加勁擋土牆穩定分析與應用

前言

邊坡穩定保護工程之設計與施工，必須考慮地形、地質及氣象等現地條件，同時，必須兼顧景觀與生態，以選擇符合安全、經濟與耐久性之護坡工法。然因材料與施工方式之多樣性，使得邊坡整治工法種類眾多，其考量因素錯綜複雜，互有牽連，因而選擇不易。如何周全地考量有效的護坡方式，實有深加探究的必要。

本文將先就目前工程界常用之邊坡保護工法作一概略介紹，以瞭解其使用情形。並考量現今護坡工法需以維持生態環境、增進視覺景觀為優先考量重點，故特別介紹較符合此要求之護坡工法—「加勁擋土牆」。加勁土壤結構由於具有「節省用地」及「較佳抗震性」等特點，故其使用已有漸趨普遍之趨勢。

加勁擋土牆原理

擋土結構物主要可分為兩種：外部穩定系統和內部穩定系統，外部穩定擋土系統包含傳統擋土牆，其背填土壤被外部結構牆抵擋住，當背填土壤向外的土壓力鬆動且作用在結構牆上，結構牆提供一個外部穩定的力量在背填土上， 圖一a為一些外部穩定擋土系統的例子。

內部穩定擋土系統，例如加勁土壤系統，其穩定土重的方式是靠背填土中加勁材料增加額外的張力，如地工織物、鋼條或土釘。通常， 加勁材料的鋪設需延伸至潛在破壞面之後， 圖一b為內部穩定擋土系統示意圖。

兩者主要的不同是擋土的機制。在外部穩定系統中，當土壓力結合產生一個驅動力，外部結構在土壤前方抵抗這個驅動力，外部結構是在整體背填土壤開始降伏及到達極限狀態時(主動或被動狀態)才會發揮功能。不同於外部穩定系統，在內部穩定系統中，土重被結構中加勁材料分成好幾層，一旦局部降伏產生，隨即受到最接近加勁材束制，限制了降伏繼續發展的機會。

加勁擋土牆的基本觀念乃是藉由加勁材料與被加勁土壤的互制作用，及加勁材本身抗張強度的發揮，達到束制土體側向變形及強化土體之目的。

在1960年代，Henri Vidal最先說明加勁土壤的基本原理，並指出加勁土壤為另一種可選擇的擋土結構(Vidal，1969)。Vidal的基本概念為，當土壤開始降伏，土塊內部所產生的剪力，轉移至最接近的加勁材上(Mitchell and Villet，1987)。以下有兩種方式解釋加勁原理：分離式和複合式。

分離式，如 圖二指出，不穩定土塊所產生額外的剪力，由兩種形式轉移到加勁材上：摩擦力和黏著力(adhesion)，當內部剪力轉移，土塊就不會處在危險的狀態，並且加勁土塊所產生的側向土壓力也因為加勁材而減少。

另一個解釋加勁機制的方法是將加勁土壤視為一個複合材料，Schlosser和Long (1972)和Yang和Singh (1974)使用外視凝聚力(apparent cohesion)概念， 圖三利用莫爾庫倫破壞準則來說明。

莫爾圓0表示加勁土壤一開始的情況，假設元素水平方向加入加勁材，並施加應力，當垂直應力增加，莫爾圓移至較高的應力狀態；莫爾圓1表示土壤未加勁時的破壞情況，莫爾圓2表示土壤加勁時的破壞情況，因為加勁材的作用，垂直應力σ21比σ11增加許多。線A是未加勁土壤的破壞包絡線，線B和線C是兩條假設的加勁土壤破壞包絡線；線B表示假設加勁土壤與土壤的摩擦角相同，則加勁材提供額外凝聚力Ccomp，線C則表示加勁土壤有較高的摩擦角，線B和線C可由以下公式表示：

對於加勁土壤的破壞機制，Haus-mann (1976)、Hausmann和Lee (1976)和Gray和Ohashi (1983)發現在低圍壓時，加勁土壤的破壞常發生於土壤與加勁材界面上的滑動；在較高的圍壓下，破壞傾向於加勁材料的拉斷。然而，這樣的觀察結果仍需要依據加勁材及加勁材和土壤界面的性質。

加勁擋土牆穩定分析

目前英、美、台灣各國對於設計加勁擋土結構的基本原則均相同，分為內部穩定與外部穩定。一般而言各國對於外部穩定的分析方式甚為接近，唯在內部穩定的分析理念上較有差異。因此接下來主要針對內部穩定的分析原則進行比較。

台北土木技師工會「加勁擋土結構設計及施工手冊 (1998)」

此手冊所提出的設計理念是以阻止土楔破壞滑動所需之側向力（以土壓力係數表示）來設計加勁材的強度與間距，再以破壞面與牆面的距離(Ls)加上抵抗加勁材拉出破壞所需要之錨定強度(Le)，以決定滿足內部穩定之加勁材長度。

此手冊採用圓弧破壞法決定土楔破壞臨界面及其上承受之土壓力，且假設阻止土楔滑動之加勁材張力成三角形分佈 圖四而穿過破壞面之總加勁材強度(ΣTreq)需大於此土壓力。

其中

H：擋土牆高

γ：土壤單位重

K_d：破壞面上側向土壓力係數

各層加勁材所需之強度(Tj)為

其中

σ'_vj：各層加勁材深度之垂直向應力力力

S_vj：第j層加勁材之間距

而加勁材長度(L_dj)之決定可以下式表示 圖五

其中

L_dj：各層加勁材所需之長度

L_sj：各層加勁之破壞面與牆面的距離

L_ej：各層加勁材所需之錨定長度(≧1m)

T_j：所需之各層加勁材張力強度

δ：加勁材與回填土區間之摩擦角

F_sp：抵抗拉出之安全係數(=2.0)

由於最上層之加勁材所需之Ls最大為Lsmax。再利用上式求出所需之錨定強度Le，即可求得合乎內部穩定要求之加勁材設計長度。

英國BS 8006 (1995)

英國 BS 8006 設計手冊用於加勁擋土結構之內穩定分析提出兩種分析模式：楔形穩定分析法與重力法，其各有不同的適用情況。一般而言，楔形穩定分析法較適用於柔性加勁材擋土牆，作用於牆面之土壓力因牆之變形而較接近於主動狀態。至於硬性加勁材擋土牆面土壓力則較接近於Ko情況，可以重力法來分析設計。

楔形穩定分析法

本方法係假設牆背側土壓力分佈為主動土壓力(Ka)的情況做為分析加勁材斷裂強度之依據。即

其中

T_pj：第j層之加勁材承受之拉力(F/L)

v_j：第j層之加勁材深度之覆土壓力力

S_vj：第j層之加勁材之間距

若回填土具有凝聚力，則加勁材之拉力可予以折減，其折減值為

其中

C：有效凝聚力

f_ms：安全係數（極限應力狀況 = 1.6，工作應力狀況 = 1.0）

加勁材拉應力Tj為

加勁材之拉應力不得大於材料容許應力:

其中

T_d：加勁材設計強度度

f_n：安全係數，一般為 1.0，視加勁擋土結構而異。

加勁材之錨定拉出破壞可依下式檢核：

其中

P_uj：加勁材極限拉出抵抗

f_p：加勁材拉出破壞之安全係數

加勁材極限拉出抵抗為

其中

μ：回填土/加勁材間之摩擦係數

B_s：加勁材與黏土間之接觸面積

L_ej：破壞面上加勁材之錨定長度

楔形穩定分析中除加勁材之斷裂及拉出破壞需檢核外，另需探討加勁土體之楔形穩定。一般而言，破壞面可能穿過牆面任意點，以破壞土楔之力平衡，求取作用於破壞面上之拉應力T，於不同破壞面與牆面之夾角情形，求取作用於破壞面之最大拉應力，則此楔形土體即為潛在破壞體。若加勁擋土牆頂端為水平，或有均勻超載，則破壞面大約為(45-ψ/2)。若為加勁邊坡，則楔形破壞面則假設為雙楔形。

重力法

於極限及工作應力情況下，作用於牆面之土壓力取為靜止土壓力(K0)狀態，其土壓力係數隨牆深度之變化情況如 圖六。牆頂土壓力為靜止狀態，隨深度遞減至主動狀態，此深度為6公尺。至於加勁材間距及拉出破壞分析公式則與楔形體法雷同。

美國聯邦州公路局(FHWA) (2001)

美國聯邦州公路局(FHWA)對於加勁擋土結構之分析著重於兩點，工作應力及極限平衡情況。工作應力情況時，需考慮加勁土體加勁材之局部應力穩定；而於極限平衡狀態下，加勁土體之整總體外穩定及穿過加勁材之破壞面之極限平衡（內穩定）均需檢核。

FHWA對於加勁擋土結構之分析採用類似重力法之觀念，定名為簡易重力法。加勁材之應力分佈與加勁材料有關，若加勁材為硬性，潛在臨界破壞面為一雙直線平面，若加勁材為柔性，則加勁土體內臨界破壞面土壓力分佈為近似Ka情況，潛在破壞面為一平面。各層加勁材所受最大受力Tj為

其中K：土壓力係數數

於加勁材抗拉出破壞之分析，加勁材受力Tj不得大於土體之破壞面外之加勁材錨定力，因此，錨定長度Le之決定如下式：

其中

FS_po=拉出破壞安全係數(≧1.5)

C = 2，加勁材具上下兩面之摩擦阻抗

α=比例修正係數。（硬性地工織物=1.0，柔性地工織物=0.6~ 0.8）

F^*=加勁材與土壤間之摩擦係數。

R_c=覆蓋率（如加勁材為面狀，其R_c=1）

加勁材之總長度L=La+Le，La為潛在破壞面內之加勁材長度，依加勁材種類而異。

加勁擋土牆工法

回包式加勁擋土牆

回包式加勁工法為在土壤中舖設加勁材料，藉由土壤與加勁材間之互制行為產生摩擦阻力以穩定土體，並藉由加勁結構本身的重量，抵抗來自牆體背後的土壤壓力或其它應力。

優點

工法簡易，便於趕工，適合各種地形變化，其應用不僅可大量減少施工經費、縮短工期、達成土方平衡、容許地震或其它外力產生之結構物較大變形。

適用區域

適用於崩塌地整治、邊坡擋土牆、道路路堤、環保工程、河川護岸等。

鋼柵式加勁擋土牆

鋼柵式加勁擋土牆利用L形鋼柵成型牆面，鋼柵再與加勁格網連結，配合完整之填方排水系統逐層重複填築。

優點

以焊接鋼線網構築加勁擋土牆之牆面，除可維持加勁擋土牆之柔性結構，更可防火並抑制側向變形，並與周圍景觀生態環境相呼應。

適用區域

鋼柵式加勁擋土牆本身為柔性結構，耐震性佳，適合地震頻繁的台灣，且兼顧植生及強度需求，常用於腹地狹窄、地質破碎之崩坍道路邊坡修復。

石籠面版式加勁擋土牆

石籠面版式加勁擋土牆是在於土壤中舖設加勁材料，藉由土壤與加勁材間之互制行為產生摩擦阻抗穩定土體，並藉由加勁結構本身的重量，抵抗來自牆體背後的土壤壓力或其它應力。

優點

石籠面版式加勁擋土牆結合石籠及加勁格網。石籠係編成六角狀之金屬絲籠，籠中填入石塊，並加以堆疊形成一重力結構，提供必要功能，具多孔隙、透水效果好之優點，適合卵石多的現地使用。

適用區域

石籠面版式加勁擋土牆兼具剛性與柔性結構之優點，適用於生態訴求之護岸及地下水位較高之區域。

景觀石式加勁擋土牆

景觀石式加勁擋土牆係利用預鑄景觀石構築而成，景觀石再與加勁格網連結，配合完整之填方排水系統逐層重複填築。

優點

景觀石式加勁擋土牆本身為柔性結構，可防火並抑制側向變形，為兼具造型、美觀與安全之加勁結構。

適用區域

景觀石式面牆造型美觀多變，適合四季分明，造景需求之社區、風景區及河道沖刷等邊坡工程。

預鑄面版式加勁擋土牆

預鑄面版式加勁擋土牆由較大尺寸之面版式預鑄品組成，面板預留連結系統以結合加勁格網。

優點

預鑄面版可因應需求做顏色、造型之設計。預鑄品能嚴格控制品質，垂直牆面亦能節省用地空間，並可防火並抑制側向變形，為兼具景觀與安全之加勁結構。

適用區域

預鑄面版式加勁擋土牆本身為複合式結構，適用於新建道路路堤或拓寬工程。

場鑄面版式加勁擋土牆

場鑄面版式加勁擋土牆依照回包式加勁結構之施工流程，逐層於牆面預留連結鋼筋，待回填土堤沈陷達穩定後，才構築場鑄之RC面牆，令混凝土與回包加勁材充分膠結。

優點

場鑄面版式加勁擋土牆兼具剛性與柔性結構之優點，可防火並抑制側向變形並降低沈陷量。

適用區域

適用於安全性要求極高之擋土結構，如日本高速鐵路路堤結構即以此為標準工法。

加勁擋土牆和傳統RC擋土牆之效益比較 表一

加勁擋土牆於十五廠之應用

十五廠採用加勁格網回包式擋土牆，為配合景觀整體概念，讓綠由平面綠帶往上帶入立面，擋土牆體會盡量靠建築物側，以降低牆體對中科人行步道之壓迫感，以下針對加勁格網回包式擋土牆更進一步說明。

加勁格網原理

加勁格網為具有開口的網狀地工合成材料，其外觀構造由平行機器製造方向之縱向與垂直機器製造方向的橫向肋條所組成，縱、橫肋條交接處稱為結點。不同的製造廠商及製造方式其所生產之格網的結構形式、結點形式及開孔大小皆不盡相同。

由於土壤無法承受張力，此時藉由置於土壤中的格網與土壤產生之互鎖作用，如 圖七所示，使土壤所承受之張力轉換成土壤可承受之剪應力。

土壤的張力強度，於一般的工程設計中，通常忽略不計，因為對於加勁土壤結構而言，格網的功能便是將加勁材所受之張力轉換成為土壤可承受之剪應力模式。舉例來說，格網與土壤間互制能力的發揮，主要是因為當土壤受力欲產生變形時，土壤周遭之格網肋條適時發揮其高強度，束制土壤變形，增加整體強度。地工合成材料埋置於土壤中做為加勁材料，加勁結構在外加載重及自重作用下產生變形時，土壤與加勁材會沿其界面產生互制作用，其主要是由：土壤與加勁材料間之相互摩擦阻抗及加勁材料於土壤中被拉出，這兩種摩擦形式。

加勁格網之種類

國內常見的格網可分成硬式 圖八a及柔性 圖八b兩大類，茲說明如下：

硬式格網

格網產品早期是以硬式格網為主，其製造過程為在一卷長條片狀的聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)薄片上打上規律形狀的網孔，然後加熱，再將塑膠片拉長成型。加熱拉伸的過程使得原來呈現散亂狀的分子結構被拉成有次序的排列狀態，此過程增加了強度及勁度。

硬式格網又可分為單軸及雙軸兩種形式，當格網進行薄膜拉伸成型時，於單一方向拉伸即形成單軸格網；雙向拉伸則形成雙軸格網。近年來硬式格網的材質多採用高密度聚乙烯(HDPE)。

柔性格網

柔性格網以編織成型的方式製造。其主要原料為聚酯纖維酯(PET)將纖維紗線捆紮成束後，再以織造機將其編結成格網形式，浸以保護膜漆料為包覆材後進行烘乾處理。

柔性格網屬於編織式格網，其製造加工技術重點在於紗線及披覆原料之選擇，紗線方面需考量其材質之強度、延伸率、楊氏係數、潛變、熱收縮性等，高強力聚酯長絲為目前最廣泛使用的紗線材料；而披覆原料需考量其耐候性、耐酸鹼性、抗生物分解性、是否具有毒性、處理溫度與纖維之接著性等，目前披覆原料主要為聚氯乙烯(PVC)，其他亦有使用乳膠、壓克力、瀝青等。

柔性格網依其編織的方式又可區分為平織及針織兩種形式，平織式為橫向肋條以織布的編織方式和縱向肋條交錯編結；針織式則為橫向肋 條以縫紉的編織方式交錯編結於縱向肋條。

施工流程及現況

以下針對回包式加勁擋土牆說明其施工流程， 圖九為施工流程圖。

圖十及 圖十一為十五廠於西南側以回包式加勁擋土牆塑造景觀植栽狀況，5米高共10層的加勁擋土牆設計。

 

• 基礎整平夯實—依放樣位置開挖基礎並加以整平，整平面應大於加勁材鋪設寬度30公分。
• 鋪設格網—依設計圖示之位置及方向平貼地面鋪設，並預留回包之格網長度。
• 排水材料排設—依設計圖示鋪設不織布、碎石、排水管材等，並注意排水才可固定連結。
• 土包袋排設—內部充填與背填材質相同之土壤或混和沃土、草種等，置於加勁區之最外沿並整修夯實，使其長邊與坡面線對齊。
• 第一層回填夯實—應控制其含水量至所需規定之最佳含水量，並注意夯實能量足以達到設計所要求之夯實度。
• 格網回包—將預留之格網回包並加以錨定。
• 第二層回填夯實—步驟同第一層回填夯實。
• 第二層格網鋪設—重複步驟土包袋排設、第一層回填夯實、隔網回包及第二層回填夯實，至設計高度。
• 噴灑草種—種子噴撒後應予適當的施肥與灑水，依季節、地點與天候的不同選擇合適的草種。

結論

本文針對加勁擋土穩定分析進行說明，並提出常用邊坡穩定加勁擋土工法且分析其優劣。由於目前環保意識高漲，揚棄傳統混凝土結構物，符合生態景觀且具備良好抗震性加勁擋土工法崛起，十五廠運用回包式加勁擋土牆於景觀設計中，本文亦針對回包式加勁擋土工法之材質及施工程序作初步說明。期待於興建成本及工期皆較有優勢的加勁擋土牆，能有更廣大的發展。