾壓弱區示意圖

另外擋土牆則受到回填材料回填後的土壓影響,在牆頂多少都會 產生側傾或是外開的情形,在每加乙層回填材料時,牆頂的位移量應 該都會再加大,也因為如此,下層回填材與擋土牆側面,原本應該緊 密貼合的情形,就被改變成為分離的狀況,而且在上層回填材的覆蓋 下,不容易被察覺,往往在一段時間後,不論牆頂是直接與路面銜接,

或是與其他設施銜接,就會產生分離或開裂情形,而因此產生的孔隙,

最終還是會以沉陷的形態來填補。但是如果在路面下部分的深度,填 23

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以低強度再生材料來取代一般回填材時,擋土牆面所承受的側向土壓 會減少一部分,而所造成的牆頂側傾或外開位移量,也會跟著減少(如 圖 16),日後所產生的沉陷量,也一樣也會變小,再加上有一定厚 度的低强度再生材料的擴底效應,會發生不均勻的沉陷狀況會較少。

圖 16 擋土牆受力變位示意圖

但是如果面層的厚度加厚,面層承受車輛載重後,對受力的傳遞 分佈,會變成較為寬廣,同時其影響的深度也就相對的會變的較淺(如 圖 17),產生了類似筏式基礎的效應。自然地,其可能產生沉陷速 率會較為緩和,而且也比較不會不均勻沉陷的狀況發生。

圖 17 鋪面厚度與基底層受力情形示意圖

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進橋板的設施,對於防上沉陷的發生,基本上進橋板本身的厚度,

只會產生微量的壓縮量,而不會有沉陷的發生。其次在進橋板底部的 回填材料顆粒,因承受載重及振動後,產生的顆粒排列組合變化,所 造成孔隙因而沉陷,因進橋板是剛性的,而阻止了路面形成不均勻沉 陷。但是孔隙與沉陷仍舊是存在實況,是無法改變的。假設我們增加 不會有沉陷量的板厚,該板改以低强度再生材料替換,如此即可以減 少可能發生的沉陷量(H2)。再者如前述,因面層或者可以說板厚加厚 之後,其對受力的傳佈會更加廣泛,故其板面底下的承載層所承受的 壓力也會變小(如圖 19),沉陷的速率自然會變慢,且筏基式擴寬底 座的力量分佈,會讓不均勻的沉陷當然不易發生。

圖 18 擋土牆背填承載受壓示意圖

如在橋台背填築低強度再生材料,因為會對橋台所產生束制,會 降低橋樑受力時,對橋台所產生的側向力,還可以提供橋台能抵抗更 多因行車所造成的縱向(平行行車方向)水平力,甚至在地震時產生的 側向力。

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侯天順等人提出 [23]橋頭(即橋面與路面銜接處)沉陷模型分析,指 出橋頭的沉陷在縱斷面上屬於鞍式沉陷( 圖 7)*,鞍底位置為靠近 橋台之不對稱曲線,沉陷量越大的狀況,其鞍底就越靠近橋台,所以 即使以進橋板方式施作,如其長度未拉長至鞍形沉陷區以外,其差異 沉陷仍將影響引道的平整度( 圖 8)。所以也有利用混凝土樁工法,

以漸變方式,使縱坡的變化能成為緩慢均勻的梯度變化,降低高成的 差異度,或以橋台回填採加勁方式處理;另外分析橋台與路面沉陷時,

因橋台結構或鋼性路面的沉陷量不會太大,而路基的沉陷,因地基軟 弱產生的沉陷,是橋頭高程不均勻的主要原因,如果在地基軟弱路段 填築,則因其土質狀況可能有較高含水量,壓縮性及孔隙比均較大,

不易排水,抗剪強度自然較小,再因施工而擾動原有土壤結構,其承 載強度就降低,再予其上方填土加載,及施工機具的通行,產生的加 載與振動,更使得沉陷量加大。再則橋台背回填材料本身的材質、顆 粒大小、級配分佈是否優良,亦影響後續滾壓施工能否達到規範要求 的主要因素,而且施工的順序或步驟可否依規定標準進行,仍需靠確 實要求方可達成 [24];另外因土壤側壓及車輛加載,所造成結構物所 產生的撓度變位,也造成回填材料的側向位移,而導致沉陷的發生。

進橋板沉陷之觀察,可透過非破壞性檢驗方式,取得進橋板的使 用狀況,一般進橋板位於縱坡的直線段或凸形曲線段,而有沉陷發生 的進橋板與引道,可以測得的縱坡均略為凹陷,故很容易判斷其沉陷 狀況,甚至以目視即可清楚地辨別。而在進橋板及引道曾經養護改善 過的狀況下,有可能可以從構造物上觀察或量測,即可得知其沉陷狀 況。但如果無法觀察構造物時,因一般的沉陷修復,通常以加鋪 AC 予以解決,所以亦可以直接鑽取 AC 厚度之方式,即可了解進橋板過 去的沉陷情形。

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第四章現況探討

4.1 案例場址分析

在有地下構造物時,形成上方回填厚度不一的狀況下,更容易造 成差異沉陷情形。本研究案例中,義隱橋位處宜蘭縣三星鄉,在蘭陽 平原中上游地區,基地的土質狀況則屬卵礫石層( 圖 19),狀況良 好。

圖 19 義隱橋地質柱狀圖

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(44)

圖 20 宜壯橋地質柱狀圖

其所跨越的河川為安農溪,屬蘭陽溪系支流,上游主要是藉由蘭 陽水力發電廠的排放出水河道,水流量較為穩定。而義隱橋引道縱向 部分,在路面下方 1.2 公尺深處有電力、電信及自來水管等設施配合 工程進行埋設,橫向部分則有人車共行箱涵乙孔,其至路面覆土高度 則各為 1.0 公尺及 0.8 公尺,而其位置則距橋台約 7~8 公尺,與進橋板 未端,尚有 2~3 公尺距離,又有橫向堤防道路銜接,使得整個回填的 施工順序與滾壓工作,變得相當複雜。所以如果以低強度再生回填材 料填築,在施工上各構造物完成施築後,只需要結構強度達到足以承 載回填材料靜載重及施工載重,即可進行填築,而無需等侯構造物強 度達到足以承載回填材料靜載重及施工載重,再加上壓路机及夯壓所 造成之工作載重之強度,方可回填級配料,再繼續進行滾壓與進橋板 基礎開挖、整平、紮筋、組模、灌築混凝土及養護等,耗時繁瑣的作 業程序。依一般的工程作業進度安排,橋台、翼牆及擋土牆等構造物

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完成施築後,至少兩星期的強度養護期後,開始進行回填材料填築及 滾壓,以及三天以上的進橋板基礎開挖、整平、紮筋、組模、灌築混 凝土作業,與三個星期的養護期,共計約需時四十日以上,方可進行 鋪築瀝青混凝土面層作業。而如以低強度再生回填材料填築,於構造 物完成施築後,約一星期即可施工,完成後只需三天,即可達到鋪築 瀝青混凝土強度,總共只需約十天時間,與進橋板施工所需時間,約 可節省一個月工期。

而同樣屬於蘭陽溪系,匯入宜蘭河的美福大排,則位處較為下游 地區,其地質狀況則屬於較為軟弱的沉泥質土壤( 圖 20),地勢較 為低窪,時常受趕潮影響,又因集水面積大,水位容易暴漲。而橋樑 北側有一孔車行穿越箱涵,橋樑南側則有兩孔車行穿越箱涵( 圖 21),在箱涵處的沉陷量,自然較直接回填處為小,所以在施設的護 欄頂會產生了的明顯不均勻沉陷(如附錄照片 1(北側)、2(南側)),造成 凹凸不平狀況。

圖 21 宜壯橋縱斷示意圖 4.2 沉陷問題

橋台附近的沉陷,很多狀況是發生在橋台為深基礎,擋土牆為較 淺基礎或直接基礎,而在原地層地質狀況不佳的情形下,因橋台被設 計為沉陷量不許過大的情形下,通常擋土牆就相對有比較大的沉陷量

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產生(如附錄照片 3-5)。也有可能是因為擋土牆產生側向位移的情形(如 附錄照片 6、7),這部份的問題,其實可以用肉眼判斷,如擋土牆與 路面(如附錄照片 8)或設施(如附錄照片 9 側溝、附錄照片 10 人行道) 間,或不同深度之擋土牆(如附錄照片 11 及圖 23、24),因沉陷或位移 發生分離縫隙,而土壤顆粒為了填補該縫隙,產生側向移位,導致設 顆粒因重力關係,向下移位填補,路面進而產生下陷(如附錄照片 12 人行道護欄、附錄照片 13 車道護欄),或是導致路面車轍情形(如附錄 照片 14)。

圖 22 直接基礎擋土牆橫斷示意圖

圖 23 打樁基礎擋土牆橫斷示意圖

如在有中央分隔護欄的路段,更可從護欄頂面的高程線形,清楚

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數據

圖  20 宜壯橋地質柱狀圖  其所跨越的河川為安農溪,屬蘭陽溪系支流,上游主要是藉由蘭 陽水力發電廠的排放出水河道,水流量較為穩定。而義隱橋引道縱向 部分,在路面下方 1.2 公尺深處有電力、電信及自來水管等設施配合 工程進行埋設,橫向部分則有人車共行箱涵乙孔,其至路面覆土高度 則各為 1.0 公尺及 0.8 公尺,而其位置則距橋台約 7~8 公尺,與進橋板 未端,尚有 2~3 公尺距離,又有橫向堤防道路銜接,使得整個回填的 施工順序與滾壓工作,變得相當複雜。所以如果以低強度再生回填材 料填築,在施工上各

圖 20

宜壯橋地質柱狀圖 其所跨越的河川為安農溪,屬蘭陽溪系支流,上游主要是藉由蘭 陽水力發電廠的排放出水河道,水流量較為穩定。而義隱橋引道縱向 部分,在路面下方 1.2 公尺深處有電力、電信及自來水管等設施配合 工程進行埋設,橫向部分則有人車共行箱涵乙孔,其至路面覆土高度 則各為 1.0 公尺及 0.8 公尺,而其位置則距橋台約 7~8 公尺,與進橋板 未端,尚有 2~3 公尺距離,又有橫向堤防道路銜接,使得整個回填的 施工順序與滾壓工作,變得相當複雜。所以如果以低強度再生回填材 料填築,在施工上各 p.44
圖  26 進橋板示意圖  而所使用低強度再生材料以 191 線道路植栽工程開挖回收級配料 作為骨材,試拌配合比以 0.5、0.62、0.79 等三種水灰比試拌,其水泥 及用水量各別是 200kg 及 100kg、170kg 及 105kg、140kg 及 110kg,經 過 4 天抗壓強度為 38 kg/cm²、22 kg/cm²、12 kg/cm²,7 天抗壓強度為 44 kg/cm²、25 kg/cm²、14 kg/cm²,28 天抗壓強度為 83 kg/cm²、52 kg/cm²、 29 kg/cm

圖 26

進橋板示意圖 而所使用低強度再生材料以 191 線道路植栽工程開挖回收級配料 作為骨材,試拌配合比以 0.5、0.62、0.79 等三種水灰比試拌,其水泥 及用水量各別是 200kg 及 100kg、170kg 及 105kg、140kg 及 110kg,經 過 4 天抗壓強度為 38 kg/cm²、22 kg/cm²、12 kg/cm²,7 天抗壓強度為 44 kg/cm²、25 kg/cm²、14 kg/cm²,28 天抗壓強度為 83 kg/cm²、52 kg/cm²、 29 kg/cm p.57
表  3 斷面 2'實測計算表  樁號 第一次 第二次 填高 挖深 0+000 0+002 33.341 33.338  0.003 0+004 33.397 33.395  0.002 0+006 33.46 33.457  0.003 0+008 33.52 33.516  0.004 0+010 33.584 33.582  0.002 0+012 33.655 33.652  0.003 0+014 33.722 33.720  0.002 0+016 33.785 33.783  0.002 0+

表 3

斷面 2'實測計算表 樁號 第一次 第二次 填高 挖深 0+000 0+002 33.341 33.338 0.003 0+004 33.397 33.395 0.002 0+006 33.46 33.457 0.003 0+008 33.52 33.516 0.004 0+010 33.584 33.582 0.002 0+012 33.655 33.652 0.003 0+014 33.722 33.720 0.002 0+016 33.785 33.783 0.002 0+ p.60
表  5 斷面 3'實測計算表  樁號 第一次 第二次 填高 挖深 0+000 0+002 33.301 33.295  0.006 0+004 33.363 33.360  0.003 0+006表  4 斷面 3 實測計算表     樁號  第一次 第二次 填高 挖深0+000 33.236 33.233 0.0030+002 33.306 33.305 0.0010+004 33.701 33.700 0.0010+006 33.438 33.439  33.428 33.424  0.004 0+0

表 5

斷面 3'實測計算表 樁號 第一次 第二次 填高 挖深 0+000 0+002 33.301 33.295 0.006 0+004 33.363 33.360 0.003 0+006表 4 斷面 3 實測計算表 樁號 第一次 第二次 填高 挖深0+000 33.236 33.233 0.0030+002 33.306 33.305 0.0010+004 33.701 33.700 0.0010+006 33.438 33.439 33.428 33.424 0.004 0+0 p.61
表  7 斷面 4'實測計算表  樁號 第一次 第二次 填高 挖深 0+000 0+002 33.276 33.272  0.004 0+004 33.342 33.340  0.002 0+006 33.407 33.404  0.003 0+008 33.480 33.476  0.004 0+010 33.550 33.549  0.001 0+012 33.628 33.627  0.001 0+014 33.707 33.707  0表  6 斷面 4 實測計算表     樁號  第一次 第二次

表 7

斷面 4'實測計算表 樁號 第一次 第二次 填高 挖深 0+000 0+002 33.276 33.272 0.004 0+004 33.342 33.340 0.002 0+006 33.407 33.404 0.003 0+008 33.480 33.476 0.004 0+010 33.550 33.549 0.001 0+012 33.628 33.627 0.001 0+014 33.707 33.707 0表 6 斷面 4 實測計算表 樁號 第一次 第二次 p.62
表 11 進橋版部分經費比較表  單位 元                                                                                                             南橋台進橋版  北橋台低強度再生材料  項目  單價  數量 合計  單價  數量  合計  280kg/c ㎡ 混凝土 1,339.42 54.40 72,864.45 1,339.42 0.00 0.00 鋼筋  16,545.8 1  7.09

表 11

進橋版部分經費比較表 單位 元 南橋台進橋版 北橋台低強度再生材料 項目 單價 數量 合計 單價 數量 合計 280kg/c ㎡ 混凝土 1,339.42 54.40 72,864.45 1,339.42 0.00 0.00 鋼筋 16,545.8 1 7.09 p.66

參考文獻

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