廢棄物掩埋場穩定性最佳化設計(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

廢棄物掩埋場穩定性最佳化設計(1/3)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-009-013-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日

執行單位： 國立交通大學土木工程學系(所)

計畫主持人： 單信瑜

計畫參與人員： 單信瑜，范佐憲，吳佩萱，王昱雲，陳維良

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 5 月 29 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

廢棄物掩埋場穩定性最佳化設計(1/3)

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC 94-2211-E-009-013

執行期間： 94年 8月 1日至 95年 7月31日

計畫主持人：單信瑜

共同主持人：

計畫參與人員：范佐憲、吳佩萱、王昱雲、陳維良

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

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

□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

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立交通大學土木工程系

中 華 民 國 95 年 5 月 31 日

廢棄物掩埋場穩定性最佳化設計

(1/3)

Optimization of Landfill Stability Design(1/3)

計畫編號：

NSC 94-2211-E-009-013

執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

主持人：單信瑜

國立交通大學土木工程學系 副教授

摘要

關鍵詞：掩埋場、廢棄物、剪力強度、邊坡穩定

雖然台灣的廢棄物處理逐漸以焚化取代掩埋，然而

無論是不可燃的廢棄物、焚化灰渣、或者是離焚化

場運距較遠的鄉鎮，仍將繼續以掩埋為其主要的處

理方式。台灣因為地狹人稠，所以許多掩埋場位於

山坡地上。這些掩埋場破壞的主要原因就是在掩埋

場的設計時，並未進行邊坡穩定的分析；在營運期

間也並未考量到穩定性的問題。另一方面，台灣過

去甚少有對於廢棄物的剪力強度進行研究，因此少

數掩埋場在進行穩定分析時，僅能採用國外廢棄物

剪力強度的數據資料。本研究的目的在於利用現地

試驗，直接求出廢棄物的剪力強度，並利用這些參

數進行邊坡穩定分析。針對常見的山坡地掩埋場配

置與斷面，對於掩埋場營運中與封場後的最終填築

斷面進行探討，以提出既符合安全要求又能夠將掩

埋容積最大化的最佳斷面配置。計畫成果將可以提

供掩埋場的管理單位與工程設計者作為掩埋場設

計與營運的參考，提高掩埋場的安全性，提高掩埋

場的安全性與經濟效益。

Keywords: Landfill, Solid Waste, Shear Strength,

Slope Stability

Due to the limitation of population density and

availability of land, a large portion of Taiwan’s

landfills are located in mountainous area. Current

regulations do not require slope stability analysis for

these landfills. As a result, almost all of the landfills

were not designed to maintain a suitable factor of

safety against failure. Many of these landfills fail

during typhoon season each year. The composition of

Taiwan’s solid waste differs considerably from that of

the United States or any other country in the world.

However, the lack of data of local solid waste poses a

great limitation to engineers. The objectives of this

research are to collect shear strength data from in-situ

tests and perform a series of stability analyses. The

stability of various cross-sections of typical hillside

landfill during operation and closure will be analyzed

to develop a serious of optimized design. These

optimized cross-sections will facilitate governmental

agencies to develop landfill design and operation

criteria to ensure the stability of landfills. In addition,

the stability criteria will help the landfill operators

maximize the capacity of the landfills without

compromising stability.

一、前言

1.1 計畫背景

1.1.1 掩埋場邊坡穩定問題

雖然台灣的廢棄物處理逐漸以焚化取代掩埋，然而

無論是不可燃的廢棄物、焚化灰渣、或者是離焚化

場運距較遠的鄉鎮，仍將繼續以掩埋為其主要的處

理方式。此外，在位於各地的數百座老舊掩埋場，

雖陸續封場，但其長期穩定性仍然是必須關切的問

題。

根據我國一般廢棄物回收清除處理辦法（環保署，

2002）第三十條第二款規定，掩埋場終止使用時，

應覆蓋厚度五十公分以上之砂質、泥質黏土、皂土

或具相同阻水功能之地工材料組合等阻水材料，覆

蓋砂石者，並予以壓實。壓實後，平坦面坡度為百

分之一以上，斜面坡度為百分之三十以下，並應綠

化植被。另根據我國事業廢棄物貯存清除處理方法

及設施標準（環保署，2002）規定，掩埋場終止使

用時，應覆蓋厚度五十公分以上之砂質、泥質黏土、

皂土或具相同阻水功能之地工材料組合等阻水材

料，覆蓋砂石者，並予以壓實。壓實後，平坦面坡

度為百分之一以上，斜面坡度為百分之三十以下，

並應綠化植被。然而，因為國內掩埋場多半超量掩

埋或因為於山坡地，因此多未能符合上述坡度低於

百分之三十（約為

17.5°）的要求。

截至民國

94 年止，台灣地區營運中的廢棄物掩埋場

總計有一百七十餘場，台灣山坡地掩埋場約七十餘

場。根據環保署

2003 年委託研究單位訪視 29 個復

育掩埋場（行政院環保署，2003）的結果顯示，『邊

坡穩定性不足』名列掩埋場問題的榜首。針對這一

類掩埋場的穩定問題，國內的主管機關曾提出以下

建議：

1.

掩埋場在平地應不高於

50 公尺，在丘陵

則可酌量提高。當掩埋場高度愈高，其坡

度則應求其平緩。

2.

掩埋場外緣坡度基本上應不小於

1:3。祇

有當掩埋場需要堆積更高時，方予酌情放

緩坡度。

3.

當坡面愈趨於上方時，坡度可酌增陡峻，

當坡面愈趨於下方時，坡度則勢須放緩。

4.

掩埋場高度每增加

8~10 公尺時，則須加

設最少為

4 公尺寬的平台階面一座。階面

內側須有排水溝設置。

另一方面，亦有專家提出在目前存在的掩埋場中下

述的垃圾邊坡範圍已被觀察為穩定邊坡（陳榮河，

1997）：

1.

事業廢棄物：4H：lV (≈14.0°)到 3H：lV

(≈18.4°)

2.

包含

40%固體的污泥式廢棄物：7H：lV

(≈8.1°)到 6H：lV (≈9.5°)

3.

飛灰沈積物：7H：lV (≈8.1°)到 6H：lV

(≈9.5°)

4.

砂質廢棄物和飛灰：4H：lV (≈14.0°)到

3H：lV (≈18.4°)

對照美國環保署的掩埋場設計要求(USEPA, 1994)，

『掩埋場的覆蓋系統必須在

25 年頻率暴雨 24 小時

逕流與入滲狀態下保持穩定。坡度較

5H:1V(≈11.3°)

陡者應該設置排水層。並應利用試驗求出覆蓋系統

中的各個構件之間在乾燥與飽和狀態下的摩擦角，

以其最低之摩擦角作為邊坡之最大坡度。』國內的

掩埋場最終覆蓋系統規範並未要求排水層的設置，

且並未對於邊坡角度有明確的指引。這對於颱風季

節雨量集中、且最終掩埋面頗為陡峭的台灣掩埋場

來說，其穩定性較難以確保。

長期穩定的安全係數應大於

1.5。地震時安全係數則

必須大於

1.0。（根據 RCRA Subtitle D 採用 USGS

2120 尖峰岩盤加速度圖 90%機率 250 年重現期地

震。相當於

2400 年重現期的地震。）若安全係數小

於

1.0，則必須採用更嚴謹的分析方法評估地震時的

位移。

表

1 美國環保署對於掩埋場穩定安全係數之規範

(USEPA, 1994)

安全係數 類別 土壤或廢棄物強度 參數可靠度高者 土壤或廢棄物強度 參數可靠度低者 崩塌後對生命無 立即危害 >1.25 >1.5 崩塌後對環境無 重大影響 >1.2 >1.3 崩塌後對生命產 生立即危害 >1.5 >2.0 或更高 崩塌後對環境產 生重大影響 >1.3 >1.7 或更高

1.1.2 廢棄物、焚化灰渣工程性質與地工合成材料剪

力強度

廢棄物剪力強度

現地掩埋物之剪力強度參數，受限於取樣代表性與

試驗設備之限制，不易求得，一般多利用室內重模

大型剪力試驗、現地大型剪力試驗、反算分析(back

analysis)等方法推估。

有研究者提出廢棄物內聚力

c 值在 0 – 67 kPa 之間，

摩擦角(φ)在 10 - 53°之間(Knochenmus et al., 1998;

Kavazanjian et al., 2000)。Vam Impe (1998)綜合了 24

個利用邊坡穩定迴歸分析與室內與現場試驗的廢棄

物剪力強度研究，他整理所得的結果：(1) 0 ≤ φ ≤ 20

kPa, c ≈ 20 kPa, φ = 0°；(2) 20 ≤ φ ≤ 60 kPa, c = 0 kPa,

φ≈ 38°；(3) 20 ≤ φ ≤ 60 kPa, c ≥ 20 kPa, φ≈ 30°。這些

數值與

Kavazanjian et al. (2000)所提出之結果相近。

根據游中揚（1998）整理前人數據後指出，國外於

掩埋場現地以標準貫入試驗及現場載重破壞性試驗

等試驗結果顯示，垃圾之摩擦角(φ)與凝聚力(c)大致

呈反比關係，其摩擦角約在

12° - 26°之間，凝聚力

約在

0.45 - 0.02 kg/cm

2

_{間。另一方面，Landva and}

Clark (1986)年久廢棄物，摩擦角 38° - 42°，內聚力

16 – 19 kPa。但一年後求得的數據為摩擦角 33°，內

聚力

16 kPa。Howland and Landva (1992)的研究則得

出

10 – 15 年的廢棄物，摩擦角 33°，內聚力 17 kPa。

Gabr and Valero (1995) 10 – 15 年的廢棄物，摩擦角

20° - 39°，內聚力 0 - 28 kPa。

Landva 與 Clark(1990)曾針對數個不同掩埋場之固體

廢棄物進行直剪試驗（試體大小為

43.4 cm X 28.7

cm），發現凝聚力介於 0.0 至 23.0 kPa 間、摩擦角則

介於

24°至 41°間，受廢棄物組成成分影響很大。

Landva 與 Clark (1990)更進一步指出，傳統上將剪力

強度與正向應力表示成單一線性之關係可能不適用

於固體廢棄物。

Kavazanjian 等人(1995)依據平鈑載重試驗反算分

析、實驗室與現地大型直剪試驗，配合已知穩定之

現地掩埋場反算分析結果，建議取強度分佈之下限

值，以雙線性來描述固體廢棄物之強度特性，如圖

10 所示，當正向應力低於 30.0 kPa 時，取凝聚力

24.0kPa、摩擦角 0 度；當正向應力大於 30.0kPa 時

則取凝聚力

0.0 kPa、摩擦角 33°。

Eid 等人(2000)則綜合大型直剪試驗結果及已發生破

壞之現地掩埋場邊坡反算分析結果，建議固體廢棄

物之強度參數可取凝聚力

25.0kPa、摩擦角 35 度。

此外，固體廢棄物之應力應變關係也明顯與一般土

壤材料不同。固體廢棄物之三軸壓縮試驗顯示，在

軸向應變超過

30%後，其應力仍持續上升，並無達

到穩定值之跡象(Singh 與 Murphy，1990；Machado

等人，2002)。因固體廢棄物之破壞應變明顯遠高於

一般土壤材料，當掩埋場之基礎土壤達到尖峰強度

時，固體廢棄物只發揮了部分強度，直到累積足夠

剪應變，固體廢棄物達到破壞強度後，才會發生明

顯可見穿透廢棄物堆填邊坡之破壞，此時其下之基

礎土壤可能已達到其殘餘強度。因此，進行掩埋場

邊坡穩定性分析時，若基礎土壤及固體廢棄物同時

採用尖峰強度可能導致不保守的結果。

國內掩埋場廢棄物參數之量測

國內掩埋場中廢棄物的工程性質研究甚少。以往對

內湖垃圾山之穩定性分析所採用之參數，則參考日

本實際資料、並折減其強度至

75%，分別為φ =

24.2°，c = 33 kPa (3.38 t/m

2

_{)，垃圾之單位重則取 6.3}

kN/m

3

_{(0.7 t/m}

3

_{)。另福德坑衛生掩埋場於規劃階段之}

穩定性分析，所採用摩擦角及擬聚力與內湖垃圾山

一致，但單位重取更保守之

8.1 kN/m

3

_{(0.91 t/m}

3

_)（陳

榮河，1990）。

相較於一般土壤材料，固體廢棄物因成分複雜、顆

粒形狀與尺寸差異極大，及長期掩埋後化學或物理

變化的影響，使其強度性質不僅變異性高且會隨時

間改變。再加上一般土壤強度試驗無法真正適用於

廢棄物材料，因此，進行掩埋場邊坡穩定分析時，

如何合理評估固體廢棄物之強度參數為主要工作。

廢棄物剪力強度的取得方式有直接量測和間接量

測。直接量測的方法包括：標準貫入試驗、錐貫入

試驗、壓力儀(Pressuremeter)、現地直剪試驗、間接

量測的方法包括了：波速量測、電阻量測、平鈑載

重試驗、沈陷觀測、側向變形觀測、邊坡滑動回饋

分析等。

ASTM D5321 大型直剪試驗的直剪盒為 30 cm X 30

cm，高度 10 cm，雖已較傳統的直剪試驗 ASTM

D3080 試體尺寸大許多，但是對於廢棄物來說，因

廢棄物尺寸不一，30 cm X 30 cm 的尺寸仍嫌無法對

於具代表性的廢棄物進行試驗。而且此儀器所能提

供之正向力相當低，多半僅適用於覆蓋系統的狀況。

基於前述廢棄物的非均質與尺寸效應，廢棄物的性

質藉由現場的試驗可以求得最為可靠的數據。

灰渣剪力強度

國內外對於焚化灰渣的再利用雖有部分學者專家的

研究成果，但是對於灰渣的工程性質，尤其是剪力

強度性質幾乎沒有研究。

地工合成材料界面剪力強度

地工合成膜與土壤介面剪力強度參數隨著地工合成

膜表面處理方式不同而差異極大，對具平滑表面之

地工合成膜(smooth geomenbrane)，其典型靜態摩擦

角約為

8°，而織物類(textured)地工合成膜其典型靜

態摩擦角可達到

25°，Mitchell et al. (1990)之研究指

出介面靜態視摩擦角受材質本身、接觸介面性質與

介面濕潤度影響，而

Kavazanjian et al. (1991)與

Yegian and Lahlaf (1992)利用震動台與離心機研究地

工合成膜與土壤介面其動態與靜態視摩擦角差異，

發現其差異有限，因此可利用靜態試驗值進行擬靜

態分析。對於複合式櫬墊層中夯實黏土與地工合成

膜介面摩擦角，其值受黏土夯實時水分與介面濕潤

度影響極大，摩擦角分佈可從

6°至 30°，實務上多利

用此介面為滑動面時之反算值代表。另外夯實黏土

櫬墊層其剪力強度介於

44~83 kPa (Augello et al.

1995)。

根據

Martin et al. (1984)的研究，HDPE 地工膜布與

砂之間的摩擦角約

18°，PVC 地工膜布與砂之間的

摩擦角約

23°。HDPE 地工膜布與地工織物之間的摩

擦角約

6° - 11°，PVC 地工膜布與地工織物之間的摩

擦角約

11° - 24°。其他的研究數據顯示，砂和光面

地工止水膜的摩擦角大約在

17° – 25°之間(Koerner,

1994; Orman, 1994; Stamatopoulos and Kotzias, 1996;

Day, 1998; Liu et al., 1998; Stamatopoulos, 1998;

Luellen et al., 1999)。織布和糙面地工止水膜的尖峰

摩擦角則在

19°-27°之間，殘餘摩擦角在 17°-24°之間

(Luellen et al., 1999)。

1.1.3 研究目的

本計畫的目的為針對國內的掩埋場：

1.

求得台灣一般廢棄物與焚化灰渣的剪力

強度參數與其他工程性質參數

2.

探討控制山坡地掩埋場穩定性設計的因

子：掩埋面坡高、掩埋面邊坡角度、掩埋

場底部邊坡角度、廢棄物剪力強度、地工

合成材料界面剪力強度、孔隙水壓

3.

探討山坡掩埋場設計的最佳分析方法與

各種分析方法適用的條件與限制

4.

利用數值分析探討創新掩埋場掩埋剖面

的可行性

二、研究方法

2.1 研究規劃

本年度之研究內容包括：

(1)灰渣與廢棄物試驗

a.

廢棄物現地直接剪力試驗一組（四個正向應

力）

b.

廢棄物平鈑載重試驗一組

c.

廢棄物物理性質試驗

d.

灰渣與土壤試驗

(2)掩埋場坡面測量：營運中與已封閉掩埋場坡面測

量（三場）。

(3)二維(2D)邊坡穩定分析

2.2 廢棄物基本性質分析

廢棄物之基本性質分析

1.

一般廢棄物（垃圾）採樣方法

(NIEA R124.00C)

2.

一般廢棄物（垃圾）單位容積重測定方法－外

觀密度測定法

(NIEA R215.00C)

3.

一般廢棄物（垃圾）水分測定方法

(NIEA

R213.20C)

2.3 現地試驗

1. 廢棄物現地直接剪力試驗(現地直剪)

本計畫現地直接剪力試驗採“傾斜載重直接剪力試

（3）試驗面以人工整平，舖上一層約 2 公分厚之

細砂，放置

75 公分圓型平鈑，並調整使保持

水平且完全與地面接融之狀態。

驗”(Inclined load direct shear test)，此一試驗原本目

地為求得岩體弱面之強度參數。試驗配置及建議剪

力施加傾斜角度如圖一所示。試驗流程可參考國際

岩石力學協會(ISRM)建議之岩體節理試驗方法

(Lama and Vutukuri, 1978; Brown, 1981)，ASTM 關於

現地直剪試驗規範為

D4554-90 亦可參考(ASTM,

1993)。

（4）架設參考樑，參考樑之支點距離試驗點至少

5ft(1.5 公尺)以上。

（5）由下而上依序裝置方型平鈑(採用 75cm 、

60cm、45cm 之平鈑疊成，荷重傳遞於 75.0cm

直徑之墊鈑上，以減小彎曲之產生)、油壓千

斤頂、荷重計、球形承座及適當長度之承壓

支柱。

剪動流程簡述於下：

(1) 施加正向力至預定載重，當位移計連續 10 分鐘

記錄沈陷量小於

0.05 mm 時即可進行下一步驟。

_{（6）裝設電子式位移感測計(LVDT)三組，以適當}

距離平均裝置，於方形平鈑邊緣約

3cm 處，

並歸零。

(2) 初始剪位移施加速率不超過 0.1 mm/min，隨剪

應力增加可酌量增加位移速率但不超過

0.5

mm/min，剪應力達尖峰值位移速率可調至 1.0

mm/min，尖峰剪應力附近位移速率應調整於

0.02 – 0.2 mm/min 之間以完整繪製剪應力-變位

曲線。剪力施加過程持續至連續四次剪應力讀數

變化小於

5%且剪位移大於 2 cm 時停止，若剪

應力始終未達尖峰值則加載至剪應變量達

20%

以上停止。

（7）設備完畢後啟動記讀系統，並開始加壓。依

據實際載重與沉陷量相對關係，微壓操作油

壓千斤頂至變形，並記讀鈑位移量與荷重變

化情形，每次加壓至少記錄共約

15 分鐘，且

連續

3 分鐘沈陷率小於 0.02cm/min 方可進行

下一階載重，過程中千斤頂之荷重維持穩

定；記讀於加壓後

1 分、2 分、4 分、6、8

分、10、12 及 15 分記讀測微錶讀數。

(3) 為保持正向力不變，剪力施加過程中需遞減正向

千斤頂之力，遞減量與剪力方向千斤頂垂直方向

分量之力相同。

（8）施加預定荷重增量，重複上述步驟，至預定

最大荷重約二分之一時，荷重解壓。

（9）再重新施加荷重至荷重達預定最大荷重後，

所有荷重平分

3 次解，每次解壓同加壓步驟

記讀荷重、時間及沈陷量三者之關係。

荷重元 鋼軌 反力楔塊 球支承 及鋼板 油壓 千斤頂 鋼筋 混凝土 桁架 150 呆重或反力地錨提供之載重 試體 d A

移除各項試驗設備並採取試驗位置下方廢棄物密封

於塑膠袋內送回試驗室試驗。

平鈑載重試驗承載力估計係由試驗資料繪得"載重

〜沉陷量關係曲線"，並以其降伏點或沉陷量達 0.5

英吋時之對應載重為極限承載力(q

u

)，並取極限承載

力之一半為容許承載力(q

a

)。

圖

1 直接剪力試驗現場佈設示意圖

2.4 灰渣與土壤室內工程性質試驗

焚化灰渣之採樣係依據環保署環境檢驗所公布之

廢

棄物焚化灰渣採樣方法

(NIEA R119.00C)進行。

2. 廢棄物平鈑載重試驗

承壓鈑採用方形或圓形鋼鈑進行試驗。靜載重採用

挖土機作為上部荷重，挖土機型式依現地土壤狀況

而定。荷重樑採用挖土機下方底盤作為荷重樑。沉

陷計及基座使用

4 組日本 TML 公司製造，衝程 10.0

公分，精度

0.001"以上之電子式變位計(LVDT)，安

裝於平鈑四個角落利用磁鐵座連接於參考樑上。加

壓設備採用容量

50 噸之分離式油壓千斤頂進行加

載。壓力量測設備採用美國

INTERFACE 公司製造

容量

22.7 噸(50 kips)之電子式荷重計(Load Cell)進行

量測。資料量測系統採用日本

TML 公司生產之 Data

Logger 自動資料擷取系統進行資料記錄。

焚化灰渣與土壤的試驗包括一般物理性質試驗與力

學試驗。一般物性試驗包括粒徑分析、比重、單位

重、含水比、阿太堡試驗、土壤分類，試驗規範如

表

2

。

表

2 焚化灰渣與土壤物性試驗依據之試驗規範

試驗項目 試驗規範 粒徑分析(含篩分析及比 重計沈降分析) CNS 11776 A3251 土壤粒徑分析試驗法 比重 CNS 5090 A3089 土壤比重試驗法 單位重 CNS 11777 A3252 土壤含水量與密度關係試 驗法 含水比 ASTM D2216 實驗室中土壤、岩石及土壤、 骨材混合物含水量（濕度）測定法 阿太堡試驗 CNS 5087 A3086 土壤液性限度試驗法 CNS 5088 A3087 土壤塑性限度試驗與塑性 指數決定法 土壤分類 ASTM D420 工程用土壤及岩石分類試驗法

整體試驗步驟如下：

（1）以挖土機開挖壕溝至業主指定深度並選定試

驗點。

（2）架設載重台，以每支長 9m，重約 1300 公斤

之

40cm*40cmH 型鋼樑總共 12 支，及 1 部

型號

200 之挖土機，8m^3 鐵筒 4 個、6m^3

鐵筒

2 個、提供約 60 噸呆重。

灰渣與土壤之剪力強度將利用直接剪力試驗(ASTM

D3080-04)求得。正向應力範圍與廢棄物現地直剪試

驗相同，為正向力

50, 100, 200, 400 kPa（約 0.5, 1, 2,

4 kg/cm

2

_{）。灰渣與土壤之壓縮性質將採單向度壓密}

試驗(ASTM D2435-04)進行。

2.5 邊坡穩定分析

本計畫因經費不足，僅購置

GEOSLOPE/w 軟體以進

行

2D 邊坡穩定分析，無法購買 FLAC/Slope 軟體。

GEOSLOPE/w 為 2D 邊坡穩定分析程式，可選用的

分析方法包括了

SBP、Janbu 等常用的方法。在可分

析的滑動面形狀上，也都可以考慮圓弧、非圓弧、

平面式破壞面，並且對於圓弧式滑動面可以型尋找

滑動中心與圓弧半徑，求出最小安全係數。分析步

驟如下：

圖 試驗之廢棄物

(1) 利用圖形界面或資料檔設定掩埋場剖面

(2) 輸入廢棄物與土壤相關參數。

(3) 輸入地下水位或孔隙水壓條件

(4) 輸入地震參數

(5) 進行分析

圖 第 10 號廢棄物試體

(6) 檢視程式輸出結果：安全係數、正向應力

與剪應力分佈

表

3 廢棄物試體單位重試驗結果彙整表

(7) 輸出數值與圖形檔案

試體 總重量 W1(kg) 淨重(kg) 單位重(t/m3₎ 1 26.466 22.058 0.22058 2 31.092 26.684 0.26684 3 29.870 25.462 0.25462 4 34.182 29.774 0.29774 5 29.116 24.708 0.24708 6 29.094 24.686 0.24686 7 27.026 22.618 0.22618 8 32.678 28.27 0.2827 9 35.496 31.088 0.31088 10 34.616 30.208 0.30208 容器重 W0= 4.408 kg 體積V= 0.1 m3 H H β α β α L L

圖

2 邊坡穩定分析類型示意圖

三、研究結果

3.1 現地試驗

現地試驗之場址為新竹縣湖口鄉垃圾掩埋場。湖口

鄉位於新竹縣之北端，北與桃園縣楊梅鎮交界，南

與竹北市為鄰，東界為新埔鎮，西界為新豐鄉。地

勢東北與北稍高，除一部份為丘陵地帶之外，其餘

均相當平坦。

表

4 廢棄物含水比試驗結果彙整表

試體 濕重W1 (kg) 乾重W2 (kg) 水重(kg) 含水比(W) 1 4.558 2.300 2.258 0.9817391 2 3.582 1.764 1.818 1.0306122 3 4.402 2.852 1.550 0.5434783 4 4.406 3.298 1.108 0.3359612

湖口鄉區域性掩埋場位於湖口鄉祥湖段

172、175、

176、177、178、179、180、181 等八筆地號上，基

地面積約

4 公頃(39624.19 m

2

_{)。場內掩埋面積約}

1.713 公頃，容量已達 68,000 萬公噸。預定 95 年 4

月封閉。

3.1.2 現地直剪試驗

本次現地試驗由交通大學公開招標，由衷毅土壤工

程技術顧問公司得標。該公司負責進行現地直剪試

驗與平鈑載重試驗。試驗於民國

95 年 2 月執行。

本計畫之現地直剪試體共四個，其配置如圖

3。

3.1.1 廢棄物性質

試驗位置之廢棄物年齡約三年左右。

圖

3 現地直剪試驗平面佈置示意圖

試體製作步驟：

（1）以挖土機開挖試驗壕溝至指定試驗深度，

則將壕溝尺寸酌予適當增大。在壕溝內將

試體位置標示清楚，先以挖土機約略修出

試體雛形，並小心操作以避免擾動試體。

（2）以人工修裁出底面積為 80 公分×80 公分，

40 高公分之試體，將靠近壕溝壁之試體面

修飾成傾斜面，使合力能通過試體受剪面

之中心線，傾斜角為

22º。

（3）於試體之頂部及四週澆置一層厚約 12 公分

之鋼筋混凝土，澆注混凝土之前，在試體

底緣四週舖墊一層厚約

5 公分之保麗龍，

以分隔混凝土帽與地面，預留剪力槽，於

試驗前再將其剝除之。

（4）試體後側以長 40*40cm*8 公尺之型鋼，作

為試體受剪時阻抗下方土體移動之反力

牆。

圖

4 現地直剪試驗位移感測計佈置示意圖

試體製作完成，並待混凝土硬化

7 天之強度後

進行試驗。

（1）按所需之垂直正應力大小，分別為 0.3、0.5、

1.0、1.5（kg/cm^2），以怪手、鐵筒及型鋼

組成之載重台，並以千 斤頂及荷重計控制

應力大小。

（2）將位移感測計安裝於試體後側、上側及側

向，以量測其剪位移、沉陷量、側向位移。

架設儀器之固定桿需固定於距離試體

80 公

分(一倍試體寬度)以上位置，避免土層因受

壓力推擠而移動固定桿，導致無法測得試

體之真正位移量（圖

4）。

（3）將位移感測計及壓力傳感器連接完成後，

即開始以手控油壓機將正向應依序分別加

壓應力，後開始加剪應力，每隔

30 秒記錄

剪應力與各位移量乙次。

（4）剪應力到達尖峰值後，千斤頂所施壓力即

逐漸下降，位移量仍持續增加，至剪力下

降己趨平緩，即視為已達殘餘強度。

（5）翻開已試驗完畢之試體，檢視、拍照及記錄

剪力面之情形。

圖

5 廢棄物開挖

圖

6 試體修飾及紮筋

圖

7 組裝模板

圖

8 直剪試體灌漿

圖

9 架設反力牆

圖

10 反力架鋼樑吊放

圖

13 量測試體受剪面中心線之傾角

圖

11 反力架上方加載

圖

14 軸向加壓油壓機

圖

16 資料擷取系統

圖

12 架設千斤頂、位移感測計與荷重元

0 5 10 15 20 25 30 0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 36.0 40.0 Shear Strains (%) S he ar S tre ss (t/m 2) σ0= 3t/m2 σ0=5t/m2 σ0=10t/m2 σ0=15t/m2

圖

17 現地直剪試驗應力應變圖

現地直剪試驗所得之應力-應變曲線如圖 17 所示。

為因應廢棄物之特性，本試驗之剪位儀達

20 cm 以

上。由圖中可看出，剪應力隨位儀持續增加，其中

可能因為試體所含廢棄物之差異性以及試體在較大

剪位移時之影響，導致在大應變時，10 t/m

2

_試體之

剪應力低於

5 t/m

2

_{試體之剪應力。圖}

_{18 為現地直剪}

試驗所求出之莫爾庫倫破壞包絡線，線性迴歸所得

之內聚力為

3.44 t/m

2

_{，摩擦角為}

_{32.1°。這一組的剪}

力強度在過去學者研究所歸納之範圍內，但因本試

驗直接在現場進行，且試體遠較過去研究所使用

大，因此數據之可靠性更高。惟

5 t/m

2

_試體與

_{10 t/m}

2

試體之剪應力仍將進一步分析，或許採取捨棄其中

10 t/m

2

_{試體之資料進行分析，以求出更精確之剪力}

情度數據。

0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 Normal stress (t/m2) Sh ea r S tre ss (t/m 2) 尖峰剪力 線性 (尖峰剪力) Cp= 3.44t/m2 φp=32.070

圖

22 架設 LVDT 與 Load Cell、加載

圖

18 現地直剪試驗結果曲線圖

圖

23 數據記錄

3.1.3 平鈑載重試驗

平鈑載重試驗進行之過程如圖

19∼23 所示。

_{現地平鈑載重試驗所得之沈陷∼載重曲線如圖 24 所}

示。由圖中可知曲線無明顯破壞點，表

5 為本試驗

之結果彙整，試驗沉陷量等於

0.5”所對應之承載力

為

0.58 t/m

2

_{。惟因廢棄物之壓縮性高，沈陷量大，}

故其極限承載力之訂定與土壤試驗不同，0.58 t/m

2

應僅為參考；更實際之數據尚待進一步分析。

0 50 100 150 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Loading (t/m2₎ A ver ag e S et tle m ent ( m m

圖

19 清除表土

圖

24 平鈑載重試驗沈陷

∼載重曲線

圖

20 放置平鈑與千斤頂

表

5 現地平鈑載重試驗結果彙整表

項目 位置 極限承載 力 qu（t/m2） 容許承載 力 qa（t/m2） 地盤反力係 數 Kv（t/m3_） P-1 0.58 0.29 50.39

3.2 灰渣試驗

本計畫之灰渣取自新竹市焚化廠，取樣時間為

95 年

4 月，取樣數量約 50 kg。灰渣之現地含水量

(2006.4.10 量測)約為 32.2%，工程含水量約為

圖

21 反力架吊放鋼樑

基本斷面之分析結果如下：

26.7%。灰渣之比重 G

s

為

2.30，較土壤小。灰渣之

粒徑分佈曲線如圖

25 所示。因廢棄物資源回收與分

類未盡完善，因此灰渣中仍含有鐵鋁罐、玻璃等較

大尺寸之顆粒。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.010 0.100 1.000 10.000 Particle size (mm) P ercen t f in er (%) Sample 1 Sample 2

圖

27 分析結果示意圖

1.廢棄物與地工止水膜界面以弱層模擬 厚度 0.01 m

單位重

1 kN/m3 c=0 kPa φ=δ＝8，FS=0.918。

圖

25 灰渣粒徑分佈曲線圖

2.廢棄物與地工止水膜界面 c=0

δ＝10，FS=1.151。

3.廢棄物與地工止水膜界面 c=0

δ＝15，FS=1.750。

兩組灰渣試體之粒徑參數分別為：均勻係數

Cu=

29.75，曲率係數 Cz=0.87；均勻係數 Cu=20.94，曲

率係數

Cz=0.94。液性限度試驗中，因渣樣加水拌和

後，仍屬滑動而非流動，且打擊數仍少於

25 次，故

判其液性限度無法測定，LL 為 NP。而塑性限度亦

無法測定，揉搓加水後仍會分散，故判定灰渣似極

度砂質土，故

PL 為 NP。

4.廢棄物與地工止水膜界面 c=0

δ＝20，FS=2.372。

5.廢棄物與地工止水膜界面 c=0

δ＝25，FS=3.307。

3.4 工作進度檢討

本計畫預定於年度內完成之工作項目之進度如下：

1. 現地試驗：現地直剪與平鈑載重試驗完成

100%。

利用『統一土壤分類』(即 CNS 中所規範者)如以原

始粒徑分佈，則灰渣分類約為

GP。如以粒徑修正之

試樣，則設

R

4

/R

200

<50%，可判定底渣約為 SP，屬

不良級配。AASHTO 分類可歸類為 A-3。

2. 灰渣試驗：基本物性分析已完成，直剪試驗進行

中，整體進度約

75%。

3. 邊坡穩定分析：分析模式已建立，並完成部分分

析，整體進度約

75%。

計畫研究工作預定於七月底可按照既定進度全部完

成。

3.3 邊坡穩定分析

邊坡穩定分析部分，已完成建立分析模組。

四、初步結論

3.3.1 斷面與材料性質

根據目前之研究成果，可歸納出以下之結論：

邊坡形狀建立如圖

26。材料性質如下：

1. 廢棄物之性質不易掌握，現地試驗所得之結果較

實驗室試驗結果具有更高之代表性。

1.廢棄物：

H=10m ,L=30m ,α= V2:H1 ,β= V1:H1

2. 直剪試驗顯示廢棄物之剪力強度與土壤相當，惟

因其壓縮性較高，較近似鬆軟土壤，剪力強度必

須在較大剪應變下才能發揮。

單位重

15 kN/m3 c=0 kPa φ=28

2.土壤：

單位重

20 kN/m3 c=15 kPa φ=35

3. 平鈑載重結果顯示在試驗進行之沈陷範圍內沈

陷與荷重曲線並無明顯之彎曲點，故不易求出極

限承載力與反算剪力強度參數。

分析方法採用

Morgenstern-Price 切片法，滑動面形

狀與破壞面之假設採用

Fully specified surfaces。

4. 因垃圾分類尚未嚴格執行，因此本計畫所取樣之

焚化灰渣內仍含有較大粒徑之材料，對於剪力強

度試驗與其他工程試驗而言難度較高。灰渣之比

重較土壤低，但仍在預期範圍之內。灰渣之物性

分析顯示，可歸類為

GP 或 SP。

5. 邊坡穩定分析之基本模式建立完成，顯示

GEOSLPOE/w 可分析具有地工止水膜界面之邊

坡。以過去國外研究所得之黏土與地工止水膜界

面分析，掩埋場之邊坡確有滑動可能；完整之分

析尚待進行。

圖

26 GEOSPLOPE/w 分析基本斷面

_{五、參考文獻}

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3.3.2 初步分析結果

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