行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
台灣山區道路邊坡災害防治最佳化之研究--總計畫暨子計 畫:以格網技術進行山區道路雨量和邊坡淺層土壤含水量監
測之研究(II) 研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2625-Z-011-001-
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 ： 廖洪鈞 共 同 主 持 人 ： 謝佑明
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：胡毓港、蔡岱佑
報 告 附 件 ： 赴大陸地區研究心得報告
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 96 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 █ 成 果 報 告
□期中進度報告
以格網技術進行山區道路雨量和邊坡淺層土壤 含水量監測之研究 (II)
計畫類別：□ 個別型計畫 █ 整合型計畫 計畫編號：NSC95－2625－z－011－001－
執行期間：2006 年 08 月 01 日至 2007 年 07 月 31 日
計畫主持人：廖洪鈞 共同主持人：謝佑明
計畫參與人員：胡毓港、蔡岱佑
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 █完整報告
摘 要
本研究主要目的在於建立一套架構於格網系統之山區道路邊坡雨量觀測方 法。本文以 GPRS 無線封包數據服務，使得現地雨量站得與網際網路串連，並 借由網際網路即時將山區道路邊坡之雨量資料傳回後端資料伺服器，供相關降雨 引致山區道路邊坡崩坍機率之研究。為瞭解山區道路邊坡現地雨量收集情形及借 由 GPRS 服務連接網際網路，回傳即時雨量之可行性，本研究於山區道路邊坡 旁設置安裝完成數處雨量計後，並以 GPRS 服務回傳安裝完成後之數次颱風、
豪雨降雨量。未避免 GPRS 回傳之降雨量資料遺失並以現地放置之雨量計記錄 器記錄現地降雨量。最後則針對 GPRS 服務連接網際網路的回傳架構，持續提 出改善及建議。
關鍵字:
格網技術、GPR、雨量計
一、前 言
隨著經濟的迅速發展，人們活動範圍亦逐步從平原地區往山麓甚 至高山地區發展，而隨著一條條山區道路的開通，台灣地區很多原始 的山區便逐一淪陷，姑且不論現今台灣山區在人們開發下己經變成何 種慘狀，很多山區邊路在通車數年、數十年後，歷經了 921 大地震 及數次風災所產生的極端暴雨侵蝕下，許多山區道路每每在豪雨降下 後，便四處崩坍，落石不斷，遭成山區道路之中斷，本研究希望借由 有下一代網際網路之稱的「格網」技術，來針對最主要造成山區道路 損壞的主要誘發因子－雨量，進行觀測技術的研究。
目前雨量的測報是由中央氣象局進行，且目前氣象局已完成台灣 地區四座氣象雷達的佈設，再配合分佈於全台的四百餘座氣象站，氣 象局的雨量預報準確度已大為提高，但在很多山區的雨量站密度仍稍 有不足，若能在特定地區增設雨量站，並與氣象局之雨量站結合，以 提升預測山區道路沿線邊坡崩塌機率，將可在颱風豪雨期間提供動態 性的山區道路邊坡崩塌機率，供道路養護單位防救災和維修工作之參 考。
本研究主要在格網技術的概念下，經由 GPRS 無線封包數據傳
輸方式使現地雨量站控制器連上網際網路 (INTERNET)，並藉由網
際網路回傳現地雨量至遠端資料伺服器，回傳之雨量資料將可做為降
雨引致山區道路邊坡崩坍之機率等相關研究使用。研究重點除探討現
地 雨 量 計 設 置 及 雨 量 收 集 是 否 正 確 外 ， 現 地 控 制 器 如 何 連 接
INTERNET，連接 INTERNET 後如何將資料回傳至後端資料接收
但為瞭解資料回傳情形，仍使用一初步程式用來顯示即時回傳雨量及 各雨量站降雨歷時曲線，做為研判山區道路邊坡降雨量回傳是否正常 之用。
二、利用格網技術之研究
目前利用到格網技術的研究，大都偏向在需要大量計算資源的研 究，本章將介紹國內目前已運用格網技術在監測或災害預防相關領域 的研究與應用，格網在計算方面的相關應用並不涉及，監測或災害預 防中與格網相關的研究有生態格網、防洪減災格網及田間伺服器，相 關研究說明如下。
(1)生態格網之研究
長期生態研究多以長期觀測資料的蒐集、分析、預測模式的建立 為主要目標，因此於野地設置多種監測儀器，收集多樣物理、化學、
氣象以及生物觀測資料。現地觀測資料蒐集後受限於儲存空間大小及 電源的限制，研究人員須定期長途跋涉至野地，擷取資料及更換新電 源，或視需要調整監測感應器。
由於野地無電力供應，使用電腦資訊與網路支援困難重重，而長
期生態野地研究也因此滯留於傳統方式，與數位時代資訊科技的應用
越行越遠。解決這種困境的方式，即是引入無線網路、太陽能板電力
供應與電池技術。生態格網 (Eco-Grid)主要與「臺灣長期生態研
究網」 (Taiwan Ecology Research Network,TERN)合
作，初期以福山為原型試驗平台，系統以無線格網系統、即時資料交
換與儀器遠距控制為主要課題，並經由高速網路及先進資訊技術與長
期生態研究系統結合，提供野地現場觀測資料之即時數據服務，目前
已累積大量且長期的觀測數據並用以支援研究實驗。圖一為生態格網
在福山植物園所佈設無線網路架構。
圖二為臺灣長期生態研究網於全國六個生態實驗區 (福山、鴛鴦 湖、關刀溪、塔塔加、南仁山、墾丁 )所做生態研究，該研究與國網 中心知識格網及學術研究網路整合，作即時生態觀測之資料分析、加 值及應用。
圖一 福山植物園無線網路架構圖
在生態格網 (Eco-Grid)計畫中，結合水文、氣候、地質、動 植物等多樣性專業領域知識，整合異地儀器設備及計算資源，建立一 經常性、即時性的長期生態觀測格網系統。並藉由大量的感應器佈置 形成的網路，取得大量觀測資料，再透過生態模式模擬，評估對生態 系所造成的影響。
(2) 防洪減災格網
台灣地區位亞熱帶季風區，每年 5~6 月間會有梅雨鋒滯留，
7~8 月間則有颱風侵襲，加上地形陡峭，河川短促，常引發嚴重天 然災害，防洪減災格網 (Flood Mitigation Grid)即經濟部水 利署水利防災中心為整合各地之監測資料、災情資料、災情預報及相 關指揮派遣作業等大量資訊所規劃之系統平台，該平台系統即利用格 網技術將原缺乏整合的各應用系統整合，提升系統的效能。
防災減災格網架構結合了監測格網、資料格網、計算格網及超級 視訊格網，其系統架構如下圖三所示。
圖三 防洪減災格網架構圖
各架構分述如下 :
(a)監測格網(Sensor Network)
為了解災害現場之畫面，對於災害發生時的影像監視資料，有著 急迫建置需求，各河川局的監視影像設備，原本只能在局部區域之監 控中心監視，無法將各河川局之監視影像整合至水利防災中心。並利 用格網技術開發同步群播 (Multicast)之中介軟體，開發具多人上 網瀏覽之即時監視系統，成功將基隆河中山橋 (圓山抽水站)、江長抽 水站、台南鹽水溪、翡翠水庫等防洪監視影像整合至網頁上。
(b)資料格網(Data Grid)
水文觀測資料庫平時由各河川局負責維護與管理，但颱風、豪雨 時，必須能將各地資料庫即時彙集至中央災害應變中心，因此資料格 網將扮演整合分散式異質資料庫之重要角色。資料格網以網際網路為 媒介，將資料庫連結 (如 ODBC、JDBC 等)、檔案傳輸(如 FTP、
HTTP)以及資訊交換(XML)等技術應用於資料的整合。除此之外，
透過中介者介面 (Middleware Interface)服務亦可將前端使用 者與後端儲存設備連接起來，並可提供網路服務或應用程式介面 (Application Program Inteface,API)來存取資料，即可 整合多樣的前端應用與不同的後端儲存來源，達到通透性的資料存取 之功能。
(c)計算格網(Computational Grid)
計算格網為結合科學視算技術及地理資訊系統 (GIS)，開發前端
網 路 版 圖 形 使 用 者 介 面 (Web-based Graphics User
機制等，同時進行全省 24 條重要河川(中央管理)之洪水預報分析。
(d)超級視訊格網(Access Grid)
超級視訊格網是為了資訊交流所設計的一種平台、整合視訊影 像、聲音及多元化資料 (如監視影像、預報成果等)，以進行群體間 (Group to Group)多邊網路視訊會議。
(3) 田間伺服器
田間監測伺服器 (Field-Server,FS)為台灣大學研究團隊在 斗南鎮農業示範農田和台大校園內分別架設 3個及2個監測點，田間 監測伺服器系統為密集型低成本多用途的網路自動化農產品生產監 測與田間資料收集系統，其單一伺服器可以太陽電池或一般電力運 作，並能依農業場合應用需求的不同，選擇安裝不同的感測器，包括 光照、土壤與環境溫濕度、導電度、喇叭、麥克風、 IP 攝影機、紅 外線等；也可安裝多台攝影機與不同尺寸的太陽能板；並具有無線網 路功能，使用乙太網路傳輸協定，傳輸距離約一公里，因此數個 FS 能 自行連成網路，並從任一點就近直接連線到網際網路，因此使用者可 透過網際網路，從遠端操控，做農業生產之即時田間監測、資料收集 與管理。儲存之資料在收穫後可提供消費者上網瀏覽瞭解栽培過程之 田間狀況與氣象，本體架構如圖四所示。
圖四 田間監測伺服器架構圖
FS 使用PICNIC (Tristate Corp, Japan)與感測器結 合。 PICNIC 為Programmable Interface Controller with Network Interface Card的縮寫，顧名思義，此卡
為可程式化的控制器，本身具有特定 IP，可結合無線AP 上傳感測 訊號。透過程式語言轉換訊號值為具物理意義的數值的動作不在田間 伺服器內執行，透過無線傳輸的僅為原始訊號，這是 FS系統的一大 特色。譬如 mV 轉換為℃的溫度數據或mV 轉換為m 3 /m 3 的土 壤體積比含水率數據的過程，只在資料庫端執行，可大幅降低網路上 的傳輸量與簡化 FS 端的軟硬體設計。
圖五 斗南鎮農業示範農田田間監測伺服器系統架構圖
三、研究架構、設備與成果
(1)研究系統架構
本研究主要在台 18 線阿里山公路沿線邊坡易崩塌地點附近佈設 雨量站，並利用格網技術將雨量即時回傳伺服器，整體架構如圖六所 示：
圖 六 台 18 線雨量監測格網架構
本研究架構中，主要四個部份所組成，四個主要部份分別為雨量 計、控制器、通訊方式及資料收集，各部份架構選用之考量如下所示。
(a)雨量計佈設地點之考量
本研究主要是為了收集現地雨量資料做為邊坡邊路崩塌機率之 研究，因此雨量計的設置地點能否反應出致災當時之降雨量，便極為
Internet
GPRS 無線通訊連 至網際網路
…………
雨量計
嵌入式控制器 GPRS 通訊模組
雨量計
嵌入式控制器
數位輸出入模組
GPRS 通訊模組
雨量計
嵌入式控制器
數位輸出入模組
GPRS 通訊模組
…………
GSM/GPRS GSM/GPRS GSM/GPRS
數位輸出入模組
資料收集分析儲存伺 服器(
140.118.105.4)
重要。本研究雨量計的設置地點有下列考量：
1.鄰近崩塌地。
2.設置地點開闊，附近無高大喬木生長。
3.雨量計設置於圍牆或紐澤西護欄時，雨量計開口應高出圍牆或 紐澤西護欄。
4.設置地點宜避開持續崩塌地或易遭崩落物淹埋處。
5.附近有適當掩避地點，研究設備便於藏匿。
本 研 究 雨 量 站 設 置 地 點 除 第 一 期 安 裝 於 為 台 18 線 25K+100、27K+200、40K+500、56K+200、64K+800 共五處及台科大工程 2 館屋頂(NTUST-E2)外，本期於台 18 線 68K+500、76K+300、78K+020、82K+500 等新增四處 雨量站。
(b) 控制器的考量
本研究擬利用格網技術回傳現地雨量資料、土壤含水量及土壤基 質吸力等，本研究使用體積小、耗電量低、無風扇且穩定性高的嵌入 式控制器控制器之選擇。
本研究採用泓格科技所生產之 I-7188XC 可程式自動控制
器，該控制器採用「泓格科技」自行研發之 Dos-like 作業系統
MiniOS7 ，並可執行 C/C++編譯的執行檔，最後經由標準
RS232 連接 GPRS 模組，透過 GSM/GPRS 電信網路將現地資
料回傳至設於研究室之資料收集伺服器。選用上述嵌入式控制器產品
的原因如下：體積小、價格便宜、可擴充 I/O 界面、提供詳細教學
及大量開發程式範例，初次使用者或非相關科系人員入門容易。
硬體方面本研究主要利用台科大現有網路資源做為連線網路及 趼究室電腦設備做為資料伺服器設備，因本研究雨量資料接回之伺服 器為 140.118.105.4(如圖六所示)，其中 140.118.105.4 的伺 服器除接收現地雨量資料外，並以該伺服器之電腦時間為本系統之時 間基準，現地控制器依據該伺服器之時間每 15 分鐘將現地雨量資料 分別回傳伺服器。 140.118.105.4 資料收集伺服器，主要利用 PHP 語言及 MySQL 資料庫所撰寫收集雨量資料及展示程式。由於本研 究重點偏向於以無線網路回傳即時雨量資料的可行性及正確性，至於 雨量資料回傳後如何利用網頁工具展示雨量資料及利用即時雨量資 料進行災害預警的工作，則可利用本研究己完成之初步架構繼續延伸 做進一步的研究。
(d) 通訊方式的考量
本研究依據前期考量選用 GPRS 通用數據封包服務回傳至資料 收集伺服器。
(2) 研究設備說明
(a) 嵌入式控制器
本研究採用泓格科技公司所出產之 I-7188XC 可程式自動控 制器，如圖七所示，該控制器主要特徵是高穩定度、 PC 相容性高、
精簡化需求而設計出來價錢合理之掌上型控制器。本研究利用這個控
制器，作為核心處理器，將雨量計轉倒時所產生的 ON/OFF 訊號利
用控制器數位輸出及輸入頻道 (DO/DI)進行雨量計算的工作，完成
雨量計算後並利用 I-7188XC 控制器的 RS232 串列埠連接
GSM/GPRS 模組，將雨量定時傳回遠端伺服器。I-7188XC 操 作 原 理 、 步 驟 及 相 關 應 用 範 例 ， 亦 詳 於 7188XA/B/C &
7521/2/3 Series Hardware User’s Manual 或泓格 科技公司網站 http://www.icpdas.com 內容。
圖七 7188XC 嵌入式控制設備 (b) GPRS 模組
本研究採用弋揚 科技公司所出產 之 -「GPRS 實驗模組」
(EGD-01)，如圖八所示，該模組核心為 SIMCON Ltd 所生產生
之 SIM100S module，該模組涵蓋 GSM900/1800/1900
三頻寛，支援資料 (Data)、傳真(Fax)、簡訊(SMS)、語音(Voice)
傳輸，並提供串列通訊埠可經由 AT command 對模組進行控
制，研究過程即利用前述 I-7188XC 控制器，以 C 語言下達 AT
command 對「GPRS 實驗模組」進行控制，最後借中華電信
GPRS 數據封包服務，將現地雨量傳回台科大資料伺服器。圖九為
本研究以 7188XC 控制器利用 GPRS 模組及中華電信所提供
GPRS 數據封包服務
圖八 GSM/GPRS 通訊模組
(c)雨量計
本研究共採用每次傾倒 0.2mm 及 0.5mm 等二種傾倒式雨量 計，圖十分別為本研究所使用之二種雨量計 (左為 0.2mm 右為 0.5mm)。
圖十 為本研究所使用之二種雨量計照片
SIM CARD (中華電信)
GPRS MODULE (EDG-01)
RS-232
7188XC 控制器
圖九 GPRS 模組連接示意圖
GSM/GPRS
網路 INTERNET
SIM100S module
SIM 卡插座
(d) 電 源
正常的電源供應是使所有研究設備能否正常運作的基礎，本研究 現地設備因位山區道路旁，無一般電力可使用，所以本研究考量使用 太陽能電池及 12V 汽車電瓶為現地電力來源。
(e)雨量記錄器
本研究主要在利用無線技術連上 IP 網路並將現地雨量資料回傳 資料伺服器，但在研究初期與過程中為避免資料遺失並確認雨量資料 無誤，台 18 線 25K+100、27K+200、40K+500、56K+200、
64K+800、68K+500、76K+300、78K+020、82K+500 等九處雨量站設置單一雨量記錄器，記錄該處雨量資料，並於日後使 用筆記電腦接收該處降雨量，並與即時回傳雨量資料核對降雨資料是 否正確。圖十一為雨量記錄器之外觀。該雨量記錄器為 Onset Computer 公 司 所 出 產 之 HOBO H7 Event Data Logger，該記錄器記憶容量為 8000 筆資料，使用鋰電池，約可 供電一年，現地使用時配合筆記型電腦及該公司操作軟體，達到設定 記錄器及下載雨量資料的目的。
圖十一 雨量記錄器之外觀
(3)單一雨量站架構
本研究利用上述設備共架設六處雨量站，每處雨量站架構如圖十 二所示，其中雨量記錄器僅存在台 18 線 27K+200、56K+200 及 64K+800 三處雨量站。各雨量站完成架設後，本研究整體架構 如圖六所示。
圖十二 單一雨量站架構圖
(4)研究成果與討論
(a)雨量計安裝成果
本研究利用上述設備除第一期安裝於為台 18 線 25K+100、
27K+200、40K+500、56K+200、64K+800 共五處及台 科大工程 2 館屋頂(NTUST-E2)外，本期於台 18 線 68K+500、
76K+300、78K+020、82K+500 等新增四處雨量站，各雨量
, ,
雨量計 嵌入式控制器
現地雨量站
GSM/GPRS 無線通訊網路
GPRS模組
中華電信
INTERNET
140.118.105.4
雨量收集伺服器
雨量記錄器站架設基本資料如表二所示，新增雨量站現場裝情況如圖十三 ~圖十 六所示。
表二 本研究架設雨量站基本資料 二度分帶座標
站名 高程
(m) X (m) Y (m) 設站日期 R-T18-25K+100 466 209746 2592843 2006/6/17 無線傳輸
R-T18-27K+200 534 211548 2592561 2005/3/31 Datalogger 2006/5/06 無線傳輸
R-T18-40K+500 1232 214457 2591343 2006/6/17 無線傳輸
R-T18-56K+200 1455 221501 2596053 2005/3/31 Datalogger 2006/6/17 無線傳輸
R-T18-64K+800 1617 225331 2598781 2005/3/31 Datalogger 2006/6/17 無線傳輸
NTUST-E2 49 303599 2767535 2006/5/06 無線傳輸
R-T18-68K+500 1617 225331 2598781 2007/4/27 Datalogger
R-T18-76K+300 2291 229113 2599929 2007/4/27 Datalogger
R-T18-78K+020 2288 230299 2600217 2007/4/28 Datalogger
R-T18-82K+500 2275 231340 2598276 2007/4/28 Datalogger
圖十三 R-T18-68K+500 雨量站安裝情形
圖十四 R-T18-76K+300 雨量站安裝情形
圖十五 R-T18-78K+020 雨量站安裝情形
圖十六 R-T18-82K+500 雨量站安裝情形
(b)雨量收集成果與展示
本研究從 96 年 4 月至 95 年 10 月現地收集雨量成果如附件所 示。即時雨量資料在 140.118.105.4 資料收集伺服器上，則利用 PHP 程式語言所撰寫雨量收集程式。
(C) 雨量計安裝問題討論
1、本研究單一雨量站設備及所需費用，依據國科會研究設備費單價
統計如表三所示，採用每次傾倒 0.2mm 雨量計架設第一年所
需費用約 55,600 元，採用每次傾倒 0.5mm 雨量計架設第一
年所需費用約 77,600 元，其中採用每次傾倒 0.2mm 雨量計
成本較低，在有限的預算下可設置較多雨量站。
表三 單一雨量站所需設備與費用
項次 設備名稱 單 價 說明
1a 雨量計 0.2mm/tip 8,000 塑膠製、 1a、1b 擇一 1b 雨量計 0.5mm/tip 30,000 不銹鋼、 1a、1b 擇一
2 嵌入式控制器 10,000 3 GPRS 模組 7,000 4 雨量計角架或基座 3,000 5 12V50Ah 電瓶及置物箱 3,000
6 工業規格戶外防潮箱 8,000 防潮箱及鎖
7 安裝及雜項費用 3,000 電纜線、膠帶、噴漆、
固定夾、螺栓
8 一年通訊費 3,600
300 元 / 月 *12 月=3600
9 雨量記錄器 Datalogger 10,000 合 計 55,600 77,600
0.2mm 雨量計 0.5mm 雨量計 2、七月間 R-T18-68K+500 雨量站雨量計本體於雨量計本體遭
不明人士破壞及 64K+800 雨量計電池遭竊，顯示雨量站設置 於邊坡道路隨時有遭竊或被不明人士破壞之虞。
3 、 R-T18-64K+800 、 R-T18-56K+200 、 R-T18-40K+500、R-T18-27K+200 雨量記錄器電池 陸續出現電源不足現象，造成雨量記錄遺失。
(f) 綜合討論
1、山區道路雨量站，設置後保養與維護困難，人員定期到達雨量站
後應確實清理雨量計本體及檢視連線電纜線是否受損，避免雨量 資料因雨量計本體不潔或電纜線斷線而遺失。
2、雨量記錄器電池，陸續陸續出現電源不足現象，電池壽命較儀器
手冊使用期限短，造成雨量記錄遺失，建議電池使用期限縮短為 儀器手冊建議限的一半或雨季來臨時提前更換。
四、結論
１、以 GPRS 傳輸方法難以避免的問題，仍有通訊中斷問題，為改 善「通訊中斷」問題，建議使用 GPRS Modem 來決解「通訊 中斷」問題，使整個研究架構可靠性增加。
２、在 GSM/GPRS 訊號良好且基地台功能正常的情形下，使用
GPRS 無線封包服務連接網際網路做為即時資料傳送的方法，可
讓山區道路邊坡旁所設置雨量計得以無線感測網路 (Wireless
Sensor Networks)形式回傳即時雨量資料。
參考文獻
1. Ian Foster (2002), What is the Grid? A Three Point Checklist. Argonne National Laboratory
& University of Chicago。
2. ASGS(Academia Sinica Gird Computing) , Gridcafe-The place for everybody to learn
about Grid. http://www2.
twgrid.org/gridcafe/。
3. Wikipedia, General Packet Radio Service http://en.wikipedia.orgwiki/General_P acket_Radio_Service。
4. SIMCOM Limited. (2004). ” SIM100S AT Command Set” V01.00。
5. ICP DAS（2001），7188XA/B/C&7521/2/3 Series Hardware User’s Manual,Ver.1.4。
6. 陳正義、劉立強(2005)，DOS-like 嵌入式控制器程式設計 與實務。
7. 國 家 高 速 網 路 與 計 算 中 心 (民國 77 年)，「KING Knowledge Innovation National Grid」。
8. 方煒(2005)，「田間伺服器與無線感測網路的國內外發展」，
台灣大學生物產業機電工程系，作物生產及運銷專家整合與促進 研討會 。
9. 方煒、蕭 仲 興 (2005)，「田 間 伺 服 器 應 用 於 溫 度 與 土 壤 水 分 感 測 」，台灣大學生物產業機電工程系， 2005 農 機 生 機 發 表 會 。
10.許 智 偉 （2003），「GPS 及 GSM 嵌入式系統設計」，國立 台灣科技大學機電工程研究所碩士論文。
11. 徐浩瀚（2004），「GPS 及 GSM/GPRS 嵌入式系統設計」，
國立台灣科技大學機電工程研究所碩士論文。
12.陳世敏（2005），「山區道路降雨量推估模式建立之研究-以
阿里山公路為例」 ，國立台灣科技大學營建工程研究所碩士論文。
13.張立晴、范玉順（2003），「網格技術及其在製造領域的應用」，
航空製造技術， 2003 年第 2 期，P32~37，北京。
14.薑永發、閭國年（2005），「網格技算與 Grid GIS 體系結 構與鍵技術探討」，測繪科學， 2005 年 8 月第 30 卷第 4 期，
P16~19，南京。
15.王躍宣、吳澄、胡昔祥、劉連臣（2003），「基於仿真建模的 設備網格技術研究」，清華大學自動化系。
16.弋 揚 科 技 （2005），「EGD-01 使 用 手 冊 V1.00A」，
弋 揚 科 技 有 限 公 司 。
17.廖洪鈞、李維峰、董家鈞、卿建業（2005），「坡地災害緊急 搶修與復建整合技術研究」，交通部科技顧問室成果報告。
18.逢甲大學（2003），「山區道路邊坡監測系統自動化及緊急臨 時通報系統研發 (1/2)」，交通部科技顧問室成果報告。
19.逢甲大學（2004），「山區道路邊坡監測系統自動化及緊急臨 時通報系統研發 (2/2)」，交通部科技顧問室成果報告。
20. 師大水文 研 究 室 ，「 水 文 調 查 與 分 析 」 補 充 講 義 ， 國 立 台 灣 師 範 大 學 地 理 學 系 。
21.國 家 高 速 網 路 與 計 算 中 心 （2004），「台灣根莖類農產品 策略聯盟之產銷標準化與建構認證記錄之網路管理資訊系統子 計畫三 -田間伺服器安裝與資訊整合」，行政院農業委員會主管 農業發展計畫九十二度結案報告暨營運手冊。
22. 王潤邑、李依峻譯，「 GPRS 與 3G 無線應用程式-行動上 網技術終極指南」，全華科技圖書股份公司。
23. 彭明柳，「 Visual Basic 6.0 中文專業版徹底研究」，
博碩文化股份有限公司。
24. 王國榮，「 Visual Basic 6.0 資料庫程式設計」，旗標 出版股份有限公司。
25. 王國榮，「 Visual Basic 6.0 實戰講座」，旗標出版股
份有限公司。
訊股份有限公司。
27. 范逸之、陳立元、賴俊明，「 Visual Basic 與 RS232 串列通訊控制」，文魁資訊股份有限公司。
28. 施威銘，「 TURBO C 語言實務」，旗標出版股份有限公 司。
29. 顏春煌，「行動與無線通訊」，金禾資訊股份有限公司。
30. 李凌，「 Winsock 2 網路程式設計實用教程」，松崗資訊 股份有限公司。
31.陳峰棋，「Visual Basic 網路應用程式設計 INTERNET 篇」，佑城數位科技股份有限公司。
32. 中山昇著，杜光宗譯，「電子製作創意集 <感測器篇>」，建 興出版社。
33. Thomas L. Friedman 者，楊振富、潘勛譯，「世界 是平的」，雅言文化出版股份有限公司。
34. 高 能 物 理 所 計 算 中 心，「網 格 計 算 及 其 在 高 能 物 理 中
的 應 用 概 況 」 ， 核 電 子 學 與 核 探 測 技 術 分 會 ， 中 國
www.ihep.ac.cn/xh-neds/lanmu/jiaoliu
/ppt/02-12-2xiamen/yuchuansong.ppt。
附 件 台 18 線雨量站雨量收集成果
赴大陸地區研究心得報告
計畫編號 NSC 95-2625-Z-011-001
計畫名稱 台灣山區道路邊坡災害防治最佳化之研究-總計畫暨子計畫:以格網技術進 行山區道路雨量和邊坡淺層土壤含水量監測之研究(II)
出國人員姓名 服務機關及職稱
廖洪鈞(國立臺灣科技大學營建工程系教授)
林志誠(國立臺灣科技大學營建工程系博士班研究生) 出國時間地點 96 年 4 月 15 日~96 年 4 月 20 日(中國大陸天津市)
大陸地區
研究機構 中國建築業協會深基礎施工分會
工作記要：
2007 海峽兩岸地工技術/岩土工程交流研討會在 96 年 4 月 16 日~96 年 4 月 18 日於大陸 天津市金皇大酒店舉行。這一次大會主辦單位為中國建築業協會深基礎施工分會及財團法人 地工技術研究發展基金會，承辦單位為北京城建設計院、天津城投公司及協辦單位天津大學 建築工程學院、鐵道第三勘察設計院及天津市勘察院等，藉由這些單位的大力支持，才能順 利召開本次大會。
在此次研討會中台灣方面共提供了五十三篇論文，其中主題論文五篇，其餘四十八篇則 分別歸屬以下九項子題:
一．岩土工程理論與研究(12 篇);
二．隧道、地鐵土建工程設計與施工(6 篇);
三．深基坑支護設計與施工(7 篇);
四．注槳加固技術在工程中之應用(5 篇);
五．施工降水(3 篇);
六．地下工程防水(2 篇);
七．施工監測(2 篇);
八．地下工程施工風險評估與控制(6 篇);
十五篇，亦大多數都是有關於交通建設及地下工程之實務性質的文章，足見大陸近年來大力 建設且進步神速。這次研討會選在天津舉行，具有其深遠的意義。由於近年來中國大陸在天 津大力的投資，預期在可見的未來，在天津會有很多的建設完成。台灣代表所帶來的這些經 驗，希望對天津的發展有具體的貢獻。也期待在天津的所見所聞能有助於台灣的工程發展。
這次大會的主題是「岩土工程的安全與品質」 ，正反映著這個時代的需要。一艘而言，土 木工程常常留給大家粗糙笨重的印象，一旦發生災變也常常危及工作人員及鄰近居民的人身 安全。其實工程的品質與安全是互為因果、習習相關的。如果我們重視品質，自然要求細緻;
要求細緻自然思慮周延;思慮周延自然在安全上不會妥協，就可以提升安全性。岩土工程所面 對的是自然的材料及很多地底下不可預期的狀況，所以小心謹慎，膽大心細的重要性遠超過 工程中其他的部份。由這次刊登的論文就可以知道海峽兩岸同道們在這個主題之下，提供了 很多寶貴的經驗及知識，必然會對兩岸地工技術品質及安全的提昇產生鉅大的貢獻。
這次天津之行筆者主要參與了幾項大會的議程外，另外還參加了於會議結束後舉辦的天 津(4/19)及北京(4/20)的參訪行程，皆有不少收穫與啟發。其中，天津主要參觀了天津音樂廳(小 白宮)及天津站樞紐工程，皆為大規模之地下深開挖工程。此外，亦參訪了中國第一所西式教 育大學─北洋大學堂(即現今之天津大學)，在他們的校史館中還看見當初上書光緒皇帝申請 設立學校的奏摺及皇上的批示，以及中國的第一張大學畢業文憑。該日中午到聞名中外的天 津狗不理包子用餐，但口味覺得尚可，不如想像中美味。在北京則主要參觀了 2008 奧運重點 工程，包括國家體育場(鳥巢)及游泳中心(水立方)，皆為大規模之特殊工程，可惜因尚在趕工 中，未能入內近距離參觀，只能由遠處眺望。
整體而言，大陸給人的感覺是一個快速發展的地區，仿佛是個超大型工地，到處都有工 程在進行，尤其是北京市，更是十足國際大都會，街道整齊，到處高樓大廈林立。然究其內 涵，可能仍有所不足，諸如其交通極為擁塞，環保問題嚴重，尤其在參觀 2008 奧運重點工程 時，工程開挖所造成的漫天風砂，有如砂塵暴一般，令人無法適應。而在一般公路沿途，則 處處可見垃圾亂倒，河水髒污，另人怵目驚心。又如本次研討會時，大陸代表報告了南水北 引工程，雖然工程規模極為浩大，然而所造成的環境衝擊亦應極為嚴重，但從頭至尾未見大 陸代表提及。此外，貧富差距過大，亦可能是大陸社會之潛在嚴重問題，就筆者所接觸的食 宿及生活用品而言，其單價與臺灣差異並不大，然大陸一般勞工之薪資水準僅達臺灣之 1/10~1/5，他們如何能消費得起。但這些商家仍能繼續營業下去，顯示仍有一定的客源，因此，
部份大陸同胞之所得可能不在臺灣一般國民所得之下，故這種極大的貧富差距，是否會在以
後造成嚴重的社會問題，值得密切注意。
2007 海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會 (4 月 15～18 日，天津)
地盤改良對減低黏土層島區式開挖所致 土壤位移之效果
廖洪鈞 林志誠 黃啟瑞
台灣科技大學營建工程系 亞新工程顧問股份公司
摘要
為 了探討 地盤 改良對 減低 軟弱黏 土層 中進行 無支 撐島區 式開 挖所產 生土 壤位移 之效 果，本 研究透 過 超 軟 黏 土 之 模 型 試 驗 ， 以1-g的方式模擬黏土層島區式開挖之行為。此外，另採一個三维有限差分 程 式(FLAC3D)，以數值分析來探討不同型式地盤改良對黏土層島區式開挖所致變位之影響，並驗證模 型 試驗結 果推 測現地 行為 之合理 性。研究結 果顯 示壁狀 地盤 改良比 柱狀 地盤改 良更 能有效 地減 低開挖 引 致之地 表沉 陷;且以增加地盤改良範圍之方式，對減少島區式開挖所致土壤位移之效果，較採提高改 良 率或改 良土 強度之 方式 來得有 效。
EFFECT OF GROUND IMPROVEMENT ON REDUCING BERMED EXCAVATION INDUCED MOVEMENT IN CLAY
LIAO HUNG-JIUN LIN CHIH-CHEN HUANG CHI-JUI
TAIWAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY MOH AND ASSOCIATES, INC.
ABSTRACT
To evaluate the effect of ground improvement on reducing bermed excavation induced soil movement in clay, a 1-g model test using the extremely soft clay was proposed here. To verify the suitability of model test results, a three-dimensional explicit finite difference program (FLAC
3D) was used to perform the numerical analyses for comparing the surface settlement associated with different layouts of ground improvement in the field. Test and analysis results had indicated that the buttress type of arrangement has shown a better effect on controlling the bermed excavation induced surface settlement than the column type of arrangement. In addition, it has been found that it is more effective to reduce the soil movement by increasing the dimension of improved zone rather than increasing the improvement ratio or the strength of improved soil.
一、前言
在 軟弱黏 土層 中進行 深開 挖工程，由 於軟弱 黏土 本身之 低強 度與高 變形 性，每每造 成過量 的地表 沉 陷 甚 至 整 體 開 挖 之 不 穩 定 ， 導 致 鄰 近 結 構 物 的 損 害 。 欲 克 服 此 一 問 題 ， 工 程 師 經 常 採 用 地 盤 改 良 (ground improvement)方式，將主要影響開挖行為之局部軟弱土壤強度予以提昇，以有效地解決在 軟 弱黏土 中開 挖所引 致的 鄰損問 題。然而，以地 盤改良 來處 理軟弱 黏土 層之深 開挖 問題雖 已獲 致大多 數 人的認 同(Terashi, 2003)，但如何以較佳的改良配置得到最經濟有效的改良效果，則仍需進一步確 認 。
數 值分析(numerical analysis)、模型試驗(model test)及監測數據回饋(即observation method)
廖洪鈞等：地 盤 改 良 對 減 低 黏 土 層 島 區 式 開 挖 所 致 土 壤 位 移 之 效 果
果 也 多 能 滿 足 工 程 需 求 。 但 因 地 質 改 良 樁 對 土 壤 的 加 勁 作 用 ， 則 整 個 開 挖 問 題 的 分 析 將 變 得 十 分 複 雜 ， 不 易 以 現 行 的 一 維(one dimension)或二維數值分析工具來模擬。而深開挖工程之行為也可藉由 現 場案例 所量 測的監 測數 據來加 以探 討，但因現 場數據 的變 異性甚 大，不同 位置所 量測的 數據 經常會 有 出入，通常 需配合 統計 分析方 法和 大量的 監測 數據才 能明 確地掌 握開 挖之行 為，因此 在工程 實務上 現 場監測 資料 多半是 用來 驗證數 值分 析的結 果。至於 在室內 試驗方 面，目前 針對大 變形的 開挖 穩定性 所 進 行 之 研 究 ， 經 常 使 用 離 心 機(centrifuge)模型試驗法。但因黏土模型試驗從試體的準備到完成耗 時 甚久， 試驗 進行不 易， 所以在 文獻 較少見 到黏 土層開 挖之 離心機 模型 試驗結 果。
有 鑑於此，本 研究將 採一 個等值 縮小 的模型 試驗 及一個 三维 有限差 分(finite difference)程式，來 探 討 軟 弱 黏 土 於 不 同 地 質 改 良 配 置 下 之 開 挖 變 形 行 為 。 其 中 ， 模 型 試 驗 乃 利 用 控 制 開 挖 穩 定 係 數
（stability number, N
b
=γH/Su
）不變 的觀念，於 縮小模 型尺 寸時，同比 例降低 土壤 強度(變成強度很 低 的超 軟黏土)，來克服因縮小模型尺寸後所產生之尺寸效應問題，以1-g的方式來模擬黏土層中進行 島 區式開 挖所 致之土 壤變 位。此 超軟 弱黏土 模型 試驗與 離心 機試驗 原理 —縮小 模型 尺寸和 增加 自重的 試 驗 方 法 有 相 似 之 處 ， 但 因 是 在1-g的狀態下進行模型試驗，所以土壤內部之應力態與原型不同，不 過 因超軟 黏土 模型試 驗之 土樣不 需壓 密，所以在 試驗時 間上 可以縮 短許 多，有利進 行參數 研究。且離 心 機試驗 設備 所費不 貲，非ㄧ 般研究 者所能 負擔，相 較之下，本 文所建 議之超 軟弱 黏土模 型試 驗則甚 為 經 濟 簡 便 。 至 於 三 维 數 值 分 析 ， 主 要 乃 採 美 國Itasca 公 司 所 發 展 之 FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimension)程式，來模擬於軟弱黏土中進行島區式開挖之變形行為，並 與 模型試 驗結 果相互 驗證 比較，以評 估不同 改良 配置下 之地 盤改良 效果，供 工程師 進行深 開挖 設計時 之 參考。二、模型試驗原理及設備
2.1 試驗原理
超 軟黏土 開挖 模型試 驗之 原理是 藉由 控制模 型試 驗之穩 定數(N
b
)與現場開挖相同，例如，若模型 之 尺寸為 現場 尺寸之1/n倍，則黏土之Su
值 也要減 為現地 黏土Su
值 之1/n倍，才能使穩定數保持定值，如 公 式(1)所示。事實上離心機試驗也是採用類似的原理，當模型尺寸為原尺寸之1/n時，利用離心機 旋 轉所產 生之 離心力 ，使 土壤之 單位 重(γ)增加n倍，維持穩定數為定值（李崇正等人，1994）。
model u
model prototype
u
prototype
prototype u
prototype
b (S )
H n
) (S
n H
) (S
N H ×
× =
× =
= γ γ γ
……….………..(1)
其 中，H
prototype
:原型之開挖深度，Hmodel
:模型之開挖深度，n:模型試驗之縮小比值，(Su
)prototype
: 原 型現地 土壤 之不排 水剪 力強度，(Su
)model
:模型試驗土樣之不排水剪力強度。至於當土壤之不排水剪 力 強度依 模型 縮小比 例(1/n)降低後，模型試驗所量得之土壤位移量，須考慮模型與原型間之變形模數 之 降低比 例， 經無因 次分 析(Iai,1989)後以公式(2)轉換，方可合理地反應現地土壤之變位行為。prototype u
el u mod m
p
E S E S d n d
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
⎟ ⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
=
………..………(2)其 中 ，d
p
:原型之位移，dm
:模型之位移，(E/Su
)prototype
:原型現地土壤之不排水勁度E與剪力強度 Su
之 比 值，(E/Su
)model
:模型試驗土樣之不排水勁度E與剪力強度Su
之比值 。2.2 試驗過程及設備
本 模 型 試 驗 設 備 如 圖 一 所 示 (廖 洪 鈞 ，2005)，主要由壓克力製的試驗箱主體(尺寸50cm*30cm*
2007 海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會 (4 月 15～18 日，天津)
15cm)、觀測面板、頂板及鋼製擋土鈑所組成。而 為 了 模 擬 現 地 不 排 水 剪 力 強 度S
u
隨 深 度 漸 增 的 情 形 ， 本 模 型 試 驗 土 樣 分 三 層 置 入 模 型 試 驗 箱 中 ， 其 分 層 以 最 終 開 挖 面 及 擋 土 鈑 ( 長20cm 厚 度 0.1cm之鋼片製成)底端為分界，各分層土壤之不 排 水 剪 力 強 度Su
由 上 而 下 依 序 約 為0.3kPa 、 0.5kPa、0.8kPa，土戧之斜率1：1.5（垂直：水 平 ），擋土壁 長則為 開挖 深度 (10cm)之2倍。試驗 時 先 將 模 型 箱 平 放 ， 於 內 部 填 滿 土 樣 蓋 上 面 板 後 ， 將 整 個 模 型 箱 直 立 並 拆 除 頂 板 ， 利 用 數 位 相 機(digital camera)將不同時間下土壤的位移情形 拍 攝 下 來 ， 然 後 採 電 腦 繪 圖 軟 體 將 所 拍 攝 的 照 片 予 以 重 疊 ， 再 將 重 疊 之 圖 層 座 標 化 後 ， 即 可 求 取 各 標 示 點 在 開 挖 解 壓 前 後 之 相 對 沉 陷 量 ， 如 圖 二 所 示 。 為 了 比 較 不 同 試 驗 條 件 之 變 形 差 異 ， 本 研 究 取 壁 後 地 表 下 方 兩 公 分 第 一 至 第 四 個 標 示 點 之 平 均 相 對 沉 陷 量 ， 作 為 後 續 比 較 沉 陷 量 之 基 準 ， 詳 圖一 (a)所示。2.3 試體土樣之力學性質
若 模 型 試 驗 之 尺 寸 為 現 場 尺 寸 之 1/100(n=100)， 則 當 現 地 黏 土 之S
u
=3t/m2時 ， 模 型 試 驗 所 需 之 超 軟 黏 土 Su
值 只 有 0.03t/m2(=0.3kPa)，如此軟弱之黏土無法以一般 力 學 強 度 試 驗 ， 如 傳 統 的 壓 縮 試 驗 、 三 軸 試 驗 或 直 剪 試 驗 等 量 測 其 不 排 水 剪 力 強 度 ， 故 本 研 究 採 試 驗 室 落 錐 試 驗(Fall cone test)及試驗室十字片 剪 力 試 驗 儀(Laboratory vane apparatus，葉片 尺 寸 除 原 尺 寸 之D=H=12.7mm 外 ， 另 再 製 作 D=H=25.4mm 及 D=H=38.1mm 兩 種 尺 寸 以 因 應 不 同 強 度 土 樣 所 需)來 求 取 土 樣 之 不 排 水 剪 力 強 度 。 本 模 型 試 驗 土 樣 經 由 上 述 試 驗 所 得 之 含 水 量 與 不 排 水 剪 力 強 度 關 係 曲 線 如 圖 三 所 示 ， 由 圖 三 顯 示落錐 試驗 所推得 趨勢 線(trend line)之黏土強 度 ， 與 十 字 片 剪 力 試 驗 所 測 得 之 黏 土 不 排 水 剪 力 強 度 差 異 不 大(其 最 大 差 異 約 20%， 平 均 差 異 約 10%)，故以土樣含水量經回歸公式推估之黏土不 排 水 剪 力 強 度 ， 可 維 持 一 定 之 準 確 性 。 此 外 ， 本 研 究 於 後 續 進 行 模 型 試 驗 以 前 ， 皆 對 不 同 強 度 土 樣 進 行 至 少 三 個 試 體 之 含 水 量 測 定 ， 以 確 認 其 含 水 量 大 小 ， 而 於 土 樣 置 入 模 型 箱 後 ， 再 採 十 字 片圖一 模型試驗設備及地盤改良配置示意圖
廖洪鈞等：地 盤 改 良 對 減 低 黏 土 層 島 區 式 開 挖 所 致 土 壤 位 移 之 效 果
至 於試驗 土樣 之不排 水勁 度E值(Young’s Modulus)大小，本研究採Madhav and Krishna(1977) 建 議之公 式， 由試驗 室十 字片剪 力試 驗結果 來求 取E值，
D 3
I 1 E T
θ
θ=
……….………….…….(3)
其 中，T:十字片剪力試驗之扭矩，θ:十字片剪力試驗之扭轉角，I
θ
:與十字片尺寸、入土深度及土 壤 柏松比(poisson’s ratio)相關之係數，D:十字片直徑。經由不同含水量(不同強度)試驗土樣之十字片 剪 力 試 驗 結 果 ， 帶 入 公 式(3)中，可求得本模型試驗土壤之E與Su
之 比 值 介 於13.64~31.25，平均約為 20。
圖三 模型試驗土壤之不排水剪力試驗結果 圖四 塊狀改良強度與沉陷量關係圖
三、模型試驗結果
本 模型試 驗之 最大優 點為 試驗簡 單、迅速 且經濟，可 用來模 擬軟弱 黏土 層之開 挖行 為，進行不同 試 驗條件 之參 數研究 ，以 下針對 島區 式開挖 之試 驗結果 作一 說明。
3.1 開挖引致之土壤位移
3.1.1 塊狀改良(block type of arrangement)
為 了 探 討 開 挖 區 內 土 戧 採 不 同 強 度 改 良 土 對 開 挖 行 為 之 影 響 ， 本 研 究 以 變 化 改 良 土 之 範 圍 及S
u
值 分別進 行模 型試驗，其 試驗結 果整 理如圖 四所 示。由圖中 可知，當開 挖區內 土戧(berm)未改良時之 壁 後 平 均 沉陷 量 為1.76cm，而變化改良範圍為W/3:H、2W/3:H及W:H(W為土戧之寬度，H為土戧表 面 至擋 土壁底 之深 度)，改良強度增至1.2kPa±10%、2kPa±10%及4kPa±10%時(相當於現地土壤之S
u
值 介於120kPa至400kPa，當n=100時)，平均壁後沉陷量減至1.28cm~0.52cm，相對於未改良情況下，
改 良效果 達27.3~70.5%(改良效果=地盤改良後所減少之沉陷量/未改良狀況下之沉陷量)。
另 由圖中 可知，壁 後平均 沉陷量 隨著 改良土 強度 增加及 改良 範圍加 大而 減少，整體 開挖穩 定性將 隨 之提昇，但 加大改 良範 圍之效 果明 顯優於 提昇 改良土 強度(strength of improvement)之效果。例如 當 改 良 範 圍 為W/3:H，變化改良土強度由1.2kPa增加至4kPa，其改良效果僅增加9.6%，而當改良土 強 度不 變(1.2kPa)，則加大改良範圍至W:H，其改良效果可增加26.1%。故由上述試驗結果可知欲得 到 最 佳 的 改良 效 果 ， 除改 良 土 須 達一 定 強 度 以上 外 ， 改 良範 圍 亦 應 達一 定 範 圍(涵蓋整個潛在滑動面) 方 能見效 。
3.1.2 壁狀與柱狀改良(buttress type and column type of arrangement)
鑑 於 本 模 型 試 驗 土 樣 之 強 度 極 低 ， 故 本 試 驗 之 地 質 改 良 體(improved body)係以較低含水量的土
2007 海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會 (4 月 15～18 日，天津)
壤 來 模 擬 ， 並 未 添 加 水 泥 材 料 。 改 良 壁 體 之 不 排 水 剪 力 強 度S
u
採10kPa， 相 當於 一般 工 程案 例使 用 之qu=2MPa(=20kg/cm2) 之 灌 漿 (grout) 樁 體 (當n=100時)。壁狀改良之厚度為1cm，以不同間 距 平 行配 置來 代 表不 同改 良 率;而柱狀改良樁體亦 以 同 強 度 之 土 樣 來 製 作 ， 其 配 置 採 梅 花 樁 型 式 (rhombic distribution) ， 平 均 分 佈 於 改 良 區 域 內 ， 改 良 樁 之 直 徑 為1cm， 改 良 樁 體 長 度 則 兩者 皆 為 自 土 戧 表 面 向 下 至 擋 土 壁 底 之 距 離 。 圖 一 為 本 模型試 驗之 改良區 域及 配置示 意圖 。為 了 探 討 開 挖 區 內 土 戧 採 不 同 改 良 率 之 壁 狀 及 柱 狀 改 良 對 開 挖 行 為 之 影 響 ， 本 研 究 以 變 化 改
良 範圍、改良 型式及 改良 率分別 進行 模型試 驗，其試 驗結果 整理如 圖五 所示。由圖 中可知，當 變化改 良 範 圍 為W/3:H、2W/3:H及W:H，改良率(improvement ratio)為20%及40%時，壁狀改良之平均壁 後 沉 陷 量 減 至1.41~0.76cm( 改 良 效 果 達 19.9~56.8%) ； 而 柱 狀 狀 改 良 之 平 均 壁 後 沉 陷 量 減 至 1.51~0.85cm(改良效果達14.2~51.7%)。由圖五亦可知不論是何種改良範圍，壁狀改良之抑制土壤沉 陷 量(改良效果)之情形較柱狀改良為佳，且此現象在改良範圍越大時(=W:H)越顯著。
3.2 複合土體強度折減係數α之探討
在 軟弱黏 土層 之深開 挖工 程中施 作地 盤改良 ，台 灣地區 常以 高壓噴 射灌 漿(Jet Grouting)或深層 攪 拌樁(Deep Mixing Pile)工法來進行，並將改良樁體與土壤視為一種複合材料。本研究之模型試驗 將 以 塊 狀(完全取代)地盤改良與柱狀改良來進行比較，以了解開挖工程經地盤改良後之行為。一般柱 狀 改良之 複合 土體強 度以 下公式 表示(Hsieh,2003)：
(1 )
2
u
um r u r
S = − I ⋅ S + ⋅ ⋅ α I q
………..……….…….(4)其 中 ，S
um
＝ 複 合 土 之視 剪 力 強 度(apparent shear strength)，Ir
＝ 改 良 率 ，Su
＝ 未 改 良 土 壤之 不 排水剪 力強 度，qu
＝改 良樁體 之無 圍壓縮 強度(unconfined compression strength)，α＝改良樁體 強 度折減 係數 。式(4)之強度折減係數α是針對改良樁體強度進行折減，而非對現地土壤剪力強度折減，其中的考 量 是因為 在開 挖的過 程中，改 良區域 內之複 合土 體主要 受到 側向力 作用，而 樁體所 受之側 向加 壓係經 由 樁身周 圍土 壤傳遞 而來，此 時攪拌 樁體無 法完 全發揮 其本 身的強 度，故必 須對攪 拌樁體 強度 做一折 減，才 能符合 現地之 複合 土體行 為。本模 型試驗 利用不 同改 良範圍 及改 良土強 度之 塊狀地 盤改 良，以 擋 土壁後 之平 均沉陷 量， 來求取 對應 於柱狀 改良 之複合 土體 強度折 減係 數α值(圖四)。
就 本 模 型 試 驗 結 果 而 言 ， 改 良 樁 體 強 度 折 減 係 數α值 因 改 良 範 圍 及 改 良 土 強 度 之 不 同 而 有 所 變 化 ， 其 中 柱 狀 改 良 之α 值 分 佈 介 於 0.2~0.33( 平 均 約 0.28 ， 詳 表 一 ) ， 壁 狀 改 良 之 α 值 分 佈 則 介 於 0.27~0.5(平均約0.38，詳表二)。由本模型試驗結果可知在設計柱狀或壁狀地質改良時，其改良體之 強 度可能 折減 甚多， 因此 ，若欲 採柱 狀或壁 狀地 質改良 來減 低黏土 層島 區式開 挖所 引致之 土壤 位移，
應 保守地 估算 其複合 土體 之視剪 力強 度。
四、數值分析
為 了 驗 證 模 型 試 驗 之 結 果 ， 本 研 究 採FLAC3D程 式 進 行 島 區 式 開 挖 之 數 值 分 析 ， 以 作 為 與 模 型 試 驗 結果比 較之 依據。分析 網格(grid)如圖六所示，其尺寸為100m*30m(長*高)，厚度視改良型式之不
圖 五 柱狀及壁狀改良率與沉陷量關係圖
廖洪鈞等：地 盤 改 良 對 減 低 黏 土 層 島 區 式 開 挖 所 致 土 壤 位 移 之 效 果
表一 柱狀改良視剪力強度S
um
與折減係數α 改 良寬 度
改 良 率 Ir
(%)
地 表 沉 陷 量 (cm)
視 剪 力 強 度 Sum
(kPa)
折 減 係 數 α W/3 20.9 1.51 0.7 0.2 W/3 40.8 1.18 1.55 0.33 2W/3 20.4 1.26 0.92 0.32 2W/3 40.8 1.03 1.4 0.29 W 20.9 1.1 0.9 0.3 W 40.8 0.85 1.15 0.22 註 :改 良深度為 自土戧 表面 至擋土 壁底(H)
前 後 之 邊 界 條 件 則 採 輥 輪 接 合(roller)，即用一個 單 位 寬 度 的 網 格 來 模 擬 無 限 長 之 平 面 應 變 (plane-strain)開挖行為，以減少所需之電腦記憶 體 容 量 。 開 挖 深 度 為10m， 故 此數值 分析 案例之 尺 寸 約 為 模 型 試 驗 之100倍(除左右兩側網格考慮 邊 界效應 因素 與以加 大外 )。分析 開挖 時採三 階段 進 行，每階開 挖深度 為3~4m;擋土 壁及 地質改 良體 採 與 土 壤 相 同 型 式 但 不 同 材 料 性 質 之 元 素 模 擬 ， 通 常柱狀 改良 體之形 狀為 圓柱形(cylinder)，但由 於 圓 柱 形 元 素 在 本 分 析 條 件 中 較 不 易 收 斂 ， 故 改 採 方塊形(brick)元素模擬。
分 析 時 黏 土 層 假 設 為 不 排 水 ， 應 力 — 應 變 關 係 採 用FLAC程 式 (Itasca,1997)內 建 之 線 彈 塑 性 (linear-elastic, perfect plasticity)模式，並依循 莫 爾—庫 侖(Mohr-Coulomb)破壞準則。土壤之不
排 水剪力 強度 亦採約 為模 型試驗 之100倍，即S
u
與 現地覆 土應 力σ’v之 比值 採0.32(輸入時採c=Su，φ=0);至 於其楊 氏係 數E(彈性模數)則參考一般台北盆地粉質黏土層之試驗值，E/S
u
之 比值 採500(歐章煜，1994);柏松比ν在不排水狀況下之理論值應為0.5，但考量數值分析的收斂性，本分析中採ν=0.49。至 於 擋 土 壁 以 厚50cm， 深 20m之 彈 性 材 料 模 擬 (E值 採 1400MPa)， 擋 土 壁 與 現 地 土 壤 間 以 界 面 元 素 (interface element)模擬，其強度參數(c，φ)採與相鄰土壤相等;地質改良體則採與現地土壤相同材料 之 應力— 應變 模式， 僅變 化其輸 入參 數值(c=qu/2，ν=0.3)。
數 值分析 採用 與模型 試驗 類似之 分析 條件，即變 化不同 改良 範圍與 改良 土強度(塊狀改良)、改良 率 與改良 體強 度(柱狀及壁 狀改良 )等，分析 其開挖 後之變 形行 為，並以壁 後約兩 倍開 挖深度 範圍 內之 平 均地表 沉陷 量，作為比 較地盤 改良 效果之 依據。分 析結果 如圖七 及圖 八所示，與 模型試 驗結 果相比 較 (模 型 試 驗 結 果 之 沉 陷 量 須 經 公 式 2之 轉 換 )， 數 值 分 析 結 果 之 曲 線 較 圓 滑 ， 而 模 型 試 驗 結 果 之 曲 線 則 較陡峭，其 原因研 判是 模型試 驗易 受邊界 條件 之限制，故 經地質 改良 後之抑 制變 位效果 較顯 著，但 兩 種方式 所得 結果在 沉陷 量之變 化趨 勢方面 則尚 稱ㄧ致。由 圖七顯 示不 管在何 種改 良範圍 之塊 狀改良 條 件下，當改 良土強 度達 一定程 度以 上(約100kPa)，減低土壤位移之成效增加極為有限;而當改良範 圍 由W/3提高至2W/3時，則改良效果之提昇較為明顯。上述結果與模型試驗之結論類似，即加大改良 範 圍之效 果比 提昇改 良土 強度之 效果 明顯。此外，對 柱狀及 壁狀改 良而 言(圖八 )，分析 結果顯 示當改 表二 壁狀改良視剪力強度S
um
與折減係數α 改 良寬 度
改 良 率Ir
(%)
地 表 沉 陷 量 (cm)
視 剪 力 強 度 Sum
(kPa)
折 減 係 數 α
W/3 20 1.41 0.85 0.29 W/3 40 1.14 2.2 0.5 2W/3 20 1.22 0.99 0.36 2W/3 40 0.95 1.95 0.44 W 20 0.89 1.1 0.41 W 40 0.76 1.28 0.27 註 :改 良深度為 自土戧 表面 至擋土 壁底(H)
圖六 島區式開挖之數值分析網格
2007 海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會 (4 月 15～18 日，天津)
良 範 圍 較 大 時 ， 壁 狀 改 良 減 低 土 壤 位 移 之 效 果 皆 較 柱 狀 改 良 為 佳 ， 此 點 則 與 模 型 試 驗 之 結 論 相 同 (除 改 良範 圍為W/3時，柱狀改良在改良率低時之效果略優於壁狀改良，研判其原因可能是改良範圍較小 時 ， 壁 狀 改 良 因 應 力 集 中 故 效 果 較 未 能 發 揮 )。 此 外 ， 當 改 良 率 達 一 定 程 度 以 上 (約20%)，增加改良 率 並未能 提昇 改良效 果， 此點與 塊狀 改良之 分析 結果呈 現相 類似的 趨勢 。
另 本研究 亦分 析了不 同改 良體強 度對 柱狀及 壁狀 改良之 影響，分 析結果 如圖九 所示，顯 示當同改 良 體強度qu值 由1MPa變化至20MPa，其對減低地表沉陷之變化極為有限，即提高改良體強度並無法 提 升改良 效果 。
圖七 塊狀改良強度與沉陷關係之分析結果 圖八 柱狀及壁狀改良率與沉陷關係之分析結果
五、結論與建議
1、根據模型試驗及數值分析結果，顯示在 黏 土 層 的 無 支 撐 島 區 式 開 挖 中 ， 無 論 採 用 何 種 改 良 型 式(塊狀、柱狀或壁狀)，加大改良範圍 對 減 低 土 壤 位 移 之 效 果 比 提 昇 改 良 土 強 度 或 改 良 率來得 明顯 ;當 改良區域 較小時，因 無法涵 蓋 整 個 潛 在 滑 動 範 圍 ， 故 對 減 低 土 壤 位 移 之 成 效 偏 低 ； 而 若 改 良 區 域 太 大 ， 則 雖 然 改 良 效 果 增 加 ， 但 恐 有 浪 費 之 疑 慮 。 因 此 ， 較 理 想 之 改 良 設 計，應以涵 蓋整個 滑動 範圍(寬度約為開挖深 度 之1~1.5倍，深度與擋土壁相等)且改良強度 (或改良率)足夠時，才能得到最經濟且有效的改 良 效果。
2、依模型試驗及數值分析結果，壁狀改良比柱狀改良更能有效地抑制開挖引致之土壤位移(當改 良 寬度>W/3時);且改良體強度之變化對柱狀及壁狀改良之改良效果影響有限。
3、依模型試驗結果，比較塊狀與柱狀及壁狀改良之壁後平均沉陷量關係，反推柱狀及壁狀改良 複 合土體 強度 及改良 樁強 度折減 係數 α值分 別約 為0.28及0.38。可知若欲採柱狀或壁狀地質改良來減 低 黏土層 島區 式開挖 所引 致之土 壤位 移時，其改 良體之 強度 可能無 法充 分發揮，在 進行設 計時 應保守 地 估算其 複合 土體之 視剪 力強度 。
誌謝
圖九 柱狀改良體強度與沉陷關係之分析結果
廖洪鈞等：地 盤 改 良 對 減 低 黏 土 層 島 區 式 開 挖 所 致 土 壤 位 移 之 效 果
參考文獻
李 崇 正 、 林 志 棟 、 林 俊 雄 (1994)，“大地工程研究者之新工具：離心模型試驗＂，岩盤工程研討會 論 文集， 中壢 ，第649-669頁。
廖 洪 鈞 、 林 志 誠 、 黃 啟 瑞 (2005)，“利用超軟黏土模型試驗探討地盤改良對黏土層島區式開挖之影 響 ＂，第 十一 屆大地 工程 學術研 討會 ，萬里 ，D10-1至D10-8頁。
歐 章 煜 、 蕭 文 達 (1994)，“臺北粉質粘土之不排水勁度特性＂，中國土木水利工程學刊，第六捲，
第 二期， 第233-237頁。
