淺談結構性生態袋擋土牆內部穩定分析方法

王汝安 技師

一、前言

結構性生態袋擋土牆工法主要是採用高強度不織布縫製成生態袋，不織布具有透水不透土的過濾功能，能防止袋內的砂質土壤（植生土、養分及保水等混合物）流失。配合連接扣、水泥砂漿粘劑等傳統的加固法，形成牢固的墻體護坡結構，如果袋子單元間沒有足夠的抗剪強度，遇地震或暴雨時、地下水會從背填土壤縫隙中，滲流至堆疊生態袋墻體，大量的滲流壓力，可能造成生態袋牆體坍塌。

二、生態袋擋土牆內部穩定分析方法

結構性生態袋擋土牆在設計上除要充分考量外部穩定(傾倒、滑動、承載力分析)以外，更重要是詳細分析內部穩定。

內部穩定分析方法，主要在檢討各個生態袋自身材質及連接扣加上粘合劑的抗剪強度是否足夠，參考圖1，當側向土壓力作用於生態袋時，各生態袋不能發生破壞。

圖1 內部穩定分析示意圖

1、        內部穩定分析說明如下

內部穩定分析主要在檢討各個生態袋單元間的抗剪強度，是否能安全抵抗作用在生態袋擋土牆背側之主動土壓力，分析方法如下：

作用在生態袋間之主動土壓力公式

Pa=1/2 *［Ka*γeq*H-2C*√Ka ］*H +Pe+Pw

其中，Ka：Coulomb或Rankine主動土壓力係數；

      γeq：為坡頂承受均布載重或車輛及其他載重時，對土壤單位體積重之修改如下：γeq=γsoil+［sinβ/sin(β+θ ) ］*［2q/H］；Pe=地震時額外土壓力；Pw=滲流水壓力。

生態袋堆疊範圍內各層抗滑動作用力及安全係數如下所示：

Fr(bag)=Σσi,bag*Ai,bag*tanΦ+Sc+Sw=Nbag*tanΦ(bag-soil) +Sc+Sw

式中，Fr(bag)：為生態袋抗滑動作用力；

Σσi,bag：為生態袋底部各節點之有效接觸應力；Ai,bag：為生態袋各節點分擔面積；Sc：連接扣抗剪強度；Sw：草根或樹根抗剪強度。

各層生態袋單元間的抗剪強度安全係數：

Fs(bag)= Fr(bag)/Pa >1.5。

2、各個生態袋自身材質及連接扣加上粘合劑抗剪強度計算如下

  連接扣可以採用任何材質、任何結構型式的構件，水泥砂漿可以塗布在連接扣上下兩個面，或單獨塗布在袋子與袋子側面接縫處及靠坡面側的袋子接縫處，甚至也可以不採用連接扣，直接採用與袋子等強度的黏合劑來粘結袋子，分析方法如下述：

圖2   生態袋連接扣示意圖(1)		圖3      生態袋連接扣示意圖(2)

 (a)連接扣+水泥砂漿黏合劑總抗剪強度

黏合劑抗剪強度=0.45√F_C*B*D×2個面=0.45 x√350x30cmx1cm x 2個面=502kg

其中，黏合劑抗壓強度F_C=350kg/cm²；

      B：黏合劑寬度=30cm；

      D：黏合劑厚度=1cm。

連接扣剪力釘強度=0.4fy×(6-10)只剪力釘=0.4 x 236kg/cm²x(6-10)只剪力釘=755kg。

一處連接扣+黏合劑總抗剪強度=502+755=1,257kg。

每個生態袋採用兩處連接扣+黏合劑總抗剪強度=1,257kgx2個扣=2,514kg。

(b)生態袋自身材質總抗剪強度

生態袋自身抵抗橫向的抗拉強度=12.20kn/m=1,220kg/m

施工時在每個生態袋上塗布寬10*長100公分的水泥砂漿粘合劑，則

每個生態自身抵抗橫向有上下兩個接觸面積範圍的抗拉強度=12.20kn/mx2接觸面=2,440kg。

  綜合(a)連接扣+水泥砂漿黏合劑總抗剪強度及(b)生態袋自身材質總抗剪強度綜合比較結果，得到各個生態袋自身材質及連接扣加上粘合劑抗剪強度為Fr(bag)=2,440KG(強度較低者控制設計)。

該強度尚不包含生態袋間因重量生的摩擦力、草根剪力強度及跨橋效應(Bridge over)。因此，結構性生態袋擋土牆會隨草根或灌木的生長而趨向安全側。

3、水泥砂漿塗抹方式及位置的考量

為確保袋子與袋子單元間能發揮足夠的抗剪強度，水泥砂漿塗抹方式及位置，除考量增加抗剪強度外，須兼顧避免地下水把背填土帶出。

過去實作案例中，袋子與袋子間如果只有連接扣而無水泥砂漿時，當遇大下暴雨時、雨水從背填土裂縫中滲流到生態袋牆體的側向壓力大於800kg/m時，會造成生態袋牆體坍塌，連接扣上下兩面如果塗佈水泥沙漿加固，使生態袋墻體整體受力，經測試改進後的堆疊結構袋體拉力可高達2,500kg/m。

水泥砂漿也可以塗抹在袋子與袋子側面接縫處及靠坡面側的袋子接縫處，這種設計方法可以大量降低地下水滲出時將背填土帶出，同時也提高袋子單元間的抗剪強度，另外如果不採用連接扣時可以直接塗抹與生態袋相同墻度的粘合劑也能達成相同效果，設計方法如下圖示：

三、結論與建議

在實際應用中發現，當自立式生態擋牆或者護坡在做結構分析時，各生態袋雖然已經加上水泥砂漿，但當需要承受超過自身所能承受的側向土壓力時，需要增加加勁格網，以提高單元抗剪強度。生態袋加上水泥砂漿，猶如砌磚塊時加上砂漿，一般是傳統老工法的應用。早期歐美日及台灣較常使用植生袋加上加勁格網工法，但過去的植生袋強度很低易老化，是最大的弱點。如果把生態袋加上加勁格網等於是把過去的植生袋換成高強度袋子而已，但因為生態袋強度高，可以部分取代加勁格網的功能，因此，加勁格網的長度設計上可以短一些。如果有廠家把生態袋加上水泥砂漿或生態袋加上加勁格網的工法申請成新型專利，該專利是與傳統工法的延伸應用原則相違背的，可以舉證抗訴撤銷該新型專利，讓生態袋工法單純及普遍使用。