大地工程

大地工程研究領域之簡介

 

  大地工程(Geotechnical Engineering)乃指應用於土壤及岩石之土木工程技術。由於土木工程建設無不與土壤或岩石相關,因此大地工程在土木工程建設中,占有相當重要之一環。大地工程範圍包括分為隧道工程、環境地工、大地地震工程、坡地工程、深開挖工程、基礎工程(含淺基礎、深基礎、及特殊基礎)、地盤改良、現地實驗、地工材料、生態工程等等。此外,由於時代變遷及科技的發展,大地工程研究領域已經擴展至因應全球氣候及水文變遷之急遽變化導致天然災害頻傳而發展的天然災害防治,因應高科技發展而衍生的相關應用研究及能源短缺而新興的能源議題。每個領域的說明如下:

 

1.隧道工程:

  台灣山多平原少,由於環島交通、都會捷運與衛生下水道工程之發展,隧道工程之研究從未終止,而各項隧道工程遭遇各種土質的工程問題,錯綜複雜,其中包括都會軟弱地盤之潛盾開挖,山脈中之岩盤隧道工程,以及隧道之釋壓及受壓受力之變形行為等,均為現階段隧道工程之主要研究重點。

 

2.環境地工:

  在環境保護之工作中,有許多領域需要大地工程之專業技術,因此許多大地工程師直接參與環保之工作,而大地工程師在環保工作中亦扮演一個日益重要之角色。環境地工的研究包括土壤污染調查與處理技術,污染場址之範圍調查與整治技術,廢棄掩埋場之分析設計,地下水污染物之傳播等。

 

3.大地地震工程:

  台灣為一地震島,全島各地均受地震災害之威脅,綜觀台灣百年來所發生的地震,災害性地震超過一百個,其中死亡人數超過千人者,包括1906年嘉義梅山地震、1935年新竹台中烈震以及1999年集集地震。相關的研究包括土壤與結構之互制、土壤承受動載重之行為與模式應用、大地離心機試驗之模擬與分析、土壤液化之行為與模式分析、調查、評估及補強措施等。

 

4.坡地工程:

  台灣本島位於菲律賓海板塊及歐亞大陸板塊交界地帶,造山運動劇烈,地震發生頻繁;而又地處於亞熱帶氣候區,夏季颱風常伴隨豪雨,因而引致坡地破壞,而近年更由於坡地之普遍開發使用,導致災害嚴重性之昇高。台灣地區常見各類坡地災害包含自然邊坡之崩坍、落石、地滑及土石流,另外尚含人造擋土設施及填土邊坡之破壞等,類型眾多。相關的研究包括岩土邊坡3維穩定之分析,坡地護坡工法(如地錨、岩錨、土釘、加勁、格框等)之分析與研發,災害邊坡之調查與補救技術等研究。

 

5.深開挖工程:

  台灣地區由於都市土地取得不易,高層建築已成為都會地區的特色,再加上鐵路地下化及大眾運輸系統的發展,深開挖工程問題在都會地區中也愈顯重要。這些工程的開挖深度愈來愈深,由於施工或設計不當造成的災害時有所聞,更愈發凸顯深開挖工程問題在都會地區的重要性。相關的研究包括開挖工法之分析與研發、擋土結構之變形與分析,開挖引致鄰近建物之下陷與補救分析,深開挖工程之施工與管理等。

 

6.基礎工程(含淺基礎、深基礎、及特殊基礎):

  基礎為承受上部結構造之外力而不致產生地盤剪力破壞或過度沉陷之地下工程構造物,其對上部結構安全之影響至鉅。相關的研究包括單樁與群樁承受鉛垂力及側力之載重行為與分析,基樁施工法對基樁承載力之影響分析,基樁載重試驗結果分析與詮釋,基樁之非破壞檢測與分析應用等。

 

7.地盤改良:

  由於工程之多樣化、地盤條件的惡劣.結構物功能之高度化,以及各種相關條件要求之嚴苛,世界各地遂大量開發地盤改良新技術,並且立即投入實際工程。至於預估改良後地盤力學行為之分析技術亦隨之逐漸精進,預期應可解決許多大地工程問題。相關的研究包括地盤改良工法之研發,如軟弱土層之低高壓灌漿處理技術、土壤與灰漿之現地混拌技術、礫石樁技術、動態錘擊疏鬆砂土層改良技術等,電滲透化學灌漿、冷凍工法的研究等。

 

8.現地實驗:

  現地試驗對大地工程相當重要,這主要是由於任何大地工程分析均須要瞭解地層狀況,並取得材料之基本物理性質及力學性質。然而大地材料通常取樣困難,縱然能順利取樣,但是由於取樣時材料的擾動,常常使得試驗出來的結果並不準確;有些大地材料(如卵礫石土)顆粒尺寸大小不一,在目前技術下進行小尺寸的取樣,所得的結果並沒有代表性,類似此種材料並不適合室內試驗。相關的研究包括工程地質之遙測技術之應用、地球物理探勘方法之研發與資料分析及判識等,新的大地工程試驗技術之研發等。

 

9.地工材料:

  近年來由於新地工材料之開發,這些材料也漸次應用在人造土工之加勁工程(如公路路堤、檔土牆設施、坡地防護等),因此,地工織物與地工加勁與土壤之互制行為,以及其在大地工程之應用研究發展是近幾年來大地工程之新興研究領域。相關的領域包括,地工加勁材邊坡之分析設計,地工加勁材之數值分析(含動力分析)及地工材料的特性研究等。

 

10.生態工程:

  公共工程委員會生態工程(工法)諮詢小組曾經針對生態工法所研擬的定義「基於對生態系統之深切認知與落實生物多樣性保育及永續發展,而採取以生態為基礎、安全為導向的工程方法,以減輕對自然環境造成傷害」。然而許多學者認為以工程而言,以生態為基礎的定義過於理想,特別是在全球氣候變遷劇烈的今天,恐怕會造成安全的疑慮。比較務實的方式為,從全工程生命週期考量最小資源投入,研提符合工程對環境最小干擾的施工對策,並持續追蹤其成效的操作過程。相關的議題包括,生態工程(工法)案例研究,生態工程(工法)規範研究,土木建築構造物之全生命週期之研究等。

 

11.天然災害防治:

  98年8月莫拉克颱風造成的水災顯示,全球暖化將導致聖嬰成了常態,聖嬰又使得颱風已無分輕度、中度、強度,皆是破紀錄超大雨量;山洪、土石流與颶風歷次狂飆。今天發生於南台灣的莫拉克的降雨有可能發生於台灣任何一個地區,極端氣候下的防災減災為政府及民間必須面對的問題。以大地工程而言,相關的大地工程設計必須考慮極端氣候颱風水災之因素,將為重要的研究課題。

 

12.大地能源研究:

  許多研究資料顯示,石油將於2015年之後,石油的需求量將高於石油的產量,此後,能源危機將成為常態。此外,由於人為作用,使大氣中溫室氣體的濃度急遽上升,因而導致近年全球氣溫反常快速上升。人類近代歷史上的溫室效應,與過去相比特別的顯著,全球暖化即適用於形容現在的異常情形。之所以如此,是由於工業革命以來,人類燃燒化石燃料而使二氧化碳含量急劇增加,近十年來增加將近30%。因此如何開發新能源及節能減碳為各領域科學家努力的目標。在這許多新能源開發及節能減碳的技術中,許多相關的研究議題均與大地工程的關係密切,例如海上風力發電設備之基礎設計及地質調查,地熱資源調查等等。

 

國立臺灣科技大學營建系 歐章煜教授 撰稿