地中结构物土压力发展之研究

1、地中結構物土壓力發展之研究楊朝平中華大學土木工程系所副教授The Development of Earth PressureAround Underground StructureChau-Ping Yang Department of Civil EngineeringChung-Hau UniversityHsinchu, Taiwan, 30067, R.O.C. 摘 要 裝設土壓計於路堤內鋼筋混凝土矩型箱涵上，於現地監測夯實回填土施工進行時箱涵土壓力發展之情形，並於實驗室對三種回填土施行夯實及三軸不壓密不排水壓縮試驗，以求得力學參數據以計算理論土壓力。觀察於監測及理論上土壓力發展之情形

2、，並解釋之。關鍵詞：箱涵,監測,土壓係數,土壓力ABSTRACT The main objection of this research is to study the development of earth pressure which acting on the underground culvert during banking. Three pressure gauges were installed on the top and side of culvert for monitoring the earth pressure. Compaction test and triaxi

3、al compression test for field soils were performed at laboratory, to gain some parameters for theoretical study of earth pressure. Both earth pressure gained from the field monitoring and theoretical results, were compared and discussed during this study.Key Words：culvert, monitoring , coefficient o

4、f earth pressure, earth pressure一、前言土壓力為地中結構物設計之大根本，分作用於結構物頂版之垂直土壓力與作用於結構物側版之水平土壓力二項。垂直土壓力一般以覆土的壓力估算之，唯需考慮因結構物頂版內外側回填土之不同沉陷範圍所引起的摩擦力。水平土壓力則是以某一深度之垂直土壓力乘上一土壓係數估算之，唯此土壓係數會因回填土狀態或結構物移動、變形而改變甚難求得，故一般採用的土壓係數為三種特殊狀態值，即靜止狀態之、主動狀態之、被動狀態之，其大小關係為>>。於水平土壓力估算上，若土壓係數取將明顯過大，取又過小，應較接近但為何值甚難定鐸。本文以路堤內剛性矩型箱涵為對象

5、現地監測其土壓力，比較土壓力監測值及理論值之差異性，並根據分析結果建議設計土壓力之定鐸原則。二、試驗方法 於試驗方法方面，分現地土壓力監測及土壤試驗二項說明之，其中土壤試驗含物理性質測定、夯實試驗、三軸不壓密不排水壓縮試驗(或稱UU試驗)。1.現地土壓力監測陳榮富(1995)的研究報告已詳載本研究之現地土壓力監測事項，如圖1所示般試驗箱涵位於山谷地的高填方內部，箱涵結構物中央垂直向的原始地面線高程為EL 45.10，箱涵底版於EL 55.69處，箱涵頂版高程EL 60.44，道路面高程EL 66.29，即箱涵結構物之高度為4.75、而覆土的高度為5.85，另箱涵全長是58.5。道路施工順序乃先

6、從原始地面線夯實回填土至EL 55.69處之後，組設箱涵鋼筋灌漿混凝土，當混凝土養護完再繼續施行回填土的夯實作業至道路面。在箱涵完成後繼續回填土前安裝土壓計於箱涵之頂版與側版，隨著回填土施工之進行監測土壓力之發展。從結構及力學觀點，可將車道中央線之兩邊視為左右對稱，另矩型箱涵結構物中心線的兩側亦滿足力學左右對稱條件，故土壓計只裝於從箱涵入口處算起箱涵四分之一長度處之一側。圖2示意各個土壓計的相關位置，將連接A、B、D三個量總應力的土壓計的線路埋入土中牽至箱涵內部接於A/D轉換器以讀出數據。以土壓計A量測作用於箱涵頂版的垂直土壓力，以土壓計B、D量測作用於箱涵側版的水平土壓力，土壓計A之容量為1

7、,000、精度1，土壓計B、D之容量為500、精度1，各土壓計的受力面積為直徑10，監測後得知土壓力的值域落於土壓計之四分之一容量內。2.土壤試驗 於高速工路路基之填方區，必須對夯實施工作好品質管理，每層之夯實厚度為3040，要求之工地密度於道路鋪面下三層是0.95，其他深度處為0.90（：最大乾密度）。夯實作業程序為上料、拌料、調整含水量、封面，當單層填土完成後即進行工地密度試驗，若未達標準則需翻土再次重覆上料至封面的作業。使用於箱涵周邊之回填土計分土樣1、土樣2、土樣3三類，土樣1為砂質沉泥，泥質土為其主要組成含細砂、粉土，均勻係數18.75屬級配好之土壤，不擾動狀態展現出高強度，唯曝露於

8、外或含水量增高易軟化。土樣2為沉泥質粘土，粘質土居多含細砂、泥質土，均勻係數81.67屬級配優良之土壤，乾燥狀態呈硬塊遇水則軟化。土樣3為沉泥質砂，均勻係數1.64屬級配不良之礫石質砂含些許細料，可塑性低，廣泛地分佈於表層，新竹出名之風砂即指此種土壤。測定土樣之稠度、粒度並以統一分類法(USCS)分類之；施行夯實試驗以求得最佳狀態之單位重、含水量。因試驗箱涵位置於路堤內部，路堤則是由施工機械夯實不飽和之回填土而成，且監測期間僅約為一年因土重之壓密作用尚小，故考濾以UU試驗求覆土材料之凝聚力、內摩擦角，使用之試體為重模之最佳狀態土。 轉載蕭銘雄(1995)研究報告之資料，將各土壤試驗之結果整理於

9、表一，其中各土樣之單位重、凝聚力、內摩擦角將被用於計算垂直土壓力、水平土壓力值。從箱涵底版至道路面之覆土計分33層夯實回填，土樣1、土樣2、土樣3之回填土參雜其中，因此在計算、值時需使用各別土樣的單位重、凝聚力、內摩擦角。三、分析結果 對研究結果分垂直土壓力、水平土壓力、土壓係數三項說明之，其中於垂直土壓力項含土壓計A監測、理論垂直土壓力、Marston公式、日本道路協會規範(或稱JRA)、AASHTO規範、五種值；於水平土壓力項，因被動土壓力值明顯地過大故不予比較，僅含土壓計B、D處之監測值及其主動、靜止土壓力值；土壓係數項則含土壓計A、B、D三處之理論、值及監測值。1. 垂直土壓力估算垂直

10、土壓力五種方法中的Marston公式、JRA規範、AASHTO規範，乃考慮於箱涵上方之回填土會因土壤沉陷的垂直範圍不一而發生不等沉陷，沉陷量於箱涵頂版上方較小於箱涵兩側較大，致產生一向下摩擦力，使作用於箱涵頂版的力為(土重+摩擦力)之效果。茲說明土壓計A監測值以外的其它四種垂直土壓力估算方法如下：a. 理論垂直土壓力 (1) ：各回填土層單位重 ：至計算垂直土壓力處的回填土深b. Marston公式根據風間(1990)等之文獻，Marston公式是以力的平衡方程式導出計算垂直土壓力的理論公式(2)式，而由(3)式計算係數，由(4)式計算。 (2) (3) (4) ：箱涵頂版與兩側土的摩擦係數，

11、 ：箱涵頂版回填土深：土壤沉陷後箱涵頂版回填土深 ：箱涵寬 ：凝聚力(參閱表一) ：內摩擦角(參閱表一)c. JRA規範依日本產業建設調查會之出版書物(1981)，JRA規範是以(5)式計算垂直土壓力，於本試驗箱涵尺寸係數取1.2。 (5)d. AASHTO規範於本試驗箱涵尺寸，AASHTO規範建議以(6)式估算作用於箱涵的垂直土壓力。 (6)上述五種垂直土壓力與回填土深的關係綜合示於圖3。2. 水平土壓力水平土壓力項中主動、靜止土壓力值的求法如下：a. 主動土壓力 (7) (8) b. 靜止土壓力依(9)式計算之，Brooker et al. (1965), Andrawes et al.

12、(1973), Feda (1984), Duncan et al. (1986)，楊朝平(1993)等甚多文獻已探討了式中的值域，綜合之對粗粒土壤建議以(10)式估算值。 (9) (10)茲將土壓計B、D處之監測、主動、靜止水平土壓力值與回填土深之關係示於圖4、圖5。3. 土壓係數 土壓計A、B、D 三處的土壓係數、可分別由(8)式、(10)式求得，其中為定值而會因回填土深而改變；另此三處土壓係數監測值之算法如下：土壓計A處之土壓係數：如圖2所示般，因將土壓計A、B裝設於 箱涵轉角處的頂版與側版上，故可以土壓 計B的監測水平土壓力除土壓計A的監測 垂直土壓力，來求得土壓計A處的土壓係 數。土

13、壓計B處之土壓係數：以土壓計B的監測水平土壓力除(1)式之理 論垂直土壓力。土壓計D處之土壓係數：以土壓計D的監測水平土壓力除(1)式之理 論垂直土壓力。圖6、圖7、圖8分別為土壓計A、B、D 三處之土壓係數與回填土深關係圖。四、討論1.垂直土壓力於垂直土壓力方面，由圖3知曉理論垂直土壓力值與JRA規範、AASHTO規範的值雷同，略小於Marston公式者，與監測值差距大。此結果一則表示Marston公式較能反應出箱涵上方及周邊回填土的不等沉陷效應，再則示出各規範垂直土壓力的設計值皆小於監測值，Tadros et al.(1985)亦有指出AASHTO規範的設計土壓力普遍小於監測值。Bache

14、r et al. (1983)研究回填方式對箱涵荷重的影響，發現於較密實的回填料土壓力對填土高的發展關係近似線性，而於較疏鬆的回填料則是非線性。圖3所示監測垂直土壓力之發展情形，於較低回填土時呈非線性，至土壓計A的覆土深約100後漸呈線性關係，因本試驗箱涵周邊的覆土屬密實回填料，故回填土增高後垂直土壓力對填土高的發展關係近似線性應為合理。會使量測儀器功能發生異常的原因有接續不良、絕緣不佳、雷電誘導性電流、多頻監測系統故障或停電等項，而根據播田等(1994)所整理起因於量測儀器功能之監測資料異常型態來判斷，三個土壓計於監測期間皆處於正常狀態。另一方面，土壓計A在低覆土時所測得垂直土壓力發展呈非線

15、性之關係，可能是與為保護土壓計A的夯實作業有關，即為避免土壓計因承受巨大的施工機械夯實能量而受損，當回填至土壓計A附近時，先將土壓計以小土堆掩埋並不使施工機械經過其上，至土壓計的覆土約兩層夯實厚度後再直接夯實。如本節第一段所述般，垂直土壓力的規範設計值一般會小於監測值，加上為了保護土壓計A的夯實作業原因，導致在土壓計A的覆土較低時，其監測垂直土壓力較接近規範設計值的巧合情形。唯當土壓計A的覆土深約大於100後，於垂直土壓力其監測值與設計值間的差異漸顯現出來，當回填至路面時垂直土壓力值於土壓計A為224，於Marston公式為139，於其他三者約為124，即作用於箱涵頂版垂直土壓力的監測值是一般

16、設計值的1.61.8倍。2.水平土壓力觀察之水平土壓力項含土壓計B、D處的監測值、靜止土壓力(Earth pressure at rest)、主動土壓力(Active earth pressure)，由圖4、圖5知曉監測值最大，靜止土壓力次之，由於凝聚力的存在使得主動土壓力多為負值，因此於本試驗箱涵不宜以主動土壓力當設計值。監測水平土壓力大於靜止土壓力，其差異性於覆土較淺處即顯現出來，兩者間的差異性於土壓計B處較大，而於土壓計D處較小，可能原因是於土壓計D處之機械夯實作業不易接近箱涵側版所致。當回填至路面時，於土壓計B處的監測水平土壓力是117.5為靜止土壓力的2.5倍；於土壓計D處的監測水平

17、土壓力是89.1為靜止土壓力的1.2倍。土壓計B、D處的回填土為土樣3，其內摩擦角為41.8度由(10)式計算而得之值為0.33，若依此值估算靜止土壓力亦偏小，或可考慮採用JRA規範的建議取=0.60.7，以得較接近現地狀態的水平土壓力設計值。3.土壓係數綜合觀察圖6、圖7、圖8所示於土壓計A、B、D三處的土壓係數發展情形，發現隨著覆土深度的增加，土壓係數由大變小漸接近靜止土壓係數，唯各圖中的主動土壓係數(Coefficient of active earth pressure)因為凝聚力的存在，縱使在高覆土狀態下也多為負值。監測所得之土壓係數雖得自單一組試驗，然而被裝於不同位置的土壓計A、B

18、、D，卻都顯現出土壓係數會隨覆土深度的增加而由大變小之行為，因此或可認定此行為具共通性。針對本文研究對象矩型箱涵之道路施工特性，筆者認為土壓係數會隨覆土深度增加而變小之機制是，於低覆土時夯實土層表面甚接近土壓計，一則垂直土壓力較小，再則重型施工機械施加於土壤的夯實能量是直接的，將改變土壤的原有結構並造成緊密的連鎖作用，致呈現出較大的土壓係數；而當覆土深度漸增大時，一方面是垂直土壓力已增大，另一方面是施工機械的夯實能量漸漸地不會影響至土壓計近旁的土層，已經甚緊密的土壤結構也不再產生變化，只有上層土壤本身的垂直土壓力傳遞至土壓計近旁的土層而已，致使其土壓係數漸變小。 從回填土蓋過土壓計開始至路面完

19、成時的土壓係數變化範圍，於土壓計A處是3.670.46，於土壓計B處是2.730.91，另於土壓計D處是1.380.38。唯位於箱涵側版上方之土壓計B處的最終監測土壓係數為0.91甚大，是位於側版下方土壓計D處的2.4倍；其可能原因為土壓計D處夯實機械不易甚接近箱涵致呈現較小值，而土壓計B因位於角偶處不但比D處易夯實，且會因箱涵形狀因素而發生應力集中現象，故呈現較大之土壓係數。五、結論與建議 有關於路堤內剛性矩型箱涵之土壓係數與土壓力，根據本研究結果獲致土壓係數會隨著覆土深度的增加，而由大變小漸接近靜止土壓係數之結論；建議於類似本研究對象具相當凝聚力的回填土料，不宜以主動土壓力當設計值。六、誌

20、謝研究期間，承蒙國道新建工程局許可施行現地監測試驗，中華顧問公司提供設計資料，中華工程公司熱忱幫助配合，使本研究得以順利完成，在此一併致上謝意。參考文獻1.蕭銘雄(1995)，新竹地區代表性土壤之力學行為，中華工學院 土木工程系所碩士論文。2.楊朝平(1993)，以三軸試驗機觀察砂質土的反覆壓密行為及剪 力強度，行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告，NSC82- 0113-E-216-050-T。3.陳榮富(1995)，鋼筋混凝土矩型箱涵荷重之研究-現場監測，中 華工學院土木工程系所碩士論文。4.5.6.7.Andrawes, K.Z. and El-sohby, M.A. (1973),

21、 "Factors Affecting Coefficient of Earth Pressure," ASCE, SM, 99(7):527-539.8.Bacher, A.E., Banke, A.N., and Kirkland, D.E. (1983), " Reinforcement-Concrete Pipe Culverts: Design Summary and Implementation, " TRANSPORTATION RESEARCH RECORD, No.878, pp.83-92.9.Brooker, E.W. and Ir

22、eland, H.O. (1965), "Earth Pressures at Rest Related to Stress History," Canadian Geotechnical Journal, 2(1):1-15.10.Duncan, J.M. and Seed, R.B. (1986), "Compaction-Induced Earth Pressures Under -Condition," ASCE, GT, 112(1):1-22.11.Feda, J. (1984), "-Coefficient of Sand in

23、Triaxial Apparatus," ASCE, GT, 110(4):519-524.12.Tadros, M.K., Belina, C., and Meyer, D.W. (1985), " Current Practice of Reinforced Concrete Box Culvert Design, " TRANSPORTATION RESEARCH RECORD, No.1191, pp.65-71. 圖1 試驗箱涵位置剖面圖Fig.1 The location of testing culvert 圖2 土壓計位置圖Fig.2 The loca