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崩塌地穩定性之分析. 授課老師 林信輝 教授 碩專班二年級 學生 羅大為 學號 5098042109. 研究動機與目的 前人研究 研究材料與方法 結果與討論. 研究動機與目的. 台灣為一海島型國家屬於亞熱帶氣候，年平均降雨量高達 2500mm ，坡度超過百分之五以上之山坡地佔總面積三分之二以上，地形與地質條件特殊，又位處於歐亞大陸板塊與菲律賓板塊交接處，其地質板塊年代尚屬年輕，地質結構較為脆弱且地層活動頻繁。.
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崩塌地穩定性之分析 • 授課老師 林信輝 教授 • 碩專班二年級 • 學生 羅大為 • 學號 5098042109
研究動機與目的 • 前人研究 • 研究材料與方法 • 結果與討論
研究動機與目的 台灣為一海島型國家屬於亞熱帶氣候，年平均降雨量高達2500mm，坡度超過百分之五以上之山坡地佔總面積三分之二以上，地形與地質條件特殊，又位處於歐亞大陸板塊與菲律賓板塊交接處，其地質板塊年代尚屬年輕，地質結構較為脆弱且地層活動頻繁。
一般而言，坡地災害不外乎山崩、地滑、土石流等。由於造成這些坡地之災害原因眾多，包括地質因素、水文因素及人為因素等相當複雜，故如何有效防止坡地災害，以避免再次發生二次災害，使得坡地能做最佳之利用並將災害危險減至最低，為當前坡地開發之重要課題。 本研究係以台東池上鄉之崩塌地為試驗區，由崩塌地所鑽探的岩心進行室內試驗分析，乃藉由室內黏土礦物特性及土壤物理及力學性質進行分析。
前人研究 一、崩塌的定義 二、崩塌的原因 三、崩塌之類別 四、水分對黏土礦物地質土壤影響之研究 五、邊坡岩石與崩塌相關性之研究
一、崩塌的定義 1、Cruden﹝1991﹞ 對崩塌定義為“岩石石塊、屑石或土壤 從坡面上往下移動”。 2、Varnes﹝1978﹞ 將ground subsidence和collapse包含 進去。
3、渡 正亮﹝1976﹞ 地層滑動主要分為兩個主要部分 ﹝1﹞頭部：主要發生於滑動區頭部土塊， 其龜裂方向與滑動方向垂直，而裂痕 下方土塊呈陷落現象。 ﹝2﹞末端部：發生於地滑區末端，龜裂之 土塊成隆起之現象。
由上可知廣泛崩塌地定義為「斜坡上之岩體、土壤或崩積土等，其中之一部份或全部受地震或地下水滲流等作用，而引起其下層特殊風化的地滑地黏土層產生潤澤化作用，並在重力作用下使其剪應力增加與抗剪強度降低；或由於人為破壞而導致岩體或土體本身之力學結構失去平衡，進而造成土體沿著一滑動弱面而緩緩地向下方或側方移動之現象」。由上可知廣泛崩塌地定義為「斜坡上之岩體、土壤或崩積土等，其中之一部份或全部受地震或地下水滲流等作用，而引起其下層特殊風化的地滑地黏土層產生潤澤化作用，並在重力作用下使其剪應力增加與抗剪強度降低；或由於人為破壞而導致岩體或土體本身之力學結構失去平衡，進而造成土體沿著一滑動弱面而緩緩地向下方或側方移動之現象」。
近年來IAEG委員會提出更新的理想化模型，並提出相關的名詞定義，這些名詞延續了Varnes的分類表，並訂出明確且具體的定義，如圖1 。
二、崩塌的原因 1、Varnes﹝1978﹞崩塌發生之原因 1.地質因素： a.脆弱材料 b.易動搖材料 c.風化材料 d.剪力材料 e.烈縫材料f.逆向不連續物質 g.逆向不連續面 h.相對滲透 i.相對硬度 2.地形因素 a.火山爆發 b.冰河流動 c.河流坡角沖蝕 d.波浪坡角沖蝕 e.冰川坡角沖蝕 f.側移沖蝕 g.地下水沖蝕 h.邊坡自重 i.植生移除 。
3.自然因素 a.暴雨 b.融雪 c.長時降雨 d.洩洪 e.地震 f.火山爆發 g.融解 h.氣候的冰凍及融解 i.氣候的縮漲 4.人為因素 a.邊坡或坡腳開發 b.邊坡自重 c.洩洪 d.砍伐森林 e.灌注 f.開礦 g.人工爆破 h.公共設施用水
2、陳慶雄﹝1986﹞ 本省山地發生位移滑動之原因，根據調查結果有地形、地質、坡度、地震、降雨、逕流集中、溪流切割掏刷作用、地下水甚流與地下沖蝕、築路、土地利用、風及人類之其他活動。
三、崩塌之類別 Varnes﹝1978﹞ Varnes以坡面材料種類及不同之移動型態，對坡面之移動行為加以分類，而其名稱法則如表1所示，崩塌部位之序號及名稱如圖2所示。
移動種類 Type of Movement 材料種類Type of Material 岩石Bedrock 工程土壤Engineering Soils 顯著的粗顆粒 Predominantly Coarse 顯著的細顆粒 Predominantly Fine 落石Fall 岩石落石 碎屑落石 土壤落石 傾覆Topple 岩石傾覆 碎屑傾覆 土壤傾覆 滑落Slide 岩石滑落 碎屑滑落 土壤滑落 側移Spread 岩石測移 碎屑測移 土壤測移 流動Flow 岩石流動 碎屑流動 土壤流動 除以上五種類型，尚有下列 複合型Complex 岩石複合運動 碎屑複合運動 土壤複合運動 表1 邊坡運動之小型分類
依Varnes分類，崩塌類型有以下六種型式： 1、落石﹝Fall﹞─主要因為重力影響，當支 撐力消失時，岩石碎屑即往下掉落。 2、傾覆﹝Topple﹞─由風化層面、不連續面、 節理面瓦解而落下。 3、滑落﹝Slide﹞─主要發生在順向坡，因基 腳被破壞支撐力消失，而沿層面下滑，屬 於一種淺層崩塌。
4、側移﹝Spread﹞─主要發生在富含水份的 砂岩或坋砂岩及坋質黏土之互層，因膨脹 作用而有移動之現象。 5、流動﹝Flow﹞─坡面土壤含水量達到某種 程度時，土石與水混合流動了現象，一般 而言，在土壤凝聚力差的陡坡上，遇暴雨 則極易發生。 6、複合運動﹝Complex﹞─由兩種以上上述 之運動型態結合而成的運動現象。
四、水分對黏土礦物地質土壤影響之 研究 1、黃瓊彪﹝1982﹞ 一般而言黏土礦物之脫水、吸水均在層間及表面進行，當水分進入層間時必使粘粒間之層間距離增大，使層間水分增多，此為內部膨脹。若粘粒表面吸附水分增加使其體積增加則為之外部膨脹。而內外部之膨脹作用，促使含黏土礦物之崩塌地土體產生膨脹濕潤而造成土體之不穩定。
2、洪如江﹝1988﹞ 其提出地下水位對邊坡穩定之影響： a、水壓作用於垂直裂縫﹝節理或張裂縫﹞ 下，會產生岩坡土堆被推向下方。 b 、上頂力作用於潛在滑動面時，其會降低 該面之剪阻力。 c 、頁狀結構礦物﹝尤其黏土礦物﹞會對其 礦物產生潤滑作用。 d 、地下水會溶解砂岩中之膠結物質，因此 造成邊坡穩定變差。 e 、其他物理與化學作用下，會使岩質、土 質變壞。
五、邊坡岩石與崩塌相關性之研究 李正義﹝1998﹞對達邦及賴頭崩塌地研究指出達邦邊坡南港層以頁岩為主，坋砂岩次之，而頁岩乃黏土礦物所聚集而成，其邊坡易受沖蝕、崩塌；坋砂岩卻能直立於崩塌區趾部，由此顯示同年代岩石之岩性，再不同空間分佈頗有差異。另賴頭崩塌地表土層粘粒及坋粒含量高、孔隙不發達，而崩積土質材料之泥質含量高，吸水後自然排出不易，遂造成大規模之土石崩塌。
研究材料與方法 一、崩塌地黏土礦物分析 1、粘粒樣品之分離與純化 2、比表面積測定 3、X-ray繞射鑑定黏土礦物試驗方法 二、室內剪力試驗 1、莫爾庫倫破壞準則 2、土壤剪力室內試驗
一、崩塌地黏土礦物分析 1、粘粒樣品之分離與純化 為分析本崩塌地黏土礦物是否具膨脹性而將其黏土礦物抽取、純化後並測其表面積。通常在膨脹性黏土礦物中如含蒙特石其表面積約為500m2/g，如含有蛭石其表面積約為80m2/g。
﹝1﹞黏土抽取及純化試驗方法：為去除碳酸 鹽類、有機質、游離氧化物等膠結物質， 而得純化之粘粒。 ﹝2﹞黏土抽取及純化試驗方法步驟： a、用40#篩100g土樣加入20mg偏磷酸納 將膠結物分散，放入攪拌機攪拌10分 使粘粒完全融解，後放入玻璃筒加入 去離子水至1000ml放置5hr使其沉澱。
b、抽量筒上端懸浮液13-15cm，並加入Cl2Na 絮聚使之沉澱反覆4-5次。 c、將絮聚粘粒液倒入玻璃瓶每一樣品倒2瓶， 以天秤秤等重。 d、放入離心機將其離心後將上清液倒掉。 e、去除碳酸鹽類： 加入醋酸鈉後放入水浴機加熱約半小 時，將玻璃瓶取出後冷卻後再離心將上清 液倒掉，反覆3次以完全去除碳酸鹽類。
f、去除有機質： 離心後之粘粒再加入H2O2，讓其反應後， 把玻璃瓶上入水浴機加熱至60度，使其充 分作用，反覆多次直至由有機質引起的暗 色已大量消失。 g、金屬氧化物之去除 先調製1：3的碳酸氫鈉、檸檬酸鈉拌和均 勻溶液pH=7.3，加入玻璃瓶後放入水浴機 加熱，並加入Na2SO4攪拌待樣品成灰色 狀後將上清液倒除，重覆上述步驟直到樣 品無紅棕色殘留。
h、冷卻後離心即得純化之粘粒樣品，已備作 比表面積測定及X-ray繞射前定位片之製 作。
2、比表面積測定 黏粒的比表面積和其化學特性有密切關係，而黏粒和極性分子之間的交互作用，為其最基本的性質。Brunauer、Emmett和Teller(1938)基於多分子吸附理論，導出一氣體吸附方程式，此簡稱為BET方程式，其可用於估測一層分子時所吸附分子的個數。
此方程式如下: P/[V(P0-P)]=1/(C*Vm)+P(C-1)/(C*Vm*P0) P 為壓力。 V P時所吸附之氣體體積。 P0 是在實驗溫度時之氣體飽和壓力。 Vm為全部表面積覆蓋單分子層所需之 氣體體積。
而 C=exp[E1-E2]/RT E1 為氣體凝結熱。 E2 為吸附第一層分子所需的吸附熱。 R 為氣體常數。 T 為絕對溫度。 在以後的研究中，由Dyal和HendrIcks(1950)提出利用乙二醇法來測定比表面積；Carter等(1965)提出利用乙二醇單乙酯法。此兩種方法均較常用且容易操作。
1、乙二醇法(ethylene glycol monoethyl ether,EG)測比表面積 a、秤取約0.5g土壤放入已秤重的鋁箔盒，放 入裝有P2O5乾燥劑的真空乾燥器中，抽 氣乾燥至恆重，取出秤其重量W1。 b、將少許的EG加入土壤中至濕潤狀，然後再 把鋁箔盒放在CaCl2-EG之混合物及P2O5乾 燥劑上的真空乾燥器中，抽氣乾燥。 c、靜置平衡二十四小時，再抽氣四十五分鐘， 如此反覆秤重直到恆重W2。 比表面積(m2/mg)=( W1-W2)/0.00031*樣品乾重
2、乙二醇單乙酯法(ethylene eglycol monoethyl ether， EGME)測比表面積 a、同乙二醇法 b、將少許的EGME加入土壤中至濕潤狀， 然後把鋁箔盒放在CaCl2-EGME之混合物 及P2O5乾燥劑，抽氣乾燥。 c、平衡三十分鐘後真空抽氣三十分鐘，靜 置四小時後秤重，此後反覆抽氣十分鐘， 靜置平衡四十分鐘後秤重，直至恆重W2。 比表面積(m2/mg)=( W1-W2)/0.000286*樣品乾重
3、X-ray繞射鑑定黏土礦物試驗方法 土壤中所包含的物質相當複雜，其中近乎百分之九十以上的無機礦物，這些礦物不可能單獨存在，故必須經過一些純化及分離過程才能以X─射線繞射儀分析所含結晶性礦物種類。一般做土壤礦物的X─射線繞射分析時，均選取粒徑小於2μm的粒子，因粒徑小於2μm的礦物粒子為黏土礦物的粒徑範圍。此粒徑範圍之黏土礦物有高嶺石 (kaolinite)、伊萊石 (illite)、蒙特石 (montmorillonite)、蛭石(vermiculite)與綠泥石(chlorite)等。
1、粘粒定位片之製備： a、鎂飽和 (a)、用0.5N HCL逐滴滴入懸浮液中，酸化 溶液至PH=3，以避免Mg(OH) 2沉澱。 再以1N Mg(OAC) 2溶液洗兩次後，1N MgCl2洗三次，然後用丙酮洗，直到 無鹽類存在。 (b)、吸取2ml 懸浮液滴於載玻片上，置 於含有乙二醇的培養皿，於60℃ 下 烘4小時，至定位片濕潤時，取出接 著進行X─射線繞射。
b、鉀飽和 (a)、和鎂飽和同一方法製作定位片，先 放在室溫中，乾燥後進行X─射線繞射。 (b)、將同一片載玻片，分別在室溫、350、 550℃ 處理下後，進行X─射線繞射。 c、 Mg飽和及K飽和定位片均做三片。 d、由電腦畫出的X─射線繞射圖，區分高嶺 石 (kaolinite)、伊萊石 (illite)、蒙特石 (montmorillonite)、蛭石(vermiculite)與綠 泥石 (chlorite)及含量的多寡。
二、室內剪力試驗 1、莫爾庫倫破壞準則 庫倫﹝Coulomb，1776﹞提出黏性土的抗剪強度為 τf = C + σtanφ τf：極限摩擦應力、抗剪強度或剪力強度 C ：凝聚力 σ：正向應力，σ= N/A φ：接觸面之摩擦角 此式是所謂的庫倫剪力強度破壞準則。
於應力分析時，常把應力莫爾圓與庫倫剪力強度破壞準則綜合討論，如圖三，莫爾圓與τf線相切時，土體應力處於極限平衡狀態，為此作為土壤的破壞準則，稱為莫爾--庫倫破壞準則﹝Mohr—Coulomb Failure Criteria﹞。但要注意的是包絡線並非直線，只是在一般的工程應力範圍接近直線。
2、土壤剪力室內試驗 為模擬現地土壤抗剪強度、求得工程參數C及φ值，以提供工程之穩定分析，如邊坡穩定、土壓力….等等。再實驗是主要以直接剪力及三軸試驗來模擬現場受剪情形。 a、直接剪力試驗 土壤於承受載重後，會發生破裂之現象，此係由於正應力及剪應力之組合而成為一臨界條件，土壤沿此應力之傾斜面發生破壞。直接剪力試驗目的即是決定土壤之凝聚力與內摩擦角。
測定時將土樣放於剪力盒中，於剪力盒四週添加蒸餾水，使其達到飽和狀態。將所需之垂直載重，以倍數增加之方法置於剪力盒上，啟動馬達以每分鐘1*10-4至2*10-4cm之速率推動下盒，當剪斷發生時或破壞面已達15%~20%時，讀與上盒連接之計力環數、水平、垂直方向測微記讀數等。測定時將土樣放於剪力盒中，於剪力盒四週添加蒸餾水，使其達到飽和狀態。將所需之垂直載重，以倍數增加之方法置於剪力盒上，啟動馬達以每分鐘1*10-4至2*10-4cm之速率推動下盒，當剪斷發生時或破壞面已達15%~20%時，讀與上盒連接之計力環數、水平、垂直方向測微記讀數等。 並應用統計直線迴歸方法求得其關係式，在以剪力為縱座標，正應力為橫座標，繪至破壞之包絡線，此線與縱軸之相交點即為凝聚力，與水平方向之交角即為內摩擦角。直剪儀如圖4。
b、三軸壓縮試驗 三軸壓縮試驗主要目的乃在於使用精密儀器來控制試驗條件，以便在模擬現地條件下測定土壤凝聚力C或內摩擦角φ，以決定土壤的強度。 由於土層中土壤承受的應力都是三向度的，利用鑽探或挖掘方法取出試體後，只有利用三軸試驗才能重現現地受力的情形，並模擬未來可能受力情況，進而試驗得到土壤的強度。
本試驗主要儀器包括： a、 三軸室，如圖5 b、 壓力機：提供軸壓之用 c、 圍壓系統 d、 孔隙水壓量測系統
本試驗結果包含試驗中試體所受剪應力τ與垂直應變εv之關係；當試體之初始斷面積為A0、初始高度為H0時，壓縮後高度之變化量為ΔH，則垂直應變εv為：本試驗結果包含試驗中試體所受剪應力τ與垂直應變εv之關係；當試體之初始斷面積為A0、初始高度為H0時，壓縮後高度之變化量為ΔH，則垂直應變εv為： εv =ΔH / H0 假設受壓後試體體積不變﹝亦即不排水試驗條件﹞、且測向變形是均勻的，則受壓後體積之斷面積A為： A= A0 / [1+εv]
當試體在準備階段承受均向壓力﹝亦即σ1P=σ2P=σ3P﹞或非均向試體﹝亦即σ1P≠σ2P=σ3P﹞作用後，在額外增加垂直力P於試體上面，始試體受剪破壞，則垂直應力增量Δσv為：當試體在準備階段承受均向壓力﹝亦即σ1P=σ2P=σ3P﹞或非均向試體﹝亦即σ1P≠σ2P=σ3P﹞作用後，在額外增加垂直力P於試體上面，始試體受剪破壞，則垂直應力增量Δσv為： Δσv = P / A 此時最大主應力σ1為： σ1 = σ1P +Δσv 由剪應力之基本定義即得剪應力τ為： τ= [σ1--σ3] / 2
為模擬現場土壤受力後，超額孔隙水壓不同的排水狀況，有下列主要三種實驗：為模擬現場土壤受力後，超額孔隙水壓不同的排水狀況，有下列主要三種實驗： 1、不壓密不排水三軸試驗﹝Unconsolidates Undrained Triaxial Test﹞簡稱UU試驗 若為飽和試體稱為SUU試驗；若為不飽 和試體稱為UUU試驗。 2、壓密不排水三軸試驗﹝Consolidates Undrained Triaxial Test﹞簡稱CU試驗 3、壓密排水三軸試驗﹝Consolidates Drained Triaxial Test﹞簡稱CD試驗
三軸壓縮試驗之主要類型為UU試驗、CU試驗、CD試驗三種，每一種試驗類型可分成兩個階段來實施。三軸壓縮試驗之主要類型為UU試驗、CU試驗、CD試驗三種，每一種試驗類型可分成兩個階段來實施。 第一個階段為預壓階段，當施加室壓至所需之壓力時，可選擇固結或不固結方式來處理試體。 第二階段為施剪階段，亦即改變軸差應力﹝σ1-σ3﹞使試體在剪應力[σ1-σ3] / 2增加後破壞，而任何軸差應力之改變可選擇排水或不排水方式進行。
結果與討論 1、實驗結果 2、預期結果與討論
實驗結果 1、實驗結果顯示，池上土壤含的黏土礦物中， 以雲母為主，高嶺石、蛀石及綠泥石次之。 2、在波峰7埃處，於550。C的處理下波峰消失， 顯示高嶺石的存在 3、在波峰 14埃處，於550。C的處理下波峰沒 有消失，顯示蒙特石、蛭石、綠泥石的存 在。
