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）
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）
思路引導 VIP
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。
小題 (一)
定義土壤中總水頭（head）及其組成形式（type）。（5 分）
思路引導 VIP
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。
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）
思路引導 VIP
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。
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 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 力學平衡臨界 — 滲流力增加至與土體單位有效重 γ' 相等。
- 3 有效應力歸零 — σ' = 0，土體顆粒失去接觸力與剪力強度。
- 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。
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🔄 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。
