黏土問題之探討

房性中 技師

一、前言

黏土(Clay)係為廣泛分布於地球地表層的土壤材料種類之一，台灣地區亦不例外，尤以林口台地、中壢地區及桃園機場區域等範疇最具代表性。

任何土木工程師當其必須面對黏土問題時，以筆者經驗而言，勢必要徹底了解黏土之定義、種類及特性，配合各設計準則及施工規範之規定，釐定各項黏土工程適當的因應對策，始能達到避險與防災的目的，同時，得以順利推動工進並保障工程品質。

二、黏土定義

黏土係一種含有矽酸鹽礦物成分的細顆粒天然土壤材料。有些成岩作用也會產生黏土，惟於此過程中，黏土的出現可以作為成岩作用進展的指示。而黏土顆粒周圍有一層水分子膜，使其在乾燥或燒製時，會變硬、變脆，且不具備可塑性；其在潮濕時，即具備黏性及可塑性，黏土顆粒之粒徑大小一般以≦2µm者屬之。

三、黏土種類

在工程上之黏土種類可分為下列三項：

1.  高嶺土(Kaolinite)：水無法進入土粒結構內，故遇水不會膨脹。

2.  伊利土(Illite)：水可自由進出土粒結構，但黏土不會膨脹。

3.  蒙脫土(Montmorillonite)：水可自由進出土粒結構，黏土遇水可膨脹高達14倍以上之多。

四、黏土特性

一般而言，黏土具備以下工程特性：

1.  因黏土顆粒之粒徑大多≦2µm，故在進行篩分析時，其顆粒大小遠小於No.200篩之0.074mm篩網之尺寸，因此，若僅以乾篩法進行試驗，將無法測取其真實之粒徑分布曲線圖。

2.  當黏土含水量偏低時，其性質趨向硬性及脆性，但工程強度值仍然為CBR值≦5%者居多，有些黏土之CBR值甚至於會<1%。經滾壓及風吹日曬後，具備衍生全面性表面裂縫的風險。

3.  當黏土含水量偏高時，須經過長時間的曝曬，始能達到可施工之含水量條件。若於此時進行滾壓作業，將會產生彈性(Sponge)現象，無法達到所須之表面平整度及壓實度規定值。

4.  黏土若擬採用水泥處理土壤工法時，依據參考文獻(1)及(2)所述，其所須混拌之水泥用量必須使用到10%~16%或是140kg/m³~210kg/m³。若水泥用量不足時，依據經驗，經此工法處理後之土壤強度值反而會更行弱化，若滾壓不當或養護程序不完全時，其表面將會衍生裂縫，此裂縫更會反射至鋪面表面，造成鋪面表面產生嚴重之裂縫損壞狀況。

5.  黏土完成滾壓後，工址若有地下水反覆升降的現象時，則黏土細顆粒將有被掏空之潛在風險。

6.  黏土完成滾壓後，隨著時間序之推進，土層壓實度將會漸次降低，工程強度值亦隨之降低。

7.  當回填之黏土層過厚時，即使每30cm乙層之滾壓壓實度全部皆符合施工規範之規定，日後仍會衍生壓密(Consolidation)沉陷之問題。若設計工程師未設計『預壓密(Pre-consolidation)』工序，則厚層黏土之回填作業幾乎篤定會產生不均勻沉陷之壓密行為，進而造成其上之結構物產生各種嚴重損壞狀況。例如：邊溝斷裂、擋土牆及房屋傾斜、沉陷與牆體斷裂等等情事，皆因厚層黏土之壓密特性所引致之災損。

8.  黏土材料遇雨時停工，當天氣放晴時，仍須長時間的曝曬，始能使黏土顆粒外圍之飽和水層中的水分充分蒸發消失，因此，無法於放晴後即刻復工，導致工程逾期罰款之案例層出不窮，施工單位苦不堪言。

五、因應策略說明

基於旨揭所述之黏土特性，設計工程師及施工單位人員一定要徹底了解各種因應策略，方能順利推動工進，並且達到避災或是減災之目的。

本章茲列述各項因應策略如下：

1.針對黏土顆粒粒徑過細的問題，篩分析試驗已為其特別增加施作通過No.200篩土壤之濕篩及水中比重計之沉降篩分析試驗法，藉以補足乾篩法不足之處。

2.針對黏土含水量的問題，依據筆者經驗，滾壓前混拌之含水量應控制在試驗室所得之最佳含水量值±4%之區間內；另依參考文獻(3)所述，則須控制在最佳含水量值高約1%~2%之內；參考文獻(4)則規定須控制在最佳含水量值(-2%)~(+3%)之區間內。實務上，控制在濕側含水量，乃為較常採用之策略。

3.針對黏土滾壓的問題，因滾壓含水量之控制以濕側為主，而較偏濕的黏土在滾壓時又有彈性現象之顧慮，故在選擇滾壓機具時，其策略應以機具總重≦5公噸者為主，方為允當。

4.針對黏土採用水泥處理工法時，其混拌之水泥用量務必依照參考文獻(1)及(2)之規定，使用到10%~16%或是140kg/m³~210kg/m³，始能達到穩定結構層次且提升工程強度值之功效。

5.針對黏土層有地下水反覆升降的現象時，設計工程師務必要考量以工程不織布包覆黏土層之方式處理，以防止黏土細顆粒因水位之升降而被掏空。

6.針對黏土完成滾壓後，隨著時間序之推進，土壤壓實度與工程強度值隨之降低之問題，目前處置之經驗為：『只要土層未見沉陷或唧水損壞狀況，則可暫時免予處理；若具備旨揭損壞狀況，在剛性鋪面工程而言，則須打除剛性版塊，並予以重新填料及滾壓後，再重置剛性版塊整修之。』

7.針對黏土回填過厚的問題，依據筆者設計台南科學園區開發案實務經驗而言，當回填黏土之厚度超過3m(含)以上時，即必須分析及設計『預壓密』之工序，務必採用人工設計之負載重量針對黏土層進行壓密工程，俾使其在預計期程內(約半年~二年)提前完成均勻沉陷之壓密行為，始可繼續其上部之結構物施工程序。而台南科學園區開發案例，即為覆土黏土6m其上使用6m碎石級配予以預壓密18個月的時間，才繼續進行該工址下階段的作業。可避免在日後衍生不均勻之壓密沉陷，進而不致損害到其上之工程結構物。

8.針對黏土遇雨後放晴仍然無法即刻復工的問題，在土方工程而言，筆者之經驗乃為：『土方整治滾壓後，應立即覆蓋藍白帆布或工程不織布，以防止大雨襲擊。』若屬鋪面工程，則應分區分段針對黏土進行滾壓，完成滾壓後，亦分區分段立即鋪設碎石底層或瀝青混凝土處理底層，俟底層材料完成滾壓鋪設後，黏土層即不必擔心會受到暴雨襲擊後放晴仍然無法即刻復工之困擾矣。

六、綜合討論暨建議事項

1.綜上所述，黏土材料擬使用於何種工程上，將因不同的工程標的物而有各種不同的問題存在。故設計工程師及施工單位人員皆須探究箇中緣由，並且尋求正確的因應對策，方能順利且合理地解決難題，並推動工進。

2.相關的因應對策皆在各參考文獻中已有列述，故各從業人員如何能夠快速且正確地掌握資料，亦為重中之重的任務與使命。

七、參考文獻

1.PCA,”Soil-Cement Inspector’s manual”,1984.

2.PCA,”Soil-Cement Laboratory Handbook”,1969.

3.行政院公共工程委員會施工綱要規範，”第02300章：土方工程”，完整第V4.0版，2013年06月13日。

4.行政院公共工程委員會施工綱要規範，”第02715章：水泥處理土壤"，完整第V2.0版，2017年02月17日。