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普考申論題 111年 [水利工程] 土壤力學概要

第 三 題

📖 題組:
回答下列有關土壤滲流問題:
(一)定義土壤中總水頭(head)及其組成形式(type)。(5 分)
(二)定義土壤水力傳導係數(Hydraulic conductivity)並列出三種實驗室量測之方法與適用土壤類別。(10 分)
(三)土壤單位體積之滲流力為 $i gamma_w$ ($i$ = 水力梯度,$gamma_w$ = 水單位重),請以滲流力推導臨界水力坡降及說明發生砂湧(quick condition)之條件。(10 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (三)

土壤單位體積之滲流力為 $i gamma_w$ ($i$ = 水力梯度,$gamma_w$ = 水單位重),請以滲流力推導臨界水力坡降及說明發生砂湧(quick condition)之條件。(10 分)

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這題要求用「滲流力」來推導。思考點在於垂直向上滲流時,當「向上」的滲流力等於「向下」的有效浸水重量時,有效應力變為零。此時的水力梯度即為臨界值。

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【考點分析】 有效應力原理與砂湧 (Boiling/Quick condition) 之力學平衡。 【理論/法規依據】

小題 (一)

定義土壤中總水頭(head)及其組成形式(type)。(5 分)

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這題考白努利定律在土壤滲流中的簡化應用。在低速流動的土壤中,速度水頭可以忽略不計,因此總水頭只由「壓力水頭」和「位置水頭」組成。

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【考點分析】 總水頭之組成定義。 【理論/法規依據】

小題 (二)

定義土壤水力傳導係數(Hydraulic conductivity)並列出三種實驗室量測之方法與適用土壤類別。(10 分)

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水力傳導係數就是俗稱的滲透係數 $k$。定義來自達西定律。實驗室方法有三種經典方法:常水頭(粗砂)、變水頭(細粒土)、以及從鞏固試驗間接推求。

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【考點分析】 達西定律 (Darcy's Law) 與滲透試驗。 【理論/法規依據】

📝 土壤滲流與砂湧現象
💡 藉由滲流力與土體有效重之平衡,推導砂湧發生之臨界水力梯度。

🔗 砂湧現象發生之物理機制

  1. 1 向上滲流發生 — 水流由下往上流經土層,產生向上滲流力 j = i * γw。
  2. ↓
  3. 2 力學平衡臨界 — 滲流力增加至與土體單位有效重 γ' 相等。
  4. ↓
  5. 3 有效應力歸零 — σ' = 0,土體顆粒失去接觸力與剪力強度。
  6. ↓
  7. 4 砂湧/沸騰現象 — 土體呈現懸浮狀態,喪失承載力,發生工程災變。
🔄 延伸學習:延伸學習:工程實務需檢核安全係數 Fs = ic / i (設計) 是否大於規範值。
🧠 記憶技巧:VIP 會員可查看這題的記憶口訣與速記法
⚠️ 常見陷阱:VIP 會員可查看這題最常被誘答的陷阱整理
達西定律 (Darcy's Law) 流網 (Flow Net) 繪製 管湧與滲流安全係數

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