109 專技高考高等考試 大地工程技師(二) 工程地質及工址調查 考古題詳解
第 一 題25 分
如下圖剖面,中間位置坡高約 、下方告示牌寬約 。
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(一) 請判釋岩性,並針對框線範圍評估風化層位及分級。
(二) 評估中度風化層位以下岩體 值,並列出各評估因子細項分數。
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核心觀念
本題考查兩件事:依露頭的顏色、完整性與節理狀況判釋岩性及風化分級;再以 Q 系統估算中度風化層以下岩體的岩體品質。
Q 值公式為:
其中, 為岩心品質指數; 為節理組數; 為節理粗糙度; 為節理壁風化或充填狀況; 為地下水折減因子; 為應力折減因子。
解題方法
(一)岩性與風化分級
露頭可見近垂直柱狀節理,岩柱間有橫向節理,外觀符合柱狀節理火山岩的特徵;岩色呈紅褐色至褐色,反映表層風化。據此判釋為柱狀節理玄武岩。
按 ISRM 岩石風化分級,由露頭頂部往下判讀:
| 位置 | 判釋 | 風化分級 |
|---|---|---|
| 坡頂表層紅褐色鬆散物 | 殘積土或完全風化物,原岩結構已大幅破壞 | VI 級:殘積土;局部可達 V 級:完全風化 |
| 柱狀岩體上部 | 岩體變色明顯、節理較開張,岩塊仍可辨認 | IV 級:高度風化 |
| 柱狀岩體中段 | 岩體變色,節理面較清楚,岩塊仍大致完整 | III 級:中度風化 |
| 中度風化層以下 | 岩體顏色與完整性較佳,柱狀節理仍明顯 | II 級:微風化至 I 級:新鮮 |
圖中沒有鑽孔岩心或風化界線測量資料,因此分界以露頭外觀估判;Q 值則採中度風化層以下較完整岩體作代表。
(二)中度風化層以下岩體 Q 值
第 二 題20 分
某基地東西向寬約 、南北向長約 ,需開挖約 構築地下停車、公共設施空間。依據初步蒐集所得資料顯示,基地下方地層可能為數公尺厚的土層、二十餘公尺厚的卵礫石層以及下伏風化岩層。
請就該基地深開挖及支撐設計需求,規劃地質調查作業項目,包含鑽探孔數、深度、孔位布置、鑽探及取樣方法、現地及室內試驗。
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核心觀念
本題評量深開挖工程(開挖深度 ,屬超深開挖)在「複合地層(表土層、巨厚卵礫石層、下伏風化岩層)」條件下的工址調查規劃能力。規劃之法規依據與核心理論包含:
- 法規與規範依據:以命題當年(民國 109 年)之《建築物基礎構造設計規範》第 1 章「地盤調查」及《建築技術規則》建築構造編第 64 條為準。
- 深開挖調查需求:
- 調查深度:開挖深度達 時,鑽探深度通則需達開挖面以下至少 (即 ),或穿透軟弱地層並深入堅實承載層/未風化岩盤一定深度(至少深入基岩 以上)。
- 調查孔數與間距:基地面積 。規範規定基地面積每 或建築物長向每達 應設一孔,且不得少於 4 孔;深開挖擋土壁沿線應每隔 配置孔位以掌握地層及岩面起伏。
- 地層特異性之工程地質課題:
- 卵礫石層:顆粒粗大且膠結不一,標準貫入試驗(SPT)易遇卵石彈跳失真,常規薄壁鋼管無法取樣,高透水性伴隨潛在湧水、抽水沉陷及連續壁包泥破孔風險。
- 下伏風化岩層:開挖底面(深度 )已切入風化岩盤,涉及連續壁嵌岩施工難度、趾部抗踢出穩定、風化程度差異、岩盤節理發育及裂隙受壓水(Artisan water)隆起破壞。
解題方法
針對開挖深達 之擋土支撐(如地中壁、連續壁嵌岩、多階預力地錨或鋼支撐)與止水需求,採取「周密掌握邊界嵌岩線、查明卵礫石層透水性、評估基底抗浮隆起」之邏輯切入,依題意分為五大面向逐項規劃:
一、鑽探孔數與深度規劃
- 鑽探孔數:
- 基地面積為 。依規範基準孔數為 孔。考量周邊擋土壁周長為 ,長向長度達 (超過 ),為精確掌握岩盤起伏線與連續壁施工嵌岩深度,規劃 6 孔(外圍 5 孔、基地中心 1 孔)。
- 鑽探深度:
- 開挖深度 ,地層依序為數公尺表土與二十餘公尺卵礫石,推估岩面位於地表下約 ,開挖底面已進入風化岩層。
- 依規範開挖底面下需達 ()。各孔深度規劃如下:
- 一般孔(5 孔):深入開挖底面以下至少 ,且深入中度風化至新鮮岩盤至少 ,鑽深訂為 。
- 核心控制孔(1 孔,位於基地中央):鑽深延伸至開挖面下 (即深度 ),並進入堅實基岩至少 ,作為全區地層對比、深層水壓與抗隆起分析之基準孔。
二、孔位布置原則
- 周邊配置(5 孔):
- 基地四個角落各布置 1 孔(共 4 孔),以掌握邊界條件。
- 南北向長邊()中央增設 1 孔,使擋土壁周邊各孔間距控制在 之內,精確描繪卵礫石層厚度變化及基岩傾角。
- 中央配置(1 孔):
- 基地重心處配置 1 孔,用以判定基坑中央開挖面之下伏地層承載力、回脹潛能及開挖底面以下深層受壓水頭。
三、鑽探及取樣方法
- 表土層(砂土/黏土層):
- 採用水洗迴轉式鑽探配合膨潤土泥漿護壁。
- 取樣:黏性土採用薄壁取樣管(Shelby Tube)取不擾動樣;砂土層採用劈管取樣器(Split-spoon sampler)隨 SPT 取得擾動樣。
- 卵礫石層:
- 一般鑽機不易取芯,應採用大口徑迴轉衝擊式鑽機或套管泥漿鑽進,並配置高強硬質合金鑽頭(Tungsten carbide bit)。
- 取樣:採用雙管岩心管配金剛石鑽頭,或利用大型鑽具/衝擊抓斗採取受擾動之礫石顆粒,配合現場開挖試坑(Test Pit)或大口徑人孔(Shaft)目視檢驗礫石粒徑、排列與充填物膠結情形。
- 風化岩層:
- 採用鑽石雙管(Double tube)或三管(Triple tube)岩心取樣器(HQ 或 NQ 規格),以冷卻水循環鑽進,全程連續取心。
- 取樣評估指標:詳細量測並記錄岩心採收率(TCR)、固結岩心採收率(SCR)以及岩石品質指標(RQD),並記載節理位態、間距、粗糙度與充填物。
四、現地試驗項目
- 標準貫入試驗(SPT):於表土層每隔 進行一次;卵礫石層若無法貫入,嚴格記錄貫入衝擊數(如 50 擊貫入量不足 之實況),避免盲目硬打損壞設備。
- 超重型動力貫入試驗(Super Heavy Dynamic Cone Penetration Test, SHDP):於卵礫石層中實施,量測動態阻抗以評估卵礫石層之地層強度與相對密實度。
- 孔內側向載重試驗(壓孔試驗,PMT / LFVT):於卵礫石層及風化岩層施作,獲取地層之原位變形模數 與側向側壓係數 ,供連續壁側向土壓力與變形分析使用。
- 現地透水與抽水試驗:
- 群井抽水試驗(Pumping Test):於卵礫石層設 1 口抽水井及至少 2 口觀測井,進行非穩態與穩態抽水試驗,推求水文地質參數(透水係數 、儲水係數 、影響半徑 ),評估開挖降水排水量及周邊地層沉陷風險。
- 水壓試驗(Lugeon Test / 封包透水試驗 Packer Test):於風化岩層段實施,測定岩體透水等級與節理滲流特性。
- 水壓觀測計與觀測井設置:
- 於鑽孔內不同深度裝設雙水針水壓計(Piezometer),分別長期監測卵礫石層自由含水層及下伏風化岩層裂隙受壓水頭。
第 三 題20 分
某山區道路自 方向(A 段)逐漸逆時針轉至 (B 段),沿線左側(行車方向自 A 段至 B 段)上邊坡採直橫比 修坡構築。岩坡露頭可見 3 組不連續面,、 及 的位態分別為 、、,視摩擦角估計皆在 ~ 之間。
(一) 請應用立體投影法,試繪出 A 段與 B 段道路上邊坡坡面之大圓。
(二) 依據不連續面與坡面交會型式,分別評估 A 段與 B 段可能的岩體(楔)運動型式。
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核心觀念
本題為大地工程技師(二)《工程地質及工址調查》之經典「岩石邊坡運動學分析(Kinematic Analysis)」考題,核心觀念涵蓋以下四項:
- 道路定線與上邊坡位態(Attitude)之空間幾何關係:藉由道路行車方向、線形轉向(逆時針轉折)及修坡直橫比(),精確換算 A、B 兩段路塹邊坡之走向(Strike)、傾向(Dip Direction)及傾角(Dip Angle)。
- 赤平極射投影法(Stereographic Projection):利用下半球投影(Lower Hemisphere Projection)將邊坡面與不連續面繪製為大圓(Great Circle),並求取平面交線(Intersection Line)之傾伏向(Trend)與傾伏角(Plunge)。
- 運動學破壞準則(Markland, 1972; Goodman, 1980; Hoek & Bray, 1981):
- 平面滑動(Plane Sliding):不連續面走向接近坡面走向(差值 ),且傾向與坡面同向出露,滿足 ( 為坡角、 為節理傾角、 為摩擦角)。
- 楔形破壞(Wedge Failure):兩組不連續面之交線傾伏向朝坡面出露(Daylight),且交線傾伏角 滿足 。若交線傾伏向介於兩不連續面傾向之間,為雙面滑動(True Wedge);若在兩者之外,則為單面滑動。
- 傾倒破壞(Toppling Failure):不連續面走向接近坡面走向(差值 ),傾向與坡面相反(逆向坡,差值約 ),且節理層間滑移條件滿足 。
解題方法
(一) A 段與 B 段道路上邊坡坡面大圓之位態推導與繪製
1. 坡面傾角計算
題目給定上邊坡直橫比 : 故兩段邊坡坡面之傾角皆為 (約 )。
2. 邊坡面走向與傾向判定
道路自 A 段行至 B 段,邊坡位於行車方向左側之上邊坡(開挖路塹邊坡,坡面由山體向道路下方傾斜,即坡面傾向朝向道路):
- A 段道路:
- 行車方向走向為 (方位角 )。
- 左側邊坡位於車行方向左手邊(西南側,方位約 )。
- 開挖坡面朝向道路(向東北方傾斜),故坡面傾向為 ()。
- A 段坡面位態:走向 ,傾向/傾角為 (或記作 )。
- B 段道路:
- 由 ()逆時針轉至 (方位角 ),行車方向為 。
- 左側邊坡位於車行方向左手邊(東南偏東側,方位約 )。
- 開挖坡面朝向道路(向西方傾斜),故坡面傾向為 ()。
- B 段坡面位態:走向 ,傾向/傾角為 (或記作 )。
3. 立體投影法(下半球等角或等積投影網)繪製步驟
- 繪製基圓與標記方位:繪出半徑為 之基圓(Primitive Circle),標示正北()、正東()、正南()、正西()。
- A 段坡面大圓繪製:
- 在基圓圓周上找出 A 段坡面傾向 (或走向 及 )。
- 將描圖紙旋轉,使走向線對齊投影網南北軸( 軸),此時傾向點落在正東軸線。
- 自外緣沿東西軸向中心算起 (或由中心向外數 ),依循該經線弧線描出大圓弧。該圓弧即為 A 段坡面大圓。
- B 段坡面大圓繪製:
- 在基圓圓周上找出 B 段坡面傾向 (或走向 及 )。
- 旋轉描圖紙使走向線對齊投影網南北軸,此時傾向點落在正西軸線。
- 自外緣沿東西軸向中心算起 ,依循該經線弧線描出大圓弧。該圓弧即為 B 段坡面大圓。
(二) A 段與 B 段岩體(楔)運動型式評估
1. 不連續面位態轉換(換算為傾向/傾角)
- :
- 走向 ,傾斜偏南(即向東南傾斜)。
- 傾向 (),傾角 。位態為 。
- :
- 走向 ,傾斜偏南(即向西南傾斜)。
- 傾向 (),傾角 。位態為 。
- :
- 走向 ,傾斜偏北(即向北北西傾斜)。
- 傾向 (),傾角 。位態為 。
- 摩擦角範圍:。
2. 不連續面交線(Intersection Lines, )計算
透過三維法向量叉積或赤平投影求兩大圓交點,求得各組交線之傾伏向()與傾伏角():
- ( 與 之交線):
- ( 與 之交線):
- ( 與 之交線):
3. A 段邊坡岩體運動型式分析(坡面 )
- 傾倒破壞(Toppling Failure)檢核:
- 檢視 (位態 ):
- 走向為 ,與 A 段坡面走向 僅夾 (,極為平行)。
- 傾向 與坡面傾向 方向相反(夾角 ),屬於逆向坡。
- 依 Goodman(1980)層間彎曲傾倒運動學條件:
第 四 題20 分
邊坡崩塌包括多種型態,請說明落石、岩層崩滑、岩體滑動在遙測影像中的特性以及現地查核的重點。
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核心觀念
本題評量考生對於邊坡工程地質分類(Varnes 分類系統)、航照與光達(LiDAR)遙測影像判釋技術,以及現地地質工址調查查核能力之整合應用。
- 破壞機制分類(依 Varnes, 1978 及 Cruden & Varnes, 1996):
- 落石(Rockfall):岩體脫離陡崖後,以自由落體、彈跳或滾動方式高速下墜。
- 岩層崩滑(Translational Rock Slide,平面/順向坡平移崩滑):岩層受弱面(如層理、節理、斷層)控制,沿大致平坦或波狀之滑動面呈板狀平移滑移。
- 岩體滑動(Rotational Rock Slide / Slump,旋轉滑動):破碎或軟弱岩體沿凹向上彎曲(湯匙狀)的滑動剪切面發生旋轉滑動。
- 遙測影像判釋要素:幾何形狀(Shape)、色調/反射率(Tone)、紋理(Texture)、陰影(Shadow)及微地形起伏(Topography,如 LiDAR 陰影圖 DTM)。
- 現地查核(Ground Truth)原則:驗證地質構造(走向/傾角)、弱面力學剪切特性、地下水賦存狀態、活動性與危險徵兆。
解題方法
本題為標準的申論對比題型,切入點應採系統化矩陣架構作答:針對題目指定的「落石」、「岩層崩滑」、「岩體滑動」三種型態,各別從「運動機制定義與幾何特徵」、「遙測影像判釋特性(主崖、滑動體、堆積區)」與「現地查核與調查重點(構造、岩性、水文、破壞徵兆)」進行對稱條列剖析,最後輔以綜合比較表,以展現條理分明、層次完備的答題水準。
選項分析
本題為國家考試專業科目申論題,非選擇題,故無個別選項分析。
解題技巧與常見陷阱
- 破壞型態定義勿混淆:
- 考卷上「岩層崩滑」通常特指受層理弱面控制之**平移滑動(Translational Slide)**或順向坡滑移;
- 「岩體滑動」則指厚層或破碎岩體沿剪力面發生之**旋轉滑動(Rotational Slide / Slump)**或大規模深層邊坡滑移。
- 遙測特徵須涵蓋「發生源頭、行進路徑、堆積趾部」:若只寫崩塌源頭而漏掉堆積區(如落石的倒石錐、岩體滑動的趾部隆起),難獲高分。
- 善用 LiDAR 數值地形特色:現行遙測影像不僅限於光學航照,加入空載光達數值高程模型(LiDAR DTM/斜坡陰影圖)之微地形判釋特徵(如張裂縫、反向坡、側邊剪裂線),是取得評審青睞的關鍵亮點。
【答案】
一、落石(Rockfall)
-
破壞機制: 岩塊自陡峭岩壁脫離,沿不連續面因重力拉張或剪切失效,以自由落體、跳躍或滾落方式沿坡面快速運動。
-
遙測影像特性:
- 發生源區:多位於陡崖(坡度多大於 )或峽谷頂部;光學影像中常因垂直高差呈現濃重陰影;新崩塌面呈現無植生覆蓋之新鮮高反射亮白色斑痕。
- 運動路徑:坡面上常見線狀剝蝕落徑(Chutes)、碎石滾落之刮痕或林木遭撞擊傾倒形成之線狀無植生條帶。
- 堆積區:崖麓或坡腳發育典型的倒石堆(Talus cone / Scree slope),呈扇形或錐狀擴展;顆粒具反向分選特性(大塊石彈跳滾動距離遠,多分布於堆積錐下緣趾部)。
- 現地查核重點:
- 危岩與不連續面調查:量測崖壁岩體之節理組數、走向與傾角,進行立體投影網分析(檢核平面破壞、楔型破壞或傾倒破壞之運動學可行性);檢視節理開口度、貫時長度(Persistence)、充填物及張裂縫深度。
- 衝擊與彈跳跡象:查核路徑上基岩之撞擊碎裂坑、邊坡樹木樹幹受損撞擊高度(以評估落石跳躍彈高)、防落石網/擋土牆之受損情形。
- 落石塊徑與堆積特徵:量測倒石堆之邊坡傾角(檢核安息角,通常介於 )與塊石粒徑分布(、),供後續落石攔截工法設計計算能量使用。
二、岩層崩滑(Translational Rock Slide,平移滑動)
第 五 題15 分
繪出地質圖中常見的圖例至少 10 種,並說明符號意義。
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核心觀念
地質圖(Geologic Map)是工址調查與大地工程規劃設計之根本圖資,用以呈現調查區內地層分布、地質構造、岩層位態及接觸關係。在國家考試中,繪製地質符號之核心觀念包含:
- 地層位態(Attitude)三要素:走向(Strike)、傾角(Dip)及傾斜方向(Dip Direction)。符號以長線代表走向(面與水平面交線之延伸方位),短線代表傾斜方向(垂直於走向且指向下傾側),並於短線旁註記傾角角度數值()。
- 地質構造動態特徵:
- 斷層(Faults):以線條粗細、實虛(確定或推測)及幾何符號(三角齒狀、圓球/短槓、箭頭、U/D 標記)區分斷層型態(逆斷層、正斷層、平移斷層)與位移幾何。
- 褶皺(Folds):以軸面軌跡(Axial Trace)為基準線,兩側箭頭指示翼部之傾斜方向(背斜背向軸部外指,向斜朝向軸部內指),端點箭頭指示褶軸傾伏方向(Plunge)。
- 接觸關係與構造弱面:整合接觸、不整合接觸(侵蝕或沉積間斷面)及節理面(無相對位移之破裂面)。
解題方法
本題屬大地技師考試中標準之「基本盤送分題」,閱卷評分重點在於分類之完整性、符號幾何比例之精確度及符號意義與工程地質意涵之說明深度。切入策略如下:
- 系統化分類列舉:避免雜亂無章地湊數,按「岩層位態類」、「斷層構造類」、「褶皺構造類」、「其他構造與接觸面類」四大系統循序作答,展現專業答題架構。
- 圖文並陳:每種圖例必須包含「圖形(幾何外觀與標註規範)」、「符號名稱」與「符號意義(含工程地質判釋要點)」。
- 提供充足代表性:題目要求「至少 10 種」,作答時精選最具代表性且工程意義重大的 12 種標準圖例,確保取得完整滿分。
選項分析
本題為非選擇題(申論繪圖題)。若依題意分析地質圖中必備圖例之四大範疇及其在評分上的代表性:
- 第一類:岩層位態符號(必選):涵蓋水平、傾斜、垂直、倒轉四種狀態。此為地質圖判讀順向坡、逆向坡及開挖面穩定分析的最關鍵圖例,不可遺漏。
- 第二類:斷層構造符號(必選):涵蓋逆斷層(台灣造山帶最常見)、正斷層、平移斷層及推測/被覆蓋斷層。對於評估活動斷層破裂帶、工程剪裂帶具決定性意義。
- 第三類:褶皺構造符號(必選):背斜軸與向斜軸。此為隧道通過時判斷高應力帶、地下水富集帶及開挖拱頂落磐風險之核心圖例。
- 第四類:弱面與界線符號(補強選):節理走向與傾角、不整合面。表徵岩體不連續面與工程基盤分界面。
解題技巧
- 圖形細節勿犯常見錯誤:
- 逆斷層之三角齒:三角形必須繪於**上盤(掛壁)**側,即逆衝抬升之一方。
- 倒轉岩層之倒勾:短線末端帶有圓弧倒勾,倒勾凹面與方向必須順著地層傾斜方向。
- 背斜與向斜箭頭:背斜(Anticline)岩層向兩側傾斜,箭頭朝外;向斜(Syncline)岩層向核部傾斜,箭頭朝內。
- 文字標註不可省略:走向線與傾斜線之長短比例宜為 ;傾角數值(如 )必須緊鄰短線端點標示,未標註數值視同符號不完整。
- 推測/隱伏構造之線條型態:已知確定之邊界或斷層繪實線,推測(Inferred)或被沖積層覆蓋(Concealed)者繪虛線。
【答案】
地質圖常見之 12 種標準圖例、圖形繪製及其符號意義如下表列:
一、 岩層位態符號(Bedding Attitudes)
1. 正常傾斜岩層(Strike and Dip of Bedding)
| (走向線,長)
|
+------- 30° (傾斜線,短,垂直於走向線)
|
|
- 符號意義:長線代表地層面與水平面交線之「走向」;短線垂直於長線,指向地層下傾之「傾向」;旁註數字(如 )為地層之「傾角」。代表未受倒轉之正常地層沉積產狀。
- 工程意義:邊坡開挖時,若開挖面傾向與地層傾向一致且開挖坡角大於岩層傾角,極易形成順向坡滑動(Dip-slope failure)。
2. 水平岩層(Horizontal Bedding)
|
--+--
| (十字中央加實心點或小圓圈)
- 符號意義:十字交叉線代表岩層面呈水平狀態,無固定走向與傾向,傾角為 。
- 工程意義:在水平均質沉積岩區,地表出露之地層界線大致與地形等高線平行(符合「V字形法則」),邊坡開挖較不易沿層理發生平面滑動。
3. 垂直岩層(Vertical Bedding)
|
+---+ (走向線兩側均有對稱刻痕,或直接穿透形成十字)
|
- 符號意義:地層傾角達 (直立),走向線兩側標註對稱短刻劃,表示地層無傾斜方向偏向。
- 工程意義:邊坡若平行直立層理開挖,易因應力解壓或降雨引發板狀傾倒破壞(Toppling failure)。