臺灣護(hù)坡設(shè)計

PAGE112 2.4 護(hù)坡工程2.4.1 臺灣地區(qū)平地約占總面積之25%，人口約二千三佰萬人，若以平地面積計算人口密度，應(yīng)可排名世界第一。因此，為滿足百姓的生活機(jī)能，坡地的開發(fā)勢難避免，然而不當(dāng)?shù)钠碌亻_發(fā)，卻為日后埋下潛在的坍滑危機(jī)。近年來坍方問題頻繁，山區(qū)道路每于臺風(fēng)豪雨后隨即中斷，造成人命財產(chǎn)的損失；尤有甚者，如民國86年溫妮臺風(fēng)后之林肯大郡坍滑事件，更釀成社會問題。此均為坡地不當(dāng)開發(fā)所造成的惡果，由此可見護(hù)坡工程的重要性。2.4.2 (1)「建筑技術(shù)規(guī)則（CBC）建筑構(gòu)造篇基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計規(guī)范」(含解說)-內(nèi)政部建筑研究所(2001)(2)「最新建筑技術(shù)規(guī)則（CBC）」-內(nèi)政部(2002)(3)「公路橋梁設(shè)計規(guī)范」-交通部(2001)(4)「大地工程設(shè)計注意事項」-交通部國道新建工程局(1994)(5)「日本道路橋示方書同解說」-日本道路協(xié)會(平成8年)(6)「StandardSpecificationsforHighwayBridge」-AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials(1996).(7)「PrinciplesofSoilDynamics」-BRAJAM.DAS(1993).2.4.3 (1)設(shè)計步驟A. B. 工址調(diào)查、測量、鉆探及試驗(含適當(dāng)配置及數(shù)量)。C. 地震影響之考慮。D. 活載重及靜載重之決定。E. 各項地質(zhì)分析參數(shù)之研選。F. 邊坡穩(wěn)定分析安全系數(shù)(FS)之選定：(A) 平時：安全系數(shù)1.5以上。(B) 地震：依工址地表加速度之大小、工程用途及重要性作適當(dāng)之分析，安全系數(shù)1.1以上。(C) 暴雨時之地下水高水位，安全系數(shù)1.2以上，惟不考慮地震與地下水高水位同時發(fā)生情況。G. 經(jīng)由前述之邊坡穩(wěn)定分析并衡量用地取得之難易、交通維持及施工可行性等條件后，作綜合檢討，以選擇適當(dāng)之處理方式。

邊坡穩(wěn)定處理方式：(A) 修坡及植生：挖除上邊坡部份土石方以減少作用于邊坡之荷重，填方區(qū)須注意位于軟弱地盤之沉陷量及滑動潛能，完成后之邊坡應(yīng)有適當(dāng)植生保護(hù)。(B) 設(shè)置三明治式、重力式／半重力式或懸臂式擋土墻：可處理淺層坍滑破壞，且其擋土墻高度大約在6m以下。(C) 設(shè)置預(yù)力地錨或巖錨，鋼筋混凝土(RC)幕墻：可處理崩積層與巖盤界面間之滑動破壞，常于較大挖方高度(6m以上)時采用。(D) 設(shè)置地上與地下排水設(shè)施：用以減少沖蝕及入水、降低地下水位及水壓，以增加邊坡穩(wěn)定性。(E) 依分析結(jié)果與現(xiàn)地情況，實行適當(dāng)之監(jiān)測與評估(含施工中及完工后)。H. 結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定分析及設(shè)計之考慮：(A) 防止墻體傾倒。(B) 防止墻體滑動。(C) 擋土設(shè)施基礎(chǔ)承載力查核。(D) 擋土設(shè)施之結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。(E) 沉陷分析(包括總沉陷量與差異沉陷)。(F) 視需要建立監(jiān)測及維護(hù)計劃。有關(guān)近年建設(shè)頗多之道路工程，其護(hù)坡之設(shè)計作業(yè)可扼要說明如圖2.4-1之流程圖。2設(shè)計作業(yè)開始設(shè)計作業(yè)開始收集社會、經(jīng)濟(jì)、自然、環(huán)境等資料收集道路等工程資料收集工程地質(zhì)資料現(xiàn)場勘查、測量工程調(diào)查作業(yè)確定路權(quán)配合路線及基地規(guī)劃決定挖方或填方邊坡挖方邊坡填方邊坡邊坡破壞機(jī)制研判是否穩(wěn)定自然邊坡是坡距比設(shè)定坡面保護(hù)工選擇護(hù)坡設(shè)計擋土工法選擇否擋土工法穩(wěn)定性分析沈陷量分析擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計配合相關(guān)規(guī)範(fàn)繪製工程設(shè)計圖編製設(shè)計預(yù)算書是否AA圖2.4-1護(hù)坡工程設(shè)計作業(yè)流程圖(2)設(shè)計方法A. 護(hù)坡種類及其適用性依護(hù)坡的功能可將其概分為兩種：(A)僅為抗風(fēng)化及抗沖刷的坡面保護(hù)工，該保護(hù)工并不承受側(cè)向土壓力，如噴凝土護(hù)坡、格框植生護(hù)坡、植生護(hù)坡等均屬此類，僅適用于平緩且穩(wěn)定無滑動之虞的邊坡上。(B)提供抗滑力之擋土護(hù)坡，大致可區(qū)分為：(a)剛性自重式擋土墻(如：砌石擋土墻、重力式擋土墻、倚壁式擋土墻、懸壁式擋土墻、扶壁式擋土墻)，(b)柔性自重式擋土墻(如：蛇籠擋土墻、框條式擋土墻、加勁式擋土墻)，(c)錨拉式擋土墻(如：錨拉式格梁擋土墻、錨拉式排樁擋土墻)。較常采用之幾種擋土護(hù)坡，其適用性及優(yōu)、缺點概略比較如表2.4-1。B. 穩(wěn)定分析為確保護(hù)坡工程設(shè)計之安全性，須進(jìn)行兩部份的穩(wěn)定分析，概述如下：(A) 整體穩(wěn)定分析欲選擇適當(dāng)?shù)膿跬凉しㄖ?，必須先進(jìn)行邊坡之整體穩(wěn)定分析，因邊坡之破壞型式不同，故其分析之模式亦不相同。分析時因計算相當(dāng)復(fù)雜，常以計算機(jī)軟件包反復(fù)計算之。目前國內(nèi)普遍采用之軟件為STABL程序，該程序可仿真平面應(yīng)變情況下任意破壞形狀之穩(wěn)定分析，同時亦可模擬求得在坡面加設(shè)地錨背拉后之安全系數(shù)。使用邊坡穩(wěn)定分析程序時，應(yīng)特別注意各種不同程序在應(yīng)用上的限制，程序本身只是一種輔助設(shè)計的工具，如何輸入合理的參數(shù)，如何適當(dāng)?shù)哪M現(xiàn)場狀況才是重點所在，此系屬相當(dāng)專業(yè)之領(lǐng)域，應(yīng)由專業(yè)之工程師執(zhí)行之。

表2.4-1各種擋土工法之適用性及優(yōu)缺點比較護(hù)坡種類使用坡高(m)優(yōu)點缺點建議使用時機(jī)砌石擋土墻或重力式擋土墻5m以下施工方便簡單體積龐大，而需較多混凝土及砂石材料適合較低矮之邊坡懸臂式RC擋土墻10m以下施工簡單，材料較省容易受基礎(chǔ)不均勻沉陷之影響適用一般邊坡扶壁式RC擋土墻10m以上在坡高較高處，可有效減少擋土墻之?dāng)嗝媸┕ぢ詾閺?fù)雜施工中臨時開挖面較大適用較高邊坡，坡高超過10m，則較懸臂式擋土墻為經(jīng)濟(jì)蛇籠10m以下不易受基礎(chǔ)不均勻沉陷影響耐久性略差適用于基礎(chǔ)土壤較為軟弱時透水性佳框條式擋土墻7m以下對不均勻沉陷之忍受度，較一般剛性擋土墻為大施工復(fù)雜，工資成本偏高沉陷過大時容易發(fā)生丁條斷裂透水性佳容許適度之沉陷發(fā)生加勁擋土墻20m施工快速，可忍受較大不均勻沉陷變形偏大，須注意坡面受失火或撞擊破壞適合高度填方邊坡坡面可植生綠化容許適度之沉陷發(fā)生錨拉式擋土墻30m以下可提供較大之下滑阻抗力成本較高已發(fā)生災(zāi)害之邊坡修護(hù)高挖方邊坡

(B) 墻體穩(wěn)定分析不同型式之擋土結(jié)構(gòu)體，其墻體穩(wěn)定分析的細(xì)節(jié)不盡相同，但基本原理仍是大同小異，大致上應(yīng)檢核墻體滑動、墻體轉(zhuǎn)動、容許承載力等三項破壞模式之安全系數(shù)是否合于規(guī)范之規(guī)定。C. 懸臂式擋土墻之分析設(shè)計如前所述，邊坡之整體穩(wěn)定分析因計算繁復(fù)，常以計算機(jī)程序計算之，且因合理參數(shù)及破壞模式之選用系屬相當(dāng)專業(yè)之領(lǐng)域，常由專業(yè)且有經(jīng)驗之工程師執(zhí)行之，不易在此作深入之探討。以下僅就邊坡整體穩(wěn)定無虞的情況下，選取經(jīng)常被采用之懸臂式擋土墻說明其設(shè)計方法。作用于擋土墻之側(cè)向壓力受墻體與地層間之相對變位行為、地下水位、地層特性、周圍載重狀況及地震等因素之影響。設(shè)計時應(yīng)考慮之作用力如下：(A) 側(cè)向土壓力，包含如主動土壓力、被動土壓力及靜止土壓力等。(B) 水壓力如靜水壓力、滲流壓力及上浮力等。(C) 地震所產(chǎn)生之土壓力、水壓力及慣性力等。(D) 地表上方超載。(E) 墻背回填土所產(chǎn)生之回脹壓力。(F) 擋土墻結(jié)構(gòu)體之靜載重。作用力計算方法如下：a. 靜止土壓力時，作用于墻背之側(cè)向土壓力應(yīng)采靜止土壓力計算。如圖2.4-2所示，在h深度處之單位面積靜止土壓力σo，可依式(2.4-1)式計算，其合力Po可依式(2.4-2)式計算，合力作用點在基礎(chǔ)板底以上三分之一墻高(H)處。圖2.4-2靜止土壓力圖b. 主動土壓力擋土墻設(shè)計所考慮之主動土壓力系擋土墻向外變位時，作用于墻背之最小土壓力，其值應(yīng)依下列規(guī)定計算之。如圖2.4-3所示，墻背h深度處之單位面積主動土壓力σA，可依式(2.4-3)式計算，其合力PA可依式(2.4-4)式計算，合力作用點在基礎(chǔ)板底以上三分之一墻高(H)處。圖2.4-3 主動土壓力圖…………式(2.4-5)若φ<α，則假定sin(φ-α)=0………式(2.4-6)如墻背填土具凝聚力者，式(2.4-3)及式(2.4-4)之h及H應(yīng)以hc及Hc代替，而…式(2.4-7)…式(2.4-8)上兩式中，如hc≦0時，hc以零計算；如Hc≦0時，則應(yīng)考慮長期效應(yīng)所造成之土壓力。上述各式中單位面積主動土壓力(tf/m2)主動土壓力合力(tf/m)γ=土壤單位重，位于地下水位以下者，以浸水重 計(tf/m3)土壤凝聚力(tf/m2)墻之垂直高度(m)墻頂?shù)乇砻嬷劣笸翂毫c之垂直深度(m)φ=墻背土壤之內(nèi)摩擦角(度)墻背面與土壤間之摩擦角(度)墻背地表面與水平面之交角(度)墻背面與垂直面交角，以逆時針方向為正，順 時針方向為負(fù)(度)c. 被動土壓力擋土墻設(shè)計所考慮之被動土壓力系指擋土墻向內(nèi)變位時，作用于墻背之最大側(cè)向土壓力，如圖2.4-4所示，其值應(yīng)依下列規(guī)定計算之。墻背h深度處之單位面積被動土壓力σp，可依式(2.4-9)式計算，其合力Pp可依式(2.4-10)計算，合力作用點在基礎(chǔ)板底以上三分之一墻高(H)處。圖2.4-4被動土壓力圖

…………式(2.4-11)………式(2.4-12)式中墻背之被動土壓力合力(tf/m)墻背h深度處之單位面積被動土壓力(tf/m2)其余符號與前節(jié)之符號說明相同。d. 動態(tài)主動土壓力地震時，擋土墻承受之主動土壓力合力PEA，依式(2.4-13)式計算。e. 水壓力 式(2.4-15)式中墻背之水壓力(tf/m)墻背水位高度(m)水單位重(tf/m3)如墻背及墻底有滲流狀況時，應(yīng)考慮滲流造成之影響。

趾部趾部踵部PWwwHWγWEQHW圖2.4-5水壓力圖f. 車輛活載重依照交通部頒「公路橋梁設(shè)計規(guī)范」規(guī)定，車輛到達(dá)距墻頂一定距離(墻高一半)時，均須加計至少相當(dāng)于60cm厚之填土重量，超載水平總力=Ka(qH)，作用點深度為H/2，本項載重屬活載重，考慮地震力時，不予計入。g. 地表上方載重?fù)跬翂Ρ车乇硎苡芯汲d重時，該載重得折算成等值填土高度，并依前述計算方法計算其對擋土墻造成之側(cè)向壓力。h. 墻體滑動擋土墻抵抗滑動之安全系數(shù)，于長期載重狀況應(yīng)大于1.5，于地震時應(yīng)大于1.2。安全系數(shù)之計算原則為：安全系數(shù)=作用于墻前被動土壓力+墻底摩擦力作用于墻背之側(cè)壓力i. 墻體傾覆擋土墻抵抗傾覆之安全系數(shù)，于長期載重狀況時應(yīng)大于2.0，于地震時應(yīng)大于1.5，安全系數(shù)之計算原則為：安全系數(shù)=對墻前趾產(chǎn)生之抵抗力矩對墻前趾產(chǎn)生之傾覆力矩2.4.4 【設(shè)計】懸臂式擋土墻(如圖2.4-6所示)，計算：(1) 抵抗傾倒之安全系數(shù)(常時FS>2.0，地震時FS>1.5)。(2) 抵抗滑動之安全系數(shù)(常時FS>1.5，地震時FS>1.2)。(3) 趾部及踵部之地基反力。(4) 地震力作用下墻體之穩(wěn)定性。(5) 墻體之結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。【已知設(shè)計條件】(1) 基礎(chǔ)土壤與回填土單位重1.8tf/m3；土壤內(nèi)摩擦角=36°。(2) 基礎(chǔ)土壤容許承載力25tf/m2。(3) 基礎(chǔ)底混凝土與土壤間之摩擦角為2/3。(4) 混凝土單位重2.4tf/m3。(5)地震時最大地表加速度0.23g。圖2.4-6懸臂式擋土墻及土壓力圖[解]墻高mtf(主動土壓力)tf(地表載重造成之側(cè)向力)

(1) 抵抗傾倒之安全系數(shù)對a點計算彎矩面積重量(tf)X軸力臂(m)Mr(tf-m)eq\o\ac(○,1)0.3×2.6×2.4=1.870.5+×0.3=0.651.21eq\o\ac(○,2)×0.3×2.6×2.4=0.940.5+0.3+×0.3=0.90.85eq\o\ac(○,3)0.4×3.0×2.4=2.88×3.0=1.54.32eq\o\ac(○,4)1.9×2.6×1.8=8.895+0.6+×1.9

=2.0518.22Σ14.5824.60tf-mtf-m>2.0(ok)(2)抵抗滑動之安全系數(shù)假設(shè)擋土墻基礎(chǔ)及土壤間之摩擦角為及墻趾處之被動土壓PP=0≧1.5(ok)若抗滑動安全系數(shù)不足時，一般可加設(shè)止滑榫，榫前之被動土壓力可列入考慮。

(3)趾部及踵部之地基反力<25tf/m2(ok)<25tf/m2(ok)(4)地震力作用下墻體之穩(wěn)定性考慮地震水平加速度，，垂直加速度，=0.35

A. 抵抗傾倒之安全系數(shù)對a點計算彎矩面積重量(tf)Y軸力臂(m)Mr(tf-m)eq\o\ac(○,1)0.3×2.6×2.4=1.87×2.6+0.4=1.73.18eq\o\ac(○,2)×0.3×2.6×2.4=0.94×2.6