111 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

核心觀念

本題評量臺灣西部麓山帶在不同沉積盆地演化環境下，邊坡破壞型態的空間差異性，並要求以「材料（物質性質）」與「構造（幾何弱面）」兩大地質控制因素進行機制分析：

1. 地質區位與代表岩層：

• 西北部：主要涵蓋苗栗、新竹、桃園至雙北地區的西部麓山帶（如卓蘭層、錦水頁岩、南莊層、大寮層等），屬於新第三紀海陸交替相之砂頁岩互層。
• 西南部：主要涵蓋嘉義、臺南至高雄之麓山帶及前陸盆地（如古亭坑層、蓋仔寮層等），屬於上新世至更新世深海至半深海相沉積之巨厚泥岩（青灰岩）。

2. 邊坡破壞機制分類：

• 不連續面控制之平移滑動（Translational Slide）、平面或楔形滑動、傾倒（Toppling）、落石（Rockfall）。
• 均質軟岩／弱岩控制之圓弧型旋轉滑動（Rotational Slide）、淺層泥流／土石流（Mudflow/Debris Flow）、表層沖蝕（Erosion）。

3. 力學基本原理：

• 莫耳－庫倫準則與有效應力原理： $\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi' = c' + (\sigma - u) \tan\phi'$
• 構造幾何邊界條件與邊坡安全係數（$FS$）之關聯。

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解題方法

本題採「區域地質分區特性剖析」結合「雙主軸因果機制論述」架構答題：

1. 分區破壞特性：先分述西北部（砂頁岩互層、構造發達）與西南部（厚層泥岩、低抗剪）各自好發的崩塌型態。
2. 材料因素剖析：從岩性硬度對比、膠結程度、遇水弱化（膨脹／泥化／崩解）、差異風化四個面向論述其對剪力強度參數（$c', \phi'$）衰減之影響。
3. 構造因素剖析：從地層產狀（順向坡幾何）、不連續面（節理、張裂隙）、斷層剪裂帶（初始殘餘強度）三個面向論述其對滑動面賦存與地下水流況（孔隙水壓 $u$）之控制。
4. 統整對照：以矩陣對比表收束，呈現結構分明的答題版面。

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解題技巧

1. 名詞精準定位：提及西北部必扣住「砂頁岩互層」、「順向坡」、「平移滑動」；提及西南部必扣住「青灰泥岩」、「泥化崩解」、「圓弧滑動／沖蝕泥流」。
2. 材料與構造切入分明：材料討論的是「體（岩石本身）」的力學與物理性質（$c', \phi'$、礦物、膨脹率）；構造討論的是「面（弱面幾何）」與應力空間分布（層理走向／傾角、節理切面、斷層剪裂帶）。
3. 緊扣地下水耦合機制：材料弱化與構造滑動往往由水（降雨、地下水壓）引爆，在推導力學公式時將孔隙水壓 $u$ 一併納入論述可大幅提升答案深度。

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【答案】

壹、臺灣西北部與西南部常見邊坡穩定問題特性

一、臺灣西北部常見邊坡問題特性

1. 順向坡平移滑動（Dip-Slope Translational Slide）：

• 區域內沉積岩具明確之層理構造。當邊坡開挖使岩層腳部被截切，且邊坡坡向與岩層傾向一致、坡角大於層理傾角時，極易沿層面弱面產生大規模岩體滑移（如國道三號3.1K走山、林肯大郡等典型案例）。

2. 落石與傾倒破壞（Rockfall & Toppling）：

• 厚層砂岩具發達之正交高角度構造節理，且底部常夾薄層頁岩；當下覆頁岩因差異風化淘空時，上覆塊狀砂岩失去承載而發生傾倒或滾落。

3. 楔形破壞（Wedge Failure）：

• 砂岩層內發達的兩組構造節理面與層理面交會切割，在開挖面上形成滑向外側的楔形塊體。

二、臺灣西南部常見邊坡問題特性

1. 深層圓弧型旋轉滑移（Deep-seated Rotational Slide）：

• 西南部以巨厚泥岩為主，層理多不明顯，整體受力時力學性質近似等向性軟弱黏土。大型天然邊坡或深開挖邊坡在受剪破壞時，滑動面多呈現圓弧形破壞。

2. 淺層泥流與雨蝕溝崩塌（Mudflow & Gully Erosion）：

• 泥岩表面無植生覆蓋（月世界惡地地形），表層受乾濕循環風化呈鬆散土屑；豪雨降臨極易迅速泥化，形成層厚數十公分的淺層滑移、片蝕、細溝侵蝕與高流動性泥流。

3. 邊坡進行性潛變破壞（Progressive Creep Failure）：

• 乾濕交替引發的週期性膨脹收縮，使泥岩邊坡坡面長期持續向下潛變，最終因剪力強度降至殘餘強度（Residual Strength）而發生突發性滑動。

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貳、工程地質材料因素對邊坡穩定之影響

邊坡穩定之極限抗剪強度遵循有效應力剪力強度準則： $\tau_f = c' + (\sigma_n - u) \tan\phi'$ 材料特性直接控制凝聚力 $c'$、摩擦角 $\phi'$ 及孔隙水壓 $u$ 的消長：

一、岩性組成與膠結程度

1. 西北部：由不同粒徑之沉積岩構成（砂岩、粉砂岩、頁岩）。砂岩為骨架顆粒支撐，膠結較佳、剛度高；頁岩顆粒細且膠結弱。

核心觀念

本題旨在評量考生對工址調查中「現地試驗（In-situ Testing）」評估地層工程特性之掌握程度。相較於室內試驗，現地試驗能大幅降低取樣擾動（Sampling Disturbance）、避免應力釋放影響，並完整反映天然地層之巨觀不連續面（如成層、節理、弱面）與應力歷史。

1. 量化工程特性範疇：

• 力學強度：黏土不排水剪力強度 $s_u$、砂土有效內摩擦角 $\phi'$、岩體抗剪強度參數（$c, \phi$）。
• 變形特性：變形模數 $E_s$ 或 $E_m$、剪力模數 $G$、地盤反力係數 $k_s$。
• 水力特性：透水係數 $k$、裂隙岩體之呂傑值（Lugeon Value, $Lu$）。
• 應力狀態：靜止土壓力係數 $K_0$、現地初始主應力（$\sigma_H, \sigma_h$）。

2. 依據規範：依民國 111 年當時適用之內政部《建築物基礎構造設計規範》、經濟部水利署《水利工程地質調查規範》、ASTM 及 ISRM（國際岩石力學學會）標準試驗程序。

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解題方法

本題屬「綜整說明＋程序申論」之題型，切入架構如下：

1. 建立架構體系：先分別按「土層」與「岩層」分門別類，系統化條列國內外常用且具代表性之現地調查方法，明確對應各方法所能「量化」之特定工程參數。
2. 精選代表性方法詳述程序：

• 土層選定「標準貫入試驗（Standard Penetration Test, SPT）」：為台灣工址調查最普及且法規連結度最高之定量試驗，能量化貫入阻抗 $N$ 值，並進一步轉換為強度、剛度與液化阻抗。
• 岩層選定「雙栓塞水壓試驗（Double Packer Permeability Test / Lugeon Test，呂傑試驗）」：為評估岩盤透水性、節理開孔性及灌漿控制最具指標性之定量試驗；輔以說明「孔內膨脹試驗（Goodman Jack）」作為變形量化之代表。

3. 程序規格化：依「儀器設備準備 $\to$ 測試段安裝 $\to$ 施作量測流程 $\to$ 終止條件 $\to$ 數據分析與校正」標準作業程序（SOP）條列展開。

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選項分析（適用方法比較與評析）

本題為申論題，在作答各類現地方法時，需評析各方法之適用條件與侷限性：

• 土層調查方法比較：
• 標準貫入試驗（SPT）：適用於各類土層，可同時取得擾動土樣，但薄層解析度較差，受操作能量影響大。
• 孔壓圓錐貫入試驗（CPTu）：能連續量化錐尖阻力 $q_c$、摩擦阻力 $f_s$ 與超額孔隙水壓 $\Delta u$，薄層辨識度極佳，但不適用於含礫石地層且無法直接取樣。
• 十字片剪試驗（VST）：專門量化軟弱黏土的不排水剪力強度 $s_u$ 與靈敏比 $S_t$，但不適用於砂土或硬黏土。
• 旁壓試驗（PMT）：可直接測定側向應力-應變曲線，量化旁壓模數 $E_M$ 與極限壓力 $P_L$，但鑽孔孔徑品質要求極高。
• 岩層調查方法比較：
• 雙栓塞水壓試驗（Lugeon 試驗）：直接量化岩體節理裂隙的等效水力傳導特性與連通度，為壩工、隧道與邊坡工程之必要依據，但不提供力學模數。
• 孔內膨脹計／千斤頂試驗（Goodman Jack）：可量化完整及節理岩體之原位變形模數 $E_m$，但受限於接觸面積與孔壁粗糙度。
• 現地岩體直剪試驗（Block Shear Test）：可精確量化岩基不連續面之 $c$ 與 $\phi$，但需開挖坑道或試坑，成本高昂且耗時。

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解題技巧

1. 關鍵字精準標註：量化的「參數名稱」與「符號」必須精確寫出（如 $N_{60}, s_u, E_m, Lu$），不可只寫抽象的名詞。
2. 標準規格數值化：說明作業程序時，關鍵尺寸與規格必須直接寫出（例如 SPT 之落錘重量 $63.5\text{ kg}$、落距 $76\text{ cm}$、貫入三階段各 $15\text{ cm}$；Lugeon 試驗之 5 階段階梯升降壓與 $10\text{ bars}$ 標準）。
3. 陷阱防範：

• SPT 的前 $15\text{ cm}$ 為「座落貫入（Seating drive）」，計算 $N$ 值時絕對不可計入。
• 呂傑試驗之注水壓力不可超過水力劈裂（Hydraulic fracturing）臨界壓力，否則會量測到人工壓裂的人為灌入量，而非天然岩盤特性。

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【答案】

一、量化土層與岩層工程特性之現地調查方法

(一) 土層工程特性之現地調查方法

1. 標準貫入試驗（Standard Penetration Test, SPT）

• 量化特性：藉由貫入阻抗擊數 $N$ 值，經修正取得 $N_{60}$ 及 $(N_1)_{60}$。能量化砂土之相對密度 $D_r$、有效內摩擦角 $\phi'$、土壤液化阻抗比 $CRR$；推估黏土之不排水剪力強度 $s_u$ 及彈性變形模數 $E_s$。

2. 孔壓圓錐貫入試驗（Piezocone Penetration Test, CPTu）

• 量化特性：連續量測錐尖阻力 $q_c$、套管摩擦阻力 $f_s$ 及孔隙水壓 $u_2$。定量推算土分層指數 $I_c$、過壓密比 $OCR$、不排水剪力強度 $s_u$ 及小應變剪力模數 $G_0$。

3. 現地十字片剪試驗（Field Vane Shear Test, VST）

• 量化特性：量測剪斷扭矩，精確定量飽和軟弱黏性土之原狀不排水剪力強度 $s_u$、重塑不排水剪力強度 $s_{ur}$ 及靈敏比 $S_t$。

4. 梅納旁壓試驗（Menard Pressuremeter Test, PMT）

• 量化特性：於孔內加壓產生柱狀擴脹，量化土壤初始側向壓力 $P_0$、靜止土壓力係數 $K_0$、旁壓模數 $E_M$、潛變壓力 $P_f$ 及極限壓力 $P_L$。

5. 平板載重試驗（Plate Load Test, PLT）

• 量化特性：利用鋼板加壓量測垂直沉陷，量化地盤反力係數 $k_v$ 及極限垂直承載力。

(二) 岩層工程特性之現地調查方法

1. 雙栓塞水壓試驗（Double Packer Permeability Test / Lugeon Test，呂傑試驗）

• 量化特性：量化岩盤裂隙系統之等效透水能力與開孔性，求得呂傑值（$Lu$）及等效水力傳導係數 $k$。

核心觀念

本題旨在評量考生在「工程地質災後調查」與「人工邊坡工址調查規劃」的實務綜合能力，核心觀念涵蓋以下四項：

1. 邊坡破壞機制與誘發因子判讀：包含幾何特徵（滑動面深淺、坡頂張裂隙、坡趾隆起）、工程地質弱面（層理、節理、斷層剪裂帶）、水文地質（地下水升降、暫態孔隙水壓）及誘發外力（降雨強度／歷時、地震力）。
2. 人工邊坡與自然邊坡之本質差異：人工邊坡具備「既有工程圖資與維護履歷」、「外加地工結構（擋土牆、地錨、排樁、格梁等）」及「人工截排水設施」，調查重心須從純天然地質條件轉向「結構與地質之交互作用」及「歷年維護巡查之盲點回溯」。
3. 多元工址調查技術之整合應用：結合地表遙測（UAV LiDAR、航照）、地下鑽探取心與井下檢相、地球物理探勘（地電阻影像剖面法、折射震測）、水文觀測（水壓計、水位井）及結構非破壞檢測（地錨殘餘荷重檢驗、排水管內視鏡）。
4. 極限平衡與數值反算驗證：利用室內試驗取得之殘餘剪力強度參數（$c_r, \phi_r$），配合災後斷面進行極限平衡穩定分析反算，釐清致災關鍵因子。

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解題方法

1. 第 (一) 子題：採用「由外而內、由因至果」的系統化架構，將崩塌調查要點歸納為五大主軸：幾何尺度、工程地質、水文與環境誘發條件、破壞型態與時序、保全對象與二次災害評估。
2. 第 (二) 子題：採「對比矩陣法」，從「原始圖資與履歷查核」、「結構物破壞與支撐失效模式」、「排水設施運作狀況」、「設計地質假設與現地落差」、「巡查養護機制檢討」五個維度，嚴謹論述人工邊坡相對於自然邊坡的調查差異。
3. 第 (三) 子題：依循工程實務調查程序，劃分為「非破壞性歷史與地表調查」、「地下地質與滑動面探查」、「水文與孔隙水壓觀測」、「結構與支撐殘餘機能檢驗」、「室內力學試驗與數值反算」五大項目，並為每一項目配置最適調查方法。

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選項分析

本題為申論題，無選擇題選項。各小題之作答核心與評分落點分析如下：

• 第 (一) 小題（5 分）：須精準列出災害範圍、地質弱面、地下水、外力誘發因子與殘餘穩定性，不可僅泛泛書寫「看泥土有沒有滑下來」。
• 第 (二) 小題（10 分）：關鍵得分點在於是否指出「圖資與巡查紀錄回溯」及「擋土／排水結構物失效診斷」；若未將重點放在結構物與維護制度之差異，分數通常不高。
• 第 (三) 小題（10 分）：必須「項目（What）」與「方法（How）」成對精確對應（例如：調查滑動面深度 $\rightarrow$ 鑽探取心及井下聲波檢相／測斜管觀測；調查含水帶 $\rightarrow$ 地電阻影像剖面法 ERI）。

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解題技巧

1. 答題版面配置原則：申論題 25 分題型，版面分配建議佔 1.5 至 2 頁。第 (一) 題精準條列（約 0.3 頁），第 (二) 題與第 (三) 題各佔約 0.6 至 0.8 頁，層次務必分明。
2. 高分口訣：

• 自然崩塌記「幾何、地質、水文、外力、保全」。
• 人工邊坡差異記「圖資履歷、結構失效、排水淤阻、設計盲點、維護缺失」。
• 鑑定調查項目記「表、裡、水、構、算」（地表測繪、地底探查、水文觀測、結構檢測、反算分析）。

3. 避坑提醒：切忌只寫地質調查而忽略「地錨荷重檢測」、「排水管內視鏡」等人工結構關鍵技術。

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【答案】

(一) 邊坡崩塌災害調查重點

邊坡崩塌調查旨在釐清崩塌範圍、破壞機制、誘發原因及評估殘餘邊坡穩定性，其調查重點如下：

1. 崩塌規模與幾何形態：

• 測繪崩塌區範圍（長、寬、深度、估算崩塌土石方量）。
• 判定滑動面位置、形貌（旋轉圓弧、平面滑移、楔形滑動、落石或傾倒）及邊界邊界特徵（坡頂張裂隙深度與寬度、坡趾剪出及隆起位置）。

2. 工程地質與不連續面特性：

• 調查岩土層分布、土壤分類、岩石風化程度、覆蓋土層厚度。
• 測量地質弱面（層理、節理、劈理、剪裂帶、斷層）之走向與傾角位態，判斷是否具順向坡或不利交會線構造。

3. 水文地質與水力條件：

• 調查邊坡出水點、湧泉分布、地下水位高度及滲流路徑。
• 檢視地表逕流匯集狀況及地表水是否沿張裂隙入滲。

4. 外力誘發因子與破壞時序：

• 收集崩塌發生前後之降雨紀錄（降雨強度、前期降雨量、累積降雨歷時）與地震紀錄（PGA、地震發生時間點），比對外力與邊坡滑動之歷程時序。

5. 保全對象影響與二次災害潛勢：

• 評估坡頂與坡腳設施（道路、橋梁、建物、民居）受損情況。
• 評估邊坡上方殘餘懸垂土石、崩積土體在後續降雨下再次滑動或形成土石流之風險。

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(二) 人工邊坡相對於自然邊坡崩塌調查作業之差異

人工邊坡通常依《公路邊坡維護手冊》或水土保持等相關規範進行保護工施作與定期巡查，其調查作業相較自然邊坡具有下列五大差異：

調查維度	自然邊坡崩塌調查	設有保護工與定期巡查之人工邊坡崩塌調查
1. 原始圖資與歷史履歷查核	多無既有工程資料，須自基礎區域地質圖與空照圖著手。	極重視「檔案比對」：可調閱原設計圖說、地質鑽探報告、施工抽驗紀錄、竣工圖、歷年巡查與維護保養履歷、安全評估分級（如 A/B/C/D 級）紀錄，比對災前病徵。
2. 結構物破壞與失效模式判定	無人工結構物，純粹調查土體或岩體本身之剪力破壞。

核心觀念

本題評量考生對於**工程地質模型（Engineering Geological Model, EGM）**之建構架構、道路工程細部設計階段之工址調查深度，以及地質資訊與大地工程實務整合應用能力。

1. 工程地質模型（EGM）架構：依據國際工程地質學會（IAEG）與國際岩石力學學會（ISRM）之定義，工程地質模型係整合「概念地質模型（Conceptual Geological Model）」、「觀測地質模型（Observational Geological Model）」與「工程參數模型（Geotechnical Parameter Model）」之綜合體，為工程規劃、數值分析與施工決策之核心基礎。
2. 調查比例尺階層：依據公共工程工址調查與公路工程設計慣例，工程階段與地質圖比例尺具對應關係：

• 踏勘與可行性研究：$1:25,000 \sim 1:50,000$
• 初步設計階段：$1:5,000 \sim 1:2,500$
• 細部設計階段：$1:500 \sim 1:1,000$（特殊邊坡或橋隧結構物常細化至 $1:200 \sim$1:500$）

3. 複雜山區地質控制要素：沉積岩互層（沉積構造、軟硬互層）、地質構造（褶皺軸、斷層剪裂帶）、表層覆蓋土（崩積層）及挖填土方平衡評估。

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解題方法

本題為典型之申論綜合應用題，作答時須依邏輯層次推進：

1. 第一部分：回答通論觀念。系統化條列合理工程地質模型應具備的五大構面（地質架構、不連續面、水文地質、地材工程力學性質、地質災害歷史與地動力）。
2. 第二部分：針對題目指定工址情境回答細部設計調查。明確指出細部設計之適用比例尺（$1:500 \sim 1:1,000$），並針對題目明示之地質特徵（斷層、褶皺、沉積岩、崩積層）以及挖坡、回填之工程行為，分別展開針對性的調查與測繪重點。
3. 第三部分：分述工程地質模型之工程效益。拆解為「設計階段」與「施工階段」，強調土方平衡、邊坡穩定分析、防減災支護，以及施工期之「觀察法（Observational Method）」與回饋修正。

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選項分析（命題子題架構分析）

本題為高等考試技師筆試之申論題，非選擇題。試題由兩大段落組成，實質包含三個核心命題子項：

1. 子項一：合理的工程地質模型包含資訊（通論題）：評分核心在於是否具備系統性（幾何、材料、構造、地下水、邊界條件），不可僅寫出單一地質名詞。
2. 子項二：細部設計階段地質圖比例尺與調查測繪重點（情境題）：評分核心在於比例尺數值之準確性，以及能否緊扣題設之「斷層、褶皺、沉積岩、崩積層、挖坡、回填」進行具體論述，切忌泛泛空談。
3. 子項三：工程地質模型對設計與施工之協助（實務應用題）：評分核心在於貫通工程生命週期，涵蓋邊坡分析、土方材料再利用、施工地質比對與監測預警。

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解題技巧

1. 扣題作答法：題目的背景描述（斷層、褶皺、沉積岩、崩積層、挖坡、回填）每一個字都是「給分錨點」。解答時必須逐一呼應，例如：

• 沉積岩＋褶皺 $\rightarrow$ 注意順向坡（層理面）、切向坡、兩翼傾角差異。
• 斷層 $\rightarrow$ 斷層泥、破碎帶寬度、湧水帶、弱帶。
• 崩積層 $\rightarrow$ 基岩與崩積層交界面（滑動面潛勢）、厚度探查、飽和軟化。
• 土方平衡 $\rightarrow$ 挖方岩土之崩解耐久性（Slake Durability）與轉為路堤填料之壓實可行性。

2. 排版版面結構化：使用清晰的標題序號（一、(一)、1.），將地質條件與工程處置相互對應，閱卷委員可迅速抓取得分關鍵字。

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【答案】

一、合理的工程地質模型應包含之資訊

工程地質模型（Engineering Geological Model, EGM）係將工址複雜的地質環境轉換為大地工程分析與設計所需之空間幾何與物理力學架構，一個合理且完整的工程地質模型應具備以下五大核心資訊：

1. 地層岩性與地質空間幾何架構：

• 地層層序（Stratigraphy）、厚度、岩性分佈（如砂岩、頁岩互層特性）。
• 表層覆蓋土（崩積層、殘積層、沖積層）之空間分佈範圍及其與基岩之接觸界面（風化前緣與基岩面幾何形態）。

2. 地質構造與弱面特性（Discontinuities）：

• 區域與工址構造：斷層走向、傾角、斷層破碎帶寬度、斷層泥厚度與性質；褶皺軸位置、型態與兩翼傾角。
• 不連續面幾何與力學性質：層理、節理、剪裂面之位態（產狀）、間距、延續性、粗糙度（JRC）、壁面強度（JCS）、開裂度及充填物材質。

3. 水文地質條件（Hydrogeological Conditions）：

• 常時與暴雨期地下水位面（Phreatic Surface）、水壓分佈與季節性變動幅度。
• 含水層與隔水層之分佈、地下水補注與排洩路徑、滲流坡降、斷層帶之導水或阻水特性及地表湧水點分佈。

4. 材料物理與力學參數（Engineering Parameters）：

• 岩石材料：單軸抗壓強度（$\sigma_c$）、間接抗張強度、彈性模數、崩解耐久性指標（$I_{di}