不同加勁路堤與基礎系統受逆斷層錯動之研究
Performance of Various Geosynthetic-Reinforced Embankment and Foundation Systems Subjected to Reverse Fault Movement
不同加勁路堤與基礎系統受逆斷層錯動之研究
土木工程系 蔣榮 助理教授 研究成果分享
Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (https://ascelibrary.org/doi/10.1061/JGGEFK.GTENG-12785)
斷層錯動引致之地表變形常造成橋梁、路堤及隧道等線性結構物之破壞，如1999年集集地震因車籠埔斷層錯動造成石岡大壩潰壩及埤豐橋落橋等，加勁基礎(Geosynthetic-reinforced soil foundation)透過土壤-加勁材介面摩擦阻抗提升回填土之剪力強度，阻止斷層剪裂帶(Shear rupture)之發展，並利用加勁材抗張之特性，於斷層錯動時提供垂直方向之上舉力，使剪裂帶分散至較寬的影響範圍(Influnce zone)，以減緩地表角變量(Angular distortion)，降低災害潛勢，此效應稱為張力膜效應(Tension membrane effect)。然而，雖然相關研究皆指出加勁基礎可降低斷層錯動對地表變形之影響，但對其效果、機制的了解仍相當有限，此外加勁材於逆斷層錯動時張力膜效應可能無法有效發展，因此有必要針對加勁基礎受逆斷層作用下之行為進行研究。
本研究利用砂箱(如圖1)進行物理模型試驗(Physical model test)，藉由數位影像分析(Digital image analysis)探討加勁基礎抗逆斷層錯動之效果與力學機制，分析參數包含逆斷層錯動引致之最大地表角變量(Maximum angular distortion, βmax)及剪應變分佈(Shear strain contour)，並透過加勁路堤之最大牆變位(Maximum wall displacement, Δmax)，評估加勁路堤與基礎系統於逆斷層錯動下之整體穩定性。本研究主要探討三種加勁基礎型式，包含(1)平面加勁(Planar geotextile)、(2)蜂巢格網(Geocell)及(3)外包加勁砂柱(Geosynthetic encased granular columns, GECs)基礎，並與未加勁基礎(Unreinforced foundation)比較。
試驗結果顯示不同加勁基礎型式具有不同效果與力學機制。圖2及3分別為不同加勁基礎型式減緩βmax與Δmax之效果比較，其中，蜂巢格網基礎於減緩βmax及Δmax效果最好，當逆斷層錯動量S與基礎厚度HF之比達S/HF = 37.5% 時，Δmax減少39.1%，且回包式牆面未發生任何破壞(如圖4)，其主要原因為三維之蜂巢格網可提供圍束應力，進而提高土壤剪力強度，以阻斷剪裂帶發展至地表；外包加勁砂柱亦可有效減緩βmax及Δmax，透過外包加勁材圍束效應，提升土壤之剪力及抗彎阻抗(Bending resistance)，阻斷並分散剪裂帶至較寬的影響範圍。平面加勁基礎則效果有限，主要原因為逆斷層錯動時平面加勁材(即地工格網)無法有效發展張力膜效應，地表角變量較顯著。此外，本研究亦探討加勁路堤覆土應力對加勁基礎效果與力學機制之影響，並提出加勁路堤與基礎系統抗逆斷層錯動之設計建議。
