書籍介紹
過去材料壓縮機制探討皆屬黏土層，但由磁環監測數據得知主控壓縮材料多屬砂土層，且由近幾年岩心資料得知砂土佔比達60％以上，本計畫利用土庫國中與秀潭國小岩心進行多項室內試驗，包含物性試驗、黏土壓密試驗、黏土透水試驗、砂土透水試驗、砂土波速量測、砂土K0反覆壓縮試驗。計畫成果特別在砂土波速量測，取不同深度土樣以不同應力下量測孔隙比與波速之關係，並建立經驗公式，未來降可應用於現地量測波速反推孔隙比與地層壓縮狀態。另一計畫重點成果為砂土層反覆壓縮試驗，試驗分為採現地地下水位變化（現地應力變化）為試驗週期，計算出各週期下的孔隙比與垂直應變的關係，對比同層的磁環數據趨勢相當吻合，並可推估出未來相同地下水變化週期下，可能達到穩定的時間與壓縮量；另一方法採固定水位變化（1、5、10、15m），反覆加載至穩定，藉此推估不同水位下可能達到穩定的時間與壓縮量。
目次
目 錄目-1
表 目 錄表-1
圖 目 錄圖-1
摘 要摘-1
AbstractA-1
結論與建議結-1
第一章 前言1-1
一、計畫緣起及目的1-1
二、計畫工作項目1-2
第二章 400m地質鑽探與HQ取樣2-1
一、鑽探點位選擇2-1
二、地質鑽探流程2-7
三、土壤物理性質試驗2-12
四、建置300公尺以下水位量測設備2-14
五、相關工作成果2-16
第三章 地層壓縮機制探討3-1
一、雲林地區地層下陷行為探討3-1
二、室內試驗儀器與方法3-11
三、室內試驗成果3-25
四、含水層砂土壓縮相關參數評估3-84
五、砂土考量震陷效應之壓縮模式應用3-118
六、一維黏彈塑性模式建構3-123
第四章 協助感知器或非常規試驗建置4-1
一、本計畫水壓計之PVC管埋設流程4-1
二、配合儀器安裝可能之問題(依6/28會勘內容探討，參見圖4-3)4-3
三、配合地下水水溫量測作業4-4
參考文獻參-1
編／著／譯者簡介
財團法人成大研究發展基金會
本計畫團隊組成有成功大學水工所、成功大學土木系、富國技術工程股份有限公司，成功大學水工所執行水利署地層下陷防治服務計畫達數十年，具有非常豐富地陷經驗，成功大學土木系具有室內土壤力學試驗豐富經驗，富國公司為大地工程與地質鑽探專業公司達35年，在深層地質鑽探與取樣能力充足與經驗豐富。
序言／導讀
一、400m地質鑽探與HQ取樣
本計畫完成秀潭國小400公尺HQ全取岩心，31支薄管取樣與100組土壤物性試驗，並建立此地區的岩心柱狀圖。地表至深度400公尺所鑽出岩心皆為未固結堆積層，從堆積層組成特性及層序，地表至地下400公尺可細分63層。本處岩心以黏土、泥及粉土層(31.8%)、極細砂及細砂層(43.0%)、中砂至極粗砂層(23%)為主，礫石層僅佔2.3%。地表至地表下400公尺深度主要構成由極細至粗砂為主(約66%)的堆積層。另經由岩心判識結果顯示於深度GL.-332.0~-372.1公尺主要為砂層，因此在鑽探孔內放置直徑1.5吋375公尺深PVC管，於GL.-351~-363公尺處開篩，上下阻水層均以皂土封層。管中並裝設電子式水壓計，建立自動化傳輸系統，掌握300公尺以下地下水位。
二、地層壓縮機制
(一)雲林地區地層下陷行為探討
濁水溪沖積扇地層依地調所(1999)水文地質架構可劃分為三層阻水層與四層含水層。Hung et al. (2012)依現場監測成果歸納1997至2010年，含水層壓縮貢獻量佔地層下陷量82.8%，且長期水壓波動與含水層砂土壓縮行為具高度正相關，有必要釐清含水層土壤材料受孔隙水壓波動致使壓縮之機制。本年度以雲林土庫國中與秀潭國中為目標，探討地層壓縮機制，對於粉土、黏土等低滲透性土壤，其壓縮行為主要以Terzaghi單向度壓密理論進行探討；砂土材料則考慮長期水壓波動造成之反覆有效應力變化產生之震陷行為(如摘圖1)進行評估，成果可作為相關單位進行地層下陷量預測及沉陷速率控制之參據。
摘圖1 震陷理論示意圖 (Johnson, 1986)
(二)室內試驗儀器與方法
計畫採用Chang and Chou(2019)提出之改良高壓K0壓密儀(參見摘圖2)，壓密儀三軸室同Rowe cell概念進行設計，維持試體K0狀態，具有可控水力邊界特點，可模擬土壤元素於地層下陷之應力狀態變化，探討地層壓縮機制與壓縮參數。
摘圖2 高壓K0壓密儀 (Chang and Chou，2019)
(三)室內試驗成果
K0反覆壓縮試驗模擬現地含水層地下水壓歷史變化，壓縮試驗成果與現場磁環監測結果一致，驗證含水層砂土壓縮主要受孔隙水壓反覆波動而引致(摘圖3)。含水層砂土材料於孔隙水壓波動情境下，呈現如Johnson(1986)提出之震陷壓縮行為，壓縮量隨水位升降幅度增加而增大，且隨作用次數逐步增加，塑性應變趨近於零。黏土建議以單向度壓密理論進行壓密量評估，而砂土則以考量震陷效應之砂土壓縮評估模式進行壓縮量評估。本年度室內試驗成果包括含水層及阻水層現地應力透水試驗14組、阻水層等應變速率單向度壓密試驗(CRS)10組、含水層室內波速量測10組與含水層K0反覆壓縮試驗10組，試驗成果提供詳細評估地層壓縮與水文分析之所需參數。
摘圖3 現地水壓縮試驗與磁環數據比對成果(試驗地區含水層3為例)
(四)含水層砂土壓縮相關參數評估
現場含水層砂土孔隙比為關鍵因子，且壓縮量之控制關鍵在於反覆水壓升降幅度與作用次數，其關係則可透過週期性水壓加載試驗推估，以評估試驗地區各層含水層受長期水壓波動時產生之壓縮量，建立不同孔隙比(e)與孔隙水壓波動幅度(Δu)下之震陷參數數值。本年度計畫成果可內插計算取得震陷參數(a、b與Nstable值， 詳第三章)，可用於估算試驗地區各含水層受水壓波動幅度、反覆加載次數等因素引致之壓縮量變化，進而取得各含水層分層壓縮特性，並建立不同用水情境下，雲林試驗地區含水層因孔隙水壓波動造成之壓縮量預測模式。
(五)砂土考量震陷效應之壓縮模式應用
基於本年度提出之砂土壓縮評估模式，可估算各含水層受水壓波動幅度、反覆加載次數等因素引致之壓縮量變化，以試驗區域土庫之含水層3砂土為例，其砂層厚度約63m，推估孔隙比約0.510，可推估最大震陷應變、總壓縮量與穩定時間(如摘表1)。考量水土資源合理利用、產業與生態均衡發展、控制地層下陷速率等因素，與合理利用地下水之前提下，本計畫對於孔隙水壓波動引起之震陷壓縮量評估方法，有助於相關單位訂定每年地層下陷速率控制之目標，作為地下水減抽管理之依據。
摘表1 土庫地區含水層3震陷壓縮量估算成果
水位升降幅度Δu (m) 初始孔隙比e0 震陷a值 震陷b值 穩定作用次數
NStable 最大震陷應變εp,max 總壓縮量
(cm) 穩定時間
(年)
1
0.510 0.84 -2.99 31.8 0.177 11.2 32
5
0.82 -2.91 56.8 0.230 14.5 57
10
0.81 -2.81 87.9 0.290 18.2 88
15
0.79 -2.71 119.1 0.344 21.7 119
(六)一維黏彈塑性模式建構
本計畫另建置完成因地下水位洩降引致土層壓密或壓縮之一維黏彈塑性數值模式，採用本計畫至400公尺深度最新之岩心鑑定成果，以給定模式計算所需之土壤分層資料，並以實測之地下水位及地層下陷資料進行參數之率定驗證。成果顯示在考慮土層黏彈塑性之變形機制，可準確模擬出現地之地層下陷變化情勢。後續可進一步採用本地層下陷模式，配合即時之地下水位觀測資料，進行地層下陷變化情勢之預測作業。
分類
其他詳細資訊
- 適用對象：成人(學術性)
- 關鍵詞：地層下陷，孔隙水壓波動，震陷理論，土壤壓縮參數調查，砂土壓縮評估方法
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