2012.10.25 大地工程調查實務 講演者 : 王劍虹主任工程師
內容 大地工程調查與工址調查 大地工程調查項目及方法 鑽探及取樣 水壓計及觀測井裝設 鑽探報告內容 案例
解決大地工程問題之基本步驟 資料 + 分析 + 判斷 解答 ( 預測 ) 調查試驗 理論假設 經驗 大地工程調查是解決所有大地工程問題之基礎
大地工程調查項目及方法 地表調查 地表地質調查 遙感探測 ( 遙測 ) 地球物理探測 鑽探 取樣 開挖 剝洗 槽溝 試坑 橫坑 現場試驗 實驗室試驗
規劃大地工程調查之考慮因素 調查工作本身之可靠性 須確實掌握地層分佈變化 工程特性 工作的時間性 配合設計進度, 提供基本設計資料 地層變化的可能性 工程計畫之大小及複雜程度 經費之考慮 避免假經濟 (False Economic) 工程失敗 (Failure) 或損壞之影響及其重要性 對生命及財產之風險
大地工程調查之基本原則 在各工程作業階段皆需進行適當 範圍 精度 程度 之調查 範圍 (Coverage) - 調查的幾何面積 幾何深度 精度 Precision) - 地形圖及地質圖的比例尺, 或調查的規模大小 項目及數量的多寡 程度 (Extend) - 對工址地層變異性及工程特性之瞭解與掌握程度
大地工程調查之基本原則 工程作業階段範圍精度程度 可行性分析 大 低 低 規劃 初步設計 細步設計 施工 營運維護 小 高 高 愈在後面的階段, 範圍愈小 精度與程度愈高
大地工程調查之基本原則 不同階段之調查成果不得替代使用 完整的大地工程調查應包括不同之項目及方法 先後有序, 相輔相成 間接法之調查成果須以直接法驗證
大地工程調查項目及方法 地表調查 地表地質調查 遙測 地球物理探測 鑽探 取樣 開挖 剝洗 槽溝 試坑 橫坑 現場試驗 實驗室試驗
大地工程調查步驟及種類 主要分類 初步調查 細部調查 補充調查或特殊調查
初步調查 瞭解地層狀況 概估費用 初步研擬基本設計方案 評估工程問題及地質風險, 作為執行細部調查工作之依據 主要工作內容 既有資料之蒐集及研析 ( 地形圖 地質圖 衛星影像 航測照片等 ) 現場踏勘 充份了解現場及周圍環境 初步鑽探調查
細部調查 確定初步調查時所推估的地層狀況, 獲得設計時所須的詳細資料及設計參數 調查方法 地球物理探測 鑽探及取樣 試坑開挖及取樣 現場試驗及實驗室試驗
補充調查或特殊調查 針對下列狀況而進行 細部調查不周或不足之部份 變更設計的需求 需進一步作更精確評估的問題 施工時驗證設計階段之調查成果 完整的工址調查非僅止於設計或施工前 可直接檢視開挖後之地層狀況 特點 調查規模及範圍均較小 調查精度與程度高於細部調查階段
鑽探施工及規範 請上網 : 工程會施工綱要規範 第 02218 章鑽探及取樣
方法種類 螺旋鑽探法 沖洗鑽探 旋轉鑽探 衝擊鑽探 依地層 分析及設計需求, 選用最適合之鑽探方法 鑽探方法
鑽探方法 螺旋鑽探法 一般於水位以上使用 以螺旋鑽 (Auger) 乾鑽 可確定水位 沖洗鑽探 一般砂土 粘土層 ( 水位以下 ) 避免向下直沖, 採魚尾鑽頭側沖 皂土 (Bentonite) 穩定液 穩定孔壁 減少粗顆粒沈積孔底 旋轉鑽探 岩心管 堅實土層 ( 卵礫石層 ) 岩盤 魚尾鑽頭
鑽探注意事項 發包前清楚說明工作要求 標準規範 特定條款 議價記錄 鑽探材料要求 套管 / 泥漿 (Drilling Mud) 劈管 / 薄管尺寸 完整性 Check valve 鑽探施工要求 開鑽前檢查所有機具設備 地下管線, 說明工作要求 鑽孔回填 避免改變地下水文 地下水污染 開挖湧水
鑽探注意事項 鑽探施工要求 遺留物記錄 鑽桿 套管 取樣器 避免成為地下施工 ( 潛盾 基樁 連續壁等 ) 之障礙物 注意土樣之顏色 異味 腐質土 土壤污染 岩心儘速拍照 (24hr 內 附標準色卡 ) 含水量 岩心判釋
取樣方法 方法種類 土鏟 (Hand-held Shovel) 螺旋鑽 (Auger) 劈管 (Split Spoon) 薄管 (Thin Tube) 岩心管 (Core Barrel) 試坑 選擇考慮因素 土樣之種類 尺寸 深度 取樣目的 經費限制
土壤取樣 土樣種類 擾動性土樣 (Disturbed Sample) 採用劈管取樣 作為粒徑分析 比重 塑性試驗之樣品, 主要用來識別土壤的種類及變化, 與了解其物理性質 不擾動性土樣 (Undisturbed Sample) 採用薄管取樣 並非完全沒有受到擾動, 但在嚴格要求之範圍內, 保有原來的結構 密度 孔隙比 含水量等物理及力學性質 利用此類土樣才能試驗出土壤的壓密 強度與應力 - 應變等工程性能
劈管尺寸 (ASTM, 2000)
土壤取樣 土樣種類土樣受擾動原因土樣受擾動之影響不擾動土壤之條件
e
(i) 面積比 (Area ratio):c a <10 %, (ii) 管內淨空比 (Inside Clearance ratio): 短小土樣中長土樣長土樣一般用 C i =0~1 % C i =0.5~3 % C i =5~10 % C i =0.35~1.5 % (iii) 管外淨空比 (Outside Clearance Ratio):C o 砂土黏土 C o =0 C o <2~3 % (iv) 單位採樣比 (Specific Recovery Rafio)= (v) 採樣比 (Total Recovery Ratio)= 1 (vi) 所取得之土樣表面或剖切面無扭曲 (Distortion) 或缺陷, (vii) 土樣之長度及重量不因取樣而改變 L S
不擾動土壤之條件 土壤組織結構不擾動 含水量及孔隙比不改變 物理及化學成分不改變
薄管尺寸 外徑英吋 2 3 ASTM 管厚公釐 1.24 1.65 D 1578-83/00 管長公尺 0.91 0.91 D 1578-83/00 面積比 % <10 <10 D 1578-83 - - D 1578-00 管內淨空比 % 1~1.5 1~1.5 D 1578-83 <1 <1 D 1578-00 面積比 =(D o2 -D e2 )/D 2 e 內淨空比 =(D i -D e )/D e
薄管取樣器種類 開口式 (Shelby Tube) 活塞式 (Piston Sampler) 水力式 (Osterberg Sampler) 雙管式 (Denision Sampler)
開口式薄管取樣器 適用於黏性土壤 優點 構造簡單 缺點 易刮入孔壁土壤 取樣率不佳 球形閥常失效, 使土樣上端因承受向下之水壓而漏失 取樣步驟
內桿須固定不動 固定式活塞取樣器之取樣示意圖
不擾動薄管取樣 When required length 1 Rest Sampler on 2 Push Drilling Rod 3 is reached, 4 Drilled Surface down Drilled Hole Rotate Drilling Rod Withdraw Drlling Rod and Sampler Fixed
固定式活塞取樣器 適用土層 極軟弱至堅實粘土 極疏鬆至中等緊密砂土 為軟弱粘土與鬆砂之最佳取樣器 優點 不會刮到孔壁土壤 可將孔底埋沒物擠開 活塞之真空吸力可防止土樣滑落 缺點 設備與操作較複雜 特別注意事項 內桿須固定不動
Denison 取樣器 硬地層
岩心取樣 鑽頭 (Bit) 下端鑲鑽石或鎢鋼 岩心管 (Core Barrel) 單管式 適用於堅硬岩石且不含軟弱夾心 雙管式 適用於中硬岩石且不含軟弱夾心 三管式 適用於含有裂縫 軟弱夾心 軟硬岩互層
岩心判釋 岩心尚在內套管或襯管時即進行 量測與記錄項目 岩心取樣率 (Core Recovery) 品質指標 (Rock Quality Designation, RQD) 破裂指數 (Fracture Index, FI) 剪裂面與不連續面之分佈 深度 位態 填充物 (Infilling) 與粗糙度 (Roughness)
岩心取樣 岩心取樣率 (Core Recovery) 取出長度 100(%) 鑽入長度 岩心品質指標 (RQD) 長度大於 10公分之岩心總長 100(%) 鑽入長度 岩心破裂指數 (FI) 破裂面之總數 100(%) 鑽入長度 ( m) - 人為斷裂面不視為岩體裂面而視為連續 - RQD FI 最大值為 100 - 破碎岩心每公分算 1 條破裂面 - 漏失岩心視同破碎岩心計算 若一鑽入長度內局部破裂面出現頻率變化甚大, 應依裂面的實際分佈狀況, 將鑽入長度再細分,, 以計算各段之 FI
水位觀測井與水壓計之應用 水位觀測井 水壓計 量測地下水壓 分布 流向 決定填土或開挖速率 評估邊坡穩定 監測開挖時降水系統 (Dewatering System) 之效果 監測地質改良之效果 ( 如垂直排水帶 排水砂樁 ) 檢核垃圾掩埋場之地下水隔離效果
水位觀測井裝設 簡易 適合量測短期之淺層地下水位變化 須避免地表水流入
豎管式水壓計 優點 構造簡單, 價格低 非電子儀器, 不需儀器校正 豎管直徑若大於 1cm, 則可自動排氣 可用來取水樣與進行現場透水試驗 限制 / 注意事項 量測時差較長, 反應較慢 豎管須正確豎立 地下水長期流進出後, 透水濾料可能被堵塞 需人工在現場量測, 無法遙測 (Remote Reading) 不適用於壓力水頭高於豎管高度之狀況 須注意施工機具及地層下陷造成之損壞 冰凍問題
水壓計之裝設 正確型式 正確位置 正確深度 應符合分析及設計需求 正確回填與封層 最好採灌漿 ( 水泥 皂土 ) 回填鑽孔 皂土封層應確實 ( 鋁桿夯實 ) 單孔單支為原則 以淨水清除皂土液與泥膜 透水石須予以飽和 豎管式水壓計 PVC 管密接 管口高程 裝設時及完成後 : 試水檢驗 ( 灌水 / 抽水 )
水壓計之阻水封層建議 黏性土壤 ( 阻水層 ) 砂性土壤 ( 含水層 ) 砂性土壤 ( 含水層 ) 黏性土壤 ( 阻水層 ) 黏性土壤 ( 阻水層 ) 砂性土壤 ( 含水層 ) 砂性土壤 ( 含水層 ) 黏性土壤 ( 阻水層 ) 水壓計位於含水層 水壓計位於阻水層
標準貫入試驗 SPT 大家都用 最好用自動落錘 類似打樁 土壤強度 Su = 0.67 N (t/m 2 )? 摩擦角 = F (N, 深度 )?
標準貫入試驗 2.54mm 50.8mm 16-23 34.9mm 25-50mm 38.1mm 0.457-0.762m (ASTM 1586) SPT-N 值 : 以 63.5kg 落錘 76cm 落距, 將劈管總共貫入土層中 45cm, 第一次 15cm 打擊數不計, 第二及第三次貫入 15cm 之打擊數總合
標準貫入試驗 繫索架之繩索繞圈數定義 (ASTM 1586)
影響 SPT-N 值之主要因素 鑽機種類 轆輪外徑 轉速 轉向 落錘種類 圈餅式 安全式 導針式 自由落錘式 鑽桿尺寸 ( 斷面積 長度 ) 錘重 劈管規格 內 / 外徑 長度 開口端角度 有無襯管 / 銅圈 鑽孔品質 孔底擾動 埋沒 操作習慣 落距 繩索繞圈數 落距 韻律式 / 持放式 情緒
標準貫入試驗注意要點 施作位置間距最大 1.5m 或土層變化處洗孔避免用水直沖孔底採側沖魚尾鑽頭 不得以劈管直接洗孔試驗記錄應註明是否用襯管 (Liners)/ 銅圈有襯管 / 銅圈 N 值增加 10-30% 採擊索架 (Cathead) 法時以韻律 (Rhythmically) 方式拉放繩索繩索須乾 淨 無磨損, 繞圈數採 1 3 / 4 ( 逆時繞 ) 或 2 1 / 2 ( 順時繞 )
SPT 能量量測 荷重計 測速儀
SPT 能量比 (Energy Ratio, ER) 之實測案例 繫索架法 自由落錘法能量測定法 落錘打擊鐵砧前 落錘打擊鐵砧後 79.5% 83.3% 測速儀 73.5% 75.6% 荷重計 自由落錘法之 ER 較繫索架法高約 2-4% 打擊鐵砧之能量損失約 6-8%
標準貫入試驗 (SPT) 建議事項 試驗前檢查所有設備規格 最好採用自動落錘 使用 N 值須小心 審慎 僅適合作為了解土壤工程特性之參考指標 應清楚了解經驗式之背景 適用性及限制, 避免盲用 / 誤用 粉質砂層中引致化所需剪應力比與 (Nl) 60 之關係
紀實報告
大地工程調查及分析報告
法院案例