台湾护坡设计

PAGE112 2.4 护坡工程2.4.1 台湾地区平地约占总面积之25%，人口约二千三佰万人，若以平地面积计算人口密度，应可排名世界第一。因此，为满足百姓的生活机能，坡地的开发势难避免，然而不当的坡地开发，却为日后埋下潜在的坍滑危机。近年来坍方问题频繁，山区道路每于台风豪雨后随即中断，造成人命财产的损失；尤有甚者，如民国86年温妮台风后之林肯大郡坍滑事件，更酿成社会问题。此均为坡地不当开发所造成的恶果，由此可见护坡工程的重要性。2.4.2 (1)「建筑技术规则（CBC）建筑构造篇基础构造设计规范」(含解说)-内政部建筑研究所(2001)(2)「最新建筑技术规则（CBC）」-内政部(2002)(3)「公路桥梁设计规范」-交通部(2001)(4)「大地工程设计注意事项」-交通部国道新建工程局(1994)(5)「日本道路桥示方书同解说」-日本道路协会(平成8年)(6)「StandardSpecificationsforHighwayBridge」-AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials(1996).(7)「PrinciplesofSoilDynamics」-BRAJAM.DAS(1993).2.4.3 (1)设计步骤A. B. 工址调查、测量、钻探及试验(含适当配置及数量)。C. 地震影响之考虑。D. 活载重及静载重之决定。E. 各项地质分析参数之研选。F. 边坡稳定分析安全系数(FS)之选定：(A) 平时：安全系数1.5以上。(B) 地震：依工址地表加速度之大小、工程用途及重要性作适当之分析，安全系数1.1以上。(C) 暴雨时之地下水高水位，安全系数1.2以上，惟不考虑地震与地下水高水位同时发生情况。G. 经由前述之边坡稳定分析并衡量用地取得之难易、交通维持及施工可行性等条件后，作综合检讨，以选择适当之处理方式。

边坡稳定处理方式：(A) 修坡及植生：挖除上边坡部份土石方以减少作用于边坡之荷重，填方区须注意位于软弱地盘之沉陷量及滑动潜能，完成后之边坡应有适当植生保护。(B) 设置三明治式、重力式／半重力式或悬臂式挡土墙：可处理浅层坍滑破坏，且其挡土墙高度大约在6m以下。(C) 设置预力地锚或岩锚，钢筋混凝土(RC)幕墙：可处理崩积层与岩盘界面间之滑动破坏，常于较大挖方高度(6m以上)时采用。(D) 设置地上与地下排水设施：用以减少冲蚀及入水、降低地下水位及水压，以增加边坡稳定性。(E) 依分析结果与现地情况，实行适当之监测与评估(含施工中及完工后)。H. 结构体稳定分析及设计之考虑：(A) 防止墙体倾倒。(B) 防止墙体滑动。(C) 挡土设施基础承载力查核。(D) 挡土设施之结构分析与设计。(E) 沉陷分析(包括总沉陷量与差异沉陷)。(F) 视需要建立监测及维护计划。有关近年建设颇多之道路工程，其护坡之设计作业可扼要说明如图2.4-1之流程图。2設計作業開始設計作業開始收集社會、經濟、自然、環境等資料收集道路等工程資料收集工程地質資料現場勘查、測量工程調查作業確定路權配合路線及基地規劃決定挖方或填方邊坡挖方邊坡填方邊坡邊坡破壞機制研判是否穩定自然邊坡是坡距比設定坡面保護工選擇護坡設計擋土工法選擇否擋土工法穩定性分析沈陷量分析擋土結構設計監測系統設計配合相關規範繪製工程設計圖編製設計預算書是否AA圖2.4-1護坡工程設計作業流程圖(2)设计方法A. 护坡种类及其适用性依护坡的功能可将其概分为两种：(A)仅为抗风化及抗冲刷的坡面保护工，该保护工并不承受侧向土压力，如喷凝土护坡、格框植生护坡、植生护坡等均属此类，仅适用于平缓且稳定无滑动之虞的边坡上。(B)提供抗滑力之挡土护坡，大致可区分为：(a)刚性自重式挡土墙(如：砌石挡土墙、重力式挡土墙、倚壁式挡土墙、悬壁式挡土墙、扶壁式挡土墙)，(b)柔性自重式挡土墙(如：蛇笼挡土墙、框条式挡土墙、加劲式挡土墙)，(c)锚拉式挡土墙(如：锚拉式格梁挡土墙、锚拉式排桩挡土墙)。较常采用之几种挡土护坡，其适用性及优、缺点概略比较如表2.4-1。B. 稳定分析为确保护坡工程设计之安全性，须进行两部份的稳定分析，概述如下：(A) 整体稳定分析欲选择适当的挡土工法之前，必须先进行边坡之整体稳定分析，因边坡之破坏型式不同，故其分析之模式亦不相同。分析时因计算相当复杂，常以计算机软件包反复计算之。目前国内普遍采用之软件为STABL程序，该程序可仿真平面应变情况下任意破坏形状之稳定分析，同时亦可模拟求得在坡面加设地锚背拉后之安全系数。使用边坡稳定分析程序时，应特别注意各种不同程序在应用上的限制，程序本身只是一种辅助设计的工具，如何输入合理的参数，如何适当的模拟现场状况才是重点所在，此系属相当专业之领域，应由专业之工程师执行之。

表2.4-1各种挡土工法之适用性及优缺点比较护坡种类使用坡高(m)优点缺点建议使用时机砌石挡土墙或重力式挡土墙5m以下施工方便简单体积庞大，而需较多混凝土及砂石材料适合较低矮之边坡悬臂式RC挡土墙10m以下施工简单，材料较省容易受基础不均匀沉陷之影响适用一般边坡扶壁式RC挡土墙10m以上在坡高较高处，可有效减少挡土墙之断面施工略为复杂施工中临时开挖面较大适用较高边坡，坡高超过10m，则较悬臂式挡土墙为经济蛇笼10m以下不易受基础不均匀沉陷影响耐久性略差适用于基础土壤较为软弱时透水性佳框条式挡土墙7m以下对不均匀沉陷之忍受度，较一般刚性挡土墙为大施工复杂，工资成本偏高沉陷过大时容易发生丁条断裂透水性佳容许适度之沉陷发生加劲挡土墙20m施工快速，可忍受较大不均匀沉陷变形偏大，须注意坡面受失火或撞击破坏适合高度填方边坡坡面可植生绿化容许适度之沉陷发生锚拉式挡土墙30m以下可提供较大之下滑阻抗力成本较高已发生灾害之边坡修护高挖方边坡

(B) 墙体稳定分析不同型式之挡土结构体，其墙体稳定分析的细节不尽相同，但基本原理仍是大同小异，大致上应检核墙体滑动、墙体转动、容许承载力等三项破坏模式之安全系数是否合于规范之规定。C. 悬臂式挡土墙之分析设计如前所述，边坡之整体稳定分析因计算繁复，常以计算机程序计算之，且因合理参数及破坏模式之选用系属相当专业之领域，常由专业且有经验之工程师执行之，不易在此作深入之探讨。以下仅就边坡整体稳定无虞的情况下，选取经常被采用之悬臂式挡土墙说明其设计方法。作用于挡土墙之侧向压力受墙体与地层间之相对变位行为、地下水位、地层特性、周围载重状况及地震等因素之影响。设计时应考虑之作用力如下：(A) 侧向土压力，包含如主动土压力、被动土压力及静止土压力等。(B) 水压力如静水压力、渗流压力及上浮力等。(C) 地震所产生之土压力、水压力及惯性力等。(D) 地表上方超载。(E) 墙背回填土所产生之回胀压力。(F) 挡土墙结构体之静载重。作用力计算方法如下：a. 静止土压力时，作用于墙背之侧向土压力应采静止土压力计算。如图2.4-2所示，在h深度处之单位面积静止土压力σo，可依式(2.4-1)式计算，其合力Po可依式(2.4-2)式计算，合力作用点在基础板底以上三分之一墙高(H)处。图2.4-2静止土压力图b. 主动土压力挡土墙设计所考虑之主动土压力系挡土墙向外变位时，作用于墙背之最小土压力，其值应依下列规定计算之。如图2.4-3所示，墙背h深度处之单位面积主动土压力σA，可依式(2.4-3)式计算，其合力PA可依式(2.4-4)式计算，合力作用点在基础板底以上三分之一墙高(H)处。图2.4-3 主动土压力图…………式(2.4-5)若φ<α，则假定sin(φ-α)=0………式(2.4-6)如墙背填土具凝聚力者，式(2.4-3)及式(2.4-4)之h及H应以hc及Hc代替，而…式(2.4-7)…式(2.4-8)上两式中，如hc≦0时，hc以零计算；如Hc≦0时，则应考虑长期效应所造成之土压力。上述各式中单位面积主动土压力(tf/m2)主动土压力合力(tf/m)γ=土壤单位重，位于地下水位以下者，以浸水重 计(tf/m3)土壤凝聚力(tf/m2)墙之垂直高度(m)墙顶地表面至欲求土压力点之垂直深度(m)φ=墙背土壤之内摩擦角(度)墙背面与土壤间之摩擦角(度)墙背地表面与水平面之交角(度)墙背面与垂直面交角，以逆时针方向为正，顺 时针方向为负(度)c. 被动土压力挡土墙设计所考虑之被动土压力系指挡土墙向内变位时，作用于墙背之最大侧向土压力，如图2.4-4所示，其值应依下列规定计算之。墙背h深度处之单位面积被动土压力σp，可依式(2.4-9)式计算，其合力Pp可依式(2.4-10)计算，合力作用点在基础板底以上三分之一墙高(H)处。图2.4-4被动土压力图

…………式(2.4-11)………式(2.4-12)式中墙背之被动土压力合力(tf/m)墙背h深度处之单位面积被动土压力(tf/m2)其余符号与前节之符号说明相同。d. 动态主动土压力地震时，挡土墙承受之主动土压力合力PEA，依式(2.4-13)式计算。e. 水压力 式(2.4-15)式中墙背之水压力(tf/m)墙背水位高度(m)水单位重(tf/m3)如墙背及墙底有渗流状况时，应考虑渗流造成之影响。

趾部趾部踵部PWwwHWγWEQHW图2.4-5水压力图f. 车辆活载重依照交通部颁「公路桥梁设计规范」规定，车辆到达距墙顶一定距离(墙高一半)时，均须加计至少相当于60cm厚之填土重量，超载水平总力=Ka(qH)，作用点深度为H/2，本项载重属活载重，考虑地震力时，不予计入。g. 地表上方载重挡土墙背地表受有均布超载重时，该载重得折算成等值填土高度，并依前述计算方法计算其对挡土墙造成之侧向压力。h. 墙体滑动挡土墙抵抗滑动之安全系数，于长期载重状况应大于1.5，于地震时应大于1.2。安全系数之计算原则为：安全系数=作用于墙前被动土压力+墙底摩擦力作用于墙背之侧压力i. 墙体倾覆挡土墙抵抗倾覆之安全系数，于长期载重状况时应大于2.0，于地震时应大于1.5，安全系数之计算原则为：安全系数=对墙前趾产生之抵抗力矩对墙前趾产生之倾覆力矩2.4.4 【设计】悬臂式挡土墙(如图2.4-6所示)，计算：(1) 抵抗倾倒之安全系数(常时FS>2.0，地震时FS>1.5)。(2) 抵抗滑动之安全系数(常时FS>1.5，地震时FS>1.2)。(3) 趾部及踵部之地基反力。(4) 地震力作用下墙体之稳定性。(5) 墙体之结构分析与设计。【已知设计条件】(1) 基础土壤与回填土单位重1.8tf/m3；土壤内摩擦角=36°。(2) 基础土壤容许承载力25tf/m2。(3) 基础底混凝土与土壤间之摩擦角为2/3。(4) 混凝土单位重2.4tf/m3。(5)地震时最大地表加速度0.23g。图2.4-6悬臂式挡土墙及土压力图[解]墙高mtf(主动土压力)tf(地表载重造成之侧向力)

(1) 抵抗倾倒之安全系数对a点计算弯矩面积重量(tf)X轴力臂(m)Mr(tf-m)eq\o\ac(○,1)0.3×2.6×2.4=1.870.5+×0.3=0.651.21eq\o\ac(○,2)×0.3×2.6×2.4=0.940.5+0.3+×0.3=0.90.85eq\o\ac(○,3)0.4×3.0×2.4=2.88×3.0=1.54.32eq\o\ac(○,4)1.9×2.6×1.8=8.895+0.6+×1.9

=2.0518.22Σ14.5824.60tf-mtf-m>2.0(ok)(2)抵抗滑动之安全系数假设挡土墙基础及土壤间之摩擦角为及墙趾处之被动土压PP=0≧1.5(ok)若抗滑动安全系数不足时，一般可加设止滑榫，榫前之被动土压力可列入考虑。

(3)趾部及踵部之地基反力<25tf/m2(ok)<25tf/m2(ok)(4)地震力作用下墙体之稳定性考虑地震水平加速度，，垂直加速度，=0.35

A. 抵抗倾倒之安全系数对a点计算弯矩面积重量(tf)Y轴力臂(m)Mr(tf-m)eq\o\ac(○,1)0.3×2.6×2.4=1.87×2.6+0.4=1.73.18eq\o\ac(○,2)×0.3×2.6×2.4=0.94×2.6