地質鑽探報告之判讀經驗談

林士誠  技師

一、前言

不論工程規劃、設計階段或施工階段，地質鑽探(調查)始終是工程的先行者，其主要內容包含有：提供工址地層組成(及地下水位)狀況、現地試驗與實驗室力學試驗成果、地層堅實或強弱程度。而前述各項經彙整後可得“地質鑽探報告”，類似工址範圍內之大地“健檢”報告書，紀錄著各項試驗(或監測)結果，並顯示各試驗指標。

通常整本“地質鑽探報告“中，最被“關心”的就是標準貫入試驗N值與地層參數簡化表。其中，地層參數簡化表可說是鑽探報告的“靈魂”，在鑽探調查過程中，所進行的各項試驗成果、地層分類與分析，均涵蓋於此表中。除幫助工程師，快速掌握工址地層特性，亦可據以研提合理之工程對策，惟工址地層變異性大時，鑽探報告中所揭櫫之各項指標(如含水量、顆粒粒徑、塑性指數及液性指數等)、地層分類與強度等，便須謹慎考量及判讀，才不致於施工時，造成〝大災難〞。

二、地質鑽探(基本認識)

地質鑽探報告，有時也稱為〝地基調查報告〞，可分為紀實與分析二部分，其中，紀實報告包含：地層柱狀圖、現地試驗及探測結果、取得樣品及室內試驗結果、地質剖面圖、地層分類及描述及地下水等(參考〝建築物基礎構造設計規範〞)；分析部分包括：區域性潛在地質不利因素、建議之地層大地工程參數、建議之基礎型式及設計準則等(參考〝建築物基礎構造設計規範〞)。前述兩部分通常合而為一，有時，會應業主要求，進行一些特殊試驗或分析，如水質檢驗、化學試驗等。

(一) 地質鑽探

地質鑽探可分為陸上鑽探及海上(河上)鑽探兩種方式，其中，陸上鑽探，如圖1所示，即為一般所採用之鑽探工法；海上(河上)鑽探，需於海上(或河上)架設浮台再行施鑽。

地質鑽探內容包含

(1)   現地取樣：(a)劈管取樣(小樣)——供物理試驗、(b)3英吋薄管取樣(不擾動土樣)——供力學試驗、(c)岩心取樣及(d)全取樣——特殊工程之需。

(2)   現地試驗：(a)SPT(標準貫入試驗N值)、(b)CPT(圓錐貫入試驗)、(c)LLT(孔內側向載重試驗，ASTM D4719-87——用於評估地盤之變形特性，如靜止土壓力係數k0、變形模數E、水平地盤反力係數kh、強度等)、(d)十字片剪試驗，ASTM D-2573——主要實施在軟至中稠凝聚性土壤，如圖2所示，求得不排水剪力強度)、(e)平鈑載重試驗(ASTM D1194——常應用於淺層地表下即遭遇極堅硬地層(如卵礫石層)之承載力及沉陷量評估)、(f)現地透水試驗(包含定水頭試驗及變水頭試驗兩種)。

(3)   實驗室試驗：(a)一般物理性質試驗、(b)力學(三軸壓縮)試驗、(c)單軸壓縮試驗及(d)岩石試驗等。

另有地表地質調查、地球物理探測、遙測判釋、試坑、槽溝試挖、地質鑽探及現地試驗等

(二)鑽探密度、深度與鑽進方法

一般鑽探密度、深度均會符合〝建築物基礎構造設計規範〞之要求，即(基地面積每600m²或建築物基礎涵蓋面積每300m²者，應設置一處鑽孔；每一基地至少2處，基地面積＞6,000m²，或建築物基礎涵蓋面積＞3,000m²之部分，得視基地地形及地質情況調整調查密度)，若為補充地質鑽探，則不在此限。鑽探深度之決定，亦需符合規範之要求。

鑽探施作空間(寬×長×高)約需3.0m×8.0m×7.0m。鑽進工法隨地層狀況不同而異，而各工法之適用地層及優缺點如表1所示。

表1  鑽探方法比較表

(三) SPT標準貫入試驗N值

標準貫入試驗N值為土壤對劈管貫入阻力之一種試驗記錄，可使設計者對地層堅實緊密程度有大致上的概念，Terzaghi & Peck(1967)訂出SPT N值與土壤的關係，如表2所示。

眾所週知，打擊數(N值)受限於地鑽探領班個人習慣、出力大小、夯捶拉高位置(63.5kg(140磅)重夯錘，以76.2cm(30吋)之落距)等因素之影響，除非同一工址，兩部以上鑽機(即不同師傅)，或補充鑽探(不同鑽探班底)，可進行比對，否則難以去除此人為因素。近年來，為探求土壤液化潛勢區之地質狀況，人工敲擊法已改採自動落錘法(詳圖3所示)，來取得N值。

(四)地下水位與水壓力

工址範圍內之地下水位及水壓力，分別以水位觀測井及水壓計來量測，在無受壓水層之情況下，都呈靜態水壓力分布。地下水位為地下水處於平衡時之常態水位高度(若鄰近有抽水狀況，則可能較常態水位略低些)，其設置深度不需太深，通常約10m~15m之間。有時，鑽孔未設置觀測井，會於鑽孔內量取水位(每天早上開鑽前量測)，此並非實際之地下水位而是鑽孔內水位；另有利用驗深管(每一鑽孔均會布設)之水位高，作為地下水位。

對於水壓力之量測，主要是為了解某一深度內之水壓力，當觀測所得之水壓高於地下水位(或地表)，即表示地層存在受壓水層，後續於工程進行(如基礎開挖)時，需注意浮力所引致之問題。

三、鑽探報告判讀

地層層次分類，除彙整工址內各鑽孔剖面圖(含N值、地質分類)(如圖4所示)外，也需參考物理性質試驗成果(即鑽探報告內〝鑽探及土壤試驗一覽表〞，如表6所示)與力學試驗成果等。在判讀時，更要配合地層堅實緊密程度，參考地層參數簡化表，研判地層分層之合理性。以下依據圖4地層剖面圖，來說明。

(一)地層堅實緊密程度

對於地層堅實緊密程度，常以N值作為判斷依據(如表2所示)，各層次(如圖4之Ⅰ~Ⅴ層次)所得之平均值，係以該分層之所有鑽孔(案例1為4鑽孔)進行算術平均(地層參數簡化表中之各項參數，大多也以算術平均求得)。如圖4之Ⅱ次層，其平均 。

(二)巨厚地層分層

一般就同一層次地層而言，因其土壤性質相同，故會以整層次之所有N值，採算術平均方法求得平均值。但對於較厚之層次，以此方法求得巨厚地層鬆軟程度，恐有失真之虞。如圖4第Ⅲ層次，為巨厚灰色粉土質砂土層，分布範圍GL.-1.6m~GL.-16.5m，若以一般分層方法，將本層次4鑽孔之N值，以算術平均作為分析或設計參數，則對於較深地層，可能有低估情形。隨著深度的增加，土壤組成(顆粒分布比例)會有所改變，而N值亦會隨深度而變。因此，將本層再分為三個次層(較為嚴謹)，分別為Ⅲ-1(粉土質砂)、Ⅲ-2(粉土質砂含粗礫石)及Ⅲ-3(粉土質砂含薄層黏土)，所得之平均為6、16及9。

(三)軟弱黏土層之判讀

前述砂土層，大都以N值進行判讀，然而，對於黏土層，尤其是軟弱黏土層(N=1~4)，判讀時，更需謹慎，若以案例1(圖4)第Ⅱ次層而言，其平均，顯示為中等堅實(表2)，但檢視鑽孔AH1、BH1及BH2，均顯示為極軟弱黏土，若採平均值進行分析或設計，有可能提高風險性(或降低安全係數)。因此，針對黏土層應詳細判讀。

1.黏土層判讀依據公式

含水量對黏土影響較大，因而，可應用下列指標研判黏土之稠度。

(1)塑性指數

塑性指數公式為PI=LL(液性限度)-PL(塑性限度)，其範圍值如表3所示，顯示PI>40 土壤屬於高塑性

(2)液性指數LI

液性指數定義為

亦可寫為 ，其範圍在0~1之間，其對應土壤強度如表4所示。

液性指數LI可用來表示原狀土壤(或不擾動土壤)之稠度。當自然含水量Wn很接近液性限度LL時，可視為軟弱(Soft)粘土；當Wn>LL，會使LI>1，而此狀況下，土壤未被擾動時，可能穩定，但突然震動(如地震)，則可能使土壤呈液性狀態；Wn很接近塑性限度PL則可視為硬(Stiff)粘土。

(3)稠度指數CI

 ，其範圍在0~1之間，與LI關係為LI+CI=1，其對土壤之描述，詳表5所示。
當CI >1，表示土壤含水量在塑性限度以下，較為安定，土體受擾動時亦不容易成為流動狀態。
當CI≤1，表示土壤含水量接近或大於LL，較不穩定，土體受擾動時，可能立即成為流動狀態。

2.應用指標判讀(案例二)

黏土地層(案例二)，共取4組小樣進行物理試驗，如表6所示，即鑽探及土壤試驗一覽表。藉由地層所進行之物理試驗，判讀土壤稠度。

判讀(1)法：由表6標準貫入試驗N值，得知平均(四捨五入)，顯示為中等堅實土壤(表2)。

判讀(2)法：由表6中之塑性指數，可得平均，屬中等塑性土壤；由4組試驗，顯示範圍介於16.1%~22.9%之間，屬中等塑性~較高塑性土壤。

判讀(3)法：藉由公式，以液性指數LI或稠度指數CI研判，其所得成果如表7所示，顯示地層屬軟弱~極軟弱土壤。

由前述三種判讀方法顯示，判讀(1)法，僅能概略獲知地層堅實疏鬆程度；判讀(2)法，可判知土壤可塑性程度；判讀(3)法，經黏土稠度之研判，可明確得知黏土軟弱程度。因此，利用鑽探及土壤試驗一覽表中所得之相關指數或參數，較可正確判讀地層之堅實軟弱程度。

四、結語

1.對於地質鑽探工法，現地取樣、現地試驗及實驗室力學試驗等之掌握，判讀鑽探報告所楬櫫之各項參數及指標之前，除須先檢視鑽孔密度、深度是否符合規範要求外，更要配合地層堅實緊密程度，參考地層參數簡化表，研判地層分層之合理性。

2.雖然地層堅實緊密程度，常以N值作為判斷之依據，但對於巨厚之地層，仍須謹慎考慮土壤組成(顆粒分布比例)變化情形，可將巨厚土層再區分為多個次層。

3.地層分層，常以該分層之所有鑽孔進行算術平均。然而，採用此方法，若遭遇軟弱地層，則常會引致對土壤堅實鬆軟程度的誤判。

4.對於軟弱黏土地層之判讀，除以N值、值判讀外，建議仍需採用液性指數LI或稠度指數CI進行研判。