使用板樁與土釘施工擋土牆：穩定性分析
在深基坑、河岸護坡、碼頭等基礎設施建設中，使用擋土牆是一種常見且有效的解決方案，用來防止土壤滲入施工區域。其中一種高效的方法是將板樁與土釘系統結合使用。此方法不僅能有效減少土壤入侵，還能確保工程的長期穩定性。
1. 結構與運作原理
使用板樁與土釘的擋土牆是一種組合受力系統，其中板樁負責擋土與傳遞外力，而土釘則用來提高穩定性並限制橫向位移。以下是各組成部分的分析：
1.1 板樁（Sheet Piles）
常用材料：
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鋼板樁：強度高、耐久性好，且易於重複使用。
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預鑄混凝土板樁：適用於長期性、高載重工程。
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木板樁：用於臨時性或載重較小的工程。
形狀與連接方式：
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板樁斷面常見為 U 型、Z 型或 Ω 型。
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板樁之間以互鎖結構（interlocks）連接，形成連續密閉牆體。
主要功能：
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承受土壓與地下水壓所產生的彎矩。
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將外力傳遞至錨固點與基礎。
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作為基坑或施工區域的防泥、防水屏障。
1.2 土釘／地錨（Ground Anchors）
結構包含三部分：
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自由段（free length）：不與土壤摩擦，可伸縮，常包覆於 PE 管內。
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錨固段（bond length）：以水泥漿固定於土體中，與土壤形成有效黏結。
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錨頭（anchor head）：將張力從鋼索傳遞至擋土牆的部位。
材料：
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高強度鋼筋（如 PC 鋼棒或鋼纜）。
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水泥漿作為與土體黏結的介質。
運作原理：
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鑽孔完成後將鋼索放入孔內，並灌注水泥漿。
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待水泥漿硬化達強度後，利用液壓千斤頂拉緊鋼索。
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張拉力可有效防止擋土牆在土壓作用下產生位移。
2. 穩定性分析
這是確保結構安全與減少滑動、傾覆或坍塌風險的重要步驟，適用於施工及營運階段。
2.1. 土壓力對擋土牆的作用
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主動土壓力（Pa）：由擋土牆背後的土體產生，可依據 Rankine 或 Coulomb 理論計算。
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被動土壓力（Pp）：由牆前方的土體產生，用以抵抗牆體位移。
地下水位的影響：
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地下水會增加靜水壓力。
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減少被動土壓的效果（因摩擦力降低）。
Rankine 理論下垂直牆體的主動土壓力計算公式：
Pa = 0.5 × γ × H² × Ka
其中：
γ：土壤單位重（kN/m³）
H：基坑深度（m）
Ka：主動土壓係數
2.2. 板樁內部受力計算
- 需計算最大彎矩、剪力與錨點反力。
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初步分析可採用彈性地基上的連續樑法（Winkler 模型）。
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高階分析可使用專業軟體，如 PLAXIS、GEO5、SAP2000 或 MIDAS GTS NX。
2.3. 土釘（地錨）設計
錨長設計：
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總錨長 = 自由段長度 + 錨固段長度。
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錨固段必須布置於潛在滑動面之外。
設計拉力：
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根據最大彎矩斷面進行受力平衡分析得出。
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土錨安全係數：1.5～2.0（視結構重要性而定）。
局部穩定性檢查：
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檢查鋼索的抗拉強度是否滿足要求。
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檢查土–漿體間的摩擦力，避免錨體滑動。
2.4. 整體穩定性分析
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採用如 GEO-SLOPE 或 Slide 等軟體進行圓弧滑動面與複雜滑動面的分析。
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安全係數標準：
- 臨時結構：≥ 1.3
- 永久性結構：≥ 1.5
3. 實際應用與施工經驗
3.1. 典型應用工程
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城市深基坑工程：確保鄰近住宅建築的穩定性，控制位移，保護周邊結構安全。
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堤防與坡面擋土牆：用於河川、溪流或高速公路斜坡，防止侵蝕與滑坡。
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港口碼頭擋土牆系統：擋土牆同時承受土壤壓力及來自停泊船隻的橫向載荷。
3.2. 典型施工流程
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地質調查：取樣SPT、CPT，測量地下水位，確認軟弱土層。
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樁板打設：使用振動錘或液壓錘，檢查樁深與垂直度。
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錨桿鑽孔與安裝：鑽至設計深度，清理孔洞，安裝錨桿並注入水泥漿。
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錨桿預應力張拉：漿體達強度後（通常7天），使用液壓千斤頂施加設計拉力。
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撓度與錨力檢測：利用儀器測量變形與錨力，確保符合設計要求。
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施工後監測與檢查：安裝位移計、土壓力計、錨索應力計，持續記錄數據並依需要調整設計。
樁板與錨桿擋土牆是在複雜地基條件及施工空間有限的都市區域中，一種有效且靈活的解決方案。然而，結構的穩定性高度依賴於準確的分析、設計與施工。
幾點重要的技術注意事項：
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必須精確確定潛在滑動面的位置，以便有效配置錨桿。
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僅能在穩定土層中使用錨桿，避免錨入軟弱土層或有沉降風險的土壤。
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實際變形與土壓力的監測對設計模型的調整極為關鍵。
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對於深基坑或風險較高的工程，建議採用數值模擬（有限元素法 FEM）進行分析。
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