基樁－建築穩固的基礎

基樁－建築穩固的基礎 (Introduction of pile foundations)
國立臺灣大學土木工程學系四年級　陳鵬元

2016 年 2 月 6 日的高雄美濃地震造成南台灣嚴重的災情損害，其中除了台南永康的維冠金龍大樓倒塌外，更有許多樓房因為土壤液化而傾斜，使行政院決定公布各縣市的土壤液化潛勢區域，而立法院更於 3 月 25 日三讀通過「災害防救法部分條文修正案」，土壤液化首度列入災害項目。

一時間，「土壤液化」這個名詞變成全國關注的話題，人人無不自危住家的安全狀況。這段時間常聽聞具有樁基礎的建築物可以不必擔心土壤液化的問題等說法，那到底什麼是樁基礎呢？為什麼有了樁基礎就可以不用擔心土壤液化的問題呢？以下我們就樁基礎承重的原理與常見的樁基礎種類做介紹。

樁基礎承重原理

建築物必須建立在穩固的地表上，但是當建築物下方的地層較為鬆軟而無法承受太多壓力或者建造超高層建築物產生較高的壓力時，我們便需要以基樁來補強，以避免建物發生沉陷（下方乘載力不足）或者是傾斜（下方乘載力不足且不均）的情況。

基樁是建置於建築物下方的條狀構造物，目的是為建築物提供可靠的向上支撐力（圖一）。樁基礎依照將載重傳遞至地層的方式可簡單區分為端支撐樁 (point bearing piles) 和摩擦樁 (friction piles)，要了解其中的差異，我們首先需要先了解基樁是如何將上部建築結構的重量傳導到地層的。

圖一 樁基礎以及建築物的沉陷與傾斜（本文作者陳鵬元繪製）

由於樁身底部的端點直接座落在其下方的地層上，因此底部的地層會直接提供其一向上的正向力 $$Q_p$$ 阻止其繼續往下移動；另一方面，樁身埋於地表以下的表面會與周圍包握著樁身的地層產生向上的摩擦力 $$Q_s$$，同樣也會阻止其繼續向下移動。

以上兩點是估算基樁乘載力的主要考量因素，一支基樁能夠乘載的重量 $$Q_u$$ 即為 $$Q_p$$ 與 $$Q_s$$ 的總和，可表示為：$$Q_u=Q_p+Q_s$$（圖二）。但需要注意的是，所計算出來的乘載力 $$Q_u$$ 並不代表該基樁真正能夠乘載的重量，基樁最大的乘載能力還是要依照其本身的材質強度與尺寸而定。

圖二 基樁承重原理（本文作者陳鵬元繪製）

當基樁的底部為堅硬的岩盤或緊實的土層時，底部的正向力 $$Q_p$$ 即能提供強而有力的乘載，此種基樁即稱為端支撐樁。其乘載力 $$Q_u$$等於正向力 $$Q_p$$和摩擦力 $$Q_s$$的和，但正向力 $$Q_p$$有時遠大於摩擦力 $$Q_s$$，故此時僅考慮正向力 $$Q_p$$即可；而基樁底部若未接觸到岩盤或緊實的土層時，其底部的正向力 $$Q_p$$ 則極小，此時基樁乘載力 $$Q_u$$ 便完全依靠摩擦力 $$Q_s$$來提供，此種基樁稱為摩擦樁（圖三）。

圖三 端支撐樁（左）與摩擦樁（右）（本文作者陳鵬元繪製）

當建築下方具有岩盤或是緊實的土層可以提供足夠的正向力 $$Q_p$$，且其深度合理（深度過深時會增加建造基樁的成本，且基樁過長將導致其結構強度不佳）時，工程師便會採用端支撐樁。但若下方缺乏岩盤或緊實的土層，亦或是理想的地層深度過深，便採用摩擦樁。

樁基礎的種類

基樁依材質一般可分為鋼樁與混凝土樁，其中鋼樁常見有鋼管樁或是 H 型鋼樁，施工的方式是將其直接打入地表預定的位置。鋼樁具有容易裁切或續接、能夠穿透較堅硬的地層（如礫石或較弱的岩層）等優點；但是其有價格較貴、不耐鏽蝕等缺點。

而混凝土樁分為預鑄混凝土樁與場鑄混凝土樁：預鑄混凝土樁是在工廠先行鑄造完成後在運送至工地打入地表，有與鋼基樁相當的乘載能力、耐鏽蝕、因為內含鋼筋故容易與上部結構銜接等優點；但有澆注完成後其難以裁切、難以運送等缺點。而場鑄則是直接將混凝土澆置於預先鑽好的洞中。具有便宜、方便施工的優點；但有強度較差、難以使混凝土填充完整等缺點。

工程師在決定基樁的形式時，必須根據預定的負載、現地土壤的性質與狀況、工程成本、地下水位等因素來考量，選擇最適用於該建案地基樁形式，下表為各式基樁的優缺點整理（表一）。

表一 基樁種類比較（本文作者陳鵬元製）

當土壤液化發生時，若 $$(1)$$ 建築物的基樁底部有接觸到岩盤或緊實的土層，或是 $$(2)$$ 基樁底部雖未接觸到岩盤或緊實的土層但長度超過液化的區域且仍能提供足夠的乘載力，則即使地表下陷，建築物仍不致沉陷或傾斜（圖四）。

以全台最高的台北 $$101$$ 大樓為例，由於台北盆地屬於鬆軟的地質，且台北 $$101$$ 又是超高樓層的建築，其底部所受的壓力極大卻缺乏足夠的乘載力。故為了建築的穩定，台北 $$101$$ 的基樁打置地表 $$50$$ 公尺下的岩盤，並再深入岩盤 $$20-30$$ 公尺，光是主建築的部分就打了 $$380$$ 支直徑 $$1.5$$ 公尺的基樁，而周邊商場則有 $$167$$ 支直徑 $$2$$ 公尺深入岩盤 $$2-3$$ 公尺的基樁。

圖四 土壤液化與基樁的關係（本文作者陳鵬元繪製）

除了基樁，現今的建築技術也可使用特別的工法來克服與防治土壤液化所帶來的損害，例如：開挖置換土壤、地盤灌漿改良、動力夯實法、擠壓砂樁工法等，皆是改良建築物的基地的方法，可降低日後土壤液化的發生率。每一件工程都會根據現地的狀態、成本等因素來考量，進而決定最適用的方法。

參考文獻

1. Das, B. (2011). Principles of foundation engineering. Cengage learning.
2. 建築與防災（五）：１０１如何抗震？｜科技大觀園。http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/feature/c/13/13/10/1/1828.htm
3. 陳銘鴻。土壤液化成因、災害與復建｜國家地震工程研究中心。http://cgsweb.moeacgs.gov.tw/Result/921/9.%E9%99%B3%E9%8A%98%E9%B4%BB.pdf