115 年 國立成功大學土木工程系碩士班乙組《土壤力學》

本題主要在測試考生對土壤力學基本名詞的理解程度，包含沉陷、超固結土、正常固結土、壓實、過度壓實、滲流、流速、滲透性、水力傳導係數、孔隙比及孔隙率等。

(a) 沉陷、超固結土、正常固結土 (15%)

• 沉陷 (Consolidation)：沉陷是指多孔性介質（如土壤）在承受外部壓力後，由於孔隙水被擠出，導致體積減小的過程。在土壤力學中，沉陷主要發生在飽和黏土層中，壓力會導致孔隙水壓升高，進而使孔隙水緩慢地滲流出去，最終導致土體有效應力增加，體積減小，沉降發生。這是一個時間相關的過程。
• 超固結土 (Over-consolidated soil, OC soil)：超固結土是指土體經歷過的歷史最大垂直有效應力（$\sigma'_{v,max}$）大於目前承受的垂直有效應力（$\sigma'_{v}$）的土。也就是說，$\sigma'_{v,max} > \sigma'_{v}$。這種情況通常發生在過去受到更高地表負荷（如冰川、沉積物堆積、地下水位變化等）的土體，或者經過固結後負荷被移除的土體。超固結土的壓縮性通常較低，並且在卸載時具有較大的回彈潛力。
• 正常固結土 (Normally Consolidated soil, NC soil)：正常固結土是指土體經歷過的歷史最大垂直有效應力等於目前承受的垂直有效應力。也就是說，$\sigma'_{v,max} = \sigma'_{v}$。這種土體目前正處於其一生中承受的最大應力狀態，因此具有較高的壓縮性。

(b) 壓實與過度壓實 (10%)

• 壓實 (Compaction)：壓實是指在土壤含水量較低時，通過機械夯實（如滾壓、夯打）來增加土壤的密實度，降低其孔隙比，提高其單位體積重（乾重度）。壓實過程主要是在土粒之間引入機械功，使土粒排列得更緊密，並排除部分空氣。壓實可以顯著提高土壤的強度、穩定性和降低滲透性，常應用於土方工程，如路堤、壩體、機場跑道等的填築。
• 過度壓實 (Over-compaction)：過度壓實是指土壤在壓實過程中，由於含水量過高，或者壓實能量過大，導致土壤的孔隙中充滿了水，空氣被大量排除，土粒間的接觸變得鬆散，甚至可能損壞土粒結構。過度壓實會導致土壤的乾重度下降，強度降低，並且可能在荷載作用下產生較大的沉陷。在實驗室中，這通常發生在最大乾重度點（最佳含水量）的右側，過度加載。

本題考查三種不同三軸試驗（UU, CU, CD）的排水條件、固結與剪切過程中的差異，以及各自能獲得的剪切強度參數。這三種試驗是評估土壤抗剪強度最常用的方法。

三軸試驗是將試樣置於壓力室內，施加圍壓 ($\sigma_3$)，並施加軸向壓力 ($\sigma_1$)，直至試樣破壞。試驗中對排水條件的控制是區分這三種試驗的關鍵。

1. UU 試驗 (Unconsolidated-Undrained Test)

   • 排水條件：
     • 固結階段 (Consolidation)：無效。試驗過程中不允許排水，圍壓和軸壓同時施加，整個試驗都在不排水條件下進行。
     • 剪切階段 (Shearing)：不排水 (Undrained)。
   • 試驗過程：快速施加圍壓和軸向壓力，不允許水排出。由於試驗時間短，孔隙水壓力變化來不及消散。
   • 獲得的剪切強度參數：由於是總應力分析，獲得的參數是總應力參數 $c_u$ (不排水抗剪強度) 和 $\phi_u$ (不排水抗剪強度角)。對於純黏土，通常 $\phi_u \approx 0$，因此主要參數為 $c_u$。
   • 適用情況：適用於快速加載、排水條件受限的黏性土，如瞬時荷載作用下的基礎、擋土牆的穩定性分析等。

2. CU 試驗 (Consolidated-Undrained Test)

   • 排水條件：
     • 固結階段 (Consolidation)：排水 (Drained)。試樣在施加圍壓後，允許其排水固結至孔隙水壓力消散。
     • 剪切階段 (Shearing)：不排水 (Undrained)。在完成排水固結後，關閉排水閥，快速施加軸向壓力，不允許排水。
   • 試驗過程：先進行排水固結，然後在不排水條件下進行剪切。可以觀測到孔隙水壓力的變化。
   • 獲得的剪切強度參數：
     • 總應力參數：可以獲得 $c_u$ 和 $\phi_u$（如果剪切階段不排水）。
     • 有效應力參數：由於可以測量孔隙水壓力，可以進行有效應力分析，獲得有效應力參數 $c'$ (有效黏聚力) 和 $\phi'$ (有效內摩擦角)。通常，CU 試驗主要用於獲取 $c'$ 和 $\phi'$。

本題探討為何在土壤力學中，我們使用抗剪強度（Shear Strength）而非抗壓強度（Compressive Strength）來描述和分析土壤行為。這涉及到土壤作為一種顆粒材料的獨特力學特性。

土壤的力學特性與顆粒結構：
土壤是由許多不規則形狀的顆粒（如砂、粉土、黏土）通過接觸點相互支撐而形成的疏鬆集合體。這些顆粒之間的接觸點是傳遞應力的主要途徑。

抗壓強度 (Compressive Strength) 的局限性：

1. 不代表真實破壞模式：在大多數工程應用中，土壤的破壞並非簡單的軸向壓縮破壞。例如，邊坡失穩、基礎沉陷、擋土牆滑動等，都是由於土壤承受的剪切應力超過其抵抗能力而引起的。雖然壓力會導致體積壓縮，但真正的破壞往往伴隨著剪切變形和滑移。
2. 與孔隙水壓力關係不明顯：單純的抗壓強度測試（如單軸壓縮試驗，在某些情況下也稱抗壓強度）在分析土壤行為時，可能無法充分考慮孔隙水壓力的影響。在實際工程中，孔隙水壓力對土壤的有效應力有著至關重要的影響，進而影響其強度。
3. 無法反映摩擦特性：土壤的強度很大程度上來自於顆粒間的摩擦作用。抗壓強度測試如果沒有充分考慮法向應力，則無法體現這種摩擦特性。

抗剪強度 (Shear Strength) 的重要性：

1. 真實的破壞機制：土壤的破壞通常是沿著一個或多個剪切面發生的。這些剪切面的形成是因為在該平面上的剪切應力達到了土壤的極限抗剪強度。因此，抗剪強度是決定土壤穩定性的關鍵參數。
2. 考慮有效應力原理：抗剪強度理論（如莫爾-庫倫準則）明確地將抗剪強度與有效應力聯繫起來：