110 高普考高考三級 水利工程 土壤力學(包括基礎工程) 考古題詳解
第 一 題24 分
如表 1 所示鑽探報告,請依各項試驗填上數值。(每格 2 分,共 24 分)
表 1.鑽探報告
土樣編號:-1
深度:
標準貫入試驗 值:____
統一土壤分類(USCS):____
礫石(Gravel):%
砂(Sand):%
粉土、黏土(Fine):%
土粒比重 :
自然含水量 :%
濕土單位重 :
孔隙比 :____
液性限度 :____
塑性限度 :____
塑性指數 :____
🖼️【此處有附表格,請對照原卷】
標準貫入試驗(SPT)打擊次數:
、、
標準貫入試驗銅圈土樣:
- 銅圈內徑:
- 銅圈內高:
- 銅圈內土壤濕土重:
- 銅圈內土壤烘乾重:
塑性限度試驗:
3 次毛玻璃搓土條至直徑 開裂含水量:
液性限度試驗:
- 打擊次數 ,
- 打擊次數 ,
- 打擊次數 ,
🖼️【此處有附液性限度試驗圖,請對照原卷】
土粒比重試驗 :
- 空比重瓶重:
- 乾土粒重:
- 瓶+土+滿水重:
- 空瓶+滿水重:
- 水溫:
- ,取小數點後 2 位,四捨五入。
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核心觀念
本題綜合考查標準貫入試驗的 值、土壤粒徑分布、含水量與單位重、土粒比重,以及阿太堡限度與 USCS 分類。
解題方法
1. 標準貫入試驗 值
前 15 cm 為打入土層的前置段,不列入 值;取後兩段打擊數相加:
2. 粒徑分布與 USCS
依第 2 頁粒徑分布曲線讀取,-1 樣品通過 #4 篩(約 )近乎 100%,通過 #200 篩(約 )約 40%。因此礫石約 0%、細料約 40%,砂約 60%。
液性限度約為 40%,塑性指數約為 22。阿太堡圖 A 線在 時:
,細料屬黏土性;且粗粒部分以砂為主、細料含量超過 12%,故 USCS 分類為 SC(黏土質砂)。
3. 自然含水量與濕土單位重
銅圈體積為:
自然含水量:
濕土單位重:
4. 土粒比重與孔隙比
比重瓶法:
第 二 題25 分
表 2~表 4 有 A、B、C 三個基地進行垃圾掩埋場選址。垃圾掩埋場預定地下開挖 ,採用深 連續壁當擋土壁體,如圖 1 所示。試分析以下三個場址,哪個適合?
說明:
(一)垃圾掩埋場選址條件:不用不透水布與皂土布,以原址土壤止水與吸附重金屬離子,請選擇基地?(8 分)並說明選址理由?(8 分)
註:黏土層若被穿透,不可當不透水層,因為混凝土發揮強度伴隨著體積收縮。
(二)在暴雨下地下水位上升到地表,請以擋土壁的最高流線,在 下,連續壁單元止水樁最少須由 GL0 公尺至 GL 下多少公尺?(9 分)
註:流砂 。
🖼️【此處有附圖 1,請對照原卷】
表 2.A 基地地質鑽探報告
- 名稱:華夏路、重上街口
- 地面標高:
- 孔號:A1
- 地下水位:
- 鑽探日期:83.04.30
- 試驗日期:83.05.14、83.05.20
| 土樣編號 | 深度(m) | 值 | 地質說明 | 礫石(%) | 砂(%) | 細粒(%) | 分類 | 自然含水量(%) | 當地密度(g/cc) | 孔隙比 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S-1 | 1~2 | 16 | 回填砂土含混凝土塊、雜物 | 0.0 | 3.1 | 96.9 | ML | 23.4 | 2.02 | 2.72 | 0.66 | — | — | — |
| S-2 | 2~3 | 7 | 棕灰色粉質黏土夾粉土薄層 | 0.0 | 0.6 | 99.4 | CL | 28.1 | 1.97 | 2.72 | 0.77 | 40.1 | 24.3 | 15.8 |
| S-3 | 4~5 | 4 | 灰色粉質細砂 | 0.0 | 70.1 | 29.9 | SM | 30.5 | 1.88 | 2.68 | 0.86 | — | NP | — |
| S-4 | 5~6 | 11 | 灰色粉質細砂 | 0.0 | 77.8 | 22.2 | SM | 18.4 | 2.11 | 2.68 | 0.50 | — | NP | — |
| S-5 | 8~9 | 10 | 灰色粉質細砂 | 0.0 | 83.2 | 16.8 | SM | 24.3 | 2.02 | 2.68 | 0.65 | — | NP | — |
| S-6 | 9~10 | 11 | 灰色粉質細砂 | 0.0 | 82.4 | 17.6 | SM | 21.8 | 2.01 | 2.68 | 0.63 | — | NP | — |
| S-7 | 10~11 | 13 | 灰色粉質細砂 | 0.0 | 8.5 | 91.5 | ML | 27.6 | 1.98 | 2.71 | 0.75 | — | NP | — |
| S-8 | 12~13 | 6 | 灰色粉質黏土夾砂質粉土及細砂薄層 | 0.0 | 4.0 | 96.0 | ML | 29.2 | 1.91 | 2.71 | 0.84 | — | NP | — |
| S-9 | 13~14 | 11 | 灰色粉質細砂 | 0.0 | 77.2 | 22.8 | SC | 25.3 | 2.00 | 2.68 | 0.68 | 38.9 | 23.3 | 15.6 |
🖼️【此處有附表 2,請對照原卷】
表 3.B 基地地質鑽探報告
- 工程名稱:____
- Sampler: Standard Split spoon
- 地點:岡山大德路
- 鑽孔編號:B-1
- 日期:85.2
- 地下水位:現地面下 ,滲出水
| 土樣編號 | 深度(m) | 值 | 地質說明 | 分類 | 礫石(%) | 砂(%) | 細粒(%) | 比重 | 自然含水量(%) | 當地密度(g/cc) | 孔隙比 | 無圍壓縮強度(T/m²) | 容許承載力(T/m²) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1-1 | 1.5 | 2 | 回填砂土 | SM | 0.0 | 76.3 | 23.7 | 2.68 | 19.0 | 1.83 | 0.74 | — | NP | — | — | 11.0 |
| 1-2 | 3.0 | 2 | 黃色沉砂質 | ML | 0.0 | 7.5 | 92.5 | 2.69 | 24.6 | 1.92 | 0.75 | — | — | — | — | 12.0 |
| 1-3 | 4.5 | 1 | 黃灰色砂質 | SM | 0.0 | 69.6 | 30.4 | 2.68 | 24.6 | 1.97 | 0.70 | — | NP | — | — | 10.0 |
| 1-4 | 6.0 | 1 | 灰色沉泥質 | ML | 0.0 | 4.6 | 95.4 | 2.70 | 27.5 | 1.91 | 0.80 | 23.2 | 19.7 | 3.5 | 1.3 | 9.0 |
| 1-5 | 7.5 | 2 | 灰黃色、粘土質、砂質 | ML | 0.0 | 4.5 | 95.5 | 2.70 | 27.3 | 1.93 | 0.78 | 22.1 | 18.3 | 3.8 | 2.5 | 12.0 |
| 1-6 | 9.0 | 5 | 黃色、粘土質、砂質 | CL | 0.0 | 2.2 | 97.8 | 2.70 | 26.0 | 2.00 | 0.70 | 21.9 | 16.5 | 5.4 | 6.3 | 18.0 |
| 1-7 | 10.5 | 11 | 黃色、沉泥質 | CL | 0.0 | 0.6 | 99.4 | 2.71 | 26.3 | 2.00 | 0.71 | 34.1 | 20.1 | 14.0 | 13.8 | 24.0 |
| 1-8 | 12.0 | 6 | 黃色、沉泥質 | CL | 0.0 | 1.1 | 98.9 | 2.72 | 29.7 | 1.95 | 0.81 | 40.4 | 21.2 | 19.2 | 7.5 | 20.0 |
| 1-9 | 13.5 | 5 | 黃色、沉泥質 | CL-SM | 0.0 | 0.8 | 99.2 | 2.71 | 1.95 | 29.3 | 0.79 | 39.6 | 20.9 | 18.7 | 6.3 | 20.0 |
| 1-10 | 15.0 | 5 | 黃灰色、砂質 | ML | 0.0 | 32.5 | 67.5 | 2.69 | 25.2 | 2.01 | 0.68 | — | — | — | — | 40.0 |
🖼️【此處有附表 3,請對照原卷】
表 4.C 基地地質鑽探報告
- 名稱:新建地質鑽探工程
- 地點:高雄市鹽埕區
- 鑽探深度:
- 孔號:B25
- 地下水位:
- 鑽探日期:83.4.16、20
| 土樣編號 | 深度(m) | 值 | 地質說明 | 分類 | 礫石(%) | 砂(%) | 細粒(%) | 比重 | 自然含水量(%) | 當地密度(g/cc) | 孔隙比 | 無圍壓縮強度(T/m²) | 容許承載力 (T/m²) | 內摩擦角 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S-1 | 1 | 1 | 回填、黃灰色細砂夾 | ML | 0 | 22.8 | 77.2 | 2.72 | 27.1 | 1.82 | 0.90 | — | NP | — | — | 5.1 | — |
| S-2 | 3 | 1 | 灰褐色粘土質黃粉砂 | ML-CL | 0 | 25.4 | 74.6 | 2.72 | 30.5 | 1.74 | 1.48 | 28.7 | 23.2 | 5.5 | — | 1.7 | — |
| S-3 | 4 | 2 | 灰褐色粘土質黃粉砂 | ML | 0 | 29.6 | 70.4 | 2.72 | 26.0 | 1.81 | 0.91 | — | NP | — | — | 5.3 | — |
| S-4 | 6 | 3 | 灰褐色粘土質黃粉砂夾層 | ML | 0 | 34.1 | 65.9 | 2.72 | 29.3 | 1.83 | 0.92 | — | NP | — | — | 5.6 | — |
| S-5 | 8 | 3 | 灰褐色粘土質黃粉砂夾層 | ML | 0 | 37.6 | 62.4 | 2.77 | 27.9 | 1.82 | 0.91 | — | NP | — | — | 5.5 | — |
| S-6 | 9 | 4 | 灰褐色粘土質黃粉砂、粉砂質粘土 | CL | 0 | 13.9 | 86.1 | 2.73 | 30.0 | 1.86 | 0.91 | 30.5 | 22.7 | 7.8 | — | 6.9 | — |
| S-7 | 11 | 14 | 棕灰色粘土質中細砂 | SM | 0 | 62.5 | 37.5 | 2.71 | 23.0 | 2.07 | 0.61 | — | NP | — | — | 16.4 | 31.0 |
| S-8 | 12 | 12 | 棕灰色粘土質中細砂 | SM | 0 | 58.7 | 41.3 | 2.71 | 23.2 | 2.05 | 0.63 | — | NP | — | — | 13.3 | 30.4 |
| S-9 | 13 | 14 | 灰褐色粘土質中細砂 | SM | 0 | 70.3 | 29.7 | 2.70 | 22.7 | 2.11 | 0.57 | — | NP | — | — | 16.1 | 30.9 |
| S-10 | 14 | 14 | 灰褐色粘土質中細砂 | SM | 0 | 73.5 | 26.5 | 2.70 | 22.5 | 2.13 | 0.55 | — | NP | — | — | 15.9 | 30.9 |
🖼️【此處有附表 4,請對照原卷】
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核心觀念
本題分成兩部分:以原地土壤作為垃圾掩埋場的止水、吸附層,以及以流網概念估算連續壁的最低止水深度。
原地土壤能否作為阻水層,須看細粒土層是否夠厚、是否連續,以及開挖後是否仍留在場底下方。黏土層若被完全穿透,不能再視為完整不透水層。流砂安全則依題示公式:
其中 為兩側水頭差, 為最高流線長度。
(一)基地選擇與理由
選擇 B 基地。
B 基地約在深度 有連續的細粒土層,包含 ML、CL 等粉土質或黏土質土層。預定開挖至 GL 後,場底下方仍有厚層細粒土,可提供較長的滲流路徑及較低的滲透性;其中 CL 層的塑性指數可達 ,較有利於阻水及吸附重金屬離子。依題目註記,判斷重點是開挖後仍保有未被完全穿透的細粒土層。
三基地比較如下:
- **A 基地:**表層回填土下方有約 的 CL 層,但開挖深度達 ,該薄層已位於開挖範圍內;開挖底部以下以粉質細砂為主,不能提供連續的黏土止水層。
- **B 基地:**開挖底部以下仍有較厚、連續的細粒土層,並有 CL 層,最符合以原地土壤止水與吸附的條件。
- **C 基地:**上部主要為 ML 或粉土質土層,細粒含量雖高,但多數為低塑性粉土;較明確的 CL 層厚度及塑性均不如 B 基地,作為天然阻水層的條件較差。
(二)連續壁最低止水深度
暴雨時外側水位升至 GL,開挖底面為 GL,故水頭差為:
第 三 題25 分
河川護岸工程開挖 ,採用懸臂式擋土牆,設計 深 FSP III 鋼板樁擋土,施工時地下水降至 GL-,如圖 2 所示。基地地質鑽探報告,如題二表 4 所示。請分析其穩定安全係數 。
註:
- 土壤主動壓力:
- 土壤被動土壓力:
-
護岸上方地表超載重,取 。
-
土壤短期強度,請用單軸抗壓強度分析:
- 可使用土層簡化分析,歸類同一土層其單位重與抗剪強度可平均之。地下水以上土壤單位重為 ,地下水以下土壤單位重為 。
土層分割原則:
- 黏性土壤:
- :軟弱黏土
- :中等硬黏土
- :硬黏土
- 砂性土壤:
- :鬆砂
- :中等砂
- :緊密砂
-
黏土張力在開挖後會消失,地表 GL0 m,張力取 0。
-
計算取小數第 3 位,四捨五入。
🖼️【此處有附圖 2,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查懸臂式鋼板樁擋土牆的側向土壓力與穩定安全係數。圖示開挖深度為 ,鋼板樁長 ,因此開挖面以下的嵌入深度為
以開挖面作為被動土壓力的起算面,保留側承受地表超載 ;開挖側則由開挖面以下土層提供被動抗力。地下水位在 ,水位以下應以有效應力計算土壓力,並納入水壓。
解題方法
將開挖面以下各土層的主動壓力與被動壓力分別畫成側壓力分布圖,積分求合力及對鋼板樁趾部的力矩,再以抵抗力矩除以傾覆力矩求安全係數:
其中 為被動土壓力對趾部的抵抗力矩, 為保留側主動土壓力對趾部的傾覆力矩。計算時,各層依題目所定的 分類原則合併,並分別平均單位重與抗剪強度。
黏土短期強度依題示關係換算:
第 四 題25 分
某大樓新建工程地下開挖 ,以 深連續壁當擋土壁體,距離連續壁 處有 5 樓透天厝(獨立基腳),如圖 3 所示。基地地質鑽探報告,如題二表 4 所示。工地為防連續壁挖掘時損及鄰房,故欲在鄰房每根柱子施做 2 支直徑 的 CCP(或 JGP、JSP)等高壓噴射成型樁,至 GL- 單軸抗壓強度 ,請分析:
(一)研判砂土地盤中 CCP(或 JGP、JSP)等高壓噴射成型樁在表 5 中樁載重設計,較屬何種樁型?(2 分)
(二)CCP 托基樁之土壤支撐有效深度起點為地表下多少公尺處?(5 分)
(三)2 支 CCP 樁分擔的鄰房載重?(2 分)
(四)單支 CCP 樁土壤承載力?(10 分)
(五)2 支 CCP 樁支承鄰房的安全係數 ?(2 分)
(六)CCP 樁是否會被壓碎?(3 分)壓碎的安全係數 ?(2 分)
註:
- 每一樓層單位面積活載重及吊載重共計 。
- 連續壁挖掘時,土壤短期主動破壞面假設為 。
- CCP 樁屬高壓噴射強制攪拌樁,成型樁如照片 1 所示。
- 單樁極限承載重:
(1)黏性土壤:
式中:
- :為樁身表皮土壤短期不排水剪力強度,請用單軸抗壓強度分析:
- :為樁端土壤短期不排水剪力強度,請用單軸抗壓強度分析:
- :單位深度樁表皮面積()
- :樁身有效入土深度(m)
- :樁端橫斷面積()
(2)砂性土壤:
之 與 ,如表 5 所示。
表 5.砂性土壤基樁最大表皮摩擦阻力及樁端點極限支承力
| 支承力 | 打入式基樁 | 鑽掘式基樁 | 植入式基樁:預鑽孔工法 | 植入式基樁:中掘工法 |
|---|---|---|---|---|
| 不使用皂土液:;使用皂土液: | ||||
註:表中 值均採樁端上方 4 倍樁徑範圍內土壤平均 值與樁端下方 1 倍樁徑範圍內土壤平均 值之平均值,其值均不得超過 50。(表中值單位為 ,換算 SI 制需乘上 。)
🖼️【此處有附圖 3 及照片 1,請對照原卷】
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核心觀念
本題考查鄰房托基樁在開挖影響區外的承載能力。解題順序是:
- 依 CCP 成樁方式,選用表 5 的基樁類型與砂土支承力。
- 由連續壁樁趾的 破壞面,求出托基樁進入穩定土層的起點,再計算有效樁長。
- 以鄰房柱的樓層分擔面積計算樁群承受的載重。
- 以樁側摩擦力加樁端承載力計算單樁極限承載力,並與樁身材料強度分別比較。
題目引用的「題二表 4」未附在本題資料中,因此缺少各深度的 與土層分布。這會影響第(四)、(五)小題的數值;以下列出可直接代入表 4 數據的計算式。
解題方法
(一)表 5 中的樁型
CCP 是高壓噴射強制攪拌成樁,依題目表 5 的分類,採用鑽掘式基樁欄;本題未提到使用皂土液,因此砂土樁側摩擦力與樁端阻力採:
表中支承力單位為 ,換算為 時乘以 。
(二)土壤支撐有效深度起點
令 為自地表向下的深度, 為自連續壁向鄰房方向的水平距離。
連續壁樁趾深度為 ,其 破壞面在深度 處的水平位置為:
托基樁自地表起距連續壁 ,並向外傾斜 ,故樁軸線位置為:
兩者交會處即為有效支撐起點:
所以有效支撐起點約為 GL-。樁端在 GL-,有效樁長沿樁軸計算為:
(三)2 支 CCP 樁分擔的鄰房載重
鄰房靠連續壁側為外側柱,柱的樓層分擔面積為半跨寬乘一個柱距:
共 5 層,每層單位面積載重為 ,故 2 支樁共同分擔:
每支樁分擔的垂直載重為:
考量樁軸與垂直方向夾角為 ,每支樁的軸向力約為:
(四)單支 CCP 樁土壤承載力
樁徑 ,樁身周長與樁端面積為:
依鑽掘式基樁的砂土公式,樁側摩擦力及樁端阻力分別為: