thesis

國立高雄科技大學 營建工程系

實務專題 深開挖沉陷分析預測方式之檢討

營建4A 0412061 楊程凱 營建4A 0412087 陳客樺 營建4A 0412029 陳志剛 指導教授：范嘉程 教授

中 華 民 國 一 ○ 七 年 十 二 月

營建系 實務專題課程 學生核心能力達成度自評表 ◆ 實務專題(Capstone)課程是本系大學教育最後的學習經驗，讓學生統整與深化大學所學，穩固 學習，並藉此課程來檢視畢業生核心能力。 ◆ 實務專題(Capstone)課程要求學生能夠團隊合作、動手做、整合所學。 ◆ 此自評表由各組每位學生填寫，並置於實務專題書面報告內頁第一頁供評分老師參考。 姓

名

指 導 教 授

楊程凱

學

號

0412061

范嘉程 教授

專 題 題 目 核心能力 1. 運用數學、科學及工程知識 以發掘、分析及處理問題的 能力。

2. 執行實驗及分析的能力。

3. 執行工程實務所需技術、技 巧及使用工具之能力。

4. 具設計營建工程系統、元件 或流程的能力。

5. 計劃管理、溝通與團隊合作 的能力。 6. 持續學習以瞭解工程技術對 環境、社會及全球影響的能 力。

7. 理解專業倫理及社會責任。

深開挖沉陷分析預測方式之檢討 請就核心能力達成方式及達成程度以文字簡要說明 將數據統整計算後，匯入Grapher軟體繪製圖表， 並探討及分析其結果。(95%)

以原有施工計畫書之沉陷槽經驗預測及實際數據比較，再繪 製其地層類型、擋土類型等數據，分析及探討。(80%)

判別施工計畫圖數據，並將數據統整後，以Grapher 軟體，將數據繪製成圖。(90%) 藉由數據分析，判斷目前台北使用之沉陷量預測方式，是否 同樣也能在高雄運用。(80%)

與組員定期討論，相互監督其進度並探討其負責數據。(95%)

沉陷會連帶影響鄰房，設計時若錯估，會引起鄰房糾紛 以及人身安全及財物損失。(85%)

判斷其正確數據，為專業倫理，不應無法定規範，就簡略探討 ，應深入研究，為社會責任。(90%)

營建系 實務專題課程 學生核心能力達成度自評表 ◆ 實務專題(Capstone)課程是本系大學教育最後的學習經驗，讓學生統整與深化大學所學，穩固 學習，並藉此課程來檢視畢業生核心能力。 ◆ 實務專題(Capstone)課程要求學生能夠團隊合作、動手做、整合所學。 ◆ 此自評表由各組每位學生填寫，並置於實務專題書面報告內頁第一頁供評分老師參考。 姓

名

指 導 教 授

陳客樺

號

0412087

范嘉程 教授

專 題 題 目 核心能力 8. 運用數學、科學及工程知識 以發掘、分析及處理問題的 能力。

9. 執行實驗及分析的能力。

10. 執行工程實務所需技術、 技巧及使用工具之能力。

11. 具設計營建工程系統、元 件或流程的能力。

12. 計劃管理、溝通與團隊合 作的能力。 13. 持續學習以瞭解工程技術 對環境、社會及全球影響的 能力。 14. 理 解 專 業 倫 理 及 社 會 責 任。

學

深開挖沉陷分析預測方式之檢討 請就核心能力達成方式及達成程度以文字簡要說明 以實際沉陷數據分析並繪製圖表，進而探討預測方式是否能 合適地應用在高雄。(90%)

以原有施工計畫書之沉陷槽經驗預測及實際數據比較，再繪 製其地層類型、擋土類型等數據，分析及探討。(85%)

使用Grapher軟體將數據繪製成圖表，分析沉陷槽預測是否 合理。(80%)

藉由數據分析檢討原有經驗公式，判斷經驗公式是否適用於 實際案例。(80%)

每周小組討論，規劃專題進度並檢討問題，找出方法解決。(95%)

檢討原有預測方式，正確的預測方式能使工程安全並順利地 進行，因此對於不同地區土層之瞭解需非常清楚。(85%)

應該以嚴謹的態度面對每一次工程施做之決策，履行應有的 社會責任。(90%)

營建系 實務專題課程 學生核心能力達成度自評表 ◆ 實務專題(Capstone)課程是本系大學教育最後的學習經驗，讓學生統整與深化大學所學，穩固 學習，並藉此課程來檢視畢業生核心能力。 ◆ 實務專題(Capstone)課程要求學生能夠團隊合作、動手做、整合所學。 ◆ 此自評表由各組每位學生填寫，並置於實務專題書面報告內頁第一頁供評分老師參考。 姓

名

指 導 教 授

陳志剛

學

號

0412029

范嘉程 教授

專 題 題 目

深開挖沉陷分析預測方式之檢討

核心能力 1. 運用數學、科學及工程知識 以發掘、分析及處理問題的 能力。

2. 執行實驗及分析的能力。

3. 執行工程實務所需技術、技 巧及使用工具之能力。

4. 具設計營建工程系統、元件 或流程的能力。

請就核心能力達成方式及達成程度以文字簡要說明 以實際沉陷數據進行分析探討、繪製圖表， 進而分析預測數值是否合理適用。(83%)

以原有施工計畫書之沉陷槽經驗預測及實際數據比較， 再繪製其地層類型、擋土類型等數據，分析及探討。(80%) 從施工計畫書中獲取數值，統整數值後，使用Grapher軟體 ，繪製圖表，藉此判別沉陷預測值是否合理。(60%)

由獲取的數據分析探討，判別原經驗公式是否適用於各個 案例。(80%) 。

5. 計劃管理、溝通與團隊合作 每周固定約時間討論，規劃專題進度，遇到問題向老師請教 的能力。 6. 持續學習以瞭解工程技術對 環境、社會及全球影響的能 力。

7. 理解專業倫理及社會責任。

並解決。(93%)

檢討改進原有預測方式，正確的經驗公式使用，能使工程更 順利安全。(80%)

不適用的預測數值可能導致人財損失，嚴謹面對每個工程師 所做的每項決策都很重要，應履行應有的社會責任。(88%)

目錄 第一章 緒論 1.1 前言

1

1.2 研究動機

1

1.3 研究目的

1

第二章 文獻回顧 2.1 開挖引致之地表沉陷分析之經驗

2

2.2 最大沉陷量和壁體最大側向位移量之比值關係

3

2.3 地表最大沉陷量之預測

4

2.4 監測儀器之裝置測讀方法

5~6

第三章 研究構想及研究方法 3.1 研究內容

7

3.2 研究方法

7~10

3.3 案例總表

11

3.4 最大沉陷量和壁體最大側向位移量案例分析

12

3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 3.4.9

案例之SPT-N值分析 開挖深度(m)分析 地質類型分析 基地面積分析 連續壁長度分析 連續壁厚度分析 開挖深度與連續壁長度之比值分析 地下水位分析 沉陷槽分析

13 14 15 16 17 18 19 20 21

第四章 結論

22

參考文獻

23

附錄

24~33

第一章 緒論 1.1 前言 歐章煜、謝百鉤教授以經驗公式預測台北盆地深開挖引致之地表沉陷這本 書得知,高雄多家撰寫施工計畫書的專業廠商,皆由此書引用凹槽型地表最大 沉陷點處之距離在開挖深度的一半,且在主要影響區內。 此專題主要探討，藉由台北盆地的經驗值預測方式與高雄實際沉陷數據比較 之分析。

1.2 研究動機 在高雄區域建設,因無較為準確之最大地表沉陷數值預測,僅可從建案的施 工計畫書依照經驗法則得知,沉陷槽、最大沉陷量與壁體最大側向位移之比值 的數值,藉由多個建案發現施工計畫書內的沉陷槽、最大沉陷量與與壁體最大 側向位移之比值的數值大多都與實際監測數值有些許出入,進而探討及研究。

1.3 研究目的 希望能檢討現階段在高雄區域做深開挖所引用的經驗公式是否合理? 當施工在高雄地區做深開挖時,本專題相關數據可做為參考用,來減少錯估的 機率。 基地深開挖之後常造成道路沉陷與鄰房房屋龜裂甚至倒榻,可利用觀測系統 來監測,測得之觀測數據,用來分析是否可繼續開挖或停工或者採用適切的施 工方法來做道路與鄰房之補強,進而確保鄰房與道路安全,以避免造成鄰房之 糾紛。

1

第二章 文獻回顧 2.1 開挖引致之地表沉陷分析之經驗 毆章煜和謝百鉤(1996): 根據毆章煜等人所收集台北盆地六個產生三角槽型沉陷曲線的開挖案例, 採用回歸分析方法,取各取線的平均值加一個標準偏差估計,得二線段 連結而成的三角槽型沉陷預估曲線如圖 2-1之a-b-c。 對於凹槽型地表沉陷剖面,如圖 2-2 表示,除須確立主要影響區的範 圍及最大沉陷量外,尚須知最大沉陷發生位置及壁體處之沉陷量,才能預 測其分佈的情形,從案例研究的經驗, 凹槽型沉陷形式壁體處的沉陷量 可以 0.5δvm估計。

圖 2-1 三角槽型沉陷曲線預測圖(適用在砂質及堅硬黏土) 資料來源: 毆章煜和謝百鉤(1996)

圖 2-2 凹槽型地表沉陷預測曲線(適用在軟弱黏土) 資料來源: 毆章煜和謝百鉤 ,1996,地工技術第53期。 2

2.2最大沉陷量和壁體最大側向位移量之比值關係 Mana和Clough(1981)曾有建立地表最大沉陷量和壁體最大側向 位移量之比值關係建議為0.5-1之間如圖2-3。毆章煜等人亦曾 根據台北盆地開挖案例的觀測結果，建立δvm和δhm的關係，如 圖2-3所示，圖中亦包括Mana和Clough的資料，顯示對大部分的開 挖案例，δvm等於(0.5至0.75) δhm，但對軟弱的土壤，δvm 有時可能達1.0δhm以上。分析的城市有舊金山、芝加哥、奧斯陸 和台北之開挖資料。

圖 2-3 Mana和Clough壁體最大側 向位移量和地表最大沉陷量 之預測關係曲線資料來源: Mana和Clough(1981)

3

2.3地表最大沉陷量之預測 影響地表沉陷的因素非常複雜，除了開挖施工不良及抽取地下 水等因素外，地表沉陷和擋土壁體的側向位移都是因開挖造成開 挖區內外土壓力不平衡所引制的，其大小皆和土層狀況、地下水 位、開挖的幾何形狀、開挖的順序、開挖時間長短、鄰近的建築 物情形、擋土壁的形式、深度及勁度、支撐的形式、支撐預力的 大小和預力施加的時機等有關，其不僅影響地表沉陷的大小，同 時亦影響壁體側向位移的大小，因此地表沉陷量的大小和壁體側 向位移量的大小應有密切的關係。 當擋土壁體發生側向位移，其背後及為周為土壤所填充，因而 引致地表沉陷，根據Milligan的研究指出:在軟弱飽和土壤不排水 條件下開挖，壁體側向位移所涵蓋的體積約等於地表沉陷所涵蓋 的體積。

4

2.4 監測儀器之裝置測讀方法 1.沉陷觀測點(埋設於地表面或建築物)： 如圖2-4用精密水準儀以水準標點為起始作環形高程測量，以測得各 沉陷釘之高程，並將該高程與沉陷釘之初始標高相比較即可得沉陷 量。

圖 2-4 沉陷釘(點)

2.壁體傾斜管: 傾斜儀設備分別數位式資料擷取器、探測桿、電纜線與傾斜管，探測 桿長約1m，上下端有兩對具彈簧之滑輪組，若地層產生位移，即可由 雙軸感應器連動透過訊號電壓轉換得到傾斜角度；電纜線主要功能為 將探測桿資料連結至擷取器，纜線內含鋼索，防止因放入傾斜管內後 自重產生變形，每0.5公尺有橡膠標記，便於每次量測固定同樣位置； 該傾斜儀並無法直接測得位移量，係利用傾斜觀測管的傾斜角度θ， 與滑輪組之間距L，進行相對水平距離Lsinθ換算，並由連續量測孔 內各段距離角度θ1、θ2、θ3…θn，累加各相對水平距離為ΣLsinθ ＝Lsinθ1+Lsinθ2+Lsinθ3+…+Lsinθn，即得累積偏差，並與第一 次量測初始值比較，則可畫出深度與位移在不同時間的變位情形。

5

圖 2-5 傾斜管監測原理

圖 2-6 傾斜管

圖 2-7 資料擷取器、探測桿、電纜線 6

第三章

研究構想及研究方法

3.1研究內容: 先做建案土層地質分析,以沉陷槽、最大沉陷量與壁體最大側 向位移量的關係等來運用繪圖圖表來評估其安全性。 使用實測值與經驗值之建築深開挖最大沉陷量(槽)和連續壁 壁體最大側向位移與最大沉陷量的比值做比照分析,進而得知 高雄市現階段深開挖所運用的經驗公式,安不安全?

3.2研究方法: 本案例深開挖會影響沉陷的監測有下列幾項觀測作為安全性評估: 1. 沉陷點觀測-施作在工地四周,依測量得知周邊鄰房與道路地面是否 有下陷,可依沉陷點管制圖與軟體繪圖圖形得知,是否達經驗之行動 值,並知道最大沉陷點位置與預測之經驗值最大沉陷點做比較,並由 每次開挖後運用繪圖圖形做沉陷槽之分析評估,判別是否安全之評 估。

7

圖3.1沉陷槽經驗曲線

2. 壁體傾斜管觀測-施作在連續壁體內,測量出觀測值,可依軟體繪製圖 形得知是否達經驗值之警戒值與行動值,並與沉陷點觀測值繪出 相關之比值進而分析與評估最大沉陷量與壁體最大側向位移量的 關係。

8

圖3.2沉陷控制點示意圖

圖3.3傾斜管觀測系統平面示意圖

9

3.地質鑽探分析- 外業:地質鑽探、地質取樣、地下水位調查、調查 記錄表、其他地質調查方式。 地質鑽探調查主要在提供建築結構設計最基本需求資訊，一般大地 工程專業技師尚會透過更多地質資料及調查成果作為更深入之地質 研判分析，經濟部中央地質調查所亦有全台各地完整之地質資料庫供 調閱參考，地質鑽探調查除了提供建築設計基本資料外，對於施工周 邊的現有設施仍具有積極作為施工期間安全保護的功用，許多重大都 會交通建設均透過地質鑽探調查成果作為主要之施工保護設計，期使 開發建築在安全無虞下順利完成。 4.施工計畫書之建築物概要、結構與施工法概要-以施工計畫書之基 地面積、開挖深度、擋土壁厚度、擋土壁長度等資料繪製圖表，進而 分析影響沉陷大小之因素。

10

3.3案例總表

工程名稱: 1. 三民區-德北段

2.苓雅區-永裕街

3. 左營區-新華段

4.鳳山區-華鳳段

5. 鳳山區-五甲段

6.旗津區-壁田段

7. 仁武區-澄德段

8.鳳山區-福誠段

9. 左營區-福山段

10.前鎮區-瑞岡段

藉由各種不同的分析進而討論實際案例與預測值之差異原因: 1.SPT N值 2.開挖深度(m) 3.基地面積 4.地質類型 5.連續壁長度 6.連續壁厚度 7.地下水位 8.開挖深度與連續壁長度比值

11

3.4最大沉陷量和壁體最大側向位移量案例分析 在高雄市數個案例中以傾斜管與沉陷點距離接近之點位做為分析 依據，以圖 3-4 為例，高雄的多個案例均大於 δvm=0.5δhm 的經驗 預測值，其分佈較多在 δvm=0.75δhm 與 δvm=1.0δhm 之間，因此 可得出目前沉陷槽曲線均為低估。

圖 3-4 最大沉陷量和壁體最大側向位移量案例分析圖

12

3.4.1 案例之 SPT-N 與沉陷量大小之探討 以開挖深度面以上之 SPT-N 值取平均做為分析依據。以圖 3-5 為例，因 SPT-N 值在此分析圖上，無規則的分佈於 δvm=0.5δhm 與 δvm=1.25δhm 的區間內，如只單一探討 SPT-N 值，較難得出 SPT-N 值對於沉陷量之影響。

圖 3-5 SPT-N 值分析圖

13

3.4.2 開挖深度(m)與沉陷量大小之探討

依據施工計畫書之開挖深度為分析依。由圖 3-6 可看出不同的開挖 深度在各區間均有分布，若要單以開挖深度為分析依據，我們較難看 出開挖深度與沉陷量大小有無關係。

圖 3-6 開挖深度(m)分析圖

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3.4.3 地層類型與沉陷量大小之探討

依據施工計畫書之地質鑽探及試驗結果成果表為分析依據，以各個 案例，相同之土壤類型達 50%以上做為代表此地層性質的標準，進而 探討地層類型與沉陷量大小之關係，由圖 3-7 為例，可看出 CL 之地 層類型案例較少，因此較難得出地層類型與沉陷量大小之直接關係。

圖 3-7 地層類型分析圖

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3.4.4 基地面積與沉陷量大小之探討

依據施工計畫書之基地面積大小為分析依據，由圖 3-8 為例，不同 案例之基地面積均有些點位落在 δvm=1.25δhm 以上，如單以基地面 積大小做為分析考量，分布情況較難看出與沉陷量大小之關係。

圖 3-8 基地面積分析圖

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3.4.5 連續壁長度與沉陷量大小之探討

依據施工計畫書之連續壁長度為分析依據。如單一分析連續壁長度， 較難看出與沉陷量大小之關係，不過由圖 3-9 為例，分布情況我們可 看出藉由鋼板樁之擋土工法其分布 3/4 以上都在 δvm=δhm 或 δvm=1.25δhm 以上，由此可得出鋼板樁之勁度低、變形量較大為影 響沉陷量大小之重要因素。

圖 3-9 連續壁長度分析圖

17

3.4.6 連續壁厚度與沉陷量大小之探討

依據施工計畫書之連續壁厚度為分析依據。由圖 3-10 為例，分布 情 況 我 們 可 看 出 藉 由 鋼 板 樁 之 擋 土 工 法 其 分 布 3/4 以 上 都 在 δvm=δhm 或 δvm=1.25δhm 以上，由此可得出鋼板樁之勁度低、變 形量較大為影響沉陷量大小之重要因素。

圖 3-10 連續壁厚度分析圖

18

3.4.7 開挖深度與連續壁長度之比值分析

依據施工計畫書之開挖深度與連續壁長度為分析依據。由圖 3-11 為例，開挖深度與連續壁長度之比值為 0.5~0.6 者通常分布於 δvm=0.75δhm 至 δvm=1δhm 之間，另外我們可看出藉由鋼板樁之 擋土工法其分布 3/4 以上都在 δvm=δhm 或 δvm=1.25δhm 以上，由 此可得出鋼板樁之勁度低、變形量較大為影響沉陷量大小之重要因 素。

圖 3-11 開挖深度與連續壁長度之比值分析圖 19

3.4.8 地下水位與沉陷量大小之探討

依據施工計畫書之地質鑽探及試驗結果成果表之地下水位為分析 依據。一般而言，當地下水位越高，其沉陷量越明顯。不過由圖 3-12 為例，分布可看出各個深度的地下水位均勻分布在圖上，只單一比較 地下水位，較難看出地下水位與沉陷量大小之關係。

圖 3-12 地下水位分析圖

20

3.4.9 沉陷槽分析

由相同案例並使用不同沉陷槽類型分析，當使用三角槽型沉陷槽分 析時可由圖 3-13 中看出實際曲線為低估，而圖 3-14 使用凹槽型沉陷 槽時沉陷量卻在安全範圍內。 以圖 3-14 為例，此案例土壤類型為粉土質砂土，應使用三角槽型 沉陷槽作為分析依據，而非凹槽型沉陷槽，因此可得知不同土層類型 應使用不同的經驗曲線。

圖 3-13 三角槽型沉陷槽

圖 3-14 凹槽型沉陷槽

21

第四章 結論 經由最大沉陷量和壁體最大側向位移量案例分析，進 而探討出以下幾點結論。 1. 高雄的多個案例均大於δvm=0.5δhm的經驗預測值，其 分佈較多在0.75-1.0之間。 2. 分 析 顯 示 由 鋼 板 樁 做 為 擋 土 設 施 之 案 例 大 部 分 位 在 δvm=δhm 和 δvm=1.25δhm 區間上。 3. 因此判斷原因可能為鋼板樁之勁度低、變形量較大，導 致對比連續相對沉陷量較大。 4. 結果顯得經驗值相對保守，經驗公式僅可做為參考用。 5. 高雄多家撰寫施工計畫書的廠商多使用凹槽型沉陷槽之 經驗曲線去評估沉陷預測值，卻未考慮土層類型不同所對應 得沉陷槽類型，故預測值與實際值有所差異。

22

參考文獻 1.毆章煜和謝百鉤 ,1996,地工技術第53期。 2.林宏達、廖洪鈞、歐章煜,2000,深開挖工程設計與施工實務深開挖引致地表 沉陷之預測。

3.http://www.arch.net.tw/modern/month/431/431-1.htm(經濟部水利署水利 規劃試驗所/傾斜管監測於大地工程之應用/蔡宗翰) 。

4.http://www.geokon.com/6015 (Horizontal Inclinometer Probe | Model 6015) 。

5.http://www.deepexcavation.com/en/Geotechnical-instrumentation-moni toring-Slope-inclinometer (deepexcavation/ Slope inclinometers/ 1st EuropeanDeepExcavation/DesignWorkshop/Dec.3-4th,2018/Bucharest,Romani a) 。

6.http://www.sireggeotech.it/fr/products/tubes-inclinom%C3%A8tres-et -soniques (sireggeotech/ Home » Products » Tubes inclinomètres et soniques » Tubes inclinomètres et soniques) 。

7.https://durhamgeo.com/product/digitilt-classic-inclinometer-system /(durhamgeo/ Home»Products»Geotechnical Instrumentation»Inclinometers Digitilt Classic Inclinometer System) 。

8.www.sinogeotech.com.tw/web/internet/tw/ (地工技術雜誌/第 101 期/ 2004/ 9 月/樁基礎之沉陷問題淺論/陳斗生) 。

9.http://www.twce.org.tw/modules/freecontent/include.php?fname=twce/ paper/812/2-1.htm (技師報/中華民國一○一年六月三十日/擋 土 牆/任 英) 。

23

附錄 A

案例(三民區-德北段)

A-1.建築物蓋要

24

A-2.結構與施工法概要

25

圖 附錄-1. 案例1(三民區-德北段)之觀測系統平面示意圖

26

圖 附錄-2.案例 1(三民區-德北段)之地表沉陷點量測值圖表

27

圖 附錄-3. 案例1(三民區-德北段)之傾斜管量測曲線圖 SI-1 28

圖 附錄-4.案例1(三民區-德北段)之傾斜管量測曲線圖 SI-3 29

A-3.案例1(三民區-德北段)沉陷點與連續壁距離沉陷槽圖表繪製

圖 附錄-5. 案例1(三民區-德北段)之沉陷點與連續壁距離沉陷槽圖

30

A-4.案例 1 之土層地質分析

圖 附錄-6. 案例 1(三民區-德北段)之 B5 地質鑽探及土壤試驗成果圖表

31

圖 附錄-7. 案例 1(三民區-德北段)之 B19 地質鑽探及土壤試驗成果圖表

32

A-5.支撐剖面圖

圖 附錄-8. 案例 1(三民區-德北段)之支撐剖面圖

33