工程地質通論

1.1　工程地質學的定義

工程地質學（Engineering Geology）是屬於應用地質學的一支。它是運用地質學的原理、知識、方法及經驗，為工程服務的一門學科。

所有的工程體（包括建築物）均需立基於地。因此，地基的特性、穩定性，及強度決定了工程體的安全與使用壽命。我們都知道，地基是工程體的基礎；而工程地質學就是工程的基礎。所以，一切工程計畫的規劃及設計，必定是由工程地質先行。先有工程地質的調查，有了工程地質條件的蒐集及取得基礎設計的參數，工程師才有辦法設計。

地質作用（Geological Process）是地球與生俱來的一種自然作用。它隨時隨地都在威脅著工程體的安全。一個工程體的基礎，即使設計得再安全都沒有用，因為一個強烈的地震，或者從後山的遠處突然來一個土石流，就可以輕易的把工程體給摧毀。這種地質作用的發生原因、地質條件（Geological Conditions）、影響因素、及作用的性質及結果，地質學家大都已經了解得很清楚。像這種知識的累積，就是來自地質學的貢獻。而將這種知識應用於工程，便可以造福人類，使人類能夠免於因受天然災害的威脅所生的恐懼，因此得以綿延不斷，永續發展。

1.2　工程地質師的任務

工程地質既然是一種服務於工程的科技，所以工程地質師的任務就是要蒐集及歸納既有的地質資料、調查研究預定工址或預定路線的地質條件、確定工程設計參數；同時，要預測潛在地質災害（Geologic Hazards）及建議預防的對策。然後將這些資訊提供給工程師做為規劃、設計、施工以及營運、維護的應用及參考。因此，工程地質師的主要任務可以分為以下10項：

闡明候選工址的工程地質條件，並指出對工程有利及不利的因素。

找出候選工址所在地及其外圍的工程地質課題，並評估解決對策的可行性。

選定地質條件較為優良的工址（確定工址），並依據其地質條件的良窳，對主要及附屬的工程體進行合理的配置與定位。

闡明岩土層、不連續面、及地下水的工程地質特性，同時提供合理的設計參數。

指明岩土層的工程地質缺陷，以及評估地質改良的可行性及處理方法。

根據地質條件建議基礎的型式及深度，以及施工時應注意的事項。

建議施工時應做及不應做的事項；對施工中可能造成的危險應該預先警告；就施工時已揭露的剖面進行地質資料的補充或修正。

研究、調查、及預測潛在地質災害的成因，並擬定改善及防治的措施。

指明工程完成後對地質環境的影響，並預測其未來的發展演化趨勢。

預測地質作用對工程體的潛在威脅，並且提出防患之道。

1.3　工程地質學的內容

工程地質學可以分成基礎地質學、工程地質調查、工程地質分析、地質災害預測、及災害原因調查與防治對策等幾個重點項目。

基礎地質學是一個工程地質師要從事工程地質調查及地質災害預測時所需具備的地質學基本知識。例如所有工程體都是立基於岩、土層之上，所以工程地質師一定要認識岩石及組成岩石的礦物，因為礦物常是岩石命名及分類的主要依據之一，又礦物的種類及性質決定了岩石的工程地質特性。科學研究方法之一就是把同性質的物質歸為同一類，而把性質不同的物質歸於別一類。因此，工程地質師只要能夠正確的對岩石命名與歸類，他就大體知道該岩石的特有性質了。又如工程師於設計時，遇到斷層帶或順向坡等都要非常小心，而斷層帶或順向坡的認定，也是來自地質學的知識。再者，岩石風化後的產物就成為土壤，但是因為風化的過程係逐漸演化的，所以不同的風化程度常以不同的風化等級來表示；而不同的風化等級就表示不同的岩石強度、不同的孔隙率、不同的透水性，以及不同的壓縮性等。同時，不同的岩石，於風化後會形成不同的土壤；例如砂岩風化後，其產物將以粗粒的砂為主；頁岩或泥岩風化後，則將形成細粒為主的黏土。有些土壤具有遇水膨脹、失水收縮（稱為膨脹性）的特性，因為它含有一種黏土礦物（稱為蒙脫石），遇水時，水分子進入其結晶結構，造成體積增大；失水後，水分子消失，又縮回原來的體積；於是土壤就會出現龜裂的現象。這種反應具有可逆性。

工程地質調查包括工程地質圖的測繪、工址調查、取樣試驗及現場試驗等工作。工程地質圖是一種將工址的工程地質條件顯示於地形圖上的圖件，其內容包括岩性的分類、岩性在地表的分布情況、岩層的位態（走向及傾角）、地質構造（褶皺、斷層等）、不連續面的組數、位態及特性等。這是工程地質調查的核心工作，也是工程地質分析的基本圖件。不過，工程地質圖的測繪是屬於地面的調查工作，無法看到岩層往地下延伸的情狀。岩層在地表下的延伸情況完全要依賴學理上的推測，其結果必須採用地下探勘的方法加以驗證，包括地球物理探勘、挖探、鑽探及其他方法。鑽探除了可以驗證地下地質的情況之外，最重要的是鑽探方法可以取得地下的岩、土樣品，俾便在實驗室內進行物理、水理、及力學試驗，進而了解岩、土層的工程地質性質，並且取得定量的數據，以作為工程師設計的依據。另外，在鑽探的過程中，還可以進行孔內的現場試驗，取得岩體（Rock Mass）的力學數據，以便與實驗室內的樣品試驗結果做一比較。因為岩體內含有很多弱面（即不連續面），所以其強度一般要低於實驗室內的完整（Intact）樣品之試驗結果。再者，鑽探完成之後，其所遺留的鑽孔還可以用於裝設監測儀器，如水位或水壓觀測儀器、沉陷伸縮儀（Extensometer）、傾斜計（Inclinometer）等等，可以作為長期觀測之用。

自然界並無十全十美的工址，實際上每一個工址都有不同類型的缺陷。有些缺陷存在於岩、土層自己的內部，稱為固有缺陷（Inherent Defect）；例如軟弱性、膨脹性、壓縮性、不連續性等。有些缺陷則是外來的，稱為外因缺陷（Extraneous Defect）。絕大部分的地質災害都是來自外因的，例如落石、崩塌、地滑，及土石流等就是來自重力（地心引力）的影響，且由降雨或地震等所誘發。這些災害都是跟地球與生俱來的；它們無處不在、無時不有；而且有的是既生的，有的是潛在的。既生的災害會一再的在同地復生，這就是地質災害的週期特性；所以調查既生的地質災害，避開其發生地點有時也可以達到防災的目的。

地質災害的發生有其必要條件（大部分都屬於地形、地質及水文的因素）；如果一地的地形、地質條件非常符合這些必要條件，則其發生災害的潛勢就非常的高；稱為該地具有發生地質災害的高潛感性（High Susceptibility）；對於具有高潛感性的地帶，能避開則避之，否則將要冒很大的風險。高潛感性的地帶不一定會發生災害；但是其目前不發生，並不是表示不會發生，而是還未發生；尤其在遭受人為的擾動之後，其發生災害的機率將顯著的增高。如果一地的地形、地質條件不太符合這些必要條件，則其發生災害的潛勢就很低；稱為該地具有發生地質災害的低潛感性（Low Susceptibility）；因此，利用低潛感性的地帶，其冒險度比較小。工程地質師以其在地質學上的專業知識及經驗，調查工址的地質條件，然後與發生地質災害的必要條件相互比較，就可以評估該工址發生地質災害的潛感性等級。工程師利用這種潛感性分布圖，就可以在低潛感性的地帶布置重要的工程，而避開高潛感性的地帶，以降低風險及工程造價。

在工程的規劃及設計階段，工程地質師所取得的工程地質條件都只是施工之前的初始條件。在很多情況下，於施工階段，這些初始條件將發生很大的變化，如地基的壓密、邊坡的切削變陡、地下水位的上升或下降，或新的地質作用發生等等。這個階段最容易發生與地質因素有關的事故，所以工程地質師在這個階段的角色也非常重要；他主要有三大任務：預警即將發生的災害、調查已經發生災害的原因，以及修正與補充規劃階段所調查的地質資料（Bell, 2007a）。以前在規劃階段的工程地質調查，其結果大都由推測而得，因為證據不足，所以難免有錯。在施工中，則因開挖而揭露了岩、土層的真面目；因為地質師可以直接觀察，所以獲得更多的證據。因此，以前如果推斷有錯的，就應該趁此機會將錯誤修正過來；而以前未發現的，則應該趁此機會加以補充。同時，於獲得新證據之後，就應該重新提出新的地質模型（Geologic Model），並且評估是否需要變更設計。施工時，因為擾亂了岩、土體的原有應力場，所以岩、土層的應力需要進行調整，才能達成新的平衡。在應力調整過程中，如果超過了彈性階段，而進入塑性變形階段，且尚未到達破壞點之前，工程地質師就要提出預警，並且建議如何預防災害的發生。萬一災害發生了，則工程地質師需要調查原因，並且提出對策。由此可見，工程地質師在施工階段的重要性。一個有經驗又機警的工程地質師可以防患於未然。一個沒有經驗或者不負責任的工程地質師可能無法做出預警，因而發生了災變；其輕者可能只是延宕工期，重者可能要變更設計，更嚴重者可能連工址都要放棄掉，其損失何止千萬計。

1.4　工學與理學的融合

工程師以製成產品為目標，最終可以見到實體成品；地質師則以推理為主，他依賴的是想像力，在虛無縹緲中，完全見不到實體。因此，兩者的訓練與思維方式有一些不同；雖然雙方都是利用科學的方法來達成目的，但是最終的產品卻有很大的不同；工程師完成的是一件工程實體，它的規模與尺寸與原先所設計的一模一樣，既看得到，也摸得到；而地質師完成的卻是對一個自然現象的解釋，他的解釋可以有很多種說法，完全視個人的想像力（當然需要推理）或證據的充分度而定；隨著證據的不斷累積，說法可以跟著改變。當然事實只有一個，所以經過不斷的推演，最後還是會定於只有一種說法。這種思維方式，或者學問的方法，工程師會非常不習慣。但是因為工程地質學是工學與理學的融合，所以工程師一定要習慣，而且要理解，地質師在下結論之前，是要經過充分的蒐集證據（即詳細且深入的進行工程地質調查），否則他腦中的地質模式可能有錯。表1.1顯示工程師及地質師對工程地質的看法之差異。

我們常說臺灣島是位於歐亞板塊及菲律賓海板塊的衝撞帶上，所以會發生地震及活動斷層等現象；這是大至整個地球的視野。工程師則專注於工址（Site）或路線本身；他關心的是這個工址的承載層在什麼深度、承載力多少、沉陷量多少、有什麼缺陷、需不需要地質改良，或者是邊坡穩不穩定、要不要設置擋土牆等等。假定數公里之外的後山有一個土石流的發源地，暴雨一來，將重新啟動（土石流或其他地質災害都有一再重現的特性），且通過或堆積在工址的位置，則工址的地質條件再好，又有何用！所以工程地質調查的範圍絕不能只限於工址；凡是地質因素會影響到工址的安危者都是列入調查的範圍

1.1　工程地質學的定義

工程地質學（Engineering Geology）是屬於應用地質學的一支。它是運用地質學的原理、知識、方法及經驗，為工程服務的一門學科。

所有的工程體（包括建築物）均需立基於地。因此，地基的特性、穩定性，及強度決定了工程體的安全與使用壽命。我們都知道，地基是工程體的基礎；而工程地質學就是工程的基礎。所以，一切工程計畫的規劃及設計，必定是由工程地質先行。先有工程地質的調查，有了工程地質條件的蒐集及取得基礎設計的參數，工程師才有辦法設計。

地質作用（Geological Process）是地球與生俱來的一種自然...

自　序

工程地質學是應用地質學的一支；它是一門跨領域的學科，是將地質學應用於工程建設的應用科學。學習工程地質不但要有地質的概念，也要有工程的背景，才能配合無間。作者的大學教育係受工程（礦冶工程）的訓練，研究所則研修地質學的應用，所以深知工程與地質的密切關係。惟有知道工程師需要的是什麼地質資料，工程地質師才能提供適切的資訊給工程師。

作者在工作上一直服務於研究界及工程界，而且從民國70年起，即開始在大學及研究所，以兼任的方式教授工程地質學，迄今已歷經25年以上。為了將這些不斷補充及更新的資料與讀者們分享，作者在5年前即開始規劃，預備以教材為綱，撰寫一本同時符合學生及業界需要的工程地質教科書或參考書，並且擬將實務經驗也一併納入書本中。經過3年的撰寫、修正、與補充，終告完成。

非常感謝進步的電腦科技，讓寫作的人可以很容易的對草稿進行修補。以我的年紀而言，在寫作的時候真的是將每一個字先予拼音，然後再一個字一個字的慢慢敲打出來的。作者現在才理解到慢工出細活的哲理，當在慢慢敲打之際，速度比較快的頭腦就會進行多方面的思維，於定調後就可以接著打下一句。這種程序運作成熟之後，「寫」起來就會很順，中途不至於發生停頓。作者在這裡特別要感謝小學一年級的許老師，那個時候臺灣才從日本人的手中光復不久，許老師就給我們的國語拼音打下深厚的基礎。使作者今天才能在鍵盤上敲出中文字來。

本書除了第一章的緒言之外，也還有21章的篇幅。幾乎將工程地質師及大地工程師所應該知道的東西全都涵蓋了；因此，本書的內容也有一點像手冊一樣。本書可以做為工程地質從業人員、土木工程師、水利工程師、採礦工程師、結構技師、建築師、空間規劃師、水土保持技師、甚至監造工程師們的參考書，本書還可當做國家考試及研究所考試的複習教本。

由於知識如瀚海，一本書的著作，有時可能是謬誤，有時可能是觀點不同，有時也可能是作業過程上的疏忽，所以難免會有需要修正或值得討論的地方。讀者們如果有任何意見，敬請不吝指正。

自　序

工程地質學是應用地質學的一支；它是一門跨領域的學科，是將地質學應用於工程建設的應用科學。學習工程地質不但要有地質的概念，也要有工程的背景，才能配合無間。作者的大學教育係受工程（礦冶工程）的訓練，研究所則研修地質學的應用，所以深知工程與地質的密切關係。惟有知道工程師需要的是什麼地質資料，工程地質師才能提供適切的資訊給工程師。

作者在工作上一直服務於研究界及工程界，而且從民國70年起，即開始在大學及研究所，以兼任的方式教授工程地質學，迄今已歷經25年以上。為了將這些不斷補充及更新的資料與讀者們分...

目　錄
自序
PART 1　基礎篇
CHAPTER 1　緒　言
1.1　工程地質學的定義
1.2　工程地質師的任務
1.3　工程地質學的內容
1.4　工學與理學的融合
1.5　本書的內容與使用法
CHAPTER 2　礦物與工程
2.1　礦物的概念
2.2　礦物的生成方式
2.3　礦物的形態
2.4　礦物的光學性質
2.5　礦物的力學性質
2.6　礦物的風化特性
2.7　礦物的其他物理性質
2.8　主要造岩礦物
CHAPTER 3　火成岩與工程
3.1　前言
3.2　火成岩的化學成分
3.3　火成岩的礦物成分
3.4　火成岩的結構
3.5　火成岩的構造
3.6　火成岩的分類
3.7　火成岩的肉眼鑑定及命名
3.8　火成岩的工程地質性質
CHAPTER 4　沉積岩與工程
4.1　前言
4.2　成岩作用
4.3　沉積岩中的礦物
4.4　沉積岩的顏色
4.5　沉積岩的結構
4.6　沉積岩的構造
4.7　沉積岩的分類
4.8　沉積岩的肉眼鑑定及命名
4.9　沉積岩的工程地質性質
CHAPTER 5　變質岩與工程
5.1　前言
5.2　變質作用的控制因素
5.3　變質作用的機制
5.4　變質作用的類型
5.5　變質岩的礦物成分
5.6　變質岩的構造
5.7　變質岩的分類
5.8　變質岩的肉眼鑑定及命名
5.9　變質岩的工程地質性質
CHAPTER 6　鬆散堆積物與工程
6.1　前言
6.2　風化殼
6.3　岩頂帶的類型
6.4　工程土壤
6.5　殘留土
6.6　落石堆
6.7　崩積土
6.8　沖積土
6.9　問題土壤
CHAPTER 7　褶皺與工程
7.1　前言
7.2　岩層的位態
7.3　線狀構造的位態
7.4　褶皺的基本要素
7.5　褶皺的類型
7.6　褶皺的力學定性分析
7.7　褶皺構造的識別
7.8　褶皺的工程地質特性
CHAPTER 8　斷層與工程
8.1　前言
8.2　應變橢圓球與斷裂構造
8.3　斷層的幾何要素與位移
8.4　斷層的分類
8.5　斷層帶的特徵
8.6　斷層的視錯斷
8.7　斷層的識別
8.8　斷層對工程的影響
CHAPTER 9　節理及其他不連續面與工程
9.1　前言
9.2　不連續面的特性
9.3　節理
9.4　劈理
PART 2　應用篇
CHAPTER 10　岩石與岩體的工程地質性質
10.1　前言
10.2　岩石的物理性質
10.3　岩石的水理性質
10.4　岩石的力學性質
10.5　影響岩石工程地質性質的因素
10.6　岩體的特性
10.7　岩體的工程地質分類
CHAPTER 11　地形分析
11.1　前言
11.2　地形圖的閱讀
11.3　中、小型地貌
11.4　地形圖的坡度分析
11.5　地形圖的地質分析
11.6　遙測應用於地貌分析
CHAPTER 12　地質圖分析
12.1　前言
12.2　地質圖的解讀
12.3　地質剖面圖的製作
CHAPTER 13　地下水與工程
13.1　前言
13.2　地下水的賦存
13.3　地下水的流動
13.4　水文地質調查應注意的項目
13.5　地下水對工程的影響
13.6　工程防水
CHAPTER 14　地質災害
14.1　前言
14.2　落石
14.3　崩塌
14.4　滑動
14.5　土石流
14.6　地盤下陷
14.7　活動斷層
14.8　地震
14.9　流水侵蝕
14.10　地質災害的分析
CHAPTER 15　工址調查
15.1　前言
15.2　衛星影像判釋
15.3　環境地質調查
15.4　工程地質調查
15.5　地球物理探勘
15.6　挖探
15.7　鑽探
15.8　現場指數測試
15.9　現場試驗
15.10　現場監測
15.11　長期監測
CHAPTER 16　宏觀地質與工程
16.1　地球的形狀
16.2　地球的內部結構
16.3　地球內部的溫度與壓力
16.4　地質作用
16.5　地殼運動
16.6　臺灣地區的板塊運動
16.7　臺灣的地震分布
16.8　臺灣的活動斷層分布
16.9　臺灣的火山岩分布
16.10　臺灣的混同岩分布
16.11　臺灣的成雙變質帶分布
16.12　臺灣的地質概述
PART 3　實務篇
CHAPTER 17　建築基地的主要工程地質課題
17.1　前言
17.2　共同的工程地質課題
17.3　一般建築的工程地質課題
17.4　廠房的工程地質課題
17.5　高層建築的工程地質課題
17.6　高層建築的探查要點
CHAPTER 18　道路及橋梁的主要工程地質課題
18.1　前言
18.2　公路的選線
18.3　道路的主要工程地質課題
18.4　道路的工程地質調查
18.5　橋梁的選址與調查
CHAPTER 19　隧道的主要工程地質課題
19.1　前言
19.2　圍岩的應力
19.3　圍岩的外水壓力
19.4　圍岩的變形及破壞
19.5　隧道的工程地質課題
19.6　隧道的選址及選線
19.7　施工方法的選擇
19.8　隧道調查
CHAPTER 20　大壩及水庫的主要工程地質課題
20.1　前言
20.2　大壩類型與其對工程地質條件的要求
20.3　壩基的滲漏問題
20.4　壩基的滑移問題
20.5　壩肩的抗滑問題
20.6　壩址的選擇
20.7　壩址的調查
20.8　水庫的主要工程地質課題
CHAPTER 21　衛生掩埋場的主要工程地質課題
21.1　前言
21.2　掩埋場的構造
21.3　掩埋場的選址
21.4　滲漏水的監測
21.5　核廢料的處置
CHAPTER 22　代表性的事故及對策
22.1　台北捷運西門站的湧水
22.2　高雄捷運O2車站的鏡面滲漏
22.3　新永春隧道的劇湧
22.4　雪山隧道的劇湧
22.5　石岡壩的錯斷
22.6　林肯大郡的順向坡滑動
22.7　梨山地滑
22.8　豐丘土石流
22.9　義大利的Vaiont壩
22.10　舊金山的聖安德魯斯水庫
22.11　洛杉磯的葡萄牙灣地滑
22.12　舊金山的百老匯隧道
參考資料

目　錄
自序
PART 1　基礎篇
CHAPTER 1　緒　言
1.1　工程地質學的定義
1.2　工程地質師的任務
1.3　工程地質學的內容
1.4　工學與理學的融合
1.5　本書的內容與使用法
CHAPTER 2　礦物與工程
2.1　礦物的概念
2.2　礦物的生成方式
2.3　礦物的形態
2.4　礦物的光學性質
2.5　礦物的力學性質
2.6　礦物的風化特性
2.7　礦物的其他物理性質
2.8　主要造岩礦物
CHAPTER 3　火成岩與工程
3.1　前言
3.2　火成岩的化學成分
3.3　火成岩的礦物成分
3.4　火成岩的結構
3.5　火成岩的構造
3.6　火成岩的分類
3.7　火成岩...