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1、基礎工程,第二章 地下探測,2.1 緒論,為了設計一個能足夠支撐結構荷重之基礎，必須要瞭解支承基礎的土壤性質。測定某計畫案結構物下方沉積土層及其物理性質之過程，稱之為地下探測(subsurface exploration)，其目的在於能協助大地工程師取得如下之資訊：(1)對一已知的結構物，選擇其合適之基礎型式及深 度。(2)評估基礎之承載力。(3)估計結構物之可能沉陷量。,基礎工程，第二章，第47頁,2.1 緒論,(4)判定潛在之基礎問題（例如：膨脹性土壤、崩潰性 土壤、垃圾堆積土等）。(5)決定地下水位。(6)結構物承受側向土壓力的預估，如擋土牆、板樁牆 及支撐開挖等。(7)地盤改良方法之擬
2、定。,基礎工程，第二章，第47頁,2.2 地下探測計畫,初步資料的蒐集 這一步驟包含取得欲興建之結構物型式及其用途的資料。踏勘 工程師應實地到現場視察，以便取得下列資料：1.現地之一般地形，是否有排水溝、廢垃圾堆或 其他材料之存在。同時，如邊坡有潛變(creep)跡象以及具有規則間距且深又寬之收縮裂縫等 情況，則可能為膨脹性土壤(expansive soil)之 徵兆。,基礎工程，第二章，第48頁,2.2 地下探測計畫,2.深開挖之土壤層次 3.現地植物型態有時可顯示出土壤之特性。4.從附近的建築物與橋台，可檢視得知高水位之 痕跡。5.從附近之水井可探得地下水位線。6.附近建築型式、牆壁中存在
3、之裂縫或其他問題。現地調查 探測計畫之現地調查工作，包括：規劃、試鑽以及在預定間距採取鑽孔內之土樣，以便日後之觀測以及試驗之用。,基礎工程，第二章，第48頁,2.2 地下探測計畫,為粗估鑽孔之最小深度，工程師可使用美國土木工程學會(ASCE,1972)所建立的規則：1.如圖2.1所示，決定基礎下方，隨深度變化之淨應 力增量 的大小(估計應力增量之一般方程式 詳見第三章)。2.估計隨深度變化之垂直有效應力o之大小。3.找出有效應力增量()等於(1/10)q時之深度D=D1(q=估計作用於基礎之淨應力)。4.決定/o=0.05時之深度D=D2。5.除了碰到岩盤外，深度D1與D2中之較小者，即為 鑽
4、探孔所須的最小近似深度。,基礎工程，第二章，第48頁,2.2 地下探測計畫,基礎工程，第二章，第49頁,2.2 地下探測計畫,若使用上述原則，根據Sowers和Sowers(1970)的建議，一棟30m寬的建築物，鑽探深度可近似如下：至於，醫院及辦公大樓，Sowers和Sowers亦曾使用下列原則決定鑽孔深度：及,基礎工程，第二章，第49頁,Db=鑽孔之深度(m)；S=樓層數。,2.2 地下探測計畫,如進行深開挖時，則鑽孔深度最少需為開挖深度之1.5倍。有時基礎載重可能需直接傳遞至岩盤，則鑽探孔最小深度為岩盤下3m，若岩盤為不規則或已風化，則 鑽孔深度須再深入。表2.1列出一般鑽孔間距的準則，
5、這些間距可視地下土壤的情況而增減。如果各種土層大致均勻且可預 測，則鑽孔數目可較不均勻土層來得少。,基礎工程，第二章，第49頁,2.2 地下探測計畫,土壤鑽探則有幾種方式，包括：螺旋式鑽探(auger boring)、水洗式鑽探(wash boring)、衝擊式鑽孔(percussion drilling)以及旋轉式鑽探(rotary drilling)等方式。,基礎工程，第二章，第49.50頁,2.3 現場探測鑽探,螺旋式鑽探為一最簡單之探測鑽孔方法。圖2.2顯示兩種手動螺旋鑽：螺旋手鑽(posthole auger)和螺旋鑽(helical auger),基礎工程，第二章，第50頁,2.3
6、 現場探測鑽探,鑽孔時，鑽管頂端接上一切土頭(cutter head)，如圖2.3所示。鑽孔進行時，鑽桿被一節一節地接裝上去，並漸漸鑽入土層中(如圖2.4)，而鑽翼則將鑽孔底部之鬆土帶至地面。在鑽探過程中，鑽孔者可藉注意鑽桿速率及聲音而察覺其土層內之變化。至於，當以實心桿操作時，應在固定時間抽出鑽桿採取土樣，並進行如標準貫入試驗(standard penetration test)之操作；而以空心桿鑽孔時，則不需如實心桿般時常抽出鑽桿以便取土樣或進行其他試驗，此為其明顯之優點。,基礎工程，第二章，第51頁,2.3 現場探測鑽探,基礎工程，第二章，第51頁,2.3 現場探測鑽探,基礎工程，第二章
7、，第52頁,2.3 現場探測鑽探,水洗鑽探法為另一種鑽孔方式，此方式係將2至3m長之套管打入地下，套管內之土壤可藉附著於鑽桿之鑿頭(chopping bit)加以清除，水經由鑽桿進入下方，並以高速由鑽頭底部的孔噴出(如圖2.6)；水和被掘削的土壤顆粒在鑽孔內往上流動，且在套管頂端經由一T形管溢流，並由地面之容器所蒐集。,基礎工程，第二章，第52頁,2.3 現場探測鑽探,基礎工程，第二章，第53頁,2.3 現場探測鑽探,旋轉式鑽探為藉由附著於鑽桿底部快速旋轉之鑽頭，將鑽孔底部的土壤切割或磨成較小顆粒，進而深入土層之鑽探方式。其鑽頭有數種型式，可適用於砂土、黏土或岩石(破碎嚴重者例外)，水或鑽掘的
8、泥漿由鑽桿流至鑽頭，而回流液則將土渣帶至地表面。鑽孔直徑在50至200mm之間者，皆可輕易地借由此方法達成。衝擊式鑽孔為一種替代性的鑽探方式，特別是在遇到堅硬土層或岩盤時。此種方法係利用一重型的鑽頭上、下撞擊堅硬土層，破碎之土粒再由循環之水流攜出，而衝擊式鑽孔有時亦需使用套管配合作。,基礎工程，第二章，第52.53頁,2.4 土壤取樣之程序,在地下探測中，可取得擾動(disturbed)與不擾動(undisturbed)兩種土樣，而具有代表性的擾動土樣，通常可用來進行下列各項實驗室試驗：1.粒徑分析。2.液性與塑性限度之決定。3.土壤固體之比重。4.有機含量的決定。5.土壤分類。但擾動性之土樣
9、不能用來進行壓密、滲透性或剪力強度等試驗，而須以不擾動土樣進行試驗。,基礎工程，第二章，第53頁,劈管取樣(split-spoon sampling),以劈管取樣器在現地取得之土壤為一擾動土樣，但仍然具有代表性。圖2.7(a)為標準劈管取樣器之斷面圖，其組成包含鋼製鑽刃、縱向分成兩半之鋼管以及頂部之接頭，而接頭則連接取樣器至鑽桿上。,基礎工程，第二章，第54.55頁,劈管取樣(split-spoon sampling),當達預定之鑽探深度時，取下鑽頭並將取樣器置於鑽孔底部，鑽桿頂端以鎚子打擊，將取樣器貫入土中。鎚之標準重為622.72N，且每次打擊鎚的落高為0.762m。記錄取樣器貫入152.
10、4mm三次所需之打擊數，累加最後兩次所需之打擊數，即為該深度之標準貫入次數(standard penetration number)，通常又稱為N值(ASTM，2001，編號D-1586-99)。,基礎工程，第二章，第54頁,劈管取樣(split-spoon sampling),此現地之試驗過程，則稱之為標準貫入試驗(SPT)。土樣之擾動程度，通常可以下式表示之：劈管土樣通常每隔1.5m進行一次，當現地之土樣為砂土時(特別是位於地下水位以下之細砂)，劈管取樣器對土樣之採集將較為困難，此時可在劈管內加一彈簧取樣器(spring core catcher)如圖2.7(b)所示。,基礎工程，第二章，
11、第54頁,(2.3)式,AR=面積比(擾動面積對土壤總面積之比)；Do=取樣管的外徑；Di=取樣管內徑。當面積比小於或等於10%時，此土壤通常可視為不擾動。,劈管取樣(split-spoon sampling),基於現場觀察的結果，將現場貫入數的大小視為取樣器進入四周土壤時所需貫入能量和耗損的函數，將可呈現一合理的關係，或者有關H、B、S和R的變化，依據Seed等人(1985)以及Skempton(1986)的建議，則摘錄於表2.2中。,基礎工程，第二章，第55頁,(2.4)式,N60=現地情況為60%平均能量比時之修正N值；N=現地量測的貫入數；H=落鎚效率（%）；B=孔徑之修正；S=取樣器
12、之修正；R=桿長之修正。,基礎工程，第二章，第56頁,劈管取樣(split-spoon sampling),除了能讓大地工程師採集土樣外，標準貫入試驗可提供幾個有用的相關資料。例如，黏性土壤之稠度(consistency)常可由N60值估計之，如表2.3所示。,基礎工程，第二章，第55頁,劈管取樣(split-spoon sampling),亦提出很多有關標準貫入數和黏土不排水剪力強度cu之間的關係。根據非靈敏性黏土不排水三軸試驗的結果，Stroud(1974)則建議下列公式：對於天然沉積黏土的過壓密比OCR，亦可表為標準貫入數的關係式。Mayne和Kemper(1988)曾根據110個數據點
13、迴歸分析的結果，獲得如下的關係式：,基礎工程，第二章，第56頁,(2.5)式,K=常數=3.526.5kN/m2；N60=現場所得的標準貫入數。,(2.6)式,o=以MN/m2為單位的有效垂直應力。,劈管取樣(split-spoon sampling),就粒狀土壤而言，N值受有效覆土壓力o之影響。因此，於不同的有效覆土壓力下所測得之現地探測N60值，必須修正至o之標準值，即：修正的標準貫入數和砂土相對密度之間的近似關係，則可如表2.4所示。,基礎工程，第二章，第56頁,(2.5)式,(N1)60=於o為100kN/m2時之修正N60值；CN=修正因素；N60=由現地探測所得之N值公式(2.4)
14、。,劈管取樣(split-spoon sampling),基礎工程，第二章，第57頁,Marcuson和Bieganousky(1977)曾多方面地進行研究，並提出下列之經驗式：,(2.10)式,Dr=相對密度；N60=現場標準貫入數；o=有效覆土壓力(kN/m2)；Cu=砂土之均勻係數。,劈管取樣(split-spoon sampling),基礎工程，第二章，第57頁,Cubrinovski和Ishihara(1999)亦對N60和砂土的相對密度Dr提出下列之建議：,(2.10)式,pa=大氣壓力(100kN/m2)；D50=土壤通過百分比為50%時所對應的粒徑(mm)。,劈管取樣(spli
15、t-spoon sampling),基礎工程，第二章，第58頁,有關粒狀土壤尖峰摩擦角和N60或(N1)60的關係：1.Peck、Hanson和Thornburn(1974)提出(N1)60和 間的關聯圖形，可近似地表為(Wolff，1989)：2.Schmertmann(1975)提出N60、o和間的關 係，其數學式可近似地表為(Kulhawy和Mayne，1990)：,(2.12)式,(2.12)式,劈管取樣(split-spoon sampling),薄管（thin-walled tube）,薄管有時稱為取樣薄管(Shelby tube)，其通常由無縫鋼管製成且多用於不擾動黏性土壤的取樣
16、。大部分使用的薄管取樣器，其外徑為50.8mm和76.2mm兩種，且薄管底端被削尖。薄管可與鑽桿連接如圖2.8(a)，取樣薄管連接於鑽桿並放入鑽孔底部後，將其壓入土中，最後再將內含土樣的薄管取出，兩端密封後送至實驗室進行試驗。,基礎工程，第二章，第58.59頁,活塞取樣器（piston sampler）,當不擾動土樣非常軟或直徑大於76.2mm時，土樣可能會掉出取樣管外，此時則以活塞取樣器較為適用。其有數種型式，以Osterberg(1952)所建議之樣式最便利參見圖2.8(b)和2.8(c)，構造為一配有活塞之薄管,基礎工程，第二章，第58.59頁,2.5 地下水位的觀測,在具有高滲透性之土
17、壤中，地下水位在鑽孔完成後約24小時可達到穩定，而其深度則可藉由鐵鏈或皮尺插入鑽孔中加以測得。至於，在高度不透水的土層中，鑽孔中之地下水位可能無法於數週內達到穩定，此時可用水壓計(piezometer)，以測得準確的地下水位。,基礎工程，第二章，第60頁,水壓計在鑽孔中的布置情形，則如圖2.9所示。此過程將可進行定期的量測，直到水位達穩定為止。,基礎工程，第二章，第60頁,2.5 地下水位的觀測,2.5 十字片剪力試驗(vane shear test),十字片剪力試驗(ASTM D-2573)為一可於鑽孔過程中，直接量測黏土現地不排水剪力強度(cu)之試驗，特別是軟弱的黏土。十字片剪力儀係由一
18、直桿及其底部的四片刀片所構成，如圖2.10所示，十字片的高度H則為直徑D的兩倍,基礎工程，第二章，第60.61頁,基礎工程，第二章，第62頁,由現場十字片剪力試驗所獲得的不排水剪力強度值cu(VST)通常過高，因此，為了實際設計上的需求，建議依照下列方程式進行修正：幾個有關修正因素值的關係式早已被提出，較常採用者如下：Bjerrum(1972)：,=修正因素,2.5 十字片剪力試驗(vane shear test),2.6 十字片剪力試驗(vane shear test),基礎工程，第二章，第62頁,由現場十字片剪力試驗所獲得的不排水剪力強度值cu(VST)通常過高，因此，為了實際設計上的需求
19、，建議依照下列方程式進行修正：幾個有關修正因素值的關係式早已被提出，較常採用者如下：Bjerrum(1972)：,=修正因素,2.6 十字片剪力試驗(vane shear test),基礎工程，第二章，第62.63頁,Morris和Williams(1994)：Aas等人(1986)：,(2.20)式,(2.21)式,(2.22)式,2.6 十字片剪力試驗(vane shear test),基礎工程，第二章，第63頁,2.6 十字片剪力試驗(vane shear test),基礎工程，第二章，第63頁,Mayne和Mitchell(1988)曾利用343筆資料推導出下列之經驗式，用以估算一天然
20、沉積黏土的預壓密壓力及過壓密比：以及,(2.23)式,c=預壓密壓力(kN/m2)；Cu(現地)=現地十字片剪力強度(kN/m2),(2.24)式,0=有效覆土壓力,(2.25)式,PI=塑性數,2.7圓錐貫入試驗(cone penetration test),基礎工程，第二章，第64頁,圓錐貫入試驗(CPT)最初稱之為荷蘭式圓錐貫入試驗(Dutch cone penetration test)，係一種多功能的探測方法，可使用以決定土壤剖面材料並估算其工程性質。此試驗又稱為靜力貫入試驗(static penetration test)，不需鑽孔即可進行，其原始的樣式係將底面積10cm2之60圓
21、錐，以20mm/sec的穩定速度壓入土層中，然後量測其貫入阻抗(稱為錐尖阻抗)。,(2.25)式,2.7圓錐貫入試驗(cone penetration test),基礎工程，第二章，第64頁,通常，有兩種型式的貫入儀用以量測qc和fc值：1.機械式摩擦圓錐貫入試驗儀(如圖2.12)2.電子式摩擦圓錐貫入儀(如圖2.3)圖2.14所示即為一機械式摩擦圓錐貫入儀在一土層剖面之量測結果。進行探測計畫時，由圓錐貫入試驗所獲得的錐尖阻抗qc和摩擦比Fr值，已發展成幾個有用的關係式以用來估算土壤之性質，其中摩擦比定義如下：,(2.26)式,2.7圓錐貫入試驗(cone penetration test),
22、基礎工程，第二章，第65頁,2.7圓錐貫入試驗(cone penetration test),基礎工程，第二章，第65頁,砂土相對密度Dr和qc之關係,基礎工程，第二章，第64頁,Kulhawy和Mayne(1990)建議Dr、qc和有效垂直應力0之間的關聯性，可以下列之關係式表示：,(2.27)式,OCR=過壓密比；pa=大氣壓力；Qc=壓縮因素，其值建議如下：高壓縮性砂土=0.91、中度壓縮性砂土=1.0、低壓縮性砂土=1.09。,砂土排水摩擦角和qc之關係,基礎工程，第二章，第66頁,Robertson和Campanella(1983)曾依據實驗上的結果，建議正常壓密石英砂Dr、0和之間
23、的變化，此關係式可表為(Kulhawy和Mayne，1990)：,(2.28)式,土壤類型間的相互關係,基礎工程，第二章，第66.67頁,Robertson和Campanella(1983)提供一利用qc和摩擦比公式(2.26)間的關係以確認現地土壤的不同類型，如圖2.15所示。,黏土不排水剪力強度cu、預壓密壓力C、過壓密比OCR和qc之關係,基礎工程，第二章，第67頁,根據Mayne和Kemper(1988)的建議，有關黏性土壤不排水凝聚力cu、預壓密壓力C和過壓密比間可藉由下列方程式表示：或,(2.29)式,(2.30)式,NK=承載力因素(對於電子式圓錐，NK=15；對於機械式圓錐，N
24、K=20)；0=總垂直應力；0=有效垂直應力。,基礎工程，第二章，第68頁,至於，使用在公式(2.30)中的cu、0、0和qc之單位必須統一，意即：及,(2.32)式,0和0=分別為總應力及有效應力。,(2.31)式,黏土不排水剪力強度cu、預壓密壓力C、過壓密比OCR和qc之關係,2.8 岩心取樣,為了取得岩心，以一岩心管(core barrel)銜接鑽桿，而於岩心管底部連接一岩心鑽頭(coring bit)(如圖2.17)。,基礎工程，第二章，第68頁,2.8 岩心取樣,表2.6概略列出適合基礎地下探測之不同型式的岩心管及鑽桿之各種尺寸。,基礎工程，第二章，第68頁,有兩種岩心管較為常用，
25、即：單岩心管(single-tube core barrel)圖2.17(a)和雙管岩心管(double-tube core barrel)圖2.17(b)。當岩心回收後，其回收的深度應予記錄，以便在實驗室中做進一步的評估。以每次鑽探之岩心回收長度為基礎，可計算下列數值以評估岩石的品質。,基礎工程，第二章，第68.69頁,(2.33)式,(2.34)式,2.8 岩心取樣,由岩心之回收率可表示完整岩石(intact rock)之品質，對高度破碎的岩石，其回收率可能為0.5或更小，表2.7為RQD與現地岩石品質之一般關係(Deere,1963)。,基礎工程，第二章，第69.70頁,2.8 岩心取樣
26、,2.9 鑽孔柱狀圖之繪製,將每一鑽探孔所得的詳細資料蒐集起來，繪製成一圖面，即稱之為鑽孔柱狀圖(boring log)，隨著鑽孔深度之增加，鑽探人員須記錄出下列各項資料在標準柱狀圖中。1.鑽探公司的名稱和地址。2.鑽探者的姓名。3.工作描述和編號。4.鑽孔的數目、型式及位置。5.鑽探日期。,基礎工程，第二章，第70頁,6.地下土層的層理，可藉由螺旋鑽探、劈管取樣器 和薄管取樣器之試體，直接目視觀察而得。7.地下水位線的高程與觀測日期，可利用套管和泥 水損耗等方式求得。8.標準貫入阻抗的次數和深度。9.所採取的土樣數目、型式和深度。10.如為岩心取樣時，則須詳細地記錄所使用的岩心 管型式、每一
27、次鑽探取樣之實際長度、岩心回收 長度以及RQD值。,基礎工程，第二章，第70頁,2.9 鑽孔柱狀圖之繪製,2.10 土壤鑽探報告,在所有地下探測計畫完工之後，所有由現地採集的土壤或岩石試體，必須經過目視觀察或適當的實驗室試驗(基本的土壤試驗已於第一章中介紹)。待所需的資料都已適當的編整後，則必須準備一份土壤鑽探報告以供設計部門及日後建築物施工時之參考。,基礎工程，第二章，第70頁,2.10 土壤鑽探報告,基礎工程，第二章，第71頁,習題,2.1 一薄管取樣器之內徑與外徑分別為111mm和 114mm，試決定其面積比。2.2 一沉積的飽和黏土層，已知下列資料：對於此黏土層，試利用公式(2.5)與
28、(2.6)其中公 式(2.5)中的K6kN/m2求：(a)估算不排水剪力 強度cu隨深度之變化；以及(b)估算平均的過壓 密比OCR。,習題,2.3 已知一黏土層某一深度之標準貫入數N60=11，試利用公式(2.5)且其K=6.5kN/m2，估算其無圍 壓縮強度。2.4 一沉積乾燥砂土之現地標準貫入數N60如下所示，已知其=18.2kN/m3，試使用公式(2.9)之 Skempton修正因素，決定(N1)60隨深度之變化。2.5 如習題2.4所描述的沉積性砂土，試使用公式(2.13)估算其平均摩擦角。,習題,2.6 一沿著土層剖面變化之標準貫入數N60，如圖P2.6 所示，試利用Liao和Wh
29、itman修正因素CN及公式(2.12)以決定 的變化。,習題,2.7 下表顯示一由現地沉積砂性土壤所獲得之標準貫 入數：試利用公式(2.13)決定尖峰土壤摩擦角的變化，同時估算淺基礎設計時所需的平均 值。注意：土層深度大於6m，且其土壤單位重為18.6kN/m3,習題,2.8 一沉積砂土之詳細資料如下表所示：假設砂土之均勻係數Cu=3.2，試利用公式(2.10)估 算砂土在3m到6m之間的平均相對密度。2.9 於一飽和黏土中進行十字片剪力試驗，十字片儀之 高度和直徑分別為101.6mm和50.8mm，且在試驗 期間，作用其上的最大轉矩為0.025N.m，試決定此 黏土之不排水剪力強度。,習題,2.10 一正常壓密之沉積性乾燥砂土，進行圓錐貫入試 驗，並獲得如下表之結果：假設砂土之乾單位重為16kN/m3，試使用公式(2.28)估算砂土的平均尖峰摩擦角。,習題,2.11 在一黏土層中，已知地下水位在地表面下3m深之 處，地下水位以上和以下土壤的單位重分別為 17.8kN/m3和19.6kN/m3，地表下9m深處之圓錐 貫入阻抗(電子式摩擦圓錐)值為0.82MN/m2。試 求：a.決定不排水凝聚力cu。b.求出過壓密比OCR。2.12 一現地探測計畫期間須進行岩心取樣，岩心管已 深入岩層1.5m，且岩心的回收長度為0.98m，則 其回收率為多少？,
