土壤差異沉陷

土壤差異沉陷 (The differential settlement of soil)
國立交通大學土木工程學系 劉德謙

土壤為何會差異沉陷？

土壤受到載重壓力會產生沉陷，沉陷的種類分為瞬時沉陷、主壓密沉陷及次壓密沉陷。土壤會沉陷是因為土壤中有孔隙，土壤受到壓力時將孔隙中的空氣或水擠出，使得土壤的密度增加而沉陷。以下分別說明三種沉陷種類發生的原因：

1. 瞬時沉陷：是指地層受到壓力當下立即反應的沉陷量，土壤的含水量不變、顆粒間空隙變小。
2. 主壓密沉陷：是因土壤受到壓力，造成內部水壓上升，超額孔隙水壓隨著土壤中所含的水量慢慢地排出而漸漸消散，造成土壤體積減少而沉陷。主壓密沉陷還會因為土壤的滲透性及排水速度不同，所需的時間也不同，例如：砂土的滲透性較高，因此所需的壓密時間較短；而黏土的滲透性甚低，因此所需的壓密時間可能較長。瞬時沉陷與主壓密沉陷由於前者是排出空隙後者是排出水，所以是同時發生的。
3. 次壓密沉陷：是發生於主壓密沉陷完成之後，在壓力維持不變的狀況下，隨時間而持續產生的沉陷情形，通常為土壤結構的重組、或鍵結改變等微觀情形，較常發生於高壓縮性的黏土層。

土壤差異沉陷的便是因為土層不同組成產生的沉陷量不同，或者因為建物載重分布不均，造成土層的不均勻沉陷，使得建物受損，產生裂縫（圖一），嚴重者則有倒塌危機。

土壤差異沉陷的實例－比薩斜塔

義大利著名的景點比薩斜塔（圖二）是一座傾斜的鐘塔，是世界著名的建築奇觀，由於其傾斜但不倒的獨特景觀，吸引許多人前往參觀。

比薩斜塔的傾斜原因，現在被認為在建造過程中由於其地基下面土層的特殊性所造成的，土層中含有多層不同材質，「各種軟質粉土的沉澱物和非常軟的粘土相間形成，而在深約一米的地方則是地下水層」^[4]，因此在建造過程中，土壤受壓產生差異沉陷，造成傾斜。因為建物傾斜的原因，比薩斜塔兩次停工，後來將上層的鐘樓採取反方向的傾斜補償重心平衡，才順利地完工。

2000 年，比薩斜塔展開抽土工程，將傾斜反方向的土層抽出，使其以重力下沉，修正傾斜角度，以免傾斜加劇而倒塌。比薩斜塔因土層的不均勻分布導致差異沉陷，使得有此世界奇景。但為了維持其屹立不倒，也花了許多功夫，因此還是希望不要遇到這種情形的發生。

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參考文獻

1. Das, B. M. and Sobhan, K., 2014. “Principles of Geotechnical Engineering.” 8^th (SI) Edition, Cengage Learning.
2. <建築物基礎構造設計規範>第四章淺基礎｜營建署。http://w3.cpami.gov.tw/br/ref/chap4.htm
3. 地層下陷｜維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%9C%B0%E5%B1%A4%E4%B8%8B%E9%99%B7
4. 比薩斜塔｜維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%AF%94%E8%90%A8%E6%96%9C%E5%A1%94
5. 改「邪」歸正—比薩斜塔｜瑞祥高中99學年度小論文。http://lib.rssh.kh.edu.tw/essay/99%E5%AD%B8%E5%B9%B4%E5%BA%A6%E5%B0%8F%E8%AB%96%E6%96%87/07.pdf