行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
垃圾掩埋場址之治理及其土地永續利用--垃圾掩埋場址復 育應用之大地安全性探討(I)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 97-2621-M-216-003-
執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 中華大學土木與工程資訊學系
計 畫 主 持 人 ： 吳淵洵
計畫參與人員： 碩士級-專任助理人員：邱佳琪
碩士班研究生-兼任助理人員：王冠評 碩士班研究生-兼任助理人員：林義堅
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 98 年 10 月 30 日
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垃圾掩埋場址之治理及其土地永續利用--垃圾掩埋場址復 育應用之大地安全性探討(I)
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 97-2621-M-216-003
執行期間： 97 年 8 月 1 日至 98 年 7 月 31 日
計畫主持人：吳淵洵 共同主持人：
計畫參與人員：邱佳琪、王冠評、林義堅
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
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
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
執行單位：中華大學土木與工程資訊系
中 華 民 國 98 年 10 月 27 日
摘要 摘要 摘要 摘要
台灣地狹人稠，土地成本高昂，垃圾掩埋場封場復育後之治理及其土地之開 發與利用是我國未來環境保護重要政策。由於早期環保法令規章不全，垃圾掩埋 場相關設計與使用規範未臻完善，故台灣地區現存之垃圾掩埋場結構之穩定性亟 須檢討，其結果對於垃圾掩埋場封場復育後之開發成效與安全至關重要。城市固 體廢棄物種類繁多性質複雜，變異性極高，因此影響其填埋結構體穩定之因素相 對亦極為眾多分析不易。國內外在此一領域之相關研究普遍不足。國內對於悠關 封場復育穩定與安全分析所需之本土化工程參數目前亦極為缺乏，亟待工程界加 以探討。
本研究針對台灣現有垃圾掩埋場封場復育之安全穩定問題，依據國內垃圾掩 埋場設置與營運之本土特性，首先廣泛蒐集國內外垃圾掩埋場相關工程參數，建 構本土垃圾掩埋場工程參數資料庫。其次參考國內外垃圾掩埋場破壞案例，以極 限平衡邊坡穩定分析程式 STEDwin 及有限元素程式有限元素程式 Plaxis 數值模 擬、分析之方式，針對垃圾掩埋場結構體各單元之穩定與安全加以探討，研擬具 體實際可行之數值分析模式，以期建構台灣垃圾掩埋場封場復育後，場址之大地 安全性評估模式。垃圾掩埋場填埋體之邊坡穩定分析探討顯示，依據極限平衡法 則之電腦程式 STEDwin 所得之結果與國外文獻案例以 Talren 分析所得者相似，
垃圾纖維產生之張力阻抗可以加勁格網予以模擬，惟以有限元素程式 Plaxis 分析 時則發現無論是安全係數或破壞面位置均具有極大之差異。進一步以詳細的漸進 式方法分別使用 STEDwin 及 Plaxis 比較不同程度破壞之安全係數，二種程式之 分析結果均顯示文獻案例之邊坡破壞應係由淺層破壞開始再逐漸發育成為全面 破壞模式。由此說明垃圾掩埋場填埋體邊坡穩定分析之複雜性，而著重材料變形 檢核之 Plaxis 程式較能顯現填埋體邊坡之破壞模式。研究成果可提供相關單位於 進行垃圾掩埋場封場復育開發與規劃設計作業之參考，同時亦有助於國家環境保 護與國土永續發展之長期目標。
關鍵詞：垃圾掩埋場、都市固體廢棄物、邊坡穩定、變形、沈陷
ABSTRACT
Taiwan is a small area with congested population and costly land. The developments of all existing closure sanitary landfill sites (CSLS) thus become one of the most important policy of environment protection for this country. However, the structural safety of CSLS presents serious potential problems. This is due to the imperfectness of earlier environmental laws and acts and the possible erroneous design codes and schemes. Therefore, CSLS in Taiwan should be carefully examined to ensure its structural stability and safety. Because the engineering properties of municipal solid waste (MSW) are heterogeneous and uncertain to be determined, the safety measures for CSLS will be difficult to be estimated with confidence. Solutions are hardly found in literatures around the world and further local studies are extremely required in this field.
This research studies the safety engineering analyses for CSLS in Taiwan. The research consists of collection of engineering properties of MSW; performance of statistical analyses of all the data; and establishment of a localized engineering database. Based on several live cases of CSLS failures, this research also will conduct engineering analyses using commercial limit equilibrium program STEDwin and finite element program Plaxis to simulate slope failures for CSLS. As a result, numerical solutions and performance recommendations for CSLS safety measures will be developed for government use and ensure the safety of CSLS in future development. Based on the results of analysis, STEDwin simulate well for a failure of existing sanitary landfill and the results are similar to those found using Talren in the literature. The tension resistance provided by fibrous of the waste can be simulate using the function of geogrid in the program. However, the results of Plaxis demonstrated great different schemes both for safety and the locations of failure plane.
Further studies were conducted using detailed progressive analyses for different schemes of failures. The results indicated that the slope failure of the case studied should be initiated at the shallow surface. The failure surface was then progressively moving toward to the inside body of the slope, and finally developed the total collapse.
The studies demonstrated the complexity of the analysis of a slope failure for a sanitary landfill. The capability of deformation analysis given by Plaxis indicates its superiority in searching of the true failure surface. The findings of this research will improve engineering technology in the field of waste geotechnology and promote resource recovery. It is thus consistent with the national goals sustainability.
Keywords: sanitary landfill, municipal solid waste (MSW), slope stability, settlement
目錄 目錄 目錄 目錄
中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 目錄...III 表目錄...V 圖目錄... VI
第一章 緒論 ...1
1.1 研究背景 ...1
1.2 研究目的 ...3
1.3 研究方法與步驟...4
第二章 文獻回顧 ...6
2.1 垃圾掩埋場構造...6
2.2 廢棄物掩埋場破壞類型...7
2.3 垃圾衛生掩埋場穩定邊坡之定義 ...9
2.4 國內外掩埋場的破壞案例 ...10
2.5 台灣垃圾掩埋場...14
2.6 垃圾掩埋場設計中的岩土問題 ...15
2.7 填埋場設計所需工程參數 ...15
2.7.1 固體廢棄物之單位重 ...16
2.7.1.1 單位重量測方式...22
2.7.2 固體廢棄物剪力強度參數...23
2.7.2.1 MSW 剪力強度參數量測方法...31
2.7.3 界面摩擦力...31
2.7.4 基本參數不確定因素 ...38
2.7.5 固體廢棄物的透水性 ...38
2.7.6 固體廢棄物彈性模數與柏松比...39
2.8 MSW 沉陷量分析參數 ...39
第三章 國內外案例彙整...41
3.1 國內外垃圾掩埋場資料彙整 ...41
3.2 相關材料參數統計結果...46
第四章 案例分析研討...49
4.1 垃圾掩埋場邊坡穩定分析架構及流程 ...49
4.2 STEDwin 程式分析簡介 ...50
4.2.1 STEDwin 分析基本理論...50
4.2.2 STEDwin 之特性與功能...50
4.2.3 加勁材應力計算及基本理論...52
4.2.4 STEDwin 程式分析步驟...54
4.3 有限元素程式 PLAXIS 簡介 ...55
4.3.1 程式基本理論 ...56
4.3.1.1 剪力強度折減法...56
4.3.2 PLAXIS 分析步驟說明如下：...58
4.4 文獻案例分析比較...59
4.4.1 文獻案例簡介(印尼萬隆垃圾掩埋場) ...59
4.4.2 文獻案例結果比較 ...63
4.5 實際案例穩定分析...77
4.5.1 實際案例簡介(山豬窟垃圾衛生掩埋場) ...77
4.5.2 實際案例分析結果比較 ...82
第五章 結論與建議 ...86
5.1 結論 ...86
5.2 建議 ...87
參考文獻 ...88
表目錄 表目錄 表目錄 表目錄
表 2.1 廢棄物掩埋場潛在破壞類型於設計上所需之工程參數 ...8
表 2.2 垃圾掩埋場所填築之邊坡破壞模式 ...9
表 2.3 掩埋場破壞案例 ...11
表 2.4 分類準則與相關參數一覽表 ...16
表 2.5 新鮮堆置廢棄物總體單位重統計表 ...18
表 2.6 國內外文獻統計之固體掩埋物單位重 ...18
表 2.7 美國 6 個垃圾填埋場現地全尺寸試驗之單位重結果 ...19
表 2.8 物理參數不同成果及土壤覆蓋的數量 ...22
表 2.9 MSW 單位重量測方法 ...23
表 2.10 從文獻上統計之剪力強度參數量測案例...25
表 2.11 廢棄物剪力強度值...27
表 2.12 廢棄物剪力強度值...28
表 2.13 MSW 的剪力行為量測方法探討...31
表 2.14 平滑地工模布之界面剪力強度參數值...33
表 2.15 地工合成物與地工合成物界面剪力強度...34
表 2.16 地工合成物與土壤界面剪力強度 ...35
表 2.17 地工合成黏土襯墊界面剪力強度 ...36
表 2.18 地工合成黏土襯墊內部剪力強度 ...37
表 2.19 固體廢棄物彈性模數 E 與柏松比υ ...39
表 2.20 廢棄物之沉陷分析參數...40
表 3.1 全台灣垃圾掩埋場相關資料一覽表 ...41
表 3.2 國外垃圾掩埋場相關資料一覽表 ...46
表 3.3 單位重統計 ...46
表 4.1 STEDwin 之程式架構...51
表 4.3 文獻案例分析結果一覽表...63
表 4.4 STEDwin 分析結果一覽表...65
表 4.5 PLAXIS 與 STEDwin 淺層破壞分析結果比較...68
表 4.6 漸進式破壞分析結果一覽表 ...69
表 4.7 回饋分析結果整理表...71
表 4.8 邊坡穩定分析土層參數表...81
表 4.9 PLAXIS 與 STABL 淺層破壞分析結果比較 ...83
表 4.10 Plaxis 回饋分析結果...84
圖 圖 圖
圖目錄 目錄 目錄 目錄
圖 1.1 垃圾掩埋場之治理及土地永續利用之策略目標示意圖 ...2
圖 1.2 整合研究之架構及各子計畫之連繫協調示意圖...3
圖 1.3 本計畫之研究構想與目的以及整體目標與意義...4
圖 2.1a 垃圾掩埋場之ㄧ般構造 ...6
圖 2.1b 垃圾掩埋場填埋作業...6
圖 2.2 廢棄物掩埋場潛在破壞類型 ...9
圖 2.3 無設置襯墊層的掩埋場 2D 分析剖面...12
圖 2.4 有設置襯墊層的掩埋場 2D 分析剖面...13
圖 2.5 台灣廢棄物處理場(廠)分布圖 ...14
圖 2.6 美國 6 個垃圾填埋場現地全尺寸試驗之單位重結果 ...19
圖 2.7 密度與廢棄物平均垂直應力之關係 ...20
圖 2.8 11 位不同學者利用現地大型尺寸試驗得到 MSW 單位重結果 ...20
圖 2.9 一般垃圾掩埋場之 MSW 單位重建議深度曲線 ...21
圖 2.10 假設參數α、β之物理意義 ...21
圖 2.11 單位重假設參數的影響...22
圖 2.12 設計上建議的剪力強度範圍 ...26
圖 2.13 MSW 有效剪力強度參數之彙整...26
圖 2.14 一般固體廢棄物強度歸納 ...29
圖 2.15 固體廢棄物之剪力強度...29
圖 2.16 固體廢棄物之剪力強度...30
圖 3.1 單位重統計圖 ...47
圖 3.2 強度參數統計圖 ...48
圖 4.1 案例分析流程圖 ...49
圖 4.2 STEDwin 程式架構圖...51
圖 4.3 STABL6 程式加勁位置、力量分佈及傾斜因素圖 ...53
圖 4.4 STABL6 程式加勁力模擬方向說明...54
圖 4.5 STABL 分析邊坡安全係數之流程圖...55
圖 4.6 萬隆城市位置 ...60
圖 4.7 萬隆大地測量協會衛星空照圖 ...60
圖 4.8 破壞後殘餘邊坡...60
圖 4.9 破壞現況照片 ...61
圖 4.10 分析幾何剖面形狀圖...62
圖 4.11 垃圾場本身構造及營運(適當排水及無火災情況)分析結果(正 常狀態) ...64
圖 4.12 垃圾場無火災時分析結果(暴雨狀態)...64
圖 4.13 垃圾場有火災分析結果(垃圾悶燃)...65
圖 4.14 垃圾場本身構造及營運(適當排水及無火災情況)分析結果(正 常狀態) ...66
圖 4.15 垃圾場無火災時分析結果(暴雨狀態)...66
圖 4.16 垃圾場有火災分析結果(垃圾悶燃)...67
圖 4.17.. PLAXIS 垃圾場適當排水及無火災情況分析結果(正常狀態) ...67
圖 4.18 STEDwin 垃圾場淺層破壞分析結果(正常狀態) ...68
圖 4.19a 漸進式破壞示意圖...69
圖 4.19b PLAXIS 漸進式破壞分析結果 ...69
圖 4.19c PLAXIS 漸進式破壞分析結果(續) ...70
圖 4.20 PLAXIS 回饋分析結果(C=70 kPa,φ=20°)...72
圖 4.21 PLAXIS 回饋分析結果(C=75 kPa,φ=35°)...72
圖 4.22 PLAXIS 回饋分析結果(C=80 kPa,φ=40°)...73
圖 4.23 PLAXIS 回饋分析結果(C=90 kPa,φ=40°)...73
圖 4.24 PLAXIS 回饋分析結果(C=100 kPa,φ=40°) ...74
圖 4.25 PLAXIS 回饋分析結果(C=100 kPa,φ=45°) ...74
圖 4.26 PLAXIS 回饋分析結果(C=110 kPa,φ=45°) ...75
圖 4.27 PLAXIS 回饋分析結果(C=120 kPa,φ=45°) ...75
圖 4.28 PLAXIS 回饋分析結果(C=130 kPa,φ=45°)(正常狀態)...76
圖 4.29 PLAXIS 回饋分析結果(C=100 kPa,φ=45°)(暴雨狀態)...76
圖 4.30 PLAXIS 回饋分析結果(C=100 kPa,φ=45°)(悶燃狀態)...77
圖 4.31 地理位置圖 ...79
圖 4.32 現況照片圖 ...79
圖 4.33 分析幾何剖面形狀圖...80
圖 4.34 正常狀態分析結果...82
圖 4.35 暴雨狀態分析結果...83
圖 4.36 復育計畫 STABL 分析結果 ...84
第一章 第一章 第一章
第一章 緒論 緒論 緒論 緒論
1.1 研究背景 研究背景 研究背景 研究背景
臺灣地區之城市生活垃圾早年大多傾倒於山谷、行水區且未經審慎妥善之處 理。由於台灣山坡地陡峭、河川源短流急、地質脆弱，且山區垃圾掩埋場多位置 於富自然生態及原始林相區域之環境上游處，不但衝擊自然環境生態也可能是環 境污染的源頭，在雨季或颱風季節時更存在著土石流、崩塌、地滑等危機，因而 衍生甚多環保問題與水土災害，甚至引發後續之社會政治紛爭，惟經政府多年來 訂定方案持續戮力整治己逐漸產生績效。臺灣在邁向「開發國家」之路途上，居 於保護國土、維護國民健康及秉持環境永續經營之理念，政府甚為重視此等垃圾 掩埋場之潛在問題，積極思考治理策略。中央政府遂於民國 92 年制訂「台灣地 區垃圾處理後續計畫」，積極協助各地方政府推動垃圾處理、封場復育及滲出水 處理等多項方案。預定自民國 96 年以後，除偏遠地區外，生垃圾不再進入掩埋 場，而主要都會地區垃圾之處理亦以源頭減量、資源回收為主，期望逐年達成「垃 圾零廢棄」目標。對於現存垃圾掩埋場之處理，上述計畫預計先行辦理 117 處 掩埋場封閉復育綠化，而後續計畫亦預期移除處置再生復育棄置場 5 處、露天堆 置場移除 12 處及焚化灰渣場 12 處。由此顯示現存垃圾掩埋場之處理將是我國 未來環境復育工作執行重點之一。
台灣地狹人稠，土地成本高昂且民眾主張權益自主、環保意識高漲，因此垃 圾掩埋場多必須置於位處偏遠之山坡地或河岸等地質敏感地區。此外，又因早年 環保法令規章不全，垃圾掩埋場相關設計與使用規範未臻完善，故由於設計、施 工不當或超限使用因而導致垃圾掩埋場發生破壞之案例在所多有。例如近年來之 竹東垃圾掩埋場、五股灰渣掩埋場、八里垃圾掩埋場等案，其結果往往造成周邊 地區之設施嚴重毀損甚至導致人命傷亡。顯示台灣地區現存之垃圾掩埋場結構穩 定性亟須檢討，其結果對於垃圾掩埋場封場復育後之安全至關重要(范佐憲、單 信瑜，2007)。
由於城市固體廢棄物(Municipal Solid Waste, MSW)種類繁多性質複雜，為 變異性極高之物質，因此影響其填埋結構體穩定之因素相對亦極為眾多，分析 不易，國內外在此一領域之相關研究普遍不足(鄭介眉，2004；王昱雲，2007;
Jones and Dixon, 2005; Zekko et al., 2006; Gabr et al., 2007; Park et al., 2007)。國內 對於悠關封場復育穩定與安全分析所需之本土化工程參數目前亦極為缺乏(鄭介 眉，2004；范佐憲，2007 ；王昱雲，2007)。有關封場穩定分析與設計之標準作 業程序，以及後續之土地使用安全考量等亦未建立，亟待工程界加以探討。鑑於 MSW之組成與不規則異質性岩土材料尚屬類似，且垃圾掩埋場之安危與其周邊 之大地性質關係亦極為密切，因此本研究擬自大地工程之角度出發，針對垃圾掩 埋場之結構之穩定性與安全性加以探討，並提出垃圾掩埋場大地工程穩定分析之 本土化標準作業程序建議，以供垃圾掩埋場封場復育相關單位作業之參考。
本子計畫為中華大學因應永續會研擬之議題「環 1- 環境保育相關政策與永 續發展之整合籌劃策略研究」之第 4 項主題「土地資源保育及劣化土地環境之鑑 定整治及復育策略」，提出之整合型研究案中之一環，提供垃圾掩埋場結構穩定 性相關探討，俾與其他子計畫相互整合，藉由掩埋場址之空間資訊管理、防災管 理、工程管理及土地管理之建立與強化，達到提昇掩埋場址土地永續性之目的。
整合型之研究策略如圖 1.1 所示。
圖 1.1 垃圾掩埋場址之治理及土地永續利用之策略目標示意圖
掩埋場本屬環保設施，其規劃設計與使用，一般多著重在環境之考量，本整 合型計畫則以土木工程面之角度切入，檢視氣象、水文、地質等危害因子，配合 災害防治技術及工程治理原理，使掩埋場能安全而無污染，提昇場址之利用價 值，必要時須予以移除、分類、回填，達到資源利用土地再生之目的。本整合型 計畫除資訊、環保、土木背景人員外，也有土地行政管理專家加入研究團隊，探 討掩埋場對鄰近地區土地使用之影響及場址本身再利用之法規、社經、人文等問 題，研究架構如圖 1.2 所示，圖中數字代表子計畫編號，顯示各子計畫切入點不 同，互可支援，總目標則一。
註：括號內數字為子計畫編號
圖 1.2 整合研究之架構及各子計畫之連繫協調示意圖
1.2 研究目的 研究目的 研究目的 研究目的
鑑於垃圾掩埋場封場復育及其土地資源之永續開發與應用為我國政府未來 既定之重要環保政策，而垃圾掩埋場之結構安全又為場址封場復育後相關設施發 展成功與否之關鍵，因此本研究擬將此二項深具環境保護與民生永續發展意義之 議題結合，針對台灣現有垃圾掩埋場封場復育之安全穩定可能問題，依據國內垃 圾掩埋場設置與營運之本土特性，如圖 1.3 所示，廣泛蒐集國內外垃圾掩埋場相 關工程參數，參考國內外垃圾掩埋場破壞案例，以數值模擬、分析之方式，針對 其結構體各單元之穩定與安全加以探討，包括邊坡穩定、填埋體(landfill)沈陷，
以及垃圾圍阻堰堤(containment dike)之穩定等，研擬具體實際可行之數值分析模 式，以期建構台灣現有垃圾掩埋場封場復育後，場址之長期穩定性與安全性評估 模式。研究成果可提供相關單位於進行垃圾掩埋場封場復育規劃設計作業之參 考，同時亦有助於國家環境保護與永續發展之長期目標。
圖 1.3 本計畫之研究構想與目的以及整體目標與意義
1.3 研究方法與步驟 研究方法與步驟 研究方法與步驟 研究方法與步驟
本研究之工作重點項目包括廣泛蒐集國內外相關論文、案例等參考資料，彙 整垃圾掩埋場工程參數試驗項目包括單位重、強度與壓縮性等，做為建立本土化 工程參數資料庫之依據；其次則針對垃圾掩埋場之邊坡穩定性進行分析方法、模 式及工具軟體之評估與篩選；最後以文獻案例為標的，進行模擬分析並就分析結 果加以比較，確認分析模式之可行性與正確性。
任何分析成果之正確性必須完全仰賴正確之輸入參數，因此欲求取正確之分 析成果，首先必須得到正確之工程參數。關於垃圾掩埋場材料之工程參數，包括 垃圾單位重、強度、壓縮性及滲透性等，多年來國內外相關研究曾加以探討，惟 因垃圾掩埋場材料是由各類型固體廢棄物、中間覆土和地工合成材料等多種物質 組成，具有多孔隙、非飽和、變異性、地域性、依時性及不連續性，各種材料間 之變形亦不相容，且材料試驗樣品亦不易製備，故垃圾掩埋場所含材料之物理力 學性質之測定極為不易。比較各研究結果往往發現不同時期或不同地區之垃圾工 程參數亦明顯不同，顯示相關參數資料庫之建置必須長期廣泛為之，並配合統計 法則加以彙整方可達到必要之正確性。
造成垃圾掩埋場結構失穩之原因甚多，其中以填埋體抗剪強度不足、MSW 與地工膜布界面強度過低、地基含有軟弱地層導致承載力不足，以及超限使用負
研擬本土垃圾掩埋場結 構體穩定數值分析模型
提昇垃圾掩埋場封場復育 之使用穩定性與安全性 廣泛蒐集國內外垃
圾掩埋場工程相關 資料與案例
執行垃圾掩埋場 結構體穩定各項 數值模擬分析 早期之垃圾掩埋場結
構分析設計未盡週全 垃圾種類繁多、性質 複雜，變異性高
垃圾掩埋場封場復育使 用穩定性與安全性不足
建構本土垃圾掩埋場工 程參數資料庫
問題 對策 目的
目標與意義：環境保護、永續發展、技術提昇
載過度居多。依據前述之文獻探討，垃圾掩埋場失穩之分析模式無論是二維或三 維方式，目前仍多以極限平衡法為主，惟此種方法無法考量變形之影響，更何況 垃圾掩埋場中存在顯著之不同材料應變相容性(Strain Compatibility)問題，故極限 平衡法對於變形量甚大之垃圾掩埋場穩定性預測正確性不足(Jones and Dixon, 2005)。使用有限元素程式，例如 Plaxis 程式應較為理想，不僅可以針對垃圾組 成特性以組成律進行模擬，亦可以參考變形量變化評估填埋體穩定性之安全係 數。
Plaxis電腦程式係由荷蘭 Plaxis B.V. 公司所研發，為分析土壤於各類型大地 工程問題之變形及應力之有限元素程式並可分析結構桿件之應力及變形行為。為 目前學術及工程實務上最有效率的有限元素分析軟體之一，可應用於深開挖、地 錨及土釘結構、排樁、隧道、加勁擋土結構、承載力、壓密及潛變、滲流等各類 型土壤與結構之互制問題。程式並可考量五種土壤應力-應變組合律包括線彈 性、Mohr-Coulomb、Soft Soil、Hardening Soil、Soft Soil Creep 等。對於土體內 之水壓力亦可考慮 Hydrostatic 或 Steady State 情況，土壤強度可為 Drained 或 Undrained，孔隙水壓亦可包括超額狀況。Plaxis 程式在大地工程之應用甚為廣泛 且經學術、實務驗證多年，依據全國博碩士論文網蒐尋之統計，以 Plaxis 為分析 工具之我國博碩士論文已超過 50 篇，內容種類涵蓋土壤力學性質模擬、基礎應 用、隧道、基樁、土石壩、深開挖、液化、橋樑以及河溪生態等。雖然尚未有垃 圾掩埋場之學術探討先例，然而以此程式之能力及其眾多成功案例，以其應用於 垃圾掩埋場應具有一定之可行性。
對於 Plaxis 於垃圾掩埋場填埋體邊坡穩定之適用性，本研究將以印尼巴東 垃圾場災變(Koelsch et al., 2005)為分析案例加以探討。此案例災變之主因為垃圾 場超限使用，以及颱風豪雨影響，且印尼之氣候、環境及其垃圾掩埋場之營運管 理與我國頗為類似，因此以此案例作為探討 Plaxis 是否適用我國垃圾掩埋場之填 埋體穩定分析應極為合適。此外，「失敗為成功之母」，失敗案例之探討對於邊 坡穩定分析正確性之評估具有極高之學術參考價值，有助於參數以及分析模式之 確認。由於我國垃圾掩埋場事故之調查機制尚未建立、資料不全，難以作為學術 探討對象。此二案例之事故調查尚屬完整，故對於 Plaxis 建構分析模式正確性之 評估極有助益。
由於 MSW 之性質不一，且國內垃圾掩埋場營運管理尚未制度化，故本研究 建構工程參數資料庫之最大困難厥為參數之抉擇及其正確性之掌握。對此問題，
本研究擬將所取得之參數與 Zekko 等人(2006)建議之 MSW 單位重之數值預測方 程式，以及 Machado et al. (2002) 建議之 MSW 應力應變組成律，加以比較分析 建立相關性。若因取樣試驗數量樣本不足或數據過於分散以致短期未能建立足夠 統計信心，則此資料之整理與歸納對垃圾掩埋場之工程分析而言仍具有若干程度 之指標性。藉由後續計畫之執行，以及國內外相關文獻資料之蒐集與彙整，持續 累積試驗統計樣本，應可逐步建立我國垃圾掩埋場工程參數之資料庫。
第二章 第二章 第二章
第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧
本章內容首先根據相關文獻介紹垃圾填埋場破壞類型，並彙整各破壞類型於 分析上所需之工程參數、垃圾填埋場穩定安全係數；其次蒐集國內外垃圾填埋場 破壞案例及分析方式；最後統計各相關文獻之工程參數以及垃圾掩埋場填埋體之 沉陷性質。
2.1 垃圾掩埋場 垃圾掩埋場構造 垃圾掩埋場 垃圾掩埋場 構造 構造 構造
垃圾掩埋場之一般構造及其垃圾填埋作業如圖 2.1 所示，包括不透水襯層、污水、
廢氣蒐集系統，以及垃圾填埋作業時之每日覆土與填埋完成時之最終覆蓋層。
圖 2.1a 垃圾掩埋場之一般構造(www.blueenvironmental.com/landfill.html)
圖 2.1b 垃圾掩埋場填埋作業(http://media-2.web.britannica.com/eb-media)
2.2 廢棄物掩埋場破壞類型 廢棄物掩埋場破壞類型 廢棄物掩埋場破壞類型 廢棄物掩埋場破壞類型
Dixon and Jones (2005)提出 10 種廢棄物掩埋場潛在破壞類型，並針對各破壞類型 彙整設計上所需之工程參數，詳圖 2.2 及表 2.1 所示。陳榮河及陳國賢(2002)針 對廢棄物掩埋場破壞模式及分析方法，歸納區分為五大類(表 2.2)：
(一)廢棄物內部破壞
破壞面發生於填築廢棄物內部，主要因素為廢棄物剪力強度不足所產生之破壞模 式，常發生於廢棄物填築邊坡高度較高(超高)、坡角過大(過陡)、廢棄物夯實不 足或不當堆置之狀況下。此類破壞之穩定分析可採用傳統圓弧破壞穩定分析方 法，如 Bishop、Janbu..等模式分析。
(二)邊坡及基礎土壤之整體破壞
破壞面由上方垃圾層開始，穿過垃圾底層之阻水襯墊層，一般多為不透水布或皂 土布等。再延伸至下方基礎土壤。此類型之破壞模式，主要因為基礎下方土壤剪 力強度不足而發生剪力力破壞，導致承載不足，使上層之垃圾邊坡同時誘發破 壞。通常較易發生於下方存在軟弱土層之情況，尤其是軟弱黏土層。其破壞面通 常呈圓弧形，可用傳統是圓弧破壞穩定分析法來進行分析，惟需考量垃圾場底部 襯墊層(地工合成材料)之張力強度所提供之抵抗力。
(三)襯墊層界面之滑動破壞
主要破壞面發生於垃圾場底部襯墊層系統之內外部界面，因交界面之剪力強 度不足，誌上方垃圾塊體沿此界面產生滑動破壞，常發生於掩埋場邊坡較陡 時，而襯墊系統界面強度較低之情況。此類破壞之穩定分析可用塊體平衡進 行分析評估。
(四)襯墊層之拉出或拉斷破壞
掩埋場於營運期間，因填埋垃圾與襯墊層界面之摩擦力所產生之向下牽引拉 力，超過襯墊系統與下方土壤間之摩擦力及襯墊層之錨定力或張力時，發生 襯墊被拉出或斷裂之破壞，使垃圾發生向下滑移。此類型之破壞多發生於襯 墊之錨定力或張力強度不足時，其分析方法可採用 Koerner(1994)塊體平衡分 析法，進行分析與評估。
(五)覆蓋層之破壞
此類破壞包括頂部覆土因與下方覆蓋襯墊層間之剪力強度不足，而導致覆土 向下滑動破壞及覆蓋襯墊層內部界面間之剪力強度不足，致部分襯墊層系統 發生向下滑動之破壞。此類破壞之分析法亦可採用 Koerner(1994)塊體平衡分 析法，進行分析與評估。
依據前述各種破壞模式，可知控制垃圾填埋體邊坡穩定性之因素包括垃圾剪 力強度、基礎地質條件與構造、填埋體結構界面剪力強度，以及垃圾填築結構形 狀、尺寸、狀況等。此外，MSW 內部之依時(Time-dependent)變化、滲出水與氣 體之產生，以及垃圾掩埋場之週邊環境因素如降雨量、地震、水土災害或工程行 為等對於垃圾填埋體邊坡穩定性均可能具有關鍵之影響(陳榮河、陳國賢，2002；
王昱雲，2007；Dixon and Jones, 2005; Stark, et al., 2000)。
表 2.1 廢棄物掩埋場潛在破壞類型於設計上所需之工程參數 (Dixon and Jones, 2005)
設計類型 單
位 重
垂 直 壓 縮 性
剪 力 強 度
側 向 應 變
現地 水平 應力
水 力 傳 導 係 數
Subgrade stability ◎ ◎ ◎
Subgrade integrity ◎ ◎ ◎ ◎
Waste slope stability ◎ ◎ ◎ ◎
Shallow slope liner stability ◎ ◎ ◎ ◎
Shallow slope liner integrity ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
Steep slope liner stability ◎ ◎ ◎ ◎
Steep slope liner integrity ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
Cover system integrity ◎ ◎ ◎
Drainage system integrity ◎ ◎
Leachate/gas well integrity ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
圖 2.2 廢棄物掩埋場潛在破壞類型(Dixon and Jones, 2005) 表 2.2 垃圾掩埋場所填築之邊坡破壞模式(陳榮河、陳國賢，2002)
2.3 垃圾衛生掩埋場穩定邊坡之定義 垃圾衛生掩埋場穩定邊坡之定義 垃圾衛生掩埋場穩定邊坡之定義 垃圾衛生掩埋場穩定邊坡之定義
依據既有掩埋場之觀察，下述垃圾邊坡坡度為穩定邊坡：
1. 事業廢棄物：3:1(H:V)到 4:1(H:V)
2. 包含 40%固體的污泥式廢棄物：7:1(H:V)到 6:1(H:V) 3. 飛灰沉積物(未含生垃圾)：7:1(H:V)到 6:1(H:V)
4. 砂質廢棄物和飛灰(未含生垃圾)：1:3(H:V)到 1:4(H:V)
根據環保署 2003 年委託研究單位訪視 29 復育掩埋場(行政院環保署，2003) 的結果顯示，「邊坡穩定性不足」名列掩埋場問題的榜首。針對這一類掩埋場穩 定問題，國內的主管機關曾提出以下建議：
1. 掩埋場在平地應不高於 50 公尺，在丘陵則可酌量提高。當掩埋場高度愈 高，其坡度則應求其平緩。
2. 掩埋場外緣坡度基本上應不小於 3H：V。只有當掩埋場需要堆積更高時，
方予酌情放緩坡度。
3. 當坡度愈趨於上方時，坡度可酌增陡峻，當坡度愈趨於下方時，坡度則 勢需放緩。
4. 掩埋場高度每增加 8~10 公尺時，則須加設最少為 4 公尺寬的平台階面一 座。階面內側須有排水溝設置。
劉毓氚、李琳、賀懷建(2002)指出衛生掩埋場的形式可分成 5 大類：
1. 面上堆積：填埋過程只有很小的開挖或不開挖通常適用於比較平坦且地 下水埋藏較淺的地區。
2. 地上和地下堆積：填埋場由同時開挖的大單元雙向佈置組成，一旦兩個 相近單元填起來了，它們之間的面積也可被填起來，通常用於比較平坦 但地下埋藏較深的地區。
3. 谷地堆積：堆積的地區位於天然坡度之間，可能包括少許地下開挖。
4. 挖溝堆積：與地上和地下堆積相類似，但其填埋單元是狹窄和平行的，
通常用於比較小的廢棄溝。
5. 坡地堆積：利用坡地和擋土牆擋蓄固體廢棄物，通常適用於山坡地區。
鄭介眉(2004)指出台灣掩埋場中填築最常見有以下種類：
1. 在現有地面上填築垃圾
2. 在開挖地面或山谷窪地內填築垃圾
2.4 國內外掩埋場的破壞案例 國內外掩埋場的破壞案例 國內外掩埋場的破壞案例 國內外掩埋場的破壞案例
近年來國內外無論營運中或己封場之垃圾掩埋場均曾發生大規模之邊坡破 壞案例，並分別造成輕重不等的損失。例如美國的 Kettleman Hill、Cincinnati Rumpke、Great Lakes Area、菲律賓的 Payatas 印尼的 Leuwigajah；以及國內 的竹東、五股與八里等地之掩埋場(姚大鈞等人，2004；范佐憲、單信瑜，2007；
Koerner and Soong, 2000; Stark et al., 2000; Scott et al., 2005; Koelsch et al., Chang, 2006; Yao and Tsai, 2006;)。Koerner and Soong (2000) 與 Stark et al. (2000) 探討美國掩埋場邊坡之破壞，認為破壞原因為包括基礎軟弱層之影響、MSW 與
基礎 土壤 因應 變不相容(Strain Incompatibility)而產 生之 漸進破 壞(Progressive Failure)、滲出水造成之孔隙水壓增加、襯層界面剪力強度不足、坡趾開挖於基 礎土層中引致之額外剪應力等。此外，垃圾掩埋場營運法規對於填埋中之邊坡穩 定安全並未加以規範，因此法規不週亦為導致本案填埋體於施工中發生嚴重破壞 原因之一。Koelsch et al. (2005)調查印尼巴東垃圾掩埋場導致至少 147 人死亡之 邊坡災變。調查結果顯示，坍塌原因主要為豪雨浸潤增加填埋體之重量並造成基 礎地層產生高額孔隙水壓，以及垃圾悶燒損毀垃圾所含纖維，降低填埋體之加勁 能力。
Koerner and Soong(2000)收集 1980 至 2000 年間，世界各地十個大型掩埋場 的破壞案例，如表 2.3 所示，其中掩埋場底部有無設置襯墊層系統的案例佔一半。
廢棄物邊坡破壞造成坍方量 60,000m3 ~1,200,000m3，主要分為兩種典型破壞模式 即圓弧滑動及平面滑動，有時亦會有複合型邊坡破壞，表 2.3 中，破壞類型以平 面滑動居多，有設置襯墊層的掩埋場，則全部屬於沿襯墊層界面之滑動破壞。無 設置襯墊的掩埋場 2D 分析剖面如圖 2.3 所示，有設置襯墊層的掩埋場 2D 分析 剖面如圖 2.4 所示其中 L-1 為美國加州著名 Kettleman Hills Landfill 破壞案例。
表 2.3 掩埋場破壞案例(Koerner and Soong, 2000)
案例資料 年 位置 類型 廢棄物坍方量(m3) 無襯墊
U-1 1984 北美 Single rotational 110,000 U-2 1989 北美 Multiple rotational 500,000 U-3 1993 歐洲 Translational 470,000 U-4 1996 北美 Translational 1,100,000 U-5 1997 北美 Single rotational 100,000 有襯墊
L-1 1988 北美 Translational 490,000 L-2 1994 歐洲 Translational 60,000 L-3 1997 北美 Translational 100,000 L-4 1997 非洲 Translational 300,000 L-5 1997 南美 Translational 1,200,000
圖 2.3 無設置襯墊層的掩埋場 2D 分析剖面(Koerner and Soong, 2000)
圖 2.4 有設置襯墊層的掩埋場 2D 分析剖面(Koerner and Soong, 2000)
2.5 台灣垃圾掩埋場 台灣垃圾掩埋場 台灣垃圾掩埋場 台灣垃圾掩埋場
如圖 2.5 所示，截至民國 94 年底，台灣區營運中的廢棄物掩埋場共計 175 處(行政院環保署，2007)，其中山坡地掩埋場則約有 53 處。台灣地區山坡地掩 埋場所面臨的問題有下列幾項(單信瑜，1999)：
1. 地形：掩埋場多處位於山坡地與山谷，在設計與施工上都有其困難處。
2. 工程品質：設計與施工品質不良。
3. 工程制度：受限於掩埋區設施一次發包施工完成制度。
4. 營運管理制度：掩埋場缺乏適當的人力營運管理，且未按掩埋場計畫作業。
5. 法規：國內之廢棄物掩埋場相關法規不完善，且亦無適當之官方技術文件可 供參考。
圖 2.5 台灣廢棄物處理場(廠)分布圖(環保署，2007)
2.6 垃圾掩埋場設計中的岩 垃圾掩埋場設計中的岩土問題 垃圾掩埋場設計中的岩 垃圾掩埋場設計中的岩 土問題 土問題 土問題(吳曉峰 吳曉峰 吳曉峰 吳曉峰、 、 、 、王浩 王浩 王浩 王浩、 、 、 、周健 周健 周健 周健， ， ，2006) ，
一、廢棄物堆積體的穩定性
包括外部穩定及內部穩定。外部穩定包括堆積體周圍所有臨時與永久性邊坡 在運轉階段及以後潛在失穩區段的廢棄物強度與變形性能。不同抗剪強度襯墊之 間，也可能發生層間剪切失穩，這與襯墊層體系的材料類型和組成有關。內部穩 定指在內堆放廢棄物的推測，以避免垃圾堆積體內部失穩。
二、廢棄物堆積體的變形
設計時必須注意使廢棄物堆積體的垂直和側向變形不會導致堆積體襯墊層 系統和其他組成構件損害，且於事前應先預估垃圾的差異沉陷及伸展變形。
三、密封層(襯墊層與封閉層)的設計問題
進行垃圾掩埋場設計時，應對廢棄物堆積體的密封系統(即底部襯墊層和封 頂層)進行長期有效性與穩定性分析。包括密封層的截污容量、密封層的變形評 估、密封料對沖刷與潛移的抵抗力及密封層的抗剪強度分析等。
四、動力問題
在地震活動區域必須考慮動力問題。地震直接危害在於破壞密封層氣液體的 排放和處理系統、垃圾掩埋區排水系統。此外，地震可造成飽和砂土液化、飽和 軟弱土震陷及荷重下邊坡失穩，不但危及掩埋場的安全，亦造成嚴重二次污染。
五、污染物遷移的計算分析
通常掩埋場都構築於最高地下水位以上，雖有密封措施，但仍有少量滲透液 從掩埋場底部滲出。因此，實際設計時應考慮污染物在土壤和地下水介質的遷移 特性。
2.7 填埋場設計所需工程參數 填埋場設計所需工程參數 填埋場設計所需工程參數 填埋場設計所需工程參數
Dixon and Jones (2005)彙整 Turezynski 等學者，針對各掩埋場分類準則，提 出設計所需之相關工程參數，詳表 2.4 所示。主要工程參數包括單位重、壓縮性、
剪力強度、側向應變、現地水平應力、水力傳導係數等。
表 2.4 分類準則與相關參數一覽表 (Dixon and Jones, 2005)
作者 分類準則 參數
Turezynski(1988) 廢棄物類型 密度、剪力參數、液/塑限度、
滲透性 Siegel et al.(1990) 材料群組 合成物部分 Landva and
Clark(1990)
有機和無機材料 能自然分解(簡單、慢的、非) 形態(孔洞、板狀、片狀、體積 大的)
Grisolia et al.(1995a) 能夠自然分解、無生 命、可變形材料群組
強度、可變形、能夠自然分解 Kolsech(1996) 材料群組 尺寸直徑
Manassero et al.(1996) 適合土壤及其他 性能指標 Thomas et al.(1999) 適合土壤及不適合土壤 材料群組
2.7.1 固體廢棄物 固體廢棄物 固體廢棄物 固體廢棄物(Municipal Solid Waste, MSW)之單位重 之單位重 之單位重 之單位重
MSW 之單位重為探討垃圾掩埋場相關工程之重要參數，例如邊坡穩定分 析、沈陷量計算、掩埋場容量計算等。然而 MSW 之單位重長期以來均為垃 圾掩埋場工程分析中最大之不確定性。依據許多相關文獻之研究，垃圾單位重 數值變化均具有極大之分歧，造成工程師在分析垃圾掩埋場相關工程時相當大 之困難(Zekko et al., 2006)。
鄭介眉(2004)整理歷年文獻之 MSW 單位重，顯示夯實不良單位重為 2.9 kN/m3；夯實良好為 4.9~5.9kN/m3；最佳夯實可達 5.6~8.7 kN/m3，如表 2.5 所 示。Fassett (1993)指出未壓實或未良好壓實之垃圾單位重僅為 3 kN/m3，但壓 實後其單位重可增加至 17 kN/m3，如表 2.6 所示。上述顯示，夯實程度影響單 位重甚鉅。
Kavazanjian (1996)以剪力波波速量測 6 個美國加州的垃圾掩埋場之單位 重變化，如圖 2.6 及表 2.7 所示。研究成果指出 MSW 單位重從淺層的 10~13 kN/m3增加至 30m 深時之 13~16 kN/m3，具有隨深度之增加而增加之趨勢。
Powrie and Beaven(1999)由室內大型圓柱試驗，求得廢棄物單位重隨有效 應力變化與深度呈函數關係，結果顯示單位重隨深度變化顯著，如圖 2.7 所示。
Zekko 等人(2006)整理 37 個掩埋場之資料，發現現地垃圾單位重介於 3~20 kN/m3之間，差異極大，其原因推測是影響 MSW 單位重之因素極多包 括掩埋場填埋體結構之物理組成、掩埋時間、掩埋方式、掩埋年代、廢棄物之 化學分解速率、堆置時之壓實程度、壓實能量、含水量、排水狀況及沉陷因素 等，故造成單位重具有極大的變化。圖 2.8 為 Zekko 等人(2006)整理 11 篇 相關文獻所得之大型現地試驗單位重值。由圖 2.8 可知，雖然 MSW 單位重值 相當散亂，其變化介於 5 至 18 kN/m3，惟仍顯示 MSW 單位重值隨深度之增 加而增加，說明此為 MSW 單位重數值變化之特性。
依據此一研究成果，Zekko 等人(2006)建立任何深度 MSW 單位重之數值 預測方程式如式(1)，並繪如圖 2.9 及表 2.8 所示，其量測的含水量大概為 10%~50%。依據其建議，吾人可以較簡單而直接之方式，現地量測淺層之 MSW 單位重，在推測垃圾掩埋場之單位重深度曲線。
z z
i α β
γ
γ = + + 式(1) 式中 γ = 任何深度 z(m)處之 MSW 單位重(kN/m3)
γi = 淺層之現地 MSW 單位重(kN/m3)
α,β = 模型參數(m4/ kN)，其關係變化曲線詳圖 2.10 及圖 2.11 所示。
α 為靠近地表深度與單位重增加之比值，1/α 為靠近地表之單位重初始 斜率，其為隨深度變化的相對曲線，通常為 0~10m4/kN常數。若單位 重增加，α 取較小值；若單位重減少，α 取較大值。
β 為 0~1m3/kN常數，單位重介於地表至較深的深度(侷限應力)產生 0~1 之線性漸變值，深度越深 β 值愈趨近 0，愈靠近地表 β 值愈趨近 1。若 β 值大於 1 即產生雙曲線變化形式。
依台灣大學環工所（1985）年調查台北市垃圾平均單位重（γ）約為 0.265 t/m3，含水率約為 55.3％，經掩埋壓密後，估計其平均單位重（γ）可達 0.596 t/m3，為平均值 2.25 倍。其調查再發現若經部分回收處理，其平均單位重（γ）
約為 0.510 t/m3；另依鄭介眉（2004）針對台北縣八里下罟子區域性垃圾衛生 掩埋場，進行取樣調查結果，顯示該區域之垃圾單位重（γ）約為 0.7~1.0 t/m3。 由專家學者提供之垃圾單位重（γ）參考數據顯示，當垃圾夯壓不良之垃圾單 位重（γ）約在 0.30 t/m3左右，一般夯實作業之垃圾單位重（γ）約在 0.5~0.6 t/m3左右，採標準作業最佳夯實之垃圾單位重（γ）約在 0.7~0.9 t/m3左右，其 差異性可達 3 倍之多，選用參考時應多加收集現地場址之歷史資料，並配合 現地採樣分析，做進一步之比對及考量，方可擇取較客觀之合理參數，進行穩 定分析或沉陷量預估。
鄭介眉(2004)提出一般垃圾密度定義：
密度(δ)(t/m3)=G(壓縮垃圾重)/V(掩埋場所佔體積)
1.壓實密度：垃圾壓實後尚未經靜力負荷、降水影響、生物分解影響所得 直接之密度。
2.堆積密度：掩埋場結束營運作之垃圾密度，因此在不同時期、不同高度 位置所得一種混合數值之垃圾密度。
3.追蹤密度：掩埋場自結束運作起，至無以掌握未來時刻間之垃圾密度。
垃圾壓實密度一般重型壓實小於重型擠壓壓實，壓實次數越多則密度越 高。壓密度掺入建築廢棄物則大於未掺入建築廢棄物，且含比率越高其 密度越大。
表 2.5 新鮮堆置廢棄物總體單位重統計表(Fassett et al., 1994) 不良壓實 中等壓實 良好壓實 範圍(kN/m3) 3.0-9.0 5.0-7.8 8.8-10.5 平均數(kN/m3) 5.3 7.0 9.6 標準差(kN/m3) 2.5 0.5 0.8 變異係數(%) 48 8 8.0
表 2.6 國內外文獻統計之固體掩埋物單位重 (Dixon and Jones，2005；王昱雲，2007；鄭介眉，2004) 國家
單位重量 測統計值 (kN/m3)
註釋 參考文獻
6 離地 2M，用 21T 鋼輪壓土機壓 聯合國 實
8 離地 0.6M，用 21T 鋼輪壓土機 壓實
Watts and Charles(1990)
比利時 5-10 一般壓實 Manassero et al.(1996) 法國 7 新鮮的廢棄物表層(未經自然分
解的) Gourc et al.(2001) 6-7 初掩埋的新鮮廢棄物
美國 14-20 高度分解材料 Kavazanjian(2001) 6.4 竹南掩埋場(現場取樣) 范佐憲(2007) 5.0 湖口掩埋場(現場取樣) 范佐憲(2007) 6.9-9.8 八里下罟子掩埋場 鄭介眉(2004) 9.8 八里三期規劃設計值 鄭介眉(2004) 4.9-6.9 西青掩埋場(4m~5m) 鄭介眉(2004) 6.3 內湖掩埋場設計值 陳榮河(1990) 8.1 福德坑掩埋廠規劃設計值 陳榮河(1990) 8.3 山豬窟掩埋場設計值 鄭介眉(2004) 2.6 台北市廢棄物(不夯實)
台灣
5.8 台北市廢棄物(掩埋夯實後) 台大環工所(1985) 3.1 夯實不良
6.3 夯實良好 8.6 最佳夯實
Bromswell(1978)
7.1~9.4 (飽和)
15年後取樣 Dvinoff &
Munion(1986) 2.4~2.6 不夯實
4.9 標準夯實(含水量 43.5%) 5.6 最佳夯實(含水量 80%) 4.1 輥壓機標準夯實(不加水) 3.1 夯實不良(含水量 51.9%)
Merz & Stone(1962)
5.4~6.8 現場單位重(含水量 30-48%) Sargunan et al.(1986)
2.9 夯實不良 4.6 夯實尚佳 8.7 最佳夯實
Schumaker(1972)
1.2~2.9 不夯實 Sowers(1973)
表 2.7 美國 6 個垃圾填埋場現地全尺寸試驗之單位重結果(Zekko et al., 2006) 加州填埋
場名稱 深度 單位重
(kN/m3) 含水量(%) 備註 試驗方法
地表(淺層) 10 -
10~20m
>20
營建(混凝土)廢棄物不考 Tri-Cities 慮
30m 16
12-25%
760mm直徑 螺旋鑽頭
OII 頂部覆蓋土壤
15 15-42% (Matasovic and Kavazanjian ，1998)
457mm直徑 1D壓縮試驗
10m 12 -
Azusa
50m 15
8-50%
平均值 25%
(GeoSyntec 1995; Zorberg
et al. 1999) -
地表(淺層) 8 -
Cherry
Island 10m
12
20-50%變化 (廢棄物超過水位線)
水面下之總體單位重 (飽和單位重)為 14.5~16kN/m3
-
Younger - - -
older
地表(淺層)
7、10
- - -
圖 2.6 美國 6 個垃圾填埋場現地全尺寸試驗之單位重結果(Zekko et al., 2006)
圖 2.7 密度與廢棄物平均垂直應力之關係 (Powrie and Beaven, 1999)
圖 2.8 11 位不同學者利用現地大型尺寸試驗得到 MSW 單位重結果 (Zekko et al., 2006)
圖 2.9 一般垃圾掩埋場之 MSW 單位重建議深度曲線(Zekko et al., 2006)
圖 2.10 假設參數 α、β 之物理意義(Zekko et al., 2006)
圖 2.11 單位重假設參數的影響(Zekko et al., 2006)
表 2.8 物理參數不同成果及土壤覆蓋的數量 土壤覆蓋
數量(程度)
α (kN/m3) β (m3/ kN)
α(m4/kN) 低(淺層) 5 0.1 2
一般 10 0.2 3
高 15.5 0.9 6
2.7.1.1 單位重量測方式 單位重量測方式 單位重量測方式 單位重量測方式
Dixon and Jones(2005)參考 Gotteland、Kavazanjian、Gourc、Powrie and Beaven等相關文獻，整理現地及室內試驗量測方法，詳表 2.9 所示，
其中以大型尺寸現地試驗之試驗值較為準確可靠。
Zekkos et al.(2005a)蒐集及評估 37 個地區內的 MSW 單重值。主要以 下列三種方法評估 MSW 單位重：
1.填埋場的調查及記錄：填埋場紀錄各材料(包括廢棄物及土壤)含量之容許 總重，包含廢棄物及土壤在填埋場配置及地形測量區的材料體積，利用 這些資料可估計 MSW 平均總單位重，這些方法可得到 MSW 平均單位 重整體合理估計值。
2.未擾動樣品的單位重：可以精確量測到正確代表性的未擾動樣品單位 重。但此方法不建議採用，因取得樣品的代表性及擾動程度難以判斷，
易產生誤差。
3.現地大型尺寸試驗：模擬現場大型砂錐密度試驗，大型尺寸試驗於靠近 地面窪坑或大直徑鑽孔、開挖，量測廢棄物材料重量。以開挖凹處的體 積及重量換算 MSW 單位重。
這三個方法中，以現地大型尺寸試驗之 MSW 單位重值最接近現地評 估的結果。因為填埋場代表性材料涵蓋大型體積、大尺寸顆粒及擾動性，
以此方法可減少誤差。
表 2.9 MSW 單位重量測方法(Dixon and Jones, 2005)
位置 量測方法 註釋 參考文獻
現地大型尺寸試驗，量測廢棄物表面 試驗結果可靠，但皆 為低垂直應力試驗
Gotteland et al.(2002)
替代性密度量測，量測鑽孔內 試驗結果可靠，得到 垂直應力範圍資料
Kavazanjian et al,(1995) γ 放射線試驗，量測鑽孔內 因顆粒類型範圍導致
變化
-
垂直應力直接量測，廢棄物內部 顯示垂直應力改變及 可靠值
Gourc et al.(2001) 現地
掩埋場廢棄物材料的體積及重量計算 得到平均值，較少用 - 大型尺寸樣本量測
不規則樣本，但大尺 寸與垂直應力範圍是 可靠的
Powrie and Beaven(1999)
大型尺寸樣本量測
不規則廢棄物通常預 先處理及分類，試驗 值不可靠
實驗室 -
量測樣本目前單獨成份重量及百分比 費時、不準確 -
2.7.2 固體廢棄物剪力強度參數 固體廢棄物剪力強度參數 固體廢棄物剪力強度參數 固體廢棄物剪力強度參數
評估 MSW 之強度參數對於垃圾掩埋場之結構體穩定性具有極重要之意 義。由於影響 MSW 之因素眾多，以及垃圾掩埋場結構體之複雜性，導致正確 之 MSW 剪力強度參數不易決定，不同研究針對不同掩埋場求得參數之間亦 未取得一致之趨勢(Gabr, 2007)。一般而言，MSW 之剪力強度參數與土壤性質 類似，可用凝聚力與摩擦角表示。MSW 之剪力強度參數，受限於取樣代表性 與試驗設備之限制，不易求得，一般多利用室內重模大型剪力試驗、現地大型 剪力試驗、三軸試驗、反算分析(backanalysis)等方法推估。
Dixon and Jones(2005)摘錄 Jones 等(1997)彙整多數學者之直剪試驗及破壞 回饋分析研究結果，得到廢棄物強度參數，詳表 2.10 所示。雖然其摘錄結果 並不廣泛，但其變化範圍值，足以證實及通用。Manassero et al. (1996)建議 c、
φ 值的設計範圍其破壞包絡線如圖 2.12，若無特定場所的資料可利用，即由圖 可得知 c、φ 值初始設計值。這些設計值可由 A~C，3 個區間範圍定義。
Landva及 Clark (1986)之研究，指出 MSW 之摩擦角介於 38°至 42°之間；
凝聚力介於 16 至 19kPa 之間。然當相同試體靜置一年之後，MSW 之分解導致 摩擦角降至 33°；凝聚力亦降至 6kPa。Howland 及 Landva (1992)使用大型直 剪，得知堆置 10~15 年之 MSW，其剪力強度以摩擦力為主，其結果為摩擦角 為 33°、凝聚力為 17kPa，但 Gabr 及 Valero (1995)以標準小型直剪量測 10~15 年之 MSW，發現當位移超過試樣直徑之 10%後，其剪力強度隨著位移之增加 而增加。其於 20%位移時測得之摩擦角則介於 20°至 33°之間、凝聚力則為 0 至 28kPa 之間。
Singh及 Murphy(1990)綜合相關文獻之剪力強度參數繪如圖 2.13 所示。由 圖可知，MSW 廢棄物之摩擦角與凝聚力大致呈反比關係。此外，Gabr et al.(2007) 整理 Howland 及 Landva (1992)、Kavazanjian et al.(1995)、Van Impe (1998)以 及 Pelky et al.(2001)等眾多相關文獻，發現 MSW 剪力強度參數實具有相當大 之歧異，除了 MSW 本身之異質性影響，亦顯示剪力強度之試驗方式與標準，
包括試體之準備、試體及儀器之尺寸、應變大小，以及強度求取之標準等亦具 有顯著之影響。Gabr et al.(2007)亦指出 MSW 之分解對於強度參數影響甚高，
惟目前此一方面之研究仍待加強。
在國外文獻方面：Fang 等人（1977、1983），於室內進行夯實垃圾之強 度試驗得到摩擦角 φ＝150~250 之間，凝聚力 C＝7.2t/m2，而這些試驗垃圾並 無明顯的強度尖峰值，因此其強度定義應為應變在 15~20％時之強度。Oweis 等人（1985）由現地推算（垃圾在軟弱至中度軟弱之粘土層上）得到凝聚力 C
＝2.0~2.5t/m2及摩擦角 φ＝200。STS 公司（1985）由壓力計試驗，得到凝聚 力 C＝1.0~2.5t/m2及摩擦角 φ＝30°~35°之間。Dvinoff 及 Munion（1986）由一 破壞實例，推算垃圾之不排水剪力強度 CU＝3.9t/m2。Lutton 等人（1979）則 相當保守，他們建議將垃圾一土壤視為一複合材料之強度，因此複合材料之強 度為土壤強度乘以加權值[覆土厚度÷（垃圾厚＋覆土厚） 0.2~0.5] ≒ 。日本 三宅宏文（1981），建議摩擦角 φ＝32.2°及凝聚力 C=4.5t/m2（依福德坑衛生 掩埋場規劃報告書中提及之數據反推求得）。在國內文獻方面：陳榮河（2002）
彙整國外現有各種方法（包括室內試驗、現地試驗及反算分析等），求得之垃 圾剪力強度資料，上下界 C (kpa)＝-2.35φ81±17，提供作為初步穩定分析之參 考。鄭介眉 （2004） 依現地採樣資料分析，並考量垃圾成份權重，得摩擦角 φ＝38.9°及凝聚力 C=1.054t/m2
李政輝(2008)整理國外一些學者利用室內大型直剪試驗(Landva and Clark, 1990)、現地大型直剪試驗、三軸試驗(Singh and Murphy, 1990)、反算 分析(Singh and Murphy, 1990)等方法推估求得剪力強度值，如表 2.11 及表 2.12 所示。Landva and Clark (1990)將不同時間同一地點及粉碎後的廢棄物進 行室內大型直剪試驗，結果顯示其內摩擦角約在 24°~42°之間，這些材料也存 在 0~23 kPa 的內聚力。游中揚（1998）整理前人數據後指出，國外於掩埋場 現地以標準貫入詴驗及現場載重破壞性詴驗等詴驗結果顯示，垃圾之摩擦角(φ)
與凝聚 力(c) 大致 呈反比關係 ，其 摩擦角 約在 12°~26°之 間， 凝 聚力 約在 44.1~1.9 kPa 間。Singh and Murphy (1990)根據室內及現場試驗以及通過反算 得到的強度資料，分別以 c 及 φ 值為縱軸及橫軸繪於圖 2.14 中，發現垃圾 強度在本質上的極大差異性，但仍歸納出此值的範圍大致分布在圖中的陰影區 內。Kavazajian et al. (1995)依依據平鈑載重試驗反算分析、實驗室與現地大型 直剪試驗，配合已知穩定之現地掩埋場反算分析結果，提出了一條折線形的強 度包絡線，如圖 2.15 所示，當正向應力低於 30.0 kPa 時，取內聚力為 24.0 kPa，摩擦角為 0°；當正向應力大於 30.0 kPa 時則取內聚力為 0 kPa，摩擦角 33°。Eid et al. (2000)則綜合大型直剪結果及已發生破壞之現地掩埋場反算分析 結果，建議固體廢棄物之強度可取內聚力 25.0 kPa 及摩擦角 35°，如圖 2-16 所示。然而 Kavazajian et al. (2001)針對 Eid et al. (2000)所收集的強度資料特別 指出，當正向應力超過 150.0 kPa 後，摩擦角有明顯降低的現象，因此固體的 廢棄物不適合以單一線性來描述。(李政輝，2008)
表 2.10 從文獻上統計之剪力強度參數量測案例(Jones et al.) (Dixon and Jones, 2005)
剪力強度參數
出處 C’(kPa) φ(°) 方法 註釋
Jessberger(1994) 7 38 沒有指定 Gay and Kaiser(1981)報導 Jessberger(1994) 10 15 回饋分析 Spillman(1980)報導 Jessberger(1994) 10 17 回饋分析 Spillman(1980)報導 Jessberger(1994) 0 30 估計 現地觀察
Jessberger(1994) 0 40 估計 現地觀察
Jessberger(1994) 7 42 簡單剪力試驗 Gay and Kaiser(1981)報導 9個月的老舊廢棄物 Jessberger(1994) 28 26.5 簡單剪力試驗 新鮮廢棄物；
Gay and Kaiser(1981)報導 Fassett et al.(1994) 10 23 建議值 作者建議
Kolsch(1995) 15 15 建議值 作者建議 Kolsch(1995) 18 22 建議值 作者建議
Cowland et al.(1993) 10 25 回饋分析 Deep trench cut in waste Suggested values by authors Del Greco and Oggeri(1993) 15.7 21 直接剪力試驗 Tests on baled waste
Lower density bales Del Greco and Oggeri(1993) 23.5 22 直接剪力試驗 Tests on baled waste
Higher density bales Landva and Clark(1986) 19 42 直接剪力試驗 Old refuse
Landva and Clark(1986) 16 38 直接剪力試驗 Old refuse
Landva and Clark(1986) 16 33 直接剪力試驗 Old refuse+1 year Landva and Clark(1986) 23 24 直接剪力試驗 Fresh, shredded refuse Landva and Clark(1986) 10 33.6 直接剪力試驗 Wood waste/refuse mixture Golder Addociates(1993) 0 41 直接剪力試驗 Project specific testing
圖 2.12 設計上建議的剪力強度範圍(Dixon and Jones, 2005)
圖 2.13 MSW 有效剪力強度參數之彙整(Singh and Murphy, 1990) 範圍 A 非常低的應力
(0kPa≦σv＜20kPa)：c=20kPa 範圍 B 中等應力
(20kPa≦σv＜60kPa)：c=0kPa；
φ=38°
範圍 C 高應力
表 2.11 廢棄物剪力強度值(摘自李政輝，2008)
表 2.12 廢棄物剪力強度值(Sadek and Manasseh, 2005；摘自李政輝，2008)
圖 2.14 一般固體廢棄物強度歸納(Singh and Murphy, 1990)
圖 2.15 固體廢棄物之剪力強度(Kavazanjian et al., 1995)
圖 2.16 固體廢棄物之剪力強度(續)(Eid et al., 2000)
2.7.2.1 MSW 剪力強度參數量測方法 剪力強度參數量測方法 剪力強度參數量測方法 剪力強度參數量測方法
Dixon and Jones(2005)摘錄多數學者探討 MSW 剪力行為的量測方法 結果，詳表 2.13 所示。
表 2.13 MSW 的剪力行為量測方法探討(Dixon and Jones, 2005) 位
置 量測方式 註釋 參考文獻
邊坡破壞回饋分析 適當參數未知(例如孔隙 水壓、剪力破壞面之形 式與位置)
Koerner and Soong(2000)
開挖邊坡試驗回饋 分析
產生大變位惟未並未發 生剪力破壞
Singh and Murphy(1990)，
Cowland et al.(1993) 現有穩定邊坡的回
饋分析
由於廢棄物組成持續變 化，現有經驗未必可預 測未來性能表現
Gotteland et al.(2002)
現地直接剪力試驗 執行不易且所得剪力強 度屬低應力範圍
Jeddberger and Kockel(1993)
現地
SPT、CPT、十字片 剪試驗
貫入阻力與 MSW 剪力 強度未具有明顯關聯，
僅適用於己腐化如土之 MSW
三軸壓縮試驗 擾動試樣，由於試樣之 壓縮與緊密化，無法求 得尖峰剪力強度
Jessberger(1994)，Grisolia et al.(1995b)
直接剪力試驗 需要大型試驗儀器(例如 1*1*1m)，擾動試樣，必 須極大之位移方可求得 尖峰剪力強度
Kolsch(1995)，Gotteland et al.(2001)
實驗室
簡單剪力試驗 需要大型儀器，不規則 樣本
Kavazanjian et al.(1999)
2.7.3 界面摩擦力 界面摩擦力 界面摩擦力 界面摩擦力
由於地工膜布(Geomembrane)具有諸多優點，例如施工簡單、成本低廉、
不易腐蝕且耐久性愈益改良等，因此近年來國內外之垃圾掩埋場均偏向使用此
種材料作為止水層材料，用以分隔廢棄物與地下水，防止潛在的地下水污染(劉 家男，2004；Oweis and Khera, 1998)。然而由於地工膜布之表面較為平滑，因 此其界面剪力強度偏低，極易導致填埋體於斜坡處發生界面剪力破壞，因此地 工止水層的界面參數選用具有關鍵性之影響。地工膜布與土壤之界面剪力強度 參數隨著地工膜布表面處理方式之不同而具有極大差異，其厚度、組織與表面 粗糙度均對界面剪力強度參數產生影響 (Oweis and Khera, 1998)。
Mitchell et al. (1990)之研究指出界面靜態視摩擦角受材質本身、接觸界面 性質與界面濕潤度影響，而 Kavazanjian et al. (1991)與 Yegian and Lahlaf (1992) 利用震動台與離心機研究地工膜布與土壤界面其動態與靜態視摩擦角差異，發 現其差異有限，因此可利用靜態試驗值進行擬靜態分析。
對於複合式櫬墊層中夯實黏土與地工膜布界面摩擦角，其值受黏土夯實時 水分與界面濕潤度影響極大，摩擦角分佈可從 6°至 30°，實務上多利用此界 面為滑動面時之反算值代表。另外夯實黏土櫬墊層其剪力強度介於 44~83 kPa (Augello et al.1995)。
依據王昱雲(2007)之彙整，「Ellithy and Gabr (2000)指出平滑面之地工膜 布與粘土間的尖峰剪力強度，在飽合時，cp = 6~11 kPa，φp = 2.2°~8.2°；未飽 合時，cp = 3~15 kPa，φp = 4.8°~19°。粗糙面之地工膜布與粘土間的尖峰剪力強 度，在飽合時，cp = 6~10 kPa，φp =3.2°~14.5°；未飽合時，cp =17~27 kPa，φp = 5.7°~24.5°。根據 Martin et al. (1984)的研究，HDPE 地工膜布與砂之間的摩擦 角約 18°，PVC 地工膜布與砂之間的摩擦角約 23°。HDPE 地工膜布與地工 織物之間的摩擦角約 6°~11°，PVC 地工膜布與地工織物之間 的摩擦角約 11°~24°。其他的研究數據顯示，砂和光面地工膜布的摩擦角大約在 17°~ 25°
之間。」此外，劉家男 (2004)整理國外學者的試驗結果，求得各種土壤與光滑 面高密度聚氯乙烯之地工膜布間的尖峰剪力強度如表 2.14 所示(摘自王昱雲，
2007)。
劉家男、賴俊仁(2001)指出複合襯墊層與地工合成黏土襯墊層使用上最大 的問題在於地工膜布與夯實黏土層或其他地工合成物間之摩擦力。這些界面間 之摩擦力通常很低，尤其再有超額孔隙水壓力存在的情況下時摩擦力通常會降 的更低，因此界面間之滑動破壞必須要做仔細的檢核。地工合成物/土壤界面 或地工合成物/其他地工合成物界面之抗剪強度試驗結果列於表 2.15 至表 2.18。這些資料來源摘自近年來之文獻報告，包括 Carroll and Chouery-Curtis、
Criley and John、 Daniel et al. 、Gilber et al.、GRI、Koulsourais et al.、 Liu et al.、
Martin et al. 、Miyamori 、Pavlik 、Shan 、UTA 、Williams and Houlihan 等，
綜觀這些試驗結果後可觀察出大部分的資料為較大應力作用下的試驗結果，關 於低應力作用下的剪力強度資訊相當有限，然而在低應力作用下之剪力強度相 當重要，因為在廢棄物掩埋場襯墊之興建過程中或處於完工後短期間內(即廢 棄物堆積高度尚不高時)，這些界面所受到的應力狀態屬於低應力範圍，而且 這些複合界面不只存在於襯墊層中，也普遍使用於廢棄物掩埋場之覆蓋層，覆
蓋層所受之應力狀態也屬於低應力範圍，因此在低應力作用下界面剪力強度研 究具有重要性及實用性。另外地工合成物界面種類相當多種，例如地工合成物 /地工合成物界面、地工合成物/土壤界面、地工合成黏土阻水層、GCL 表面/
地工合成物或土壤、GCL 內部界面等。地工合成物為人工製造，惟即使是相 同的地工合成物界面，剪力強度的變異性仍相當顯著。Seed et al.曾對不同地工 合成物界面進行研究，發現各界面的剪力強度有 10~25%的不確定度。故設計 上須考量施工與營運狀況，來進行剪力強度試驗。
表 2.14 平滑地工模布之界面剪力強度參數值(劉家男，2004；摘自王昱雲，2007)
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表 2.15 地工合成物與地工合成物界面剪力強度
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表 2.16 地工合成物與土壤界面剪力強度
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表 2.17 地工合成黏土襯墊界面剪力強度
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表 2.18 地工合成黏土襯墊內部剪力強度
