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建築物基礎構造設計規範

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第八章 基礎開挖

8.1 通則

基礎開挖之設計,為確保開挖時基地內及其鄰近範圍之安全,須依照第三章之各項規定進行基地調查,其中應特別調查下列各項重點,以為設計防護措施之依據:
    1. 鄰近構造物之狀況及其基礎型式。
    2. 鄰近地下構造物及設施之位置及構造型式。
    3. 基地底下是否含有地下障礙物。
【解說】
  1. 基礎開挖時所引致的擋土結構體側向位移及地表沉陷,可能影響鄰近構造物的結構安全,其影響程度因鄰近構造物的強度、離基地開挖面的距離及其基礎的型式、大小、深度等而有所差異。
  2. 基礎或道路開挖常會遭遇到箱涵、管線、舊建物基礎等地下障礙物,尤其是公共管線,處理工作至為繁雜費時,卻常為規劃設計者所忽略,以致工程發包開工後常有意外狀況之發生,不但影響工程之進行,甚至常造成安全上的問題;因此於開挖前,應事先詳細調查地下障礙物之有無、種類、位置、形狀等,再決定處理方式。處理方式於開挖前先做好管線遷移,無法遷移者則於開挖施工中施以吊掛保護並採補強措施等。

8.2 安全措施

基礎開挖必須依照建築技術規則建築設計施工編及本章之各項規定設置適當之開挖及擋土安全措施,並應符合相關法令之要求。
【解說】
  1. 基礎開挖安全之目標,狹義的解釋為工程本體不發生安全問題,廣義的解釋為本體工程安全外,鄰產亦能保持安全,例如開挖工地鄰近道路,房子不產生沉陷、龜裂、傾斜;排水、交通不受影響、各類管線保持完好等基本要求。因此開挖工程之設計,除依據力學學理分析外,亦須考量工程本體及鄰近地層整體之變位量
  2. 基礎工址及鄰近地層因開挖解壓而產生變位,包括沉陷、隆起、水平位移等,其變位影響範圍視土層類別、土層強度、開挖深度、開挖方法及擋土方法等而定。當鄰近結構物或管線座落在變位影響範圍內,即可能被波及。鄰近結構物依其結構強度及基礎型式,通常可容許一定量之變位量及變形量,尚不致產生損壞,目前文獻上(例如:Bjerrum, 1963; Fang,1991等)多依構造類別及基礎型式列舉,此類容許變位量較適用於新建結構物。對於老舊結構物,因使用與維護上不同,興建後迄今已發生之變位量若無紀錄可循,則其容許變位量在「消耗」後之殘餘量為不可知。當鄰地開挖引致變形量超出可允許之殘餘量時,即造成結構物損壞。因此,開挖設計時,應調查鄰近結構物之現況,評估其允許殘餘變位量。
  3. 開挖設計時,對於鄰地埋設有壓力管線時,尤應慎重。壓力油管與瓦斯管受損後,易引致火災,造成二次災害。高壓水管滲漏則可能淘空地層,導致開挖工地全面坍垮。

8.3 地下水位控制

基礎開挖深度在地下水位以下時,應設置水位控制設施,以確保開挖作業之安全。

水位控制方法須依據地層之地下水位、透水性、水量、及是否含有受壓水層等進行規劃,必要時應實施現場抽水試驗,以決定該地層之適用方法。

降水設計必須考慮對周圍環境之影響,並適度防止土壤流失及地層變形,避免因水位下降而造成鄰地塌陷或鄰房損害,必要時應採取截水、補注地下水或鄰房保護等輔助措施防護之。

【解說】
  1. 基地開挖面若在地下水位之下,為了使開挖面或邊坡保持穩定狀態,以及工作面保持乾燥便於施工作業,一般均將地下水位降至開挖面下1∼2公尺。降低地下水位所用方法,視開挖方式、含水層透水性及土層性質而定。常用方法有:
  2. 重力式排水:以集水坑或集水井集水後,以抽水泵浦排出基地。
  3. 裝置一排或數排小口徑點井:點井直徑50∼60厘米,開口長度為0.5∼1.0公尺,每點井間隔約1∼3公尺,點井上接豎管及集水幹管,使用抽水泵浦抽出地下水降低水位,參見圖-解8.3-1所示,若使用多段式(multi-stage)降水,每段之高差不超過5公尺,如圖-解8.3-2所示。
  4. 鑽掘抽水深井,井內填塞濾料及安裝沉水式泵浦抽水。深井亦可設計成單排或數排。必要時,亦可用多段式。

  5. 真空抽水井:利用真空泵浦抽水,最高降水約可達6m。 

圖-解8.3-1 點井工法示意圖

圖-解8.3-2 多階段降低地下水位法示意圖

  1. 各類土層,依其透水性高低,適用之降水方法列如表-解8.3-1。

表-解8.3-1 各類土層之滲透係數及適用之降水方法

       
      含水層 滲透係數(cm/sec) 降水方法
      卵礫石層 > 1×10-1 重力排水
      水中開挖(不降水)
      粗砂至中砂 1×10-1∼1×10-3 重力排水、深井、點井、
      真空抽水井
      細砂、粉土、粘土 1×10-3∼1×10-5 深井、點井、真空抽水井
      粘土 <1×10-5 電滲法或不降水
  1. 採用明挖方法施工之工地,重力排水之滲出量,可用達西定律概估其單位時間之滲流量Q
    式(解8.3-1)
   =流量(cm3/sec)
   =含水層之滲透係數(cm/sec)
   =水力坡降
   =水頭差(cm)
   L=滲流長度(cm)
   =滲流斷面積(cm2)
  1. 採用擋土式開挖之工地,假設擋土措施水密性良好,但尚未貫入不透水層,如圖-解8.3-3,從開挖面之滲出量,可用下式概估其單位時間之滲流量。若須較精確之估算,可依地層之分佈,繪畫流線網計算之。
    式(解8.3-2)
式內
   =流量(cm3/sec)
   =含水層之垂直向滲透係數(cm/sec)
   =開挖面之水平面積(cm2)
   =開挖基地內外水頭差(cm)
   =基地外側滲流長度(cm)
   =基地內側滲流長度(cm)

圖-解8.3-3 開挖面滲流計算符號說明圖

  1. 當進行以抽水井降水時,抽水量乃依水井外緣水位(抽水後)、井徑及含水層之透水性而定。抽水至平衡狀態,地下水位以該井為中心呈倒圓錐形下降(cone of depression),其水位下降之影響半徑R,可用下式估算之:
    式(解8.3-3)
其中=影響半徑(m)
   s=水井外緣水位下降量(m)
   k=含水層之滲透係數(m/sec)
若依含水層之土壤類別判斷,降水之影響半徑概估如表-解8.3-2所示。

表-解8.3-2 各類土壤之粒徑及抽水影響半徑

       
      土壤類別
      粒徑,d(mm)
      影響半徑,R(m)
      卵礫石 10 1500
      中至細 1∼10 400∼1500
      粗砂,中砂 0.25∼1 100∼400
      細砂 0.05∼0.25 10∼100
      粉土質砂 0.025∼0.05 5∼10
  1. 當數個抽水井同時進行抽水時,若水下降影響範圍相交疊,交疊部份水位最終下降量為各井在相交疊部份下降量之和。
  2. 地下水位下降後,土層之有效應力增加,對具有高壓縮性粘土地層,可引起地層沉陷。另外,地下水位下降,對於原水位下之結構物例如地下室筏基等,浮力減少,結構物內應力改變,地層應力增加,亦可能引起結構物沉陷。 

8.4 邊坡式開挖

8.4.1 適用範圍

基地開挖若採用邊坡式開挖,其基地狀況通常必須具有下列各項條件,但對高地下水位且透水性良好之砂質地層,並不適宜。
  1. 基地為一般平地地形。
  2. 基地周圍地質狀況不具有地質弱帶。
  3. 基地地質不屬於疏鬆或軟弱地層。
【解說】
本節所定義之邊坡式開挖即所謂的明挖斜坡施工法,當基地周圍無緊鄰之建築物或設施、具有足夠之空間可設置邊坡時,若基地地質狀況良好且不具有地質弱帶者(岩層面,節理面,斷層,剪裂面等),可考慮採用邊坡式開挖方式進行基礎開挖。

疏鬆之砂土層邊坡極易因雨水沖蝕而流失。軟弱地層之邊坡式開挖,開挖區外圍常因邊坡蠕動潛變而下陷。

8.4.2 邊坡穩定分析考慮因素

基地開挖若採用邊坡式開挖,所開挖邊坡之穩定分析應就以下因素作適當考慮:
  1. 正常及暴雨期間地下水位之影響。
  2. 施工期間之地表上方超載重。
  3. 施工期間可能發生之地震影響。
  4. 施工期間之地表逕流,可能產生之沖刷影響。
  5. 開挖對周圍環境之影響。
【解說】
  1. 施工期間因雨水滲入地下,將造成地下水位升高,增加對邊坡作用力;地表逕流也將對邊坡造成沖刷作用,影響邊坡穩定及施工安全。因此在決定採用邊坡開挖方式施工前必須在基地周圍做好完善的排水系統,有效截流雨水;至於防止地表逕流所可能產生的沖刷破壞,則可於坡面進行覆蓋或噴漿保護之。
  2. 邊坡式開挖之施工法,開挖完成後,在無任何支撐系統保護下,施工人員於開挖面上構築,必須特別注重施工安全。於設計開挖邊坡坡度、分階高度及土堤寬度應盡量保守分析,而施工期間可能發生的地震、車輛或施工機具載重均須納入考慮。
  3. 邊坡穩定分析方法大致分成兩類:(1)有效應力分析方法-適用於無地下水或確知地下水壓之邊坡。(2)總應力分析方法-適用於地下水壓不明確之邊坡。
依邊坡土層之性質不同,例如砂質土、粘質土、兼具凝聚力及內摩擦力之(c-φ)土,其滑動模式可分為邊坡滑動、底部滑動、圓弧狀及非圓弧狀滑動等,各種分析方法可參見Terzaghi, Peck and Mesri (1996), Bishop(1955), Janbu(1954), Morgenstern and Price(1965)等。
  1. 過壓密粘土(含泥岩,頁岩)邊坡在開挖後,其剪力強度可因解壓而逐漸降低,因此,其穩定分析及坡度設計時,應以殘餘強度(residual strength)為宜。又此類粘土極易吸水軟化,坡面應有適當防水措施。
  2. 邊坡穩定分析之傳統方法,考慮土壤之塑性平衡,以滑動面之剪力強度抵抗邊坡滑動力量,決定其安全係數。對於邊坡及其周圍之變形量,卻無法分析。因此在考慮開挖邊坡可能對周圍環境影響時,其設計之安全係數,宜採保守,或以有限元素數值分析法分析其變形量。

8.5 擋土式開挖

基礎開挖時,若無法以邊坡式開挖維護開挖安全,則基地周圍應以合適的擋土設施保護之。
【解說】
  1. 選擇擋土設施時,一般考慮其施工難易、水密性及其剛性,目前國內開挖基地常用之擋土設施如表-解8.5-1所示。
表-解8.5-1 國內開挖基地常用之擋土設施
 
擋土方法 施工方法 適用地層 優點 缺點
兵樁

(包括鋼軌、H型鋼)

打擊式;
震動式;
油壓貫入;
預鑽孔
堅實粘土層;
開挖深度<8m
施工簡單;
便宜;
可重覆使用;
位置調整容易
須要降水;
垂直度差;
背側沉陷量大;拔除後常留下空洞
鋼鈑樁 震動式;
打擊式;
油壓貫入
軟弱土層;
開挖深度<8m
水密性良好;
可重覆使用;
品質控制容易
施工易有噪音及震動;
變形量大;
背側沉陷量大(施工中及拔除後)
預壘排樁 空幹螺旋鑽 軟弱土層;
開挖深度<10m
施工簡單;
便宜;
快捷
水密性不良;
垂直度差;
不超過15m長度
鑽掘排樁 衝擊式;
鑽掘-無套管
鑽掘-有套管
各類土層;
卵礫塊石地層較不宜;
開挖深度<15m
剛性良好 水密性不良;
垂直度差;
昂貴;
用地較多
手掘式沉箱 人工挖掘 卵礫塊石地層;
開挖深度<15m
無噪音及震動;
剛性良好;
可多組人員同時施工
昂貴;
安全性差;
工作條件差;
須要降水配合
連續壁 抓斗式;
反循環式
各類土層;
卵礫塊石地層較不宜;
開挖深度不限
噪音量低;
無震動;
剛性良好;
水密性較好;
可用作永久
昂貴;
技術要求較高;
用地較多

8.6 擋土設施設計考慮因素

擋土設施之設計至少應考慮下列因素:
  1. 基地地質特性及擋土設施型式。
  2. 地下結構物之構築方式。
  3. 擋土設施之材料強度。
  4. 擋土設施之水密性。
  5. 擋土結構系統之勁度及變位對周圍環境之影響。
  6. 基地開挖過程中各階段開挖面之穩定性。
  7. 擋土設施與支撐之施工程序、時機及預力。
  8. 擋土設施基本上應為臨時結構物;但若作為永久結構物時,其設計應符合建築技術規則建築構造編各相關章節之規定,並應對施工期間各構件所產生之殘餘應力作適當考慮。
【解說】
  1. 地下結構物之構築方式可分為
  2. 順築工法(亦稱順打工法)-其施築順序為
  3. 擋土結構體構築
  4. 安裝中間柱
  5. 第一次開挖(移除表層土1∼2m)
  6. 安裝最上層支撐
  7. 第二次開挖(表層土以下)
  8. 安裝第二層支撐
  9. 重覆(e)及(f)至開挖完成
  10. 施築基礎底版
  11. 拆除底層支撐
  12. 施築地下室樓版
  13. 重覆支撐拆除及樓版施築至地下室完成。
  14. 逆築工法(亦稱逆打工法)-其施築順序為
  15. 擋土結構體構築
  16. 逆築支柱施築
  17. 第一次開挖(移除表層土)
  18. 施築地下室頂版
  19. 第二次開挖(表層土以下)
  20. 施築地下室樓版
  21. 重覆(e)及(f)至開挖完成
  22. 施築地下室基礎底版
  23. 島式工法-此方法乃結合明挖及內撐工法,其施工順序為
  24. 擋土結構體構築
  25. 開挖地下室中央部份,保留四周戧堤(soil berm)
  26. 構築中央部份結構體至地面
  27. 逐次開挖(削低)戧堤,然後安裝支撐(利用已完成之結構體作反力)
  28. 開挖完成,施築基礎底版
  29. 逐層拆除支撐及施築樓版
  30. 雙順打工法-此方法為近年嘗試新工法,工程界尚未能完全接受,其施工順序為
  31. 擋土結構體構築
  32. 施築擋土扶壁及地下室結構柱
  33. 開挖表層土
  34. 施築地下室頂版(預留出土坑)
  35. 地上結構體施作,同時地下室開挖直至底部
  36. 施築基礎底版,及各層樓版
  37. 地下室一樓結構體與頂版接合(同逆築工法)
  38. 擋土設施之水密性,大致可分成三等級。鋼鈑樁與連續壁屬於水密性良好者;預壘排樁與鑽掘排樁屬於水密性不良者;兵樁及人工沉箱擋土柱屬於水密性極差者。
  39. 鋼鈑樁與連續壁若施工品質不良,排樁若鑽掘過深,均可影響其水密性。一般排樁以相割排列較相切排列有較好之水密性。
  40. 開挖在水位以下之礫石及砂土層,擋土設施之水密性必須良好。粘性土壤除非為極軟弱之流動性軟土,對擋土設施之水密性要求較低。
  41. 擋土結構系統之勁度是指擋土設施之抗彎勁度(flexural stiffness),與擋土設施構材之彈性模數(E)及其斷面慣性矩(I)有關。常用之擋土結構中,以連續壁之勁度最大,排樁次之,而鋼鈑樁及兵樁之勁度則較低。各擋土結構若採用同樣之支點間距,勁度較高之擋土結構體,在相同之側向壓力作用下,其撓度較小,可限制土壤之變形量,因此所造成之地面沉陷量亦較小。
  42. 由於地下構造物構築方法之不同,對擋土設施之支撐方法及時機,自然有所不同。但無論使用何種方法施工,基地開挖之穩定性,必須逐階段分析,以反映實際工地情況。例如以前分析擋土設施之應力時,一度採用連續梁分析法,假設各支承點均在同一平面,並且無位移,此法雖稱簡便,但無法模擬擋土設施隨施工過程逐階受壓力作用而產生變位之現象。
  43. 目前台灣地區之房屋建築中,以連續壁作為臨時擋土設施後兼作地下室永久結構牆之情形相當普遍。開挖過程中,連續壁所承受之所有殘餘應力及變位,均應在永久結構牆設計時預作考慮,此類非可復性應力及變位將影響永久構造物之品質,包括壁面整修、壁體側向擠進彎曲、張力開裂、壁面滲漏及鋼筋鏽蝕等等。連續壁之殘餘應力及變位可用鋼筋應變計與傾度管等儀器量測,因此在連續壁施工前即應將量測儀器先行妥善規劃,所安裝之鋼筋應變計,除可作為施工階段觀測用,亦可兼作長期監測使用。

8.7 支撐設施

8.7.1 型式

基礎開挖若採用擋土式開挖時,應視需要採用支撐設施,以抵抗側壓力並確保施工安全。
支撐設施包含內撐及背拉等型式。
【解說】
  1. 現時建築基地開挖之內撐設施幾乎全部都採用H型鋼,包括水平支撐、中間柱、圍令(亦稱橫擋)及角撐等。以雙向對撐支承擋土壁。圍令放置於擋土壁之托架上。水平支撐雙向之相交點,以中間柱支承。中間柱本身以打擊貫入或以鑽掘樁方式固定在開挖面以下。水平支撐若須施加預力,可安裝油壓千斤頂,同步進行。
  2. 各層水平支撐之間距,以3至4公尺為最普遍,安裝之位置,最好能配合地下室樓版位置,使兩者之施工,各不干擾。
  3. 特殊形狀之基地,例如小型工作井,可用環狀內撐(只有圍令及角撐)。狹長型條狀開挖,可用單向對撐(不用中間柱)。
  4. 斜撐亦為內撐之一種,但效果較差。施加預力時以平版式千斤頂(flat jack)進行。
  5. 逆築工法以樓版及梁柱結構物支承擋土壁,亦應視為內撐設施。其優點是樓版勁度大,全面支承擋土壁。其缺點是混凝土樓版在澆注後會產生乾縮現象,並且無法施加預力。
  6. 背拉設施多採用地錨或岩錨。淺層開挖,亦可用鋼纜索及固定座(dead man),繫杆及錨碇樁等。

8.7.2 設計考慮

支撐設施應足以承受由擋土設施所傳達之荷重,以抑制或減少其變位。所考慮之荷重應包含:
  1. 側向土壓力
  2. 地下水壓力
  3. 地表上方載重
  4. 施工期間之臨時性載重
  5. 地震影響
【解說】
  1. 內撐設施之設計,主要是圍令、水平支撐、角撐、及中間柱之應力分析與斷面設計。由於市面上普遍以H型鋼作為內撐材料,所以分析設計均以鋼結構構件設計,實際現場安裝施工時,一般係圍令(橫擋)斷面尺寸≧水平支撐斷面≧角撐斷面尺寸(徐振煌,1998)。
  2. 圍令係將擋土壁體所承受之側向土壓力、水壓力等予以傳遞至角撐與水平支撐之構材,所需分析之項目包括彎曲應力、剪應力及軸壓應力,在鋼結構上屬於梁柱(beam-column)結構。
  3. 水平支撐主要承受軸向壓力。實際上,現場之水平支撐常受到自重彎曲,溫度效應不均勻(H型鋼上下兩面溫度不同)及可能臨時堆置材料所影響,水平支撐構材應視為承受軸壓力與彎矩之梁柱結構。
  4. 角撐是輔助水平支撐之一種構材,與水平支撐屬同類型之壓縮構材,因此其分析步驟與水平支撐相同。
  5. 中間柱是當開挖面寬度大時,於適當間隔打設之樁柱,用以支承整個支撐系統。
  6. 中間柱所承受之力量包括水平支撐重量及臨時荷重,水平支撐傾斜壓縮力,中間柱自重及由於荷重偏心造成之彎曲力。因此中間柱分析設計包含斷面設計外,並須檢核其入土部份之支承力及拉拔力。

  7. 內撐系統在分析時,通常只考慮力量之平衡,無法兼顧考慮擋土壁在開挖過程中之側向變位、垂直變位、壁體轉動及開挖面隆起致使中間柱上拱等現象,因此斷面設計時宜取較保守之原則。內撐系統之破壞常為突發性,某一支撐挫屈後,其力量立即傳至其鄰近支撐,極可能引起連續性破壞。
  8. 為了使內撐系統有效支承擋土壁之各項作用力,減少擋土壁之側向位移,通常在水平支撐上施加預力,約為設計力量之50%,上層支撐應酌量減低預力以避免擋土壁後土壤上拱,同時上層支撐受溫度效應及臨時荷重等影響較大,預力過高時容易超出容許應力範圍。
  9. 上列水平支撐、角撐、中間柱及圍令等構件之各項應力計算公式,可參見徐振煌(1998)一書。

8.7.3 側向土壓力計算

作用於支撐設施之側向土壓力,應視地層分佈、土壤特性,支撐型式及擋土結構變位而定。
  1. 內撐式支撐設施

  2. 作用於內撐式支撐設施之側向土壓力,可依據彈塑性分析模式所得結果或Terzaghi-Peck之視側壓力分配所得結果,取較大者為設計之土壓力值。
  3. 背拉式支撐設施

  4. 作用於背拉式支撐設施之側向土壓力分佈,通常與主動土壓力分佈情形相似,且接近開挖底部有趨近於靜止土壓力之情形。在計算側向土壓力(P)時,應考量鄰近構造物之位移量而選取主動土壓力及靜止土壓力間之數值計算。若背拉式支撐設施之側向位移量類於內撐式設施時,亦可採用Terzaghi-Peck之視側壓力分佈值。
【解說】
  1. 內撐式支撐設施通常在分層開挖後逐層架設支撐,因而擋土設施之側向變位亦隨開挖之進行而逐漸增加,但擋土設施所受之側向壓力,同時受牆背之土層特性、支撐預力、開挖程序與快慢、支撐架設時程等諸因素影響,使牆背之側向土壓力呈不規則分佈,而與一般擋土牆設計採用之主動土壓力,有明顯之不同。
  2. Peck(1943),Terzaghi與Peck(1967),Peck(1969)根據歐、美、日等地開挖地下鐵隧道之內撐式支撐力量量測結果,反推牆背土壓力呈均勻分佈,其最大壓力包絡線定為視側壓力分佈圖(Apparent Pressure Diagram),在緊密砂土層中為矩形分佈,在粘土層中則呈梯形分佈(圖-解8.7-1)。設計時,各層支撐力可依其垂直及水平間距分攤視側壓力,並將擋土牆視為簡支梁,由支撐為支點支承。
  3. 本法在應用時,必須注意以下條件:

  4. 擋土採用鋼鈑樁、兵樁隔板之類柔性擋土晼A以順打方式開挖及架設支撐;
  5. 開挖探度不超過12m,最好為單一種類土壤;
  6. 砂土層為地下水位以上乾砂層;粘土層則為不排水狀態。粘土層只適用於軟弱至中等硬度,對具裂隙之硬粘土(stiff-fissured clay),視側壓力圖原先訂為臨時性(tentative)土壓力圖,但至今(Terzaghi, Peck and Mesri, 1996),此圖表仍未更改。
  7. 視側壓力分佈圖不適用之地層包括土壤,例如粉土質粘土與粘土質粉土等在台灣最常見之土壤。對於深開挖常用之鋼筋混凝土連續壁及施加較高預力(超過10噸/支撐)之情形,視側壓力分佈圖均無法涵蓋。

圖-解8.7-1 視側壓力分佈圖(Peck,1969)

  1. 對於較深開挖時,擋土結構壁體之變位較大,深層土壤往往已達塑性狀態,土壤與擋土結構之互制行為變化複雜,反應到支撐之反力常會超出視側壓力分配所得之結果,因此在深開挖時,支撐系統之支撐反力亦可依據彈塑性分析所得之支撐反力結果。
  2. 各類彈塑性模式示如圖-解8.7-2與8.7-3。
  3. 利用彈塑性模式分析,可知開挖過程中各階段之壁體變位、彎矩及支撐力量。但此模式中,土層之等值彈簧(即地盤反力係數)卻極難掌握,必須從很多實際工地監測結果中判斷,始能獲得較正確之數值。
  4. 對於地表超載及地下水滲流壓力等,在彈塑性分析模式中應疊加在主動區之土壓力上。
  5. 有關背拉式支撐系統之設計,可參考中國土木水利工程學會(1998)之「地錨設計與施工準則暨解說」。

8.7.4 地下水壓力

若開挖面在地下水位以下,且所選擇之擋土設施具有擋水功能時,則必須考慮擋土設施背側之水壓力作用。
【解說】
  1. 擋土設施背側之水壓力可依其存在狀態分成靜止水壓、動態水壓及滲流水壓。當擋土設施底部貫入不透水地層(k<cm/sec),背側之地下水無法滲入開挖面時,若地下水呈靜止狀態,則考慮背側承受靜止水壓力,在地震作用時,則應考慮額外增加之動態水壓力。當擋土設施底部貫入砂性地層,背側之地下水可經底部流至開挖面時,應考慮地下水在滲流狀態下對背側所產生之滲流壓力。
  2. 若擋土設施貫入深度內之地層為互層,並含有壓力水層,則背側之水壓力應按各層之水壓力分別考慮。

圖-解8.7-2彈塑性分析模式圖之一 

圖-解8.7-3 彈塑性分析模式圖之二 

8.7.5 地表上方載重

 
開挖面附近之結構物重量、交通及其他地表超載均應考慮其對擋土設施所造成之側向壓力,可依第7.3.7節之規定計算之。
【解說】
  1. 所考慮之地表上方載重,可依其型式簡化為點載重﹝如輪胎載重﹞、線載重﹝如牆載重﹞、條形載重﹝如道路或鐵路﹞、均勻載重﹝如筏基載重﹞等。
  2. 車輛載重若有震動作用應考慮衝擊(impact)效應。

8.7.6 施工期間之臨時性載重

施工期間之臨時性載重包括施工材料及施工機具等,其中置於地表面者應視為地表上方載重依第8.7.5節規定計算之,而直接置於支撐設施上者應併入支撐設施之結構分析計算中。
【解說】
直接作用於支撐設施上之載重包括支撐自重、溫度效應、及工作載重等。


8.7.7 地震影響

支撐之設計應就基地位置之地震分區及施工期長短,適當考慮施工期間可能發生之地震,並檢核其安全性。
【解說】
對於開挖支撐之耐震設計應依工程規模及施工期之長短,選取適當之設計地震,可參考圖-解2.4-1台灣地區回歸期475年之地震地表加速度作適當之折減。


8.8 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。 


8.8.1 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:


圖8.8-1 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)
 

    採用上兩式於軟弱地層及高地下水位時,常有安全性過低及變位量過大之情形。考慮近年來台灣深開挖失敗事故頻繁,擋土壁貫入深度不足亦是事故原因之一,因此所採用之安全係數值宜提高。
    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) 

8.8.2 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。
8.8.3 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。

  2.  

     
     
     
     
     

    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。
8.8.4 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。
8.8.5 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。 

8.9 材料強度

8.9.1 容許應力

擋土壁及支撐設施應具有足夠之斷面及材料強度,各構件所承受之最大應力,不得超過其容許應力值。臨時性擋土壁及支撐設施之容許應力值,得較規定之永久性構件容許應力值提高百分二十五;背拉式地錨之容許應力則依第7.3.8節中有關臨時性地錨之規定辦理。
【解說】
目前一般房屋建築物常以連續壁做為基礎開挖時之臨時擋土結構體,於地下結構物完成後,則做為永久擋土結構體;連續壁歷經開挖及支撐之受力過程,常產生相當高的殘餘應力及變形,為保守計,臨時性擋土壁及支撐設施之容許應力值,建議採用永久性構件容許應力值提高百分二十五為宜,惟經評估分析對建築物無不利影響者,可酌以提高。

8.9.2 擋土壁之變形及控制

由擋土壁及支撐設施所構成之擋土結構系統,須具有適當之勁度,並應事先評估開挖後所導致擋土結構體之變位及其對鄰近構造物之影響。必要時應輔以完善的輔助措施,以避免擋土壁外側地表產生有害之沉陷。
【解說】
地下深開挖因擋土結構體的側向變位導致周邊的地表沉陷問題,常形成嚴重的營建公害,根據研究,周邊的地表面沉陷量與擋土設施的型式、支撐方式、土壤分類、開挖深度、地下室構築方式、施工程序等均有相當密切的關係,故其因素至為複雜。即使以有限元素法應用於深開挖之分析設計已行之多年,但實際上,其分析結果與現地觀測之結果仍有一段差距。

目前實務界最常採用之周邊地表沉陷評估方法,大都是以彈塑性分析所得之擋土壁變形量,配合壁體變形與地表沉陷之關係公式或圖表之半經驗法評估。評估方法細節部份可參閱相關文獻。

8.10 開挖安全監測

8.10.1 目的

基地開挖宜利用適當之儀器,量測開挖前後擋土結構系統、地層及鄰近結構物等之變化,以維護開挖工程及鄰近結構物之安全。

監測資料可作為補強措施、緊急災害處理及責任鑑定之依據。

【解說】
開挖安全監測對基地開挖而言,其目的可以簡單說明如以下各項:
  1. 設計條件之確認:由觀測所得結果與設計採用之假設條件比較,可瞭解該工程設計是否過於保守或冒險,另外可適時提供有關工程變更或補救處理所需之參數。
  2. 施工安全之掌握:在整個開挖過程中,監測系統可以隨時反應出有關安全措施之行為訊息,作為判斷施工安全與否之指標,具有預警功效。必要時可做為補強措施及緊急災害處理之依據。
  3. 長期行為之追蹤:對於特殊重要之建築物於完工後,仍可保留部份安全監測系統繼續作長期之觀測追蹤。如地下水位的變化、基礎沉陷等現象,是否超出設計值。此外,長期之觀測追蹤結果亦可做為鑑定建築物破壞原因之參考資料。
  4. 責任鑑定之佐證:基礎開挖導致鄰近結構物或其它設施遭波及而損害,由監測系統所得之資料,可提供相當直接的技術性資料以為責任鑑定之參考,以迅速解決紛爭,使工程進度不致受到不利之影響。
  5. 相關設計之回饋:對於基礎開挖擋土安全設施之理論,至今仍難以做妥善圓滿之模擬;因此,一般基礎開挖擋土安全之設施與施工,工程經驗往往佔有舉足輕重的地位,而工程經驗皆多半由監測系統所獲得之資料整理累積而成。所以監測系統觀測結果經由整理歸納及回饋分析過程,可了解擋土設施之安全性及其與周遭地盤之互制行為,進而修正設計理論及方法,提升工程技術。 

8.10.2 監測系統之設置

基礎開挖之設計若遇下列情形時,應配合基礎開挖工作之進行設置監測系統:
(1)經大地工程學理及經驗分析,結果顯示難以確定開挖所致之影響者。
(2)相臨基地曾因類似規模之開挖及施工方法而發生災害或糾紛者。
(3)開挖影響範圍內之地層軟弱、或其他相關條件(如高靈敏度、高水位差、流砂現象等)欠佳者。
(4)開挖影響範圍內有供公眾使用之建築物、古蹟、或其他重要建築物者。
(5)鄰近結構物及設施等現況條件欠佳或對沉陷敏感者。
(6)於坡地進行大規模開挖時。
(7)將開挖擋土壁作為永久性結構物使用,而於施工期間有殘餘應力過高或變位過大之顧慮者。
【解說】
本節所列各項為一般常見之情況,其中第(7)項更常見於一般房屋建築物,目前常以連續壁做為基礎開挖時之臨時擋土結構,於地下結構物完成後,則做為永久擋土結構;連續壁經開挖及支撐過程,若產生過高的殘餘應力及變形時,必須再度檢核其是否做為永久結構牆之適用性。 

8.10.3 監測規劃

監測工作應依開挖深度、土層構造及土壤性質、地下水位、水壓及水流情形、施工時間長短、擋土結構型式、支撐型式、開挖及支撐步驟、施工困難度、開挖區四周環境等因素,做適當之規劃與設計。
【解說】
    監測系統之規劃及設計應根據其擋土支撐系統之設計理念,並參酌施工方式、施工環境及可引用之監測儀器性能,綜合考量,規劃及設計出適當的監測系統。其規劃設計要領簡述如下:
    (1)監測參數之選定:基本考慮為開挖工程施工安全之掌握所需之資料,一般包括: 
    1. 地下水位及水壓
    2. 土壓力及支撐系統荷重
    3. 擋土結構變形及應力變化
    4. 開挖區地盤之穩定性
    5. 開挖區外圍之地表沉陷
    6. 鄰近結構物與地下管線等設施之位移、沉陷量及傾斜量
    7. 鄰近結構物安全鑑定所需之資料(如結構物之裂縫寬度等) 
    (2)各項參數在施工過程之行為預測:設計單位依據其設計原理與 假設之施工條件,預測各項參數之最大可能值以決定各該項監測參數之量測範圍;同時預測施工各階段各項參數之演變,以為擬訂監測管理值之參考。
    (3)各種儀器設置地點、設置時機之決定
    (4)儀器規格之決定
    (5)儀器裝設施工規範之擬訂
    (6)儀器測讀正確性之檢核方法與程序之制定
    (7)監測頻率最低要求之決定
    (8)監測管理值之研擬:管理值擬訂須考慮下列因素:
    1. 工程規模與工期
    2. 設計參數之不確定性
    3. 環境的複雜性
    4. 地下管線分佈、鄰房現況及基礎特性
    5. 公共關係、鄰房心態及反應
    (9) 提示施工單位應於施工前辦理之事項:設計者應就其設計上之特殊考慮因素及設計上未能充份考量之事項加以整理,而期望施工單位於施工前辦理之事宜,如補充地質調查、地下管線調查、鄰房現況調查或鑑定。 
8.10.4 監測項目
安全監測之項目一般包括下列各項,可視現場條件及設計需求作適當之選擇。

(1)開挖區四周之土壤側向及垂直位移。
(2)開挖區底部土壤之垂直及側向位移。
(3)鄰近結構物及公共設施之垂直位移、側向位移及傾斜角等。
(4)開挖影響範圍內之地下水位及水壓。
(5)擋土設施之受力及變位。
(6)支撐系統之受力與變形。

8.10.5 配置原則及監測頻率

各監測項目之監測點配置、數量及監測頻率應符合一般大地工程學理及經驗分析研判之需要,並以可充分維護基礎開挖及鄰近結構物、設施等之安全為規劃原則。
【解說】
監測頻率之決定,通常考慮於不同的施工階段各項監測資料須取得之頻次,原則上需配合施工並能取得足夠資料以供研判分析之用。下表為一般建築開挖工程監測頻率之案例,可供參考。
 
監測項目
儀器名稱
儀器個數
監測頻率
擋土結構體變形

及傾斜

傾 度 管
每逢基地挖土前後,支撐施加預力及拆除前後:平時每週一次,開挖階段每週至少二次,必要時隨時觀測
地下水位及水壓
水壓式水壓計
平時每週二次,抽水時每天一次
水位觀測井
平時每週二次,必要時每天二次
開挖面隆起量
隆 起 桿
開挖階段每天至少一次,平時每週二次
支撐應力及應變
振動式應變計
每天一次
道路及建築物沉陷量
沉陷觀測釘
平時每週一次,必要時隨時觀測
筏式基礎沉陷量
沉陷觀測釘
每層澆築混凝土前後,平時每十天一次
擋土壁鋼筋應力
鋼 筋 計
基地開挖時每天一次,平時每週二次