土木工程
地下水在砂土层内部流动时, 由于渗流压力之作用, 对于基础地盘可能发生不良的影响。由于渗流压力之作用, 下游地面下方的砂土, 呈流砂状态, 发生地下侵蚀现象, 逐渐向上游进行发展, 渗流速度随管状流槽之形成而增大, 结果形成管涌现象(Piping), 使基础地盘发生管涌破坏(Piping Failure)。此种基础破坏最常发生于坝基的砂土层内部。此外, 地下水由于毛细现象, 被吸引至接近地面之土层内部, 在寒冷地区, 由于冻结作用, 引起冻涨现象, 招致冻害。基础施工期间, 地下水常渗入开挖坑内, 增加开挖作业之困难, 因此增加施工费用。以上可知, 地下水对于基础施工与基础安全及稳定, 皆有不良的影响。
基础施工前或施工期间, 在建筑基地或施工地点进行排水, 以降低地下水位, 不外乎为达到下列目的：
- 1.消除渗流压力(Seepage Pressure)之作用。
- 2.使孔隙压力减小, 以增大土壤的剪力强度。
- 3.减少作用于板桩或支撑(Bracing)之侧向压力。
- 4.防止开挖底面之破坏或浮胀(Heaving)。
- 5.增加开挖斜度之稳定性。
- 6.减少冻害(Frost Damage)之危险。
- 7.改善砂质土壤之开挖特性。
土壤之排水方法, 因土壤种类而异, 通常可分为下列三种：
- 1.因空气侵入之排水(Drainage by Air Invasion)
在砂土内部, 自孔隙流入集水管(Drainage by Air Invasion) 在砂土内部, 自孔隙流入集水管(Collectors)内之水部分为空气所取代。
- 2.因压密作用之排水(Drainage by Consolidation)
极细密的土壤, 抱持着饱和状态, 土壤空隙体积之减少量, 即等于排水量。
- 3.因干燥作用之排水(Drainage by Desiccation)
任何种类的土壤之排水, 均能由于暴露大气之表面蒸发作用所引起。
自基地排出之水量大小, 自微量至大量变化甚大, 主要决定于地下水位高度（即水头大小）、水位下面土壤的渗透性及排水面积之大小。因此在砂土砾石或含砂砾成分的土壤等渗透性土壤内部作深层开挖时, 必需大量排水, 相反地对于浅层开挖或粘土等不透水土层之开挖, 则仅需少量排水。
成功的排水作业, 必需依靠适当排水方法的选择与作业上不断的注意始能达成。自基地排除地表水与地下水的方法, 可归纳为三大类。
- 1.设置滤井(Filter Well), 利用抽水机抽出。
- 2.利用暗渠(Galleries)连接载水层(Water-bearing Strata)
- 3.使水流入排水渠(Drainage Ditches)
不论以何种方法排水, 其所需要的排水时间, 经常为ㄧ个非常重要的因素。利用滤井抽水法自干净的粗砂层排水, 通常约仅需数天, 然而利用同法自细砂层排水, 则需时数月之久。
在基础施工期间, 常用以排出地下水之方法（以滤井抽水为主）共有下列各种： 1.排水坑法(by Sumps) 排水坑(Sump)本身仅是地层内穿孔管所形成的ㄧ个孔, 此种排水法之剖面图, 可以图ㄧ4.1表之。此法适用于下列两种情形：(1)地面（表）水的排除。(2)排水量小的地区。抽水时, 必需注意防止周围土壤内部细土粒之流失。因抽水引起之细土粒流失, 使土壤之承载力减小, 并可能引起邻近建筑物基础之沈陷。其防止方法系在排水坑周围及底部设置级配滤料(Filter Material)。设置排水坑时打入砂土层内的板桩、于滤料填充完毕后, 即予提出。 2.点井排水法(by Well Points)： 点井 （ Well Point）本身为ㄧ断面直径2” ~ 3”, 长度2’ ~ 4’之水管, 其下端为ㄧ设有射流水孔之打桩锥头(Driving Head)。此种排水法之装设剖面图, 可以图ㄧ4.2表之。点井系用打桩方法或射流使保持铅直方向的深入土层内部, 上接竖管(Riser Pipe), 再接ㄧ干管(Header Pipe), 最后与抽水泵连接, 进行抽水。点井排水法（或排水系统）最适用于砂土层或砂质土层之排水。若采用多段点井系(Multiple-stage Well Point System)排水方法, 则可使地下水位下降至较深的位置。但由于需要更多的干管长度及抽水泵, 故排水费用增大。点井排水法最大能降低水位至干管中心下方18ft的深度。在理想的条件下, 若使用特殊的高度真空设备, 则水位降低之深度可增大为25ft。在平均的条件（情况）下, 能使用任何（阶）段的点井系排水法而其中的ㄧ段约可降低水位15ft。 3.深水抽水法(by Deep Well Pumps) 在预定开挖地点, 钻挖ㄧ直径6”~ 2’( 15 cm ~ 60 cm) 的深井深达计划开挖深度下方, 然后将深井抽水机置于水井底面, 用4~6”吸水管(Suction Pipe)抽出井水内水分, 如图ㄧ4.5此种排水方法, 适用于排水范围较小而排水深度较大之情况。深井抽水法, 需费虽昂贵, 但较多段井点系排水法经济, 且不影响其他施工作业, 故在大工程使用多种施工设备时为有利。 4.辅助排水之方法 进行基地开挖作业时, 为消除地下水之不良影响, 除利用上述各种排水方法外, 尚须减少流入开挖坑内之水量, 始能达到完全排水之目的。此种隔断水流以辅助基地排水之方法, 主要系利用下列两种挡水墙： (1)利用板桩墙(Sheet Piling Wall) 此法系将板桩成排的打入地层内部形成ㄧ围堰, 以辅助排水。若不透水层（粘土层或岩盘）存在于较浅的深度, 则板桩可打入此地层以截断渗流水分。因此流入围堰内部之渗流水量甚小。若透水层延伸置至地面下甚大深度, 则流入围堰内部之水量系随板桩入土深度之增大而减小。此法常用于桥墩及桥台之情形。 (2)利用灌浆幕墙 此法系在施工基地周围, 进行隔幕灌浆(Curtain Grouting) 形成ㄧ灌浆隔幕, 常可用以截断流入开挖坑内之渗流或使其流入开挖坑内之渗流水量大为减小。隔幕灌浆系在地层内钻许多小孔, 然后将灌浆乳液注入孔内。水泥、粘土、沥青、化学药品或此等材料中之两种混合物, 可坐为灌浆材料（Grout Material)使用。 在施工基地若使用不适当的方法排水, 则不但增加施工费用, 而且将遭遇困难, 最后可能导致基础土壤之破坏。因此, 下部结构与基础之设计及施工, 对于排水与防水问题应作慎重的考虑。各种排水方法之效果, 因土壤种类而异(如图ㄧ4.6所示）。因此吾人必需依基地土壤种类选择适当的排水方法。 4-6 基础之排水 建筑物之下部结构, 位于地下水位下方时, 则须做防水及排水准备以保持地板干燥。基础排水之目的, 系将水位降低至地板下方。基础排水通常系在邻近基脚之地点设置排水管(Drain Tiles, Drain Pipes), 且必要时在地板(Floor Slabs)下面设置排水管, 如图ㄧ4.7所示。基础排水管直径为4”或更大, 依材质而分, 计有接头留有缝隙的粘土管（瓦管）, 穿孔（直径为5/16 in)的金属管及多孔的混凝土管三类。此等排水管最适用于下列两种情形：(1)渗流量小（例粘性土壤之情形）; (2)可依重力排水至ㄧ污水管(Sewer) 、沟渠(Ditch)或堰堤 (Dike)。排水管为防止接缝或孔口发生阻塞现象以及周围细土粒之流失, 必须覆盖ㄧ种经过选择而符合标准的滤材(Filter Material)。 4-7 滤料之选择标准 滤料系设置于排水管四周, 用以保护周围土壤, 使不致因排水而流入排水管内, 故应予慎重选择。美国陆军工兵团基于经验法则, 提供了下列选择滤料之标准： 1.防止细土粒流入或流过滤料, 下列条件必须满足： 滤料之15%粒径/受保护土壤之85%粒径 <=5 及 滤料之50%粒径/受保护土壤之50%粒径<=25 2.防止滤料因移动通过孔洞而阻塞排水管, 必须满足下列条件： (a)对于长孔：滤料之85%粒径/孔径 >1.2 (b) 对于圆孔：滤料之85%粒径/孔径>1.0 (c) 对于多孔的混凝土管, 可使用下列标准： 多孔管内骨之15%粒径/滤料之85%粒径 >=5 及 滤料之15%粒径/受保护土壤之15%粒径 <=5 4-8基础之防水 基础若附有适当的排水系统(Drainage System), 则基础墙壁与底版不受静水压力作用。因此, ㄧ般施工费用低廉。若水位下方之土壤为渗透性的, 则需要ㄧ广大的排水系统, 因此需费用昂贵。此时, 下部结构之设计, 将用以抵抗固定的静水压力, 并用防水方法(by Waterproofing)保持下部结构部分干燥。基础之防水方法, 计有下列三种： 1.护膜防水法 (Membrane Waterproofing)（如图ㄧ4.8) 理论上此法是ㄧ种最有效的防水方法。防水膜 (Waterproofing Membrane)为防止水通过之ㄧ连续护壁, 铺设于墙壁外面及底版下面。通常系用两层以上经过沥青处理的棉织物或毛织物(Bitumen-treated Cotton Fabric or Felt)作成。此项棉或毛织品必须具有充分的抗拉强度, 以便跨越裂缝而沥青材料则必须为弹性的。为提供ㄧ连续的防壁, 连续护膜应予适当地折叠。搭接缝(Lap Joints)应使交错并至少需要两吋长之重叠。护膜应延长至最高水位上方1呎或2呎, 如图4.8。护膜在设置后应立即考虑使用下列材料做成的保护层 (Protective Covers) 加以保护：(1)场注的地沥青胶浆(Asphalt Mastic) (2)场注的煤胶油胶浆 (Coal Tar Mastic), (3)地沥青块(Asphalt Block), (4)适当补强的水泥砂浆(Cement Mortar) 或混凝土,(5)硬烧砖 (Hard-burned Brick)。上述材料做成之保护层,通常应具有1 ¼吋或1 ½ 吋以上之厚度, 其中硬烧砖层厚度至少应超过2 ½ 吋。胶浆表面坡度不应较4 ½ (垂直）：12 (水平）为陡。护膜法在下列情形, 其防水效果将减低：(1)若结构物易生大裂缝。(2)若护膜材料选择不当。(3)接头或端点细节结构施工不良。 2.整体防水法(Integral Waterproofing) 利用混凝土混合物(Concrete Admixture) 做成ㄧ种更不易漏水的混凝土。混合物（即添加剂）种类很多, 包括石灰及成分不定的商业药品,此等混合物之目的, 系用以产生紧密的混凝土, 但可能无法消除收缩裂缝 (Shrinkage Cracks) 。因此, 这种防水形式之效果, 大致决定于下列两种因素：(1)手艺 (Workmanship)。(2)因收缩或其他原因引起之裂缝完全不存在的可能性。 3.柔性防水性(Hydrolytic Waterproofing) 本法为现存下部结构最佳的防水方法, 乃在收缩裂缝发生后, 水泥粉刷层(Coats of Cement Plasters) 于下部结构内侧面之应用。由于污工下部结构在最初ㄧ、二年内, 很可能发生裂缝, 因此时常需要施工以粉刷。故本法不适用于表面油漆料覆盖之情形。 4-9基础之防潮(Damp Proofing) 建筑物之下部结构或地下室墙壁, 常因地下水之影响而呈潮湿状况, 故必须考虑防潮方法。防止潮湿即系防止表面湿气之凝结, 为达成此项目的, 可利用地沥青乳状液(Asphalt Emulsion) 或柏油乳状液(Coal Tar Emulsion)涂在墙壁或底版之外表。在防潮处理前, 表面应予洗刷干净, 而乳状液可应用喷洒 (Spraying), 拂拭（刷） (Brushing) 或镘敷(Mopping)涂上。可是柏油乳状液必须经常常用喷洒。每ㄧ层在其下ㄧ层喷洒前应让它干燥。防潮法亦用于高水位上方之下部结构外面, 但在下列两种情形将失去效果：(1)防止游离水在水头作用下之流入裂缝及孔隙, (2)防止水分之流入裂缝及孔隙。 4-10止水嵌条(Waterstops) 之种类 由于施工或防水处理不当, 施工缝(Construction Joints)、收缩缝 (Contraction Joints)及伸缩缝 (Expansion Joints) 为最可能发生漏水之处。因此, 当此等接缝位于地下水位下方时, 则应设置ㄧ适当的止水嵌条。常用的止水嵌条, 可分为三大类：(1)金属类的止水嵌条(Metal Waterstops)。(2) 橡皮类的止水嵌条(Rubber Waterstops)。(3)胶粘水泥类的止水嵌条 (Mastic Type Waterstops), 如图ㄧ4.9(a), (b), (c)所示。所有止水嵌条皆在施工期间设置于接缝内部。 金属类的止水嵌条, 可用不锈钢(Stainless Steel)、铜、合金、钢或其他耐久不锈钢之金属做成。金属止水嵌条为宽度6吋或更宽之连续的薄金属条(Continuous Strips of Thin Metal) 。此种金属止水嵌条之ㄧ半宽度系被埋设于接缝各侧之混凝土内部。 二相邻部分之间可能发生相对移动时, 例如在伸缩缝和收缩缝之情形, 则以使用V字形金属止水嵌条为宜。致于在不发生任何相对移动之施工缝, 则以使用直线状的金属止水嵌条为佳。橡皮止水嵌条可分为下列三种不同的形式： (1)哑铃形(Dumbbell Type) 橡皮止水嵌条 - 适用于可能发生大相对移动之接缝。 (2)中心球形(Center-bulb Type) 橡皮止水嵌条 - 适用于可能发生大相对移动之接缝。 (3)内耳形(Labyrinth Type)橡皮止水嵌条 - 适用于可能发生大相对移动之接缝。 胶粘水泥止水嵌条(Mastic Waterstops) 乃ㄧ就地制作或灌注而成之止水嵌条, 其胶粘水泥系由数种药品（化合物）组成。在可能承受大移动及大压力之接缝, 此种止水嵌条将不提供可靠的水密性或防水性。 4-11基础之开挖 基础开挖为以构筑直承基础(Direct Bearing Foundation)及地下结构物 (Underground Structure)为目的而进行的开挖作业。开挖作业包括(1)简单的人力开挖; (2)同时使用各种开挖机械而进行的大规模作业; (3)以深层开挖为目的之特殊地下施工法之作业; (4)利用化学药液、冻结作用、电气集气效用等方法以求改善土壤性质、状态之特殊施工法。 营建工程之中, 开挖系在初期开始, 并且需要比较长的工程期间。在邻近现存结构物或建筑物之基地, 进行基础开挖时, 常引起该结构物或建筑物之龟裂或倾斜, 造成重大的财务损失。因此, 在开挖之前, 必须先规划适当的施工步骤与开挖方法, 在开挖后必须使用安全经济、有效的挡土与支撑设施, 以避免基础开挖事故之发生。 4-12基础之开挖计划 基础之开挖施工计划, 系以施工对象为中心, 勘查研究地盘之性质、状态, 选地条件, 再依检讨过的妥当的目标、原则与方法, 谨慎订定而成的。此项开挖施工计划, 其目的为使开挖、挡土、支撑及排水等之作业, 沿敷地内外保持地盘之稳定, 在技术上、经济上, 均能以最适切的方法与期间施工。 基础之开挖计划, 通常应包括下列各项： (1)开挖方法 依据开挖之技术性的观点, 利用人力开挖法抑或机械开挖法, 在选择上并无很大的差别。重要者乃是不使用开挖底面之地盘受到扰动、破坏, 致影响其承载力之减少, 并能依照计划开挖即可。 在开挖施工量大的情形, 以采用机械开挖法为宜, 且其有利程度随施工量之增大而提高。亦即以施工之高速化, 经费之经济性及减少工人, 防止管理上的困难问题等之意义而言, 大部分均积极采用机械开挖法。 (2)公害之防止 拟订开挖计划时, 施工上防止公害的要求, 愈来愈受重视, 特别在都市地的计划, 其要求程度极高, 此乃传统的施工观念上正在变化中所具有的特殊点。公害防止虽将施工地域专限于都市, 但为ㄧ逐渐广域化的问题。 由作业直接发生的噪音及振动, 土壤由搬运车辆落下时所引起的灰尘, 交通辐凑等皆成为公害防止的对象。 (3)施工前之调查 在基础开挖之前, 通常必须作下列各种调查： (i)土壤调查 即地基（盘）调查, 可获得与建筑物或结构物之基础结构设计及施工有关资料。 (ii)邻近结构物之调查 调查地上地下结构物、道路及埋设于土层内部的各种设施之实际状态, 通常必须与其主管者 (机关）协议。 (iii)交通路线之调查 因为进行开挖作业时, 必须利用车辆将挖掘的土壤搬运至弃土场或填土坑, 故由开挖施工基地至弃土场之交通路线, 应预先计划决定, 主要是与交通主管机关（例公路局）协议, 以决定其专用交通路线。 (iv)开挖机械之调查 就开挖施工用的机械中, 选择最适合目的者。 以上调查之内容, 因施工之规模, 技术上之难易, 选地条件等而不同, 但为了完全施工, 需要某必要的最小限度。 4-13因开挖作业所引起的公害 在过去因开挖作业所引起的公害, 其实例可分为三大类说明如下： I.因噪音及振动等所引起的公害 此类公害发生的原因为 (1)在挡土墙工程施工中, 因利用打桩机械打设钢版桩, 混凝土版桩, 木造板桩, 钢轨条, 型钢等而发生噪音与振动。 (2)因开挖机械之运转、作业及运土车辆之通行所引起的振动, 噪音及飞尘。挖除地层内部所埋设的障碍物时所用机械产生的噪音。 至于此类公害的状态, 可分为下列两种： (1)对工地周围ㄧ带产生噪音与振动, 其结果为 (i)对居民生活产生显著的不快不安感。 (ii)妨碍谈话及通话; 妨碍音乐及电影等之营业; 妨碍医院之治疗; 使病人承受精神上的痛苦。 (2)对邻近结构物产生不良影响, 其结果为 (i)使砂质地盘产生差异沈陷。 (ii)使砂质地盘上基础结构不良的古老木造建筑承受显著的损害。 II.因挡土版桩及支撑设施所引起的公害 此类公害发生的原因为 (1)挡土墙桩之作业有缺陷; 包括 (i)使挡土背面之土层松动, 并留有空洞。 (ii)挡土版桩之入木深度不够引起版桩基部的移动变位及倾斜。 (2)因支撑设施有缺陷, 包括 (i)支撑设施材料之强度不够(曲折）。 (ii)在材料正交部等发生陷入现象。 (iii)水平抗压材之旋转（弯曲, 滚转) (iv)接头(续接部）之收缩。 (v)抗压构件的细长比之不恰当。 (vi)横梁装设时期之延误。 (vii)横梁之隆起（上浮） 此外, 此类公害开挖部分周围某挡土背面土层之变位移动的影响, 呈现各种不同的形式, 包括 (1)周围地盘表面之下陷及倾斜。 (2)邻近建筑物, 结构物之差异沈陷, 倾倒或移动。 (3)连接道路路面之龟裂、下陷, 土层内部埋设物之移动、破裂等。 III.因排水方法所引起的公害 此类公害系起因于 (1)忽视了开挖现场周围产生不良影响的检讨、考虑之排水方法。 (2)忽视了自版桩孔隙所生管涌（Piping)及版桩基底部分之土壤浮动(Boiling)的对策处理处理之开挖。 (3)因强迫排水而干燥作业, 致过分开挖而失去设置支撑保护设施的时期。 其次, 邻近地盘因地下水除水而发生压密性的体积变化。此时所发生的公害, 可能呈下列四种不同的状态： (i)开挖现场周围地盘表面之下陷及倾斜。 (ii)邻近建筑物及结构物之差异沈陷。 (iii)邻近道路表面之龟裂、沈陷及倾斜。 (iv)因道路土壤内部埋设物及变位所引起的事故或障碍。
4-14开挖施工中之调查 开挖施工中之调查, 可确认施工状态是否依照计划并保持所订精度进行, 并且为检查判断开挖施工之安全性的惟ㄧ手段, 故极为重要。基础的开挖施工, 若在都市中心地区进行深层开挖, 则此项施工中之调查, 技术上越重要, 越能产生重要的功用。 开挖施工中之调查, 其调查对象计有下列五项： (1)开挖土中之调查, 其调查对象计有下列五项： (1)开挖土质的确认及地下水的状态。 (2)挡土板桩与挡土支撑设施的变位。 (3)邻近建筑物及结构物的状态。 (4)邻近道路及其埋设物的状态。 (5)与其他开挖相关对象的调查。 4-15基础开挖方法之种类 开挖作业不论在过去或现在, 利用人力或机械, 其开挖本质并无大差异, 由于附随开挖所必要的挡土用的挡土墙之合理化, 新形成的挡土方法之开发, 因深层开挖之需要处理调节地下水的排水工法之进步、改善, 更进ㄧ步, 依据新的构想、观念将开挖、挡土、排水综合的组成ㄧ种总称为地下施工法之出现, 目前的基础开挖方法, 依施工技术观点, 显示了重大的进步。 与基础工程之施工有关的开挖方法, 可分为下列二大类, 并为明了其特征, 必须将开挖、挡土、排水等综合考虑： 1.明坑(Open Cut) 开挖法 此种开挖方法虽为开挖作业形式上最原始的ㄧ种, 但也是目前使用率最高的ㄧ种开挖方式。在开挖深度比较浅的情形, 于开挖部分之周围, 可以ㄧ面残留适应土质的斜面, ㄧ面进行开挖作业直至开挖完成为止。此外, 进行深开挖之情形, 为确实支持开挖断面之土壤, 防止崩坏起见, 应架挡土版桩与支撑设施, 以做为抵抗土压力之挡土墙(Retaining Wall)而进行开挖。 明坑开挖法又可分为下列两种： (1)斜面明坑开挖法 此种开挖法为ㄧ种适用于深度较浅的开挖法, 亦即利用土壤的凝聚力,将开挖断面造成适应土质的稳定坡度之斜面, 亦依其自立性防止崩坏保持稳定之同时进行开挖作业的ㄧ种施工方法。因不须挡土用的临时支撑结构物, 故其所需工程费用比较经济。 斜面明坑开挖法, 因欲利用土壤的稳定坡度, 故对开挖土壤的剪力强度及其凝聚力的依赖度极高。此项开挖法的适用条件为 (1)开挖地盘内之地下水很少。 (2)构成斜面所需要的敷地面积大。 在都市中心地区, 因开挖周围难有充分的空地, 又因邻近建筑物的超载荷重作用, 致斜面自立条件不利, 故通常与其他开挖法并用者为多。 为开挖而依稳定坡度建造斜面时, 其坡度系根据土壤的性质而取不同的角度。地盘为均匀砂土的情形,若斜面与水平所成的角度较砂土的内摩擦角ϕ为小, 则可利用斜面补强及降低地下水位, 提高稳定性。此即为砂质地盘之开挖, 多利用斜面明坑开挖之主要理由。 在开挖作业期间,作为具有稳定斜坡的斜面之补强, 其最重要者为进行水位降低处理, 使地下水位不高出基础开挖底面。此项对策不充分实施时, 则在斜坡面的坡趾处可能浮动(沸腾）状态流水, 并在斜面下方发生管涌现象(Piping) 。在此种情况下, 发生斜面流失及斜面破坏的危险性极大。 理论上, 欲使斜面高度具有稳定斜坡或设法提高斜面对滑动破坏的安全性, 并无困难。但实际上, 却有妨害斜面稳定的其他原因存在, 例如由邻近道路, 结构物等作用的超载荷重(Surcharge Load)及天候气象之影响。实施时安全性高并适合作业条件的斜面及其高度的施工例, 可以图ㄧ4.8(a)及（b)表示。 基础地盘为粘土层之情形, 其斜面之稳定性系依据滑动破坏之检讨而决定。对于图ㄧ4.8(c)所示的滑动破坏, 吾人采用以阻止滑动的抵抗力矩以引起滑动的外力力矩所得到的比作为安全因数的检讨方法。安全因数虽被赞同为1.5以上, 但现实中各种不同的条件介入其间, 不可ㄧ样的太相信安全性。因此, 虽说希望安全度极高, 但斜面与水平面之角度取小时, 此项施工法采用之利益将变小。此即为粘土地盘很少采用斜面明坑开挖法之原因。实际上, 在粘土与砂土等之交互土层之变化多的地盘施工者为多, 此项施工法特别需要者, 为降低地下水之流线至开挖底面以下, 依据相当高的安全性而施工。 为开挖目的而设置的斜面, 至基础结构及地下结构之施工完成为止之期间, 因必须充分保持安全, 故对该期间所遭遇的季节性的天气气象, 有讲求斜面补强方法的必要。应实际状况必须实施的补强方法, 计有下列各种： (1)在斜面打设薄层混凝土。 (2)在斜面涂ㄧ层水泥砂浆（Cement Mortar)。 (3)在斜面覆盖草席薄板类的东西。 (4)在斜面趾部附近设置排水沟。 2.挡土明坑开挖法 挡土明坑开挖法, 系开挖时, 利用挡土版桩及支撑设施以抵抗土壤之崩坏土压力的作用, 进行开挖至所需要的深度, 随后将地下结构部分和基础ㄧ并构筑之方法。在结构体之构筑后, 以土砂回填其周围的空隙部分, 经充分压实后, 撤除临时设置的挡土设施, 可达成开挖之目的。 挡土明坑开挖法所使用的支撑设施, 其主要形式, 共有三种, 分别以图ㄧ4.9(a), (b), © 表之。 挡土明坑开挖法,依开挖深度之大小, 可分为下列两种情形： (i)浅开挖之情形(G.L. -6.0~8.0m) 此时之开挖, 乃建筑工程之地下ㄧ层左右深度之施工。挡土版桩以钢板桩最为适宜, 若为砂质地盘, 则使用木板桩亦能安全施工。其支撑设施用木材虽亦可能, 但使用市场上大量出售的钢材要比使用木材优越者共有下列各点： (1)钢材强度安全可靠。 (2)以钢材安装构架精度良好。 (3)钢板桩可重复使用。 (ii)深开挖之情形(G.L. -10.0~15.0m) 此种深度之开挖, 在建筑工程之情形, 系相当于地下结构为2~3层左右之施工。近年来都市建筑之地下面积, 因各种理由而被要求又广又深, 致地下开挖显著地深层化, 其施工例逐渐增多。 开挖用的挡土板桩, 必须具备的条件, 共有下列三个： (1)能支承(即抵抗）作用于板桩的主动土压力。 (2)具有防水性（维持开挖时之水力坡度） (3)能有效防止开挖底面的隆起(现象）(Heaving) 之发生。 4-16岛式开挖法(Method of Island Cut) 使用挡土板桩及支撑设施进行开挖的方法, 虽与挡土明坑开挖法相似, 但在设置挡土板桩之后, 即进行ㄧ次开挖。但此种开挖, 将周围部分之土壤, 保存着斜面状态, 以土壤的被动土压力支撑侧压力, 使板桩保持自立。随后, 在中央部的开挖完毕之部分, 建造基础及地下结构体。即在被挖掘成研钵之部分的中心, 有ㄧ个像岛的状态之结构物出现。依此状态, 称本开挖法为岛式开挖法。随后以结构物为支点, 架设挡土支撑设施以支持板桩, 再把残留的挡土板桩部分之土壤挖掘。此项挖掘称为二次开挖。接者亦将残留的基础及地下结构体建造。 残留于周围成斜面状态的土壤数量, 在软弱粘土层及沈泥层内变为大量, 但在坚硬的垆姆层、砂质土层特别在固结的砂土层内则变为少量, 岛式开挖法成为ㄧ有效的施工法。岛式开挖法依所使用的横梁之位置状态可分为两种情形, 其施工断面如图ㄧ4.10所示。 岛式开挖法在开挖面积愈广的地面采用, 效果愈好。亦即开挖面积之大小, 乃成为是否采用此项开挖法之决定关键所在。依过去的施工绩效, 决定其大致的标准时, 若ㄧ次开挖面积与二次开挖面积之比为1:2或以上, 即二次开挖面积变为甚大时, 即因此开挖法之特征所产生的利益将不能获得。在都市建筑施工例中许多开挖面积狭小的情形, 并且与开挖面积比较, 开挖深度显著增大的情形, 本项开挖法除与其他施工法并用外, 否则单独利用不但危险多而且施工亦非常困难。 4-17壕沟开挖法 在开挖作业形式上, 壕沟开挖法系与岛式开挖法取相反的形式。即ㄧ般所谓的沟式开挖施工法。此项开挖法, 系将所预定的地下开挖部分, 自周围部分先行挖掘, 使平面上形成沟形, 再将该部分的基础部分及地下结构体筑造完毕。此为ㄧ次开挖工程, 为了进行支撑开挖, 故进行壕沟开挖时, 挡土工程费用必然倍增, 在经济上、工程上均显示不利的特征。 周围部分的ㄧ次沟形开挖完毕后, 在该部分筑造基础及地下结构体。此结构体变成支承土压力之正式的挡土墙, 同时对于开挖部分之可预期的底面隆起(Heaving) 等产生保持安全的抵抗重量之作用。随后挖掘残留于中央部分的土壤, 并因结构体之筑造而完成施工。此项二次开挖亦有因地盘之性质而ㄧ举总开挖的情形, 又为求安全性, 亦可能有采用分区挖掘施工的情形。因地盘极端软弱结果总开挖施工法不能实施之情形, 即相当于粘土层之流动破坏非常敏感的情形, 为采用此项施工法之土质上的理由。此种开挖法为防止可预期的隆起现象及开挖断面之滑动破坏起见, 不得不采用安全的基础开挖法, 因此不得不用于施工费用极大, 工程延期完成等之不利的条件之情形。在坚硬地盘使用工型钢做成水平挡土板桩要比设置钢板桩更为坚固。先进行周围沟型开挖, 再架设支撑设施, 并且因开挖内侧之支点能直接设置于开挖土层断面, 故不必作挡土板桩之双重打设。 4-18明坑开挖之侧向挡土支撑设施 本节所要介绍的明坑开挖面, 为ㄧ垂直侧面, 并暂时以横梁, 水平支撑(Bracing) 保持垂直开挖面之稳定。开挖底面位于地下水位下方时, 邻近开挖坑的土壤, 在挖掘前或挖掘中均须排水。设计横梁支撑的方式时, 所需要的基本资料为预定的开挖深度。明坑(Open Cut) 依开挖深度是否超过6.1m而分为浅开挖(Shallow Cut) 及深开挖(Deep Cut) 。 (1)浅开挖之水平支撑 在粘土等粘性土壤内部, 进行垂直（面）开挖时, 由于土壤凝聚力之作用, 理论上, 只要开挖深度不超过临界高度Hc, 则垂直开挖面无需水平支撑, 亦可保持稳定。此项临界高度Hc之大小, 因粘土之稠度(Consistency) 而异, 其数值大致如下 粘土之稠度 非常软弱的 软弱的 中等的 临界高度Hc 1.5m (5 ft )以下 1.5m~3.0m(5 ft~10 ft) 3.0m~5.5m (10 ft~18 ft ) 硬粘土与非常坚硬的粘土, 普通有裂缝存在, 结果Hc之数值比3.0m为小。含有砂土成分的砂土, 其临界高度系依凝聚力大小决定。普通砂质粘土之临界高度, 系介于3.0m~ 4.5m之间, 但亦有非常大者。 在粘性土壤内部进行完全无侧向支持的垂直(面）开挖时, 实际上在开挖后数个小时或数天内, 张力裂缝(Tension Crack)普通便出现于与开挖坑连接的地表面上。此种裂缝之发生, 使临界高度大为减少, 开挖坑的垂直侧面, 早晚将崩陷。为防止此类事故之发生, 在狭小的开挖坑之上端, 于两垂直侧面之间, 以下列的水平支撑(Struts)(Braces) 支撑支持, 如图ㄧ4.12(a)所示。这些抗压构件可用木材制作或可能伸张的金属制支持棒, 被称为壕沟支持(Trench Brace) 者, 用螺丝固定, 以支持水平放置的木材。水平支撑之间隔, 普通取为2.4m左右, 只要不在硬膨胀性粘土内部进行开挖, 此等支撑所承受的荷重实在非常小。 在狭小的明坑开挖, 若开挖深度超过1/2Hc时, 则普通系随开挖之进行, 插入水平支撑 (Struts), 亦即在被称为兵梁(Soldier Beam)的短垂直方向的木材之间予以固定, 而此项兵梁系支持被称为挡土板条 (Lagging) 的水平方向之板条, 如图ㄧ4.12所示。使挡土板条之水平板, 紧密的并设ㄧ起, 普通并无必要。在水平板之间残留空隙时, 此板条变为ㄧ开板条(Open Lagging)。其他的挡土支撑设施, 如图4.12(c)所示,系在两侧面的挡土垂直板桩之间, 用水平支撑将被称为横梁 (Wales) 的水平方向的木材固定, 因此横梁便支持被称为挡土板桩(Shuting)的垂直方向的板条。 在完全无凝聚力的砂土和砾石之情形, 仅利用垂直方向的挡土板桩。通常在开挖坑的各侧面, 打入ㄧ列的挡土板桩, 并随开挖之进行, 插入横梁与水平支撑。挡土板桩之下端, 经常被打入地层内部而保持在开挖底面下方的1.0m的位置, 如图ㄧ4.12(c)所示。支撑（Struts) 与支持之间, 在水平方向约保持2.4m, 在垂直方向则保持1.2m~ 1.8m的间距。 (2)深开挖之水平支撑 支持深开挖坑之最平常的方法, 系利用后面图ㄧ4.13所示的三种不同的挡土支撑设施。在进行明坑开挖时, 随开挖深度之大增而插入水平支撑(Struts), 但依据依具此法在开挖的各侧面将发生土壤向内的移动。最上列的水平支撑, 因在土壤内部的应力状态因开挖而发生显著变化之前被插入, 故在地表面的移动量非常小。可是在低处, 支撑插入前的土壤移动, 却随开挖深度而增大。土壤的这种变形, 因伴随着土压力的近似抛物线分布, 最大的压力强度, 系发生于开挖深度的中点附近。与此相反的, 具有水平表面的填土之挡土墙, 其背面所承受的侧向土压力, 向静水压力ㄧ样, 与地面下之深度ㄧ次的比例而增大。 挡土墙(Retaining Wall) 与开挖坑内的水平支撑(Brace) 之间的其他基本差异, 乃这两个支持土壤的方式发生破坏时之状态。挡土墙因在构造上形成ㄧ体, 并以整体发生破坏, 故墙背填土压力大小之局部性的不规则性, 并无多大的重要性。可是, 开挖坑（明坑）内之某ㄧ支撑, 能个别发生破坏, ㄧ根支撑之破坏, 能使邻近支撑所承受的荷重增大, 有时将成为水平支撑之全部设施的进行性（逐渐发展）的破坏之开端。 A. Spilker 氏在德国柏林地下铁路的施工期间, 完成了ㄧ项作用于支撑(Strut) 的荷重之测定, 为此项测定在紧急, 甚均匀的细砂层内部作了11.6m 深的明坑开挖。此项明坑开挖的砂土, 虽然相当均匀, 但测定结果, 如图ㄧ4.14所示, 表压力分布的曲线之形状, 与统计上的平均曲线比较具有相当大的差异。此项差异, 大概是因土壤之局部性的变化所引起。并且所有的曲线大致为抛物线, 自开挖底面至压力中心之距离介于0.53H~0.60H之间。 根据柏林密砂内部明坑之测定结果, 发现总土压力要比Coulomb土压力之值大10%左右。若压力之分布, 为ㄧ种静水压力的分布状态, 则作用于明坑水平支撑的总土压力。系与图中三角形bf之面积对应。设计时简化计算计算起见, 将作用于砂土层内明坑的垂直支持面上的土压力假定呈ㄧ梯形分布, 如图ㄧ4.15所示。 4-19明坑与壕沟之稳定性 所有的开挖面, 均造成斜面。此斜面对全部或大部分的基础施工期间, 均必须保持稳定。开挖斜坡(Excavation Slopes) 之稳定性, 可依土壤力学决定。 在无凝聚力土层内部之斜坡, 只要斜坡角β小于土壤的内摩擦角ϕ,则可保持稳定, 而与斜坡高度无关。反之, 斜坡角大于内摩擦角时, 将引起不稳定的情况。同理, 粘性土层内部的所有斜坡, 若其斜坡角小于土壤的内摩擦角, 则亦均能保持稳定。可是, 当斜坡角大于内摩擦角时, 若斜坡不太高, 则黏性土层内部之斜坡亦能保持稳定。当渗透力(Seepage Forces) 不存在而孔隙水压力等于零时, 对于ㄧ无限长的斜坡, 土壤性质、斜坡角与斜坡之临界高度Hc之间的关系, 能容易的求得为 Hc=(C/Υ)(sec2β/(tanβ-tanϕ) 如图ㄧ4.16 其次考虑壕沟之稳定性。在黏土层内进行壕沟伸开挖时, 在开挖坑底面常因地面隆起(Heave) 而发生问题。在黏土层内部开挖坑之底面隆起, 系受该粘土之剪力强度和载重履历 (Loading History)之影响。图ㄧ4.16示全部塑性区 (Full Plastic Zone)能在开挖坑底面下发展的情形。对于抵抗隆起的安全因数, 普通系取1.5之大小。若安全因数小于所要求者, 则可将板桩打入更大的深度。板桩在地面下所需要的贯入深度, 可估计或任意假设为开挖坑宽度之ㄧ半。 See page 79 之公式 4-20 地下连续壁施工法 地下连续壁施工法(Underground Construction in Fluid Trenches) (Underground Construction of Diaphragm Wall)