行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
不飽和夯實土壤動靜態力學性質之研究 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-035-
執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 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： 博士班研究生-兼任助理：拱祥生
碩士班研究生-兼任助理：廖志穎、邱文宇 博士後研究：楊樹榮
報 告 附 件 ： 赴大陸地區研究心得報告
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 96 年 11 月 01 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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※ 不飽和夯實土壤動靜態力學性質之研究（I） ※
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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 95-2221-E-011-035
執行期間： 95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日
計畫主持人：林宏達教授 博士後研究：楊樹榮博士 博士研究生：拱祥生
碩士研究生：邱文宇、廖志穎
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（已另檔上傳）
□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 96 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
不飽和夯實土壤動靜態力學性質之研究（I）
Static and Dynamic Mechanical Property of Unsaturated Compaction Soil （I）
計畫編號：NSC 95-2221-E-011-035 執行期限：95 年 8 月 1 日至 96 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 博士後研究：楊樹榮博士
主要研究人員：拱祥生、邱文宇、廖志穎
一、中文摘要
若干文獻研究及實際案例顯示，大部 分的不飽和夯實土壤人造邊坡及路基土 壤，不論在施工階段或是使用維護階段皆 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 合理詮釋該類邊坡及路基土壤之行為。所 以不飽和夯實土壤邊坡與路基土壤工程行 為之研究，是很值得研究的課題。本計畫 主要研究目標是以現地應力路徑觀點，進 行不飽和夯實土壤靜態與動態力學性質試 驗，分別探討基質吸力於施工階段及維護 階段不飽和夯實土壤的靜態（剪力強度）
及動態（回彈模數及剪力模數）力學性質。
然後應用此工程性質進行暴雨前後不飽和 土壤夯實人工邊坡與路基土壤之工程行為 評估及案例分析。本研究為國際上首次以 不飽和土壤力學的觀點，進行跨領域（大 地工程及鋪面工程）工程行為的研究。本 計劃是二年研究計劃（95-96 年度）中的第 一年，本年度研究重點是建置完成濾紙法 土壤吸力之儀器設備、進行土壤微觀結構 MIP 及 SEM 分析、探討土壤微觀結構與土 壤吸力關係、進行不飽和夯實土壤水分特 性曲線試驗及建立不飽和夯實土壤動態力 學試驗儀器等。
關鍵詞：邊坡穩定、不飽和夯實土壤、土 壤水分特性曲線、基質吸力、回彈模數 Abstract
Previous studies show that man-made compacted slopes and subgrade soils are usually unsaturated during construction and
service periods. The behavior of the unsaturated compacted soil slope and subgrade soils can be better understood by applying the theory of the unsaturated soil mechanics. Therefore, the mechanical property and engineering behavior of the unsaturated compacted soil slope and subgrade soils warrant further studies. The main goal of this research is to investigate the effects of matric suction on the static (shear strength) and dynamic (resilient and shear modulus) properties of unsaturated compacted soil during construction and service periods. This goal is to be achieved by conducting a series of static and dynamic laboratory tests to determine the engineering behavior of the unsaturated soils.
Subsequently, the engineering properties would be examined to evaluate the engineering behavior of the unsaturated compacted man-made slopes and flexible pavement system. Finally, case studies will be performed to verify the developed model and to provide insights for the design of such soil slopes and subgrades. Based on the theory of unsaturated soil mechanics, this study is also a pioneer of multidisciplinary research (geotechnical and pavement). This year ’ s pr oj ec t i s t he first of a two-year project (2006~2008). The main tasks are to build up instrument for measuring the matric suction via filter paper, to use the MIP and SEM method to observe the microstructure of the soils, to carry out the soil-water characteristic curve test, and to build up the dynamic unsaturated triaxial apparatus.
Keywords: Slope Stability, Unsaturated
Compaction Soils, Soil-Water Characteristic Curve, Matric Suction, Resilient Modulus 二、緣由與目的
夯實土壤的工程行為一直是重要且熱 門的研究主題。因此許多文獻嘗試以夯實 曲線及回彈模數來評估並預測夯實土壤的 靜態及動態工程行為。但該方法僅能考慮 含水量對於夯實土壤工程行為的影響，至 於以土壤基質吸力（Matric Suction）的觀 點來探討夯實土壤的動靜態力學性質則並 不多見。本計畫主持人預計將以兩年的時 間，應用不飽和土壤力學的理論，並延續 主持人先前執行的國科會三年期計畫「暴 雨前後不飽和土壤邊坡工程行為之研究」
的研究成果，進行不飽和夯實土壤動靜態 力學性質之研究。本計畫將以微觀（土壤 孔隙尺寸及結構）及巨觀（力學行為）之 觀點，分別探討基質吸力對於施工階段及 維護階段不飽和夯實土壤的靜態（剪力強 度）及動態（回彈模數）力學性質，並進 一步應用至不飽和人造邊坡的穩定性分析 及鋪面系統之變形性分析。整個研究最大 的特色，將以實際夯實土壤的現地應力路 徑之觀念探討不飽和夯實土壤的靜態及動 態力學性質。
本研究為國際上首次以不飽和土壤力 學的觀點，進行跨領域（大地工程及鋪面 工程）工程行為的研究。為了達成上述目 標，本計畫聘請一位鋪面工程領域具有豐 富研究經驗的博士後研究人員（楊樹榮博 士）參與本計畫的執行。本計劃是兩年期 研究計劃，第一年（95-96 年度）的研究重 點是建置濾紙法土壤吸力之儀器設備、進 行土壤微觀結構 MIP 及 SEM 分析、探討 土壤微觀結構與土壤吸力關係、進行不飽 和夯實土壤水分特性曲線試驗及建立不飽 和夯實土壤動態力學試驗儀器等，研究成 果對於後續的研究奠定良好的基礎。預期 經由兩年的研究成果，將可以對不飽和人 工邊坡、土堤、土石壩及鋪面系統的工程 行為有更深入的瞭解，具有相當高的學術 價值和工程應用潛能。
三、結果與討論
本年度已完成之研究成果包括建置完
成濾紙法土壤吸力之儀器設備、進行土壤 微觀結構 MIP 及 SEM 分析、進行不飽和 夯實土壤水分特性曲線試驗及完成不飽和 夯實土壤動態力學試驗儀器研發。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 , u a , u w 中之任兩個變數之組合來定 義其應力狀態。其中 u a u w 定義為基質 吸力，基質吸力從公式上直接解釋代表孔 隙水壓力 u w 與孔隙氣壓力 u a 兩者之壓
力差。基質吸力代表的物理現象，即傳統 飽和土壤力學所稱之負孔隙水壓力，瞭解 基質吸力便能掌握不飽和土壤的行為。本 研究下述之試驗及分析模式均考慮了基質 吸力對不飽和土壤動態及靜態力學性質之 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、土壤水分特性曲 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 建置濾紙法試驗儀器 1.試驗原理
本計畫採用濾紙法進行不飽和夯實土 壤基質吸力量測，以瞭解夯實含水量對土 壤吸力之影響。濾紙法可用來測定土壤中 的總吸力及基質吸力，因為其測定的方法 是透過濾紙作為傳感體，藉以求得土壤之 吸力，因此利用濾紙法量測吸力為間接 法，可量測大範圍的吸力值。
依據濾紙能與土壤在密閉系統中達蒸
氣壓平衡之基本假設，測定土壤中的總吸
力與基質吸力，其試驗方法分為接觸式試
驗與非接觸式試驗。接觸式試驗是以烘乾
的濾紙放在土壤試體中直接接觸，土壤試 體中的水分便會流入濾紙中，並達到平 衡，此平衡時之含水量可求得相對於土壤 試體的基質吸力。非接觸式試驗則是將濾 紙與土壤試體同置於密閉容器中，利用塑 膠墊片將濾紙與土壤試體隔開，此時土壤 試體中所產生的水蒸氣便會進入濾紙內，
並達到平衡，而平衡時的含水量可以求得 相對於土壤試體中的總吸力。
2.濾紙之校正曲線
因濾紙特性可能會受到濾紙產品不同 廠牌及不同出廠批次之影響，其不同規 格、廠牌之濾紙其吸力不盡相同，故在施 作濾紙法試驗前，應依據所選用之濾紙，
建立屬於該批次濾紙之校正曲線。
濾紙之校正原理與鹽溶液法相同，基 於固定溫度下，密閉容器溶液中的水分子 會受到溶質的影響，水分子的活動力會減 弱，進而改變溶劑的蒸氣壓，根據 Ke l vi n’ s Equation 總吸力亦隨之改變。因此，可於 密閉容器內調配不同濃度的鹽溶液，並利 用濾紙吸水的特性，當密閉容器內濾紙含 水量與相對濕度達到平衡時，即濾紙含水 量不再有變化，即可求得濾紙含水量與吸 力之關係，其校正示意如圖一所示。
圖一 濾紙之校正示意圖 3.濾紙法試驗步驟
試驗係依據美國材料及試驗學會規範 ASTM D 5298-94 進行。試驗儀器如圖二 所示，試驗步驟如下：
(1)濾紙準備
濾紙使用之前需在 105℃烘箱中烘乾 至少 24 小時以上，直到試驗開始時再將其 取出。
(2)試體製作
相同初始條件之夯實試體尺寸直 徑 5cm、高 2cm 兩片，且兩片試體相疊 後 之 體 積 必 須 大 於 玻 璃 罐 容 積 之 75%，以利縮短平衡時間。
(3)基質吸力之量測
在試體相疊接觸的地方，放置三張 濾紙，外側的濾紙採用 Whatman No.1 濾紙，主要防止試體弄髒中間的濾紙，
中間的濾紙採用 Whatman No.42 濾紙 用來量測基質吸力，中間濾紙直徑須稍 小於外側濾紙，這樣即可防止中間濾紙 直接於試體接觸，試體相疊處需以電工 絕緣膠帶密封，而後在試體上放置塑膠 墊片，再將 Whatman No.42 濾紙放置 於其上用以量測總吸力，蓋上玻璃罐蓋 子，並以電工絕緣膠帶密封。其試驗示 意如圖三所示。
(4)平衡吸力
將 密 封 之 玻 璃 放 置 於 恆 溫 設 備 內，平衡過程中，須注意因溫度波動造 成對玻璃罐內相對濕度的影響，故規範 規定恆溫設備外部溫度變化超過 3℃
時，其內部溫度波動不能超過±1℃，一 般使用之溫度為 25℃。平衡時間為 10~14 天。
(5)量測濾紙含水量
利用一對小鉗子將濾紙於玻璃罐 中迅速取出，置入鋁罐中秤重，以減少 濾 紙 與 空 氣 接 觸 。 利 用 有 效 位 數 達 0.0001g 之高精度電子秤，精確量測濾 紙重量。再放置在溫度為 105℃之烘箱 中，約 2 小時後秤其重量，重複此步驟 3 次求其濾紙含水量平均值，以確保數 據之精確度。
(6)土壤吸力之決定
將所得到之濾紙含水量，對應到濾
紙含水量與吸力之校正曲線，即可得到
相對的吸力值，此值即為土壤之基質吸
力與總吸力。
圖二 濾紙法試驗設備
圖三 濾紙法試驗示意圖 3.3 土壤微觀試驗
本試驗利用場發射掃瞄式電子顯微鏡 及壓汞儀量測孔徑技術，觀察不飽和夯實 紅土在不同含水量作用下，土壤微觀結構 及孔隙分佈狀況，茲就試驗儀器與結果分 述如下。
1.試驗儀器
(1) 場發射掃描式電子顯微鏡(SEM)
場發射掃描式電子顯微鏡之優點在於 電場所發射之電子束小，亮度高，於觀察 土壤微觀特徵上，具有傳統掃描式電子顯 微鏡所明顯不及之高解析度，其成像原理 是利用電場發射之入射電子束做為光源撞 擊試片，使試片激發出二次訊號(一般的二 次訊號包括直射電子、散射電子、二次電 子、背向散射電子、Auger 電子及 X 射線 等)，經由訊號放大器送至陰極映像管中，
再由螢光幕呈現試體微觀晶相，亦可由內 附之照相機做攝影，藉以觀察試體微觀之 結構。
(2) 壓汞法(MIP)
壓汞法量測孔徑原理乃利用非親水性 液體(水銀)必須在高壓作用下才能注入到 試體內部孔隙，藉由系統量測到的壓力值 與水銀體積的變化量，即可利用 Washburn 方程式換算出孔隙直徑大小、孔隙分佈情 況、孔隙率、孔隙比表面積等數據，其可 量測孔隙直徑範圍為 4nm 到 200μm，足以 反映大多數試體孔隙結構的狀況。
2.試驗結果
(1) 場發射掃描式電子顯微鏡(SEM)
本 試 驗 取 六 組 不 同 夯 實 含 水 量 (15
％、16.5％、18％、19.5％、22.5％、26.5
％)之試體為 SEM 代表試體，分別為乾側 試體(15％、16.5％、18％)之顯微照片如圖 四至圖六所示。整體而言，乾側試體之夯 實紅土結構呈現土團構造，並可清晰看出 各小土團間存在孔隙且同小一土團之黏土 薄片以面面結合的形式分布，但各小土團 則彼此隨意排列且接觸點明顯。
O.M.C 試體(19.5％)之顯微照片圖七至 圖九所示。在低倍率下(100X)觀察，試體 仍可見土團構造特徵，其土團間留有明顯 之孔隙且未完全聚集成ㄧ無間隙之土體。
但在高倍率(500X 以上)觀察，土體已呈現 整體性構造特徵。
濕側試體(22.5％、26.5％)之顯微照片 如圖十與圖十一所示。由圖可觀察出濕側 試體之夯實紅土結構均呈現整體性構造，
土團之黏土薄片約略成平行排列，而各團 塊間存有縫隙。
综合以上對夯實紅土之電子顯微鏡觀 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。
(2) 壓汞法(MIP)
由定性之 SEM 微觀照片得知，夯實含
水量為影響土壤組構之最大因素，因此本
試驗利用 MIP 壓汞法分析夯實紅土內部之
孔隙結構狀況，試其瞭解夯實紅土之不同
組構下之孔隙分佈狀況，並對其結果作定
量 分 析 。 本 試 驗 僅 針 對 乾 側 (15%) 、
O.M.C(19.5％)及濕側(26.5%)探討夯實含
水量對孔隙結構之影響。
圖四 乾側(15%)之夯實試體放大倍率為 2000 X
圖五 乾側(16.5%)之夯實試體放大倍率為 2000 X
圖六 乾側(18%)之夯實試體放大倍率為 2000 X
圖七 O.M.C(19.5%)之夯實試體放大倍率 為 100 X
圖八 O.M.C(19.5%)之夯實試體放大倍率 為 500 X
圖九 O.M.C(19.5%)之夯實試體放大倍率 為 2000 X
圖十 濕側(22.5%)之夯實試體放大倍率為 2000 X
圖十一 濕側(26.5%)之夯實試體放大倍率
為 2000 X
不同夯實含水量試體在由小逐漸變大 之連續壓力作用下，汞被灌入試體孔隙之 壓汞曲線如圖十二所示，橫軸為孔隙直 徑，縱軸為累積灌入汞量，此值為試體在 連續壓力作用下汞灌入不同孔徑之累積 值。不同夯實含水量試體之孔隙分佈約在 45.15um 至 0.0015um 之間。由於濕側試體 之孔隙比較大，使壓汞量比乾側試體及 O.M.C 試體來得高，其值為 0.276(cm 3 /g)，
此值與濕側試體飽和時之含水量 0.287 相 近；乾側試體之壓汞量為 0.235(cm 3 /g)，其 飽和時之含水量為 0.246；O.M.C 試體之壓 汞量為 0.195(cm 3 /g)，其飽和時之含水量為 0.215，此結果顯示汞已取代原先之孔隙水 而填滿孔隙，因此，壓汞法之試驗結果能 夠充分反應不同試體之孔隙分佈大小。
試體孔徑在 3um 及 0.02um 出現分界 值，本試驗依循 Rao(2003)之定義，將夯實 紅土中之孔徑分為三種，分別為粗孔徑，
孔 徑 介 於 45~3um ； 中 孔 徑 ， 孔 徑 介 於 3~0.02um；細孔徑，孔徑介於 0.02~0.0015um。
其各孔徑範圍佔試體總孔徑之百分比如表 一所示。其中乾側試體(15%)及 O.M.C 試體 (19.5％)在粗孔徑之比例皆低於 15.46 %。
表一 不同夯實含水量之孔徑分佈比例
0.001 0.01 0.1 1 10 100
0 0.1 0.2 0.3 0.4
W = 15% , e = 0.652 W = 19.5% , e = 0.570 W = 26.5% , e = 0.760
Pore radius (um) C u m u la ti v e m er c u ry v o lu m e in tr u d ed (c m 3 /g )
圖十二 不同夯實含水量之壓汞曲線
而濕側試體(26.5%)之粗孔徑之比例則較高
（佔 38.42 %），對於土壤基質吸力特性之 影響，值得進一步探討。
3.4 土壤水分特性曲線試驗
量測土壤吸力方式有許多種，其各有 優缺點，但不論何種試驗方法，皆存在著 吸力平衡時間長、可量測吸力範圍受儀器 種類限制等問題，故一般多搭配不同之試 驗方法來量測土壤吸力。故本試驗將藉由 壓力平板試驗及鹽溶液試驗來量測土壤吸 力，並利用 Fredlund 等人(1994)所提出之迴 歸公式，求得完整之土壤水分特性曲線，
茲就試驗結果分述如下。
1. 壓力平板試驗
一般國內使用壓力平板試驗，其最大 壓力值較少超過 800kPa，而本試驗所施加 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，並將試驗結 果繪製土壤水分特性曲線（圖十三） ，茲就 結果探討如下：
(1)乾側試體在初始階段承受低基質吸 力時，其孔隙水排出之幅度相當一致，當 基質吸力大於 100 kPa 時，則可發現試體孔 隙水排出之幅度相當大。
(2)O.M.C 試體在低基質吸力階段時，
其孔隙水排出之幅度相當一致，當基質吸 力超過 40 kPa 時，含水量有明顯之下降趨 勢，但幅度不大，此因 O.M.C 試體之乾密 度較高，保水能力較佳。
1 10 100 1000 10000
16 20 24 28 32 36
D ry of optimun W=15 %,e = 0.6 52 O.M.C W=19.5%,e = 0.57 W et of optimun W= 26.5% ,e = 0.760
Suction : kPa
W a te r c o n te n t , %
圖十三 壓力平板試驗之水分特性曲線
含水量
孔徑分界 15% 19.5% 26.5%
D>3 um 15.46 % 7.72 % 38.42 %
0.02<D<3 43.20 % 51.98 % 31.90 %
D<0.02 41.34 % 40.3 % 29.68 %
(3) 濕側試體在初始低基質吸力階段 時，其孔隙水排出之幅度相當大，此因濕 側試體之乾密度較低，保水能力差。
2. 鹽溶液試驗
鹽溶液試驗係利用不同之飽和鹽溶液 製造出不同之相對濕度環境，再根據已知 的相對濕度及試驗時之溫度利用公式計 算，則可求得基質吸力、含水量及體積含 水比，本試驗針對夯實含水量 15%、O.M.C 及 26.5%之試體進行鹽溶液試驗，實驗數 據如表二所示，茲就結果討論如下：
(1) 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 飽和鹽溶液製造出之相對濕度越低，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，
故基質吸力會隨相對濕度之減小而變大。
(2) 由於壓力平板試驗在儀器上有一 定之限制，故不易量測高吸力之範圍，因 此可利用鹽溶液試驗取代壓力鍋試驗來求 得較高之土壤吸力。
3. 完整土壤水分特性曲線
將壓力平板試驗之數據與鹽溶液試驗 數據結果彙整於圖十四。鹽溶液法的量測 範圍則較壓力平板試驗為大，壓力平板對 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，較高吸力範圍則採鹽 溶液法施作。此外，利用 Fredlund 等人(1994) 所提出之回歸公式繪製完整之土壤水分特 性曲線如圖十五所示。
不同之夯實含水量因不同之土壤組 構，其試體之保水能力就有差異。當初始 低基質吸力階段時，濕側試體之飽和度下 降幅度較乾側與 O.M.C 試體多，此現象可 能與團塊間之孔隙有關。當施加壓力大於 35 kPa 時，乾側試體之飽和度比下降幅度 反而大於濕側試體，此現象說明濕側試體 之團塊間孔隙水已排除，因團塊內之孔隙 較乾側試體之土團間孔隙小，故需要更大 之吸力才能使水排出，所以保水能力較乾 側試體佳。O.M.C 試體因土壤顆粒排列較 為緊密，抵抗孔隙水之排出能力較佳，其
土壤水分特性曲線較為平緩，故保水能力 較乾側試體及濕側試體佳。
1 1 0 100 1000 10000 10 0000 100 0000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Dry of optimum W = 15%, e = 0.652 O.M.C W = 19.5% , e = 0.570 Wet of optimum W = 26.5%, e = 0.760
Suction : kPa
N o rm a li ze d v o lu m et r ic w a te r co n te n t
圖十四 不同夯實含水量之水分特性曲線
1 10 100 10 00 10000 100000 1000000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Dry of optimun W=15%,e=0.652 O.M.C W=19.5%,e=0.57 Wet of optimun W=26.5%,e=0.760
Suction : kPa
N o r m a li z ed v o lu m et r ic w a te r c o n te n t
圖十五 完整之水分特性曲線 表二 鹽溶液試驗數據
3.5 土壤動態力學試驗 1.試驗儀器
本年度已完成之研究成果包括不飽和
Dry of optimum
ω=15％
O.M.C ω=19.5％
Wet of optimum ω=26.5％
基質吸力 (kPa) 含水量
(％)
體積含 水比
(％)
含水量 (％)
體積含 水比
(％)
含水量 (％)
體積含 水比
(％)
1 24.93 40.08 21.96 36.95 32.19 48.28
15 22.21 35.71 19.99 33.63 30.53 45.79
41 20.97 33.70 19.89 33.46 28.78 43.16
234 20.33 32.67 19.63 33.02 27.36 41.04
453 18.34 29.48 18.93 31.86 23.97 35.94
1365 17.43 28.01 18.27 30.74 20.41 30.61
2282 16.81 27.97 18.07 30.40 20.19 30.27
3206 16.87 27.10 17.61 29.63 18.84 28.26
4400 16.44 26.42 17.34 29.17 17.92 26.87
38000 11.68 18.76 14.20 23.89 10.14 15.21
85600 10.17 16.33 11.27 18.964 9.31 13.96
151700 9.51 15.27 10.78 18.138 9.04 13.56
土壤動力三軸試驗系統研發及彎曲原件試 驗儀器之建置與初步試驗。茲就研究成果 簡述如下：
(1)不飽和土壤動力三軸試驗系統研發 本研究所發展的不飽和土壤動力三軸 試驗系統組成如圖十六所示，包含 MTS 動 力設備、不飽和土壤三軸室、壓力系統及 量測原件（LVDT、荷重元、水壓計及氣壓 計）。不飽和土壤的孔隙中存在著水及空 氣，因而試驗儀器須具備能分別獨立控制 與量測孔隙氣壓力及孔隙水壓力的功能，
而當孔隙水壓力處於負值時，將使量測系 統中的水有氣化現象，進而影響孔隙水壓 之量測與控制，可藉由不飽和土壤三軸室 下端座裝置高進氣吸力值陶瓷板並配合軸 平移技術達到分別獨立控制與量測孔隙氣 壓力及孔隙水壓力的目的。
(2)彎曲原件試驗
本研究除以軸平移技術控制土壤基質 吸力進行反覆載重試驗外，並使用濕化序 提昇試體含水量，俟吸力穩定後再以濾紙 法量測土壤基質吸力，及以彎曲原件量測 土壤最大剪力模數，藉以探討兩者關係。
彎曲元件係指嵌入土壤內利用發射及 接 收 剪 力 波 的 兩 片 壓 電 陶 瓷 晶 片 (Piezoceramic Cermics)，並藉由波源產生器 所激發之電壓，由波源產生一脈波經訊號 線 傳 遞 至 其 中 一 片 彎 曲 元 件 ( 稱 為 傳 遞 端：Transmitter)，使其受到電壓激勵後產 生彎曲震盪之行為，產生一剪力波通過土 壤試體後，由另一端彎曲元件接收(稱為接 收端：Receiver)，輸入及輸出的訊號都同 時由示波器來接收，最後進行資料之計算 處理。處理上，首先必須決定傳遞時間，
配合傳遞距離計算土壤剪力波速，然後依 波傳理論公式計算最大剪力模數，如(1)式 及(2)式。
tt s
V L
t (1)
其中：V s 為剪力波速；L tt 為彎曲元件尖端 傳遞之距離(m)；t 為剪力波傳遞之時間 (sec)。
2
max s
G V (2)
其中：G max 為最大剪力模數；V s 為剪力波 速；ρ為土體之密度。
2.試驗結果
(1)不飽和土壤動力三軸試驗結果
當 不 飽 和 土 體 內 部 液 體 受 到 壓 縮 或含水量增加時，會反應在土壤內部孔 隙水的流動及對基質吸力產生影響。圖 十 七 所 示 為 夯 實 紅 土 受 動 態 載 重 下 基 質吸力變化結果，由不飽和夯實紅土動 力三軸試驗過程量到的基質吸力變化結 果顯示 ，隨著 動力三軸試驗加載次數的 增加，夯實土壤基質吸力呈現下降的行 為。因而不飽和夯實土體受反覆荷載會 造成超額孔隙水壓的激發，而土壤孔隙 水壓力的上升，使土壤基質吸力有明顯 的下降。因此，影響不飽和夯實土體基 質吸力的因素，除了季節性降雨造成土 壤內部含水量增加的影響外，反覆荷載 造 成 不 飽 和 夯 實 土 壤 孔 隙 水 壓 上 升 亦 是主因之ㄧ。
夯實紅土在受 動 態 載 重 下 回彈應變 與軸差應力之關係如圖十八所示。當軸差 應力增加時，初始基質吸力為 50 kPa 及 150 kPa 時的回彈應變增量相較於初始基質吸 力為 450 kPa 回彈應變增量來的大。由此可 知，基質吸力提高會使土壤勁度增加而使 變形減小，因而基質吸力愈高回彈應變愈 小。
進一步觀察夯實紅土於動態載重下所 累積之塑性應變，試驗結果如圖十九。塑 性應變隨著反覆載重次數的增加而逐漸累 積，各階反覆載重在 10,000 次以內，塑性 應變會漸趨穩定，而不再增加。此外，於 圖十六 不飽和土壤動力三軸儀器組合設備
示意圖
相同反覆載重次數下，基質吸力愈低所引 致之塑性應變愈大，顯示基質吸力對於不 飽和土壤永久變形的抵抗，有其成效存 在。換言之，不飽和土壤於動態載重下會 累積過大的永久變形而造成破壞，必須有 良好的鋪面排水設計及降低反覆載重應 力，係因此兩項為影響土壤基質吸力關鍵 因素。
(2)彎曲原件量測不飽和夯實土壤剪力模數 結果
為探討含水量對不飽和夯實土壤最大 剪力模數的影響，需先將試體濕化再配合 彎曲元件量測，及以濾紙法求得濕化後之 基質吸力。最大剪力模數試驗結果如二十 所示，由圖中可知，含水量較低的試體有 較 高 的 最 大 剪 力 模 數 ， 此 結 果 與 Sawangsuriya 等人研究結果及一般夯實理 論認為乾側之試體有較大的勁度的觀點相 同。但濕化後，無論於乾側、OMC 及濕側 夯實試體，其最大剪力模數皆隨著含水量 增加而遞減，但乾側試體之 G max 對含水量 的變化較敏感，當含水量增加少量時，G max 即會有明顯下降之趨勢， 在濕化含水量約 20%時，其下降之趨勢趨於平緩，受含水 量的影響愈來愈小。而 OMC 夯實試體之最 大剪力模數隨含水量遞減之幅度較小，但 濕側夯實試體又對含水量變化相當敏感。
由此可知濕化初期，乾側之 G max 對含水量 的變化最為敏感，當各夯實狀態之試體濕 化達到平衡含水量時，因 OMC 狀態之試體 本身結構較緊密，所以其 G max 最高，其次 為乾側，而濕側此時仍為最低。此外，在 不同夯實狀態下，夯實紅土最大剪力模數 皆隨著基質吸力之遞減而遞減，試驗結果 如圖二十一所示。
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Number of Load Cycles
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
M a tr ic S u c ti o n (k P a )
Initial Matric Suction 450 kPa 150 kPa 50 kPa
圖十七 基質吸力隨載重次數變化情形
0 20 40 60 80 100 120
Deviator Stress (kPa) 0
0.1 0.2 0.3
R e si li e n t S tr a in (% )
Initial Matric Suction 450 kPa 150 kPa 50 kPa
圖十八 回彈應變與軸差應力關係
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Number of Load Cycles
0 0.05 0.1 0.15 0.2
P la st ic S tr a in (% )
Initial Matric Suction 50 kPa 150 kPa 450 kPa
圖十九 塑性應變隨載重次數變化情形
14 16 18 20 22 24 26
Water Content (%)
20 40 60 80 100
G m ax (M P a )
Initial Condition Dry Side OMC Wet Side
圖二十 最大剪力模數與含水量關係
0 300 600 900 1200 1500 Matric Suction (kPa)
20 40 60 80 100
G m ax (M P a)
Initial Condition Dry Side OMC Wet Side
圖二十一 最大剪力模數與基質吸力關係 四、計畫成果自評
本年度計畫已完成預定工作，包括建 置完成濾紙法土壤吸力之儀器設備、不飽 和夯實林口紅土土壤微觀結構 MIP 及 SEM 分析、土壤水分特性曲線試驗及完成不飽 和夯實土壤動態力學試驗儀器研發與初步 試驗。目前正持續進行第二年不飽和夯實 土壤之靜動態態力學試驗，對於本計畫後 續之研究奠定相當深厚之基礎。
本計畫已建置完成之濾紙法土壤吸力 之儀器設備，將能涵蓋至較大範圍之吸 力，對於不飽和基質吸力特性之研究有相 當關鍵之幫助。至於嘗試以微觀試驗觀察 土壤孔隙結構特性與基質吸力之關係，則 得到相當的豐富成果與寶貴經驗，將可提 供第二年研究之參考。第一年之成果以不 同含水量之吸力特性進行探討，第二年則 將研究重點放在不同夯實能量對於基質吸 力特性之影響。此部分詳細之成果請參閱 邱文宇（2007）之碩士論文。
至於在不飽和土壤動態力學試驗部 分，已成功發展軸平移技術於不飽和土壤 動力三軸試驗系統（詳細之成果請參閱廖 志穎（2007）之碩士論文） ，並針對林口夯 實紅土進行試驗，部分成果已投稿至 ASCE Journal 和發表在今年第十二屆大地工程研 討會（楊樹榮等人，2007） ，並獲得該會優 良論文獎，顯示本研究深具學術及實務價 值，對於後續夯實土壤動靜態力學性質之 研究，應可奠定相當深厚的基礎。
有關於不飽和紅土基質吸力特性及其 對於邊坡穩定工程行為與回彈模數之影 響，本研究團隊亦受邀於 2007 年於大陸天 津舉行之海峽兩岸地工技術∕岩土工程交 流研討會，以「不飽和紅土之基質吸力特 性及其應用」為題，發表專題演講(keynote Lecture)，對於不飽和土壤在邊坡工程與鋪 面工程及台灣工程上的應用潛能，有詳細 之論述與剖析，值得參考。
五、參考文獻
1.林宏達、拱祥生(2001)， 「不飽和土壤力 學性質試驗及其在邊坡工程之應用」 ，地 工技術第 83 期，pp.39-52。
2.林宏達、拱祥生、楊樹榮(2007)， 「不飽 和紅土基質吸力特性及其應用」，2007 海峽兩岸地工技術/岩土交流研討會，天 津，台灣卷第 31～42 頁。
3.邱文宇 (2007)，「應力歷史與土壤組構 對夯實紅土水份特性曲線之影響」 ，台科 大營建系碩士論文。
4.楊樹榮、拱祥生、廖志穎、林宏達(2007)，
「不飽和夯實土壤動力三軸試驗」 ，第十 二屆大地工程研討會，南投縣，論文編 號 B3-06。（獲選大會優良論文獎）
5.廖志穎(2007)， 「不飽和路基土壤濕化及 剪力模數研究」，台科大營建系碩士論 文。
6.Fredlund, D. G., and Morgenstern, N. R., (1978). Stress State Variables for Unsaturated Soils, Geotechnical Division, GT11, pp.1415-1416.
7.Fredlund, D. G. and Xing, A.
(1994), ” Equations for the Soil-Water Characteristic Curve” , Canadian Geotechnical Journal, 31, pp.521-532.
8. Rao, S. M., and Revanasiddappa K. (2003),
“ Rol e of Soil Structure and Matric Suction in Collapse of a Compacted Clay Soil” , Geotechnical Testing Journal, 26(1), pp.1-9.
9. Sawangsuriya, A., Edil, T.B., Bosscher, P.
J., and Wang, X. (2006), “ Small-Strain
Stiffness Behavior of Unsaturated
Compacted Subgrade,” Geotechnical
Special Publication, 147, pp. 1121-1132.
行政院國科會補助出席 國際學術會議報告
報 告 人：林宏達
服務機關及職稱：國立台灣科技大學營建工程系教授
會議時間及地點：民國九十六年四月十六日至四月二十日大陸 天津/北京
補 助 編 號：NSC95-2211-E-011-035
會 議 名 稱：（中文）2007 海峽兩岸岩土工程/地工技術交 流研討會
（英文）
發 表 論 文 題 目：不飽和紅土之基質吸力特性及其應用（主題
報告論文）
一、參加會議經過
2007 海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會於 96 年 4 月 16 日到 4 月 20 日在大陸天津/北京召開為期 5 天之會議和工程觀摩。海峽兩岸地工 技術交流研討會為兩岸地工領域最具規模且歷史最悠久之學術研討會，此 項研討會始自 1992 年北京，已歷台北(1993) 、西安(1994) 、上海(2002) 及台北(2004)五次。交流成果豐碩，深獲產官學各界一致好評。本次研討 會(2007)由中國建築業協會深基礎施工分會（大陸）與財團法人地工技術 研究發展基金會（台灣）共同主辦，，大會承辦單位為天津城投建設有限 公司和北京城建設計研究院，協辦單位則包括天津大學等 15 個單位。此 次會議地點在天津市金皇大酒店，議程共三天（4 月 16～4 月 18 日），
會後大會並安排天津/北京兩天之工程考察（4 月 19～4 月 20 日），包括 奧運體育館等許多正在進行中之重大工程。兩岸專家學者與會情形非常熱 烈，台灣有 81 位（不含眷屬），大陸有 117 位註冊，另有天津大學師生 17 人在會場協助會務。
本次研討會之會議主題為「岩土工程的安全與品質」，研討會內容包 含主題報告(keynote Lectures)和分組討論。由這些主題報告內容可窺知兩 岸近年來重大工程案例和最新之地工研究課題。主題報告共計台灣六篇，
大陸 9 篇，本人受邀代表台灣報告我們在不飽和紅土之基質吸力特性及其 應用方面之研究成果（論文稿如附），報告完後大陸張在明院士和香港工 程師學會岩土分部主席何毅良先生都主動表達肯定之意，並期望將來能有 機會合作。茲將報告主題和報告人分別條列於下：
台灣部分
1. 台灣高速鐵路建設 (歐晉德 台灣高鐵股份有限公司 執行長)
2. 台北捷運新莊線道岔段深開挖與抽降水之安全監控 (胡邵敏 三力技 術工程顧問股份有限公司 總經理)
3. 高雄捷運 O1 車站深開挖施工災變之補救過程 (陳斗生 富國技術工程 顧問股份有限公司 董事長)
4. 台灣隧道設計與施工 (侯秉承 中興工程顧問公司 經理)
5. 不飽和紅土之基質吸力特性及其應用 (林宏達 台灣科技大學營建系 教授)
6. 高壓喷射灌漿技術在两岸的應用經驗 （鐘毓東 地工技術基金會 董事
長）
大陸部分
1. 岩土工程的工程方法 (張在明 北京市勘察設計研究院 大師/院士) 2. 大陸岩土及地下工程安全風險管理的形勢與展望 （楊秀仁 北京城建
設計研究總院 總工程師）
3. 天津東站交通樞纽工程规劃設計方案與關鍵技術综述 (劉玉琦 天津 城投建設有限公司 總经理)
4. 城市軌道交通工程建設環境安全風險控制 (羅富榮 北京軌道交通建 設管理公司 副總經理)
5. 深基礎工程中的若干技術問题 (鄭剛 天津大學土木工程系 主任) 6. 奥運會國家體育場(鳥巢工程) (李久林 北京城建集團 總工程師) 7. 天津濱海地區軟土地基岩土工程問题 (吳永红 天津市勘察院 總工程
師)
8. 古塔、古崖、古窟等古建保護中的岩土工程 (王楨 中北鐵道西北設計 研究院 院長)
9. 南水北調的西線工程 (張鏡劍 華北水利水電大學 教授)
分組討論分三個會場同時進行，排定口頭論文發表之論文共 79 篇，
台灣 43 篇，大陸 36 篇，主題可歸納為岩土工程理論與研究，隧道、地鐵 土建工程設計與施工，深基坑支護設計與施工，施工降水，地下工程防水，
施工監測，灌漿加固在工程中的應用，地下工程施工風險評估與控制，及 岩土工程施工新機具與設備等。主題報告論文和分組報告論文一起彙編成 兩冊論文集（參見攜回資料）。
依原定計畫，本人於當地時間 4 月 15 日下午飛抵北京，再搭乘主辦 單位安排之專車前往天津，到達會議地點天津市金皇大酒店時已是晚上 9 點多了，立即 check in 並完成報到。4 月 16 早上 9：00 一連 3 天的研討 會正式開始，來自兩岸的專家學者共計約 200 餘人參與研討。Keynote Lectures 大都相當精采，參與相當踴躍，分組論文發表兩岸學者的交流也 相當熱烈。另外在論文研討結束後，大會也安排兩天的現地工程考察行 程，第四天考察天津站樞紐工程（照片一）、天津地鐵工程、天津音樂廳 工程、和天津大學。第五天考察北京奧運體育館工程（鳥巢工程）（照片 二）、北京奧運選手村工程及北京地鐵工程。4 月 20 日工程考察結束後，
筆者繼續參加大會主辦單位安排之會後北京二日古蹟工程觀摩行程，4 月
23 日參訪活動結束後即隨團搭機返回台北。
照片一 天津站樞紐工程考察
照片二 沙塵暴中之鳥巢工程
二、與會心得
此次兩岸地工技術交流研討會是在兩方商訂之主題及架構下，各自進
行邀稿，論文的審查、編輯和出版，因此論文集分為台灣卷和大陸卷。這
種合作模式相當成功，使得籌備過程相當順利，免除了許多不必要之困
擾。值得一提的是此次大陸所印行之論文集，在編排及紙質等都明顯進步
許多，與台灣卷之品質已相去不遠。另外，此次台灣代表是由台灣方面的
主辦單位地工技術研究發展基金會統籌組團後一起前往天津開會，對與會 者相當方便、經濟且有效率。
綜觀此次台灣方面發表之論文還是跟以前一樣相當精采涵蓋各個主 題，有具啟發性之學術研究成果，也有很寶貴的重大工程案例經驗，相信 對與會之兩岸學者專家都是很好的技術交流題材。至於大陸方面之論文則 與過去我的印象有很大的不同，以前大都以理論性的研究為主，但是此次 發表的論文則有許多是重大工程案例之技術心得、現地試驗、監測研究和 三維數值分析等。可能是因為大陸近年來基礎建設蓬勃發展，使得大地工 程師有了許多機會從事大型現地試驗和監測研究。另外，大陸在古塔等古 蹟建築之補強維護技術之發展和成果也令我映象深刻。大地工程的特質本 就應該理論和實務經常的互相印證。大陸目前發展的方向與台灣過去走的 路線類似，這應該是正確的方向。顯見兩岸地工專家學者是「英雄所見略 同」。
大會所安排的兩天的現地工程考察行程相當緊湊和精彩，由天津站樞 紐工程和天津地鐵工程可看出天津是一個正在快速崛起之新都會，塔吊到 處都是，開挖也愈來愈深，因此天津大學土木系非常熱門也就不足為奇 了。北京與天津相比又是另一種景象，北京不愧是中國幾百年的國都，城 市規模氣勢相當恢弘，目前的城市景觀其實已相當現代化和國際化，可惜 的是都會區內交通設施還是明顯不足，快速道路系統比不上台北，因此隨 時隨地都在塞車。北京奧運工程正在如火如荼的進行，可能因為期程緊 迫，我們在奧運村工地參觀時，舉目所見到處都是裸露的表土，施工期間 的水土保持措施顯然並不是優先考慮的項目。如照片二所示，奧運鳥巢體 育館籠罩在一片霧濛濛的沙塵中，不曉得是來自蒙古沙漠之沙塵，還是奧 運工地之沙塵﹖
總之，筆者參加本次兩岸地工技術交流研討會，不管是技術上或是文 化上皆收獲良多，不僅吸收了許多寶貴的經驗，也和來自兩岸的許多著名 專家學者再次交流，對於後續的研究應該會有相當大的啟發和幫助。
三、攜回資料名稱及內容
2007 海峽兩岸岩土工程地工技術交流研討會論文集，共兩冊，包括 台灣卷（424 頁），及大陸卷（603 頁）。
附件：研討會論文
2007 海峽兩岸岩土工程∕地工技術交流研討會 (4 月 16-18 日，天津)
不飽和紅土之基質吸力特性及其應用
林宏達 拱祥生 楊樹榮
台灣科技大學營建工程系
摘要
台 灣 紅 土 大 都 位 於 地 下 水 位 上 方 的 台 地 上 ， 為 典 型 的 不 飽 和 土 壤 。 本 研 究 根 據Freldlund所提出 之 廣義莫 爾庫 倫理論，進 行不飽 和紅 土之基 質吸 力特性 試驗，並 據此探 討其在 工程 上之應 用。本研究 也 是國際 上首 次利用 MTS動力三軸試驗系統，進行一系列控制基質吸力之路基紅土回彈模數試驗，並 藉 此探討 不飽 和紅土 之基 質吸力 對回 彈模數 之影 響。研究結 果顯示，原 狀紅土 之土 壤水分 特性 行為介 於 黏土及 粉土 中間，在相 同的含 水量 狀態下，原 狀土之 基質 吸力較 夯實 土為高，其 原因係 原狀 土土壤 組 構未受 到擾 動，保水能 力較夯 實土 佳。因此，在相 同的環 境及土 壤含 水量狀 態下，不 飽和人 工夯實 紅 土 邊 坡 將 因 為 基 質 吸 力 較 低 ， 使 得 穩 定 性 較 天 然 邊 坡 為 低 ， 必 須 藉 由 控 制 夯 實 品 質 以 提 升 其 穩 定 性。此 外，路 基土壤 之回 彈模數 有隨 著基質 吸力 的增加 而增 加之趨 勢，回彈 應變則 隨著基 質吸 力的增 加 而降低 ，顯 示基質 吸力 可做為 評估 路基土 壤回 彈模數 的重 要參數 。
THE CHARACTERISTIC OF MATRIC SUCTION OF UNSATURATED LATERATIC SOILS AND ITS
ENGINEERING APPLICATION
H. D. LIN, JOHNSON H. S. KUNG, S. R. YANG
DEPARTMENT OF CONSTRUCTION ENGINEERING, TAIWAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
ABSTRACT
Most of the lateratic soils in Taiwan are located above the ground water table, thus the lateratic soils are typical unsaturated soils. Based on the extended Mohr-Coulomb theory proposed by Fredlund, the characteristic of matric suction of unsaturated lateratic soils and its engineering application were studied based on laboratory test results.
This study also carried out the resilient modulus tests under suction control via the MTS cyclic triaxial system. The influences of matric suction on the resilient modulus were investigated. The experimental results showed that matric suction behavior of Taiwan’s lateratic soils is between silt and clay. The matric suction of undisturbed samples were higher than compacted samples. This behavior may be due to higher capacity of the undisturbed sample to keep water than the compacted sample. Based on the above test results, the matric suction that exits in the unsaturated compacted soil slope is lower than the natural soil slope under same environmental conditions. The results infer that the slope stability of the unsaturated compacted soil slope is lower than the natural soil slope. The engineer could improve the slope stability of the compacted soil slope via controlling the quality of compaction. In general, the resilient modulus of unsaturated subgrade soils increased with increasing matric suction. The resilient strain exhibited the opposite trend. Soil’s matric suction has been shown to be an important parameter for the prediction of the resilient modulus.
一、前言
台 灣紅土 大都 位於地 下水 位上方 的紅 土台地 上，為典 型的不 飽和紅 土層。當 工程建 設位於 不飽和
紅 土層時，理 應應用 國際 上漸趨 成熟 的不飽 和土 壤力學 理論 進行分 析和 探討，才能 更精確 掌握 其工程
林宏達等:不飽和紅土之基質吸力特性及其應用
行 為。不 飽和 土壤孔 隙水 壓為負 值，孔隙氣 壓為 正值，兩者 之壓力 差稱 為基質 吸力（Matric Suction）。
根 據Freldlund所提出之廣義莫爾庫倫理論，基質吸力為控制不飽和土壤工程行為的主要應力參數。
因 此，研 究不 飽和紅 土之 基質吸 力特 性，成 為掌 握該類 工程 行為的 關鍵 技術。
位 於 亞 熱 帶 地 區 的 台 灣 ， 因 為 高 溫 多 雨 之 天 然 風 化 環 境 ， 在 地 表 形 成 分 佈 廣 大 的 紅 土 台 地 沖 積 層，由 北到南 約佔全 台山 坡地可 用面 積之 65%，主要分佈於林口台地、桃新台地、后里台地、大肚山 台 地及八 卦山 台地等 區域 。紅土 台地 邊坡地 勢較 高，加 上紅 土下方 大都 為透水 性極 高之紅 土礫 石層，
以 至 於地 下水 位 較低 ，后 里 台地 地下 水 深達 30公尺以上；林口台地、大肚山台地之地下水位均達100 公 尺以上 。因 此，在 天然 的狀態 下， 在地表 面數 十公尺 以內 分佈著 不飽 和紅土 層。
傳 統上，不論 學術界 或是 實務界，對 於不飽 和紅 土層的 工程 行為探 討，皆以 飽和土 壤之觀 念進行 分 析，僅能考 慮含水 量對 於不飽 和紅 土工程 行為 的影響。事 實上，乾季 時不飽 和邊 坡存在 之基 質吸力，
為 該類邊 坡能 維持較 陡的 坡度仍 處於 穩定狀 態之 原因，雨季 時除了 部份 降雨成 為地 表逕流 之外，其餘 的 雨水皆 由坡 頂入滲 土壤，導 致土壤 基質吸 力減 少，進而使 土壤剪 力強 度下降 產生 淺層滑 動破 壞。傳 統 土壤力 學大 多著墨 於飽 和土壤 之行 為研究 ，並 未考慮 不飽 和土壤 中， 基質吸 力對 剪力強 度之 影響。
因 此不飽 和邊 坡的基 質吸 力量測 與邊 坡的穩 定狀 態有相 當密 切的連 動關 係。
此 外，位於紅 土台地 的道 路鋪面 工程，當 路基土 壤遭遇 此種 材料時，全 面換土 往往 並不可 行，大 多 仍是直 接採 用現地 土壤 做為路 基材 料，經適當 滾壓後，直 接在上 方鋪 築基底 層及 面層。這些 夯實紅 土 路基材 料在 剛施工 完成 時，通常是 處於不 飽和 狀態，由於 季節性 降雨 使地下 水位 上升，路基 土壤飽 和 度則可 能由 剛完工 時之 不飽和 狀態 漸漸趨 近於 近飽和 或是 飽和狀 態。飽和狀 態的 改變會 影響 路基土 壤 的基質 吸力，因此了解 基質吸 力對 於回彈 模數（Resilient Modulus）之影響也是值得探討的課題。
台 科 大 不 飽 和 紅 土 研 究 團 隊 近 年 來 針 對 紅 土 進 行 一 系 列 之 原 狀 土 及 夯 實 土 壤 水 分 特 性 曲 線 試 驗，並藉此探 討基質 吸力 對於邊 坡工 程行為 的影 響。本團隊 也曾利 用MTS動力三軸試驗系統，進行一 系 列控制 基質 吸力之 路基 紅土回 彈模 數試驗，以 探討不 飽和 紅土之 基質 吸力對 回彈 模數之 影響。本文 將 先就不 飽和 土壤研 究趨 勢與台 灣發 展現況 作一 簡介， 接著 重點介 紹作 者的研 究結 果包括 試驗 材料、
方 法及不 飽和 紅土力 學試 驗結果 ，最 後針對 基質 吸力在 邊坡 及道路 工程 上之應 用作 一介紹 。
二、不飽和土壤研究趨勢與台灣發展現況
不 飽和土 壤力 學原理 牽涉 到土粒、孔 隙水及 孔隙 氣體等 三項 材料之 互制 行為，理論 較為艱 深且試 驗 不易進 行，直至 Fredlund and Morgenstern（1978）提出廣義莫耳-庫侖破壞準則後，不飽和土力 學 的理論 架構 及試驗 技術 才算發 展得 較為成 型。根據 目前不 飽和土 力學 的理論，基 質吸力 成為 一項新 加 入要量 測及 了解的 重要 參數。這些 存在於 不飽 和土壤 中的 基質吸 力，不論 在現地 或實驗 室皆 相當不 易 量測， 量測 不易限 制了 基質吸 力概 念的普 及和 應用。 至今 ，除了 學術 研究外 ，工 程界對 “基質吸力”
仍 然相當 陌生 。
近 年來，不飽 和土壤 力學 已成為 國際 上新興 之研 究領域，國 際土壤 力學 及大地 工程 學會並 設置不 飽 和土壤 技術 委員會（ TC6），該委員會在前主席Fredlund領導下相當活躍。國際間近十年來已有相 當 多 的 學 者 應 用 不 飽 和 土 壤 理 論 進 行 不 飽 和 土 壤 邊 坡 行 為 之 研 究 （ Lim 等 人 ， 1996; Low 等 人 ， 1998; Rahardjo 等人，1995; Wilson, 1997; Ng and Shi, 1998; Cho and Lee, 2002; Tami 等人，
2004）。事實上，從這些研究發現應用不飽和土壤理論可以更為合理詮釋降雨引致邊坡淺層破壞之行 為。此外，亦 有相當 多學 者探討 基質 吸力對 於路 基土壤 行為 之研究（Miller 等人，2002；Tinjum 等 人 ，1997；Rao and Revanasiddappa1, 2000；Marinho and Stuermer, 2000）。
剛 於2006年舉辦之第四屆國際不飽和土壤研討會，TC6現任主席Alonso亦於keynote演講中，提
到 四點不 飽和 土壤的 發展 趨勢： 1.與滲流及變形耦合的不飽和土壤力學分析模式與工具發展已漸趨成
熟 。2.紀錄完整的現地案例仍然付之闕如，需要更多的學者投入研究。3.不飽和土壤在夯實土及鋪面
工 程的研 究是 一個值 得努 力的方 向，此建 議與作 者的看 法類 似。 4.高基質吸力量測儀器的研發與商業
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化 ，將是 不飽 和土壤 研究 領域繼 續發 展的關 鍵技 術。
台 灣目前 採用 不飽和 土壤 力學理 論進 行工程 行為 之評估 則在 起步階 段。陳榮河 教授 係台灣 第一位 將 不飽和 土壤 之觀念 應用 於邊坡 穩定 分析之 學者（劉家 男，1990）；單信瑜教授之成果主要應用在大 地 環 工 領 域 （ 黃 進 富 ， 1996）；褚炳麟教授則為台灣第一位成功應用Fredlund不飽和土壤剪力強度 理 論 進 行 礫 石 土 研 究 之 學 者 （ 黃 隆 茂 ，1992；褚炳麟等人，1998）。近年來陳榮河教授則專注在土 石 流 材 料 的 不 飽 和 剪 力 強 度 之 研 究 （ 莊 鴻 榜 ， 2002；陳漢平，2003；陳奕豪，2004）。褚炳麟教授 對 於 不 飽 和 重 模 紅 土 吸 、 脫 附 段 抗 剪 強 度 則 有 豐 碩 之 成 果 （ 黃 志 忠 ， 2003；鄭誠泰，2004）；同時 並 開始探 討台 灣未飽 和紅 土之濕 陷性 行為（ 張志 強，2005）。魏敏樺教授對林口紅土的不飽和力學性 質 則 有 初 步 之 成 果 （ 張 文 濤 ， 2004；朱信安，2004）。台科大研究團隊對於不飽和土壤已投入相當 多 人 力 且 有 令 人 鼓 舞 的 成 果 。 本 團 隊 曾 應 用 不 飽 和 土 壤 力 學 之 原 理 來 分 析 降 雨 引 致 之 邊 坡 穩 定 問 題
（ 拱祥生 ， 1999；Lin and Kung，2000）。並先後於地工技術發表介紹不飽和土壤理論、室內試驗 及 現 地 試 驗 的 文 章 （ 林 宏 達 與 拱 祥 生 ，2001；拱祥生等人，2003）。也曾結合土壤根系補強概念，
推 導出根 系不 飽和土 壤剪 力強度 模式（拱祥 生與 林宏達，2003）。此文詳盡介紹植生對邊坡穩定之功 能 、根系 補強 效益評 估及 根系不 飽和 土壤邊 坡穩 定分析 模式 ，對於 工程 實務具 有相 當高的 參考 價值。
此 外，採用不 飽和土 壤力 學理論 進行 鋪面工 程之 研究相 當少 見，目前僅 知中央 大學 黃偉慶 教授曾 指 導楊樹 榮博 士（ 2005）進行過路基土壤回彈模數之研究。作者曾指導碩士班學生（林建良，2005）
利 用先前 研製 之不飽 和土 壤三軸 試驗 儀，與 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 之國際 研 討會、 SCI及EI級期刊成果(Yang 等人，2005；楊樹榮 等人，2005；楊樹榮等人，2006；Huang 等 人， 2006；Kung 等人，2006)。
三、試驗材料與方法
本 文作者 嘗試 先進行 土壤 水分特 性曲 線試驗 來探 討不飽 和紅 土之基 質吸 力特性，並 利用試 驗結果 進 一步推 估其 剪力強 度特 性，作為後 續不飽 和紅 土邊坡 工程 行為探 討之 依據。此外，為 探討不 飽和紅 土 做為路 基土 壤之工 程行 為，則進行 不飽和 動力 三軸回 彈模 數試驗。以 下將針 對靜 態試驗 中的 紅土完 整 土壤水 分特 性曲線 試驗 及路基 土壤 的回彈 模數 試驗方 法進 行介紹 。
3.1 土壤基本物理性質與夯實特性
本 文土樣 是取 自於林 口台 地，土 樣經 烘乾破 碎後，取通 過 40號篩部份之土樣進行土壤顆粒比重試 驗 、 阿 太 堡 限 度 試 驗 及 相 關 物 理 性 質 之 試 驗 。 土 樣 之 比 重 Gs為2.64、液性限度LL為49％、塑性限度 PL為26％、塑性指數PI為23.74。依統一土壤分類法（USCS）本土樣屬於低塑性黏土（CL）。
本 文除了 進行 原狀土 水分 特性曲 線試 驗以模 擬天 然邊坡 之工 程行為 外，亦進行 夯實 土的水 分特性 曲 線試驗，以 模擬人 工邊 坡之工 程行 為。其中夯 實試驗 部分，係 應用自 行研製 之縮 小夯實 模進 行不同 夯 實能量 之夯 實試驗，包 括標準、修 正及縮 減夯 實試驗，其 中縮減 夯實 試驗為 模擬 現地夯 實情 況不佳 之 情況，其夯 實能量 為標 準夯實 能量 之一半。採 用縮小 夯實 模的原 因是 希望在 夯實 後，直接進 行土壤 水 分特性 曲線 試驗，以避 免擾動 試體。由 本文縮 小夯實 模所 製作之 標準、修 正及縮 減夯實 能量 之最佳 含 水量（ Optimum Moisture Content, OMC）分別為23％、20％、26％，為探討乾濕側夯實之工程 行 為，本文取 夯實含 水量15％代表乾側土壤，夯實含水量32％代表濕側土壤進行後續之試驗與分析。
3.2 紅土水分特性曲線試驗
含 水 量 ω 或 是 體 積 含 水 比 θ 與 基 質 吸 力 （u a － u w ） 之 關 係 曲 線 ， 一 般 稱 之 為 土 壤 水 份 特 性 曲 線
（ Soil Water Characteristic Curve﹐以下簡稱SWCC）。土壤的吸力範圍從10 kPa–100 MPa之間，
因 此，欲探討 完整之 土壤 吸力特 性，必須 藉助不 同方法 的吸 力量測 範圍 與特性，分 段求取 不同 吸力範
圍 之特性，並 藉由發 展成 熟的經 驗公 式，始能克 竟全功。本 文分別 採用 壓力鍋 法、鹽溶 液法及 濾紙法
林宏達等:不飽和紅土之基質吸力特性及其應用
進 行試驗。其 中一般 最常 用之試 驗方 法為基 質吸 力有效 量測 範圍小 於 1500 kPa的壓力鍋法（Pressure Plate Method），並搭配基質吸力有效量測範圍大於1500 kPa的鹽溶液法（Salt Solution Method）
及 基質吸 力有 效量測 範圍 介於 10 kPa至100 MPa之濾紙法（Filter Paper Method），以得到較完整 的 土壤水 分特 性曲線 ，以 作為推 估完 整土壤 水分 特性曲 線之 依據。 茲就 試驗方 法分 述如下 。
3.2.1 壓力鍋法
目 前最通 用決 定土壤 水分 特性曲 線之 方法為 壓力 鍋試驗，以 觀察土 壤在 乾濕變 換的 過程中 土壤含 水 量 與基 質吸 力 之關 係。 參 考 ASTM D3152-1994規範及Soilmoisture公司壓力鍋操作手冊，試驗必 須 將已飽 和之 耐高壓 高進 氣吸力 值陶 板及土 樣放 入壓力 鍋之 底部，接著 施加空 氣壓 力至預 定的 基質吸 力（軸 平移技 術），此時 土壤中 之水 分將會 從土 中經由 高進 氣吸力 值陶 磁板從 壓力 板儀底 部流 出，直 至 土壤中 吸力 平衡，接著 將土樣 取出 量測其 含水 量。重複上 述之步 驟，變化 不同吸 力大小，以 得出土 壤 之排水 水分 特性曲 線。
3.2.2 鹽溶液法
鹽 溶液試 驗為 土壤水 分系 統中吸 力與 相對溼 度間 的勢能 平衡 有關，因此 土壤吸 力可 經由平 衡狀態 時 相對濕 度之 大小來 做估 計。參 考 ASTM D5298-1994規範，使用鹽（NaCl）與一定量的水攪拌成為 鹽 溶液，並將 土樣及 鹽溶 液一起 放入 真空之 玻璃 盆中，因鹽 溶液與 土樣 在密閉 的玻 璃盆中 會產 生水蒸 氣，所以 可依 據土壤 與密 閉空間 內之 蒸氣達 到平 衡狀態 時所 對應之 蒸氣 壓及溫 度來 求得土 壤之 基質吸 力 。 試 驗 時 將 壓 力 平 板 試 驗 作 完 之 試 體 ， 每 組 取 5至10克土樣置於蒸發皿上並放入真空乾燥盆中，底 部 須放調 配好 至預定 莫爾 濃度之 食鹽 水溶液 及溫 濕度計。每 週量測 試體 之重量 及溫 濕度，當試 體之重 量 不再變 化時，則 表示試 體已達 平衡 狀態。再根 據莫爾 濃度、溫 濕度計 讀數等 參數 求得土 壤之 基質吸 力 。最後 將土 樣取出 量測 其含水 量， 以繪製 出土 壤水份 特性 曲線。
3.2.3 濾紙法
濾 紙法試 驗係 依據美 國材 料及試 驗學 會規範 ASTM D 5298（2000）進行。濾紙法具有經濟、準 確 及量測 範圍 大（10 kPa–100 MPa）的優點，故逐漸被接受並成為量測土壤吸力的主要試驗方法之 一。濾 紙法可 以用來 測定 土壤中 的總 吸力及 基質 吸力，其測 定的方 法是 利用濾 紙作 為傳導 體，所以濾 紙 法為測 定土 壤吸力 的間 接法。其原 理主要 是以 濾紙能 夠與 土壤間 的水 分或是 水蒸 氣交換，而 達到平 衡 為其基 本假 設。其試驗 方法為 當乾 的濾紙 放在 土壤試 樣中，與 土壤試 樣直接 接觸 時，土壤試 樣中的 水 分便會 流入 濾紙中，並 達到平 衡，此平 衡時的 含水量 可以 得到相 對於 土壤試 樣中 的基質 吸力。土壤 吸 力之決 定為 將所得 到之 濾紙含 水量 ，對照 濾紙 含水量 與吸 力之校 正曲 線，即 可得 到相對 的吸 力值，
此 值即為 土壤 之基質 吸力 。最後 將土 樣取出 量測 其含水 量， 以繪製 出土 壤水分 特性 曲線。
3.3 回彈模數試驗
回 彈 模 數 可 以 反 應 鋪 面 結 構 在 承 受 車 輛 反 覆 載 重 下 之 應 力 應 變 行 為 ， 因 此 取 代 GI值、CBR法及 FWD試驗，成為近年來國際上用來評估鋪面厚度設計的主要參數之一（AASHTO, 1992）。本文採 軸 平移技 術進 行一系 列回 彈模數 試驗，並 探討試 驗過程 中基 質吸力、回 彈模數 及塑 性變形 等關 係，以 瞭 解基質 吸力 對回彈 模數 之影響 情形 。
3.3.1 試體準備
試 體製作 依據AASHTO T 180 改良式夯實法，於最佳含水量下製作直徑50 mm，高100 mm之 試 體。此 外，本 研究透 過試 體濕治 方式（ Uzan, 1998）模擬現地路基土壤於服務階段時之含水量狀況，
使 試體能 反映 現地路 基土 壤因環 境造 成含水 量提 升之行 為， 並縮短 試體 達到初 始基 質吸力 所需 時間。
3.3.2 回彈模數試驗程序
2007 海峽兩岸岩土工程∕地工技術交流研討會 (4 月 16-18 日，天津)
本 研究採 軸平 移技術 控制 土壤基 質吸 力，將試體 放入不 飽和 三軸室 內，並在 回彈模 數試驗 前先藉 由 獨立控 制試 體內部 孔隙 氣壓力 與水 壓力達 到設 定之初 始基 質吸力 50、 150、450 kPa， 待試體內 部吸 力 達平衡 後關 閉孔隙 水壓 力閥門 再進 行回彈 模數 試驗。
回 彈模數 試驗 係依據 AASHTO T 292-91，在固定的圍壓21 kPa下，以反覆軸差應力21 kPa之方 波 加 載 0.1秒、延時0.9秒，共進行1,000次反覆載重之預處理，並於預處理後旋即以21、34、48、69 及 103 kPa共5階段之軸差應力進行每階段10,000次加載試驗，並以外置式荷重元（Load Cell）及線 性 差動變 壓器（ LVDT）量測試體之軸向荷重與軸向變形，並據以計算回彈模數值，如式（1）所示。
r d
ε
= σ
M r ……….……….. (1)
其 中，M r ：回 彈模數；σ d ：軸 差應力（deviator stress），即重複施加之軸向應力；ε r ：回 彈 應 變 。
四、試驗結果
4.1 原狀紅土完整土壤水分特性曲線
Fredlund and Xing（1994）提出一土壤水分特性曲線之方程式，根據此方程式可建立各種土壤 完 整之土 壤水 分特性 曲線 ，其公 式如 下：
m
n
r r s
e a ln
1 1000000
1 ln
1 ln - 1
⎥ ⎥
⎥ ⎥
⎥
⎦
⎤
⎢ ⎢
⎢ ⎢
⎢
⎣
⎡
⎥ ⎥
⎦
⎤
⎢ ⎢
⎣
⎡ ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝ + ⎛
⎥ ⎥
⎥ ⎥
⎥
⎦
⎤
⎢ ⎢
⎢ ⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ +
= ψ
ψ ψ ψ θ
θ
………(2)
其 中 θ 為 體 積 含 水 比 ； θ s 為 飽 和 時 體 積 含 水 比 ； ψ 為 土 壤 之 基 質 吸 力 ； ψ r 為 殘 餘 體 積 含 水 比 所 對 應之土 壤基 質吸力 ；e 為自然指數； a、m、n為迴歸參數。
將 壓力平 板、鹽 溶液及濾 紙法等 試驗 結果之 數據 代入式（2）中，再利用迴歸分析求得迴歸參數a、
m、 n， 可 建 立 林 口 原 狀 紅 土 之 完 整 土 壤 水 份 特 性 曲 線 ， 如 圖 一 所 示 。 林 口 原 狀 紅 土 之 進 氣 吸 力 值
290 )
( u a − u w d = kPa、殘餘吸力值 ( u a − u w ) r = 21000 kPa、飽和體積含水比 θ s =0.54及殘餘體積含 水 比 ψ r =0.0216。
11 . 5
811 . 0 8700
=
=
= m n 1 a
=
s s
θ θ
04 .
= 0
s r
θ
θ ( u
a− u
w)
d= 290 ( u
a− u
w)
r= 21000
s
s
