第二章 工程地質之材料因素

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第一章

1.1 緒論

『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

(2)

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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

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

(3)

___________________________________________________________________________________

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

(4)

___________________________________________________________________________________

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

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

(5)

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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

(6)

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

(7)

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第二章 工程地質之材料因素

2.1 礦物(約有 3300 種)

 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。

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(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,

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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。

(10)

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 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

岩脈 → 岩 蓋

岩床

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

(11)

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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

沖積扇

曲河

三角洲

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 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

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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 漿

熔化 熔化

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

風化

含水量(water content)

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第三章 岩體中之弱面及地質構造

3.1 完整岩石與岩體

 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):UDEC2D,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。

(15)

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 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)。】

(16)

___________________________________________________________________________________

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

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 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

(18)

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(c) 河谷解壓

張力裂縫 河岸內移 張力裂縫

PR 河床隆起 PR

PR PR

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

(19)

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 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

(20)

___________________________________________________________________________________

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。

 τf = σtan (ψr+ i ) where i 為粗糙度

ψr 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

(21)

___________________________________________________________________________________

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

岩石 cm10 X 100 %

 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

(22)

___________________________________________________________________________________

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

(23)

___________________________________________________________________________________

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

(24)

___________________________________________________________________________________

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

(25)

___________________________________________________________________________________

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)

(26)

___________________________________________________________________________________

 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)

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

(27)

___________________________________________________________________________________

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。

(28)

___________________________________________________________________________________

 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

(29)

___________________________________________________________________________________

 單壓試驗 Uniaxial Compressive Strength (UCS)

D t

 巴西抗張裂試驗(間接張力試驗)

P

σt , 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

(30)

___________________________________________________________________________________

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)

(31)

___________________________________________________________________________________

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)

(32)

___________________________________________________________________________________

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

(33)

___________________________________________________________________________________

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

(34)

___________________________________________________________________________________

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)

(35)

___________________________________________________________________________________

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

(36)

___________________________________________________________________________________

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)

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

2

3

(37)

___________________________________________________________________________________

 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

(38)

___________________________________________________________________________________

(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

砂岩

頁岩

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

(39)

___________________________________________________________________________________

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

(40)

___________________________________________________________________________________

 除掉不穩定土塊

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)

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

(41)

___________________________________________________________________________________

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

(42)

___________________________________________________________________________________

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

(43)

___________________________________________________________________________________

第十章 工程地質在隧道工程之應用

10.1 選線(隧道越短越好)

 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

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,

(44)

___________________________________________________________________________________

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

〉5 m

隧 道

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