擋土式開挖之穩定性分析

有關擋土式開挖之穩定性，應檢核下列項目：

(1)貫入深度
(2)塑性隆起
(3)砂湧
(4)上舉
(5)施工各階段之整體穩定分析

【解說】
1. 基地在未開挖前之地層可視為處於平衡狀態。此平衡狀態在基地開
挖後隨即改變，地層產生應力及變位。本節即利用地層參數及地下
水壓分析基地在開挖過程中及最後階段之穩定狀況，以安全係數表
示。
2. 本節所列之穩定性分析，只能考慮地層之應力部份，不考慮地層之
變位。因此在開挖基地須要嚴格限制變位量時，其安全要求應提高。
換言之，縱能符合穩定性之最低安全要求時，亦未必能達到變位量
之安全要求。通常開挖土層之穩定性愈高或安全係數愈大，其變位
量即愈小。

擋土壁貫入深度

擋土壁應有足夠之貫入深度，使其於兩側之側向壓力作用下，具
足夠之穩定性。擋土壁之貫入深度D，可依下列公式計算其安全性:

                             擋土設施土壓力平衡

式(8.8-1)
式內
最下階支撐以下之外側作用側壓力（有效土壓力＋水壓力之 淨值）之合力(tf/m)
作用點距最下階支撐之距離(m)
擋土設施結構體之容許彎矩值(tf-m/m)
最下階支撐以下之內側作用側土壓力之合力(tf/m)
作用點距最下階支撐之距離(m)

【解說】
1. 本節係參考日本建築學會之建議，將作用於擋土壁之側向壓力簡化
為主動土壓力及被動土壓力。在此假設前提下，已容許壁體底部出
現變位，以產生極限被動土壓，然而當擋土壁貫入深度足夠時，貫
入部份應有固定不動點存在，此點與上述假設不盡相符。
2. 日本建築學會原建議下列二式：
式(解8.8-1)

式(解8.8-2)

式(8.8-1)將置於分子項，較符合安全係數等於抵抗力除以破壞力之定義。一般在分析時，由於為未知數，亦可忽略不算。

1. 本節適用於開面下為砂土或堅實粘土地層。當開挖較深，或開挖面為軟弱粘土，被動側壓力尚不足抵抗主動側壓力時，即使增加貫入深度，尚無法符合安全要求（廖洪鈞與許世宗，1990），應以地層改良方法加強被動側土壤之強度。
2. 根據一般施工案例之資料顯示，在具高地下水位之基地進行深開挖，目前常用之擋土壁長度（開挖深度H加貫入深度D），可概估如下：
3. 
   極軟弱地層：
   (H+D)=(2.2～2.4)H 式(解8.8-3)
   D=(1.2～1.4)H 式(解8.8-4)

     砂土、粉土、粘土、中等、緊密或硬：
    (H+D)=1.8H 式(解8.8-5)
     D=0.8H 式(解8.8-6)       卵礫石、軟岩：
    (H+D)=(1.4 ~ 1.6)H 式(解8.8-7)
    D=(0.4 ~ 0.6)H 式(解8.8-8)


     底面隆起

開挖底面下方土層係軟弱黏土時，應檢討其抵抗底面隆起之穩定性。可依下列公式計算其安全性:

圖8.8-2 隆起檢討

式(8.8-2)

式內

＝抵抗力矩(tf-m/m)
＝傾覆力矩(tf-m/m)
＝黏土之不排水剪力強度(tf/m²)
=半徑(m)
=開挖底面以上，於擋土設施外側Ｘ寬度範圍內土壤重量與地表上方載重(q)之重量和(tf/m)

【解說】

1. 隆起破壞之發生，係由於開挖面外土壤載重大於開挖底部土壤之抗剪強度，致使土壤產生滑動而導致開挖面底部土壤產生向上拱起之現象。工程上用於檢討隆起之極限分析計算公式有許多，例如Terzaghi and Peck(1948), Peck(1969), Bjerrum and Eide(1965), Tschebotarioff(1973)等，本節式(8.8-2)係採用日本建築學會(1974)之修正式。
2. 本分析方法之滑動面半徑X為變數，應選取其中安全係數為最小者。分析時，除非擋土壁貫入滑動面有相當之深度，否則不考慮擋土壁之容許彎矩值（即式(8.8-1)之），因為當產生隆起破壞時，擋土壁在滑動面以上部份可隨滑動土塊轉動。
3. 當地層為極軟弱粘土時，即使
4. 能達到1.2，仍應考量擋土壁之變位量及擋土壁背之地面沉陷量，若超過容許值，應增加擋土壁之貫入深度或以地層改良方法增加滑動面土壤之剪力強度。

     砂湧

如擋土壁下方為透水性佳之砂質土壤，且擋土壁未貫入不透水層時，即應檢討其抵抗砂湧之安全性。分析方法可用滲流解析方式、臨界水力坡降解析方式、或以下列兩公式分別計算之，擇其中貫入深度最大者為設計依據。

圖8.8-3 砂湧檢討

式(8.8-3) 式(8.8-4)  式內 =砂質土壤之有效單位重(tf/)
　 =擋土設施之貫入深度(m)
=地下水之單位重(tf/)
=擋土設施內外兩側地下水位之水頭差(m)

【解說】

1. 砂湧係指開挖面下為透水性良好之土壤時，由於開挖側抽水使內外部有水頭差而引致滲流現象，當上湧滲流水之壓力大於開挖面底部土壤之有效土重時，滲流水壓力會將開挖面內之土砂湧舉而起，造成破壞。

   
 
 
 
  本節針對砂湧所檢討的方式有二，本節式(8.8-3)係根據Terzaghi滲流解析之理論分析而得，由圖-解8.8-1安全係數定義為 式(解8.8-3) 從Terzaghi的模型試驗結果顯示，發生砂湧的範圍在離鋼板樁D/2之距離內，所以 式(解8.8-4) 式(解8.8-5) 其中取，得 式(解8.8-6) 取為1.5 式(解8.8-7)　

 
本節式(8.8-4)係採臨界水力坡降解析方式分析而得，即安全係數取 式(解8.8-8) 其中 式(解8.8-9) 式(解8.8-10)

圖-解8.8-1 砂湧檢討示意圖

1. 根據「加拿大基礎工程手冊」（1985）指出，對於乾淨砂土(clean sand)之地層，水力坡降i在0.5～0.75之間即足以使開挖工作面不穩定，工人及機械操作困難。解決方法是加深擋土壁，使具有足夠之安全係數。該手冊並列有各類層狀砂土地層之情形，供砂湧安全分析參考。
2. 一般深開挖基地，除因擋土壁貫入深度不足而引起砂湧外，應注意下列原因所引致之砂湧。
3. 基地鑽孔完畢後未封孔
4. 擋土壁大量滲漏，縮減滲流路徑。
5. 中間柱施工不良，回填不實，引致中間柱周邊砂湧。

     上舉

開挖底面下方土層中，如有不透水層且承受壓力水頭者，應檢討開挖過程中此不透水層抵抗上舉破壞之安全性。可依下列公式計算其安全性：

圖8.8-4 上舉水壓力檢討

　 式(8.8-5)  式內 =不透水層底面以上之各土層土壤單位重(tf/m³)
=不透水層底面以上之各土層厚度(m)
=透水層頂部之水壓力(tf/m2)

【解說】

1. 本節式(8.8-5)應用於基地地層有受壓水層之情況，此時，不僅應在地下室開挖施工階段考慮地下水上舉力之影響，而於開始從事類似如連續壁、排樁等之擋土結構施做時，就應考量因受壓水層水壓力之作用即易導致抓掘或鑽掘孔壁的崩塌，影響施工之品質。處理受壓水的方式可設置解壓井以達解壓之目的。
2. 對於短暫之開挖，上舉水壓力應考慮雨天之水位；對永久結構物之上舉水壓力則應採用長期高水位設計。
3. 如不透水層受上舉水壓力影響產生隆起現象，而支撐系統之中間柱座落在此不透水層中時，須要考慮開挖過程中解壓及上舉水壓力所產生之隆升現象，避免使原先水平之支撐系統產生過度垂直變位。

      施工各階段之整體穩定性分析

由擋土壁及支撐設施所構成之擋土結構系統，必須檢討其施工各階段之整體穩定平衡，其安全係數皆須達到8.8.1~8.8.4之要求。

【解說】

1. 完善的支撐開挖設計必須考慮每一施工階段的安全，由於各階段施工皆會對支撐及擋土結構體造成應力重新分配現象，因此對於各階段的開挖深度及支撐位置，甚至基地內、外水位的控制，均須遵循設計圖說之規定；近年來建築物之地下室樓層常有挑高設計，於拆解支撐階段須注意是否有未支撐長度過長導致擋土結構系統受力過大之情形，必要時應加設回撐，以確保各階段施工之安全。
2. 使用逆築工法（或稱逆打工法）進行地下深開挖，是以地下結構物之樓版代替內支撐，由地面逐層向下挖土及興築，各階段之穩定性分析類似順築內撐工法，所不同之處有：
3. 逆打工法中樓版無法施加預力；
4. 樓版在澆置乾縮後，可導致擋土壁產生內擠現象；
5. 開挖至最底層時，須要開挖最底層之樓高及基礎版之厚度，此時擋土壁之無支撐高度最大，所受土壓力及水壓力亦最大，且開挖時間最長，通常此階段之整體穩定性最低，必要時，應用內支撐加以補強。