交通部高速公路局/第二新建工程分局/第四工務所/黃國誌 主任
台灣世曦工程顧問公司/高雄工程處/張發魁 計畫經理、許家豪 技師
壹、前言
「公路橋梁設計規範」自民國76年引進耐震概念，將臺灣分為弱震區及強震區，並於84年考量韌性設計及液化，頒布「公路橋梁耐震設計規範」。 921地震後進一步修訂，嗣於98年將震區微分化，並納入近斷層效應，增加性能考量，使橋梁達到中度地震不壞、設計地震可修、最大考量地震避免落橋或崩塌之目標。後續於107年，進一步調整地震水平譜加速度係數等，因此自76年迄今，最大考量地震力約略提高2.5倍。
交通部高速公路局為防範於未然，自102年起推動「國道高速公路(通車路段)橋梁耐震補強工程計畫」。以交通部「公路橋梁耐震設計規範」及其函頒修正之各章節，重新檢核及評估國道高速公路之新舊橋梁結構物，對於不符合最新耐震設計規範之橋梁進行耐震補強。而M38FZ標屬國道後續路段橋梁耐震補強工程(區段2-2)，其工程範圍包含國道3號 360k+565跨越橋(7號)~ 391k+457穿越橋(文化街)、國道10號 0k+000左營端~19k+652燕巢系統交流道、國道1號鼎金系統交流道(如圖1)，總橋面積521,565平方公尺。幅員橫跨台南、高雄及屏東，範圍內橋梁原皆依76年公路橋梁耐震設計規範設計，經耐震能力詳細評估部分強度不符合最新規範需求。其中國道1號鼎金系統匝道六橋及跨越一橋、國道3號九如交流道穿越橋、虎尾溝溪排水橋及國道10號高架橋，部分基礎需進行增樁擴基補強。考量前述橋梁下部結構耐震補強作業，須配合既有結構及現地施工限制因素，故增樁作業採低淨空(H=6m~8m)小口徑樁機施作(樁徑610mm)。
圖1 國道後續路段橋梁耐震補強工程(區段2-2)第M38FZ標範圍平面圖
貳、樁載重試驗規劃
本工程範圍涵蓋台南市、高雄市及屏東縣等3個行政區，地質分佈於國道3號平原區，地層主要由砂、黏土或粉土所組成，局部夾少量的礫石，而中寮至燕巢路段局部地區以泥岩為主；國道10號自燕巢系統交流道往西南沿線經過上新世的蓋子寮頁岩及南勢崙砂層，以及全新世沖積層，此區沖積層屬高雄都會平原，以砂及黏土堆積為偶夾薄層礫石。
設計階段之基樁承載力及樁長，係依橋梁竣工圖資之鑽孔柱狀圖進行分析所得，如何精確評估基樁的承載力與受力-位移行為，以達合理(經濟且安全)之基樁設計目標，有賴樁載重試驗來驗證其承載力。考量前述地層分佈情形，故分別於國道3號309K+912穿越橋(九如交流道)辦理1處拉拔力、國道10號高雄環線高架(一)橋P62W辦理1處拉拔力、1處垂直力鋼管樁載重試驗作為驗證(如圖2)。另試驗前為求能掌握現地地質條件，亦於載重試驗位置辦理補充地質鑽探。
圖2 樁載重試驗位置
一、國道3號九如交流道穿越橋P1L(屏東縣)
本處樁載重試驗試驗樁，按設計需求於A2橋台整地施作，並按原設計鋼管樁長度及樁底高程打設，總計打設長度為34.4m(設計樁長30m+引樁4.4m)。試驗時試驗樁需降挖約70cm露出樁頭進行反力設備架設，故試樁需考慮地面下引樁(3.7m)部份，所產生之摩擦力約17.9tf，引樁所造成額外摩擦力需予以扣除，詳細試驗規劃如圖3。
本次載重試驗，係參考 CNS 12460 A3302 與 ASTM D3689所規範之單樁標準施加載重加載法進行試驗，加載之載重，按設計拉拔力規劃分8 階段(第1至8 階段，每階段12.5%)，逐次加載至最大試驗載重後，分4階段卸載程序進行試驗，實際施於加載至第3階段完成後 (本階實際試驗載重為 73.43 tf，樁頭平均拉拔量為 3.7mm)，繼續加載至第 4 階時，本階實際試驗載重為 98.4 tf， 樁頭平均拉拔量已增加至 53.78mm，但尚未達樁徑之15% (91.5mm)，然繼續加載至第 5 階時(原預定試驗載重為 121.8 tf)，由於試驗樁拉拔量持續大幅增加，且該試驗樁無法持拉，最終樁頭平均拉拔量已超過樁徑之15%，視為已破壞。記讀最後一筆載重 106.92 tf、試驗樁最大平均拉拔量 93.01 mm 後，即停止試驗，並依原計畫進行 4 階段解壓卸載，荷重-時間-拉拔量歷時曲線如圖4。
後續將本次鋼管樁拉力載重試驗結果回饋設計單位研析，因樁承載力及樁長計算值，係參考日美台設計規範公式，並依照竣工地質鑽孔資料進行分析所得。惟竣工地質鑽孔資料與本處的「補充鑽探資料」不盡相同，按試驗樁樁長30m提供89.02 tf拉拔力，僅為設計拉拔力177 tf的五成，故後續按樁載重試驗成果，重新檢算本標國道3號屏東路段基礎補強之鋼管樁配置，增樁擴基補強需配合「調整基礎、樁長及樁配置」，九如交流道穿越橋遂配合調整，如詳圖5。
圖3 國道3號九如交流道穿越橋P1樁載重試驗規畫劃表
圖4 國道3號九如交流道穿越橋P1樁載重荷重-時間-拉拔量歷時曲線
圖5 國道3號九如交流道基礎補強變更方案
二、國道10號高架一橋P62W(高雄市)
國道10號鋼管樁載重試驗，選擇本路段範圍設計樁長最深位置辦理，施作時在施工動線允許下，於國道10號高雄環線高架一橋P62W(設計樁長42m)橋墩北側平整腹地，辦理壓力試驗及拉力試驗各1組，原規劃打設長度為45.9m(設計樁長41m+引樁4.9m)，試樁時需扣除地面下引樁(4.18m)部份所產生之摩擦力約15.77 tf，試驗配置如圖6所示；惟施作TP1、TA1試驗樁及TR2、TR4錨樁時，陸續於地面下42.41m起有無法打入狀況，經比對試驗前所作補充地質鑽探資料，該土層為粉土質細砂(統一土壤分類屬SM)，而試驗樁樁底高程處之SPT-N值達38，考量如採引孔方式施作恐影響載重試驗成果判讀，爰以此樁長依原試驗規劃(載重、程序等)繼續進行試驗，詳細試驗規劃如圖7。
壓力載重試驗共分為8階段加載程序與4 階段卸載程序進行，試驗加載至最大試驗載重為 271.96 tf (預定荷重為 271.47 tf)時，試驗樁樁頂最大平均沉陷量 14.10 mm。此沉陷量在未達極限破壞的合理範圍內，變位可能來自樁體彈性變形量、荷重引起之樁端沉陷量，以及樁身摩擦力引起之沉陷量。解壓至零荷重時之塑性沉陷量為 1.96 mm，推估最大彈性變形量為 12.14 mm，荷重-時間-拉拔量歷時曲線詳圖8。
而拉拔力載重試驗亦分為8階段加載程序與4 階段卸載程序進行，試驗加載至最大試驗載重為 244.35 tf (預定荷重為 241.17 tf)時，試驗樁最大平均拉拔量為 16.18 mm。解壓至零荷重時之塑性變位量為 4.27 mm，推估最大彈性變位量為 11.92 mm，荷重-時間-拉拔量歷時曲線詳圖9。
依據試驗結果為實際打設樁長，雖未達設計需求之41m深度，仍可提供256.19 tf壓力及228.58 tf拉拔力，皆滿足設計壓力255.7 tf及拉拔力225.4 tf的需求，爰以此樁載重試驗結果修正P62W鋼管樁之設計深度，且本路段圍內的所有鋼管樁施工，仍按原設計圖辦理。
圖6 國道10號高架一橋P62W樁載重試驗配置
圖7 國道10號高架一橋P62W樁載重試驗規畫表
圖8 國道10號高架一橋P62W壓力載重荷重-時間-拉拔量歷時曲線
圖9 國道10號高架一橋P62W拉拔力載重荷重-時間-拉拔量歷時曲線
參、結語
橋梁耐震補強辦理橋梁下部結構耐震補強作業，常因橋下淨空不足、受限施工開挖範圍等因素，於都會區無法採高能量機具等施工限制來選用補強工法，而鋼管樁施工相較於全套管基樁，具有低噪音、減少開挖範圍與縮短工期等特性。有效減低因傳統基樁施工所造成的土方暫置與環保問題，滿足敦親睦鄰趨勢發展，儼然已成近年來橋梁耐震補強的新興工法。也因採低淨空(H=6m~8m)小口徑樁機施作(樁徑610mm)，亦受限於環境因素無法以落錘敲擊方式施作，然採振動方式貫入故其能量受限，倘遭遇堅實地層有不易貫入之隱憂，且樁長越長其樁身所受磨擦阻力越大，故採鋼管樁施作時其設計樁長應斟酌考量；另本標於後續施作時於施作國道1號鼎金系統匝道六橋P18-P20，亦遭遇堅硬土層而無法打設至設計深度。爰建議於規劃採鋼管樁施工前，可先行辦理補充地質鑽探作業，以確實掌握土層狀況，俾利後續施工順遂。
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