暴雨前後不飽和土壤邊坡工程行為之研究

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

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC92-2211-E-011-018-

執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 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

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 11 月 30 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（I）

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

計畫編號：NSC 92-2211-E-011-018 執行期限：92 年 8 月 1 日至 93 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

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）中的第一 年，研究重點是研製應力相依室內試驗設 備、佈設現地張力量測儀器及植生影響之 初步分析。

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

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 slopes. This year’s project is the first of a three-year project (2003~2005). The main tasks are to develop a stress-dependent laboratory testing apparatus, to deploy the in-situ measuring devices, and to perform the preliminary analysis of the influence of vegetation on slope stability.

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，而針對不 飽和土壤邊坡之穩定分析則較少。然而許 多自然邊坡係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

1

可能通過不飽和土壤。因此，本研究將藉 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）中的第一 年，研究重點是建立及測試完成室內與現 地試驗設備（92 年度），研究成果對於後續 的研究奠定良好的基礎。

三、結果與討論

本年度已完成之研究成果包括林口紅 土之基本物理性質試驗、應力相依土壤水 分特性曲線試驗儀研製、現地不飽和土壤 邊坡監測儀器埋設及根系不飽和土壤邊坡 穩定分析模式之建立。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

(

)

(

)

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 林口紅土基本物理性質試驗

本研究於預定監測的邊坡，進行土壤 鑽探取樣工作，並取回試驗室先進行基本 物理性質試驗。基本物理性質試驗結果如 表一所示。其中 SPT-N 值介於 7 至 13 之 間，並隨著深度增加而增加。單位重介於 1.88~2.05t/m³ 之間。現地土壤含水量分佈 在 31.18~34.2% 之 間 。 土 壤 比 重 介 於 2.64~2.69。

表一 林口紅土基本物理性質 土 樣

編 號

深度(m) SPT-N 單 位 重 (t/m³)

含 水 量(%)

比重

S-1 0.90-1.35 7 1.88 31.18 2.64 S-2 2.55-3.00 9 2.05 34.2 2.69 S-3 4.6-5.05 13 1.91 33.7 2.67 阿太堡性質試驗結果如表二所示。不 論土壤深度，液性限度都在 50%以上。塑 性限度介於 30.3~33.33 之間。塑性指數都 在 20%以下。以卡氏塑性圖表分類為高塑 性粉土(MH)。

表二 林口紅土阿太堡試驗結果 土樣 S-1 S-2 S-3 液性限度 50.34% 50.22% 50.96%

塑性限度 33.33% 30.30% 32.39%

PI 17.01% 19.92% 18.57%

根據篩分析及比重計分析結果顯示

（圖一），通過 200 號篩的土樣皆超過百分 之九十九。顯示細顆粒將對林口紅土土壤 基質吸力有極大之影響。

圖一 林口紅土粒徑分析結果

3.3 應力相依土壤水份特性曲線試驗儀研 製

傳統土壤水分特性曲線，係在壓力鍋 進行，本研究已完成以壓力鍋得到林口不 飽和土壤水份特性曲線試驗。上述之試驗 雖然能讓我們瞭解不飽和土壤之基本力學 性質，但實際不飽和土壤邊坡因為雨水入 滲造成土壤水份特性曲線試驗的行為則未 能充分了解，因此本年度曾針對新的土壤 水份特性試驗儀進行研製，以模擬現地應 力路徑對不飽和土壤水分特性曲線之影 響，以利後續研究工作之進行。

香港科技大學 Ng 教授，已於 2000 年 的 ASCE 發表了有關淨正向應力對於水份 特性曲線試驗的影響（Ng 和 Pang，2000）。 Ng 教授自行組裝一套可進行 k₀ 狀態下施 加淨正向應力的土壤水份特性試驗儀，應 用該儀器可以進行應力相依土壤水份特性 曲 線 試 驗 （ Stress Dependent Soil-Water Characteristic Curve），簡稱 SDSWCC。根 據 SDSWCC 之試驗結果及傳統水份特性 曲線試驗結果分別進行不飽和土壤之邊坡 穩定分析，結果顯示利用傳統水份特性曲 線試驗結果進行降雨引致邊坡不飽和土壤 之邊坡穩定分析，將會高估邊坡之安全係 數，進而導致不安全。上述之 SDSWCC 已 經考慮了淨正向應力對於邊坡穩定分析之 影響，但對於現地不飽和土壤邊坡受雨水 入滲之乾濕循環則仍未真正模擬，因此本 年度的研究重新設計可以經由電腦伺服控 制模擬雨水入滲之 SDSWCC 土壤水份特 性曲線試驗儀。該儀器目前硬體部分已研 製完成（照片一），軟體部分則仍在除錯階 段，即將順利完成該儀器之研發及相關試 驗工作，該研究成果預期將是國際上首次 有系統的探討雨水入滲之現地應力路徑對

土壤水分特性曲線之影響，具有相當高的 學術價值。

照片一 應力相依土壤水分特性曲線試驗儀

3.4 不飽和土壤邊坡現地基質吸力監測

傳統土壤邊坡之監測儀器，係採用飽 和土壤力學的理論進行邊坡穩定性監測，

對於土壤中存在之負孔隙水壓力（基質吸 力）並未加以監測。通常用於直接量測負 孔隙水壓之裝置為張力計。張力計由高吸 力值多孔陶瓷頭與壓力量測裝置組成。二 者間用 1 小管連接，小管用塑膠材質做成，

它的導熱性低而且不腐蝕。管和陶瓷頭用 除氣水充滿。將陶瓷頭插入預先挖好的孔 中，直到直接與土壤良好接觸。當土壤中 的基質吸力與量測系統達到平衡時，張力 計中的水壓力將與土壤中的孔隙水壓力具 有相同之負壓力。當孔隙氣壓力等於大氣 壓力時(即 Ua=零壓力表壓力時)，測得的負 孔隙水壓力在數值上與基質吸力相等。張 力計能夠量測的孔隙水壓力之下限值將為 -90kPa，本研究採用美國 Soilmoisture 公司 製造之張力計，對邊坡進行基質吸力之量 測工作（照片二及照片三）。有關現地試驗 方法，請參閱主持人地工技術第 96 期所發 表之文章，題目是「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」，此 文針對土壤邊坡基質吸力的量測方法與關 鍵技術有詳盡的介紹。

根據目前量測之結果顯示，張力計埋 入邊坡後，需要 2~3 天之吸力平衡過程，

目前量測到最大之吸力在地表下 10 公分 處為 90kPa，大部分之時間介於 50~60kPa 之間。乾季量到之基質吸力較濕季為高，

趨勢符合理論及國外之量測結果。但是目

3

前量測工作並未自動化，無法連續量測基 質吸力隨氣候變動造成之變化。本研究將 於後續研究中，進行吸力量測自動化之研 究，並建立基質吸力變化與降雨量之關係。

照片二 張力計遠照

照片三 張力計近照

3.5 根系不飽和土壤邊坡穩定分析模式之 建立

位於現地具有植生的土壤邊坡，大部 分都在地下水位之上，屬於不飽和土壤邊 坡。若是長期處於飽和的土壤邊坡表面，

植生亦無法生長，因為大部分的植物根部 並無法長期承受飽和狀態。因此，欲真正 掌握植生土壤邊坡的穩定性，本文採用不 飽和土壤強度模式，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。其中土壤部分之不飽和土壤之強度模 式 採 用 Fredlund 和 Morgenstern 等 人

（1978）提出之廣義莫爾庫倫破壞準則。

當土壤中含有根系時，將會增加土壤的凝

聚力，忽略對有效摩擦角的增量。不飽和 土壤的含根剪力強度模式為：

( )

ff c f ua f s ua uw f b

τ = +′ σ − φ′+ ∆ + − φ (1) 將其中有效凝聚力c′_{，基質吸力對剪} 力強度的貢獻及根凝聚力加總稱為不飽和 土壤含根總凝聚力 C 如式（2）所示。

( a w)f ^tan b

C= + ∆ +c′ s u −u φ (2)

本研究由於尚未量測到完整之土壤邊 坡基質吸力及根系土壤之剪力強度資料，

本研究將先採用假設案例對上述建立之模 式進行探討。

針對一個高 10 公尺、邊坡坡度 1:1 之 不飽和土壤邊坡植生進行模式之建立（圖 二）。以 SLOPE/W 程式進行不同植生強度及 厚度之邊坡穩定分析，以瞭解植生對邊坡 之安全係數之變化。邊坡穩定分析時採用 式（1）不飽和土壤之三維抗剪強度模式，

選 用 之 土 壤 參 數 為 ：

; 30

; 20

; / 4 .

20 ³ ′= ′= °

= φ

γsat ^{kN m c kPa} b 20

φ = °。根據蔡光榮教授（1994）進行一 系列的現地土壤含根剪力試驗結果顯示，

土壤的凝聚力將會增加 20%~140%不等，故 本研究假設根總凝聚力分別為 0、10、20、

30 及 40kPa 時，邊坡穩定分析結果茲簡述 如下：

1

2

3

1 2

3 4

5 6

7 8

9 10

11

12 13

14 15

16 17

18 19

20 21

22 23

24 25

26 27

28 29

30 31

32 33

34 35

36 37

圖二 假設案例網格示意圖

(1) 植生加勁強度之影響

植生區土壤根系補強之效果，分別假 設根凝聚力為 0、10、20、30 及 40kPa 時

（圖三及圖四之 x 軸），地下水位分別距地 表 10、7、5、3 公尺，邊坡在不同地下水

位情況下之安全係數如圖三及圖四所示。

不論植生厚度及地下水位深度，邊坡之安 全係數皆隨著根凝聚力的提高而提高。

(2) 植生厚度之影響

比較圖三及圖四，發現植生厚度 2 公 尺之邊坡，在同樣地下水條件下，較植生 厚度為 1 公尺邊坡之安全係數增加約 3%。

不論地下水位高程，植生厚度越厚，則邊 坡整體穩定性越高，這是因為植生厚度越 厚，植生提供邊坡表面整體加勁的能力越 高。不論地下水位改變，植生越厚，則加 勁強度增加對邊坡穩定性提高的趨勢越明 顯。植生越厚，代表現地的邊坡植生種類 較接近木本植物。但值得注意的是，安全 係數增加的趨勢並不明顯，詳細的量化分 析，仍有待後續的研究加以釐清。

此外，不論植生厚度及加勁強度的改 變，地下水位升高，對於邊坡有不利之影 響。整體而言，植生根凝聚力及植生厚度 對於邊坡的穩定性有正面的影響。

1.5 2 2.5 3

0 10 20 30 40

Root cohesion(kPa)

Factor of safety 10

7 5 3

圖三 植生厚度 1 公尺時，不同地下水 位下，根凝聚力與安全係數之關係

1.5 2 2.5 3

0 10 20 30 40

Root cohesion(kPa)

Factor of safety

10 7 5 3

圖四 植生厚度 2 公尺時，不同地下水位 下，根凝聚力與安全係數之關係

四、計畫成果自評

本年度計畫已完成預定工作，包括林 口土壤基本物理性質試驗及植生不飽和土 壤邊坡穩定分析模式之建立，並已初步完 成應力相依土壤水分特性取線試驗儀之研 製及現地邊坡基質吸力量測儀器之建置。

目前正在進行第二年現地邊坡基質吸力的 量測工作，對於本計畫後續之研究奠定相 當深厚之基礎。

根據已完成之成果，已如預期建置完 成研究暴雨前後不飽和土壤力學行為室內 及現地試驗儀器，更將分析模式擴展至考 慮植生的不飽和土壤邊坡之穩定分析模 式。同時亦在技師月刊第31期，發表了一 篇「植生對邊坡生態工法穩定性影響分析 初探」論文，針對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，有詳盡之介紹。對於工程 實務具有相當高的參考價值。

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、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。

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穩定性影響分析初探，民國九十二年十

二月，技師月刊第31期，pp. 60-68。 4. 蔡光榮，台灣西南部泥岩地區植生護坡

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5

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

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