第二章 工程地質之材料因素

___________________________________________________________________________________

第一章

『係指利用地質學的理論及實務經驗資料，來應用及解決工程上實際 問題的一門學問』，而且從最近發生的一些災變和案例來看（如北二高隧 道邊坡穩定），北宜高速公路（遇到破碎石層，不僅遇到大量水壓且 TBM 均遭碎石掩埋，當機了十次），以及溫妮颱風下造成的林肯大郡崩塌事件

（主要為砂頁岩互層下，滑動面在頁岩的剪力破壞）等，在在都顯示工程 地質在土木工程中的重要性，並且常成為一個工程成敗的關鍵。

當然台灣也有一些成功的例子，如建造翡翠水庫時，當時的地掉工作 即做的很徹底，可能將來造成水庫不穩的地方（如調節裂縫中的碎石泥料 加以利用水刀清除且灌漿，而且壩址也選在可以承受將來巨大水壓力下的 好岩盤上），如石門大壩，原先指定建拱壩，經由地質鑽探的結果，認為 壩址的地質不適合建拱壩，所以才改成現在的土石重力壩，所以從事土木 工程者，必須要有工程地質的基本知識。

1.2 工程地質學之應用

 工程調查、邊坡、水庫、埧址、隧道

 專有名詞：

（a） 完整岩石（Intact Rock）

（b） 岩體（Rock Mass）﹦完整岩石＋不連續面（Discontinuities）

（c） 土體 1.3 現存問題

 工址調查預算過少

 工程師與地質師間之互通（名詞方面）

（a） 地形、地質圖

（50000

1 ） （

250000

1 ）

（b） 農林航測所 → 相片基本圖（

5000 1 ）

___________________________________________________________________________________

1.4 地球內部構造與組織

 地殼可分二層

（a）上層：矽、鋁（淡色、質輕）

又稱矽鋁層或輕層 Gs：2.75 ～ 2.90

花崗岩（Granite）為代表。

（b）下層：矽、鎂（深色、質重）

又稱矽鎂層或重層 Gs：3.1 ～ 4.75

玄武岩（Basalt）為代表。

 大陸地殼約 35km 厚，矽鋁層為主。

 海洋地殼約 4 ~ 8km 厚，矽鎂層為主。

地殼

莫何不連續面

40 km

地 函

2900 km 外 地 核

1.5 地殼運動

 兩種方式：

（a） 近於垂直方向上下為主者，稱為造陸運動。

（b） 橫向或水平為造山運動。

台灣、琉球、日本為地殼上升例子。

錢塘江口、美國密西根盆地，為地殼下降例子。

1.6 工程地質的相關網站

1.6.1 國內 1.http://140.115.80.145/index2.asp">中大地科遠距教 學 系統

2. http://www.geo.ncu.edu.tw">中央大學應用地質研究所 3. http://gis.geo.ncu.edu.tw">中央大學應用地質研究所

工程地質與防災科技研究室

4. http://140.115.123.92">中央大學應用地質研究所岩石 及土壤實驗室

5. http://www.gep.ncu.edu.tw">中央大學地球科學系、地 球物理研究所

6. http://www.atm.ncu.edu.tw">中央大學大氣科學系、大 氣物理研究所

7. http://www.ss.ncu.edu.tw">中央大學太空科學所 8. http://aswww.phy.ncu.edu.tw">中央大學天文研究所 9. http://www.csrsr.ncu.edu.tw">中央大學太空及遙測研

究中心

___________________________________________________________________________________

11. http://www.earth.sinica.edu.tw/index_c.html">中央 研究院地球科學研究所

12. http://www.moeacgs.gov.tw/">中央地質調查所 13. http://www.cwb.gov.tw/">中央氣象局

14. http://www.cwb.gov.tw/astron/index.html">中央氣象 局天文站

15. http://www.eq.ccu.edu.tw/">中正大學地震研究所暨應 用地球物理研究所

16. http://www2.nsysu.edu.tw/mgac/">中山大學海洋地質 及化學研究所

17. http://water.nchu.edu.tw/">中興大學水土保持研究所 環境復育研究室

18. http://www.edri.cpc.com.tw/Welcome_c.html">中國石 油公司探採研究所

19. http://caswww.phy.ncu.edu.tw">中國（台灣）天文學 會

20. http://geolsoc.ohya.com.tw/index.htm">中國地質學 會

21. http://140.115.20.30/">中國地球物理學會 22. http://www.erl.itri.org.tw">工研院能資所

23. http://140.96.175.33/cgi-win/geophys.exe"> 工 研 院 能資所地球物理資訊服務網

24. http://geo.erl.itri.org.tw">工研院能資所土地資源 資訊站

25. http://www.pccu.edu.tw/~ussge/">文化大學地質學系 26. http://www.atmos.pccu.edu.tw/">文化大學大氣科學系 27. http://userweb.hello.com.tw/~geology">石頭城 28. http://www.moeaidb.gov.tw/~bill/astro/astro.htm">

宇宙天文

29. http://192.192.189.2/geo/index.html">台中縣教育網 路地球科學

30. http:// www.tam.taipei.gov.tw">台北市立天文科學教 育館

31. http://atmos.as.ntu.edu.tw">台灣大學大氣科學系所 32. http://stdank.as.ntu.edu.tw">台灣大學大氣科學系所

大氣研究資料庫

33. http://www.gl.ntu.edu.tw">台灣大學地質學系所 34. http://www.geog.ntu.edu.tw">台灣大學地理學系所

___________________________________________________________________________________

36. http://sun.gcc.ntu.edu.tw">台灣大學全球變遷研究中 心

37. http://river.nchu.edu.tw">台灣水土保持全球資訊網 38. http://www.lft.com.tw/sclin/">台灣山水巡禮

39. http://140.115.123.45">台灣活斷層資訊網

40. http://sun4.oce.ntou.edu.tw">台灣海洋大學海洋科學 系所

41. http://sun2.iag.ntou.edu.tw">台灣海洋大學應用地球 物理研究所

42. http://www.geos.ntnu.edu.tw">台灣師範大學地球科學 系所

43. http://www.geo.ntnu.edu.tw">台灣師範大學地理學系 所

44. http://www.fg.tp.edu.tw/~earth/">北一女中地球科學 學習網站

45. http://140.116.2.121/~earth/chinese/Cearth.html">

成功大學地球科學系所

46. http://gis.et.ncku.edu.tw/default.htm">成功大學地 球科學系地理資訊研究室

47. http://w3.ncku.edu.tw/-source/chindex.htm”＞ 成 功 大學資源工程學系

48. http://www.sgrc.ncku.edu.tw/">成功大學衛星資訊研 究中心

49. http://djyu.csjh.ttct.edu.tw/">地球科學教學資源網 50.http://www.wcjs.tcc.edu.tw/86cai/30/">地球科學 CAI 51. http://eeweb.gcc.ntu.edu.tw/LCIT/">地景保育資訊網 52. http://www.gl.ntu.edu.tw/shan/">阿山的沉積岩實驗

室

53. http://sun03.gl.ntu.edu.tw/~lu/ada.html">阿達的故 事

54. http://dunite.mr.nsysu.edu.tw">岩礦世界 55. http://www.gia.com.tw">美國寶石學院台灣分校

56. http://www.nmns.edu.tw/chi_version.html">國立自然 科學博物館

57. http://gepref.gep.ncu.edu.tw">國科會地球科學推動 中心

___________________________________________________________________________________

60. http://sentra.tccgeb.edu.tw/main/">游老師的自然教 室

61. http://www.wrb.gov.tw">經濟部水資源局

62. http://140.112.56.48/構地研究室/">構造地質實驗室 63. http://geo3w.ncue.edu.tw">彰師大地理系

64. http://geo3w.ncue.edu.tw/eq/eq.html">彰師大地理系 防震手冊

65. http://geo3w.ncue.edu.tw/rock/r-title.html"> 彰 師 大地理系岩石之美

66. http://140.96.51.39/egis/">環境地質資訊系統

67. http://www.yam.org.tw/b5/yam/sci/geoph/">蕃薯藤自 然科學類地質學

68. http://www.yam.org.tw/b5/yam/sci/geo/">蕃薯藤自然 科學類地理學

69. http://www.yam.org.tw/b5/yam/sci/astro/">蕃薯藤自 然科學類天文學

70. http://www.yam.org.tw/b5/yam/sci/oc/">蕃薯藤自然 科學類海洋學

71. http://www.yam.org.tw/b5/yam/sci/as/">蕃薯藤自然 科學類大氣科學

72. http://www.yam.org.tw/b5/yam/ccnet/inet/www/vrml”>蕃薯 資訊類虛擬實境模型語言

73.http://www.ezgo.com.tw/lee1836/">礦物之美 74.http://ms1.hohiya.net/~tas/">TAS 台灣天文網 1.6.2 國外 1.http://www.usgs.gov/">美國地質調查所

2.http://www.gsi-mc.go.jp/">日本國土地理院 3.http://www.geolsoc.org.uk/">倫敦地質學會

4.http://www.hku.hk/earthsci/rock.html">香港大學地球科學 系

5. http://www.eri.u-tokyo.ac.jp/">東京大學地震研究所 6. http://earth.usc.edu/~chengpin/earth.html">地震學

地球科學網路資源

7.http://seds.lpl.Arizona.edu/nineplanetets/”>九大行 星

8. http://www.geo.ucalgary.ca/VL-EarthSciences.html">

地球科學虛擬圖書館

9.http://www.yahoo.com/science/earth sciences/geology and

___________________________________________________________________________________

11. http://www.geochina.org">OCESTA 華人地球科學及技術協 會

___________________________________________________________________________________

第二章 工程地質之材料因素

 礦物是由單一元素或無機化合物所組成，與岩石不同。

 地質材料是由礦物結合而成，係靠互鎖（Interlocking）膠結材料

（Cementing materials）。

 造岩礦物種類：

（a） 矽酸鹽礦物（90%↑）

－ 鐵鎂（輝石、角閃石、黑雲母）

－ 非鐵鎂（長石、石英、雲母）

（b） 黏土礦物

（c） 碳酸鹽礦物（方解石、白雲石）

（d） 其他（氧化物、硫化物、氯化物……）

 長石類為地殼中最多之矽酸鹽造岩礦物，佔所有的 58%。

 石英為最普通之礦物，很安定，不易風化。

 礦物之物理及化學性質

（a） 結晶石有七個晶系，以下是常見的三種：

－ 長石

－ 石英

－ 方解石（菱面體）

＃ 一般而言，結晶過程時間充裕者，晶粒較大；而匆忙結 晶者，晶粒較小。

 解理（Cleavage）與斷口

（a） 解理：礦物沿一定方向裂開，如雲母、方解石。

（b） 斷口：不依一定方向裂開，如石英。

＃ 解理面是礦物內的弱面。

 硬度（Hardness）

（a） 硬度是指礦物抵抗外加摩擦力的大小。

（b） 奧地利礦物學家 Mohs 採礦物互相刻劃來定高低。

___________________________________________________________________________________

（c） 莫氏硬度表(Mohs Scale of Hardness):共十級

硬度 標 準 礦 物 生活上的例子 1 滑 石（Talc）

2 石 膏（Gypsum）

3 方解石（Calcite）

4 瑩 石（Fluorite）

5 磷灰石

6 正長石（Orthoclase）

7 石 英（Quarts）

8 黃 玉（Topaz）

9 剛 玉（Corundum）

10 鑽 石（Diamond）

雲母 ～ 1 指甲 2 ～ 2.5 銅幣 3 ～ 3.4 鐵釘

小刀 5 ～ 5.5 玻璃 5.5 ～ 6 鋼刀 6 ～ 7 條痕板 ～ 7

（Streak plate）

（d）風化指數（Weathering Indices）

風化作用：物理及化學風化作用 物理作用（Physical Weathering）：

1. 減載膨脹（unloading）：減壓膨脹、擴張使岩層破裂。

2. 溫度作用：日間受熱力而膨脹，夜間受冷而收縮，使顏面 產生塊狀剝蝕，加上礦物間的的熱膨脹係數不同也會發生 顆粒剝蝕或崩解。

3. 水的作用：侵蝕作用，包括沖擊、摩擦及溶解。

4. 生物作用：動植物皆能破壞岩石，植物根系，腐質土。

5. 風的作用

6. 凍結作用：岩石中孔隙儲存水分，受低溫影響，體積膨脹。

7. 膠質粘裂作用（Colloid Plucking）：係土壤中之膠體有鬆 弛核粘粒小塊岩石使之脫落的作用。

化學風化作用（Chemical Weathering）：係岩石被溶解、氧化及 碳酸化的腐解作用，改變其原先的特性，一般而言，化學 風化作用遠較物理性風化作用重要。

1. 水化作用（Hydration）：岩石吸收水分後，即與 水化合而發生變化，使體踢增大，硬度變低，如 硬石膏吸水後變石膏：CaSO₄＋2H2O→CaSO₄‧ 2H2O

2. 水解作用（Hydrolysis）：水加入礦物構造中而成 含水礦物。岩石經水解後，其基本形式發生改變，

___________________________________________________________________________________

3. 氧化作用（Oxidation）：一般而言，氧化作用往往 最先開始，而後才是水解，因此氧化作用對岩石 的風化，關係最為密切。若岩石中含有硫化鐵、

碳酸鐵及矽酸鐵等，作用更為顯著。如橄欖石氧 化後產生氧化鐵，氧化鐵遇水，起水化作用而成 褐鐵礦，此作用將使礦物變軟，體積增大，岩石 經風化後將呈黃色或赤褐色之土壤。

4. 碳酸化作用（Carbonation）：岩石遇水及二氧化 碳，起反應成碳酸鹽類，如正長石遇 H2O 及 CO2

產生高嶺土、碳酸鉀及矽土，後兩種可溶於水而 流失 2 KalSi3O8＋2 H2O＋CO2→Al2Si2O5（OH）4

＋K2CO3＋4SiO2

5. 溶解作用（Solution）：甚為普通，其中含有 CO2

及有機物時，其融解力更大，如碳酸鈣溶解於水 後，成重碳酸鈣 CaCO3＋CO2＋H2O→Ca（HCO3）

2，碳酸鹽類最易受溶解之影響，如石灰岩及白雲 岩，而已石灰岩最為顯著。

 風化特性：物理及化學風化作用

（a） 石英： 幾乎不風化，只是由大變小。

（b） 長石： 接觸含 CO2之水，可風化為高嶺土→體積膨脹而造 成裂縫。

（c） 雲母：易碎成小片，白雲母較黑雲母安定。

 比重（Gs）：也可用來鑑定礦物。

 其他：顏色、光澤、條痕板顏色、嗅、嚐（岩鹽）、磁性、鹽酸。

2.2 岩石

 岩石的分類：

（a） 火成岩（igneous rock）

（b） 沈積岩（sedimentary rock）

（c） 變質岩（metamorphic rock）

 Bowen 反應系列(Reaction Series)

（a） 形成溫度若高，穩定度則低。

（b） 形成溫度若低，穩定度則高。

___________________________________________________________________________________

 火成岩

（a） 火成岩是由岩漿（Lava, Magma）凝固而成，噴出地表者為 噴 出 岩 （ Extrusive rock）， 擠入地殼未 衝出者為侵入岩

（Intrusive rock）。 熔岩

（b） 噴出岩：安山岩、凝灰岩、玄武岩。 火山灰

（c） 侵入岩：花崗岩為主。

岩脈

正 岩脈 → 岩 蓋

長 岩床

石 岩株 岩基

 沈積岩（水成岩）

（a） 涵蓋面最廣與工程最密切。

（b） 風化 → 搬運 → 壓密 → 岩化作用（膠結、壓實、結晶）

（c） 【我們地球上的岩石，由於各種破壞因素，如風化侵蝕生物破壞等等，

會逐漸崩解破碎，因而變成泥沙或礦物的碎屑，其後被水從上游沖 到了下游，碎屑就會沉積下來，依照顆粒的大小，分別形成礫岩層、

砂岩層、岩層等，最後經過無情歲月的洗禮，他們就通通變成沉積 岩了。】

（d） 膠結物：碳酸鈣、黏土、石膏、二氧化矽、氧化鐵等。

（e） 沈積岩以石英、方解石、長石、黏土為主要組成礦物。

（f） 沈積岩易受下列因素影響：

－ 膠結作用

I. 石英 最強 II. 黏土 較弱

III. 鈣質 也相當強，但易受風化侵蝕

（方解石） （野柳“女王頭”）

－ 風化作用

I. 砂頁岩互層 砂岩

II. 斜長石含量多者易風化

III. 石英最耐風化 頁岩

IV. 泥岩也易風化 易風化處

V. 石灰岩 → 溶解地下洞穴或河道

 變質岩

【無論是沉積岩或火成岩，都會在地球內部受到強大的擠壓和摩擦，產生高 溫和高壓之後，將使得原來岩石內部礦物重新排列或發生再結晶、或熱液使

___________________________________________________________________________________

高 壓 （細小顆粒） （粗顆粒）

(b)非葉理狀：石英岩、大理岩 2.3 土壤（須知道形成原因及工程特性）

 殘留土

（a）成因：岩石風化形成土壤，停留在原地覆蓋於岩石表面。

（b）特性：風化深度不一，結構可能較鬆散，須注意載重下之壓 密沈陷。

表土

。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

少部份風化

完 整 岩 石

 運積土

（a）風積土： 未飽和時可垂直開挖，不用支撐，但飽和時，凝 聚力消失而會崩潰，如黃土高原。

（b）洪積土： 卵礫石層。

（c）沖積土： 河流沖刷，如嘉南平原，蘭陽平原。

（d）海積土： 顆粒極細，主要為黏土，在海水中多為膠凝結構，

結構鬆散，含水量高，所以強度低，壓縮性大。

（e）其他： 湖積土、海埔地、冰積……。

顆 粒

粗 沖積扇

曲河

三角洲

細

___________________________________________________________________________________

 崩積土

（a）成因： 山崖上岩石因風化侵蝕成為碎石與土壤，崩落堆積 於懸崖下，稱為崖錐堆積（Talus），而由山崩造成之

地層或大規模崖錐堆積，稱為崩積層（土）。

（b）特性： 工程性質不佳，顆粒分佈不均及不規則，因此內部 疏鬆，所以滲透性大，且壓縮性大，遇豪雨易滑動 或坍方。

＃ 河流

舊 河 道

牛軛湖

沈積 沖刷 曲河

河曲沙洲

沖刷 沈積

牛軛湖

原本河道 河道經過長期的 經過洪水強力的

沖刷及沈積後形 沖刷之後恢復舊

成曲河 河道原貌

舊河道位置可由相片基本圖（空照圖），鑽探判斷。

其特性：土層年輕，未壓實而疏鬆。

建築物

砂質土壤（舊河道）

≡ 新河道 地震後可能引起土壤液化的災害

原先土壤

___________________________________________________________________________________

2.4 地質材料之循環圖

風化、侵蝕、搬運、堆積

火 成 岩 沈 積 物（土壤）

岩

變 化

岩 漿

質 作

熔化 熔化 用

變 質 岩 沈 積 岩

變質作用

2.5 其他

 岩石或礦物與水份含量之關係

（a） 頁岩 【water content ↑ ； 強度↓】

（b） 泥岩 【water content ↑ ； 強度↓】

 風化 → 風化層厚度（深度）

 黏土含量 ↑ 強度↓

＃ 基礎最好打在風化層以下的岩盤

強度

未 風←

化

→ 風化

含水量（water content）

___________________________________________________________________________________

第三章 岩體中之弱面及地質構造

 完整岩石（Intact rock）：岩石中無明顯之不連續面。

 岩體（Rock mass）：完整岩石 ＋ 不連續面（弱面）。

 完整岩石→岩體→土壤

 岩體強度變形性質受 1.完整岩石之物理性質

 2.岩體內之不連續面之性質及數量

 不連續體數值分析程式

（a） 分離元素法（Discrete element method）：UDEC^2D，3DEC

（b） D.D.A.

完整岩體 破碎岩體

3.2 弱面種類：自然界的地層包含的許多弱面（weak plane），這些弱面 通常剪力強度低，變形大，透水容易，風化快。

 原生弱面： 沈積時形成之界面，包括層面（Bedding Plane）及不 整合面。

 次生弱面： 地層固化後形成之弱面，如斷層、節理、裂縫……。

3.3 原生弱面

 層面成因：

（a） 沈積物種類及顆粒改變（砂、頁岩）。

（b） 沈積環境改變，如季節、搬運力。

（c） 火成岩形成時間不同。

 粗糙之層面→強度高

 平順之層面→強度低

 若曾發生剪力位移（滑動）之層面→強度低

 層面中若有軟弱夾心時，則岩體強度↓，變形性↑

 不整合面（Unconformity）：指老地層與新地層間因沈積中斷所生 之界面。

___________________________________________________________________________________

 不整合面種類：

（a）交角不整合（構造運動） （b）非整合或假整合

10 8

9 7

8 2

4 3 2 1 1

（c）無整合 （d）局部不整合（古道河形成）

沈 積 岩 4

3

火 成 岩 或 2

變 質 岩 1

3.4 次生弱面

 定義：地層固化成岩後受大地應力、冷卻、解壓、變質作用，而 產生有規則或不規則之弱面。

 斷層（fault）可分為五類：

（a） 正斷層（Normal fault）

【上盤對下盤形成相對地向下移動者，其兩層互相分開，表示地受到 張力後沿著斷面向兩側拉裂所造成的斷面，亦表示地殼在伸展，或 是 地 殼 由 下 向 上 升 起 所 形 成 ， 故 亦 稱 為 重 力 斷 層 或 張 力 斷 層 (Gravity or Tension Fault)，所示者。在發生正 斷層運動後，往往生 明顯的斷崖(Fault Scarp)。正斷層的斷層面傾角多在 65～90 度之 間 。在同一地區內，正斷層多呈一群約相互平行的斷層出現。很少 單獨出現。】

表示符號 作用力方向

σ1

下盤 上盤

上盤 位置 σ3

α ≧ 45°

上盤（hanging wall） 下盤（foot wall）

（b） 逆斷層（Reverse fault, Thrust fault）

【上盤對下盤形成相對地向上推移者，其兩層互相掩蔽，表示地殼受 到兩側壓力推擠緊縮所造成的，亦表示地殼在收縮，故亦稱為壓力 斷層(Compression Fault)，所示者。逆斷層常褶曲帶出現。斷層面 的傾角大於 45 度之逆斷層，則稱為反斷層(Reverse Fault)。】

___________________________________________________________________________________

表示符號 作用力方向

σ3

上盤 上盤

下盤 位置 σ1

α ＜ 45°

（c） 平移斷層（Strike-slip fault）

【上下盤在水平面上相對之位移，而無上 下垂直移動，此位移方向平行或近乎平 行 斷 層 之 走 向 者 ， 亦 稱 為 扭 轉 斷 層 (Wrench Fault)，所示者。滑向斷層之 斷層面多呈近似垂直面，但由於斷層面 之水平方向移動，沒有明顯的斷崖，在 地 面 上 所 看 到 的 往 往 是 一 條 斷 層 直 線。】

（d） 角交移（Hinge fault） （e）斜移：平移再滑動

 斷層所形成之地形有地塹（Graben）、地壘（Horst）及【斷崖】。

（a） 【由斷層作用使地層上升或降低，其斷層面成壁立高聳者謂之斷崖。

一般而言，斷崖僅見於正斷層，倘經長久時間的侵蝕，此種斷崖亦 將不顯著。】

（b） 【岩層受平行斷層的作用，發生相對的上升與下降，其上升 的地層稱作地壘，向下陷落者謂之地塹。】

地 塹 地 壘

___________________________________________________________________________________

 斷層之兩側岩石常有：

（a） 張裂縫

（b） 剪力破裂（節理）

（c） 拖曳褶皺

＃ 這使得岩石的強度↓，透水性↑，加速風化。

＃ 斷層中常有斷層碎屑（岩石壓碎），或被磨細成斷層泥。

＃ 段層面上常有擦痕之溝痕細槽。

 斷層對工程的影響

【岩層發生斷層作用後，其斷層帶為岩層最弱之部份，此部份常有因擠壓或 拉張作用而造成許多碎石、細粉之類者，常作為水流之通道。所以在發生 浸濕或冰凍時，會產生膨脹收縮等現象，減少斷層面的摩擦力，若是在此 興建，在工程建築物的重壓下易引起側向滑動，且會增進風化侵蝕作用，

加速岩層腐解、土石崩落，故對隧道、壩基、路基等工程之建造均非適宜 之地，除非有適宜的方法予以加強。

建築在斷層線或斷層帶內的水壩、隧道、橋樑、水道、運輸路線等等，應 注意斷層的復活（即活動斷），而可能遭受的破壞。斷層的復活往往無法事 前察覺。同時斷層內的地下水流及性質相異的岩層並存常使施工發生困 難。】

 節理（Joint）

（a） 定義：岩石因大地應力或其他地質作用而破裂，但無相對位

移者。 剪力 解壓

（b）

玄武岩 共軛節理

張力 剪力節理面：較光滑、平順

張力節理面：較粗糙

剪力

___________________________________________________________________________________

（c） 河谷解壓

張力裂縫 河岸內移 張力裂縫

P_R 河床隆起 P_R

P_R P_R

應力集中 → 逆斷層

 褶皺（Fold）

（a） 成因

－ 構造性：地表壓力。

－ 非構造性：重力，如河谷解壓。

背斜（anticline） 向斜（syncline）

3

2 3

1 2

1 1

2 1

3 2

3

凸形向斜 凹形背斜

（ｂ）褶皺對岩石之影響

1.層間滑動：ａ.愈近樞點，愈少擦痕（因滑動力量小）。

b.層間有碎屑及泥縫。

2.張力裂縫及節理產生。

3.產生張裂縫及節理 3.5 弱面之描述及評估

依 ISRM（國際岩石力學學會），倫敦地質學會

___________________________________________________________________________________

 以走向／傾角表示或傾向／傾角表示。

 走向：某一岩面與水平交線之方向。

 傾角：某一岩面在垂直走向之方向與水平之夾角。

（弱面與水平面所夾之最大銳角）

 傾向：垂直走向並沿弱面傾斜之方位。

（弱面傾角傾斜之方向）

N 走向

走向 β角

N 水平面

W α角 E

傾向

傾角 走向 S

上視圖 例： N

β=40°

走向(β) ： N40E

W α= 130° E 傾向(α) ： β + 90°

傾角 ： 50SE

S

表示式： 1. N40E ／ 50SE 2. 130 ／ 50

 由視傾角(β)計算真傾角(α)

BEC = α

A BFC = β

D B DCF = θ

β C tanα = EC BC

F E α tanβ =

FC BC =

FC ECtan

= sinθtanα

___________________________________________________________________________________

3.5.2 間距（Spacing）

 一組規則弱面的二弱面之中心距。

 一組規則弱面的二弱面之中心垂直距離６~２０㎝為密

（ISRM）之定義。

 International Society of Rock Mechanics 國際岩石協會 3.5.3 弱面之粗糙度

 弱面之粗糙度將會影響弱面之剪力強度。

 τ_f = σtan (ψr+ i ) where i 為粗糙度

ψ_r 為殘餘摩擦角

A

i

mgsinθ ψr

O B

當角 AOB 從零度增加至ψr,AO 斜面上的物件將因其自身的重力而滑下

i = JRC log(

 JCS )

where JRC = Joint Roughness Coefficient 節理粗糙係數

JCS = 單壓強度（利用硬度錘 Schimidt Hammer 求值）

σ = 正向力 3.5.4 弱面內之弱夾心

 斷層泥、碎屑、外表之黏土、土壤、方解石、石膏、石英 等。

 弱面有無風化（常因浸水軟化，如砂頁、岩互層）。

 夾心厚度： σ

－ 沒夾心時 鋸齒被剪斷

τf

剪力強度 τf

σ

平滑面

→剪壞 τf

膨脹← τf

___________________________________________________________________________________

剪力強度 沒夾心

薄夾心

厚夾心

正向應力

3.5.5 其他有關描述

 岩石品質指標（Rock Quality Designation）

RQD =

鑽桿長度



 岩心回收率（Core Recovery）或稱提起率 R = 鑽進長度

岩心總長 X 100 %

 例子：

10 cm

RQD = [(70+40+20)/150] x 100%

70 cm =87%

10 cm

R = (140 / 150) x 100%

40 cm =93%

20 cm

1. 持續性（長度）

2. 弱面之內寬，可能緊閉或張開 3. 滲水情形（乾或濕）

4. 弱面之組數（ｎ）

5. 岩塊規範組數（IB）（Block Size Index）

IB＝(s1+s2+、、+Sn)/n 6. 單位體積弱面數（Jv）

Jv＝N1/L1+N2/L2+、、+Nn/Ln N：弱面條數

___________________________________________________________________________________

3.6 弱面對岩心力學性質影響

 剪力強度與變形性 － 前者下降；後者則增加

 邊坡水壓

 透水性

下推力

上浮力減少有效應力

___________________________________________________________________________________

第四章 立體投影圖之應用

4.1 原本 three dimensions 的東西簡化成 two and one dimension 來分析。可 將三度空間的位置轉化成一現或一點來表示，將問題簡化到可在凸面 上來分析，主要的目的在求岩石中的弱面指數、傾角及位置，以及用 在結構地質和邊坡之穩定分析。

4.2 線投影

 步驟：

(a) 將大圓描在紙上。

(b) 標示 N、E、S、W 方向。

(c) 標示方向（傾向）。

(d) 決定傾角時將(c)標示轉至 E 或 W。

4.3 平面投影 → 弧線

 走向／傾角

 平面： 1. N50E／20NW 2. N60W／45SW 3. S30E／30SW／

4. S30W／80SE 5. N45W／80SE 6.N80E／60NW a.標示出圖心及東南西北方位

b.標出走向位置

c.將旋轉位置旋轉到０^。或１８０^。

d.由９０^。或２７０ ^。向內數角度，找出傾角所在之投影大圓 e 在旋回原來位置.

4.4 二平面間交線之傾角及走向

___________________________________________________________________________________

4.5 例子

1.）因為弱面的傾角小於邊坡 2.） a. Ａ與Ｂ那個傾角大？Ａ 的傾角，將造成楔形滑動 b. 那一個弱面可能會滑動？Ｂ 破壞。

邊坡（傾角：50） A

邊坡

弱面（傾角：20） B

a b

因 a>b，所以造

楔形滑動破壞 成平面滑動破壞

___________________________________________________________________________________

第五章 板塊運動、台灣島地質與地震

5.1 板塊運動

 大陸標移說（1915） → 海底擴張說（1961）

→ 板塊構造學說（1967）：較為人所接受

 板塊邊界主要有三種型式：

（a） 分離板塊邊界（Divergent plate boundary）：

由於張力作用互相分離，所以正斷層及地塹在界線附近非常 發達，形成裂谷（如東非大裂谷、紅海）。

（b） 聚合板塊邊界（Convergent plate boundary）：

兩板塊相遇而碰撞，較重的一塊（如海洋板塊）沒入較輕板 塊下方（呈 30°～ 45°下沈），名叫隱沒帶。沿此帶即有地 震發生（班氏地震帶），以逆斷層為主，在海洋中形成海溝，

常發生造山運動，火山運動和變質作用（摩擦生熱）。

（c） 存留板塊邊界（Conservative plate boundary）：

又稱轉型斷層 ，為 巨大的橫移斷 層， 美國舊金山（ San Andreas fault），美洲和太平洋板塊，5cm／年，向西北移動。

5.2 台灣之地震帶

 地震活動：

（a） 世界上有三個主要地震帶：

－ 環太平洋地震帶（80 %）

－ 歐亞地震帶（15 %）

－ 中洋脊地震帶（5 %）

＃ 台灣位於歐亞大陸與菲律賓海板塊交會處（環太平洋地 震帶），因此，台灣多斷層及地震。

（b） 地震深度可分為三類：

－ 淺地震（0 ～ 70 km）

－ 稍深地震（70 ～ 300 km）

－ 深地震（300 ～ 700 km）

＃ 大多地震為淺地震

（c） 台灣之地震帶：位於歐亞大陸與菲律賓海板塊交會處

（d） 台灣地區可劃分為三個地震帶 1. 東北部：有淺源及斑氏地震帶

2. 東部地震帶：台東縱谷及東部火山島嶼

3. 西部：都是極淺源地震（右移斷層及逆斷層為主）

___________________________________________________________________________________

 活動斷層：

活斷層 1 萬年≧1 次

能動斷層 3 ~ 5 萬年／1 次且在 50 萬年曾多次 死斷層 在新生代末期已無錯動（百萬年內）

震央

震源深度

震源

＃ 震源（Hypocenter）：地震錯動的起始點。

＃ 震央（Epicenter）：震源在地表的投影點。

 彈性回跳說（Elastic Rebound）

太 北

平 美

洋 州

板 板

塊 塊

震源造成分開 地震結束

5.3 台灣島地質概論

 前言

（a）二億五千萬年前 → 沈積

（b）七千萬年前（中生代末期）→ 南澳造山運動使 台灣島露出水面

（c）此後之六千五百年 → 經風化和侵蝕

（d）四至五百萬年前 → 逢萊造山運動形成中央山 脈、台東縱谷、海岸山脈

___________________________________________________________________________________

5.3.1 台灣之地質分區

 主要可分為三地質區：

（b） 中央山脈地質區

－ 中央山脈西翼和脊樑山嶺（雪山 IB1和玉山 IB2）

－ 中央山脈東翼（IA）

（c） 西部麓山帶地區

（d） 海岸山脈地質區

 中央山脈地質區

（a） 中央山脈東翼地區（先第三紀變質岩）以片岩和大 理岩（變質石灰岩）為主。

（b） 中央山脈西翼（第三紀亞變質區）變質程度較輕，

以硬頁岩、板岩、石英砂岩為主。

 西部麓山帶地質區

（a） 西部麓山帶以屈尺斷層和中央山脈亞變質區相 隔，為未變質之沈積岩，岩性變化很大，常為斷層、

褶曲等地質構造所切割扭曲。

（b） 北到南，岩層粒度逐漸變細。

－ 北 → 砂岩為主，砂、頁岩互層

－ 中 → 厚層砂岩和頁岩為主

－ 南 → 泥岩、頁岩粉砂岩為主

（c） 較常遇到之地層：

－ 嶺嵙山層（岩層膠結疏鬆），主要分為：

I. 礫岩相（火炎山）

II. 砂岩和頁岩相

－ 海岸台地、河階台地、沖積平原。

（d） 台北盆地

松山 ～ 50 m -台北湖以泥砂為主，

鬆軟而不穩固。

景美 ～ 60 m -新店溪堆積之礫石層。

新莊 ～ 120 m - 河流沈積以泥砂為主。

___________________________________________________________________________________

 海岸山脈地質區

（a）海岸山脈地質區可分五個岩石地層，由下而上為：

I. 火成雜岩 II. 集塊岩層 III. 海相碎屑岩系

IV. 混同層（傾瀉層）～因崩塌、侵蝕、風化造成 V. 礫石層

（b）傾瀉層（利吉層）：指由各種不同大小、形狀、岩 理和種類的岩石混合在一起所 形成的一個岩層，可能是因海底

山崩所造成之泥流，由高山滑 落到沈積槽。

5.4 第四紀地層（較年輕之地層），未膠結均為土壤

（a）沖積台地或平原

1. 台地：由沖積扇→由於斷層或河川切割而成台地地形

2. 紅土台地：因受陽光及雨水淋洗，矽土與碳酸鈣被析出，而流下 氧化鐵及三氧化二鋁，而形成紅土或紅棕土，易透水，可能 使材料氧化。

（b）沖積地層

1.湖積土：粘度變化大，與季節有關。

2.海積土：黏土最多，粉泥次之，塑性高，膨脹性大。

3.河谷沉積：顆粒大小與流量有關。

5.5 一般岩石工程性質試驗

 硬度錘用來估 UCS

 點荷重試驗

P I s=

D P

D

P

___________________________________________________________________________________

 單壓試驗 Uniaxial Compressive Strength (UCS)

D t

 巴西抗張裂試驗（間接張力試驗）

P

σ_{t , B}=

DT P

 2

P

 消散耐久試驗（Slake Durability Test）

（a） 用來測試岩石抗風化程度。

（b） 消散指數 Id1 （One cycle）

－ 岩石滾動十分鐘後烘乾秤重。

－ 原本的重量 剩下的重量

%

（c） 耐久指數 Id2 （Two cycles）

－ 岩石滾動十分鐘後烘乾再滾動十分鐘後烘乾稱重。

 單向度膨脹試驗

（a） 用來測試岩石的回脹壓力及應變。

（b） P

自由膨脹 單向度膨脹

___________________________________________________________________________________

第六章 工程地質中之環境因素

6.1 地形

 高山（>1000 m）：丘陵（>100 m）：台地（平原） = 3：4：3

(1) 高山地形

 坡度陡峭及侵蝕作用強烈，所以常有大規模岩屑堆、崩積土 及弱石。

 常見的地貌景觀：

崩積土

坍方（順向坡滑動，例：草嶺）

向源侵蝕（河川向源頭慢慢沖刷侵蝕）

河谷解壓

水流方向

向源侵蝕

 向源侵蝕： 在河流發源地河床不斷向下侵蝕，使河谷逐漸向上游 延伸加強。

(2) 丘陵地帶(100~1000m)

___________________________________________________________________________________

6.2 大地應力(In Situ Stresses)

K＝h/v

岩盤一般 K≧1 Kirsch’sEquation 現地應力量測

(1)水力破裂法(Hydraulic Fracturing) (最常見) (2)套鑽法(Over-coring Method) (隧道內做) (3)平鈑千斤頂法(Flat Jack Method) (導坑內做)

6.3 河谷解壓

注意產生之地質構造及可能發生地層滑動 6.4 颱風及豪雨

除侵蝕外，亦常有災害(坍方、滑動、土石流、泥流) 原因：侵水軟化以及水壓力上升

6.5 地下水壓

地下水號稱坍方(山崩)的第一號殺手 (對工程來講亦是最困擾因素之一) 其有五個壞處：

(1) 水壓作用於垂直裂縫，形成向下推力 (2) 在潛在滑動面上，降低剪阻力(∵上頂力) (3) 對頁狀結構之礦物(黏土)產生潤滑作用(頁岩) (4) 溶解膠結物質(CaCO3)

___________________________________________________________________________________

6.6 崩積層之開發與整理

如可能則挖除之，若不可挖除則︰

1. 降低地下水位 2. 在坡址拋石

3. 整坡為平台階段(注意排水)，監測地下水位及位移.

其他：地盤改良、擋土牆、地錨…(但經費高)

6.7 風化

風化層之厚度︰

崩滑常發生在風化／非風化之界面

___________________________________________________________________________________

6.8 工程地質計量化及其應用 RMR 0~100 分

隧道要修正(–12~0).修正 RMR.

Q 法(Barton) Q＝

◎RMR＝△C＋RQD＋SP＋Jr＋Jn (4) RSR 法

RSR＝A＋B＋C

A︰岩石種類及地質構造有關 B︰弱面方位

C︰(A＋B)弱面品質

A＋B＋C＝(30 分＋45 分＋25 分)＝100 分 6.9 岩體分類法及應用

(1) 求岩體之變形模數(EM)

EM＝2RMR－100(GPa) For RMR≦50↑↓(當 RMR＞50) (用未修正之 RMR)

(2) 求岩體之剪力強度

岩石強度常用 Hoek＆Brown 之公式

△ ₁＝△₃＋ m＝mi exp【】

S＝exp【】

mi︰為完整岩石之 m 值與岩石種類、礦物及顆粒大小有關.

S︰與岩石之完整性及破碎程度有關 由 RMR 求得 m 及 S

(3) 支撐型式及免支保時間

___________________________________________________________________________________

6.10 新奧工法(NATM)

施工及設計理念：〝design as you go(邊開挖邊設計)〞

NATM 另配合監測來施工及調整設計支撐型式.

七.工程地質之計量化及其應用

岩體分類法：︴RMR(南非).(岩體評分法)(地質力學法)

︴Q(挪威).(岩體品質法)

︴RSR(美國).(岩體構造評分法).

(1) RMR︰1.單位強度(0~15 分) 2.RQD(0~20 分)

3.弱面間距(0~20 分) 弱面分數佔 70 分 4.弱面狀況(0~30 分)

5.地下水(0~15 分)→缺點(佔太低) 6.弱面方位(0~12 分)

0~100 分

EX：UCS＝150MPa，RQD＝70﹪，間距 0.5m，弱面狀況為略粗糙，內寬

＜1mm，u/△1＝0.3；弱面走向垂直隧道軸，弱面傾角 30°，隧道開挖方向 與弱面傾向相反，試求修正後之 RMR 值＝﹖

評分：12＋13＋10＋20(25)＋4＝64or59(未修正 RMR)

___________________________________________________________________________________

第七章 工程地質在自然邊坡穩定之應用

7.1 自然邊坡穩定有關因素

 地質材料。

 地質構造地形與環境因素。

 地形與環境因素。

 工程及其他人為因素。

7.2 地質材料之影響

 膠結物質

（a） 注意之地質材料：黃土、紅土、泥頁岩、粉砂岩（石灰岩）

 材料粒度

（a） 影響崩滑速度、材料強度及內部結構組織。

 粒俓分佈

（a） 粗/細顆粒比值：

－ 粗 ≧ 70％ → 由粗顆粒性質決定

細顆粒

粗顆粒

－ 細 ≧ 30％ → 由細顆粒性質決定

細顆粒

粗顆粒 7.3 地質構造之影響

 大崩山影響因素，依次為：

（a） 地質構造

（b） 風化

（c） 地震

（d） 滑動前科

（e） 飽和

（f） 豪雨

（g） 溫度變化

（h） 採礦

___________________________________________________________________________________

下雨

砂岩 頁岩（不透水）

滑落

＃ 順向坡的坡趾若被砍斷將使得失去支撐的岩層滑落。

順向坡（最怕坡趾被砍斷）

“見光”daylight （露出）

逆向坡（倒插坡） 滑 落

7.4 環境因素影響

 包括大地應力、河谷解壓、地下水壓、暴風雨及颱風、風化與侵 蝕等。

 地下水壓為邊坡穩定之頭號殺手，為坍方之決定因素。

7.5 地形與地貌之影響

 愈年輕之地層和沖積層→愈不穩定及易山崩。

 瞭解地形有助於對地質及邊坡穩定之了解。

7.6 工程及其他人為因素之影響

 開挖次序

1 由

2 上

3 而

___________________________________________________________________________________

 開挖方法

（a） 岩盤之引爆

預裂孔（不填炸藥）

填炸藥

平滑開炸

預裂孔

填炸藥

 伐林及濫墾會造成山崩

（a）因林木除涵養水份外，也有穩定表土作用。

山崩累積面積

伐林

阿拉斯加某山區伐 林後山崩增加情形

測量年代

 水庫蓄水

（a） 水位上升：植物無法成長，土壤鬆軟，σ’↑。

水位上升前 水位上升後

___________________________________________________________________________________

（b） 水庫洩洪

原本水位

後來水位

崩坍

7.7 山崩發生之原因

 剪應力增加和剪力強度降低

（a） 剪應力增加

－ 側方或底部支持移走

破 砂岩 破 破

壞 壞 壞

面 頁岩 面 面

崩坍

洞穴

－ 荷重增加

－ 地震力作用

－ 測向壓力增加 I. 裂縫中之水壓 II. 冰凍膨脹壓力 III. 黏土礦物吸水膨脹

（b） 剪力強度降低原因

－ 風化作用

－ 地質結構：有破裂處

－ 孔隙水壓 → σ’↓ 7.8 邊坡崩坍分類

 土壤邊坡崩坍類型：

－ 崩落

－ 滑動

___________________________________________________________________________________

岩石邊坡崩坍分類：

－ 平面滑動

－ 楔形滑動

－ 圓弧形滑動

－ 翻倒破壞

 山崩的移動方式

－ 墜落

－ 傾翻

－ 平滑

－ 旋轉滑動

－ 組合滑動

－ 流動(潛移) 7.9 航照圖

 垂直比例上有放大效果。

 航照判讀與解釋：

－ 起伏

－ 色調

－ 地面組織：大小、形狀、排列

－ 綿狀構造：岩層、斷層

 反光立視鏡（Stereoscope）

－ 航照地質學

－ 航照測量學

－ 應用： 山、地形、河川、海洋、岸、砂丘、冰川、土石流、

山坡地開發、造林區、斷層、火山……。

 

7.10 邊坡出現崩塌徵兆之對策

 打樁

 砂帶、蛇籠

 水平排水井

 檔土設施

___________________________________________________________________________________

 除掉不穩定土塊

破 壞 面

傾斜計

7.11 地滑徵兆及其判斷

 坡頂有張力裂縫

 坡趾隆起

 坍陷壁產生

 路基傾斜下陷

 土石崩落

 表水排水不良（及地下水）

 沖蝕問題

 邊坡特徵改變（樹木、電桿）

 結構物改變（橋臺、黨土牆、地錨） 前

後 前 後

滑動 破壞面

坡趾隆起

7.12 工程地質個案破壞分析

 順向坡破壞（平面滑動破壞）

－ 原因：坡趾被破壞

 豪雨

 砂頁岩互層、頁岩

___________________________________________________________________________________

第八章 工程地質在水庫工程之應用

8.1 重要因素

 水密性

 坍方 → 淤積及災害

 活斷層及地震

 施工材料

 壩址及壩高

 工程地質調查程序及經度

 淤積

 濫墾：坍方、淤積

8.2 水密性：水位↑，水壓↑，水易向外流 1. 水壓力高低

2. 地下洞穴或礦坑 3. 地質構造

4. 斷層或斷層帶位置 8.3 地質構造

 層面

 節理

 斷層

 摺皺

8.4 水庫內之坍方：土壤或岩層浸水易風化及軟化 1. 泥岩、頁岩：吸水軟化或膨脹→強度↑

2. 崩積土 3. 順向坡 8.5 活斷層與地震

水庫使斷層內 1. 應力增高 2. 滲透水壓↑

3. 斷層泥中之水壓↑

8.6 水壩之施工材料

 土石壩

－ 土石來源及適用性？

－ 膨脹性和擴散性黏土不適用。

 混凝土壩

－ 粒料

___________________________________________________________________________________

第九章 工程地質在壩工之應用

9.1 壩工的工程性質

1. 地形

2. 地質構造與弱面 3. 施工材料

4. 壩基與壩翼之力學性質 5. 地震與活斷層

9.2 壩形之影響因素

河谷地形 寬/高＜3 薄形壩

3~6 厚拱壩或重力式壩

＞6 重力霸、土石壩

土石壩或土壩：1. 適用於較差隻壩雞及地震區 2. 防止膨脹性黏土及擴散性黏土

9.3 地質構造與壩基漏水及破壞 1. 層面

2. 摺皺

9.4 地質材料與壩基：會影響安全之材料如泥岩、崩積土、黏土層、風化 岩石等

1. 膨脹性黏土：阿太堡試驗或 X 光繞射法 2. 擴散性黏土

3. 材料之風化：軟化（消散耐久試驗）

9.5 地質對壩基變形之作用

9.6 地震與活斷層

___________________________________________________________________________________

第十章 工程地質在隧道工程之應用

 直交（佳） → 1

 斜交（尚佳） → 2

 谷部進入（不佳） → 3

 山脊進入（佳） → 4

 平行型（最差） → 5

山 谷

2

4 3

1 5

10.2 選線的重要因素

選線考慮因素 1. 長度

2. 覆蓋厚（h＞5D）

3. 大地應力 4. 斷層

5. 河谷河流及地下水 6. 不穩定及軟弱地層，

___________________________________________________________________________________

不穩定及軟弱地層包含:

a. 崩積土 b. 膨脹性地層

c. 石灰岩多之洞穴區 d. 滑動層

e. 風化層

f. 水位下飽和砂土 g. 礦坑

h. 土/岩交界 i. 斷層帶 j. 地熱

風 化 層

〉5 m

隧 道