土木工程
地下水在砂土層內部流動時, 由於滲流壓力之作用, 對於基礎地盤可能發生不良的影響。由於滲流壓力之作用, 下游地面下方的砂土, 呈流砂狀態, 發生地下侵蝕現象, 逐漸向上游進行發展, 滲流速度隨管狀流槽之形成而增大, 結果形成管湧現象(Piping), 使基礎地盤發生管湧破壞(Piping Failure)。此種基礎破壞最常發生於壩基的砂土層內部。此外, 地下水由於毛細現象, 被吸引至接近地面之土層內部, 在寒冷地區, 由於凍結作用, 引起凍漲現象, 招致凍害。基礎施工期間, 地下水常滲入開挖坑內, 增加開挖作業之困難, 因此增加施工費用。以上可知, 地下水對於基礎施工與基礎安全及穩定, 皆有不良的影響。
基礎施工前或施工期間, 在建築基地或施工地點進行排水, 以降低地下水位, 不外乎為達到下列目的：
- 1.消除滲流壓力(Seepage Pressure)之作用。
- 2.使孔隙壓力減小, 以增大土壤的剪力強度。
- 3.減少作用於板樁或支撐(Bracing)之側向壓力。
- 4.防止開挖底面之破壞或浮脹(Heaving)。
- 5.增加開挖斜度之穩定性。
- 6.減少凍害(Frost Damage)之危險。
- 7.改善砂質土壤之開挖特性。
土壤之排水方法, 因土壤種類而異, 通常可分為下列三種：
- 1.因空氣侵入之排水(Drainage by Air Invasion)
在砂土內部, 自孔隙流入集水管(Drainage by Air Invasion) 在砂土內部, 自孔隙流入集水管(Collectors)內之水部份為空氣所取代。
- 2.因壓密作用之排水(Drainage by Consolidation)
極細密的土壤, 抱持着飽和狀態, 土壤空隙體積之減少量, 即等於排水量。
- 3.因乾燥作用之排水(Drainage by Desiccation)
任何種類的土壤之排水, 均能由於暴露大氣之表面蒸發作用所引起。
自基地排出之水量大小, 自微量至大量變化甚大, 主要決定於地下水位高度（即水頭大小）、水位下面土壤的滲透性及排水面積之大小。因此在砂土礫石或含砂礫成份的土壤等滲透性土壤內部作深層開挖時, 必需大量排水, 相反地對於淺層開挖或粘土等不透水土層之開挖, 則僅需少量排水。
成功的排水作業, 必需依靠適當排水方法的選擇與作業上不斷的注意始能達成。自基地排除地表水與地下水的方法, 可歸納為三大類。
- 1.設置濾井(Filter Well), 利用抽水機抽出。
- 2.利用暗渠(Galleries)連接載水層(Water-bearing Strata)
- 3.使水流入排水渠(Drainage Ditches)
不論以何種方法排水, 其所需要的排水時間, 經常為ㄧ個非常重要的因素。利用濾井抽水法自乾淨的粗砂層排水, 通常約僅需數天, 然而利用同法自細砂層排水, 則需時數月之久。
在基礎施工期間, 常用以排出地下水之方法（以濾井抽水為主）共有下列各種： 1.排水坑法(by Sumps) 排水坑(Sump)本身僅是地層內穿孔管所形成的ㄧ個孔, 此種排水法之剖面圖, 可以圖ㄧ4.1表之。此法適用於下列兩種情形：(1)地面（表）水的排除。(2)排水量小的地區。抽水時, 必需注意防止周圍土壤內部細土粒之流失。因抽水引起之細土粒流失, 使土壤之承載力減小, 並可能引起鄰近建築物基礎之沈陷。其防止方法係在排水坑周圍及底部設置級配濾料(Filter Material)。設置排水坑時打入砂土層內的板樁、於濾料填充完畢後, 即予提出。 2.點井排水法(by Well Points)： 點井 （ Well Point）本身為ㄧ斷面直徑2」 ~ 3」, 長度2』 ~ 4』之水管, 其下端為ㄧ設有射流水孔之打樁錐頭(Driving Head)。此種排水法之裝設剖面圖, 可以圖ㄧ4.2表之。點井係用打樁方法或射流使保持鉛直方向的深入土層內部, 上接豎管(Riser Pipe), 再接ㄧ幹管(Header Pipe), 最後與抽水泵連接, 進行抽水。點井排水法（或排水系統）最適用於砂土層或砂質土層之排水。若採用多段點井系(Multiple-stage Well Point System)排水方法, 則可使地下水位下降至較深的位置。但由於需要更多的幹管長度及抽水泵, 故排水費用增大。點井排水法最大能降低水位至幹管中心下方18ft的深度。在理想的條件下, 若使用特殊的高度真空設備, 則水位降低之深度可增大為25ft。在平均的條件（情況）下, 能使用任何（階）段的點井系排水法而其中的ㄧ段約可降低水位15ft。 3.深水抽水法(by Deep Well Pumps) 在預定開挖地點, 鑽挖ㄧ直徑6」~ 2』( 15 cm ~ 60 cm) 的深井深達計劃開挖深度下方, 然後將深井抽水機置於水井底面, 用4~6」吸水管(Suction Pipe)抽出井水內水分, 如圖ㄧ4.5此種排水方法, 適用於排水範圍較小而排水深度較大之情況。深井抽水法, 需費雖昂貴, 但較多段井點系排水法經濟, 且不影響其他施工作業, 故在大工程使用多種施工設備時為有利。 4.輔助排水之方法 進行基地開挖作業時, 為消除地下水之不良影響, 除利用上述各種排水方法外, 尚須減少流入開挖坑內之水量, 始能達到完全排水之目的。此種隔斷水流以輔助基地排水之方法, 主要係利用下列兩種擋水牆： (1)利用板樁牆(Sheet Piling Wall) 此法係將板樁成排的打入地層內部形成ㄧ圍堰, 以輔助排水。若不透水層（粘土層或岩盤）存在於較淺的深度, 則板樁可打入此地層以截斷滲流水分。因此流入圍堰內部之滲流水量甚小。若透水層延伸置至地面下甚大深度, 則流入圍堰內部之水量係隨板樁入土深度之增大而減小。此法常用於橋墩及橋台之情形。 (2)利用灌漿幕牆 此法係在施工基地周圍, 進行隔幕灌漿(Curtain Grouting) 形成ㄧ灌漿隔幕, 常可用以截斷流入開挖坑內之滲流或使其流入開挖坑內之滲流水量大為減小。隔幕灌漿係在地層內鑽許多小孔, 然後將灌漿乳液注入孔內。水泥、粘土、瀝青、化學藥品或此等材料中之兩種混合物, 可坐為灌漿材料（Grout Material)使用。 在施工基地若使用不適當的方法排水, 則不但增加施工費用, 而且將遭遇困難, 最後可能導致基礎土壤之破壞。因此, 下部結構與基礎之設計及施工, 對於排水與防水問題應作慎重的考慮。各種排水方法之效果, 因土壤種類而異(如圖ㄧ4.6所示）。因此吾人必需依基地土壤種類選擇適當的排水方法。 4-6 基礎之排水 建築物之下部結構, 位於地下水位下方時, 則須做防水及排水準備以保持地板乾燥。基礎排水之目的, 係將水位降低至地板下方。基礎排水通常係在鄰近基腳之地點設置排水管(Drain Tiles, Drain Pipes), 且必要時在地板(Floor Slabs)下面設置排水管, 如圖ㄧ4.7所示。基礎排水管直徑為4」或更大, 依材質而分, 計有接頭留有縫隙的粘土管（瓦管）, 穿孔（直徑為5/16 in)的金屬管及多孔的混凝土管三類。此等排水管最適用於下列兩種情形：(1)滲流量小（例粘性土壤之情形）; (2)可依重力排水至ㄧ污水管(Sewer) 、溝渠(Ditch)或堰堤 (Dike)。排水管為防止接縫或孔口發生阻塞現象以及周圍細土粒之流失, 必須覆蓋ㄧ種經過選擇而符合標準的濾材(Filter Material)。 4-7 濾料之選擇標準 濾料係設置於排水管四周, 用以保護周圍土壤, 使不致因排水而流入排水管內, 故應予慎重選擇。美國陸軍工兵團基於經驗法則, 提供了下列選擇濾料之標準： 1.防止細土粒流入或流過濾料, 下列條件必須滿足： 濾料之15%粒徑/受保護土壤之85%粒徑 <=5 及 濾料之50%粒徑/受保護土壤之50%粒徑<=25 2.防止濾料因移動通過孔洞而阻塞排水管, 必須滿足下列條件： (a)對於長孔：濾料之85%粒徑/孔徑 >1.2 (b) 對於圓孔：濾料之85%粒徑/孔徑>1.0 (c) 對於多孔的混凝土管, 可使用下列標準： 多孔管內骨之15%粒徑/濾料之85%粒徑 >=5 及 濾料之15%粒徑/受保護土壤之15%粒徑 <=5 4-8基礎之防水 基礎若附有適當的排水系統(Drainage System), 則基礎牆壁與底版不受靜水壓力作用。因此, ㄧ般施工費用低廉。若水位下方之土壤為滲透性的, 則需要ㄧ廣大的排水系統, 因此需費用昂貴。此時, 下部結構之設計, 將用以抵抗固定的靜水壓力, 並用防水方法(by Waterproofing)保持下部結構部份乾燥。基礎之防水方法, 計有下列三種： 1.護膜防水法 (Membrane Waterproofing)（如圖ㄧ4.8) 理論上此法是ㄧ種最有效的防水方法。防水膜 (Waterproofing Membrane)為防止水通過之ㄧ連續護壁, 鋪設於牆壁外面及底版下面。通常係用兩層以上經過瀝青處理的棉織物或毛織物(Bitumen-treated Cotton Fabric or Felt)作成。此項棉或毛織品必須具有充分的抗拉強度, 以便跨越裂縫而瀝青材料則必須為彈性的。為提供ㄧ連續的防壁, 連續護膜應予適當地折疊。搭接縫(Lap Joints)應使交錯並至少需要兩吋長之重疊。護膜應延長至最高水位上方1呎或2呎, 如圖4.8。護膜在設置後應立即考慮使用下列材料做成的保護層 (Protective Covers) 加以保護：(1)場注的地瀝青膠漿(Asphalt Mastic) (2)場注的煤膠油膠漿 (Coal Tar Mastic), (3)地瀝青塊(Asphalt Block), (4)適當補強的水泥砂漿(Cement Mortar) 或混凝土,(5)硬燒磚 (Hard-burned Brick)。上述材料做成之保護層,通常應具有1 ¼吋或1 ½ 吋以上之厚度, 其中硬燒磚層厚度至少應超過2 ½ 吋。膠漿表面坡度不應較4 ½ (垂直）：12 (水平）為陡。護膜法在下列情形, 其防水效果將減低：(1)若結構物易生大裂縫。(2)若護膜材料選擇不當。(3)接頭或端點細節結構施工不良。 2.整體防水法(Integral Waterproofing) 利用混凝土混合物(Concrete Admixture) 做成ㄧ種更不易漏水的混凝土。混合物（即添加劑）種類很多, 包括石灰及成份不定的商業藥品,此等混合物之目的, 係用以產生緊密的混凝土, 但可能無法消除收縮裂縫 (Shrinkage Cracks) 。因此, 這種防水形式之效果, 大致決定於下列兩種因素：(1)手藝 (Workmanship)。(2)因收縮或其他原因引起之裂縫完全不存在的可能性。 3.柔性防水性(Hydrolytic Waterproofing) 本法為現存下部結構最佳的防水方法, 乃在收縮裂縫發生後, 水泥粉刷層(Coats of Cement Plasters) 於下部結構內側面之應用。由於污工下部結構在最初ㄧ、二年內, 很可能發生裂縫, 因此時常需要施工以粉刷。故本法不適用於表面油漆料覆蓋之情形。 4-9基礎之防潮(Damp Proofing) 建築物之下部結構或地下室牆壁, 常因地下水之影響而呈潮濕狀況, 故必須考慮防潮方法。防止潮濕即係防止表面濕氣之凝結, 為達成此項目的, 可利用地瀝青乳狀液(Asphalt Emulsion) 或柏油乳狀液(Coal Tar Emulsion)塗在牆壁或底版之外表。在防潮處理前, 表面應予洗刷乾淨, 而乳狀液可應用噴灑 (Spraying), 拂拭（刷） (Brushing) 或鏝敷(Mopping)塗上。可是柏油乳狀液必須經常常用噴灑。每ㄧ層在其下ㄧ層噴灑前應讓它乾燥。防潮法亦用於高水位上方之下部結構外面, 但在下列兩種情形將失去效果：(1)防止游離水在水頭作用下之流入裂縫及孔隙, (2)防止水分之流入裂縫及孔隙。 4-10止水嵌條(Waterstops) 之種類 由於施工或防水處理不當, 施工縫(Construction Joints)、收縮縫 (Contraction Joints)及伸縮縫 (Expansion Joints) 為最可能發生漏水之處。因此, 當此等接縫位於地下水位下方時, 則應設置ㄧ適當的止水嵌條。常用的止水嵌條, 可分為三大類：(1)金屬類的止水嵌條(Metal Waterstops)。(2) 橡皮類的止水嵌條(Rubber Waterstops)。(3)膠粘水泥類的止水嵌條 (Mastic Type Waterstops), 如圖ㄧ4.9(a), (b), (c)所示。所有止水嵌條皆在施工期間設置於接縫內部。 金屬類的止水嵌條, 可用不銹鋼(Stainless Steel)、銅、合金、鋼或其他耐久不銹鋼之金屬做成。金屬止水嵌條為寬度6吋或更寬之連續的薄金屬條(Continuous Strips of Thin Metal) 。此種金屬止水嵌條之ㄧ半寬度係被埋設於接縫各側之混凝土內部。 二相鄰部份之間可能發生相對移動時, 例如在伸縮縫和收縮縫之情形, 則以使用V字形金屬止水嵌條為宜。致於在不發生任何相對移動之施工縫, 則以使用直線狀的金屬止水嵌條為佳。橡皮止水嵌條可分為下列三種不同的形式： (1)啞鈴形(Dumbbell Type) 橡皮止水嵌條 - 適用於可能發生大相對移動之接縫。 (2)中心球形(Center-bulb Type) 橡皮止水嵌條 - 適用於可能發生大相對移動之接縫。 (3)內耳形(Labyrinth Type)橡皮止水嵌條 - 適用於可能發生大相對移動之接縫。 膠粘水泥止水嵌條(Mastic Waterstops) 乃ㄧ就地製作或灌注而成之止水嵌條, 其膠粘水泥係由數種藥品（化合物）組成。在可能承受大移動及大壓力之接縫, 此種止水嵌條將不提供可靠的水密性或防水性。 4-11基礎之開挖 基礎開挖為以構築直承基礎(Direct Bearing Foundation)及地下結構物 (Underground Structure)為目的而進行的開挖作業。開挖作業包括(1)簡單的人力開挖; (2)同時使用各種開挖機械而進行的大規模作業; (3)以深層開挖為目的之特殊地下施工法之作業; (4)利用化學藥液、凍結作用、電氣集氣效用等方法以求改善土壤性質、狀態之特殊施工法。 營建工程之中, 開挖係在初期開始, 並且需要比較長的工程期間。在鄰近現存結構物或建築物之基地, 進行基礎開挖時, 常引起該結構物或建築物之龜裂或傾斜, 造成重大的財務損失。因此, 在開挖之前, 必須先規劃適當的施工步驟與開挖方法, 在開挖後必須使用安全經濟、有效的擋土與支撐設施, 以避免基礎開挖事故之發生。 4-12基礎之開挖計劃 基礎之開挖施工計劃, 係以施工對象為中心, 勘查研究地盤之性質、狀態, 選地條件, 再依檢討過的妥當的目標、原則與方法, 謹慎訂定而成的。此項開挖施工計劃, 其目的為使開挖、擋土、支撐及排水等之作業, 沿敷地內外保持地盤之穩定, 在技術上、經濟上, 均能以最適切的方法與期間施工。 基礎之開挖計劃, 通常應包括下列各項： (1)開挖方法 依據開挖之技術性的觀點, 利用人力開挖法抑或機械開挖法, 在選擇上並無很大的差別。重要者乃是不使用開挖底面之地盤受到擾動、破壞, 致影響其承載力之減少, 並能依照計劃開挖即可。 在開挖施工量大的情形, 以採用機械開挖法為宜, 且其有利程度隨施工量之增大而提高。亦即以施工之高速化, 經費之經濟性及減少工人, 防止管理上的困難問題等之意義而言, 大部份均積極採用機械開挖法。 (2)公害之防止 擬訂開挖計劃時, 施工上防止公害的要求, 愈來愈受重視, 特別在都市地的計劃, 其要求程度極高, 此乃傳統的施工觀念上正在變化中所具有的特殊點。公害防止雖將施工地域專限於都市, 但為ㄧ逐漸廣域化的問題。 由作業直接發生的噪音及振動, 土壤由搬運車輛落下時所引起的灰塵, 交通輻湊等皆成為公害防止的對象。 (3)施工前之調查 在基礎開挖之前, 通常必須作下列各種調查： (i)土壤調查 即地基（盤）調查, 可獲得與建築物或結構物之基礎結構設計及施工有關資料。 (ii)鄰近結構物之調查 調查地上地下結構物、道路及埋設於土層內部的各種設施之實際狀態, 通常必須與其主管者 (機關）協議。 (iii)交通路線之調查 因為進行開挖作業時, 必須利用車輛將挖掘的土壤搬運至棄土場或填土坑, 故由開挖施工基地至棄土場之交通路線, 應預先計劃決定, 主要是與交通主管機關（例公路局）協議, 以決定其專用交通路線。 (iv)開挖機械之調查 就開挖施工用的機械中, 選擇最適合目的者。 以上調查之內容, 因施工之規模, 技術上之難易, 選地條件等而不同, 但為了完全施工, 需要某必要的最小限度。 4-13因開挖作業所引起的公害 在過去因開挖作業所引起的公害, 其實例可分為三大類說明如下： I.因噪音及振動等所引起的公害 此類公害發生的原因為 (1)在擋土牆工程施工中, 因利用打樁機械打設鋼版樁, 混凝土版樁, 木造板樁, 鋼軌條, 型鋼等而發生噪音與振動。 (2)因開挖機械之運轉、作業及運土車輛之通行所引起的振動, 噪音及飛塵。挖除地層內部所埋設的障礙物時所用機械產生的噪音。 至於此類公害的狀態, 可分為下列兩種： (1)對工地周圍ㄧ帶產生噪音與振動, 其結果為 (i)對居民生活產生顯著的不快不安感。 (ii)妨礙談話及通話; 妨礙音樂及電影等之營業; 妨礙醫院之治療; 使病人承受精神上的痛苦。 (2)對鄰近結構物產生不良影響, 其結果為 (i)使砂質地盤產生差異沈陷。 (ii)使砂質地盤上基礎結構不良的古老木造建築承受顯著的損害。 II.因擋土版樁及支撐設施所引起的公害 此類公害發生的原因為 (1)擋土牆樁之作業有缺陷; 包括 (i)使擋土背面之土層鬆動, 並留有空洞。 (ii)擋土版樁之入木深度不夠引起版樁基部的移動變位及傾斜。 (2)因支撐設施有缺陷, 包括 (i)支撐設施材料之強度不夠(曲折）。 (ii)在材料正交部等發生陷入現象。 (iii)水平抗壓材之旋轉（彎曲, 滾轉) (iv)接頭(續接部）之收縮。 (v)抗壓構件的細長比之不恰當。 (vi)橫樑裝設時期之延誤。 (vii)橫樑之隆起（上浮） 此外, 此類公害開挖部份周圍某擋土背面土層之變位移動的影響, 呈現各種不同的形式, 包括 (1)周圍地盤表面之下陷及傾斜。 (2)鄰近建築物, 結構物之差異沈陷, 傾倒或移動。 (3)連接道路路面之龜裂、下陷, 土層內部埋設物之移動、破裂等。 III.因排水方法所引起的公害 此類公害係起因於 (1)忽視了開挖現場周圍產生不良影響的檢討、考慮之排水方法。 (2)忽視了自版樁孔隙所生管湧（Piping)及版樁基底部份之土壤浮動(Boiling)的對策處理處理之開挖。 (3)因強迫排水而乾燥作業, 致過份開挖而失去設置支撐保護設施的時期。 其次, 鄰近地盤因地下水除水而發生壓密性的體積變化。此時所發生的公害, 可能呈下列四種不同的狀態： (i)開挖現場周圍地盤表面之下陷及傾斜。 (ii)鄰近建築物及結構物之差異沈陷。 (iii)鄰近道路表面之龜裂、沈陷及傾斜。 (iv)因道路土壤內部埋設物及變位所引起的事故或障礙。
4-14開挖施工中之調查 開挖施工中之調查, 可確認施工狀態是否依照計劃並保持所訂精度進行, 並且為檢查判斷開挖施工之安全性的惟ㄧ手段, 故極為重要。基礎的開挖施工, 若在都市中心地區進行深層開挖, 則此項施工中之調查, 技術上越重要, 越能產生重要的功用。 開挖施工中之調查, 其調查對象計有下列五項： (1)開挖土中之調查, 其調查對象計有下列五項： (1)開挖土質的確認及地下水的狀態。 (2)擋土板樁與擋土支撐設施的變位。 (3)鄰近建築物及結構物的狀態。 (4)鄰近道路及其埋設物的狀態。 (5)與其他開挖相關對象的調查。 4-15基礎開挖方法之種類 開挖作業不論在過去或現在, 利用人力或機械, 其開挖本質並無大差異, 由於附隨開挖所必要的擋土用的擋土牆之合理化, 新形成的擋土方法之開發, 因深層開挖之需要處理調節地下水的排水工法之進步、改善, 更進ㄧ步, 依據新的構想、觀念將開挖、擋土、排水綜合的組成ㄧ種總稱為地下施工法之出現, 目前的基礎開挖方法, 依施工技術觀點, 顯示了重大的進步。 與基礎工程之施工有關的開挖方法, 可分為下列二大類, 並為明瞭其特徵, 必須將開挖、擋土、排水等綜合考慮： 1.明坑(Open Cut) 開挖法 此種開挖方法雖為開挖作業形式上最原始的ㄧ種, 但也是目前使用率最高的ㄧ種開挖方式。在開挖深度比較淺的情形, 於開挖部份之周圍, 可以ㄧ面殘留適應土質的斜面, ㄧ面進行開挖作業直至開挖完成為止。此外, 進行深開挖之情形, 為確實支持開挖斷面之土壤, 防止崩壞起見, 應架擋土版樁與支撐設施, 以做為抵抗土壓力之擋土牆(Retaining Wall)而進行開挖。 明坑開挖法又可分為下列兩種： (1)斜面明坑開挖法 此種開挖法為ㄧ種適用於深度較淺的開挖法, 亦即利用土壤的凝聚力,將開挖斷面造成適應土質的穩定坡度之斜面, 亦依其自立性防止崩壞保持穩定之同時進行開挖作業的ㄧ種施工方法。因不須擋土用的臨時支撐結構物, 故其所需工程費用比較經濟。 斜面明坑開挖法, 因欲利用土壤的穩定坡度, 故對開挖土壤的剪力強度及其凝聚力的依賴度極高。此項開挖法的適用條件為 (1)開挖地盤內之地下水很少。 (2)構成斜面所需要的敷地面積大。 在都市中心地區, 因開挖周圍難有充分的空地, 又因鄰近建築物的超載荷重作用, 致斜面自立條件不利, 故通常與其他開挖法並用者為多。 為開挖而依穩定坡度建造斜面時, 其坡度係根據土壤的性質而取不同的角度。地盤為均勻砂土的情形,若斜面與水平所成的角度較砂土的內摩擦角ϕ為小, 則可利用斜面補強及降低地下水位, 提高穩定性。此即為砂質地盤之開挖, 多利用斜面明坑開挖之主要理由。 在開挖作業期間,作為具有穩定斜坡的斜面之補強, 其最重要者為進行水位降低處理, 使地下水位不高出基礎開挖底面。此項對策不充分實施時, 則在斜坡面的坡趾處可能浮動(沸騰）狀態流水, 並在斜面下方發生管湧現象(Piping) 。在此種情況下, 發生斜面流失及斜面破壞的危險性極大。 理論上, 欲使斜面高度具有穩定斜坡或設法提高斜面對滑動破壞的安全性, 並無困難。但實際上, 卻有妨害斜面穩定的其他原因存在, 例如由鄰近道路, 結構物等作用的超載荷重(Surcharge Load)及天候氣象之影響。實施時安全性高並適合作業條件的斜面及其高度的施工例, 可以圖ㄧ4.8(a)及（b)表示。 基礎地盤為粘土層之情形, 其斜面之穩定性係依據滑動破壞之檢討而決定。對於圖ㄧ4.8(c)所示的滑動破壞, 吾人採用以阻止滑動的抵抗力矩以引起滑動的外力力矩所得到的比作為安全因數的檢討方法。安全因數雖被贊同為1.5以上, 但現實中各種不同的條件介入其間, 不可ㄧ樣的太相信安全性。因此, 雖說希望安全度極高, 但斜面與水平面之角度取小時, 此項施工法採用之利益將變小。此即為粘土地盤很少採用斜面明坑開挖法之原因。實際上, 在粘土與砂土等之交互土層之變化多的地盤施工者為多, 此項施工法特別需要者, 為降低地下水之流線至開挖底面以下, 依據相當高的安全性而施工。 為開挖目的而設置的斜面, 至基礎結構及地下結構之施工完成為止之期間, 因必須充分保持安全, 故對該期間所遭遇的季節性的天氣氣象, 有講求斜面補強方法的必要。應實際狀況必須實施的補強方法, 計有下列各種： (1)在斜面打設薄層混凝土。 (2)在斜面塗ㄧ層水泥砂漿（Cement Mortar)。 (3)在斜面覆蓋草蓆薄板類的東西。 (4)在斜面趾部附近設置排水溝。 2.擋土明坑開挖法 擋土明坑開挖法, 係開挖時, 利用擋土版樁及支撐設施以抵抗土壤之崩壞土壓力的作用, 進行開挖至所需要的深度, 隨後將地下結構部份和基礎ㄧ併構築之方法。在結構體之構築後, 以土砂回填其周圍的空隙部份, 經充分壓實後, 撤除臨時設置的擋土設施, 可達成開挖之目的。 擋土明坑開挖法所使用的支撐設施, 其主要形式, 共有三種, 分別以圖ㄧ4.9(a), (b), © 表之。 擋土明坑開挖法,依開挖深度之大小, 可分為下列兩種情形： (i)淺開挖之情形(G.L. -6.0~8.0m) 此時之開挖, 乃建築工程之地下ㄧ層左右深度之施工。擋土版樁以鋼板樁最為適宜, 若為砂質地盤, 則使用木板樁亦能安全施工。其支撐設施用木材雖亦可能, 但使用市場上大量出售的鋼材要比使用木材優越者共有下列各點： (1)鋼材強度安全可靠。 (2)以鋼材安裝構架精度良好。 (3)鋼板樁可重複使用。 (ii)深開挖之情形(G.L. -10.0~15.0m) 此種深度之開挖, 在建築工程之情形, 係相當於地下結構為2~3層左右之施工。近年來都市建築之地下面積, 因各種理由而被要求又廣又深, 致地下開挖顯著地深層化, 其施工例逐漸增多。 開挖用的擋土板樁, 必須具備的條件, 共有下列三個： (1)能支承(即抵抗）作用於板樁的主動土壓力。 (2)具有防水性（維持開挖時之水力坡度） (3)能有效防止開挖底面的隆起(現象）(Heaving) 之發生。 4-16島式開挖法(Method of Island Cut) 使用擋土板樁及支撐設施進行開挖的方法, 雖與擋土明坑開挖法相似, 但在設置擋土板樁之後, 即進行ㄧ次開挖。但此種開挖, 將周圍部分之土壤, 保存着斜面狀態, 以土壤的被動土壓力支撐側壓力, 使板樁保持自立。隨後, 在中央部的開挖完畢之部分, 建造基礎及地下結構體。即在被挖掘成研鉢之部分的中心, 有ㄧ個像島的狀態之結構物出現。依此狀態, 稱本開挖法為島式開挖法。隨後以結構物為支點, 架設擋土支撐設施以支持板樁, 再把殘留的擋土板樁部分之土壤挖掘。此項挖掘稱為二次開挖。接者亦將殘留的基礎及地下結構體建造。 殘留於周圍成斜面狀態的土壤數量, 在軟弱粘土層及沈泥層內變為大量, 但在堅硬的壚姆層、砂質土層特別在固結的砂土層內則變為少量, 島式開挖法成為ㄧ有效的施工法。島式開挖法依所使用的橫樑之位置狀態可分為兩種情形, 其施工斷面如圖ㄧ4.10所示。 島式開挖法在開挖面積愈廣的地面採用, 效果愈好。亦即開挖面積之大小, 乃成為是否採用此項開挖法之決定關鍵所在。依過去的施工績效, 決定其大致的標準時, 若ㄧ次開挖面積與二次開挖面積之比為1:2或以上, 即二次開挖面積變為甚大時, 即因此開挖法之特徵所產生的利益將不能獲得。在都市建築施工例中許多開挖面積狹小的情形, 並且與開挖面積比較, 開挖深度顯著增大的情形, 本項開挖法除與其他施工法併用外, 否則單獨利用不但危險多而且施工亦非常困難。 4-17壕溝開挖法 在開挖作業形式上, 壕溝開挖法係與島式開挖法取相反的形式。即ㄧ般所謂的溝式開挖施工法。此項開挖法, 係將所預定的地下開挖部分, 自周圍部分先行挖掘, 使平面上形成溝形, 再將該部分的基礎部分及地下結構體築造完畢。此為ㄧ次開挖工程, 為了進行支撐開挖, 故進行壕溝開挖時, 擋土工程費用必然倍增, 在經濟上、工程上均顯示不利的特徵。 周圍部分的ㄧ次溝形開挖完畢後, 在該部分築造基礎及地下結構體。此結構體變成支承土壓力之正式的擋土牆, 同時對於開挖部分之可預期的底面隆起(Heaving) 等產生保持安全的抵抗重量之作用。隨後挖掘殘留於中央部分的土壤, 並因結構體之築造而完成施工。此項二次開挖亦有因地盤之性質而ㄧ舉總開挖的情形, 又為求安全性, 亦可能有採用分區挖掘施工的情形。因地盤極端軟弱結果總開挖施工法不能實施之情形, 即相當於粘土層之流動破壞非常敏感的情形, 為採用此項施工法之土質上的理由。此種開挖法為防止可預期的隆起現象及開挖斷面之滑動破壞起見, 不得不採用安全的基礎開挖法, 因此不得不用於施工費用極大, 工程延期完成等之不利的條件之情形。在堅硬地盤使用工型鋼做成水平擋土板樁要比設置鋼板樁更為堅固。先進行周圍溝型開挖, 再架設支撐設施, 並且因開挖內側之支點能直接設置於開挖土層斷面, 故不必作擋土板樁之雙重打設。 4-18明坑開挖之側向擋土支撐設施 本節所要介紹的明坑開挖面, 為ㄧ垂直側面, 並暫時以橫樑, 水平支撐(Bracing) 保持垂直開挖面之穩定。開挖底面位於地下水位下方時, 鄰近開挖坑的土壤, 在挖掘前或挖掘中均須排水。設計橫樑支撐的方式時, 所需要的基本資料為預定的開挖深度。明坑(Open Cut) 依開挖深度是否超過6.1m而分為淺開挖(Shallow Cut) 及深開挖(Deep Cut) 。 (1)淺開挖之水平支撐 在粘土等粘性土壤內部, 進行垂直（面）開挖時, 由於土壤凝聚力之作用, 理論上, 只要開挖深度不超過臨界高度Hc, 則垂直開挖面無需水平支撐, 亦可保持穩定。此項臨界高度Hc之大小, 因粘土之稠度(Consistency) 而異, 其數值大致如下 粘土之稠度 非常軟弱的 軟弱的 中等的 臨界高度Hc 1.5m (5 ft )以下 1.5m~3.0m(5 ft~10 ft) 3.0m~5.5m (10 ft~18 ft ) 硬粘土與非常堅硬的粘土, 普通有裂縫存在, 結果Hc之數值比3.0m為小。含有砂土成份的砂土, 其臨界高度係依凝聚力大小決定。普通砂質粘土之臨界高度, 係介於3.0m~ 4.5m之間, 但亦有非常大者。 在粘性土壤內部進行完全無側向支持的垂直(面）開挖時, 實際上在開挖後數個小時或數天內, 張力裂縫(Tension Crack)普通便出現於與開挖坑連接的地表面上。此種裂縫之發生, 使臨界高度大為減少, 開挖坑的垂直側面, 早晚將崩陷。為防止此類事故之發生, 在狹小的開挖坑之上端, 於兩垂直側面之間, 以下列的水平支撐(Struts)(Braces) 支撐支持, 如圖ㄧ4.12(a)所示。這些抗壓構件可用木材製作或可能伸張的金屬製支持棒, 被稱為壕溝支持(Trench Brace) 者, 用螺絲固定, 以支持水平放置的木材。水平支撐之間隔, 普通取為2.4m左右, 只要不在硬膨脹性粘土內部進行開挖, 此等支撐所承受的荷重實在非常小。 在狹小的明坑開挖, 若開挖深度超過1/2Hc時, 則普通係隨開挖之進行, 插入水平支撐 (Struts), 亦即在被稱為兵梁(Soldier Beam)的短垂直方向的木材之間予以固定, 而此項兵梁係支持被稱為擋土板條 (Lagging) 的水平方向之板條, 如圖ㄧ4.12所示。使擋土板條之水平板, 緊密的併設ㄧ起, 普通並無必要。在水平板之間殘留空隙時, 此板條變為ㄧ開板條(Open Lagging)。其他的擋土支撐設施, 如圖4.12(c)所示,係在兩側面的擋土垂直板樁之間, 用水平支撐將被稱為橫樑 (Wales) 的水平方向的木材固定, 因此橫樑便支持被稱為擋土板樁(Shuting)的垂直方向的板條。 在完全無凝聚力的砂土和礫石之情形, 僅利用垂直方向的擋土板樁。通常在開挖坑的各側面, 打入ㄧ列的擋土板樁, 並隨開挖之進行, 插入橫樑與水平支撐。擋土板樁之下端, 經常被打入地層內部而保持在開挖底面下方的1.0m的位置, 如圖ㄧ4.12(c)所示。支撐（Struts) 與支持之間, 在水平方向約保持2.4m, 在垂直方向則保持1.2m~ 1.8m的間距。 (2)深開挖之水平支撐 支持深開挖坑之最平常的方法, 係利用後面圖ㄧ4.13所示的三種不同的擋土支撐設施。在進行明坑開挖時, 隨開挖深度之大增而插入水平支撐(Struts), 但依據依具此法在開挖的各側面將發生土壤向內的移動。最上列的水平支撐, 因在土壤內部的應力狀態因開挖而發生顯著變化之前被插入, 故在地表面的移動量非常小。可是在低處, 支撐插入前的土壤移動, 卻隨開挖深度而增大。土壤的這種變形, 因伴隨着土壓力的近似拋物線分佈, 最大的壓力強度, 係發生於開挖深度的中點附近。與此相反的, 具有水平表面的填土之擋土牆, 其背面所承受的側向土壓力, 向靜水壓力ㄧ樣, 與地面下之深度ㄧ次的比例而增大。 擋土牆(Retaining Wall) 與開挖坑內的水平支撐(Brace) 之間的其他基本差異, 乃這兩個支持土壤的方式發生破壞時之狀態。擋土牆因在構造上形成ㄧ體, 並以整體發生破壞, 故牆背填土壓力大小之局部性的不規則性, 並無多大的重要性。可是, 開挖坑（明坑）內之某ㄧ支撐, 能個別發生破壞, ㄧ根支撐之破壞, 能使鄰近支撐所承受的荷重增大, 有時將成為水平支撐之全部設施的進行性（逐漸發展）的破壞之開端。 A. Spilker 氏在德國柏林地下鐵路的施工期間, 完成了ㄧ項作用於支撐(Strut) 的荷重之測定, 為此項測定在緊急, 甚均勻的細砂層內部作了11.6m 深的明坑開挖。此項明坑開挖的砂土, 雖然相當均勻, 但測定結果, 如圖ㄧ4.14所示, 表壓力分佈的曲線之形狀, 與統計上的平均曲線比較具有相當大的差異。此項差異, 大概是因土壤之局部性的變化所引起。並且所有的曲線大致為拋物線, 自開挖底面至壓力中心之距離介於0.53H~0.60H之間。 根據柏林密砂內部明坑之測定結果, 發現總土壓力要比Coulomb土壓力之值大10%左右。若壓力之分佈, 為ㄧ種靜水壓力的分佈狀態, 則作用於明坑水平支撐的總土壓力。係與圖中三角形bf之面積對應。設計時簡化計算計算起見, 將作用於砂土層內明坑的垂直支持面上的土壓力假定呈ㄧ梯形分佈, 如圖ㄧ4.15所示。 4-19明坑與壕溝之穩定性 所有的開挖面, 均造成斜面。此斜面對全部或大部分的基礎施工期間, 均必須保持穩定。開挖斜坡(Excavation Slopes) 之穩定性, 可依土壤力學決定。 在無凝聚力土層內部之斜坡, 只要斜坡角β小於土壤的內摩擦角ϕ,則可保持穩定, 而與斜坡高度無關。反之, 斜坡角大於內摩擦角時, 將引起不穩定的情況。同理, 粘性土層內部的所有斜坡, 若其斜坡角小於土壤的內摩擦角, 則亦均能保持穩定。可是, 當斜坡角大於內摩擦角時, 若斜坡不太高, 則黏性土層內部之斜坡亦能保持穩定。當滲透力(Seepage Forces) 不存在而孔隙水壓力等於零時, 對於ㄧ無限長的斜坡, 土壤性質、斜坡角與斜坡之臨界高度Hc之間的關係, 能容易的求得為 Hc=(C/Υ)(sec2β/(tanβ-tanϕ) 如圖ㄧ4.16 其次考慮壕溝之穩定性。在黏土層內進行壕溝伸開挖時, 在開挖坑底面常因地面隆起(Heave) 而發生問題。在黏土層內部開挖坑之底面隆起, 係受該粘土之剪力強度和載重履歷 (Loading History)之影響。圖ㄧ4.16示全部塑性區 (Full Plastic Zone)能在開挖坑底面下發展的情形。對於抵抗隆起的安全因數, 普通係取1.5之大小。若安全因數小於所要求者, 則可將板樁打入更大的深度。板樁在地面下所需要的貫入深度, 可估計或任意假設為開挖坑寬度之ㄧ半。 See page 79 之公式 4-20 地下連續壁施工法 地下連續壁施工法(Underground Construction in Fluid Trenches) (Underground Construction of Diaphragm Wall)