腳踩大地，心懷眾生的行者—岩石力學&工程地質篇(1/5)

採訪‧撰文 張國儀

大地，乃孕育、照養一切生命的基礎，我們的房子，建造於其上；我們的汽車，停放於其下；我們所吃的食物，種植於其中。有些時候，我們得穿越山體而行，才能以最快的速度到達目的地。大地，包含著岩石與土壤，這兩種構築我們世界的元素，隨處存在，卻也最經常遭人視而不見。然而，有一群低下頭來凝視的大地工程師看見了。這裡，就是他們的故事。

鄭富書教授 研究方向：：軟岩剪脹、弱化、潛變行為 地質構造力學機制與模擬、 岩石工程技術研發與改進 、 GIS於山崩引致土石遷移研究、 TCDP 深鑽之岩心力學性質與研究	林銘郎教授 專長：工程地質、 岩石力學、 邊坡穩定	黃燦輝教授 專長：岩石力學與工程、 隧道工程、 數值模擬

大地工程名稱之由來
早期，土木工程中並沒有所謂的「大地工程」此一專業。在國際上最早出現是在1925年出現的土壤力學，而知名的土壤力學之父Karl Terzaghi則是一位奧地利的機械工程師，因為興趣的關係，放下當時已經聲譽頗高的工作，來到美國這塊土地。1920年代Terzaghi在美國發表了幾篇文章，就此奠定了土壤力學的基礎。早期的土壤力學在美國非常興盛，但慢慢地重心也轉移到歐洲，並由英國倫敦帝國學院開始發揚光大。

而在臺灣，也是到了民國七十四年，臺大土木系才正式有了大地工程組的成立。當時要為這個專業命名時，由亞新工程顧問公司董事長莫若楫先生提出了「大地工程」這個名詞，另外也有人稱此為地工技術，而中國大陸則稱之為岩土工程。

大地工程在做什麼？
簡單地說，大地工程就是土木工程與地球接觸的介面。鄭富書教授解釋：「我們蓋一棟大樓、橋梁、高速公路，總是要跟地面接觸，而土木結構物本身重量很重，地球要撐得住它才行。如果接觸的地方是土壤，而土壤又太軟弱的話，蓋在上面的結構物就會沈陷，甚至傾斜，像比薩斜塔就是。」所以，在我們建設房屋、公路、橋樑時，針對下方基礎的特性之研究，就是大地工程的範疇。

一般說來，大地工程所包含的範圍非常廣泛，粗略地以專業方向來區分的話，可以分為：岩石力學與工程地質、土壤力學與基礎工程、環境地工，以及大地方法論等大項。而林銘郎教授則就此做了更詳細的說明，他表示，大地工程的工作範疇，包括了四大方向，第一是以大地材為材料，也就是以土壤與岩石為材料，來建築土木工程，像是土石壩，以及我們一般人能夠想像的東西；第二就是研究地表下的材料特性，由於土木工程結構物都要擺在地表面，而表面的重量增加後，我們就需要去了解下面材料的特性，看看蓋在上方的房子會不會傾斜或是倒塌。此二項是是大地工程中需要研究土壤特性的部分。而第三，大地工程是在土壤及岩石中挖出空間，讓人可以生活居住其中，像是捷運、地下室、隧道，甚至是採礦等等，也都是大地工程處理的對象；第四，則是近年來較受國內重視的天然災害防治，像是山崩、地滑、土石流等災害。

而鄭富書教授則就岩石和土壤這兩種材料在工程上會出現的問題做了簡單的說明。「土壤會有軟弱的問題，像是地震來時，就算是很好的土壤也會液化，變成完全軟弱的土壤。而岩石，雖然強度可以比混凝土硬，照理講就不會壞了，但通常有岩石時就有山，所以如果是要造高速公路，那就要鑿一個隧道穿過岩石，而不是把高速公路蓋在岩石上。」鄭富書說，一般如果是把結構物基礎放在岩石上，問題就會小一點，但如果是鑿隧道穿過岩石山體，問題就會非常多。「而且，臺灣的問題又比其他國家嚴重，因為臺灣是世界上少數幾個活動造山帶，又位在板塊的邊緣，」鄭富書笑著說，「所以臺灣的名產就是斷層多，到處都是。」而斷層又會對結構物造成什麼影響呢？鄭富書解釋，公路是很長的土木建築，比方說高鐵和高速公路，而只要下方的斷層出現錯動，橋樑或公路很可能就會因此斷裂。由此可知，岩石力學與地質構造之間的關係是密不可分的，要知道地質構造，首先，我們得先對岩石的生成稍有了解。

岩石是怎麼來的？
對地質結構有相當認識及研究的林銘郎，以簡明的方式解釋了岩石的生成。以沈積岩為例，最初是河邊的砂被帶到海邊，慢慢堆積並向下壓埋，稱為「深埋」，在這個過程中，土壤砂粒中的水份被排出，而水中所含的礦物也會慢慢沈澱出來，像是碳酸鈣、氧化鐵、石英等等。在深埋過程中，圍壓會增加、孔隙會減少，再加上地球本身越往內部溫度越高，所以深埋時這些沙土也會增溫、增壓，於是其結晶構造就會改變。這個時候，如果沙土的孔隙減少，強度就會增加，這就叫做「成岩作用」。

常常會有人形容臺灣的地質結構是「很年輕」的，林銘郎解釋，所謂年輕的意思是，假設一般國外的沈積岩是經過了一千萬年的深埋，並且向下埋深到四公里處，但是臺灣的沈積岩地質卻只深埋了五百萬年，一半的時間而已。由於深埋時會產生的化學作用及排水等等，都需要時間來發揮效應，但是臺灣的情況卻是時間還沒到，山就被擠起來了。這就是臺灣地質「很年輕」的意思。林銘郎打了個比喻，就像是一般將陶土燒製成瓷器時，有一定的溫度和時間的要求，假設要燒到一千度的溫度，但是臺灣卻在只有四、五百度的時候就被從窯裡拿出來，而且在硬度還沒有到達一定程度之前就開始擠壓它，所以很多岩石在還沒有冒出地表前就已經被擠破了，於是，岩石內部就會存在有許多裂縫。林銘郎也提到，相較於英國等地質較老的國家，臺灣西部沈積岩的強度通常只有英國的60~70%。

年輕、破碎的地質有什麼問題？
有裂縫的岩層又會帶來什麼影響呢？其實大家光憑想像就可以大致看出端倪，有裂縫的東西一定不夠堅固，而且比沒有裂縫的要來得容易破損。在地質學上，岩石中這些脆弱的破裂帶就稱之為弱面，而身為臺灣特產的斷層帶，也正是弱面的一種。臺灣除了斷層多、地質相對年輕之外，另外一個特色就是：地震多。而臺灣年輕、破裂較多的岩石，再加上地震頻繁，就會為大地工程帶來許多議題和挑戰。

林銘郎說，臺灣地質對工程所造成的困難是，斷層帶和解理地形的數量及延伸性，都比其他地質較老國家還要多，而且除了岩石材質本身較軟之外，其中還存在著許多弱面。這個時候，進行土木工程就必須擁有足夠的地質知識才行，於是，就產生了與岩石力學屬於同一範疇的工程地質學。《接下頁》

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