大地工程，順應與善用的藝術—土壤力學篇 (1/4)

採訪‧撰文 張國儀

陳正興教授	林美聆教授
專長領域：土壤結構互制分析 地盤地震反應 基樁工程 高科技廠房微振動	專長領域：邊坡穩定 地盤沉陷 土石流 土壤動態行為與特性
研究方向：結構物與土壤互制作用 地震時土壤內動態水壓 地盤受震反應研究	研究方向： 台北盆地及台西-麥寮地區之壓密沈陷 GIS應用研究 土壤阻尼特性研究 土石流破壞機制之模型研究 邊坡穩定、急速洩降、地震時及其它穩定分析

淺談土壤力學
土壤，是種天然的材料，它一開始是由河水中的泥沙沈積而來，經過慢慢堆疊、擠壓後，硬度越來越增加，持續擠壓堆疊後，在地底下就變成了岩石，而當岩石從地底被推擠到地表後，又開始風化、侵蝕、碎裂，再度回到河流中沈積，重新開始另一次的循環。提到土壤，陳正興說，土壤也是一種材料，只不過土木領域中的材料力學，是古典的傳統力學，而「傳統力學無法包含土壤的力學行為。」土壤與其他材料的不同之處，就在於土壤是天然的材料。「材料力學中談的材料都是人造的材料，例如水泥，這一類材料因為是人做出來的，所以可以自由掌控它的性質，比方說我們要製作出高勁度、高強度、體積小的材料，這都是可以做到的。但是土壤是很天然的材料，它的性質是我們無法創造的，所以，我們只能去了解、順應土壤的特性。」陳正興如是說明。此外，他也提到土壤這種材料的特性是，在某些情況下非常鬆散軟弱，在某些狀況下又非常堅硬，「之所以有土壤力學，就是因為它與材料力學中的材料很不一樣。」

陳正興表示，土壤力學與材料力學的不同，在於材料力學的材料大多為均質體，例如鋼材，但土壤基本上包含三種要素：顆粒、水、空氣，當土壤受到外力作用時，此三者都會產生變化，所以其行為遠比均質體（人製造的材料）要來得複雜許多。雖然許多人開始研究土壤的性質與其化學組成，但到目前為止，在各方面都仍然只有初步的了解，「我們現在還無法把土壤的行為描述得很好，因為它實在太複雜了，所以到目前為止，我們還無法完全掌握土壤的行為。」

談到土壤力學，不能不提所有土木人都知道的土壤力學之父Karl Terzaghi，原本從事鋼筋混凝土研究的Terzahi，由於在某一次的工程中發現地有沈陷的問題，於是便開始去探討沈陷的原因為何，最後他發現，原來這是因為土壤把孔隙中的水排出來後所造成的現象，也因此他提出了著名的壓密理論。所謂的壓密理論是，由於土壤是由水與顆粒所組成的，如果在土層上方施加重量，這份重力一開始會先由土壤中的水來承受，也因此土壤中的水壓力便增加了，而由於水在土壤中是可以流動的，所以這些受到壓力的水就會向兩邊壓力較小的地方流去，導致中間部分的土壤體積開始減小，於是產生了沈陷。不過，陳正興也解釋到，水壓力上升，自然就會向壓力小的地方流，而等到壓力消散，四周的壓力一致之後，沈陷現象就會停止了。「這是自然現象，在壓密沒有完成的土壤上都會出現，所以不管蓋什麼房子，一開始都一定會出現沈陷。」陳正興說。

而談到土壤力學的起源，林美聆則說，其實大地工程最早就是由土壤力學開始發展起來的，雖然土木系學生都知道土壤力學之父Terzaghi的大名，但其實，早在Terzaghi之前，就已經有許多土壤力學相關的技術了，只不過當時無法被清楚地定義為這是大地工程中的土壤力學。林美聆舉了幾個例來說明，例如，中國早在商周時期就有所謂的「版築」，也就是把土壤夯實來做路基或蓋房子，「其實版築就是我們今天所說的 “soil compaction”。」林美聆說。又或者是新疆地區最早期、最原型的長城，搭建它的土壤裡加入了茅草根和柳樹枝等，以一層土壤加一層茅草根的配置方式，也就等同於一層土壤加一層張力材料，層層疊疊上去，「其實這就是我們今天說的「加勁土壤」（soil reinforcement）。」此外，林美聆也提到，羅馬人早在西元前十世紀時，就已經有了打樁造橋、設橋樑墩基的技術，「所以雖然領域沒有那麼早被界定下來，可是凡蓋房子一定有基礎，所以土壤力學的歷史就和蓋房子的歷史一樣久遠，不論是鋪路造橋，任何設施，都一定有基礎。」她說。

也因此，雖然早在Terzaghi之前就已經有了許多土壤力學的技術存在，但林美聆認為，Terzaghi最大的貢獻便在於確認水的流動對應力所造成的影響。「大地跟其他領域最不一樣的課題是，在看應力時會牽涉到地裡的水，水與固體是不一樣的，水會流動，所以水壓力不是固定的，而水壓力在地裡面對應力所造成的影響自然相當不同。」林美聆認為，Terzaghi所提出的理論對之後的研究帶來非常大的影響，「直到目前為止，我們對於水對應力所造成的影響，都還不斷地在研究當中。」

土木領域環環相扣
談到土壤中水的影響，林美聆有感而發地說：「其實每個領域之間都互有關連。」比方說地下水流動產生滲流的現象，這也是水利組在做的研究，「回歸到整個物理現象來看的話，水和土壤之間有個連動的關係，若我說土壤是固體顆粒，不會動的，只有水在流動，那這就叫滲流，如果水在流動時固體也會動，那就是壓密，但這兩者是不能拆開看的，滲流會影響壓密，壓密也會影響滲流，只不過我們在大學部的課程不會講得那麼複雜，因為我們得把事情簡化來說明。」也因此，林美聆認為，土木系中的各領域其實無法完全切割開來，「我們現在把科目分了出來，有些同學就只去追求單一領域的學識，但其實這對大方向來說，是不好的，就很像瞎子摸象，你是摸到大腿還是摸到肚子？但其實大腿跟肚子是連在一起的啊。」林美聆說，隨著研究越來越深入，區分領域確有其必要，但是如果退一步來看，各領域就像是各隻手指頭，原來都是與手掌相連的，「其實大學的課程就是希望能夠涵蓋手掌的部分。」林美聆認為，這也是土木系的特點，學生要修的課程比較多，「但最大的好處就是，你可以了解到原來土木是一隻手，既不是食指也不是拇指。」她笑著說。《接下頁》

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