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高考申論題 111年 [港灣工程] 土壤力學(含樁基礎)

第 一 題

📖 題組:
有一土層其含上、下兩層砂土層,中間夾一層正常壓密黏土層,上層砂土層厚 10 m,而黏土層厚 6 m,如圖 1 所示。由水壓計的量測得知下層砂土層為受壓水層,其初始水頭位在地表面上 2 m,由於抽水之故,下層砂土層的水頭最終降至黏土層頂端。則請計算:
題組圖片
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

在 a 點之初始有效應力及經抽水後之最終有效應力為何?(15 分)

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本題測驗「有效應力原理」與「一維穩定滲流對孔隙水壓之影響」。解題關鍵在於辨識居中的黏土層為弱透水層,其內部孔隙水壓受上下含水層的水頭邊界差異影響,而呈現深度上的線性分佈。解題時需先求出不受抽水影響的總應力,再分別計算初始與抽水後的上下邊界壓力水頭,利用線性內插求得 a 點之孔隙水壓,最後以總應力扣除水壓即可得有效應力。

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【解題關鍵】利用有效應力原理($\sigma' = \sigma - u$),並配合均質黏土層中一維穩定滲流之孔隙水壓(或壓力水頭)呈線性分佈的特性進行推導求解。 【解答】 設水單位重 $\gamma_w = 9.81 \text{ kN/m}^3$,並取地表面標高為 $0\text{ m}$,向下深度為正。圖示正常壓密黏土之 $\gamma_s = 16.9 \text{ kN/m}^3$ 依合理土壤性質推斷,實指飽和單位重 $\gamma_{sat}$。a 點之深度為 $8\text{ m} + 2\text{ m} + 3\text{ m} = 13\text{ m}$。

小題 (二)

由於抽水而在 a 點造成的應變為何?假設在 a 點的應變代表整層黏土層的平均應變,則黏土層造成的沉陷量?(10 分)

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本題測驗受壓水層抽水對上方黏土層引致之壓密沉陷。解題重點在於:1. 總應力不變下,抽水引起孔隙水壓下降,進而增加有效應力;2. 黏土層中的水壓分佈呈線性漸變(穩態滲流),需分別計算抽水前後 a 點的水壓;3. 由於未提供初始孔隙比 $e_0$,需假設土粒比重 $G_s$ 以反推 $e_0$,再代入正常壓密沉陷公式。

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【解題關鍵】利用穩態滲流原理計算抽水前後之孔隙水壓分佈,求得 a 點有效應力變化後,代入正常壓密黏土公式求算應變與總沉陷量。 【解答】 Step 1:計算 a 點(深度 13 m)之總應力 ($\sigma_v$)

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