進階深開挖工程分析與設計

本書  序 ／ Ⅰ
原專書  序 ／ Ⅲ

第一章  土壤的力學特性與開挖分析方法 ／ 1
1.1  前  言 ／ 2
1.2  有效應力原理 ／ 2
1.3  土壤之破壞 ／ 4
1.3.1  Mohr-Coulomb破壞理論 ／ 4
1.3.2  常用的室內強度試驗法 ／ 6
1.3.3  應力路徑及應力路徑試驗 ／ 8
1.4  排水剪力強度特性及強度參數 ／ 10
1.5  飽和粘土的不排水剪力強度特性及參數 ／ 16
1.5.1  不排水剪力強度的基本原理 ／ 16
1.5.2  不排水剪力強度的特性 ／ 18
1.5.3  求取不排水剪力強度的方法 ／ 22
1.6  不飽和粘土的不排水剪力強度特性 ／ 28
1.7  土壤強度、體積變化與孔隙水壓力關係 ／ 29
1.8  土壤的變形行為 ／ 32
1.8.1  降伏及降伏應力 ／ 32
1.8.2  各種彈性模數的定義 ／ 35
1.8.3  排水與不排水行為的楊氏模數 ／ 36
1.8.4  楊氏模數特性 ／ 37
1.8.5  柏松比 ／ 40
1.9  大地工程分析方法 ／ 41
1.9.1  排水行為與不排水行為 ／ 41
1.9.2  排水分析 ／ 42
1.9.3  有效應力不排水分析 ／ 43
1.9.4  總應力不排水分析 ／ 45
1.10  深開挖工程土壤應力路徑 ／ 46
1.11  摘要與結論 ／ 52
習題 ／ 54

第二章  側向土壓力 ／ 57
2.1  前  言 ／ 58
2.2  靜止土壓力 ／ 58
2.3  Rankine土壓力理論 ／ 59
2.4  Coulomb土壓力理論 ／ 63
2.5  土壓力理論綜合討論 ／ 65
2.5.1  位移與土壓力 ／ 65
2.5.2  Rankine和Coulomb土壓力的異同 ／ 67
2.5.3  土壓力理論的可靠性及其他解法 ／ 67
2.6  設計用土壓力 ／ 72
2.6.1  凝聚性土壤 ／ 72
2.6.2  非凝聚性土壤 ／ 74
2.6.3  互層土壤 ／ 76
2.6.4  傾斜地表 ／ 76
2.6.5  地表載重 ／ 79
2.6.6  滲  流 ／ 82
2.6.7  地震力 ／ 84
2.7  摘要與結論 ／ 87
習題 ／ 89

第三章  穩定分析 ／ 93
3.1  前  言 ／ 94
3.2  安全係數的決定 ／ 94
3.3  底面剪力破壞 ／ 95
3.4  自由端支撐法及固定端支撐法 ／ 99
3.5  支撐式擋土壁之底面剪力破壞 ／ 100
3.5.1  土壓力平衡法─載重安全係數 ／ 100
3.5.2  土壓力平衡法─強度安全係數 ／ 104
3.5.3  土壓力平衡法─尺寸安全係數 ／ 104
3.5.4  Terzaghi法 ／ 104
3.5.5  Bjerrum and Eide法 ／ 106
3.5.6  滑動圓法 ／ 109
3.5.7  底面剪力破壞分析方法討論 ／ 111
3.5.8  案例研究 ／ 119
3.6  懸臂式擋土壁之破壞 ／ 128
3.7  粘性土壤之上舉力破壞 ／ 136
3.8  砂質土壤之砂湧 ／ 139
3.8.1  砂湧發生的機制與安全係數 ／ 139
3.8.2  砂湧案例研究 ／ 143
3.9  摘要與結論 ／ 146
習題 ／ 148

第四章  應力及變形分析─簡化分析法 ／ 153
4.1  前　言 ／ 154
4.2  連續壁施工引致之地表沈陷分析 ／ 155
4.3  開挖引致之擋土壁的變形特性 ／ 157
4.3.1  塑性隆起（底面剪力破壞）安全係數與土壤強度 ／ 157
4.3.2  開挖寬度 ／ 159
4.3.3  開挖深度 ／ 159
4.3.4  擋土壁貫入深度 ／ 159
4.3.5  擋土支撐系統勁度與擋土壁厚度 ／ 160
4.3.6  支撐勁度 ／ 160
4.3.7  支撐間距 ／ 162
4.3.8  支撐預力 ／ 163
4.4  開挖引致之開挖面隆起特性 ／ 164
4.5  開挖引致之地表沈陷特性 ／ 165
4.5.1  地表沈陷型式 ／ 165
4.5.2  沈陷影響範圍 ／ 168
4.5.3  最大沈陷發生位置 ／ 170
4.5.4  最大地表沈陷量 ／ 170
4.5.5  地表沈陷與地盤沈陷關係 ／ 171
4.6  變形與時間的關係 ／ 172
4.7  開挖引致之擋土壁變形分析 ／ 174
4.8  開挖引致之底面隆起分析 ／ 177
4.9  開挖引致之地表沈陷分析 ／ 178
4.9.1  Peck法 ／ 178
4.9.2  Bowles法 ／ 179
4.9.3  Clough and O'Rourke法 ／ 180
4.9.4  Ou and Hsieh法 ／ 180
4.9.5  各種預測方法比較 ／ 181
4.10  三向度行為 ／ 185
4.11  應力分析 ／ 187
4.11.1  支撐之應力分析─視土壓力法 ／ 187
4.11.2  懸臂式擋土壁之應力分析 ／ 191
4.11.3  支撐式擋土壁之應力分析─假設支點法 ／ 192
4.12  摘要與結論 ／ 202
習題 ／ 204

第五章  應力及變形分析─有限元素法 ／ 209
5.1前  言 ／ 210
5.2  有限元素法介紹 ／ 211
5.2.1  線彈性行為 ／ 211
5.2.2  元素的種類 ／ 215
5.2.3  塑性行為的考慮 ／ 217
5.2.4  非線性行為的考慮 ／ 220
5.2.5  決定初始應力 ／ 220
5.2.6  施工程序的模擬 ／ 225
5.2.7  驗證 ／ 226
5.3  有效應力分析法與總應力分析法 ／ 226
5.4  常用的土壤模式及參數 ／ 229
5.4.1  MC模式─線彈性彈塑性模式 ／ 230
5.4.2  DC模式─非線性彈性模式 ／ 235
5.4.3  MCC模式 ／ 240
5.4.4  HS模式 ／ 243
5.4.5  小應變模式 ／ 248
5.5  結構材料模式及參數 ／ 253
5.6  網格的劃分 ／ 256
5.7  直接分析法與反算分析法 ／ 258
5.8  平面應變分析與三向度分析 ／ 259
5.9  強度折減法穩定分析 ／ 261
5.10 摘要與結論 ／ 262

第六章  應力及變形分析─彈性基礎梁法 ／ 265
6.1  前  言 ／ 266
6.2  分析原理 ／ 266
6.3  力學計算 ／ 268
6.4  土壓力的分佈 ／ 274
6.5  地盤反力係數特性及推估 ／ 275
6.6  地盤沈陷的計算 ／ 278
6.7  彈性基礎梁法應用上的限制 ／ 279
6.8  電腦程式的應用 ／ 279
6.8.1  確認程式的應力計算方式 ／ 279
6.8.2  確認土壓力的計算方式 ／ 281
6.8.3  以有效應力法撰寫的程式的使用 ／ 281
6.8.4  以有效應力法及總應力法撰寫的程式的使用 ／ 283
6.8.5  常用的分析軟體介紹 ／ 283
6.9  摘要與結論 ／ 284
習題 ／ 285

第七章  開挖降水作業 ／ 290
7.1  前  言 ／ 290
7.2  開挖降水的目的 ／ 290
7.3  降水方法 ／ 293
7.3.1  集水坑或集水溝法 ／ 293
7.3.2  深井法 ／ 294
7.3.3  點井法 ／ 296
7.4  水井公式 ／ 298
7.4.1  受限含水層 ／ 300
7.4.2  自由含水層 ／ 307
7.4.3  群井抽水 ／ 310
7.5  水槽公式 ／ 311
7.6  現地抽水試驗 ／ 312
7.6.1  分級抽水試驗 ／ 313
7.6.2  定量抽水試驗 ／ 314
7.7  開挖降水計畫 ／ 317
7.7.1  降水工法的選擇 ／ 317
7.7.2  水理參數的決定 ／ 317
7.7.3  水井抽水容量的估計 ／ 318
7.7.4  抽水井數量之計算 ／ 319
7.7.5  洩降影響範圍的計算 ／ 321
7.8  降水與地盤沈陷 ／ 322
7.9  摘要與結論 ／ 333
習題 ／ 335

第八章  擋土結構元件設計 ／ 337
8.1  前  言 ／ 338
8.2  設計方法與安全係數 ／ 338
8.3  擋土壁 ／ 339
8.3.1  兵  樁 ／ 340
8.3.2  鋼版樁 ／ 341
8.3.3  排樁及擋土柱 ／ 341
8.3.4  連續壁 ／ 342
8.4  支撐開挖工程之結構元件 ／ 348
8.5  支撐系統 ／ 352
8.5.1  水平支撐 ／ 352
8.5.2  斜撐及角撐 ／ 354
8.5.3  橫  擋 ／ 355
8.5.4  中間柱 ／ 357
8.6  地錨開挖工程之結構元件 ／ 361
8.7  地錨系統 ／ 362
8.7.1  地錨的基本構造 ／ 362
8.7.2  地錨的荷重分析 ／ 364
8.7.3  地錨的配置 ／ 365
8.7.4  錨頭、錨座及橫擋的設計 ／ 367
8.7.5  自由段的設計 ／ 370
8.7.6  錨碇段的設計 ／ 371
8.7.7  預  力 ／ 374
8.7.8  擋土壁的設計 ／ 374
8.8  地錨的試驗 ／ 374
8.8.1  證明試驗 ／ 374
8.8.2  適用性試驗 ／ 377
8.8.3  驗收試驗 ／ 377
8.9  摘要與結論 ／ 378
習題 ／ 380

第九章  開挖與鄰產保護 ／ 383
9.1  前  言 ／ 384
9.2  建築物之容許沈陷量 ／ 385
9.2.1  自重作用下之容許沈陷量 ／ 385
9.2.2  開挖引致之容許沈陷量 ／ 389
9.3  鄰房安全性評估及保護工法的設計 ／ 395
9.4  調整施工程序 ／ 396
9.4.1  減少擋土壁之無支撐長度 ／ 396
9.4.2  減少潛變的影響 ／ 397
9.4.3  分區開挖 ／ 397
9.4.4  角隅的運用 ／ 398
9.4.5  地盤沈陷特性的運用 ／ 399
9.5  擋土支撐結構增強工法 ／ 401
9.6  地盤改良工法 ／ 402
9.7  地中壁工法 ／ 406
9.7.1  作用機制 ／ 406
9.7.2  地中壁案例介紹 ／ 406
9.7.3  工法成效及特性 ／ 411
9.7.4  分析模式及設計方法 ／ 415
9.7.5  施工及其他注意事項 ／ 423
9.8  扶壁工法 ／ 426
9.8.1  作用機制 ／ 426
9.8.2  扶壁案例介紹 ／ 428
9.8.3  工法成效及特性 ／ 433
9.8.4  分析模式及設計方法 ／ 437
9.8.5  施工及其他注意事項 ／ 439
9.9  摘要與結論 ／ 439
習題 ／ 441

第十章  施工安全與監測 ／ 445
10.1  前  言 ／ 446
10.2  開挖施工引致之災害 ／ 446
10.3  常用監測儀器的種類與原理 ／ 448
10.4  監測儀器配置的原則 ／ 449
10.5  監測結果的分析與研判 ／ 456
10.6  監測管理值 ／ 460
10.7  回饋分析與預警 ／ 463
10.8  摘要與結論 ／ 467

附錄
附錄A  主要符號說明 ／ 469
附錄B  單位轉換 ／ 479
附錄C  台北國家企業中心深開挖 ／ 483
附錄D  名詞解釋─平面應變 ／ 491
附錄E  Hanson土壓力係數 ／ 493
專有名詞索引（含英文對照） ／ 495
習題解答 ／ 501
 

序

　　筆者於民國91年1月1日出版專書《深開挖工程─分析設計理論與實務》，主要作為研究所「深開挖工程」課程之教學及提供實務工程師分析設計參考之用。有鑑於國際亦缺乏類似的專書，因此開始撰寫英文版專書，並於民國95年由國際出版公司Taylor and Francis出版。中、英文版專書出版之後，不但為國內大學採用當作教科書，也為美、加、印度、伊朗及越南等國之大學作為教科書之用。

　　筆者曾經有段時間參與學校行政工作，學術研究工作有些耽擱。但自民國99年卸下行政工作之後，重拾往日學術研究工作，深開挖的研究迭有進展，一直至今日，每年仍有不錯的研究成果產生，因此乃改寫原本的專書。由於新書內容有相當程度的修改及增加，因此將內容整理成兩本書，書名分別為《進階深開挖工程分析與設計》及《基礎開挖工程實務》。前者適合研究所教學及實務工程師分析設計之用，後者則適合於大學部教學之用。

　　本書《進階深開挖工程分析與設計》大幅度的改寫之前專書的某些章節內容，例如有限元素法、土壤模式、穩定分析、擋土壁位移及地盤沈陷簡化分析法、地中壁工法分析、扶壁工法的行為特性等等。特別是開挖的穩定分析，筆者根據最新的研究結果，得到所謂的「內擠破壞」及「底面隆起」其實是相同的破壞模式，只是分析方法不同而已，所得到的安全係數也相近。原本專書內容，包括「土壤之基本性質與力學特性」、「開挖工法與擋土支撐系統」及「安全觀測系統」則放在另一本專書。

　　本書的完成得力於許多過去敬業的研究生的研究成果，讓我欣慰的是，這些學生目前在業界及學界都很有成就。除了我自己指導研究生的研究成果外，部分的觀念及內容也得自許多國內學界的研究成果及業界專家的寶貴工程經驗及工程案例，圖中許多圖形則得力於在學的研究生的繪製，特在此一併致謝。特別感謝何樹根兄提供的封面照片，讓本書生色不少。最後，筆者期望學界或業界先進閱讀本書時，若發覺有任何錯誤，或需要討論之處，敬請不吝賜教。