鋪面工程遭遇軟弱土壤問題面面觀

前言

土木及建築工程,大部份的結構物皆建置於土地之上,各項工程均與土壤問題發生密切之關係,每一工項主題均堪進一步做深層次之報導。

其中,若以鋪面工程而論,扣除高架橋梁橋面版領域之外,無論柔性瀝青混凝土或是剛性水泥混凝土鋪面型態,均以鋪面結構(基、底層及面層)直接鋪設於路基土壤上。而世界各國均將鋪面工程視為維生系統與經濟發展榮枯之指標性項目,故其工程品質之良窳,引起各界人士矚目。

看似簡單的鋪面工程,其實卻深深受制於軟弱土壤,亦即從業人員若未正確處理軟弱土壤的問題,往往造成完工後的鋪面系統損壞不斷、連年維修等難以斷絕的後遺症。

職是之故,本文擬針對鋪面工程可能遭遇軟弱土壤問題,提出基本定義、處理策略、優缺點及注意事項等扼要性論述,祈冀供各界從業人員酌參採用並提昇鋪面工程之施工品質,俾能保障用路人的安全與舒適性。

鋪面工程軟弱土壤基本定義

1.日本空港コンクリート鋪裝構造設計方法﹝文獻(1)﹞

路基土壤CBR設計值須≧2%,否則必須置換或改良。

2.日本アスファルト鋪裝要綱方法﹝文獻(2)﹞

CBR試驗值<3%者須進行改良作業。

3.越南地區工程

鑽探工作所進行之標準貫入試驗求得之N值=0者。

4.標準貫入試驗N值應用的比較與探討﹝文獻(3)﹞

砂土N值<10及黏土N值<4之情況,均視為鬆散或軟弱的土壤。日本各機構針對不同結構物種類所定義之軟弱土壤比較情形,經整理修訂後,詳表1所示。

5.台灣地區工程

以筆者經驗而言,基於設計準則皆以CBR設計值為基準或以阻抗R值、回彈模數Mr值及平鈑載重K值與CBR值相互轉換,仍以CBR作業程序做為設計標準居多之事實,且業界試驗室亦以具備CBR試驗項目最為普遍,故筆者建議:『路基土壤之CBR統計設計值﹝文獻(3)﹞<2%時,可作為鋪面工程軟弱土壤之定義。』

遭遇軟弱土壤之因應對策

1.選線時避開法

(1)選線時,應進行初步詳細評估、可行性及經濟性分析,針對整體效益做通盤的瞭解及量化的數據解析。

(2)在不增加民房建築物徵收費用及不違反路線幾何設計準則之前提下,應儘可能避開公路系統通過軟弱土壤之區域。

2.置換法

(1)直接以借土區或工區內挖填平衡方式,選用優良土壤進行置換作業。所謂優良土壤,應依ASTM D2487規定,不得為Pt、OH及OL分類,且工程強度值應穩定大於軟弱土壤定義之下限值者。

(2)置換方式可採100%全部置換,或採用部份碎石級配料混拌現地土壤後,就地分層滾壓之策略。唯現地土壤仍應依ASTM D2487規定,不得為Pt(泥炭土)、OH(高塑性有機質土壤)、OL(低塑性有機質土壤)分類者。若自然含水量過多,經乾燥後,仍為可適用之土壤。置換法之主軸在於可穩定提昇工程強度值。

3.水泥處理土壤法

(1)軟弱土壤之淺層處理,亦經常採用水泥處理土壤之方式。係利用水泥膠結之特性,可大幅度提高路基土壤之工程強度值。

(2)依據不同之土壤分類,建議使用之水泥用量詳表2﹝文獻(4)﹞所示。

4.使用土壤改良劑

(1)土壤改良劑亦可稱之為固化劑,係經與現地土壤混拌、夯壓、固化後,形成較堅實之路基土壤,以增加工程強度值。

(2)常用之固化劑除水泥外,尚有石灰、瀝青膠泥、飛灰、氯化物、化學止水物及水玻璃等無害化學物。

5.使用控制性低強度回填材料

(1)控制性低強度回填材料(Controlled Low Strength Material)簡稱CLSM。近年來,台灣地區廣泛運用於鋪面系統之管線挖填作業,美國則業已使用CLSM將近50年之時間,績效斐然。

(2)針對窄幅空間,CLSM可直接澆置、免搗實、免滾壓,同時提高路基土壤工程強度值。ACI 229R-99﹝文獻(5)﹞規範已允許CLSM採鋪面全斷面之方式,鋪設於路基土壤。

6.灌漿法

(1)針對剛性水泥混凝土版塊下方之溶穴(Cavity),可採用灌漿法予以提昇鋪築結構各層次之工程強度值。

(2)灌漿作業中應避免現地土壤細粒料流失所可能產生新的溶穴。

因應策略優缺點暨注意事項説明

以上所述各策略,皆為處理鋪面工程遭遇軟弱土壤時,所可能規劃採用之方法,然而,不同的方法,各有其優缺點之限制性以及使用上的注意事項。本章謹分項次列述如下。

1.選線時避開法

(1)優點

本項作為可免除一切處理軟弱土壤所可能衍生之工程問題。

(2)缺點

A.增加民房建築物之徵收費用。

B.可直線通過之線形,可能須繞道而行,增加工程費用。

(3)注意事項

宜做全方位之效益評估及經濟分析等工作,在整體之考量下,方能釐定最佳化之方案。

2.置換法

(1)優點

A.直接置換或部份置換係最為便捷之方法。

B.使用材料沒有專利權之限制與觸法的顧慮。

(2)缺點

借土區若運距過遠,運費相對增加,則可能欠缺經濟性。

(3)注意事項

A.現地土壤若須運棄,則置換前須另覓棄土區及支付運棄費用。

B.因應土方借土或棄土之需要,須規劃適當之施工便道。

C.採用置換法時,須加強排水措施。

3.水泥處理土壤法

(1)優點

A.使用水泥為膠結材料,無專利權之問題。

B.取得便利。

C.可有效大幅度提高路基土壤強度。

(2)缺點

A.水泥用量使用不當或施工不嚴謹,易衍生裂縫或改良成效不彰。

B.水泥混拌現地土壤若不均勻,將使路基土壤強度參差不齊,此一狀況,易產生差異性沉陷等問題。

(3)注意事項

A.完成滾壓後須養護7天(含)以上,方能鋪設基、底層及面層材料。

B.施工前應進行水泥最佳用量之試驗作業,以免用量不足而無法發揮成效或用量過多而產生裂縫。

4.使用土壤改良劑

(1)優點

藉由改良劑之化學性質與土壤混拌後,可明顯固結土壤。

(2)缺點

選用改良劑應查明是否有專利權之限制,否則,恐有觸法之虞。

(3)注意事項

A.使用前應進行試拌作業,俾利確認成效。

B.改良劑與土壤應混拌均勻。

C.養護時間及程序應依據各種改良劑說明書之規定辦理。

5.使用控制性低強度回填材料

(1)優點

A.直接澆置、免搗實、免滾壓,節省人力及工時。

B.適合窄幅空間之施工作業,允許全天候施工。

C.可有效克服沉陷之問題。

D.爾後易於再次開挖。

E.可充作隔熱性之回填材料。

(2)缺點

CLSM材質級配規格要求較為鬆散。

(3)注意事項

A.澆置後應確實養護4小時(含)以上再鋪設基、底層及面層材料。否則,經常衍生類似照片1之損壞狀況。

B.以美國經驗而言,CLSM之使用於鋪面底層、基層及路基土壤,其結構係數值可達0.16~0.28。

C.CLSM可添加飛灰,有利副產品再利用並改善環境污染之情況。

D.CLSM強度及耐久性均優於土壤及級配料回填,另一方面,CLSM尚具抗蝕及低滲透性之特點。

6.灌漿法

(1)優點

A.可填補剛性水泥混凝土版塊下方之溶穴。

B.可克服沉陷之問題並提昇鋪築結構之工程強度值。

(2)缺點

A.灌漿作業時,土壤細粒料易流失進而形成新的溶穴。

B.一般而言,不適用於黏性土壤。

C.費用可能偏高。

(3)注意事項

A.灌漿材料亦應查明是否有專利權之限制,否則,恐有觸法之虞。

B.應分區施工並嚴謹監測灌漿之成效。

C.若過度施加灌漿壓力,則可能造成週邊路基土壤結構的改變,此改變可能會引起支撐版塊的均勻度不平衡,進而改變了版塊承重力量的分配並破壞現有應力傳遞之設備或系統(Load Transfer Device)。

D.必須經由資深技術人員及工程師在現場操作灌注之工作。

綜合討論與建議

1.鋪面工程若遭遇軟弱土壤之問題,具備極其特殊之特性;亦即『新建工程時不成問題,養護工程時則屢戰屢敗。』探究箇中原因,乃養護施工後未給予鋪築結構充分的養護時間即逕行開放交通,係為最大之致命傷所在。

2.近十年來,台灣地區柔性瀝青混凝土鋪面使用CLSM之頻率日益增加,由於部份施工單位未針對CLSM確實養護4小時(含)以上,筆者亦親眼所見部份廠商一邊澆置CLSM,一邊立即回鋪瀝青混凝土,致使照片1之損壞狀況屢見不鮮,應引以為鑑才是。另據筆者於2007年負責規劃、設計及監造工作之台北市長安西路整建工程為例,在全長約1.38公里之路段,即佈設數十處須進行以CLSM整治路基土壤之工項,並堅持養護4小時(含)以上才鋪設基、底層及面層材料。至今,業已完工長達6年之久,此6年期間,管線工程雖持續挖填不曾間斷過,但昔日差異沉陷、嚴重龜裂或車轍之損壞情況則不復見,亦無類似照片1波浪紋之損壞情形發生。由此經驗配合照片1所示,當可印證CLSM養護之重要性與必要性矣!

3.灌漿工法應用於鋪面工程,依據筆者蒐集所得之資料並於1986年及2005年兩度分別與不同之美國專家洽談中印證:『灌漿之於鋪面工程,尤其不適用於黏性土壤。』近日來,部份工程單位仍然建議在黏土層進行剛性水泥混凝土版底之灌漿工法,筆者期期以為不可。此一作為,即使短期成效尚可,但仍欠缺長期之資料佐證,不宜冒險為之較為妥切。

4.不同的土壤改良劑,各有使用上的限制與優缺點,部份種類改良劑尤其有專利權之障礙及相關繁複之規定,故在規劃運用時,應確實依據採購法之準則辦理方為上策。

參考文獻

1.日本運輸省航空局(1990)。"空港コンクリート鋪裝構造設計要領",
2.日本道路協會(1988/1994)。"アスファルト鋪裝要綱"。
3.房性中(1994/1998年)。"標準貫入試驗N值應用的比較與探討",文笙書局。
4.房性中(1997)。"柔性鋪面採用水泥處理土壤之可行性探討"。中華民國土木技師公會全聯會季刊,第九期。
5.ACI 229R-99(1999/2005)."Controlled Low-Strength Materials".

照片1  瀝青混凝土表面波浪紋損壞狀況

 

表1  日本各機構軟弱土壤判別標準比較表﹝修正自文獻(3)﹞

機構 結構物 土壤狀況 判別
種類 土質 厚度 N值
日本道路協會 道路 黏土 - <2 非常軟弱
黏土 - 2~4 軟弱
黏土 - 4~8 普通
日本道路公團 高速公路 泥炭土 - <4 軟弱
黏土 - <4 軟弱
砂土 - <10 軟弱
日本鐵道技術協會 鐵路 黏土 2m以上 0 軟弱
黏土 5m以上 <2 軟弱
黏土 10m以上 <4 軟弱
日本鐵道設施協會 新幹線 黏土 - <2 須詳細調查;作為沉陷破壞分析之土層甚厚時,得進一步調查軟弱土壤問題。
黏土 - 2~5
黏土 - <5
日本建築學會 建築 - - <10 軟弱
日本河川協會 河川 黏土 - <3 軟弱
砂土 - <10 軟弱

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表2  土壤分類求水泥用量參考表﹝文獻(4)﹞

土壤分類 水泥用量(%) 夯壓試驗預估用量(%)(重量比) 乾溼、凍融試驗預估用量(%)(重量比)
AASHTO USCS 體積比 重量比
A-1-a GW、GP、GM、SW、SP、SM 5~7 3~5 5 3~5~7
A-1-b GM、GC、SM、SC 7~9 5~8 6 4~6~8
A-2 GM、GC、SM、SC 7~10 5~9 7 5~7~9
A-3 SP 8~12 7~11 9 7~9~11
A-4 CL、ML 8~12 7~12 10 8~10~12
A-5 ML、MH、CH 8~12 8~13 10 8~10~12
A-6 CL、CH 10~14 9~15 12 10~12~14
A-7 CH、MH 10~14 9~16 13 11~13~15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】


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