暴雨前後不飽和土壤邊坡工程行為之研究(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

暴雨前後不飽和土壤邊坡工程行為之研究(III)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-011-009-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學營建工程系

計畫主持人： 林宏達

計畫參與人員： 拱祥生、楊善任

報告類型： 精簡報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 11 月 1 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ ※

※ 暴雨前後不飽和土壤邊坡工程行為之研究（III） ※

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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 94-2211-E-011-009

執行期間： 94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

計畫主持人：林宏達教授

主要研究人員：拱祥生、楊善任

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

執行單位：國立台灣科技大學營建工程系

中 華 民 國 95 年 7 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

暴雨前後不飽和土壤邊坡工程行為之研究（III）

Engineering Behavior of Unsaturated Soil Slope Before and After Heavy Rainfall （III）

計畫編號：NSC 94-2211-E-011-009 執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

主持人：林宏達教授 國立台灣科技大學營建工程系 主要研究人員：拱祥生、楊善任

一、中文摘要

若干文獻研究及實際案例顯示，部分 自然邊坡及大部分的人造邊坡，長期處於 不飽和狀態，應用目前國際間發展漸趨成 熟之不飽和土壤力學理論，應可較為合理 詮釋該類邊坡之行為。所以不飽和土壤基 本力學性質與邊坡工程行為，是很值得研 究的課題。本研究主要研究目標是進行一 系列考慮土壤基質吸力的不飽和土壤邊坡 基本力學性質試驗，以探討降雨入滲對於 不飽和土壤邊坡穩定機制之影響。並據此 建立考慮降雨入滲之邊坡穩定分析模式。

然後應用此模式進行案例分析和暴雨前後 不飽和土壤邊坡工程行為之探討。本計劃 是三年研究計劃（92-94 年度）中的第三 年，研究重點是建立夯實土完整土壤水分 特性曲線、不飽和人造土壤邊坡簡化分析 法及不飽和土壤邊坡之初步監測結果分 析。

關鍵詞：邊坡穩定、不飽和土壤、土壤水 分特性曲線、基質吸力、雨水入滲

Abstract

Previous studies show that natural and man-made slopes are usually unsaturated.

The behavior of the unsaturated soil slope can be better understood by applying the theory of the unsaturated soil mechanics.

Therefore, the mechanical property and engineering behavior of the unsaturated soil slope warrant further studies. The main goal of this research is to conduct a series of laboratory and in-situ tests to determine the

effects of rainfall infiltration on the stress dependent soil-water characteristic curve and the shear strength parameters of the unsaturated soils. Subsequently, a rational analytical model that can consider the effects of rainfall infiltration is to be developed for the unsaturated soil slope stability problem.

Finally, case studies will be performed to verify the developed model and to provide insights for the stability design of such soil s l ope s . Thi s yea r ’ s pr oj e c t i s t he third of a three-year project (2003~2006). The main tasks are to build up complete soil water characteristic curves of compacted soils, to develop simplified analyses of unsaturated man-made soil slope, and to perform the preliminary monitoring of the unsaturated soil slope.

Keywords：Slope Stability, Unsaturated Soils, Soil-Water Characteristic Curve, Matric Suction, Rainfall Infiltration

二、緣由與目的

台灣地區因先天條件限制，大型坡地

開發計劃日益增多，同時這些已開發的山

坡地，常因大雨或颱風來襲後，發生坡地

災害，因此降雨引致邊坡穩定性問題之探

討，實為山坡地災害防治的重要課題。國

內以往對於土壤力學特性及邊坡破壞機制

的研究，皆採用傳統飽和土壤力學之理

論，進行邊坡穩定評估及分析，而對不飽

和土壤邊坡之穩定分析則較少。然而許多

自然邊坡長時間位在地下水位以上，例如

林口紅土台地；人造邊坡如路堤、加勁擋

土牆及採用一般擋土牆的回填土坡等。這 些處於地下水位之上的不飽和土壤邊坡，

存在著不論試驗室或現地皆不易量測的負 值孔隙水壓，這類土坡之破壞面有可能通 過不飽和土壤。因此，本研究藉由對於不 飽和土壤的力學行為的瞭解與不飽和土壤 邊坡穩定分析模式的建立，掌握不飽和土 壤邊坡之力學機制，作為該類邊坡坍方的 防治與國土保育工作後續研究之參考。

本研究計劃亦為本系大地防災研究的 重點發展計劃之一，已獲得學校與系上經 費之支持購買主要之研究設備及現地監測 儀器，將分多年度進行一系列的相關研 究。本計畫主持人預計將以三年的時間，

根據土壤基質吸力對不飽和土壤邊坡力學 性質之影響，針對暴雨前後不飽和土壤邊 坡的工程行為進行研究。整個研究最大的 特點，將以實際邊坡的現地應力路徑之觀 念探討降雨前後邊坡的工程行為。本計劃 是三年研究計劃（92-94 年度）中的第三 年，研究重點是進行夯實不飽和土壤室內 力學性質試驗及邊坡穩定監測（94 年度），

研究成果除了可提昇工程界對此問題的瞭 解外，對於後續的研究也可奠定良好的基 礎。

三、結果與討論

本研究於前兩年度已成功發展出不飽 和土壤基本力學性質試驗技術及分析模 式，本年度將原來天然邊坡的研究，延伸 至人工邊坡。因為人工邊坡大都以夯實土 組成，而夯實土即為典型的不飽和土壤，

但傳統之分析並未將基質吸力之影響與夯 實土之工程行為建立合理詮釋之關係，因 此本年度將重點放在不飽和夯實土壤力學 性質之研究。

本年度已完成之研究成果包括林口夯 實紅土之土壤水分特性曲線試驗、完整夯 實土壤水分特性曲線推估、不飽和人造土 壤邊坡簡化分析法及不飽和土壤邊坡初步 監測結果。茲就研究成果簡述如下：

3.1 不飽和土壤力學之基質吸力

國際間到目前為止，較為被接受的理 論 為 Fredlund （ 1978 ） 所 提 出 的 廣 義 Mohr-Coulomb 破壞準則。Fredlund 以多相

連體力學之觀點，導入第四相（氣水界面）

之觀念，並考慮基質吸力之影響後，提出 部份飽和土壤單元體可用三個應力狀態參 數 

,

 中之任兩個變數之組合來定 義其應力狀態。其中 



 定義為基質 吸力，瞭解基質吸力便能掌握不飽和土壤 的行為。本研究下述之室內與現地試驗及 分析模式均考慮了基質吸力對不飽和土壤 邊坡力學性質之影響。

有關不飽和土壤基本理論及室內試驗 之介紹，可參閱筆者在地工技術第 83 期發 表之文章，題目是「不飽和土壤力學性質 試驗及其在邊坡工程之應用」 ，此文針對土 壤基質吸力的量測方法、土壤水份特性曲 線及不飽和土壤三軸試驗，有詳盡之介 紹。並就不飽和土壤力學在邊坡工程上之 應用與展望做一簡要介紹。可供產、官、

學、研各界欲從事相關研究的參考。

3.2 林口紅土水分特性曲線試驗

本研究於監測的邊坡，進行土壤鑽探 取樣工作，並取回試驗室進行土壤水份特 性曲線試驗。本研究第二年度（93）的研 究重點是原狀土的土壤水分特性曲線試 驗。本年度（94）為探討夯實狀態對夯實 紅土之土壤水份特性曲線之影響，故擬進 行不同夯實能量之夯實試驗。以不同夯實 能量及含水量之夯實試體進行土壤水份特 性曲線試驗，再根據試驗結果探討夯實土 壤之吸力行為，並佐以微觀試驗，以瞭解 土壤在夯實行為下之土壤組構。由於不同 之土壤水份特性曲線試驗方法，適用的基 質吸力範圍並不相同，為瞭解不同方法之 適用性，本研究分別採用壓力鍋試驗、鹽 溶液試驗及濾紙法試驗進行試驗，茲就結 果分述如下。

3.2.1 土壤微觀試驗結果

微觀試驗之目的在於了解土壤物理性

質與力學性質背後所隱含之物理特性。本

研 究 將 使 用 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 與

X-Ray 繞射儀(XRD)，對夯實土讓之組構進

行微觀觀察及瞭解其礦物之組成成分，以

比較原狀與夯實土壤除了在水份特性曲線

上之差異外，其在微觀結構上，夯實土壤

有何特性與不同。

(1)SEM 試驗結果分析

研究發現乾側試體之夯實紅土結構在 低倍率及高倍率下均呈現土團構造。在高 倍率下(圖 1)，可看出各小土團間存在縫隙 且同ㄧ小土團間之黏土薄片約略成平行之 構造，但不同之小土團則彼此隨意排列。

無論夯實能量高低乾側試體均呈現土團構 造，但夯實能量越高則土團彼此間排列的 更緊密，小土團間之孔隙也隨著夯實能量 之增加而變小。

隨著含水量之增加，OMC 試體之土壤 結構已無明顯之土團構造特徵，且夯實能 量越高土壤結構越趨向整體性，土壤顆粒 也比夯實能量低的排列得更緊密。但在低 倍率下，無論夯實能量的高低，夯實紅土 結構雖呈現不明顯之土團構造，但有傾向 於整體性構造之趨勢，且土團間之孔隙也 沒有乾側試體來得明顯。

濕側試體在低倍率下，夯實紅土結構 呈現整體性構造，且夯實能量越高顆粒排 列越緊密，整體性構造亦越明顯，孔隙亦 顯得模糊難辨。在高倍率下雖可看見孔 隙，但土壤結構則已完全呈現由團粒所構 成之整體性構造。

综合上述對夯實紅土之微觀結構觀 察，與前人研究夯實純質黏土、夯實紅土 之微觀結構特徵結果相近。夯實紅土之微 觀結構主要分為兩類，乾側之土壤結構屬 於土團構造，最佳含水量及濕側土壤結構 則屬於整體性構造。隨著夯實能量之增 加，土壤顆粒排列得更緊密，但並不會影 響其構造特徵，因為夯實土壤之微觀土粒 結構特徵是隨著含水量變化而改變。

圖 1 標準夯實能量下乾側夯實試體放大 500 倍

(2) X-Ray 繞射試驗分析

本研究利用 X-ray 繞射分析黏土礦物 之種類，由於各種化合物有其相對應之結 晶格與繞射角，因此可藉由不同的繞射角 來評估土體中所含之化合物。分析時，將 X-ray 繞射儀所記錄之繞射束強度與繞射 角之關係繪成圖，從繞射圖中波峰所對應 之繞射角求出其波峰之晶格 d 的距離，再 與各種礦物種類所對應之 d-spacing 比對查 出其礦物成份。本試驗土樣為五組，試驗 結果如圖 2 所示，由圖中可知本土樣之礦 物成份為伊利土、石英、高嶺土及綠泥石 等，而在尖峰不明顯的地方也有其他黏土 礦物或非黏土礦物存在，但其含量相當 少。其中以伊利土(Illite)含量為最多，含量 範圍在 45％至 60％，其次為石英(Quartz) 含量範圍在 29％至 40％、高嶺土(Kaolinite) 為 3％至 7％及綠泥石(Chlorite) 為 2％至 5

％。

10 20 30 40 50 60 70

2degree

0 100 0 200 0 300 0 400 0 500 0

Intensity

圖 2 本研究土樣之 X-Ray 繞射圖 3.2.2 土壤水份特性曲線試驗結果

（1）壓力平板試驗結果

一般國內使用壓力平板試驗，其最大 壓力值較少超過 800kPa，而本研究所施加 之最大壓力值為 1400 kPa，其目的為瞭解 夯實土壤在高吸力下之行為，試驗結果如 圖 3 所示，茲就結果探討如下：

（1）無論夯實能量之高低，在相同的

吸力作用下其乾側夯實試體之體積含水量

均較 OMC 及濕側夯實試體為高，但其保水

能力較差，因在基質吸力 10kPa 後，其體

積含水量降低之情形較 OMC 及濕側大。

（2）高夯實能量之體積含水比雖較低 夯 實 能 量 之 夯 實 試 體 低 ( 在 基 質 吸 力 為 0.1kPa 時，修正夯實能量之體積含水比為 62.86％、標準夯實能量之體積含水比為 70.62％、縮減夯實能量之體積含水比為 72.37％)，但在基質吸力為 200kPa 以上 時，修正夯實能量之夯實試體其體積含水 比由 38.57％降至 32.15％、標準夯實能量 之體積含水比由 38.21％降至 31.77％、縮 減夯實能量之體積含水比由 53.5％降至 32.07％，因此夯實能量低之夯實試體雖然 吸水能力較佳，但在基質吸力漸增時，因 無法再抵抗所施加之吸力而保持水份(保 水能力較差)。

（3）因乾側之夯實試體其土壤結構為 土團構造，且低夯實能量之乾側夯實試體 其土壤顆粒排列程度並沒有夯實能量高之 乾側夯實試體來的緊密，且土團間存在著 縫隙，所以低夯實能量之乾側夯實試體其 吸水能力會較夯實能量高之乾側夯實試體 大，但其保水能力之差異也較明顯。

（4）濕側夯實試體在基質吸力於 1kPa 至 40kPa 之間時，在相同的基質吸力作用 下，其體積含水量會隨著夯實能量之增加 而增加，但在基質吸力為 100kPa 之後，可 發現夯實能量之高低對保水能力並無顯著 之影響。

（5）無論夯實能量之高低，在相同之 夯實能量作用下，其乾側試體之體積含水 量均較 OMC 及濕側試體為高，但在 100kPa 之後，濕側夯實試體之體積含水量有明顯 的下降趨勢。所以可知夯實能量對乾側、

OMC 及濕側之體積含水比、保水能力並無 顯著之影響。在相同的基質吸力作用下，

乾側夯實試體並不會因為夯實能量高，其 體積含水比就比 OMC 或濕側夯實試體來 得低，也不會因夯實能量低而其體積含水 比就比 OMC 或濕側夯實試體來得高，因從 夯實土壤之微觀組構可知影響夯實試體之 體積含水量及保水能力的是夯實試體之含 水量狀態(乾側、OMC 及濕側)，並不是夯 實能量。

（2）鹽溶液試驗結果

本研究以不同莫耳濃度之鹽溶液所產 生不同之蒸氣壓，在真空乾燥器中使試體 為達壓力平衡進而造成含水量下降，鹽溶

圖 3 壓力平板試驗結果 液莫耳濃度分別為 1 莫耳及 1.5 莫耳，每 個濃度分別放置兩組試體以供比較，其實 驗數據如表 1 及表 2 所示，其結果如下：

a.因土壤之吸力與鹽溶液中之相對濕 度大小有關，由試驗結果可發現，當鹽溶 液莫爾濃度越高時，其相對濕度越低，所 以在密閉玻璃盆中所產生之蒸氣壓也相對 地減小，而土壤試體在密閉之環境中，為 了與蒸氣壓之壓力達成平衡，因此含水量 會減少，故基質吸力會隨著鹽溶液莫爾濃 度之增加而變大。

b.因壓力平板試驗僅能量測到土壤之 基質吸力為 1500kPa，且在利用 Fredlund 等人(1994)所提出之迴歸公式推求完整之 土壤水份特性曲線時，需有完整之土壤水 份特性曲線及較高(1500kPa 以上)之基質 吸力值，故使用鹽溶液試驗來求得較高之 土壤基質吸力。

（3）濾紙法試驗結果

根據第二年度的研究成果顯示，濾紙

法的量測範圍則較壓力鍋試驗為大，壓力

鍋對於低基質吸力部分可量測較多的數

據。因此，可利用壓力鍋試驗進行低吸力

範圍的水分特性曲線試驗，較高吸力範圍

則採濾紙法施作，以獲得完整之土壤水分

特性曲線。以標準夯實能量最佳含水量之

水分特性曲線試驗結果顯示（圖 4） ，可以

在控制的高基質吸力範圍下，利用濾紙法

將水分特性曲線做至約 20,000kPa 之範圍。

表 1 鹽溶液試驗數據--莫爾濃度為 1 莫爾 夯實

能量

試體 含水量

(％)

溫度 (℃)

相對濕 度(％)

基質 吸力 (KPa)

含水 量(％)

體積 含水 比(％) 乾側

(15％) 20.6 98.23 2422 15.17 28.69 OMC

(23.34％) 20.6 98.23 2422 17.63 28.81 標準

濕側

(32％) 20.6 98.23 2422 17.89 25.60 乾側

(15％) 20.6 98.23 2422 14.69 27.79 OMC

(20.09％) 20.6 98.23 2422 16.79 28.97 修正

濕側

(32％) 20.6 98.23 2422 16.94 24.24 乾側

(15％) 20.6 98.23 2422 15.32 28.97 OMC

(26.33％) 20.6 98.23 2422 16.62 25.88 縮減

濕側

(32％) 20.6 98.23 2422 16.55 23.68

表 2 鹽溶液試驗數據--莫爾濃度為 1.5 莫爾 夯實

能量

試體 含水量

(％)

溫度 (℃)

相對濕 度(％)

基質 吸力 (KPa)

含水 量(％)

體積 含水 比(％) 乾側

(15％) 19.4 97.37 3600 14.29 27.02 O.M.C

(23.34％) 19.4 97.37 3600 14.48 27.39 標準

濕側

(32％) 19.4 97.37 3600 12.89 24.38 乾側

(15％) 19.4 97.37 3600 14.06 26.59 O.M.C

(20.09％) 19.4 97.37 3600 14.59 27.6 修正

濕側

(32％) 19.4 97.37 3600 11.40 21.57 乾側

(15％) 19.4 97.37 3600 15.04 28.45 O.M.C

(26.33％) 19.4 97.37 3600 13.55 25.62 縮減

濕側

(32％) 19.4 97.37 3600 12.12 22.92

0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Matric Suction (KPa) 10

15 20 25 30 35 40 45 50

VolumetricWaterContent(%)

圖 4 濾紙法試驗結果-標準夯實能量(最佳 含水量)

3.3 完整土壤水份特性曲線

完整之土壤水份特性曲線應包含邊界 效應階段、轉移階段及不飽和殘餘階段。

然而室內之試驗因為儀器上先天之限制，

僅能量測轉移階段之土壤基質吸力與含水 量之關係，並無法預知不飽和殘餘階段土 壤水份特性曲線。

Fredlund and Xing (1994)提出一水 份特性曲線之方程式，根據此方程式可建 立各種土壤完整之土壤水份特性曲線，其 公式如下：

m

n

r r s

e a ln

1 1000000

1 ln

1 ln - 1































 



 





























 



 





 





 











（1）

其中為體積含水比；

積 含 水 比 ；

 為殘餘體積含水比所對應之土壤基質吸r

力；e 為自然指數； a、m、n 為迴歸參數。

將壓力平板、鹽溶液等試驗結果之數

據代入式(1)中，再利用迴歸分析求得迴歸

參數 a、m、n，可建立各種夯實能量、不同

含水量之完整土壤水份特性曲線。利用迴

歸分析而求得不同夯實能量、不同含水量

之迴歸參數 a、m、n 值如表 3 所示。由完

整土壤水份特性曲線可求得其進氣吸力值

(u

-u

)

及殘餘體積含水比

之特徵值，並將求得之特徵值及試驗時所 求得之飽和體積含水比整理後如表 4 所示。

表 3 經驗公式之迴歸參數 a、m、n 值 夯實 迴歸參數

能量

夯實試體之 含水量(％)

a m n

乾側

(15％) 79.89 1.75 0.68 O.M.C

(23.34％) 303.68 0.89 0.82 標準

濕側

(32％) 313.49 1.41 0.51 乾側

(15％) 100.24 1.51 0.41 O.M.C

(20.09％) 305.96 0.63 1.163 修正

濕側

(32％) 306.29 1.01 1.09 乾側

(15％) 330.67 2.34 1.43 O.M.C

(26.33％) 316.32 0.97 0.44 縮減

濕側

(32％) 291.52 1.37 0.23 表 4 夯實土壤之飽和體積含水比、殘餘體

積含水比及進氣吸力值 夯實

能量

夯實試體 之 含水量

(％)

飽和體 積含水

比

殘餘體 積含水

比

進氣 吸力值

(KPa) 乾側

(15％) 0.706 0.111 17.23 O.M.C

(23.34％) 0.419 0.102 97.84 標準

濕側

(32％) 0.459 0.073 65.21 乾側

(15％) 0.629 0.099 45.77 O.M.C

(20.09％) 0.401 0.095 116.38 修正

濕側

(32％) 0.448 0.067 85.19 乾側

(15％) 0.724 0.04 86.11 O.M.C

(26.33％) 0.451 0.088 179.41 縮減

濕側

(32％) 0.461 0.047 772.44

此外，不論夯實能量大小，皆是乾側 的進氣吸力值最低。顯示乾側夯實土壤的 飽和速度將會較最佳含水量及濕側為快。

除了縮減夯實能量外，都是最佳含水量狀 態之進氣吸力值最高，顯示最佳含水量狀 態下之保水能力最佳，因此平時要求夯實 土壤必須夯實在最佳含水量狀下之工程規 範是合理的。有關夯實能量及含水量對夯 實紅土之土壤水份特性曲線之影響則於 3.4 節作一探討。

3.4 夯實能量對林口紅土水分特性曲線試 驗之影響

圖 5 至圖 7 係在相同夯實能量下，探 討初始含水量對土壤水份特性曲線之影 響。由圖 5 至圖 7 中可知無論夯實能量之 高低，在相同的吸力作用下其乾側夯實試 體之體積含水量均較 OMC 及濕側夯實試體 為高，但其保水能力較差，因在基質吸力 10kPa 後，其體積含水量降低之情形較 OMC 及濕側大。此係因乾側之夯實試體其土壤 結構為土團構造，且低夯實能量之乾側夯 實試體土壤顆粒排列程度並沒有夯實能量 高之乾側夯實試體來的緊密，且土團間存 在著縫隙，所以低夯實能量之乾側夯實試 體其吸水能力會較夯實能量高之乾側夯實 試體大，但其保水能力之差異也較明顯。

進一步探討夯實能量對土壤水份特性

曲線之影響，試驗結果如圖 8 至圖 10 所

示。在乾側(圖 8)及 OMC(圖 9)狀態下，相

同的基質吸力下縮減夯實試體之體積含水

量較改良夯實及標準夯實試體為高，然

而，體積含水量隨著吸力增加而下降的比

例是差不多地。換言之，試體有類似的保

水能力，尤其是在高吸力下差異更不明

顯。而在濕側狀態下(圖 10)，夯實能量對

土壤水份特性曲線幾乎沒有影響。進一步

判斷，夯實能量增加會造成土壤孔徑變小

及土壤飽和度提升等兩種效應。土壤孔徑

變小會使土壤產生較大之基質吸力，飽和

度提升則使基質吸力下降，兩種效應相互

抵銷造成夯實能量對土壤基質吸力的影響

不明顯，但須要進一步量化兩種效應的影

響。

圖 5 標準夯實能量下之土壤水份特性曲線

VolumetricWaterContent(%)

圖6 改良夯實能量下之土壤水份特性曲線

VolumetricWaterContent(%)

圖7 縮減夯實能量下之土壤水份特性曲線

圖8 乾側下之土壤水份特性曲線

圖9 最佳含水量下之土壤水份特性曲線

圖10 濕側之土壤水份特性曲線

3.5 不飽和土壤人造邊坡簡化分析法 本研究已於第二年度（93）之計畫建 立了不飽和土壤邊坡簡化分析法。該方法 之特色為不需進行繁瑣的水文分析，再將 不飽和土壤邊坡水文分析之結果，輸入邊 坡穩定分析程式，進行邊坡穩定分析。而 是簡化平時狀態之不飽和土壤邊坡基質吸 力分佈，再依據經驗公式估計暴雨時形成 之浸潤帶，並考慮不飽和土壤基質吸力對 剪力強度之貢獻，建立以邊坡穩定分析程 式 STABLE Win 進行不飽和土壤邊坡之簡化 分析法。本年度擬將該方法應用至夯實土 構成之人造邊坡。

3.5.1 邊坡穩定分析模式之建立

本研究分析時選用之坡角分別為 30

°、50°、70°；而邊坡高度以 10 公尺、15 公尺、20 公尺分別加以組合探討。本研究 平時及暴雨階段之邊坡分析模型如圖 11 所 示。

平時階段假設地下水位之分佈與坡面 夾角為 20 度，且基質吸力之大小與土壤內 部之含水量有關，因此基質吸力分區各分 層角度與地下水位之分佈平行。根據壓力 鍋試驗之結果，含水量 36%所對應之基質吸 力可達 400kPa。因此假設含水量於地表處 可 達 36% ， 保 守 估 計 其 基 質 吸 力 約 為 300kPa。而土層之含水量由上向下遞增，

故 基 質 吸 力 由 上 向 下 遞 減 ， 分 別 為 200kPa、150kPa、100kPa、50kPa，其每一 層厚度約為 1 公尺，其餘範圍位於地下水 位以上，假設基質吸力值為 25kpa。

暴雨來臨時，本研究保守估計浸潤帶 深度，分別以 1 公尺為最大浸潤帶深度探 討降雨對不飽和土壤人工邊坡穩定性之影 響。

圖 11 平時及暴雨階段之邊坡分析模型

3.5.2 不飽和邊坡分析參數之求取

Vanapalli and Fredlund(1996)發展 出以飽和土壤之剪力強度參數和土壤水分 特性曲線去推估不飽和土壤的剪力強度，

公式如下：

  _



 



 



 

 



 

 ( ) tan ( ) ( )(tan

)







 





r s w r a u a u

n u c

(2) 其中 s

殘餘體積含水比，

積含水比。

c

、

乃以傳統三軸壓密不排水試驗 (CIU)結果得到有效應力參數。再利用本研 究 3.3 節中夯實土壤水份特性曲線所求得 之參數分別代入式（2）中，可得土壤之不 飽 和 剪 力 強 度 。 另 外 可 將 基 質 吸 力

)

( u

 u

對剪力強度之貢獻加上有效凝 聚力 c 項，成為總凝聚力 C 之一部份，其 計算方式如下：

 

 



 



 

 











) tan (

) (

r s w r a u u c C

(3) 本研究以夯實土之水分特性曲線試驗 結果，利用上述公式推估不飽和夯實土之 剪力強度，再進行不飽和夯實土所形成之 人工邊坡穩定性分析。

3.5.3 分析結果

本研究針對林口台地不飽和夯實人造 紅土土壤邊坡進行穩定分析，依據不同之 坡高、坡度及浸潤帶大小繪製安全係數變 化如圖 12 至圖 15 及表 5 所示。茲將分析 之結果討論如下：

（1）當固定坡高而改變坡度時，其安全係 數隨著坡度之增加而下降。不同夯實能量 狀態下之邊坡，安全係數並無顯著差異，

顯示夯實能量對於邊坡之穩定性的影響，

仍值得進一步探討。

（2）比較坡高 10m 在平時及降雨狀態（浸

潤帶 1 公尺時）安全係數，不論邊坡角度

或是夯實能量，皆是降雨狀態較低，顯示

浸潤帶之產生，破壞邊坡初始基質吸力，

對於邊坡穩定性有不利之影響。

（3）為探討同一夯實狀態，不同夯實含水 量（乾側、濕側或是 OMC 狀態）對於人工 邊坡穩定性之影響，以邊坡坡度 50°變化不 同邊坡高度及夯實含水量之邊坡穩定分析 結果如表 5 所示。分析結果顯示夯實含水 量對於本文設定之條件下，並無安全係數 之差異。其原因應與破壞面通過之土壤之 基質吸力皆相當小或是零，以致夯實狀態 對基質吸力的影響並無法顯現。實際之行 為，則仍待進一步之分析來釐清。

(坡高10m 平時狀態)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

20 30 40 50 60 70 80

坡度

安全係數

標準夯實OMC 修正夯實OMC 縮減夯實OMC

圖 12 夯實土平時狀態之安全係數（坡高為 10m）

(坡高10m 浸潤帶1m)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

20 30 40 50 60 70 80

坡度

安全係數

標準夯實OMC 修正夯實OMC 縮減夯實OMC

圖 13 夯實土降雨狀態之安全係數（坡高為 10m）

(坡高15m 平時狀態)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

20 30 40 50 60 70 80

坡度

安全係數

標準夯實OMC 修正夯實OMC 縮減夯實OMC

圖 14 夯實土平時狀態之安全係數（坡高為 15m）

(坡高20m 平時狀態)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

20 30 40 50 60 70 80

坡度

安全係數

標準夯實OMC 修正夯實OMC 縮減夯實OMC

圖 15 夯實土平時狀態之安全係數（坡高為 20m）

表 5 邊坡 50°標準夯實能量不同狀態下之 邊坡安全係數

坡高 乾側 OMC 濕側 10m 1.54 1.54 1.54 15m 1.28 1.3 1.29 20m 1.1 1.1 1.1

3.6 不飽和土壤邊坡穩定初步監測結果 為探討實際邊坡之基質吸力與穩定性 之關係，本研究於林口某邊坡，進行不飽 和土壤邊坡穩定性監測，茲就初步監測結 果分述如下：

3.6.1 監測配置

為瞭解邊坡之穩定性，本研究設置九 個傾斜管（圖 16），以瞭解邊坡的水平變 位。並於傾斜管周邊埋設張力計，以瞭解 邊坡基質吸力之變化與水平變位之關係。

3.6.2 初步監測結果

傾斜管自民國 93 年 11 月埋設完成，

截至目前為止，變位並不大，最大之變位

僅約 1mm 左右（SIS2） ，因此顯示監測之邊

坡穩定性良好，再佐以邊坡基質吸力之監

測結果，則更能證明基質吸力對於邊坡穩

定之貢獻。目前基質吸力的量測工作，仍

在持續進行，有信心能在短期內獲得成果。

○

傾斜管

○

○

○

○

○

○

○

○

○

⊙

張力計

⊕

水位觀測井

⊕

SIS1 SIS2 SIS3

SIS5

SIS4 SIS6

SIS9 SIS8

SIS7

⊙

⊙

⊙

圖 16 林口邊坡監測配置

SIS2-1(Initial Value 93/12/03)

-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

-10 -5 0 5 10

Displacement(mm)

Depth(m)

93/12/15 95/9/21 95/10/8 95/10/22

圖 17 SIS2 量測結果

四、計畫成果自評

本年度計畫已完成之工作，包括林口 夯實紅土之土壤水分特性曲線試驗、夯實 土壤微觀性質試驗、夯實土壤完整土壤水 分特性曲線推估、不飽和人工邊坡簡化分 析法及不飽和土壤邊坡穩定性監測。對於 後續夯實土壤動靜態力學性質之研究，奠 定相當深厚的基礎。

本研究已完成邊坡案例監測之初步工 作，監測資料正陸續收集中，包括土中水 平變位、土壤基質吸力及雨量資料等。這 些資料正陸續整理中，未來打算繼續將這 些心得整理並發表於國內外期刊及學術會 議。現地監測的成果也可能會產出新的邊 坡穩定評估技術，此部分技術未來也可望 移轉到業界。

此外，筆者於第二年度（93）利用先 前研製之不飽和土壤三軸試驗儀，與中央 大學土木系黃偉慶教授合作進行不飽和凝 聚性路基土壤之回彈模數試驗研究，此部 分之成果為國內外少數跨領域之嘗試（地 工及路工） 。事實上已有相當令人振奮之期 刊成果（楊樹榮等人，2006） ，並發表至研 討會（楊樹榮等人 2005）及今年第四屆國 際不飽和土壤研討會（Kung et al., 2006）。

由於此部分研究成果豐碩，且具有相當高 的國際級學術領導技術與工程應用價值，

主持人則利用前述研究（本計畫）培養之 合作默契，於今年度之研究計畫中聘請楊 樹榮博士擔任後續研究計畫之博士後研究 員，已獲國科會核准並正在協助執行計畫 中，相信對後續計畫之執行有積極正面之 助益。

五、參考文獻

1. 林宏達、拱祥生， 「不飽和土壤力學性質 試驗及其在邊坡工程之運用」 ，民國九 十年二月 ，地工技術第 83 期，pp.

39-52。

2. 拱祥生、林宏達及吳宏偉， 「不飽和土壤 邊坡基質吸力量測及其在邊坡穩定分 析之應用」 ，民國九十二年，地工技術 第 96 期， pp.27-42。

3. 楊樹榮、拱祥生、黃偉慶及林宏達，

(2005)， 「不飽和凝聚性路基土回彈模

數之研究」 ，第二屆全國非飽和土研討

會，浙江杭州，pp. 425-435。

4. 楊樹榮、拱祥生、黃偉慶及林宏達，

(2006)， 「非飽和粘性路基土回彈模量 之研究」，岩土工程學報，第 28 卷，

第 2 期，PP. 225-229。

5. Fredlund, D. G., and Morgenstern, N. R., (1978).  Stress State Variables for Unsaturated Soils, Geotechnical Division, GT11, pp. 1415-1416.

6. Fredlund, D. G., and Xing, A., (1994).

Equations for the Soil-Water Characteristic Curve,

Vol. 31, pp.521-532.

7. Kung, H. S. Johnson., Lin, H. D., Yang Shu Jung., and Huang, Wei Hsing., (2006). Resilient Modulus and Plastic Strain of Unsaturated Cohesive Subgrade Soils, Unsaturated Soils 2006, Vol. 1:

Geotechnical Special Publication No.

147, pp.541-552.

8. Vanapalli, S. K., Fredlund, D. G. and Pufahl, D. E., and Clifton, A. W. (1996).

Model for The Prediction of Shear Strength with Respect to Soil Suction,

pp. 379-392.

9. Yang, S.R., Huang, W. H., and Tai, Y. T.,

(2005). Variation of Resilient Modulus

with Soil Suction for Compacted

Subgrade Soils, Transportation Research

Record: Geology and Properties Earth

Materials, Transportation Research

Board, Washington, D.C, pp.96-106.