土釘設計與施工說明

1

土力工程指南 7

土釘設計與施工說明

土力工程處

土木工程拓展署

中華人民共和國香港特別行政區

2

土力工程指南 7

土釘設計與施工說明

土力工程處

土木工程拓展署

中華人民共和國香港特別行政

2

©中華人民共和國香港特別行政區政府第一出版，2008 年 3 月

資料準備：

土力工程處 土木工程拓展署 土木工程拓展署大樓 101 公主道,

何文田，九龍，

香港

3

前言

該土力工程指南代表香港土釘系統設計、建造、觀察暨維護的良好推薦基準。

同時，該說明內容涵蓋工程指南歷年香港土釘系統運用經驗以及相關技術開發工作。

其推薦良好基準主要敘述高彎曲變形鋼筋是透過鑽孔和灌漿方式，組成，加固邊坡暨 擋土牆和開挖區。

土力工程指南內容主要來自土力工程處所提供的土釘相關研究資料彙整所製。

再經由專業研究員暨操作員實際執行相關規範，從中精進土釘設計和建造的規範，藉 此有效提升土釘系統的可信度。其相關研究包含文獻評論、現場檢測、實驗調查以及 多次模擬建造所彙整。其研究發現，有部分早已出版於土力技術報告以及指導說明刊 物中。

土力工程指南內容準備是由專業團隊監督下所完成。團隊成員由相關公部門、

香港工程師學會 (土木工程拓展署) 暨土地崩塌預防措施承包商等代表所組成。土 力工程處管委會負責該土力工程指南的整體準備工作管理。

為確保該土力工程指南成功被認可為香港具共識的文件，曾於 2007 年底製作初 版，收集國內外相關人員閱讀後的建議。相關閱讀人員包含業界專業人士、工程師、

承包商、學者暨公部門。不僅如此，其初版也刊登於土木工程拓展署的官方網站，提 供大眾參閱且開放提出相關建議。透過其方式審閱，許多民眾和企業都陸續提供具建 設性的改善建議，且被納入為最終核定版本。感謝所有貢獻。

至於其他版本的土力工程指南，此份資料能提供良好的工程執行規範，但此推 薦非強制性。為讓未來土力工程指南版本更好，我們鼓勵相關執行者於任何時間都能 提供土力工程處更好的內容改善建議。

R.K.S. Chan 總督，土力工程處

土木工程拓展署 2008 年 3 月

4

工作團隊：

建築署

Mr. Joseph Wong C.P.

土木工程拓展署 Mr. Pun W.K. (主席) Mr. Herman Shiu Y.K.

Mr. Charles Chan H.C.

Mr. Stephen Yip C.T.

Mr. Choi Y.C.

Mr. Lawrence Shum K.W.

Dr. Raymond Cheung W.M. (秘書) 路政署

Mr. Andy Wong H.T.

房屋署

Mr. Raymond Wong M.W.

土地崩塌預防措施承包商承包商 Mr. Cheung T.K.

香港工程師學會 (土木工程拓展署) Dr. Eric Li S.F.

5

前言 ... 3

工作團隊： ... 4

土木工程拓展署 ... 4

路政署 ... 4

Mr. Andy Wong H.T. ... 4

房屋署 ... 4

土地崩塌預防措施承包商承包商 ... 4

香港工程師學會 (土木工程拓展署) ... 4

表目錄 ... 11

圖目錄 ... 12

1. 介紹 ... 13

1.1 目的 ... 13

2. 應用 ... 14

2.1 總 ... 14

2.2 土釘技術開發 ... 14

2.3 應用範圍 ... 14

2.4 土釘系統基本原理 ... 14

6

2.4.1

...14

2.4.2 土釘系統的基本要素 ... 15

2.5 優點暨限制 ... 18

3. 土釘系統原理 ... 20

3.1 總 ... 20

3.2 土釘系統歸類 ... 20

3.3 土釘系統基本機制 ... 20

3.4 土釘地面互動 ... 21

4. 現場調查暨測試 ... 25

4.1 總 ... 25

4.2 土釘可建性 ... 25

4.3 土釘耐力性 ... 26

4.3.1

...26

4.3.2 土壤侵蝕 ... 26

4.3.3 土壤侵蝕性評估 ... 28

5. 土釘系統設計 ... 31

5.1 總 ... 31

5.2 設計考量 ... 31

7

5.3 穩定性設計 ... 31

5.3.1

...31

5.3.2 破壞模式 ... 32

5.3.3 模型 ... 34

5.3.4 穩定性分析方法 ... 35

5.4 維修服務之設計 ... 35

5.5 耐用性之設計 ... 35

5.6 土釘削坡之分析 ... 38

5.6.1

...38

5.6.2 安全因素 ... 38

5.6.3 土釘鋼筋 ... 41

5.6.4 土釘 ... 44

5.6.5 坡面 ... 46

5.7 擋土牆之土釘設計分析 ... 52

5.7.1

...52

5.7.2 安全因子 ... 52

5.7.3 土釘鋼筋 ... 54

5.7.4 土釘頭和表面 ... 54

5.8 填坡之土釘設計分析 ... 58

8

5.8.1

...58

5.8.2 安全因子 ... 58

5.8.3 防止液化之設計 ... 59

5.8.4 土釘鋼筋 ... 60

5.9 既有削坡和擋土牆之土釘設計規範 ... 60

5.10 排水條款 ... 61

5.11 美學與景觀處理 ... 62

5.12 土釘設計之特定情況 ... 63

5.12.1

...63

5.12.2 土釘設計之持續承載量 ... 65

5.12.3 臨時開挖土釘之設計 ... 66

5.12.4 使用替代強化材料的土釘設計 ... 66

6. 建造 ... 69

6.1 總 ... 69

6.2 建造監督和考量 ... 69

6.2.1

...69

6.2.2 鑽孔 ... 70

鑽孔 ... 71

9

6.1.1 土釘鋼筋組裝 ... 75

6.1.2 灌漿 ... 75

6.1.3 土釘建造 ... 76

6.1.4 開挖順序 ... 76

6.2 測試 ... 77

6.2.1 材料合規測試 ... 77

6.2.2 拔除測試 ... 77

6.2.3 蠕變測試 ... 79

6.2.4 非破壞性測試 ... 79

6.2.5 破壞性測試 ... 81

7. 監測暨維護 ... 82

7.1 總 ... 82

7.2 監測 ... 82

7.3 維護 ... 82

參考 ... 83

符號詞彙 ... 87

專業術語 ... 90

10

土力工程處刊物及訂購資料 ... 93

土力工程處之主要刊物 ... 94

11

表目錄

表號 頁

4.1 土壤侵蝕分類 28

4.2 土壤侵蝕評估方案 29

5.1 瞬態負載土釘侵蝕保護措施建議 37 5.2 坡面破壞典型範例(生命後果類別) 39 5.3 坡面破壞典型範例 (經濟後果類別) 39 5.4 因應十年降雨量回歸期土釘削坡破壞

建議之最小安全係數 40

5.5 因應十年降雨量回歸期既有土釘削坡

提升破壞建議之最小安全係數 40

5.6 內部土釘破壞之最小安全係數 40

5.7 單一土釘頭之建議尺寸 44

5.8 因應十年降雨量回歸期土釘現有擋土

牆提升之建議安全措施 53

5.9 持續負荷土釘之侵蝕預防安全措施 65

6.1 土釘施工控製樣本清單 71-74

12

圖目錄

圖號 頁

2.1 土釘削坡示意圖 17

3.1 土釘系統模式 21

3.2 土釘動力傾向效果 22

3.3 加固方向對增強土體剪切強度的影響 23

3.4 土釘拉力分布示意圖 24

5.1 土釘系統潛在外部破壞模式 32

5.2 土釘系統潛在內部破壞模式 33

5.3 第一類侵蝕防護措施之典型細節 37

5.4 英國交通部推薦之土釘頭設計方式 45

5.5 土釘頭加強之典型細節 45

5.6 適用於緩坡之土釘頭典型細節 46

5.7 用於檢查滑動的計算模型、土釘的翻

轉和承載能力之擋土牆 55

5.8 適用於擋土牆之曝露獨立土釘頭典型

細節 56

5.9 曝露繫樑之典型細節 56

5.10 外殼牆典型接觸細節 57

5.11 半明架土釘頭之典型細節 64

6.1 設置推桿測試 78

6.2 推廣測試之典型程序和接受標準 80

6.3 潛變測試之典型程序和接受標準 81

13

1. 介紹

1.1

該土力指南的目的是為推薦香港良好的土釘系統設計、建造、觀察暨維 護基準，藉此希望達成專業合格工程師之間的共同土力工程原則和程序。

土釘是一種用於穩固提高坡面、擋土牆和挖掘土壤之加固技術。其技術 涉及安裝間隔緊密且相對細長的結構元件。例如：將土釘鑽入地面且穩定土壤。

土釘系統是由土釘所固定的邊坡、擋土牆或挖掘擋土設施所組成。土力指南所 敘述的土力標準主要通過鑽孔和灌漿方法安裝的高變形鋼筋，用於加固土壤削 坡邊坡、擋土牆、填充坡道、挖掘、擾動的地形和天然山坡。另，其土力指南 裡不包括使用預應力土釘和於隧道、洞穴和河岸等地方使用土釘之內容。

關於潛在應用領域、安裝方法、土釘系統的基本要素、土釘工法優點及 限制等眾多考慮可參閱第二章。土釘系統的概念和原理，以及可能影響系統行 為的因素可參閱第三章。

關於土釘使用的現場調查和具體測試使用等規範可可參閱第四章。第五 章闡述了土釘系統的設計指導，包括美學和景觀處理。

與其他形式的坡面工程一樣，在施工土釘時也需充分進行現場監督和管 理，其土釘系統的設計壽命期間也需要定期進行檢查和維護等作業。若有需求，

施工期間及施工後，應對土釘系統進行監測。 有關以上描述指導請分別參閱第 六章和第七章。

相關專業術語可參閱其土力指南最後一頁。

14

2. 應用

2.1

本章概述香港土釘技術的發展及應用且強調土釘系統的基本要素，以及該技術 的優點和限制。

2.2

土釘技術由 1960 年早期開發，其部分來自岩石錨固和多錨固系統的技術而另來 自加固填充技術 (Clouterre, 1991; FHWA, 1998) 。新奧工法於 1960 年早期被推出，主 要是使用鋼筋和噴漿混凝土加固地面的首要原型。由於此技術的使用度逐日增加，土 釘設計也隨著於 1970 年早期開始精進。在 1970 年中期，德國進行了第一次涉及模擬試 驗和全面實地試驗的土釘的系統研究。後續發展作業也在 1990 年早期，由法國和美國 主動進行。這項研究和開發工作的結果，為後續幾十年的土釘技術設計和施工方法擬 定了相對紮實的基礎。

1980 年，土釘技術首次被香港使用。香港最初採用土釘作為規範性方法，且為 其他堅固材料提供支援深層風化地帶。接著，多個被動錨或固定系統也開始使用此技 術。這些早期案例的推動無疑是希望找到預應力地錨的替代方案，但都需要長期的監 督。在 1980 年中期，香港製造了少量用於用於臨時支撐削坡的土釘。Watkins & Powell (1992)於 1990 年統整了土釘相關設計和製造的經驗，且後續成為香港使用土釘的基準。

隨著現有邊坡和擋土牆的提升需求逐日增加，土釘技術於 1990 年中起廣受歡迎。

在香港，目前土釘技術是穩定邊坡最為普遍的技術，且每年用由超過 200 其邊坡和擋土 牆提升的案件需求。

2.3

由於地面調查可能錯過了一些微妙的不利地質特徵，我們建議採用較不敏感設 計方案應對當地不利地下水和地下水條件（與沒有積極支持或邊坡加固的解決方案相 反）。在實際可行的情況下，具有對生命力或經濟有嚴重威脅的大規模未被保護之削 坡，應避免產生邊坡的破壞。由於缺乏堅固性，其邊坡特別容易受到未被檢測的不利 地下水和地下水條件的影響。依據常規極限平衡分析的不同方案的計算安全係數可能 相同，正邊坡支護或加固系統，必要時補充表面和地下排水措施，通常傾向單獨向後 削坡。

土釘系統可透過應力重新分配來取代地面的局部弱點，且邊坡穩定性分析中也 未考慮到地下水等相關條件。在香港，較多土釘工法適用於穩固現有削坡和擋土牆。

另外，它們也適用於加強且穩固新削坡、填充現有坡度、非原狀邊坡以及自然邊坡。

但在香港土釘工法適用於穩固新擋土牆和填補新坡度是非常罕見的現象。除常駐性作 業外，土釘工法也可用於臨時挖掘。

2.4

2.4.1 安裝方式

15

土釘安裝方式多元，且選擇適合的方式需經過多種考量。例如：預算、施工現 場和地下土壤狀況等。以下簡單描述現有土釘安裝之方式：

(1) 鑽－灌：該方式於香港和海外最為常見。該方式採用將土釘加固元件插入預 鑽孔中，然後在重力或低壓下進行水泥灌漿。多種鑽技術包含螺旋式、旋轉衝喚鑽機、

井下振動錘等技術都適用於應對各種土壤狀況。其技術的優點在於它能克服地下土壤 狀況如核心岩石，且鑽井棄物可以提供關於地層的資訊。再加上，長土釘也能透過其 技術安裝。如果需要，可以在插入加固件之前檢查鑽孔的尺寸和排列。但鑽孔和灌漿 方法可能導致孔塌陷問題而為了克服其個問題，套管方式需被採用。另， 鑽和灌漿過 程也可能對地面造成干擾。

(2) 自行鑽孔： 與 鑽－灌方式相比，其技術相對較新。使用拋棄鑽頭將土釘加 固件直接鑽入地面，且中空的鋼筋同時用作鑽桿和灌漿管。隨著鑽孔和灌漿同時進行，

其安裝過程很快。水泥漿能提升孔的穩固性，相對空氣和水，水泥漿更為適合。另外，

灌漿管及套管也不須要。由於其自鑽技術不能有效地穿透岩石，所以在土壤中發現岩 石的情況下，此方式不適合。由於加固的靈活性，可能難以確保長土釘的排列。 如果 依靠防腐措施的完整性，則可以考慮耐久性，其形式為灌漿蓋和鋼筋的防腐蝕保護層。

這是因為在沒有中心器的情況下可能無法實現指定的最小灌漿蓋，並且在安裝過程中 可能會損壞防腐蝕塗層。 為能克服鋼筋保存持久的問題，此問題待持續研究 。

(3) 打擊式：通過使用壓縮空氣發射器的彈道方法，使用敲擊設備的敲擊方法或 使用振動器的振動方法將土釘加固直接驅動到地底中。在打擊過程中，鋼筋周圍的地 面將被移動和壓縮且安裝過程快速，所造成的地表影響很低。 然而，由於設備功率有 限，這種方法只能用於安裝長度較短的土釘。 此外，土釘加固可能會受到安裝過程中 引起的過度屈曲應力的破壞，因此不適用於含有堅硬土或岩心的場所。 由於土釘加固 件與地面直接接觸，除非使用非腐蝕性鋼筋，否則易腐蝕。

2.4.2 土釘系統的基本要素

圖 2.1 顯示了典型的削坡土釘的橫截面。由鑽－灌所組成的土釘系統包含以下要 素：

(1) 土釘鋼筋：土釘鋼筋是土釘系統的主要元素。其主要功能是提供抗拉強度。

鋼筋通常是固體高屈服變形鋼筋。 其他類型的材料如纖維增強聚合物，也可以作為土 釘加強物件。

(2) 鋼筋連接器(鋼筋續接器)：鋼筋續接器用於連接土釘鋼筋的部分。

(3) 水泥灌漿套管：水泥灌漿是由波特蘭水泥和水所製成，在插入土釘鋼筋物件 後放置在預鑽孔中。水泥灌漿套管具有與於地面和土釘鋼筋之間傳遞應力的主要功能。

另也為鋼筋提供標稱水平的防腐蝕保護。

(4) 侵蝕措施：根據設計壽命和土壤侵蝕性，需要不同類型的侵蝕措施。最普遍 的侵蝕措施是熱 浸 鍍 鋅 及 瓦楞塑膠剪力。由聚乙烯和防腐膠乳密封劑材料製成的熱收 縮套管通常用於保護聯接器。

(5) 土釘頭：土釘頭通常包括鋼筋混凝土墊、鋼軸承板和螺母。 其主要功能是 為單個土釘提供反應變動張力且還能促進靠近坡面和土釘之間的地面之穩定性。

16

(6) 坡面保護：坡面塗層通常用於提供邊坡表面保護，並最小化地表水對坡面的 侵蝕和其他不利影響。 它可能是柔軟、靈活、硬或三者的組合(CIRIA, 2005) 。塗層柔 軟的坡面是非結構性的，而柔性或硬的邊坡可以是結構的或非結構的。結構塗層的坡 面可以通過將載荷從土釘頭之間的自由表面轉移到土釘和土釘之間的力的再分佈來增 強土釘系統的穩定性。 最常見的類型的軟面是植被覆蓋，通常與侵蝕控制墊和鋼絲網 相關聯。 一些專有產品的柔性面具是可用的。 硬面包括噴塗混凝土，鋼筋混凝土和石 頭舖石。 結構樑和格柵也可以架構在坡面上，將土釘頭連在一起，以促進土釘系統的 整體作用。

17 土釘削坡坡度的橫截面

土釘頭細節

圖 2.1 土釘削坡示意圖

18

2.5

土釘技術提供常規削坡和擋土牆施工技術另一種設計替代方案。以下是在施工 成本等狀況下採用土釘技術之優點：

(a) 因為土釘安裝所需的施工工程很小且移動範圍有限，所 以適用於狹窄之場地。

(b) 通過調整土釘的位置和長度以適應現場條件，可以輕鬆 應對施工過程中遇到的場地限制和地面條件變化。

(c) 在施工時，它能減少和擋土牆施工對環境的影響較小，

因為不需要大型土方工程和砍伐樹木。

(d) 相對一般削坡和擋土牆施工，它可節省時間和成本 (e) 對未檢測到的不利地質特徵較不敏感，因此比不支持的

削坡更為堅固可靠。 此外，由於存在大量的土釘，因此 相對無支撐的削坡或錨定邊坡更為適合。

(f) 土釘系統的破壞模式是韌性的，因此能夠在失效前提供 警告標誌。

土釘技術主要限制如下：

(a) 公用設施、地下結構或其他埋藏的障礙物等，對土釘的 長度和佈局構成造成限制。

(b) 土釘所佔據的區域已被消毒破壞，且對現有場地發展構 成之限制。

(c) 必須從相鄰土地的業主獲得在土地邊界之外安裝土釘的 許可。 這對土釘的佈局造成了限制。

(d) 地下水位高可能導致鑽孔和灌漿施工困難，以及在土釘 釘挖掘的情況下坡面不穩定問題。

(e) 土釘的有效性可能會因過度大的山體滑坡而受到影響。

(f) 由於潛在泥漿洩漏問題及滲透性地面等問題，如具有許 多鵝卵石、巨石、高度斷裂的岩石、開放接縫或空隙的 地面等因素導致施工上的困難。

(g) 高含量粉碎的地面可能會導致地面和土釘之間的蠕變之 問題。

(h) 長土釘安裝上困難，因此土釘技術可能不適合深層滑坡 和陡峭坡度。

19

(i) 由於土釘不預設應力，土釘動力的變動將伴隨地面變形。

可能必須考慮對附近建築物，設施或服務的影響，特別 是在土釘挖掘的情況下。

(j) 土釘在穩定局部陡坡剖面，背陡，懸垂或侵蝕潛力高的 地區無效。 在土釘裝置之前，應考慮適當的措施，如 局部修整。

以上列舉土釘技術之優缺點並不詳盡。 工程設計師應在期權評估中進行適當的工程判斷，以選 擇最佳設計解決方案。

20

3. 土釘系統原理

3.1

本章概述了土釘系統的原理，並突顯可能影響系統行為的關鍵因素。

3.2

若土釘系統的表面是垂直的，則將土釘固定的系統視為土釘固定的牆體，並且 其被設計成作為結構構件來執行，由於其自重而向地面提供保持作用， 彎曲強度或剛 度。例如：若土釘安裝在鋼筋混凝土或懸臂式擋土牆，其系統被認為土釘擋土牆。相 反的，若面對主要是表面保護或單個土釘之間的連接（如噴塗混凝土面）的功能，則 該系統應被視為土釘的邊坡。此外，在本文件中，如果承載瞬時或持續載荷的挖掘中 的鋼筋被設計為執行土釘，則將土釘系統視為土釘挖掘。

3.3

土釘系統改善邊坡穩定度、擋土牆以及開挖等現況。主要通過土釘和地面之間 的摩擦相互作用以及由土釘頭提供的反作用力在土釘中產生張力。土釘中的拉力通過 直接支撐一些施加的剪切載荷並通過增加潛在破壞面上的土壤中的正應力來增強地面，

從而允許更高的剪切抗力被啟動。土釘頭和表面需通過限制地面變形接近正常的坡面 來提供約束效應。 因此，土釘頭後面土壤的平均有效應力和剪切阻力將會增加。 它們 還有助於防止坡面附近的局部破壞，並通過土釘之間的力分配來促進加固土體的整體 作用。 土釘的拉拔失效的抵抗力由埋在潛在破壞面後面的地面的土釘部分提供。土釘 系統的內部穩定性通常使用兩區模型（即活動區域和被動區域（或抗性區域））進行 評估，這兩個區域模型由潛在的破壞面分離。 活動區域是潛在破壞面前方的區域，其 具有從土釘系統脫離的傾向。 被動區域是潛在故障表面後面的區域，其中保持多或少 完好無損。 土釘用於將活動區域綁定到被動區域。

工程設計人員應注意，雙區域配置只是極限平衡分析的簡化模型，其中不考慮 土釘系統的變形。 實際上，在土壤邊坡中，除非失效是由破壞面不明顯的聯合設置所 決定的，否則通常會有剪切變形的剪切區域。土釘與地面相互作用是複雜的，土釘中 的力量受到許多因素的影響。 這些因素包括土釘的力學性能（即拉伸強度，剪切強度 和彎曲能力），土釘的傾斜和方向，地面的剪切強度，土釘和地面的相對剛度， 土釘 與地面之間的摩擦，土釘頭的大小以及坡面的性質。

21

圖 3.1 土釘系統模式

3.4

在活動區域，地面，土釘，土釘頭和邊坡之間的相互作用，在土釘中形成力。

土釘 - 地面相互作用有兩個基本機制，即（i）土釘磨擦摩擦導致土釘中軸向張力或 壓縮的發展，（ii）土釘和釘子上的土體承受應力 土釘指向側面的地面摩擦導致土釘 中剪切和彎矩的發展。

若土釘指向接近土體最大拉伸應變的方向，則土釘中的作用主要是拉伸力，這 是通過土釘磨擦機制發展出來的。通過土體承載應力的機理以及土釘側面的土釘磨擦 摩擦力，在土釘中發展剪力和彎矩。在均勻和各向同性的土體中，在使用荷載條件下，

土釘的剪切應力和彎曲力矩的動員很小（Jewell＆Pedley，1992）。相比之下，如果土 釘在土體壓應變方向上對齊，土釘中會產生壓縮力。這可能導致潛在破壞面土壤中的 正常應力降低，這降低了加固土體的抗剪切能力。如果土釘在零軸向應變的方向上對 齊，則只能進行剪切和彎曲。然而，由於土釘的尺寸相對較細，這些增強作用受到小 彎曲強度的限制，通常可以忽略不計 (Jewell & Pedley, 1992; FHWA, 1998) 。

上述原則解釋了土釘傾向對土釘中動力的影響。一般來說，如圖 3.2 所示，土釘 在動力拉力中的有效性隨著土釘傾斜度的增加而減小。對於土釘指向水平方向傾斜的 大多數土壤，調動土釘的全部抗彎曲和抗剪切力所需的最小變形量大於動員全拉伸強 度所需的最小變形量，因此，土釘的主要作用處於緊張狀態（Clouterre，1991; FHWA，

1998）。如果土釘指尖傾斜，土釘的效果將會因為一些土釘而受到壓縮而顯著降低。

因此，應謹慎使用陡傾斜的土釘。圖 3.3 顯示了鋼筋定向對加筋土剪切強度的影響。

22 (a) Mobilisation of Tensile Force in a Soil Nail

(b) Mobilisation of Compressive Force in a Soil Nail

Legend:

αs Inclination of soil nail to the horizontal

θ Orientation of soil nail with respect to the potential failure surface

圖 3.2 土 釘 動 力 傾 向 效 果

23

Legend:

τEXT Extra shearing resistance due to the reinforcement σyy Vertical stress on shear plane

Note: Figure based on Jewell & Wroth (1987).

圖 3.3 加固方向對增強土體剪切強度的影響

響應於活動區域的地面變形，在土釘頭下面的土壤中產生出壓縮和剪切應變（圖 3.1）。如果所得的應變接近於與土釘頭基部垂直的方向，則頭 - 地相互作用主要以軸承 機構的形式。然而，如果所得到的應變在與土釘頭的基部的法線明顯偏離的方向上，則 頭 - 地相互作用將是軸承和滑動機構的組合。在這種情況下，土釘頭在土釘中動員張力 的有效性將會降低。

土釘和土釘頭/面向一起作用將活動區域綁定到被動區域。土釘頭和地面之間的 相互作用，特別是軸承機構，在土釘的頭部產生拉伸載荷。土釘頭的拉伸載荷被土釘 加固所吸收。土釘中的拉力隨著土釘頭的大小或面層的覆蓋面增加而增加。

潛在故障表面後面的被動區域包含具有足夠連結長度的土釘的遠端，以防止土 釘被拉出。當活動區域發生地面變形時，被動區域的土釘引起拔出力（圖 3.1）。通過 地面和水泥灌漿套之間以及水泥灌漿套和土釘加固件之間的連結應力動員，拉拔力在 土釘加強筋與地面之間傳遞。在土釘中可以發展的力受到地面和水泥灌漿套之間以及 水泥灌漿套和土釘加固之間的連結應力的限制。

理論上，水泥灌漿套和地面之間的粘合強度取決於水泥灌漿套和地面之間的接 觸應力和界面摩擦係數。鑽孔過程顯著降低了鑽孔周長處的徑向應力。實際上，通常 在香港打擊鑽孔形成的鑽孔面是相當不規則和粗糙的。除了摩擦之外，水泥灌漿套和 地面之間的機械互鎖貢獻了很大一部分的粘結強度。在土釘拔出後，圍繞土釘的有限 區域內可能會發生剪切。如果土壤是膨脹的，土壤膨脹的抑制作用將發揮。這樣做的

24

效果是顯著的，並且可能導致土釘和地面之間的高摩擦。

水泥灌漿套管與土釘之間的連結應力分佈不均勻。圖 3.4 給出了土釘的最大拉力 位置和邊坡的潛在破壞面的示意分佈圖。土釘中的最大張力點接近，但不是必須發生 在最大土剪切應變點，即邊坡的潛在破壞面（FHWA，2003）。

圖 3.4 土 釘 拉 力 分 布 示 意 圖

工程設計人員應考慮土釘子與地面之間在土釘系統設計中的相互作用。由於土 釘 - 地面相互作用受到包括剛度，延展性和強度在內的土釘機械性能的影響，使用鋼 土釘的經驗可能不適用於使用其他類型的鋼筋材料。

25

4. 現場調查暨測試

4.1

土釘系統的現場調查和測試與未加固邊坡的現場調查和測試類似，通常通過（i）

台面研究，（ii）現場偵察，（iii）收集現場數據，包括地面調查和實驗室檢測，以及

（iv）施工期間的後續調查和設計審查。 土力指南 2：現場調查指南（GCO，1987）給 出了現場調查規劃和地面調查執行情況的一般指導。土力指南 3：岩石與土壤指導指南”

（GCO，1988）提供了有關工程用岩石和土壤描述的指導意見。土力規範 3：土壤測試 模型規範（GEO，2001）給出了土壤實驗室測試指導。還應參考“高速公路邊坡手冊”

（GEO，2000a），了解公路邊坡現場調查指導，以及出版號：1/2007：香港工程地質 實踐（GEO，2007a），指導工程地質應當尋求專業的工程地質專業知識。本章對土釘 的可建性和耐久性進行現場調查和試驗的具體指導

4.2

在設計土釘時，設計人員應適當考慮到土釘的可建性，確保設計實用，可建造。

土釘的可建性在很大程度上受地面和地下水條件的限制。 一些地面條件更可能 呈現土釘構造的問題。 例如，如果地質條件包括在基質中具有相對低的淤泥/粘土含 量高滲透的粗材料，並且中等到高的石磚間孔隙度，或有地質結構的出現，這使得能 夠增強流體通流。 以下地質條件容易在土釘安裝期間發生過度的灌漿洩漏之狀況：

(a) 填充，含有很大比例的粗材料，如：圓石、 小石、礫 石和砂,

(b) 較高比例的粗物質的積雪和河床沉積物

(c) 可通過多孔和可滲透材料部分填充的侵蝕管道，

(d) 礦床內、礦藏和礦物材料之間的物質邊界，以及岩心岩 石中，特別是岩心、斷層和剪切帶等邊界，以及其他不 連續性（如水熱交替區等）。

(e) 滑坡疤痕、張力裂縫等與邊坡變形有關的特徵，因為這 些可能包括運輸和內部材料內的空洞

(f) 與邊坡相交的排水管線，其中可能存在沖積物，可能會 形成侵蝕管道，並且也可能發生優選的滲流位置/水平 面所指示的地下水通流。

洩漏的水泥漿可能滲透到地面上的空隙中，並阻止土釘系統附近的地下水。應 收集關於地面和地下水條件的足夠信息，以評估土釘系統的可建性。 該信息還為製定 土釘系統設計的模型提供了基礎。有關製定適當設計模型和設計地下水條件的指導見 第 5.3.3 節。 如果擔心由於土釘造成地下水的堵塞，應在適當的位置安裝壓力計，並進

26

行相當長的時間監測以確定防滲效果。

一般超過 20 米的長土釘釘鑽地層水位較高，局部薄弱地質帶和地層等不利地質 特徵較高，水力傳導性較強的堤壩。這可能導致施工問題，例如沿鑽孔的土壤或岩石 碎屑的塌陷以及大量的泥漿洩漏，且影響土釘的質量。對於建議長距離或密切間隔的 土釘，或地下或地下水條件可能對土釘構造有害的情況，設計人員應考慮對建築性進 行評估，並確定土釘裝置對現有地面的影響，地下水條件。這可能包括進行土釘工程 之前的現場試驗。通過適當定位試驗土釘，現場試驗可以提供有潛在施工問題的信息，

如潛在的過度灌漿洩漏，疏鬆材料易發生洞塌陷和地下水位高等問題。該信息對於評 估土釘工程的可塑性非常重要。它還允許更好的設計工作土釘，並規劃適當的措施來 克服可能的現場問題。試驗詳細信息，包括其位置、潛在問題和應急措施，若試驗土 釘失敗，應納入設計人員的合同要求。

現場拉拔測試可以作為現場試驗的一部分進行，以提供有關拉出阻力的早期信 息。 拔出試驗的細節見 6.3.2 節。如果在地面考察中進行拉拔試驗，則可能會適當減少 施工期間進行的拔出試驗次數。但是，施工階段不能完全取代拔出試驗，後者也是對 施工單位的充分性和部署特定建築工程的勞動技能的考察。

要了解現場地質和水文地質之條件，需以評估土釘的可建性。現場調查工作應 充分詳細說明，確定土釘工程的可建性，並獲取設計資料。它不應局限於要安裝土釘 的地面; 還要研究土釘系統附近的土體質量，這將影響所建議的土釘系統的整體穩定性 和變形。

4.3

4.3.1 總

鋼筋的腐蝕降低了土釘系統的耐久性。不同的地面條件對土釘造成不同程度的 腐蝕潛力。了解現場土壤的侵蝕性是很重要的，以便為土釘提供適當的防腐措施。土 壤的侵蝕性可以在很大範圍內變化，因為土壤組成和性質各異，以及其他環境因素。

鋼土釘之腐蝕速率受土釘土體的物理化學特性的影響。物理特性是控制土壤滲 透通過空氣和水的物理特性。細粒土壤，即淤泥和粘土，比粗顆粒土壤，即砂子和礫 石，其中空氣的循環更大，保水能力更小，可能更具腐蝕性。化學特性是確定土壤作 為局部腐蝕細胞發展的電解質的能力的化學特性。 它們包括鹼度、酸度、氧濃度和溶 解鹽以及有機物和細菌含量。

4.3.2 土壤侵蝕

該地點之土壤若遇到以下狀況，應被視為具侵略性之土壤：

(a) 現場已經或很可能受到舊城市發展（如村屋及寮屋）所 排放出之汙水排放影響、污水處理系統（如化糞池及浸 水坑）、工業設施（如加油站和化工廠），牲畜設施

（如動物農場、屠宰場）或耕地等；

(b) 現場顯示附近水運輸服務（如鹽水、淡水和下水道）等 滲水（滲漏）跡象；

27

(c) 現場鄰近變電站、電氣化軌道系統和電車軌道系統等雜 散電流源。

28

該地點之土壤若遇到以下狀況，應被視為非侵略性之土壤：

(a) 該場地未曾並且不太可能受到發展或水運輸服務的流體 洩漏或排放的影響，例如場地的上坡是純粹的自然地形；

(b) 該場地沒有滲漏跡像或高地下水位，可能會使腐蝕劑遠 離土釘。

或者該地點之土壤若遇到以下狀況，應被視為具有潛力侵略性之土壤。範例如下：

(a) 有潛在受到發展、公路、垃圾掩埋場、污水處理廠、工 廠、水上運輸服務等洩漏或排放流體影響的場；

(b) 顯示不斷滲漏或高地下水位的場址，其來源不明確。

4.3.3 土壤侵蝕性評估

通過實驗室物理和化學測試，現場記錄審查和現場觀察，對土壤侵蝕進行了詳 細的評估。 評估基於 Eyre＆Lewis（1987）開發的標記系統，並根據當地情況進行了修 改。 在該系統中，土壤侵蝕性分為四類，如表 4.1 所示。 分類是根據表 4.2 給出的土壤 侵蝕性評估方案確定的總標記。

表 4.1 土壤侵蝕分類

土壤侵蝕分類 總評分標準

非侵蝕 ≥ 0

輕度侵蝕 - 1 至- 4

侵蝕 - 5 至- 10

高度侵蝕 ≤ - 11

29

表4.2 土壤侵蝕評估方案

屬性 測量值 分數 測試方式

複合式土壤

Fraction passing 63 µm sieve ≤ 10 %

2

Geospec 3 Test Methods 6.1, 8.1, 8.2, 8.5,

8.6 and 9.1 (GEO, 2001) PI of fraction passing 425 µm sieve < 2, and

Organic content < 1.0 %

10 % < Fraction passing 63 µm sieve ≤ 75 %, and Fraction passing 2 µ m sieve ≤ 10 %, and PI of fraction passing 425 µm sieve < 6, and Organic content < 1.0 %

Any grading, and

PI of fraction passing 425 µm sieve < 15, and Organic content < 1.0 %

0

- 2

Any grading, and

PI of fraction passing 425 µm sieve ≥ 15 and Organic content < 1.0 %

- 4

Any grading, and

Organic content ≥ 1.0 % - 4

抵抗力(ohm- cm)

≥ 10,000 0

BS 1377: Part 3:

1990, Test 10.4 (BSI, 1990)

< 10,000 but ≥ 3,000

< 3,000 but ≥ 1,000

< 1,000 but ≥ 100

- 1 - 2 - 3

< 100 - 4

水分含量 ≤ 20%

> 20%

0 - 1

Geospec 3 Test Method 5.2

(GEO, 2001)

地下水位

Above groundwater level and no periodic flow or seepage 1 Local zones with periodic flow or seepage - 1 - At groundwater level or in zones with constant flow or seepage - 4

pH

6 ≤ pH ≤ 9 5 ≤ pH < 6 4 ≤ pH < 5 or 10 ≥ pH > 9

pH < 4 or pH >10

0 - 1 - 2 (See Note 1)

Geospec 3 Test Method 9.5

(GEO, 2001)

可溶性硫酸鹽 (ppm)

≤ 200

> 200 but ≤ 500

> 500 but ≤ 1,000

> 1,000

0 - 1 - 2 - 3

Geospec 3 Test Method 9.3

(GEO, 2001)

地面 None

Exist

0

- 4 -

氯離子

≤ 100

> 100 but ≤ 300

> 300 but ≤ 500

> 500

0 - 1 - 2 - 4

Geospec 3 Test Method 9.4

(GEO, 2001)

備註： (1) 若 pH 值小於 4 或大於 10，不管其他測試項目的結果如何，土壤應分類為侵蝕性的。

(2) 水溶性硫酸鹽為 SO3.

(3) “製造地”是指與高腐蝕速率相關的人造地面非工程填補垃圾和有機物質

30

極酸性或強鹼性之土壤通常導致高的鋼腐蝕速率。 因此，如果發現土壤樣品的 pH 值小於 4 或大於 10，則不考慮其他試驗項目的結果，土壤應分類為“侵蝕性”。

第 5.5 節給出了安裝在不同侵蝕性土壤中的土釘的防腐措施指引。

31

5. 土釘系統設計

5.1

本章提供了使用無預應力鑽孔和灌漿方法安裝的固體高產變形鋼筋形式的土釘 設計指導。 第 5.2 至 5.5,5.10 和 5.11 節的一般指導適用於任何類型的土釘系統。 第 5.6 節至第 5.8 節分別給出了在沒有連續地面變形跡象的土釘邊坡，擋土牆和填充邊坡上承 載臨時載荷的土釘的設計具體指導。 在這種情況下，土釘系統絕大多數時間都不依賴 於土釘。 瞬時負荷的一個例子是由於大量降雨後地下水位高而造成的水力。 關於設計 承載持續載荷的土釘的其他指導方針和其他具體情況，請參見第 5.12 節。

5.2

在施工期間和整個設計壽命期間，都需要一個土釘系統來滿足穩定性，適用性 和耐久性的基本要求。 其他問題，如成本和環境影響也是重要的設計考慮。

(1) 穩定性：應評估土釘系統在整個設計壽命期間的穩定性。 其性能不應超過在 地面或土釘系統中形成故障機制的狀態，或者土釘系統的運動可能導致其結 構元件或附近結構，設施或服務的嚴重損壞。土釘系統的設計應確保對所有 潛在的故障模式都有足夠的安全保障。 關於穩定性設計的指導見 5.3 節。

(2) 服務性：土釘系統的表現不應超過系統運動影響其外觀或有效利用依靠它的 附近建築物，設施或服務的狀態。與土釘系統相關的潛在適用性問題包括過 度的地面變形，以及坡面和排水系統的惡化。有關可用性設計的指導見 5.4 節。

(3) 持久性：應在設計階段對環境條件進行調查，以評估其與土釘的耐久性有關 的意義。 應對土釘進行適當的措施，使其在整個設計壽命期間能夠保持足夠 的土釘系統的安全裕度。鋼土釘系統的耐久性主要由不同土壤侵蝕性下的耐 腐蝕性決定。關於防腐措施設計的指導見 5.5 節。

(4) 經濟考量：土釘系統的施工成本取決於材料成本、施工方法、臨時工作要求、

可建性、防腐要求、土釘佈置、面型等。土釘可建性的一般指導見 第 4.2 節。

(5) 環境考量：土釘系統的建設可能會擾亂地面生態系統，造成施工過程中的滋 擾和污染，對現有環境造成視覺衝擊。應盡量減少對環境的不利影響。例如 成熟的樹木和自然地形應盡可能保持和保護，以維持生態系統。應提供適當 的污染控制措施，如鑽孔時在鑽孔口提供噴水和除塵器，篩選工作平台，並 在敏感接收區域安裝隔音屏障。還應對 5.11 節中討論的適當的美學和景觀處 理進行減小視覺效果。

5.3

5.3.1 總

32

針對不穩定性應設計一種土釘系統。第 5.3.2 節討論了潛在的故障模式。第 5.3.3 節列出了製定地下水模型的建議方法。第 5.3.4 節討論了評估土釘系統穩定性的分析方 法。兩種不同的方法，即基於計算的分析方法和基於經驗的規定性方法，通常用於香 港土釘的設計。基於分析方法的推薦設計程序見 5.6 至 5.8 節。有關規範設計的指導見 5.9 節。

5.3.2 破壞模式

設計人員應進行工程判斷，以確定特定地下和地下水條件下所有潛在的失效方 式，以及土釘系統的類型。至少在圖 5.1 和 5.2 中所示的故障模式應在土釘系統的設計 中考慮。

Potential failure surface

Potential failure surface

Potential failure surface

(a) Overall Stability Failure (b) Sliding Failure (c) Bearing Failure

圖 5.1 土釘系統潛在外部破壞模式

33 (a) Failure of Ground around

Soil Nails

(b) Soil-nail Head Bearing Failure

(c) Local Failure between Soil Nails

(d) Tensile Failure of Soil Nails (e) Pullout Failure at Ground-grout Interface (or Grout-reinforcement Interface)

(f) Bending or Shear Failure of Soil Nails

(g) Structural Failure and Connection Failure of Soil-nail Head

(h) Structural Failure and Connection Failure of Facing

圖 5.2 土釘系統潛在內部破壞模式

34

(1) 外部故障：外部故障是指在土釘固定的地塊之外潛在破壞面的發展。 故障可以是滑動，

旋轉，軸承或其他形式的整體穩定性損失的形式。

(2) 內部故障： 內部故障是指土釘打入的地塊內的失效且內部故障可能發生在活動區域，

被動區域或土釘系統的兩個區域中。

在活動區域中，內部故障模式包括：

(a) 地面質量的破壞，即地面在土釘和土釘頭周圍分解和

“流動”

(b) 土釘頭下方的軸承失效，

(c) 土釘因張力、剪切和彎曲等綜合作影響下而造成結構破 壞

(d) 土釘頭或面部的結構破壞，如彎曲或沖壓剪切破壞，或 在頭部加強或面對加強連接處的失效

(e) 釘頭之間的表面破壞，如沖洗、侵蝕或局部滑動失效 在被動區域，應考慮地面灌漿界面或灌漿加固界面的拉拔失效。

5.3.3 模型

地面條件的異質性使得適當設計模型的製定和設計地下水條件成為一項艱鉅的 任務。在施工期間，對地表和地下水模型進行穩定性評估和設計驗證的地面調查和製 定應有足夠的工程地質意義。模型的開發應因各種條件如下：

(a) 需考慮地下水潛在變化之條件

(b) 確認現場調查需求

(c) 了解地下水之狀況且提供相對應的設計基礎建議

為確保工程地質投入的充分性，應採用“地質”，“地面”和“設計”模式之三步驟。

一個地質模型用於表徵重點放在地質，地貌和水文地質特徵以及與工程項目相關的特 徵的地點。

地面模型建立在地質模型的基礎上，整合了設計中需要考慮的工程參數和地面 條件。它通過定義和表徵具有相似工程性質的地面體來精進地質模型，並確定可能發 生岩土工程變化的邊界。另一方面，設計模式主要關注評估地面對建議作品的反應，

反之亦然，用於岩土工程評估或工程設計。經驗、規範和定量設計的設計模型取決於 工程應用，經驗/規範模型中的保守程度和岩土風險水平。

35

應參考“土力指南”第 1/2007 號之“香港土力工程工法”（GEO，2007a），且進一 步指導建立適合的模型和工程地質投入。若地下水狀況受環境條件變化的影響，如當 硬坡面覆蓋物被植被覆蓋物更換時，需要特別注意設計地下水條件之評估。若有新信 息提示，地面和地下水模型應在整個設計和施工階段進行更新。

5.3.4 穩定性分析方法

各種分析方法可用於評估土釘系統的穩定性。其中大多數是基於切片方法的極 限平衡分析。在選擇極限平衡分析方法時，設計人員應考慮該方法是否滿足所有的均 衡條件。僅考慮力平衡或力矩平衡的方法給出的計算安全因子可能無法得出正確的結 果。 因此只要符合以之方法才能進行相關分析（Shiu et al，2007）。

在特殊情況下，可能需要進行應力應變分析來評估土釘的設計能力或進行地面 變形評估。例如，如果土釘是陡峭的傾斜，可以在土釘中動態的拉力可能遠小於稍傾 斜的土釘。在這種情況下，可以使用有限元或有限差分法進行分析。將這種數值分析 的結果併入邊坡穩定性評估中有不同的方法，例如強度降低方法，以及 Krahn（2003）

採用極限平衡法耦合數值分析的方法。設計人員應選擇最適合所考慮案件具體目的的 方法。

常規土壓理論和力矩平衡考慮的常用計算方法可用於土釘牆擋土牆的穩定性分 析。

5.4

土釘系統的性能應滿足變形的適用性要求，否則可能導致過度的地面沉降、面 臨惡化或破壞表面或地下排水系統。土釘系統的變形由各種因素決定，包括地面剖面、

土體剛度、地下水條件、土釘的佈局、坡面以及施工工法等。 土釘技術一般用於提高 香港土壤邊坡的穩定性。若根據該土力指南設計和構造，這種土釘系統的變形通常較 小，並且通常不需要變形分析。

當土釘系統的過度變形引起關注時，應進行變形分析。例如，對於那些通過陡傾 斜的土釘或者需要承載持續載荷的土釘來加固的邊坡和擋土牆，可能需要進行變形分析

（見第 5.6.3 和 5.12.2 節）。分析應該表明，土釘系統的預期變形在適當考慮到受影響的 結構，設施和服務的適用性要求的範圍之內。使用應力應變有限元或有限差分計算機程 序或其他合適工具的數值模擬可用於分析。關於變形參數選擇的一般指導可以在土力指 南 1：“擋土牆設計說明”（GEO，1993）中取得。

5.5

土釘系統應足夠耐用，以便承受現有和設想的腐蝕性環境的攻擊，且需具穩定性 及適用性。另外，需針對鋼筋提供適當的防腐措施。香港普遍使用的防腐措施可分為 三類：

(a) 一級：Hot-dip galvanising with a minimum zinc coating of 610 g/m² to BS EN ISO 1461: 1999 (BSI, 1999) plus

36

corrugated plastic sheathing in accordance with the General Specification for Civil Engineering Works (CEDD, 2006a), (b) 二級：Hot-dip galvanising with a minimum zinc coating

of 610 g/m² to BS EN ISO 1461: 1999 (BSI, 1999) plus a 2 mm sacrificial thickness on the radius of the steel reinforcement, and

(c) 三級： Hot-dip galvanising with a minimum zinc coating of 610 g/m² to BS EN ISO 1461: 1999 (BSI, 1999).

鋼筋的防腐措施應以土壤侵蝕性以及土釘的裝載狀況和設計壽命為依據。關於 土壤侵蝕性分類的指導見 4.3 節。對於承載瞬時載荷的土釘的推薦防腐措施見表 5.1。

典型的 1 級防腐措施詳見圖 5.3。

要承受持續負荷的土釘需要更嚴格的防腐措施。第 5.12.2 節給出了設計指導。

37

表 5.1 瞬態負載土釘侵蝕保護措施建議

設計壽命 土壤侵蝕性分類

高度侵蝕性 侵蝕性 輕度侵蝕性 非侵蝕性

長達 120 年 一級 二級

長達 2 年 三級

防侵蝕措施：

一級 - Hot-dip galvanising with a minimum zinc coating of 610 g/m² and corrugated plastic sheathing 二級 - Hot-dip galvanising with a minimum zinc coating of 610 g/m² and 2 mm sacrificial thickness on the

radius of the steel reinforcement

三級 - Hot-dip galvanising with a minimum zinc coating of 610 g/m²

備註： (1) 對於沒有土壤侵蝕性評估的“潛在侵略性”場所，應提供設計壽命超過 2 年的土釘的一級

防腐措施。

(2) 對於設計壽命長達 2 年的土釘子，無需進行土壤侵蝕性評估。

Typical Section

Section A - A

圖 5.3 第一類侵蝕防護措施之典型細節

38

其他類型的防腐措施可以在適當考慮以下因素的情況下使用，表 5.1 中推薦的防 腐措施提供比較好的或更好的防腐強化保護措施。

(a) 措施需具可靠性和長期之績效 (b) 灌漿穩固介面對粘結強度之影響 (c) 經費

(d) 市場取得性 (e) 現場品質掌控

5.6

5.6.1 總

用於加強新土地和現有邊坡的土釘可以分析設計。應建立適當的地下水模型，並 通過 5.3.3 節中討論的詳細現場調查獲得設計參數。第 5.6.2 至 5.6.5 節描述土釘加固、土 釘頭和坡面等安全和設計程序之建議要素。

設計地下水條件和基礎荷載應遵循“土力坡度之說明”（GCO，1984）中提出的 建議。 關於附加費的指導應遵循圖例說明 1：擋土牆設計說明（GEO，1993）之擋土 牆施工方法，同時也適用於土釘削坡邊坡的設計。

5.6.2 安全因素

土釘系統的可靠性不僅取決於計算的安全係數，還取決於分析方法，地下水和 地下水模型的不確定性，假定的岩土參數的代表性和施工品質。應該指出，安全因素 無法克服嚴重錯誤和未遵守的規範。

沿著潛在的破壞面，必要的安全性，防止邊坡的破壞，取決於破壞的後果。 應 考慮到兩種類型的後果，即“生命的後果”和“經濟後果”。這兩個後果分類中不同類別的 邊坡破壞案例分別在表 5.2 和 5.3 中給出。對於潛在的破壞面，推薦的安全性最小係數 因素是根據“岩土工程手冊”（GCO，1984）提供的非加固邊坡。相關標準請參閱表 5.4 和 5.5。

39

表 5.2 坡面破壞典型範例 (生命後果類別)

範例 生命後果類別

分類一 分類二 分類三

(1) 影 響 居 住 建 築 之 破 壞 情 況

（ 如 民 宅 、 學 校 、 企 業 大 樓 、 工 業 大 樓 、 公 車 站 、 地 鐵 月 台 等 ）

/ (2) 儲 藏 危 險 物 品 建 築 之 破 壞 情

況 /

(3) 空 地 和 娛 樂 場 所 破 壞 情 況 之

(如休憩區、 遊樂場、 停車場等). /

(4) 交 通 繁 忙 區 之 破 壞 情 況 / (5) 公 共 等 候 區 之 破 壞 情 況 (如公

車站、 加 油 站 等 ) /

(6) 郊 區 之 破 壞 情 況 /

(7) 交 通 繁 忙 區 之 破 壞 情 況 /

(8) 儲 藏 非 危 險 物 品 建 築 之 破 壞

情 況 /

表 5.3 坡面破壞典型範例(經濟後果類別)

範例 經濟後果類別

分類 A 分類 B 分類 C

(1) 影 響 建 築 之 破 壞 情 況 _/ (2) 影 響 基 本 服 務 切 造 成 長 期 損 失 之 破

壞 情 況

/

(3) 農 村 或 城 市 道 路 之 破 壞 情 況 _/ (4) 影 響 基 本 服 務 切 造 成 短 期 損 失 之 破

壞 情 況 ^/

(5) 影 響 農 村 ( A ) 主 要 分 岔 路 _/

(6) 影 響 露 天 停 車 場 之 破 壞 情 況 ^/ (7) 影 響 農 村 ( B ) 主 要 區 域 分 岔 路

/

(8) 影 響 國 家 公 園 之 破 壞 情 況 ^/

40 表 5.4 因應十年降雨量回歸期土釘削坡破壞建議之最小安全係數

生命後果類別

經濟後果類別 分類一 分類二 分類三

分類 A 1.4 1.4 1.4

分類 B 1.4 1.2 1.2

分類 C 1.4 1.2 > 1.0

備註:

(1) 除了最低安全係數 1.4 的十年回歸期降雨量外，還有一個邊坡對於預測最差的地下水條件，生命後果

類別 1 應具有至少 1.1 的安全係數。

(2) 本表中給出的安全因素是推薦的最小值。 在特殊情況下，在生命損失和經濟損失方面，可能需要更高 的安全因素。

表 5.5 因應十年降雨量回歸期既有土釘削坡提升破壞建議之最小安全係數

生命後果類別 分類一 分類二 分類三

最低安全係數 1.2 1.1 > 1.0

備註:

(1) 這些安全因素只適用於嚴格的地質和岩土研究 已經進行了（其中應包括對維護歷史、地下水記錄、降 雨記錄和任何監測記錄的全面檢查），邊坡已經站立了相當長的一段時間，以及裝載條件、地下水位 和基礎 修改斜率的形式與現有斜率基本相同。 否則，應採用表 5.4 中規定的新邊坡標準。

(2) 本表中給出的安全因素是推薦的最小值。在特殊情況下，在生命損失和經濟損失方面，可能需要更高 的安全因素。

推薦最低安全係數是針對土釘內部失效的三種模式，即（i）土釘強化的拉伸失效，

（ii）土壤 - 灌漿界面的拉拔失效，以及（iii）拔除失效 灌漿加固界面見表 5.6。 這與邊 坡的失效後果無關。

表 5.6 內部土釘破壞之最小安全係數

內部破壞模式 最低安全係數

土釘加固伸縮損壞 FT = 1.5

土壤灌漿移除失效

F_SG = 1.5 ^{(Note 1)} F_SG = 2.0 ^{(Note 2)}

灌漿穩固移除失效 FGR = 2.0

備註：

（1）承載瞬時載荷的土釘，並結合在風化花崗岩或火山岩中。

（2）承載持續負荷的土釘或承載瞬時載荷的土釘，並在除風化花崗岩或火山岩之外的土壤中粘結。

41 T

v

5.6.3 土釘鋼筋

(1) 總：土釘的尺寸、長度、間距和傾斜度應設計成為加固土體提供所需 的穩定力。

(2) 土釘容量：鑽孔和泥漿土釘的能力由土釘加固的拉伸能力、土釘的尺寸，

即周長和長度，土壤 - 灌漿界面可以起動的粘結應力決定並且在灌漿加強界面處，以 及可以由土釘頭或面部提供的阻力。土釘加固件和水泥漿料之間的粘合強度取決於水 泥漿料與土釘加固件表面的突起和凹陷之間的機械互鎖。這又受到粘合、摩擦和軸承 等綜合影響。若使用具有橫向肋骨的高屈服變形鋼筋作為土釘加固，肋骨和水泥漿料 之間的承載應力有助於大部分的粘結。水泥漿與土壤之間的粘結強度主要取決於水泥 漿與土壤之間的接觸應力和界面摩擦係數。

The allowable tensile capacity, TT, of a soil nail is given by:

T  f

A'

...(5.1)

F

where fy = characteristic yield strength of the soil-nail reinforcement

A'

F

因張力、剪切和彎曲等組合作用，我們無須檢查土釘能力之減少程度。因為輕微 的土釘，由於以上聯合作用而導致的土釘能力的降低是微不足道的。另外，由於鋼筋 的韌性和土釘削坡坡度的高度冗餘，在土釘產生時，額外的載荷可以重新分配到其他 土釘。 但若土釘發生傾斜傾向，土釘在動力拉伸作用下的效果也將顯著降低。在此情 況下，土釘能力應在張力、剪力和彎曲等綜合作用下進行評估。

The allowable pullout resistance provided by the soil-grout bond length in the passive zone, TSG, can be determined using the effective stress method:

T

c' P

L 2D



L

F

...(5.2)

where c' = effective cohesion of the soil

P

L

D

42

' = vertical effective stress in the soil calculated at mid-depth of the soil-nail reinforcement in the passive zone, with a maximum value of 300 kPa

µ

F

應 注 意 有 效 應 力 方 法 是 有 局 限 性 ， 且 通 過 該 方 法 評 估 的 鑽 孔 和 泥 漿 土 釘 的 拉 拔 阻 力 僅 僅 是 基 於 簡 化 假 設 的 估 計 。 有 效 應 力 方 法 不 包 括 土 體 拱 起 ， 土 壤 膨 脹 、 土 壤 吸 力 、 鑽 孔 表 面 粗 糙 、 斷 裂 等 因 素 。 經 驗 證 明 ， 該 方 法 與 建 議 安 全 係 數 F S G 一 起 使 用 為 香 港 經 常 遇 到 的 地 面 和 地 下 水 條 件 提 供 了 一 個 足 夠 安 全 的 設 計 方 案 。 作 為 防 止 由 於 土 壤 膨 脹 ， 鑽 孔 不 規 則 等 引 起 的 抵 抗 力 的 積 極 貢 獻 低 於 在 高 覆 蓋 層 壓 力 的 情 況 下 由 於 土 體 拱 起 而 產 生 的 負 面 影 響 的 可 能 性 的 建 議 ， 建 議 限 制 最 大 覆 蓋 層 使 用 有 效 應 力 法 估 計 拔 出 阻 力 時 的 壓 力 為 3 0 0 k P a 。

其他方法可以估計土釘的拉拔阻力，如與 SPT-N 值或壓力計測試結果的經驗相 關性，以及通過站點特異性拔出試驗進行驗證。 這些方法的優點和局限性由 Pun＆Shiu

（2007）描述。 設計人員可以考慮使用這些方法來建立現場特定的經驗相關性或設計 參數，同時適當考慮到現場數據的充分性和質量，測試結果的代表性，任何經驗相關 性的可靠性和所需的安全裕度。

被動區域岩漿粘結長度提供的容許拉拔阻力取決於強度，接合和裂縫程度以及岩 體不連續傾角。 在沒有詳細調查的情況下，如果將土釘插入 PW90 / 100 或更好的岩石 區域的部分風化岩體中，則可以使用 0.35MPa 的岩漿粘結強度的假定值來確定拉拔能力。

如果設計人員可以通過詳細的地面調查，測試和分析來證明設計粘合強度的價值，則 可以考慮更高的價值。 推薦最小岩石插座長度為 2 米，以適應沿土壤 - 岩石界面的過渡 帶中岩體強度和性質的變化。

The allowable pullout resistance provided by the grout-reinforcement bond length in the passive zone, TGR, is given by:



T

f

P

L

...(5.3)

F

where β = coefficient of friction at the grout-reinforcement interface, which depends on the bar type characteristic in accordance with BS 8110 (BSI, 1997), e.g., 0.5 for high yield deformed steel bars

f

P

43

L = bond length of the soil-nail reinforcement in the passive zone

F

(3) 直徑：直徑 25 毫米、 32 毫米和 40 毫米的高產率變形鋼筋在香港常用於土 釘加固。 使用小直徑的棒應謹慎使用，特別是在長釘的情況下，因為它們在安裝過程 中往往會過度彎曲。

(4) 長度：通常使用長 20 米以上的長釘，謹慎使用。 應適當考慮到土釘的可建 性（詳見第 4.2 節），以確保設計是可建造的，並且土釘的質量不會受到不適當的影響。

長土釘也需要比短土釘更大的動作，調動土釘的全部能力。 這可能導致實質的 地面變形，特別是在地面鬆散的材料或土釘上的地面質量由於與鑽井困難相關的干擾 而減弱的情況下。

(5) 間距：廣泛間隔的土釘可能無法有效地確保土釘和地面作為一個整體，並防 止土釘之間的局部不穩定。 相反，太靠近的土釘可能不具有成本效益，可能難以正確 安裝。 在香港，土釘通常安裝在 1.5 米至 2.0 米的間距。 水平排的土釘應該交錯，以改 善土釘和地面之間的整體作用。一些方法可用於增強土釘 - 地面相互作用和土釘之間的 局部穩定性。 例如，可以通過提供適當的土釘頭和面部來增強土釘 - 地面相互作用，

並且可以通過在工作的土釘之間安裝中間短長的土釘來改善土釘之間的局部穩定性。

(6) 傾角：若將它們安裝在相應的最佳土釘取向上，即與土壤的最大拉伸應變方 向對齊，則土釘的有效性將最大化。 這將導致不同的土釘傾角，這是土釘與水平面的 角度。 然而，由於實際的原因，土釘通常以均勻的傾角安裝。

土釘通常向下傾斜，為 5º至 20º，以便於在重力或低壓下進行適當的灌漿。 小的 向下傾斜也可以最大限度地增強土釘在加筋土體中的平均抗拉強度。 然而，隨著土釘 傾斜度的增加，土釘的平均增強效果將顯著降低。 如果需要將土釘傾斜度傾斜以適應 物理限制，則應考慮到土釘的有效性和動員設計土釘力所需的坡度變形量。 通過有限 元法或有限差分法進行應力應變分析（詳見第 5.3.4 節）可用於研究土釘的作用及其在 張力，剪切和彎曲聯合作用下的有效性。 應參考第 3.4 節關於土釘傾斜對釘相互作用機 理的影響。

44

5.6.4 土釘

土釘頭應設計為提供足夠的安全距離，以防止土釘頭下方的土體的承載能力下 降和頭部結構失效。表 5.7 中給出了傾斜角度大於 45º的削坡邊坡的孤立土釘頭的推薦 尺寸。或可使用英國運輸部（DOT，1994）推薦的方法設計土釘頭的尺寸，如圖 5.4 所 示。

土釘頭之典型加固細節如圖 5.5 所示。或者，土釘頭的結構設計及其與鋼筋的連 接應遵循相關結構設計規範中的建議。在土釘頭下方施加的土壤壓力可以假定為均勻 的。

表 5.7 單一土釘頭之建議尺寸

Soil Shear Strength Parameter near the

Slope Surface

45Slope Angle < 55 55Slope Angle < 65 Slope Angle 65

Diameter of Soil-nail Reinforcement (mm)

Diameter of Soil-nail Reinforcement (mm)

Diameter of Soil-nail Reinforcement (mm)

' c' (kPa) 25 32 40 25 32 40 25 32 40

2 800 800 800 600 600 800 600 600 800

4 600 800 800 600 600 800 600 600 800

34 6 600 800 800 400 600 800 400 600 600

8 600 600 800 400 600 800 400 600 600

10 400 600 800 400 600 600 400 600 600

2 600 800 800 600 600 800 600 600 800

4 600 800 800 400 600 800 400 600 800

36 6 600 600 800 400 600 800 400 600 600

8 400 600 800 400 600 600 400 600 600

10 400 600 800 400 600 600 400 400 600

2 600 800 800 400 600 800 600 600 600

4 600 600 800 400 600 800 400 600 600

38 6 400 600 800 400 600 600 400 600 600

8 400 600 800 400 600 600 400 400 600

10 400 600 800 400 400 600 400 400 600

2 600 600 800 400 600 800 600 600 600

4 400 600 800 400 600 600 400 400 600

40 6 400 600 800 400 600 600 400 400 600

8 400 600 600 400 400 600 400 400 600

10 400 600 600 400 400 600 400 400 600

備註 : (1) 除非另有說明，尺寸為毫米。

(2) 只有方形土釘頭的寬度如表所示。

(3) 土釘頭的最小厚度應為 250 毫米。

(4) .本表基於“土力指南”第 175 號報告書的研究結果（Shiu＆Chang，2005）。

45



3   

Overburden pressure

Where :

T 1 3

w η



π '

 αs tan '

s η γ 1  ru tan βs e ^{4 2} 

T 2 cosπ ' 1  sin' 

 

4 2 

s

Legend:

w Size of square soil-nail head (m) T Design load of soil nail (kN)

 Unit weight of soil (kN/m³)

s Inclination of soil nail (radians)

s Slope angle (radians)

ru Pore pressure parameter (= u / h) u Pore water pressure (kPa)

h Depth of overburden directly above point in question (m)

' Angle of shearing resistance of soil under effective stress condition (radians)

Note: Method after the UK Department of Transport (DOT, 1994).

圖 5.4 英國交通部推薦之土釘頭設計方式

Soil-nail Head Size Reinforcement 400 x 400 x 250 3T16U-Bars both ways 600 x 600 x 250 3T16U-Bars both ways 800 x 800 x 250 4T16U-Bars both ways

Notes: (1) All dimensions are in millimetres.

(2) The clearance between the steel bar and the hole of the galvanised mild steel plate should not be more than 2 mm.

(3) Construction requirements of a soil-nail head should be referred to the General Specification for Civil Engineering Works (CEDD, 2006a).

圖 5.5 土釘頭加強之典型細節

46

土釘頭移動土釘的拉伸力的有效性可能會隨著傾斜角度的減小而減小（見第 3.4 節）。 設計人員應適當考慮，以確保土釘頭與地面之間有效的相互作用，以適應平緩 的邊坡，如天然邊坡的情況。 可以採用如圖 5.6 所示的典型細節，以緩緩傾斜，以提高 頭部的效能。 土釘頭的尺寸可以根據圖 5.4 確定。

除了拉伸力的動員之外，釘頭的副作用是提高土釘之間的局部穩定性。 5.6.5 節 給出了關於防止邊坡局部不穩定性的進一步指導。

圖 5.6 適用於緩坡之土釘頭典型細節

5.6.5 坡面

坡面主要用於為邊坡提供表面保護，並儘量減少地表水對坡面的侵蝕和其他不利 影響。 它可能是柔軟，靈活，硬或三者的組合。面向柔軟的坡面是非結構性的，而柔 性或硬的邊坡可以是結構的或非結構的。靈活的結構面可以通過在土釘頭之間分配負 載來為土釘系統的表面提供穩定性。這些面層允許一定程度的地面變形。硬結構面的 功能與柔性結構面的功能相似，但具有較小的地面變形餘量。柔性和堅硬的結構面提 供了土釘之間的結構連接，其促進了被釘入的削坡坡度的整體作用，並增強了坡面的 局部穩定性。