113 專技高考高等考試 大地工程技師 工程地質與工址調查 考古題詳解

核心觀念

現地應力（in situ stress）是岩體在尚未受開挖、鑽孔或其他工程擾動前，某一位置原有的應力狀態。它是三維應力張量，可表示為六個獨立分量；在任一點也可用三個主應力 $\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3$ 及其方向描述，通常以壓應力為正。

現地應力不等於單純的自重應力。自重造成的垂直應力常可初估為

其中 $\gamma$ 為上覆岩層平均單位重，$H$ 為埋深。然而，水平應力可能受到地殼構造、地形、地質歷史與岩體性質等影響，通常不能僅由埋深推定。岩體內的地下水壓力也會影響有效應力，依有效應力原理可簡化表示為

其中 $\sigma'$ 為有效應力，$\sigma$ 為總應力，$u$ 為孔隙水壓。

影響現地應力的因素

1. 上覆岩層自重與埋深：形成主要的垂直應力，並透過岩層拘束產生水平應力。
2. 板塊運動與區域構造作用：地殼擠壓、張裂或剪切可造成水平應力增減及主應力方向改變。
3. 地質構造與地質歷史：褶皺、斷層、節理、岩層錯移，以及過去的卸載或埋藏，都會使應力場具有方向性或局部差異。
4. 地形與地表侵蝕：山谷、坡面及地表起伏會改變局部應力分布；侵蝕卸載也會改變原有應力。
5. 岩體材料性質與地層界面：岩性、彈性模數、泊松比、各向異性及軟弱夾層等，會影響應力傳遞與集中。
6. 地下水與孔隙水壓：影響有效應力；水壓改變也可能促使節理滑動或裂縫張開。
7. 溫度及其他局部作用：溫度變化、岩漿或地下工程等局部作用，可造成熱應力或局部應力變化。

現地應力對工程的影響

• 地下洞室與隧道穩定：開挖使原有應力重新分布，可能發生圍岩片裂、剝落、岩爆、頂拱或側壁破壞；低應力區則可能有鬆弛、掉塊或變形。
• 基礎與邊坡設計：應力方向和大小會影響滑動面上的剪應力、岩盤承載與變形，也會影響坡面開挖後的穩定性。
• 水壓隧道、壩基及地下儲存工程：控制裂縫張開、岩盤滲流與水力劈裂風險，並影響襯砌或岩盤的受力。
• 鑽孔與地下工程施工：應力集中可能造成鑽孔崩落或破裂，增加支撐、開挖與施工風險。
• 工程分析與配置：可用來判斷洞室方位、支撐需求及開挖順序，並校核數值分析採用的邊界條件。

因此，工程地質調查不能只以岩石強度代表岩體穩定性；還需掌握應力大小、方向、孔隙水壓及岩體結構。

解題方法：由「量測原理」分類

現地應力量測的基本思路有兩類：一類是解除局部岩體拘束，量測應變或位移回復量，再利用岩石彈性性質反算應力；另一類是在鑽孔內施加水壓，使岩體裂縫形成或張開，由壓力反推應力。答題時應交代每種方法的步驟、量測量、反算依據與限制。

一、應力解除法／套鑽法（overcoring）

這是岩體應力量測的代表方法。其原理是先在未受擾動的岩體中安裝應變計，再以外層鑽孔將測點周圍岩芯套鑽取出，使測點附近原有拘束解除；記錄岩體解除前後的應變變化，配合岩石彈性模數、泊松比及鑽孔幾何條件反算原有應力。

一般程序：

1. 選擇完整、具代表性的岩體位置，鑽設先導孔。
2. 在測點安裝應變計或應力計，取得基準讀值。
3. 以較大直徑鑽孔套鑽測點，使測點岩體逐步卸載。
4. 記錄解除過程中的應變變化，並取出岩芯檢視岩性與裂隙。

核心觀念

本題考查坡面與岩層面（或劈理面）的位態關係。判讀時須比較兩者的：

1. 走向：水平面與坡面或地質面的交線方向。
2. 傾向：坡面或地質面向下傾斜的方位。
3. 傾角：坡面或地質面的傾斜角度。

依《水土保持技術規範》第 31 條，坡面與層面、劈理面的走向交角在 $20^\circ$ 以內時，再比較傾向是否一致：一致為順向坡，相反為逆向坡；走向交角超過 $20^\circ$ 者為斜交坡。法規文字有「$20^\circ$以上」的表述；考題判讀時可將 $20^\circ$視為分類界線，臨界值應依適用規範文字及實際測量精度處理。

以下法規說明以命題當年（民國 113 年）規定為準。

三類岩坡的定義

• 順向坡：坡面與層面（或劈理面）的走向交角不超過 $20^\circ$，且兩者傾向一致。地層傾斜方向大致朝向坡外，地層面大致順著坡面延伸。
• 逆向坡：坡面與層面（或劈理面）的走向交角不超過 $20^\circ$，但兩者傾向相反。地層向坡內傾斜。
• 斜交坡：坡面與層面（或劈理面）的走向交角大於 $20^\circ$。坡面與地層面斜交，不能僅以傾向是否相同來歸類為順向坡或逆向坡。

示意圖：平面位態關係

圖中箭頭表示坡面或地層面的傾向；箭頭方向相同表示傾向一致，相反表示傾向相反。

 北 N
 ↑

順向坡 逆向坡
坡面走向 ───────── 坡面走向 ─────────
地層走向 ───────── 地層走向 ─────────
坡面傾向 ↓ 坡面傾向 ↓
地層傾向 ↓ 地層傾向 ↑
走向交角 ≤ 20° 走向交角 ≤ 20°

斜交坡
坡面走向 ─────────
地層走向 ╲
坡面傾向 ↓
地層傾向 ↘
走向交角 > 20°

示意圖：剖面概念

順向坡 逆向坡

 地層面 地層面
 /////// \\\\\\\
 /////// 坡面 \\\\\\\ 坡面
____////////____ ／ ____\\\\\\\____ ／
 ／ ／
 地層向坡外傾斜 地層向坡內傾斜

剖面圖用來理解地層傾向與坡向的相對關係；但地質圖上的分類，還必須確認兩者的走向關係。

解題方法：由地質圖判讀

1. 先確認圖面方向與地形

查看地質圖的北向、比例尺、等高線及地層位態符號。選定欲判讀的坡面位置與範圍，避免將山脊另一側或相鄰坡面的資料混在一起。

2. 由等高線判斷坡面方向

等高線可用來判讀地形高低與坡面朝向：

核心觀念

本題考查《地質法》及其授權法規中的地質名詞定義，以及中央氣象署所採用的地震震度概念。作答時應分清楚：前三個地質名詞依《地質法》及《地質敏感區劃定變更及廢止辦法》說明；「地震震度」則說明地震在不同地點造成的搖晃程度，並與地震規模區別。

以下以命題當年（民國 113 年）法規及制度為準。《地質法》第 5 條於民國 114 年修正，地質敏感區的劃定原則仍可依題目所問的基本定義作答。

解題方法

逐一找出各名詞的法規依據，按「定義內容、範圍或判定方式、容易混淆之處」說明。地質名詞須保留法規中的關鍵文字；地震震度則補充其代表地點上的震動強弱，不是地震本身釋放能量的大小。

名詞定義

一、地質災害

依《地質法》第 3 條第 2 款，地質災害是指自然或人為引發之地震、海嘯、火山、斷層活動、山崩、地滑、土石流、地層下陷、海岸變遷，或其他地質作用所造成的災害。

作答時須掌握兩點：一是成因可以是自然作用，也可以是人為引發；二是法條列舉地震、海嘯、山崩、地滑等項目後，另以「其他地質作用」概括未列舉的情形。

二、地震震度

地震震度是表示地震發生時，某一地點地面搖晃的強弱程度，可由當地的地震儀觀測資料及人、物受震動的情形加以描述。民國 113 年臺灣採用的中央氣象署震度分級為 0 級至 7 級，其中 5 級、6 級各分為弱、強，共 10 個等級。

震度具有地點性：同一次地震，各地的震度可以不同。它與地震規模不同；規模描述地震本身的大小，同一次地震通常只有一個規模值，震度則反映各地實際受到的搖晃程度。

三、活動斷層

核心觀念

不連續面是岩體內部使岩石材料中斷或分隔的界面或弱面，沿面兩側岩石的連續性、力學性質或水力性質有所改變。常見者包括節理、層面、劈理、片理、斷層面及裂隙等。它可以是天然形成，也可能因開挖、卸載或風化而張開、延伸。

完整岩石的強度與變形性質，不足以代表岩盤的工程行為；不連續面的幾何形態、分布及面上狀況，往往控制岩盤整體的強度、變形與滲流。工程上須將「岩石材料」和「岩體結構」一併評估。

不連續面的工程特性與影響

不連續面主要具有下列工程特性：

• 方向與分布：包括位態、組數及各組面的相對關係，影響岩體分塊、開挖面穩定，以及結構面是否與工程坡面或隧道軸線形成不利組合。
• 間距與延續性：間距愈小，岩體通常愈破碎；延續性愈大，結構面愈可能切穿較大範圍，形成較大的滑動或掉塊邊界。
• 粗糙度與壁面強度：影響結構面剪力強度。粗糙起伏可增加咬合與剪脹；壁面風化或磨損則可能降低抗剪能力。
• 開口度、填充物與風化程度：開口或軟弱填充物可能降低面間接觸與抗剪強度；填充物厚度、強度、含水狀況均會影響工程行為。
• 地下水與滲流：水可提高孔隙水壓、降低有效應力與抗剪強度，也會造成滲漏、湧水、沖蝕或填充物流失。
• 組合形成的岩塊大小與形狀：多組不連續面交切後形成的塊體，控制掉塊、楔形破壞、岩盤變形及支撐需求。

因此，不連續面可能造成邊坡平面滑動、楔形滑動或傾倒；造成隧道頂拱掉塊、超挖、坍塌及湧水；也會影響基礎承載、沉陷、剪切變形、滲漏與岩體的可開挖性。工程判釋時，須將不連續面位態與工程面的幾何方向一起比較，並考慮抗剪性質及地下水條件。

ISRM 量化描述項目

依 ISRM「岩體不連續面量化描述建議方法」，主要量化描述項目為：

1. 位態（orientation）：不連續面的空間方向。
2. 間距（spacing）：同一組不連續面相鄰面之間的距離。
3. 延續性（persistence）：不連續面在露頭或岩體內延伸的範圍，常以露頭上的跡長描述。
4. 粗糙度（roughness）：面形起伏、波狀與細微不平整程度。
5. 壁面強度（wall strength）：不連續面兩側壁面的強度狀況。
6. 開口度（aperture）：兩壁面間的垂直分離距離。
7. 填充物（filling）：面間物質的種類、厚度及性質。
8. 滲水狀況（seepage）：不連續面上的乾濕、滴水、流水或滲流狀態。
9. 不連續面組數（number of sets）：岩體中主要方向族群的數目。
10. 岩塊大小（block size）：由各組不連續面的間距、組數與延續性共同形成的塊體尺寸或分布。

以上項目涵蓋幾何、力學及水力特性。現場記錄時，應同時記載岩體與測點背景，避免只記量測數值而失去工程解釋所需的脈絡。

露頭位態量測：工具、步驟與注意事項

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