國立臺灣大學生農學院森林環境暨資源學系 碩士論文
Department of Forestry and Resource Conservation College of Bioresources and Agriculture
National Taiwan University Master Thesis
應用改良式動力貫入法判釋土壤垂直結構
Applying a Modified Dynamic Cone Penetration Test to Detect Vertical Soil Structures
鄭名宏
Ming-Hung Cheng
指導教授: 梁偉立 博士 Advisor: Dr. Wei-Li Liang
中華民國 107 年 7 月
July, 2018
誌謝
以前的我無法想像，自己能夠撰寫、完成一份論文，也無法想像完成一份研究需 要花費多少心力，這兩年讓我實實在在體會到了研究的辛勞與辛酸。感謝梁偉立老 師這些年的指導與照顧，您沒有嫌棄我愚笨的資質，有耐心的與我討論研究細節，
也親自參與研究實驗，更重要的是，您讓我學習到了鑽研一件事物的態度，這份堅 持、嚴謹的研究態度是我在研究期間所獲得的寶貴經驗。感謝久米朋宣老師，在報 告時給予許多寶貴的意見，讓我發現研究的缺陷，令研究成果臻於完善，也感謝老 師時常提供小點心作為我們心靈的慰藉，希望老師回到日本之後也能夠順利。感謝 口試委員陳信雄博士，在百忙之中抽空蒞臨指導，給予我適當的建議與批評，讓我 知道自己不足之處。
本研究有許多豐富的資料皆來自以前學長、學姊的調查結果，感謝水土資源保育 研究室的學長、學姊，沒有以往你們的辛勞調查與付出，就不會有如此珍貴的研究 資料。特別感謝林松駿學長，協助動力貫入儀器裝置初期的設計，也時常大力協助 我測試儀器與實驗進行，作為我的差遣勞力，包容我的任性要求，甚至自掏腰包請 客，沒有你的協力幫助與討論，我自己可能無法如此順利完成這份研究。感謝環境 微氣候研究室的邱均、奕宏，在自己忙碌的實驗中，抽空幫助我進行野外的調查實 驗，拯救研究室渡過人力缺失的期間，也感謝同研究室的明珊時常給與報告意見與 建議，也謝謝妳時常的鼓勵。感謝在繁忙課業中，學弟江明文宇與胡昱善，犧牲寶 貴的時間幫我做實驗，有你們在的實驗期間，都不會缺少歡樂。
在研究期間，認識了許多新的同學與朋友，感謝所有的老朋友、新朋友，這兩年 間有你們的陪伴，令苦悶的研究生活增添一些光彩，讓我的生活不會估躁乏味，也 讓我知道我並不孤單。最後感謝父母的支持，讓求學期間的我無後顧之憂，從不讓 我煩惱生活，讓我能夠順利完成學業，完成這份研究。
摘要
土壤厚度與土壤岩層交界面位置不僅為土地利用、經營管理中相當重要的指標，
除此之外，土壤岩層交界面也是影響邊坡穩定、水文動態的重要邊界，若能取得完 整的地下土壤結構資訊，將有助於評估崩塌潛勢及土地利用分級等議題。一般認為 土壤岩層交界面為淺層崩塌的潛在破壞位置，但現地的檢證案例仍為少數，崩塌破 壞面的地中位置特性仍無定論，如何於坡地環境直接調查淺層崩塌潛在破壞位置 的方法也有改進的空間。
本研究首先藉由一事前已掌握土壤地層資訊的崩塌事件，檢視崩塌破壞面的地 中位置及特性，透過崩塌前地中土壤阻抗分佈、崩塌前後地表地形變化等資料，發 現整個集水區有向下陷落的現象，而土壤岩層交界面的地形、坡度對於崩塌位置及 土體的移動有著相當大的影響。
簡易貫入為適合坡地的調查方式，能探測土壤厚度，且能得知土壤阻抗𝑁ℎ的分 佈，但若要調查坡地土壤厚度的空間變異，就需要大量的樣本及調查時間。故本研 究改良簡易貫入試驗之打擊方式，將簡易貫入的重錘落下改以撞擊馬達替代，發展 調查速率較快的動力貫入試驗，縮短調查時間的同時也能得到土壤阻抗𝑁𝑝𝑑的分佈。
透過不同硬度材料堆疊的試驗槽實驗，發現動力與簡易貫入均可良好描述阻抗分 佈，兩者阻抗對應關係可以線性模型表示，關係式為Npd=0.0197 Nh，決定係數為 0.84。應用動力貫入於野外測線，發現所得貫入阻抗能夠反應不同土層結構的特性，
在環境單純、土壤岩層分明的地區，能與簡易貫入探得相同的土壤厚度與阻抗特性；
而在環境較複雜之區域，動力貫入與簡易貫入相比，同樣能夠獲得一致的土壤阻抗 特性、辨識土壤岩層的交界面，且能排除掉小型石塊的阻礙，探測到更深層的結構，
其保有可攜帶性的同時能順利減少調查所耗費時間，在短時間內蒐集大量資料，為 一項能實際應用且效率較高的調查方式。
Abstract
Soil depth and soil–bedrock interface locations are critical indexes for land utilization and management. The soil–bedrock interface is also a crucial boundary affecting slope stability and hydrological dynamics. Therefore, obtaining complete information on underground soil structures would improve the grading of land utilization and the evaluation of potential landslides. Generally, the soil–bedrock interface is believed to be the potential destruction location in shallow landslides; however, few empirical studies validated this hypothesis. Furthermore, properties of this interface remain unclear. In other words, potential destruction locations of shallow landslides warrant further investigation.
This study analyzed the location and characteristics of a landslide destruction interface in a landslide event by using pre-existing data of soil structure before the landslide event. By investigating distributions of soil resistance and variations in surface topography, we found that the entire area was falling down and that the topography and slope of the soil–bedrock interface strongly influenced soil movement.
A core penetration test (CPT) is a direct measurement technique for detecting soil depth and obtaining soil resistance ( 𝑁ℎ ) on a hillslope. However, detecting spatial distributions of soil depth using a CPT requires a large sample size and much time. In this study, we developed a dynamic cone penetration test (DCPT), a form of CPT, to reduce
the investigation time in the field. The DCPT can obtain the soil resistance (𝑁𝑝𝑑) through penetration. The DCPT features a knocking engine instead of the knocking weight of the CPT. We used an experimental device containing layers of varying hardness to evaluate the DCPT and CPT; the vertical distribution of penetration resistance as measured using the two tests corresponded well to each other. The relationship of the penetration resistance measured using the DCPT and CPT can be expressed through a linear regression—𝑁𝑝𝑑 = 0.0197 𝑁ℎ—with an R2 value of 0.84. On applying the DCPT in a field and digging a trench close to the penetration cone, we obtained the following results.
In a simple environment, the DCPT and CPT successfully yielded the same soil depth, soil–bedrock interface, and characteristics of soil resistance. Similarly, in a complex environment, the DCPT and CPT yielded the same characteristics of soil resistance and identified the soil–bedrock interface; however, the DCPT overcame more obstructions caused by small rocks to detect deeper structures in shorter time. These results demonstrate that the DCPT greatly reduces survey duration without compromising on portability. Thus, the DCPT is an efficient method for obtaining underground information in the field.
Keywords: Cone penetration test; dynamic cone penetration test; penetration resistance;
soil depth; soil–bedrock interface.
目錄
誌謝 ... I 中文摘要 ... II 英文摘要 ... III 目錄 ... V 圖目錄 ... VIII 表目錄 ... X
第一章 前言 ... 1
1.1 研究背景 ... 1
1.2 土壤厚度與土壤岩層交界面定義 ... 3
1.3 地質結構調查方法-直接調查法 ... 5
1.3.1 標準貫入(Standard Penetration Test) ... 5
1.3.2 簡易貫入(Cone Penetration Test) ... 6
1.3.3 鑽探法(Boring；Drilling) ... 8
1.3.4 試坑挖掘(Test Pitting) ... 9
1.3.5 土壤地質直接調查法的優劣比較 ... 10
1.4 土壤厚度推估方式-間接調查法 ... 11
1.4.1 土壤厚度推估模式 ... 11
1.4.2 土壤厚度經驗公式 ... 13
1.5 土壤厚度探測相關研究的問題點 ... 14
1.6 研究目的 ... 15
第二章 崩塌地調查分析-破壞面位置調查 ... 19
2.1 研究樣區環境概述-福山源頭集水區 ... 19
2.2 材料與方法 ... 20
2.2.1 地表地形量測 ... 20
2.2.2 地下土壤阻抗及土壤岩層交界面地形量測 ... 21
2.3 結果:崩塌前地形空間特性 ... 22
2.4 結果:樣區淺層崩塌特性 ... 24
2.4.1 崩塌後地形特性 ... 24
2.4.2 崩塌前後高程差異 ... 25
2.4.3 崩塌位置土壤岩層交界面地形之特性 ... 29
2.5 結果:崩塌破壞面的阻抗分佈 ... 35
2.6 小結 ... 36
第三章 貫入試驗的研發改良 ... 38
3.1 動力貫入試驗(Dynamic Cone Penetration Test)之裝備設計 ... 38
3.1.1 貫入動力改良 ... 38
3.1.2 貫入錐頭 ... 39
3.1.3 撞擊頭與轉接頭 ... 40
3.1.4 拔取設備改良 ... 40
3.1.5 紀錄與計算方式 ... 41
3.1.6 動力貫入法設備重量差異 ... 41
3.2 動力貫入設備改良測試結果 ... 42
3.2.1 不同貫入錐頭大小的適用性 ... 42
3.2.2 連接裝置的適用性 ... 43
3.2.3 分析記錄方式的適用性 ... 44
3.2.4 拔取設備的適用性 ... 44
3.2.5 貫入馬達的阻抗限制 ... 45
3.3 小結 ... 45
第四章 動力貫入室內試驗槽校正實驗 ... 47
4.1 室內試驗槽校正實驗材料方法 ... 47
4.1.1 室內試驗槽設計 ... 47
4.1.3 山中式土壤硬度計 ... 48
4.1.4 校正計算方式 ... 48
4.2 室內模型槽校正結果 ... 49
4.3 野外貫入步驟的建立 ... 52
4.4 小結 ... 54
第五章 動力貫入的野外應用與試驗 ... 55
5.1 野外測線貫入實驗方法 ... 55
5.2 野外測線貫入結果 ... 61
5.2.1 臺大校內草地測線 ... 61
5.2.2 鳳凰山天然林測線 ... 64
5.2.3 福山崩塌測線 ... 68
5.3 討論-影響貫入測線探測結果的因子 ... 73
5.4 小結 ... 80
第六章 結論 ... 82
參考文獻 ... 86
圖目錄
圖 1.1 不同觀點土壤厚度的定義。 ... 3
圖 1.2 SPT 試驗儀器。 ... 5
圖 1.3 手鑽儀器。 ... 9
圖 1.4 研究架構圖 ... 18
圖 2.1 簡易貫入儀器組成。 ... 21
圖 2.2 福山樣區原始地形圖。 ... 23
圖 2.3 福山樣區原始地表及地下資訊圖。 ... 24
圖 2.4 崩塌後福山樣區地形圖。 ... 25
圖 2.5 崩塌前後地形測點的分佈情形。 ... 27
圖 2.6 樣區崩塌前後高程差異等高線圖。 ... 28
圖 2.7 福山樣區崩塌前後高程變化套疊至崩塌後地形圖。 ... 29
圖 2.8 福山樣區地下阻抗分佈圖。 ... 30
圖 2.9 崩塌面阻抗剖面連續圖。 ... 33
圖 2.10 崩塌樣線 1 阻抗剖面圖。 ... 34
圖 2.11 福山樣區崩塌面的阻抗值分佈。 ... 35
圖 2.12 樣區範圍外崩塌地基岩裸露實際情況。 ... 36
圖 3.1 POST DRIVER-CHPD 52 汽油引擎活塞打樁機簡易結構。 ... 39
圖 3.2 不同尺寸之貫入錐頭 ... 39
圖 3.3 動力貫入計結構。 ... 40
圖 3.4 腳踏式槓桿拉拔設備。 ... 41
圖 3.5 動力貫入阻抗分佈圖。 ... 43
圖 3.6 撞擊頭上油位置 ... 44
圖 4.1 試驗槽總體外觀。 ... 47
圖 4.3 試驗槽校正實驗阻抗、硬度分佈圖。 ... 49
圖 4.4 試驗槽總體貫入阻抗對應關係圖。 ... 51
圖 5.1 臺大校內草地測線樣線設置圖。 ... 56
圖 5.2 鳳凰山天然林測線。 ... 57
圖 5.3 福山崩塌測線。 ... 58
圖 5.4 福山測線 0-50 cm 處裂縫。 ... 59
圖 5.5 福山崩塌測線 400-500 cm。 ... 60
圖 5.6 福山崩塌測線 400-800 cm 側視圖。 ... 60
圖 5.7 臺大校內草地測線地下阻抗分佈圖。 ... 62
圖 5.8 鳳凰山測線地下阻抗分佈圖。 ... 65
圖 5.9 福山測線地下阻抗分佈圖。 ... 69
圖 5.10 福山野外貫入單點重複試驗阻抗分佈圖。 ... 74
圖 5.11 野外試驗簡易貫入阻抗分佈、土壤剖面圖。 ... 76
圖 5.12 野外試驗動力貫入阻抗分佈、土壤剖面圖。 ... 77
圖 5.13 地下土壤阻抗結構模擬圖。 ... 79
表目錄
表 1.1 貫入阻抗型態分類。 ... 7
表 1.2 直接調查方式的優劣比較。 ... 11
表 2.1 福山源頭集水區崩塌後不同基準點下的點位偏移量。 ... 26
表 4.1 貫入試驗單次施作流程。 ... 53
表 5.1 臺大校內草地測線簡易貫入花費時間。 ... 63
表 5.2 臺大校內草地測線動力貫入花費時間。 ... 63
表 5.3 鳳凰山測線簡易貫入花費時間表。 ... 66
表 5.4 鳳凰山測線動力貫入花費時間表。 ... 67
表 5.5 福山測線簡易貫入花費時間表。 ... 70
表 5.6 福山測線動力貫入花費時間表。 ... 71
1. 第一章 前言
1.1 研究背景
土壤是自然界中重要的物質，土壤不僅是提供穩固植物生長的介質，也是各種生 物棲息的活動範圍，更是水循環中不可或缺的一環。不同的土壤地層型態、特徵，
其水文、生物、化學等反應皆會有很大的差異。其中土壤厚度的資訊是評估許多議 題的重要依據，依據台灣「山坡地土地可利用限度分類標準」，有效土壤深度 (effective soil depth)為非常重要的評估項目，有效土壤深度是指植物根系可以無限 伸展的最深深度，是植物可以利用發展的空間，依據不同的有效土壤深度，山坡地 可以被分類為不同的級別，對於土地的開發利用、農業的發展、森林經營管理、劃 分保育地等，山坡地級別是重要的指標，故取得土壤厚度的資訊對於林地管理者而 言，有著相當重要的意義，土壤深度越厚，植物根系可以延伸的空間越多，可以利 用發展的彈性越高，能夠做為農業、畜牧業使用，森林經營者可以開發的範圍也越 廣泛。而土壤厚度的資訊不僅對於土地利用是一項重要的參考項目，對於評估潛在 崩塌而言更是重要。
對於評估潛在的淺層崩塌而言，地表的土讓狀態諸如地形、坡度、覆蓋物等潛在 因子皆被納入分析，但地表下的變異卻時常被忽略，由於崩塌的機制是發生於地表 下，若要進一步提升預測潛在崩塌的精準度，應對於地表下的土壤厚度、空間變異、
水分移動等進行調查觀測(詹孟浚、梁偉立，2014)，許多評估潛在崩塌或者邊坡穩 定的模式，土壤厚度也是不可或缺的因子之一(Dietrich et al.,1995；Kim et al.,2015；
陳建新等，2013)。土壤厚度越深雖然對於土地利用而言越有利，可以發展的空間 越多，但對於山坡地水土保持的觀點而言，並非如此，尤其在台灣，坡地陡峭、地 質年輕、地形變化劇烈、多斷層等，使得台灣山坡地區有著地質脆弱、鬆散、不穩 定的性質，加以造山運動頻繁，導致山區岩坡風化速率較快、土壤厚度甚深，淺層 崩塌的深度範圍最高可達5 公尺(魏倫瑋等，2012；詹勳全等，2015)，而土壤厚度
越厚，坡地的土壤塊體受到重力的影響越大，淺層崩塌災害發生的機率也會提高，
所造成的土塊崩落、堆積也更嚴重。
而影響崩塌的因素，除了土壤厚度所帶來的重力影響，複雜的地下水流動更被認 為是崩塌發生的重要誘因，而要瞭解地下水的移動就要需要瞭解地下水的空間分 佈。地下水的移動受到土壤異質性、土壤厚度、孔隙率的垂直分布、土壤岩層交界 面(soil-bedrock interface)很大的影響(Bachmair and Weiler,2011；Freer et al., 2002)。
而其中土壤岩層交界面更是一個重要的關鍵影響因素，土壤岩層交界面的位置即 為母岩與土壤間的交界，故取得土壤厚度也能用來判定土壤岩層交界面之深度。交 界面所在位置，土壤的透水性、保水性會與上層土壤有很大的差異，會造成局部飽 和帶的形成，也是優勢流較常出現的地方，而這些現象都會令該土壤岩層交界面所 在位置有較大的含水率、孔隙壓力，土塊吸收水分不僅會造成塊體重量增加，令下 滑的力量增加，坡地土壤中，孔隙水壓的舉升及土壤水對材料強度的弱化，也會使 塊體間的膠結作用、摩擦力降低，這些皆為導致邊坡不穩定的因素(姜壽浩，2010；
邱琳濱，2010)。土壤與母岩的邊界不僅為地下水文現象劇烈變化的位置，也是生 物作用重要的自然界線。
但在自然狀況下土壤厚度與岩層具有空間變異(Freer et al., 2002)、也同時具有不 同的垂直分層(Scherrer et al., 2003)，若我們在進行邊坡穩定分析時，將土壤厚度視 為均一或者均質的，將會降低評估的準確度及可信度(詹孟浚、梁偉立，2014)。因 此若能更有效、更精確地掌握土壤深度的空間變異，將有助於瞭解坡地土壤狀況，
作為探討土壤水分移動機制的依據，並提升預測坡地水文表現、評估潛在崩塌的成 果，對於水文、地形、地質、生態等領域的相關研究方面皆有很大的幫助(郭佳韋，
2013)。
1.2 土壤厚度與土壤岩層交界面定義
不同領域對岩層及土壤的定義不盡相同，而這些定義多半受到研究、工程目的而 有所改變，因此要若要探討不同的議題就必須先定義土壤及岩層。土壤為母岩經過 風化所得來的產物，依據時間、氣候、風化程度等的不同，其累積的土壤厚度有很 大的差異，土壤分層為由地表至地底大致上可分為O(有機質層)、A(表土層)、B(底 土層)、C(風化岩層、母質層)、R(母岩層)，然而地表下的結構為一連續變化的過程，
難以完整切割分層，不過依據不同的觀點，土壤深度與土壤岩層交界面有以下幾種 不同的定義(圖 1.1):
圖 1.1 不同觀點土壤厚度的定義。
(1)地質觀點:地質的角度認為，土壤是一個風化層(regolith)，為未固結的岩石碎屑 物(loose Incoherent)，覆蓋在基岩(bedrock)之上，也就是土壤厚度範圍為 A 至 C 層，
R 則是基岩結構。
(2)工程觀點:以工程的觀點來看，土壤是包括塊石、礫、砂、砏砂、黏土等可開挖 物質，只要傳統開挖機械可挖掘的部分即屬之，即是從表土到岩盤頂端(O 至 C 層)，
不可開挖則屬基岩(R 層)。
(3)生物觀點:土壤有效深度(effective soil depth)，指從土地表面至有礙植物根系伸展
之土層深度，然而不同植物的根系有不同伸展深度，在野外也很難切確認定，大致 是以A 層至 B 層的厚度即是所謂的「土體」(solum)，而 C 層即為阻礙根系發展的 區域，視為土壤岩層交界面。依據臺灣山坡地保育利用條例，土壤有效深度可分為 四級:
a.甚淺層:深度小於 20 cm。
b.淺層:深度介於 20 cm 至 50 cm。
c.深層:深度介於 50 cm 至 90 cm。
d.甚深層:深度超過 90 cm。
(4)水文觀點:以水文的角度，注重透水性質差異變化大的土壤岩層交界面(soil- bedrock interface)。在水文特性的變化上，風化岩層(C 層)與上層底土層(B 層)的差 異最為明顯，然 C 層的保水、透水性質又受風化程度之影響，頂端為風化程度較 高之部分，故強風化的 C 層我們仍視為土壤的一部份。綜合上述條件，水文觀點 所定義的土壤深度範圍應為O 至上端部分 C 層。
在這四個不同觀點所定義的土壤厚度中皆不包含母岩層(R)，共同包含處則為表 土層(A)與底土層(B)這兩個部分，較為異同的部分即為有機質層(O)與風化岩層(C) 的有無。地質觀點與工程觀點較為類似，同樣為母岩層上方的部分，只是地質觀點 認為土壤層為未固結的岩石碎屑物，所以並不包含由生物所分解的有機質層；水文 觀點與生物觀點所包含的範圍近似，生物觀點以植物根系的伸展範圍做為界定，大 部分的根系無法深入風化岩層，而水文觀點則以透水性的高低作為分界，風化岩層 即為該性質變化差距較為明顯之地區，然而依據不同岩性所影響，其水文性質可能 會有些許差異，在高風化岩層位置可能無較明顯的變化，故其定義與生物觀點在多 出了部分風化岩層。
過去部分推估土壤深度的相關研究，甚少明確定義土壤厚度及母岩盤，這些研究 皆利用鑽探法進行土壤厚度的探測(姜壽浩、徐美玲，2006；郭佳韋，2014；林伯
勳等，2011；王智仁等，2009)，然而鑽探法大多難以真正達到母岩層(R 層)。其中 王智仁等(2009)表示在考量鑽探效能下，應明確定義鑽探法所探測的土壤層為 OAB 三層的範圍。
在台灣，為明確界定供農業使用土地之範圍，及劃分加強保育的土地，「山坡地 土地可利用限度分類標準」為一重要、常被使用的指標，大部分坡地皆利用此標準 來分類，其依據土壤有效深度(生物觀點)、坡度、母岩性質的差異，將山坡地分類 為宜農牧地、宜林地及加強保育地。然而利用生物觀點來定義、調查土壤厚度，對 於評估潛在崩塌並不完全合適，在強風化與弱風化岩層之交界面，土壤透水性、保 水性是不可忽略的重要指標，為水文研究、評估坡地穩定中相當重要的位置，以水 文觀點所調查的土壤厚度，對於邊坡穩定分析、崩塌預測的應用較為適合。故本研 究欲採取水文觀點所定義的土壤深度及土壤岩層交界面，將土壤深度定義為 O 至 強風化的部分C 層。
1.3 地質結構調查方法-直接調查法
1.3.1 標準貫入(Standard Penetration Test)
在大地工程之地質鑽探中，標準貫入試驗 N 值用於研判地層之軟弱或緊密程度，
可說是應用最廣、資料最豐富且最為經濟之調查手段之一。其中包括:落錘(63.5 kgf)、
重錘落距76 cm，取樣管外徑 5 cm，N 值為貫入試驗貫入土層 30 cm 所需的打擊次 數。試驗儀器包括鑽探機具、鑽桿及劈管等(圖 1.2)。
圖 1.2 標準貫入試驗儀器。(a)試驗儀器外觀。(b)劈管取樣器及鑽桿(陳彥儒，
(1) 標準貫入 N 值(N value of Standard Penetration Test)
標準貫入試驗使用 63.5 kgf 之重錘、76 cm 重錘落距，以自由落體的方式，將聯 接SPT 劈管取樣器之鑽桿打入地層，實際貫入劈管入土深度為 45 cm，且分三段紀 錄，每貫入15 cm 時紀錄其打擊次數，最後兩段即貫入 30 cm 所需的打擊次數是 為N 值，N 值越高，代表土壤的阻抗強度越大。
(2) 標準貫入深度
標準貫入深度是指標準貫入之取樣器打入試驗土層之深度，亦即標準貫入 N 值 所打入之相對深度(30cm)。
標準貫入試驗，可對地層進行多樣調查，最主要的調查項目有(劉鎮愷，2008):
A. 瞭解地層垂直剖面概況 B. 研判地質構造
C. 求得取樣試體之力學性質 D. 判斷地表下之阻抗能力，N 值 E. 檢驗地盤改良之效果
1.3.2 簡易貫入(Cone Penetration Test)
簡易貫入屬於圓錐貫入的其中一種方式，為探測地下土壤空間分佈的方式，其簡 便性適合攜帶操作，於機械不易到達之坡地能夠做為一有效的探測工具。能依檢測 位置與土壤厚度探測出土壤岩層交界面所在深度，且能從土壤貫入阻抗的垂直變 化來判定地表下的軟硬結構分佈。其操作為將2 kg 的重錘沿著打擊桿上拉 50 cm 後自由下落撞擊打擊頭，使貫入計進入土壤中，並記錄每次落下進入土壤的深度 (貫入量)，並在之後計算其貫入阻抗值𝑁ℎ，𝑁ℎ值越高代表土壤的阻抗強度越大。
使用簡易貫入方法，可以得到單一點位的地下土層阻抗分佈，對於土壤結構及土 壤岩層交界面的判釋有相當良好的結果。一般貫入阻抗的垂直變化分布，土壤結構
可概分為兩類(呂宗烜、梁偉立，2014):Type 1 的𝑁ℎ 值隨深度並沒有明顯的垂直變 化；Type 2 的𝑁ℎ隨深度變化而有所起伏，可以看出地下土壤隨深度變化，可能有 硬度較大的土層或石塊交錯(表 1.1)。而 Type 2 很有可能影響土壤岩層交界面位置 之判斷。
至今，簡易貫入試驗常被用來進行地下資訊的調查，例如探測土壤厚度及土壤岩 層交界面的調查(Yamakawa et al.,2010；呂宗烜、梁偉立，2014)，或進行土壤性質 的分類、土壤液化議題等相關研究(Robertson,1990;Juang et al.,2003；溫彥霖，2008；
劉鎮愷，2008)。過去有研究結合簡易貫入計及土壤水分儀 TDR(Time Domain Reflectometry)，組成一複合型儀器 CPMP(Combined Penetrometer-Moisture Probe)，
可同時觀測土壤貫入阻抗及土壤體積含水率，進而得出不同深度的土壤貫入阻抗 及土壤含水率的關係(Yamakawa et al.,2010)，為簡易貫入延伸之應用。
表 1.1 貫入阻抗型態分類(呂宗烜、梁偉立，2014)。
1.3.3 鑽探法(Boring；Drilling)
土壤鑽探為單點式的破壞性調查方式，除了可以探測土壤厚度外，亦能夠進行採 樣用以判斷地下地質的垂直結構變化。鑽探方法根據其使用的鑽頭機器設備、機械 操作方式及現地地質環境狀況如地下水的位置、是否為崩積土、岩層破碎程度等，
而有沖洗法(wash boring)、螺鑚法(auger drilling)、衝擊法(percussion)以及旋轉法 (rotary drilling)等方法，以下為四種方式之簡單介紹(黃玉麟，2005)：
(1) 沖洗法(wash drilling)
沖洗法利用長約 1.5 至 2 公尺之導管(drive pipe)先行打入地下，然後利用配有 特殊鑽頭及橫向出水孔之鑚桿以高壓水流，在導管內上下來回沖洗，將導管內之土 壤沖出底面。此種鑽探法適合一般之砂質土壤，對於含有大量礫石土壤則不適用。
鑚近深度受導管所能貫入地下深度而受限，一般約 10 公尺左右。沖洗出之土壤碎 屑雖可大致瞭解土壤層之情況，但因部份土壤顆粒已遭破壞，無法進行其他室內力 學試驗。一般用以埋設抽水井或基樁，不適合地質探查之目的。
(2) 螺鑚法(auger drilling)
螺鑚法以人力(圖 1.3)或機械之方式旋轉穿入地下，使地下之土壤沿螺紋之紋路 反向擠出地面。螺鑚法簡單快速，以人力之方式深度通常無法達到5 公尺以上，目 前大都利用手提式輕便馬達帶動鑚桿方式鑚掘，則深度可達10 餘公尺，或搭配大 動力之機械式螺鑚機，其口徑約 10 吋至 14 吋，用以設置預壘裝等樁基礎。而螺 鑚法主要針對黏性土壤，但須在地下水位以下孔壁能自立者較為適用。
(3) 衝擊法(percussion)
衝擊法利用帶有空壓設備動力之鑚機，由鑽頭快速之前後振動以達到鑚進的目 的，此法因振動劇烈而易擾動土壤或岩石，不適用於採樣，但鑚進速度快，在進行 岩栓或地錨安裝時大都採用此法。
(4) 旋轉法(rotary drilling)
旋鑚法則為地質鑽探中最普遍採用的方式。係利用鑚機以高速旋轉方式，配合各種 不同目的之鑽頭以及高壓水流在鑚進之同時將岩屑沖出地表，其鑽探深度可達數 百公尺。
其中，螺旋法及及沖洗法主要以取樣器取樣或實施貫入試驗，較適用於土壤的調 查；衝擊法利用鑽頭的快速地上下振動，達到快速鑽探的目的，但對於土層擾動過 大，不適合進行鑽孔採樣工作；而旋轉法則是目前地質鑽探使用最為頻繁的手段。
圖 1.3 手鑽儀器(郭佳韋，2013)。
1.3.4 試坑挖掘(Test Pitting)
土坑挖掘，是利用人工或者機械的方式挖掘探坑、探井、豎井等，以便直接觀察 岩土層垂直結構的天然狀態分佈，以及不連續面、軟弱帶、各層之間的接觸關係，
常用於重大工程的探勘。
依據不同目的，所挖掘的項目也不同。探坑是垂直向下挖掘的土坑，較淺者稱作 試坑，其深度一般為1~2 m，不過依據不同地區也會有不同的深度及組成形狀。試 坑換句話來說是用來觀測較淺地區的剖面組成，通常挖掘至揭露岩盤位置，用以觀
察地下土壤組成的情形，進而得知土壤厚度，亦常用來採取未受擾動的土壤樣本。
挖掘方式的特點是探勘人員可以直接觀測地質的細節，既準確又可靠，對於調查 風化帶、岩土交界、軟弱夾層、斷層破碎、滑動面等特別有利。然挖掘方式的缺點 就是需要較多的時間及人力，且一次僅能得知一剖面的土壤厚度，若該地區土壤厚 度具有很大的空間異質性，單一的剖面資料並不具有代表性，故試坑挖掘可用以初 步輔助確認探測深度的準確性，排除貫入過程中遇到礫石、石塊的可能性。
1.3.5 土壤地質直接調查法的優劣比較
上述地質結構調查皆屬於直接調查的方式，能夠得到較為準確可靠的數值，且透 過土壤採樣、阻抗值大小、直接觀察等方式，這些方法都能夠用來判定土壤厚度，
然而每個試驗法皆有其優劣存在(表 1.2)，適合調查的地點也不盡相同。標準貫入，
雖為應用廣泛的調查方式，但其器械機具是其最大的限制，其器具體積龐大且重量 較重，需要依靠車輛搬運才能夠進行試驗，完全不適合在較陡的山地區域進行工作；
試坑挖掘在這些調查法中為最直觀可靠的調查方式，以直接挖取剖面的方式，能夠 直接觀察地下結構的組成，然而卻要花費最多的時間，挖掘的器械、工具、車輛等 也不適合於山地進行，是最為不便的方式；鑽探法為較輕便的調查方式，能在大部 分的地區執行，雖其適合坡地調查，但缺乏地下阻抗的變化資料，判斷地下結構的 方式需要依靠土樣的挖掘，所耗費的時間人力高，效率低；簡易貫入也同為簡易、
輕便之調查方式，能夠探測較深的地下資訊，然而其所花費的人力、時間也偏高，
效率低，探測一深度5 公尺左右之土層，需耗費 1 到 2 小時的時間，且土壤岩層 交界面的判斷易受到石塊影響，但擁有較為細緻、準確的地下阻抗資訊，不用挖掘 土樣判斷結構，適合於坡地調查。
表 1.2 直接調查方式的優劣比較。
判斷土厚 設備攜帶 探測深度 結構判釋 儀器限制
標準貫入
可以
重量、龐大 ≥ 10 m 土壤阻抗
可攜帶性低、器械龐 大
簡易貫入 可以 輕量、方便 ≤ 10 m 土壤阻抗 受石塊影響判斷 土壤鑽探 可以 輕量、方便 ≤ 10 m 土樣判斷 人力耗費需求高
試坑挖掘
可以
重量、龐大 ≤ 10 m 剖面判斷
可攜帶性低、器械龐 大
1.4 土壤厚度推估方式-間接調查法
土壤的形成是一段複雜的交互過程，影響土壤生成的主要因素包括母岩、氣候、
生物、地形及時間，依據不同地區的特性，土壤的性質及生成會有很大的差異。而 形成土壤可分為四個過程，分別為轉變、位移、加附及流失等機制，母岩受到成土 作用逐漸形成土壤，也會受到降雨或重量流失，故土壤厚度與土壤的生成及搬運有 關，是一段非常複雜的過程，在交互作用下最後會趨於穩定。地形因子為目前較多 土壤厚度研究所探討的方向，研究認為這些地形因子包含坡度、坡向、曲率等是影 響土壤厚度生成的重要角色，蒐集地表地形因子可用以推估土壤厚度或者建立經 驗公式。
1.4.1 土壤厚度推估模式
Dietrich et al.(1995)提出以質量守恆的概念，在土壤移動主要以受重力控制的潛 移方式進行的崩積土層中，土壤厚度的時變量會等於土壤生成速率與擴散速率的 結合：
ρs∂h
∂t = −ρr∂e
∂t− ∇ ∙ ρsq̃s (式 1-1) 分別是土體及母岩密度(bulk density)，∂h
(LT−1)，∂e
∂t是母岩轉換為土壤的速率(LT−1)，q̃s是土壤搬運擴散之方向向量(∇ ∙ q̃s =
∂q
∂xi⃑ +∂q
∂yj⃑ , LT−1 )。其中，土壤生成速率隨土壤厚度增加有指數遞減(−∂e
∂t = P0⋅ e−
h
h0，P0是土壤厚度為0 的生成速率，h0是率定常數)或鐘形曲線的關係，而土壤沉 積物之搬運速率與坡度成正比，∇ ∙ q̃s則與地形曲率(∇2∙ z，大於 0 是凹坡，小於 0 是凸坡)成正比，因而式(1)可以表示為：
∂h
∂t =ρr
ρsP0⋅ e−h/h0 + K∇2∙ z (式 1-2) 其中，K 為土壤擴散係數(L2T−1)，z 是高程(m)。經由野外調查確定P0及h0，並 求得土壤及岩層的密度，以及給定初始地形高程，許多研究建議在確定研究區地貌 未曾經明顯的改變後，可以現今地形代替初始地形(Dietrich et al., 1995)，即可利用 式(2)以疊代方式推估在任一時間點、坡面上任一部位的土壤厚度。
由於土壤生成速率恆不小於 0，在凹坡處(∇2∙ z >0)的土壤厚度變化恆為正值，
故土壤厚度必隨時間累加；而在凸坡處(∇2∙ z <0)土壤厚度變化可能為正或為負，
故土壤厚度會隨時間增加、減少或達穩定狀態，但其累加量必然比凹坡處還小。因 此，以此模式推估的土壤厚度空間分布，在山稜和凸坡的土壤厚度會較薄，山谷或 凹坡處土壤較厚。
利用上述模式需要有地形資料及上述參數，便能夠推估大面積的土壤厚度空間 分布，然而參數必須以野外調查配合率定過程才能獲得，另外，由於此模式的土壤 搬運僅以擴散係數 K 常數表示，並未考量到逕流沖蝕搬運與崩塌等機制，故在地 形作用旺盛的地區錯估情行會較為嚴重(姜壽浩、徐美玲，2006)。
國內也有許多相關推估例子，陳尊賢(1999)利用地理統計之克力金法(kriging method)來推估旗山事業區土壤性質的空間分佈，研究土壤厚度與海拔、坡向等的 相關性，試圖用這些地形因子來推估建立土壤厚度的模型，研究結果顯示土層厚度 與環境因子間確實存在某種相關性，但所推估的模型精確性相當低，因受到環境因
作用模式為基礎，利用DEM 取得地形資料，並結合土壤生成函數(Soil production function)與擴散模式(diffusion model)來建構土壤厚度的估測模式，發現到僅能在部 分凸坡、平緩處有較高的精確度，於坡度較陡、面積較大之地區則有很大的誤差。
地形濕度指數 (topographic wetness index, TWI)，其概念乃坡度較陡時，逕流流 速較快，使得入滲量變低，降低土壤中含水量；而於低平的地方時，由於坡度趨於 平緩，使逕流於地表時間拉長而逐漸入滲，因此土壤中含水量相對較高。當坡度越 陡時，其風化殘餘之土層之厚度愈薄；反之，坡度越緩其土壤厚度越厚(陳建新，
2013)。故坡度較緩，集水區面積較大土壤化育及堆積亦較多，其土壤有效深度亦 較深(張庭瑜等，2015)。張庭瑜等(2015)試圖利用 TWI 來推估有效土壤的深度，然 推估結果與實際相比只有 28.38%的精確度，其發現可能與農地開發、土地利用的 方式改變有關，可見外在因素的變動對於推估模式有很大的影響。
綜合上述，土壤化育、堆積、流失的過程複雜，目前難以單純利用地形因子來精 確推估土壤厚度。若在空間變異過大的地區，或者是擾動明顯的地區，推估模式會 造成相當大的誤差，無法明確描述一地的土壤厚度分佈。
1.4.2 土壤厚度經驗公式
土壤厚度經驗公式的建立，通常需要實際調查特地區域的土壤厚度，以及其所在 地的坡度、岩性、坡向等地形因子，透過統計迴歸的方式來建立經驗公式。建立經 驗式後，只要透過蒐集地形因子，套用於經驗公式上，就可以用來推估大範圍的土 壤厚度分佈。
林伯勳等(2011)蒐集石門水庫集水區的地文特性，探討其與土壤厚度之關聯，建 立土壤厚度的經驗公式，以經驗公式所推估的厚度來與實際的崩塌做比較，意圖從 土壤厚度中推估崩塌產量、預測分析崩塌潛勢。
郭佳韋(2013)蒐集台灣石門水庫集水區內自然邊坡的土壤深度資訊，再利用統計 回歸方式建立土壤深度與相關因子之經驗公式，用以推估土壤深度的空間分佈。單 變量分析中，顯示坡度對於土壤厚度影響最深；而納入地形因子、坡度、岩性等多 變量迴歸則可獲得較適合該區域的經驗公式。
王智仁等(2009)蒐集台灣西部麓山帶與雪山山脈地質區的土壤厚度、坡度，利用 現地調查進行兩者間的迴歸分析，然而調查結果發現，不同流域的迴歸曲線非常分 散，土壤厚度與坡度間的相關性差異大，顯現不同地區有很大的變異性，無法利用 單一經驗公式推估。
上述經驗公式，皆須於該地區實際蒐集土壤厚度及地形因子，其所建立的經驗公 式，也僅適用於單一地區，對於該區以外的範圍精準度皆大幅降低，故經驗公式對 於其他地區的土壤厚度推估有很大的限制，上述研究者也表明經驗公式不可互相 套用在不同區域。
1.5 土壤厚度探測相關研究的問題點
近年來發現地下資訊對於許多議題有其重要性所在，有效土壤深度可以提供給 土地管理者評估土地利用的情形，對於坡地的管理、開發等皆有其必要性在。除此 之外，地下土壤的空間變異、特性皆會影響坡地的性質，若能快速掌握土壤岩層交 界面位置與土壤厚度，將有助於環境方面的研究。在水文方面，土壤岩層交界面的 深度位置為一項重要的指標，能夠用以探討飽和帶、地下逕流等項目，進而可以評 估邊坡的穩定狀態，也被認為是降雨引致崩塌發生的熱點位置。
過去崩塌地的調查方式，皆是在崩塌事件後才開始調查，在崩塌後調查難以得知 詳細的地形變動，也無法釐清崩塌破壞面的特性，若我們於崩塌前即有完整的調查，
取得地表地形、地下結構的資料分佈，即可較詳細的對崩塌事件進行分析，能夠比 較崩塌前後的地形變化，以及得知破壞面位置的硬度、阻抗分佈，進一步釐清崩塌 面的特性。
過去甚少事先蒐集地下資訊的原因在於資料取得費時，地下的空間資訊需要大 量的測點與時間才能有較為完整的坡地地下資料，有許多前人研究利用地形因子 來推估土壤厚度的空間分布，但經過實際的坡地量測與推估模式的比較後發現，實 際的土壤厚度與結構難以用其他的地形因子來推估，顯現了土壤結構分部有著極 大的空間變異，難以從表面狀態來評估地表下的空間分佈。而在單一地區土壤厚度 經驗公式的建立上，實際的土壤厚度更是不可或缺的基本資料，故實際調查土壤厚 度有其重要及必要性存在。
而在實際調查法當中，因為器械儀器的限制，許多應用廣泛的儀器缺乏可攜帶性，
無法於坡地進行調查。簡易貫入為攜帶方便、操作簡單的探測法，探測效果良好且 能獲得地下阻抗的變化，是較適合於坡地調查的方式，但其所需花費的時間非常龐 大，無法在短期間內完整描述坡地的地下資訊，調查的時間成本是目前直接調查法 中，最需要改進的部分。
1.6 研究目的
由上可知，土壤厚度與土壤岩層交界面為地下水文重要的指標，也被認為是崩塌 發生的熱點，但在過去甚少有研究在崩塌前即擁有豐富的地下資訊。自2012 年以 來，於福山試驗林中一沖蝕溝源頭部建立一長期觀測樣區，該樣區經過詳細的地形、
地下結構資訊的調查，已擁有地形、土壤厚度、土壤岩層交界面位置、地下阻抗等 資訊，但於2016 年 9 月遭受颱風豪雨引致崩塌。本研究對福山源頭集水區單一崩 塌事件進行分析，利用崩塌前後的地形分析，可用以瞭解該樣區崩塌破壞面的特性，
以及地下資訊對於評估潛在崩塌的重要性。
而上述福山樣區地下資訊的調查，使用的方式為簡易貫入，簡易入為適合坡地調 查的方式之一，但僅僅0.15 ha 的面積就耗費掉半年以上的時間，時間與人力成本 耗費極大，故本研究除了分析單一崩塌事件外，主要針對地下土壤的調查法進行改 良。為了令貫入調查法有較高的探測效率，並保有精確的特性，對簡易貫入進行改
良，使改良的調查方式能同時擁有精準、快速兩個特性，改善的重點主要為貫入所 花費的時間，將原本的撞擊動力從重錘自由下落改以汽油引擎打樁機代替，並探討 其適用性並與簡易貫入進行比較。
為比較簡易及動力貫入所得阻抗的關係式，利用人工堆疊土層進行兩者的校正 試驗，接著將改良後的動力貫入實際投入野外的應用，目的為檢測動力貫入於野外 環境，是否能順利、快速的完成調查，調查結果是否與能夠對應實際的地下結構。
本試驗於不同環境複雜度的林地，分別應用簡易貫入及動力貫入，在相鄰位置進行 貫入，進行多點的調查，比較兩試驗法調查地下結構所表現出的結果，以及兩試驗 法完成調查所需花費的時間。
本研究詳細目的如下:
1.利用地下結構及表面地形資料，分析福山源頭集水區崩塌前後的地形變動，並釐 清崩塌破壞面的位置特性。
2.改良簡易貫入試驗，發展動力貫入，以撞擊馬達替代重錘下落，及改良其它相關 設備，縮短調查時間。
3.透過不同硬度的材質組成之室內土箱，比較動力貫入與簡易貫入兩調查法之間的 關係。
4.於不同環境的野外林地實際應用動力貫入，進行多點及測線的試驗，並與簡易貫 入的調查結果進行比較，釐清兩貫入法的優勢與劣勢。
本研究的研究架構如圖 1.4，第二章為福山崩塌地的調查分析，蒐集崩塌後的樣 區地形，並結合過去的地下資訊分析崩塌破壞面的特性，以及分析土壤岩層交界面 對於崩塌的影響；進行崩塌地分析的同時，著手研發第三章改良動力貫入試驗，並 於福山樣區進行動力貫入適用性的試驗，測試不同的貫入裝備並確立最終適合的 使用方案；確立了動力貫入裝備後，進行第四章，開始進行簡易及動力貫入間的校 正試驗，取得兩者間的關係式並建立動力貫入的野外試驗標準步驟流程；第五章則
為確立貫入步驟後，於野外選取不同環境地點設立測線，進行兩試驗法的比較，並 分析其優勢與劣勢；最後依據室內及野外試驗的結果，訂定動力貫入所得土壤岩層 交界面的阻抗值分佈。
圖 1.4 研究架構圖
第三章 貫入試驗的改良
• 確立動力貫入設備
第四章
室內試驗槽校正實驗
• 取得簡易、動力貫入關係
• 建立動力貫入步驟
第五章
動力貫入的野外試驗與應用
• 比較試驗法所得阻抗差異
• 分析貫入試驗法的優缺 第二章
崩塌地調查分析 -破壞面位置調查
• 釐清崩塌破壞面特性
• 分析土壤基岩交界面對 崩塌之影響
第六章 結論 第一章
前言
儀器改良適用
NO
YES
2. 第二章 崩塌地調查分析-破壞面位置調查
2016 年九月，台灣遭受數個颱風侵襲，其中福山地區受到梅姬颱風的影響最為 劇 烈 。 根 據 中 央 氣 象 局 颱 風 資 料 庫 公 開 資 訊 (http://rdc28.cwb.gov.tw/TDB/ntdb/pageControl/typhoon?year=2016&num=201617&n ame=MEGI&from_warning=true)顯示，梅姬颱風於 2016 年 9 月 25 日 23 時 30 分發 布海上颱風警報，另於隔天26 日 11 時 30 分發布陸上颱風警報，於 28 日 17 時 30 分解除颱風警報。根據中央氣象局的資料，颱風中心於 27 日 14 時在花蓮市附近 登陸，21 時 10 分由雲林縣麥寮出海，並於 28 日 5 時左右由金門北方進入福建。
受颱風影響，梧棲、蘇澳出現 17 級強陣風，東部與南部地區亦有超大豪雨發生。
中央災害應變中心統計至9 月 28 日止，全臺計有 4 人死亡，662 人受傷，農損逾 新臺幣3 億元。
此次颱風重創福山植物園區，致使發生許多崩塌、地滑裂縫、路基坍方等災害，
並造成粗坑溪上游源頭集水區產生大規模地崩塌現象，崩塌深度不超過 5 公尺，
為淺層崩塌的災害，為瞭解此試驗區崩塌前後的地形變動，利用雷射測距儀來取得 崩塌後的地形，並利用過去詹孟浚、梁偉立(2014)量測所得原始地形資料、以及簡 易貫入試驗所取得的地下阻抗值，來分析崩塌破壞面的阻抗值分佈。
2.1 研究樣區環境概述-福山源頭集水區
本試驗樣區設於林業試驗所福山研究中心內，粗坑溪側邊坡沖蝕溝上方的源頭 集水區(headwater catchment)，北緯 24°45’42.4”，東經 121°35’45.2”。
根據福山植物園網站公開資訊(http://fushan.tfri.gov.tw/history.php)，福山試驗林位 於台北、宜蘭兩縣交界處，海拔高度400~1,400 公尺，年平均氣溫 18.5ºC，年平均 雨量4,125 毫米，冬季陰濕多雨，全年無乾濕季之分，年平均相對濕度為 94.1%。
試驗林內保有臺灣地區典型的天然闊葉樹林，大部分為未破壞的天然林林相，全年
樣區面積約 0.15ha，東西寬 35 m，南北長 59 m，地形陡峭，平均坡度為 41.4 度。
全區披覆喬木、灌木及草本植物，林相違樟科、殼斗科及茶科為主的常綠闊葉混合 林。
2016 年九月，台灣遭受數個颱風侵襲，其中福山地區同樣遭受梅姬颱風的劇烈 影響，並造成本樣區產生大規模的淺層崩塌現象。崩塌過後，地形有了相當大的變 化，尤其在下半部分的地區，有許多崩積及岩層裸露的現象。
2.2 材料與方法
2.2.1 地表地形量測
為 了 獲 取 試 驗 區 的 地 表 地 形 ， 使 用 雷 射 測 距 儀 (TruPulse 360B,LASER TECHNOLOGY, INC.)作為地形量測的工具，用以測得樣區地表面的相對座標以及 高程。測量時，除了需要雷射測距儀外，還需要一反射稜鏡做為測量目標進行反射，
測量過程中測距儀與稜鏡兩者皆須要保持水平，以確保量測的數據準確，通過兩者 可測量出水平距離、垂直距離、仰角、方位角等數據，可得出測站(測距儀)與測點 (稜鏡)間的相對位置與高程，並能將之轉換成 X、Y、Z 座標系統的形式進行繪圖 分析。初次量測為2012 年，於 0.15ha 的樣區中共設置 491 個測點(詹孟浚、梁偉 立，2014)，並於現地利用定位標竿標示測點，測點採均勻設置，若為地形起伏較 大之地區則會增加測點密度，才能表現出該地之急遽變化。地表地形數值高程模型 的建立，是使用地形分析軟體Surfer 13(Golden Software)來進行，將雷射測距儀所 量測的相對座標及高程匯入軟體中，利用 Surfer 13 預設的 Kriging 法內插演算建 立。
2016 年 9 月試驗區遭受梅姬颱風強烈的衝擊，出現許多大面積崩塌、地滑裂縫 的現象，為了瞭解崩塌前後的地形差異，再次進行地形量測，但颱風過後樣區處於 較不穩定的狀態，故待樣區較為穩定時才進行量測。同樣是利用雷射測距儀取得地 形的相對座標與高程，為完整表現崩塌後地地形變化，擴大部分量測範圍，包含測
站共採用 511 個測點，測點同樣採取平均設置，於地形急遽變化之處增加測點密 度。地形量測總共分為三次，以步道為界可分為上、下兩大部分，上半部與部分下 半部未崩塌之地測量時間為2017/01/05 及 01/06；下半部崩塌地區則於 1/18、1/19 完成；2/14、2/15 則完成樣區最底端的測量及補齊邊界點位。於 2017/02/15 完成崩 塌地形的測量，量測花費時間總共為6 個工作天。
2.2.2 地下土壤阻抗及土壤岩層交界面地形量測
為取得土壤岩層交界面地形的資料，於未崩塌前的 491 個測點中，選取 151 個 測量點中使用簡易貫入法進行量測土壤厚度，再利用地表面高程減去土壤厚度，以 求得土壤岩層交界面高程(詹孟浚、梁偉立，2014)，進而推估交界面的地形，同樣 是使用Surfer 13 建立土壤岩層交界面地形，除此之外，簡易貫入還可獲取各深度 對應的阻抗大小，利用相對位置及阻抗數值大小匯入三維的地形演算軟體 Voxler 3(Golden Software)，同樣使用 Kriging 演算法，用以演算匯出樣區地下空間中土壤 阻抗的3D 模型。
本研究使用的貫入計可分為錐頭、鑽桿、打擊桿、延長桿、錐頭等組件，鑽桿等 組件直徑皆為16 mm；錐頭直徑為 20 mm，錐角為 60 度；重錘為 2 kg，下落高度 為50 cm；貫入桿與錐頭相接後長度為 1 m，延長桿長度為 1 m(圖 2.1)，打擊能量 為9.8 J/次(詹孟浚、梁偉立，2014)。
圖 2.1 簡易貫入儀器組成。
其操作為將重錘沿著打擊桿上拉 50 cm 後自由下落撞擊打擊頭，使貫入計進入 土壤中，並記錄每次落下進入土壤的深度(貫入量)，並在之後計算其貫入阻抗值 (𝑁ℎ):
𝑁ℎ = 10 × 𝑁/𝑑 (式 2-1) N 為每一次的撞擊次數，d(cm)為相對應的貫入量，𝑁ℎ值所代表的涵義為貫入計貫 入10 cm 所需打擊的次數，數值越大代表土層的硬度越高。
𝑁ℎ值越高的土壤，飽和水力傳導度越低，即硬度較高的土層可能會阻礙水分的 垂直滲透，進而影響水分垂直移動過程。Yamakawa et al.(2012)統整過去簡易貫入 的研究，包含剖面挖掘、阻抗值、飽和水力傳導係數之間的比較，並表示當𝑁ℎ介於 55-100 之間時，飽和水力傳導係數有明顯的下降現象，視為土壤岩層交界面(soil- bedrock interface)，也就是我們欲探討的重要邊界。本研究為更明確保證探測結果，
對於進入土壤岩層交界面的判斷，採用較嚴格的𝑁ℎ ≥ 100，另外為避免土層中石 塊所帶來的影響，進行重複測試確認，故我們的判斷基準為當探測土壤𝑁ℎ大於等 於100 且連續三次時，也就是連續打擊 10 次，貫入深度小於 1 cm 且連續重複三 次時的情況，視為達到土壤岩層交界面。
2.3 結果:崩塌前地形空間特性
崩塌前樣區之地形圖，總共使用 491 個測量點位繪製完成(圖 2.2)。圖中標記較 大的樣點為人可行走的步道範圍，樣區以步道為基準可分為上下兩大部分。從三維 地形圖(圖 2.2a)可以看出，上半部地形起伏較小，坡度也較為平緩，經野外實地勘 查，地質狀況較為穩定，並無發現有水流溢出；步道下半部的地形則起伏較大，且 地質較為破碎不穩定，其中有兩條範圍較大的沖蝕溝(A 與 B)，兩條中間有一分水 嶺區隔，沖蝕溝為較不穩定之區域，坡度較為陡峭，常有落石、土砂移動的現象，
且皆有觀察到經常性的地表逕流，一年四季幾乎不乾涸。
圖 2.2 福山樣區原始地形圖。(a)三維地形圖。(b)地表等高線圖。
樣區之等高線地圖(圖 2.2b)，可以用來簡易的判度坡度大小及地形起伏狀塊。從 等高線圖中也同樣可以看出樣區上半部等高線分布較為寬鬆，代表地形起伏較小、
坡度較緩；下半部則可明顯看出等高線變化較大、較密集，代表地形起伏較大、坡 度也較為陡峭，也可明顯看出沖蝕溝A、B 與分水嶺的分佈地區。
除了地表的地形建立外，利用簡易貫入試驗所取得的土壤岩層交界面地形、土壤 厚度同樣能夠建立用以檢視差異(圖 2.3)。從地表地形、土壤岩層交界面地形的等 高線圖進行比較可以發現，地表與基岩地形的差異相當大，不僅部分坡面的坡向有 些許差異存在，基岩地形的變化更加複雜，變異性相當大，從此可以看出利用地表 地形是無法正確推論基岩地形的樣貌。除此之外，土壤厚度的差異也相當大(圖 2.3c)，土壤厚度淺至 1 公尺內，深至 5 公尺，同樣有很大的空間變異，無法依靠的 表來推斷土壤厚度的分佈情形。
圖 2.3 福山樣區原始地表及地下資訊圖。(a)地表地形等高線圖；(b) 土壤岩層交 界面地形等高線圖；(c)土壤厚度分佈圖。(圖中藍點為地形量測之測點。)
2.4 結果:樣區淺層崩塌特性 2.4.1 崩塌後地形特性
梅姬颱風過後，並無馬上測量地形，而是待樣區較為穩定安全後才進行，實際測 量時間與崩塌發生之間相隔三個多月。圖 2.4 為崩塌後的三維地形與等高線地形 圖，是由 511 個測點繪製而成，為完整呈現地形變化，有擴大量測範圍至邊界之 外，於白色區域上的標記即邊界以外之測點。以三維地形圖(圖 2.4a)來看，與崩塌 前相比可以發現，上半部雖然同樣起伏較小，但其中有多凹陷地區出現；等高線圖 上(圖 2.4b)也可以發現原本較無起伏的等高線出現許多波浪狀的變動，代表著崩塌 或者凹陷的發生位置，有許多分散的小規模崩塌事件在此區域，而在等高線密度上 變化不太明顯，坡度的改變較小。樣區左上方靠近稜線地區C，出現起伏較大、波 浪狀的等高線變化，從三維地形圖來看也能輕易看出有明顯的陷落，經野外實地調 查，此地沿著稜線下方有著明顯的崩塌現象，且此區域的崩塌現象有延伸擴展至步
道區域，導致部分步道的定位標竿被掩埋、破壞，圖 2.4 中較大的紅色標記為原本 步道兩側的標記點，可以看出左側步道的標記消失區域即為受到崩塌掩埋破壞的 部分。
下半部的變化較為劇烈，從等高線圖來看(圖 2.4b)，除了波浪狀的出現之外，崩 塌後樣區的等高線變得較為密集，意味著下半部的高程差異變大、坡度變得陡峭，
地形變化非常顯著，尤其是在分水嶺兩側最為嚴重。左半部沖蝕溝 B 因為崩塌有 許多崩塌材料例如落石、倒木等堆積於此區域，造成沖蝕溝 B 的地形變得較為平 緩，並且也有擴大的現象；而分水嶺右側 A 則因大範圍崩塌造成沖蝕溝的範圍擴 張，可以從圖中發現沖蝕溝的等高線波浪範圍有擴大的現象，其範圍甚至超越樣區 邊界延伸至另一集水區。從三維地形圖(圖 2.4a)中看出右下角 A 區域因崩塌而明 顯呈現凹陷的狀態，沖蝕溝及最底端則因崩塌材料堆積造成坡度變得較為平緩。
圖 2.4 崩塌後福山樣區地形圖。(a)三維地形圖。(b)等高線圖。
2.4.2 崩塌前後高程差異
為較清楚釐清崩塌前後的高程變化，以及崩塌位置、崩塌區域、堆積區域等特性，
利用崩塌前後的三維地形來進行比對分析。然而，樣區地形受到颱風侵襲所致，土 砂移動現象明顯，最初所設置的標記幾乎都有移動的現象，加上GPS 定位誤差對 於小尺度的集水區而言過於龐大，因此無法取得一個完全沒有移動的基準點進行
崩塌前後的差異比較。經由現地調查後發現樣區最上方稜線的位置，受到崩塌災害 影響較不明顯、較無移動的現象，其對應所設的標誌為24.04-24.10，我們假設這 7 個標記實際上是在原本的位置沒有移動，崩塌前後測量位置的改變僅是因為測量 誤差及人為誤差導致，將這7 個點位分別設置為基準點(崩塌前後座標一致)，並進 行其他6 個點位的比較，比較崩塌前後位移、X 座標、Y 座標、Z 座標的偏移量(表 2.1)，結果顯示若以 24.06 為基準點，其它 6 個點位的平均位移量較小，然而卻有 出現點位往崩塌的反方向移動的情況出現，與樣區實際情形有異。而 24.08 不僅 XYZ 座標及距離的偏移較小，也較符合樣區實際情形，故選擇 24.08 標記點作為 我們比較崩塌前後的基準點(圖 2.5)。
表 2.1 福山源頭集水區崩塌後不同基準點下的點位偏移量。
基準點 x 座標 平均位移
y 座標 平均位移
z 座標 平均位移
總平均位移
(m) 備註 24.04 0.371 0.650 0.100 1.121
24.05 0.358 0.645 0.117 1.119
24.06 0.308 0.425 0.167 0.900 部分樣點上移，不 符樣區情況 24.07 0.325 0.421 0.183 0.929
24.08 0.345 0.467 0.100 0.912 位移較小，且符合 樣區實際情況 24.09 0.433 0.471 0.100 1.003
24.1 0.728 0.388 0.167 1.283
圖 2.5 崩塌前後地形測點的分佈情形。
有了比較的基準點 24.08 後，將崩塌後的高程與崩塌前的高程相減，再將其高程 差異以等高線圖呈現，即能釐清崩塌、崩積區域範圍。圖 2.6 為樣區崩塌前後的高 程差異，單位為公尺，圖中藍色代表著高程減少的情況，也就代表著崩塌的區域；
黃紅色代表著高程增加，即代表崩積的區域範圍，顏色越重代表差異越大；因地形 量測會有誤差存在，正負0.2 公尺以內的差距，我們視為誤差，忽略其地形變動，
以白色表示。將高程差異的等高線圖套疊至崩塌後的地形上(圖 2.7)，可以看出樣 區上半部的整體變動不大，只有些許的小型崩塌事件發生。但經野外實際調查上，
在 C 區域有觀察到崩塌的現象，然卻有高程增加的現象，可能原因為測量時的人 為誤差所致，因標記受到崩塌陷落，測量人員無法穩定站立於陡峭的坡地上，無法
確保稜鏡處於水平的狀態，導致此區域測量出的結果與實際上有很大的落差。
而在樣區下半部則有較明顯的高程變化，其中以分水嶺兩旁的沖蝕溝變化最為 劇烈。分水嶺左側沖蝕溝 B 區域因為崩塌，造成上方的崩塌材料堆積於此，故造 成此沖蝕溝與崩塌前相比，其高程變高；分水嶺右邊 A 區域則相反，並無崩塌材 料堆積，而是崩塌發生的位置，此沖蝕溝有一延伸至邊界外的大範圍崩塌事件，故 其與崩塌前相比，其高程相對較低。
圖 2.6 樣區崩塌前後高程差異等高線圖。
圖 2.7 福山樣區崩塌前後高程變化套疊至崩塌後地形圖。
2.4.3 崩塌位置土壤岩層交界面地形之特性
地表下的結構、組成有著很大的空間變異，為較清楚了解地下的軟硬結構，利用 簡易貫入作為檢測的工具，以取得不同位置、不同深度的阻抗分佈。圖 2.8 為簡易 貫入取得的深度阻抗資料匯入voxler 所繪出的空間結構分佈圖，圖 2.8a 為未透視 的地形圖，而圖 2.8b 地下土壤阻抗的透視圖，不同位置、深度皆有不同的阻抗值，
大致上隨著深度越深，其阻抗值也隨之增加，阻抗值大小以顏色區分，當𝑁ℎ值(次 /10 cm)大於 100 時，視為到達土壤岩層交界面所在位置，即為圖 2.8 中紅色之區 域。圖 2.9 則為不同角度的地下阻抗分佈圖，透過不同角度可以進行較完整的檢視 地下阻抗的分佈情況。
(a)
(b)
圖 2.8 福山樣區地下阻抗分佈圖。(a)未透視地形圖。(b)透視地形圖。
圖 2.9 不同角度的福山地下阻抗分佈圖。
將原始地形、崩塌地形、地下阻抗結構套疊後，也可以用來簡易判別崩塌的位置，
能夠更全面的檢視整個樣區的空間分佈特性。除此之外，套疊後還可用來判釋崩塌
樣區下半部為崩塌災害較為嚴重之地區，崩塌前後的高程差異明顯，地表有大面 積的岩層裸露，土砂移動現象持續。圖 2.10 為將阻抗剖面套疊在崩塌後地表地形 的連續剖面，經現地標記標竿的移動可得知崩塌移動的方向，故剖面樣線也是崩塌 的移動方向來擷取，主要的剖面位置位於樣區下半部高程降低的位置，也就是崩塌 的區塊，總共擷取6 條樣線，樣線的分佈位置如圖 2.10a，所呈現的樣線剖面圖則 為圖 2.10b，圖中彩色區塊即為阻抗值的大小分佈，紅色的區塊代表著 𝑁ℎ=100 以 上的範圍，也可以將其視為土壤岩層交界面的地形分佈，黑色區塊為崩塌後的地表 地形分佈，其中以白色虛線描繪出擷取剖面的崩塌地表地形位置，以更能夠清楚比 較崩塌位置地阻抗值分佈。
圖 2.10 崩塌面阻抗剖面連續圖。(a)樣線 1-6 剖面位置。(b)崩塌阻抗剖面連續 圖，白色虛線代表崩塌後的地表地形位置。
從連續剖面圖可以看出，崩塌後的位置在初始邊界的位置最深，其中有部分的崩 塌位置是坐落、貼近在土壤岩層交界面之上；而隨著剖面向樣區中心移動，崩塌後 的地表位置漸漸遠離土壤岩層交界面，崩塌的深度越來越低。其中值得注意的是基 岩地表形狀與崩塌位置的關係，圖 2.11 為最接近樣區邊界的阻抗剖面圖，即樣線 1，可以看出基岩地形在此位置的變化，紅色虛線範圍內為崩塌區，其基岩坡度較 為陡峭，下方無其它支撐結構，導致此區域內的崩塌深度較深，且破壞面接近基岩 位置。藍色虛線範圍中，可能為崩塌或者崩積區域，基岩呈現凹狀的谷地地形，且 坡度相比之下較不陡峭，此區域的崩塌深度較淺，幾乎在𝑁ℎ=50 以下，可能的原因 在於土壤岩層交界面的凹狀谷地有著支撐、穩固土壤的功能，不易令土層向下滑動，
而在此範圍內的崩塌可能是由於下半部紅色虛線範圍內的土層崩塌後，上層土壤 沒有下坡的土壤支撐而向下崩落；除了是可能的崩塌區之外，此區域也可能是崩積 所產生的結果，因基岩地形關係，令土壤石塊容易於此堆疊，才會造成崩塌後地表 面遠離岩層的情況。
圖 2.11 崩塌樣線 1 阻抗剖面圖。白色虛線為崩塌後的地表地形，紅色虛線代表 崩塌較嚴重的區域，藍色虛線代表崩塌較輕微或者崩積的區域。
2.5 結果:崩塌破壞面的阻抗分佈
為了更加瞭解崩塌破壞面的阻抗分佈，由 voxler 所建立的三維阻抗模型，崩塌 地表地形相對應位置之阻抗值，即可得到崩塌表面的阻抗值分佈。
於崩塌區域所得出的𝑁ℎ分佈如圖 2.12，顏色由淺至深代表著阻抗由低到高，紅 色區塊則是代表𝑁ℎ超過 100 的區域。經過阻抗分佈的比對分析，各個崩塌區塊的 阻抗值有很大的差異。樣區上半部的崩塌面阻抗值普遍較小，分佈大多落於𝑁ℎ值 30 以內，最高則未超過𝑁ℎ值50，崩塌位置並無深入至土壤岩層交界面，而是接近 於地表的淺層崩塌。而樣區下半部的崩塌面阻抗分佈範圍較廣，從0 至 100，甚至 超越100 皆有出現，崩塌阻抗有集中於𝑁ℎ=50 以下跟𝑁ℎ=100 以上的趨勢，有相當 大的崩塌區域落於、或者接近土壤岩層交界面位置。
圖 2.12 福山樣區崩塌面的阻抗值分佈。
根據野外現場的觀察，樣區的崩塌範圍並非此次崩塌事件的全貌，樣區旁側有更 加龐大的崩塌面積，樣區的崩塌僅能被歸類在崩塌事件的邊界範圍。從圖 2.12 可 以看出下半部崩塌破壞面阻抗值的分佈，在邊界位置阻抗值呈現較小數值，邊界位
置的崩塌可能並非直接由底層開始發生，而是因為下半部崩塌後，邊界地區受到的 支撐力變小，而導致土塊從表面剝落；而越靠近下坡、崩塌的中心，崩塌面阻抗值 的分佈逐漸升高，表示破壞裸露的位置越接近土壤岩層交界面，𝑁ℎ值超越100。
僅利用福山樣區範圍進行崩塌破壞面阻抗的分析是不足的，因為崩塌事件並非 僅侷限在樣區內，而是更廣泛的崩塌災害，而且樣區還處於總體崩塌事件的邊界。
但從現地觀察可發現，樣區以外大部分的崩塌地區，土表含有大量岩石，且甚少觀 察到土壤塊體，近乎是固結的或是風化的岩石結構圖 2.13，與樣區中𝑁ℎ=100 以上 的地貌相似，可以得知崩塌破壞面的特性大多屬於這樣的結構，崩塌位置坐落在 𝑁ℎ=100 以上的面積佔了大多數，可見土壤岩層交界面位置對於崩塌而言是相當重 要的分界。
圖 2.13 樣區範圍外崩塌地基岩裸露實際情況。
2.6 小結
透過地形量測與野外勘查，可以得知崩塌前後的地形變化。梅姬颱風過後，造成 整個福山樣區陷落移動的情況，上半部的崩塌事件較輕微，且地形起伏的變化較小、
坡度無明顯變化；原本樣區下半部即有明顯的土砂移動現象，受到颱風侵襲所致，
與上半部相比有著較為嚴重的崩塌、崩積、地滑現象，地形起伏變化明顯，部分坡
度因崩塌變得陡峭，而部分則因材料堆積變為平緩。
對於評估、預測崩塌而言，地表的坡度、地形時常被納入評估項目，但土壤岩層 交界面之同樣也占了相當重要的部分，就福山源頭集水區內的崩塌而言，崩塌最深 的位置與土壤岩層交界面所在深度位置相符，且崩塌範圍廣泛，崩塌較深的地區有 著較為陡峭且缺乏支撐結構的基岩地形，顯現土壤岩層交界面可能為崩塌位置的 熱點，可見地下結構對於崩塌而言有相當重要的影響。
經由福山單一樣區崩塌前後的地形分析可知，地下資訊對於淺層崩塌的評估及 分析而言相當重要，但地表地形與土壤岩層交界面地形有相當大的差異，表面的地 表地形並無法直接推估不可視的地下結構分佈，由此可見，實際測量獲取地下資訊 是有其必要性存在的。
而在山坡地，直接取得土壤厚度的方式並不多，許多大型、快速、省力的儀器因 為地形的限制無法應用於坡地上，僅能利用人力能夠背負的輕量儀器進行試驗，而 這些輕量儀器最大的缺點即是調查所花費的人力、時間龐大，無法在短時間內取得 完整的地下資訊，如果在空間變異明顯的地區則更加需要增加測量樣點才能更加 完整描述地下結構的變化。根據調查的紀錄，在福山源頭集水區進行簡易貫入試驗，
平均一天僅能獲得7 個測點，而樣區總共有 151 個貫入測點，光是調查 0.15 ha 的 地下資訊就必須耗費21 個工作天左右，花費成本相當可觀。
於坡地，蒐集地下資訊的瓶頸即在於調查速率過於低下，無法在短時間內獲取大 量的樣點資料，而地下結構對於許多議題而言又相當重要，可見提高調查效率為重 要的目標，若能提升調查的速率，將有助於完整描述地下資訊的分佈，取得更加完 整的土壤岩層交界面地形、土壤厚度分佈，有利於各項相關議題的發展。
