淡江大學土木工程學系碩士班碩士論文

指導教授：吳朝賢 博士

張力作用對織物開孔徑之變化及其

過濾特性之探討

The Influences of Tensile Stress on Pore Size Distribution

and Filtration Characteristics of Geotextiles

研究生：王瑞鴻 撰

中 華 民 國 95 年 6 月

誌謝

本文承蒙恩師 吳朝賢教授悉心指導，無論在做人處事、治學態度、研究方

法及論文撰寫等方面，均惠予學生多方啟發與助益，在此學生致上最高的敬意與

謝忱；兩年的研究生活，點滴事情尤如昨日，師恩浩蕩永銘我心。同時感謝 洪

勇善教授及 李維峰博士於百忙之中抽空審閱論文，對疏漏之處詳加指證並提供

寶貴意見，使得本研究得以順利進行。

論文研究期間，感謝學長柏勳、世豪、忠賢、書愷，同窗好友瀚瑱、志峰、

建伸、君平、健輝及學弟妹韋成、伊雯、俊宏、珈禾、明仁、伯翰、新翰等人在

研究期間鼓勵與支持，點點滴滴永存於心。

最後，僅將本文獻給我辛苦劬勞的父母與家人，及女友美妤在這段期間對我

無微不至的照顧、關心與付出，陪我走過這段銘心歲月，使我在研究的路上沒有

後顧之憂。僅將此論文獻給所有支持我，幫助我的師長及朋友，並與我一同分享

這份喜悅，在此致上最誠摯之謝忱。

王瑞鴻 謹識

于淡江大學土木工程研究所

中華民國 95 年 6 月

論文名稱:張力作用對織物開孔徑之變化及其過濾特性之探討 頁數:190 校(院)所組別:私立淡江大學 土木工程學系 碩士班 大地組 畢業時間及提要別:九十四學年度第二學期碩士學位論文提要 研究生:王瑞鴻 指導教授: 吳朝賢 博士 論文題要內容:

本研究使用兩種織布及兩種不織布於未伸張及張應變為 5%、10％、20％時，進

行變水頭透水速率量測、濕篩法開孔徑量測、及改良ASTM D5101之GR試驗儀；以連

續變換水力坡降進行土壤-地工織物系統坡降比試驗，以探討織物於未伸張及張應變下

之坡降比值及滲流量變化。試驗結果以織物有效開孔徑、透水速率變化、GR 值、系統

滲流量及土層滲透係數進行比較與討論。

織物開孔徑量測結果顯示，織布與不織布的開孔徑皆隨張應變之增加而增加，兩

種不同厚度及單位重的織布，其開孔徑分佈曲線有相似的趨勢，即開孔徑於織物張力

最大值之前變化較小，當伸張超過最大張力值後則有明顯增加的現象。兩種不同厚度

及單位重的不織布，由未伸張至張應變為 20％(本研究之最大張應變)之開孔徑分佈曲

線有明顯的差異，厚度較大的織物開孔徑隨張應變之增加而增大的趨勢較緩，代表織

物的開孔徑變化與厚度及單位重有關，四種織物的有效開孔徑與張應變成線性關係。

透水速率試驗結果顯示，織布與不織布的透水速率皆隨張應變之增加而增加，其

中織布在張力達最大值之前透水速率與張應變呈線性增加，超過張力最大值後則變化

較大。不織布材料的透水速率隨張應變增加呈近似線性關係增加。厚度較大的織布及

不織布透水速率試驗結果皆呈現較小的變化，主要為張力作用下開孔徑變化較小所導

致。

坡降比試驗結果顯示，相同的水力坡降下，隨張應變的增加 GR 值上升幅度有隨之

降低的趨勢，系統滲流量及土層滲透係數 k13 及 k35 有隨之增加的趨勢。相同張應變

下，GR 值、土層滲透係數 k13 及 k35隨試驗延時增加有逐漸上升的現象，系統滲流量隨

水力坡降增加有逐漸增加的現象，土層滲透係數 k13 及 k35 隨試驗延時增加有逐漸降低

的現象。

關鍵詞: 坡降比試驗、地工織物、張應變、有效開孔徑、透水速率。

Title of Thesis： Total page：190 The Influences of Tensile Stress on Pore Size Distribution and Filtration Characteristics of Geotextiles Key words：Gradient Ratio Test, Name of Institute：Graduate School of Civil Engineering, Tamkang University Graduate Data：June, 2006 Degree Conferred：Master Degree Name of Student：Ruei-Hung Wang Advisor：Dr. Cho-Sen Wu 王 瑞 鴻 吳 朝 賢 博士 Abstract：

The influences of unidirectional tensile stain on pore size distribution and filtration characteristics of geotextiles were investigated in this study. Apparatus have been designed and built for determining pore size distribution, measuring flow rate through plain geotextile, and conducting a gradient ratio test. A unidirectional strained geotextile specimen was secured by clamping a pair of steel rings on the specimen; three experiments were carried out collaborated with the clamped specimen. Four geotextiles, two nonwoven and two woven, were employed in this study. The geotextiles were stretched to 5%, 10% and 20% strains prior to installation in apparatus. The experimental results show: (1) For all tested geotextiles, linear function appears to be appropriately in describing relationship between the AOS and the tensile strain. The pore size distribution curves corresponding to 20% strain for both woven geotextiles are distant from the other three curves corresponding to lower strains. (2) There is a growth in the flow rate through the plain geotextile, which is proportional to the magnitude of the tensile strain as the strain is lower than one corresponding to the peak tensile strength. A remarkable increase in flow rate for both woven geotextiles strained at 20% strain is noted, which can be associated to the distinctive pore size distribution. Tensile strains corresponding to peak strength are 11.8% and 14.3% for woven geotextiles W1 and W2. Significantly different behavior of W1 and W2 geotextiles at 20% strain from that of the lower strains may be contributed to the over-straining of woven geotextiles. (3) Under a specific hydraulic gradient, increase of the tensile strain reduces the gradient ratio; the effect is more pronounced for nonwoven geotextiles. The stable flow rate for the system collaborated with stretched geotextile relative to the un-stretched geotextule increase with the increase of the tensile strain except for NW1 geotextile at 5% strain and i=5 condition. Keywords:Gradient ratio test, Geotextiles, Tensile strain, Apparent opening size, Flow

velocity

目 錄

I

目 錄

目錄…………………………………………………………………………. I

表目錄………………………………………………………………………. V

圖目錄………………………………………………………………………. VII

第一章 緒 論…………………………………………………………… 1

1.1 前 言………………………………………………………………. 1

1.2 研究動機與目的…………………………………………………... 2

1.3 研究方法…………………………………………………………... 2

1.4 論文組織及研究內容……………………………………………... 3

第二章 文獻回顧………………………………………………………….. 5

2.1 地工織物之開孔徑分佈…………………………………………... 5

2.1.1 土壤顆粒與織物孔徑………………………………………… 5

2.1.2 織物孔徑結構之定義………………………………………… 7

2.1.3 織物孔徑分佈之量測………………………………………… 7

2.1.4 開孔徑量測方法之比較……………………………………… 9

2.2 地工織物之水力特性……………………………………………... 10

2.3 過濾排水理論……………………………………………………... 11

2.3.1 過濾排水現象……………………………………………….... 12

2.3.2 過濾排水機制……………………………………………….... 13

目 錄

II

2.3.3 細菌及物理阻塞之行為……………………………………… 17

2.3.4 影響過濾行為之因素………………………………………… 19

2.4 過濾排水準則……………………………………………………... 19

2.4.1 滲透性準則…………………………………………………… 20

2.4.2 阻留準則……………………………………………………… 20

2.4.3 抗阻塞準則…………………………………………………… 21

2.5 地工織物過濾排水之相關研究及應用…………………………… 22

2.5.1 張應變影響土壤-織物系統過濾行為之相關研究…………… 24

2.5.2 地工織物之相關應用…………………………………………. 26

第三章 研究計畫與試驗方法…………………………………………….. 51

3.1 研究計畫…………………………………………………………... 51

3.1.1 試驗規劃……………………………………………………… 51

3.1.2 試驗項目及流程……………………………………………… 52

3.2 試驗材料之基本性質……………………………………………... 52

3.2.1 地工織物基本性質…………………………………………… 52

3.2.2 土壤材料基本性質…………………………………………… 52

3.3 試驗設備…………………………………………………………... 53

3.3.1 地工織物伸張設備…………………………………………… 53

3.3.2 地工織物透水速率試驗設備………………………………… 54

3.3.3 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備………………………… 55

3.3.4 土壤-地工織物系統過濾試驗設備………………………….. 55

目 錄

III

3.4 試驗簡介與試驗方法……………………………………………... 58

3.4.1 地工織物伸張步驟…………………………………………… 58

3.4.2 地工織物透水速率試驗步驟………………………………… 59

3.4.3 地工織物開孔徑分佈量測試驗步驟………………………… 60

3.4.4 土壤-地工織物系統過濾試驗步驟………………………….. 60

3.5 試驗結果分析方法………………………………………………... 66

3.5.1 水力坡降比之計算方法……………………………………… 66

3.5.2 土層滲透係數之定義………………………………………… 67

第四章 試驗結果分析與討論…………………………………………….. 91

4.1 織物拉伸之張力-應變關係………………………………………. 91

4.2 織物開孔徑量測試驗結果………………………………………... 93

4.2.1 織布 A………………………………………………………… 93

4.2.2 織布 B…………………………………………………………. 94

4.2.3 不織布 A……………………………………………………… 95

4.2.4 不織布 B………………………………………………………. 96

4.2.5 開孔徑量測試驗之綜合討論………………………………… 97

4.3 織物透水速率試驗結果…………………………………………... 101

4.3.1 織布…………………………………………………………… 101

4.3.2 不織布………………………………………………………... 102

4.3.3 織物透水速率量測試驗之綜合討論………………………… 103

4.4 土壤-地工織物系統之過濾試驗結果……………………………. 104

目 錄

IV

4.4.1 土壤-織布 A 系統…………………………………………….. 105

4.4.2 土壤-織布 B 系統……………………………………………... 109

4.4.3 土壤-不織布 A 系統…………………………………………. 112

4.4.4 土壤-不織布 B 系統…………………………………………... 114

4.5 綜合討論…………………………………………………………... 116

4.5.1 織物過濾試驗之系統最終試驗結果變化……………………. 117

4.5.2 土壤-織物系統過濾試驗之最終GR倍數變化………………. 121

4.5.3 土壤-織物系統過濾試驗之最終系統滲流量倍數變化……… 122

4.5.4 土壤-織物系統之最終土層滲透係數(k13＆k35)倍數變化…… 123

第五章 結論與建議………………………………………………………... 173

5.1 結論………………………………………………………………… 173

5.2 建議………………………………………………………………… 176

參考文獻……………………………………………………………………. 177

附錄一………………………………………………………………………. 185

附錄二………………………………………………………………………. 189

表 目 錄

V

表 目 錄

表 2.1 泡沫點法量測相近開孔徑之織物的過濾行為結果

(Bhatia and Smith ,1991)…………………………………………. 29

表 2.2 地工織物滲透準則(Christopher and Fischer,1992)…………........ 29

表 2.3 無因次之水力傳導係數 λp之整理表

(Williams et al , 1990 )……………………………………………. 30

表 2.4 無因次之水力傳導係數 λR之整理表

(Williams et al , 1990 )……………………………………………. 31

表 2.5 FHWA 之過濾排水、沖蝕控制之選材…………………………… 32

表 3.1 織物基本性質…………………………………………………….. 69

表 3.2 試驗土壤基本性質……………………………………………….. 70

表 3.3 分級玻璃珠粒徑一覽表………………………………………….. 70

表 4.1 織物伸張試驗之張力變化表…………………………………….. 125

表 4.2 織物開孔徑試驗結果整理……………………………………….. 125

表 4.3 織物透水速率試驗結果整理…………………………………….. 126

表 4.4 試驗結果計算之 GR 值整理……………………………………... 127

表 4.5 正規化 GR 值結果整理…………………………………………... 128

表 4.6 土壤-織布 A 過濾試驗結果整理………………………………… 129

表 4.7 土壤-織布B過濾試驗結果整理…………………………………. 130

表 4.8 土壤-不織布 A 過濾試驗結果整理……………………………… 131

表 目 錄

VI

表 4.9 土壤-不織布B過濾試驗結果整理………………………………. 132

表 4.10 土壤-織物系統過濾試驗之最終GR值倍數…………………….. 133

表 4.11 土壤-織物系統過濾試驗之最終系統流量倍數………………… 133

表 4.12 土壤-織物系統過濾試驗之最終土層滲透係數倍數…………… 134

附表 2.1 溫度校正因子…………………………………………………….. 190

圖 目 錄

VII

圖 目 錄

圖 2.1 土壤顆粒與地工織物孔隙通道示意圖………………………….. 33

圖 2.2 水銀滲入法量測之織物開孔徑分佈(Holtz and Luna ,1989)…… 33

圖 2.3 織物孔隙通道示意圖(Fischer ,1994)…………………………….. 34

圖 2.4 水力動力濕篩量測開孔徑分佈之儀器圖示(Fayoux,1977)……... 34

圖 2.4 水力動力濕篩量測開孔徑分佈之儀器圖示(續) (Fayoux,1977)... 35

圖 2.5 濕篩法試驗儀器圖示(Saathoff and Kohlhase ,1986)…………….. 35

圖 2.6 不同量測方法對針軋不織布之開孔徑分佈量測結果

(Smith ,1993)………………………………………………………. 36

圖 2.7 阻塞機制圖(Rollin et al.,1988)………………………………….... 36

圖 2.8 堵塞機制圖(Rollin et al.,1988)…………………………………… 37

圖 2.9 遮蔽機制圖(Rollin et al.,1988)…………………………………… 37

圖 2.10 土壤與地工織物界面層之階段變化(Mlynarek et al.,1991)……... 38

圖 2.11 橋式架空結構(Mlynarek et al.,1991)……………………………... 39

圖 2.12 圓拱架空結構(Mlynarek et al.,1991)……………………………... 39

圖 2.13 典型土壤與地工織物系統之過濾行為(Lawson,1982)………….. 40

圖 2.14 土壤與地工織物系統之長期滲透試驗行為(Rollin et al.,1985)… 41

圖 2.15 電子顯微鏡下細菌或微生物附著於織物纖維之情形

(Mlynarek et al.,1995)……………………………………………... 42

圖 2.16 GR值與沉泥含量關係圖(Haliburton and Wood,1982)…………... 43

圖 目 錄

VIII

圖 2.17 隨時間變化之土壤水頭變化圖(Fannin et al.,1996)……………... 43

圖 2.18 阻留準則試驗之土壤顆粒通過織物之重量(Fannin et al.,1996)... 44

圖 2.19 黏土-織物系統阻留準則適用性探討試驗設置圖(Guler,1993)…. 44

圖 2.20 系統滲透係數與織物開孔徑關係圖(Guler,1993)……………….. 45

圖 2.21 織物伸張及未伸張之流率變化圖(Fourie and Kuchena , 1995)…. 45

圖 2.21 織物伸張及未伸張之流率變化圖(續)

(Fourie and Kuchena , 1995)………………………………………. 46

圖 2.22 地工砂袋從開底式駁船內落下之示意圖(程時杰,1999)………... 46

圖 2.23 地工織物作為道路路基材料之分隔與加勁(摘自張達德,1995)... 47

圖 2.24 地工織物作為鐵路路基材料之分隔層(摘自張達德,1995)……... 48

圖 2.25 地工織物作為排水溝(管)之過濾層(摘自張達德,1995)………… 48

圖 2.26 地工織物作為堤岸底層之分離保護(摘自張達德,1995)………... 49

圖 2.27 不同水流狀況之地工織物護坡(摘自Lowson,1995)…………….. 50

圖 3.1 試驗項目…………………………………………………………... 71

圖 3.2 研究試驗流程圖…………………………………………………... 72

圖 3.3 試驗土壤之粒徑分佈曲線………………………………………... 73

圖 3.4 改繪自ASTM D4595規範之地工織物寬幅拉伸試驗示意圖…... 73

圖 3.5 織物拉伸試驗機示意圖…………………………………………... 74

圖 3.6 織物拉伸試驗機照片……………………………………………... 74

圖 3.7 地工織物透水速率試驗設備示意圖……………………………... 75

圖 3.8 地工織物透水速率試驗設備照片………………………………... 75

圖 目 錄

IX

圖 3.9 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備示意圖……………………... 76

圖 3.10 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備照片………………………... 76

圖 3.11 ASTM D5101 型式坡降比試驗透水儀示意圖…………………... 77

圖 3.12 改良之坡降比試驗整體示意圖…………………………………... 78

圖 3.13 改良之透水儀示意圖……………………………………………... 79

圖 3.14 改良之之透水儀配件照片………………………………………... 80

圖 3.15 改良之坡降比試驗整體示意圖…………………………………... 81

圖 3.16 改良之透水儀示意圖……………………………………………... 82

圖 3.17 改良之透水儀配件照片…………………………………………... 83

圖 3.18 固定地工織物的流程……………………………………………... 84

圖 3.19 地工織物伸張後之試體取樣過程照片…………………………... 85

圖 3.20 地工織物透水速率試驗流程……………………………………... 86

圖 3.21 地工織物之開孔徑量測試驗流程………………………………... 87

圖 3.22 電子顯微鏡下放大 50 倍之玻璃珠顆粒…………………………. 88

圖 3.23 地工織物之坡降比試驗流程……………………………………... 89

圖 4.1 織布 A、B 之張力與張應變關係………………………………….. 135

圖 4.2 不織布 A、B 之張力與張應變關係……………………………….. 135

圖 4.3 織布 A、B 之張應變與極限張力百分比關係…………………… 136

圖 4.4 不織布 A、B 之張應變與極限張力百分比關係………………….. 136

圖 4.5 織布A之開孔徑分佈曲線………………………………………... 137

圖 4.6 織布A有效開孔徑與張應變之關係……………………………... 137

圖 目 錄

X

圖 4.7 織布 B 之開孔徑分佈曲線………………………………………... 138

圖 4.8 織布 B 有效開孔徑與張應變之關係……………………………... 138

圖 4.9 不織布A之開孔徑分佈曲線……………………………………... 139

圖 4.10 不織布A有效開孔徑與張應變之關係…………………………... 139

圖 4.11 不織布 B 之開孔徑分佈曲線……………………………………... 140

圖 4.12 不織布 B 有效開孔徑與張應變之關係………………………….. 140

圖 4.13 顯微鏡下放大 50倍的未伸張織布照片………………………….. 141

圖 4.14 顯微鏡下放大 50 倍的伸張 5％織布照片……………………….. 141

圖 4.15 顯微鏡下放大 50倍的伸張 10％織布照片………………………. 142

圖 4.16 顯微鏡下放大 50倍的伸張 20％織布照片………………………. 142

圖 4.17 未伸張織布長條示意圖…………………………………………... 143

圖 4.18 織布長條伸張示意圖……………………………………………... 143

圖 4.19 顯微鏡下放大 50倍的未伸張不織布照片……………………….. 144

圖 4.20 顯微鏡下放大 50倍的伸張 5％不織布照片……………………... 144

圖 4.21 顯微鏡下放大 50倍的伸張 10％不織布照片……………………. 145

圖 4.22 顯微鏡下放大 50倍的伸張 20％不織布照片……………………. 145

圖 4.23 織布 A、B 透水速率與張應變之關係…………………………….. 146

圖 4.24 織布A透水速率倍數與張應變關係……………………………... 147

圖 4.25 織布 B 透水速率倍數與張應變關係……………………………... 147

圖 4.26 不織布 A、B 之透水速率與張應變之關係……………………… 148

圖 4.27 不織布 A 透水速率倍數與張應變關係………………………….. 149

圖 目 錄

XI

圖 4.28 不織布 B 透水速率倍數與張應變關係…………………………... 149

圖 4.29 土壤-織布A系統於各伸張應變下之GR值與延時關係………... 150

圖 4.30 土壤-織布A系統於各伸張應變下之流率……………………….. 151

圖 4.31 土壤-織布 A 系統於各伸張應變下之滲透係數 k13……………… 152

圖 4.32 土壤-織布 A 系統於各伸張應變下之滲透係數 k35……………… 153

圖 4.33 土壤-織布B系統於各伸張應變下之GR值與延時關係………... 154

圖 4.34 土壤-織布B系統於各伸張應變下之流率……………………….. 155

圖 4.35 土壤-織布B系統於各伸張應變下之滲透係數k13………………. 156

圖 4.36 土壤-織布B系統於各伸張應變下之滲透係數k35………………. 157

圖 4.37 土壤-不織布A系統於各伸張應變下之GR值與延時關係……... 158

圖 4.38 土壤-不織布A系統於各伸張應變下之流……………………….. 159

圖 4.39 土壤-不織布 A 系統於各伸張應變下之滲透係數 k13…………… 160

圖 4.40 土壤-不織布 A 系統於各伸張應變下之滲透係數 k35…………… 161

圖 4.41 土壤-不織布B系統於各伸張應變下之GR值與延時關係……... 162

圖 4.42 土壤-不織布B系統於各伸張應變下之流率…………………….. 163

圖 4.43 土壤-不織布B系統於各伸張應變下之滲透係數k13……………. 164

圖 4.44 土壤-不織布B系統於各伸張應變下之滲透係數k35..................... 165

圖 4.45 織布A之GR值倍數變化與張應變之關係……………………… 166

圖 4.46 織布 B之 GR值倍數變化與張應變之關係……………………… 166

圖 4.47 不織布A之GR值倍數變化與張應變之關係…………………… 167

圖 4.48 不織布 B之 GR值倍數變化與張應變之關係…………………… 167

圖 目 錄

XII

圖 4.49 織布A之最終系統流量倍數變化與伸張應變之關係…………... 168

圖 4.50 織布 B 之最終系統流量倍數變化與伸張應變之關係…………... 168

圖 4.51 不織布A之最終系統流量倍數變化與伸張應變之關係………... 169

圖 4.52 不織布 B 之最終系統流量倍數變化與伸張應變之關係………... 169

圖 4.53 織布A系統之土層滲透係數倍數變化與伸張應變之關係……... 170

圖 4.54 織布 B 系統之土層滲透係數倍數變化與伸張應變之關係……... 170

圖 4.55 不織布A系統之土層滲透係數倍數變化與伸張應變之關係…... 171

圖 4.56 不織布 B 系統之土層滲透係數倍數變化與伸張應變之關係…... 171

附圖 1.1 標尺 2校正………………………………………………………… 186

附圖 1.2 標尺 3校正………………………………………………………… 186

附圖 1.3 標尺 4校正………………………………………………………… 187

附圖 1.4 標尺 5校正………………………………………………………… 187

附圖 1.5 標尺 6校正………………………………………………………… 188

附圖 1.6 標尺 7校正………………………………………………………… 188

第一章 緒 論

1

第一章 緒 論

1.1 前言

地工織物常應用於土木工程中替代傳統土木材料，其主要功能為

過濾/排水、邊坡加勁與擋土穩定措施、河堤及港灣防蝕等。在應用上

大多偏重於過濾/排水功能，為能確認材料之過濾效能得以發揮，在織

物材料的物理性質量測方面發展出許多方法。織物開孔徑為影響過濾/

排水的主要因素，如何有效量測織物之開孔徑分佈並獲得其與過濾/排

水行為間之關係，為地工織物過濾/排水設計上重要的考量。

土壤結構常因水壓的差異而造成滲流，通常會設置過濾層讓土壤

結構內的水順利排出且得以保護土壤顆粒，地工織物因具有良好的水

力特性，已於工程上大量的使用。以地工織物作為過濾材料時，水在

土體與織物間流動的過程中，可能因土壤顆粒對織物表面開孔造成遮

蔽或阻塞於織物孔隙之中，而發生過濾系統阻塞的現象，使滲流量逐

漸降低，若阻塞情況嚴重會使濾層失去過濾排水效能，再者將造成工

程災害。

第一章 緒 論

2

土壤-地工織物系統的滲流行為是相當複雜的，大致可歸納為三大

方向討論：(1) 地工織物的基本性質(如織物種類、纖維結構、開孔徑

等)，(2) 土壤的基本性質(如優良級配、不良級配等)，(3) 過濾系統所

受到的外在條件(如外部加載、水力條件等)皆為重要的影響因素。

1.2 研究動機與目的

當土壤結構因受外在條件之影響而變形時，地工織物將可能因而

發生張應變，織物開孔徑亦可能因張應變的發生而產生變化，導致織

物濾層失去設計之效能。工程上對於織物濾層之設計，大多皆以未伸

張之有效開孔徑作為設計之依據，忽略了使用期間的織物結構變化。

本試驗對地工織物於未伸張及張應變後，進行開孔徑量測、透水速率

量測、及土壤-地工織物系統過濾試驗，以探討織物開孔徑變化對過濾

排水特性之影響。

1.3 研究方法

坡降比(GR)試驗為探討土壤-地工織物系統過濾特性之試驗，因此

本研究參考並改良 ASTM D5101 之坡降比試驗儀，以模擬現場織物於

第一章 緒 論

3

未伸張及張應變下之過濾行為，以下摘要本研究所採用的試驗方法及

流程：

1.由基本性質試驗，建立土壤及織物材料之基本性質。

2.進行織物拉伸試驗，為後續相關試驗之先前工作，並將試驗結果

作為後續相關試驗分析之參考。

3. 進行織物透水速率量測試驗，探討織物於未伸張及張應變下之透水

速率變化。

4. 進行織物開孔徑量測試驗，探討織物於未伸張及張應變下之開孔徑

變化。

5. 土壤-地工織物系統過濾試驗，探討織物於未伸張及張應變下開孔

徑之變化對過濾特性之影響。

1.4 論文組織及研究內容

本研究共分為五章，章節內容如下所述：

第一章：緒論 ; 闡述研究動機、目的及方法。

第二章：文獻回顧 ; 整理前人的織物開孔徑量測、織物水力特性、及

土壤-地工織物過濾特性之相關試驗結果。

第一章 緒 論

4

第三章：研究計畫與試驗方法 ; 對本研究進行之計畫擬定、試驗儀器

改良設計、試驗步驟及試驗結果計算方法之說明。

第四章：試驗結果分析與討論 ; 對織物於未伸張及張應變下之透水速

率試驗結果、開孔徑量測結果、過濾試驗的 GR 值變化、系

統滲流量變化、及土層滲透係數進行分析。

第五章：結論與建議 ; 歸納研究結果，並對未來研究提出建議。

第二章 文獻回顧

5

第二章 文獻回顧

本章內容分為五部份，分別為地工織物開孔徑之分佈、地工織物之

水力特性、過濾排水理論、過濾排水準則及地工織物過濾排水試驗之

相關研究。

2.1 地工織物之開孔徑分佈

2.1.1 土壤顆粒與織物孔徑

地工織物之過濾設計乃基於保留土壤及滲流量之考量，一般均對地

工織物開孔徑與土壤粒徑取比值作為保留土壤能力之準則，採用織物

於較大孔徑端之開孔尺寸作為設計之上限。

地工織物開孔徑的選擇，常依據美國材料試驗協會 ASTM (American

Society for Testing and Materials) 所定義之有效開孔徑 (Apparent

Opening Size,AOS)或相當開孔徑(Equivalent Opening Size,EOS)決定

之，有效開孔徑以符號 95O 表示，是以玻璃珠或標準砂進行乾篩法或濕

篩法試驗，於停留百分比為 95％時所對應之玻璃珠或標準砂之粒徑尺

寸。

儘管有效開孔徑常作為地工織物之過濾/排水設計，但評估織物開

第二章 文獻回顧

6

孔徑之試驗方法卻存在許多影響開孔徑尺寸之因素，說明如后：

A. 乾篩法試驗中，測試顆粒間的靜電效應將造成試驗結果之誤差。

B. 乾篩法試驗中，測試顆粒與織物之間有較大的阻力，織物孔隙極易

被顆粒所遮蔽，而導致試驗結果有較低之準確性。

C. 地工織物中的孔隙通道並非直管狀，而是彎曲且粗細變化的，當顆

粒粒徑大於地工織物孔徑時，顆粒可能因而遮蔽孔隙通道之道口處

而無法通過如圖 2.1a 所示；當顆粒小於地工織物孔隙通道之道口，

但大於地工織物孔隙通道內之最小尺寸時，顆粒會在織物孔隙通道

內部嵌住而無法通過如圖 2.1b 所示；當顆粒粒徑小於地工織物孔隙

通道之最小尺寸時，則顆粒即可順利通過織物孔隙如圖 2-1c 所示。

由於僅以某特定開孔徑大小(O9 5)考量織物之過濾行為易有缺

失，因此 Holtz and Luna(1989)以水銀滲入法量測熱熔和針軋不織布之

開孔徑分佈，發現有相同 O95的兩種不織布如圖 2.2 所示，其滲透性和

過濾行為卻不相同，因此建議以開孔徑分佈(Pore size distribution , PSD)

考量織物之過濾行較為適當。

Bhatia and Smith(1991)以泡沫點法量測織物開孔徑分佈特性的實

驗中亦發現，具有相近 FOS 值的織物，其滲透係數和阻塞程度行為

亦相差許多如表 2.1 所示。

第二章 文獻回顧

7

2.1.2 織物孔徑結構之定義

織物孔隙(Pore)，係指織物纖維結構之間的空隙，換言之，即孔

隙通道(Pore Channel)內任意深度之截面尺寸。孔隙通道係指通過織物

平面之連續空隙，水及其他物質得以經由織物孔隙通道的一端通過而

到達另一端如圖 2.3 所示。Kenney et al. (1985)，及 Gource and

Faure(1992)定義孔隙通道內之最小孔隙尺寸處為孔隙通道的隘口

(Constriction)，主要影響過濾行為的因素為孔隙通道內的隘口及土壤

顆粒尺寸，而非孔隙通道的幾何形狀。

2.1.3 織物孔徑分佈之量測

Caroll (1983)指出，利用織物最大開孔徑端，無法對土壤-織物系統

之過濾行為及阻塞勢能作完整的描述，必須以開孔徑分佈作為其評估

之依據。量測織物開孔徑分佈有許多方法，敘述如后：

A. 影像分析法(Image analysis method)

利用顯微鏡觀測顯微影像，可以獲得不同壓力下的織物開孔徑，再

由電腦輔助運算分析以獲得織物開孔徑分佈(Rollin et al.,1977；

Lombard and Rollin,1987；Faure et al.,1990)。

B. 乾篩法(Dry sieving method)

以不同粒徑之標準砂或玻璃珠，經由搖篩法以獲得織物開孔徑分佈

第二章 文獻回顧

8

(Calhoun,1972；Gerry and Raymond,1983)。

C. 水力動力濕篩法(Hydrodynamic sieving method)

Fayoux (1977)利用一組十字吊架或一組彎成 S 形之圓軸，分別於端

點吊掛濾篩，並將織物固定於濾篩底部，其織物試體尺寸最小 為

10cm×10cm，再於織物上方放置包括各種粒徑、級配良好之標準砂，

同時在十字吊架或 S 形之圓軸下方放置水槽，讓濾篩以緩慢的旋轉

速度不斷浸入水中及提離水面如圖 2.4 所示。試驗進行 24 小時，濾

網經過 2000 個週期的浸水和出水面，再將通過織物的標準砂烘乾

後，進行粒徑分析，以獲得顆粒重量百分比 95％所對應之粒徑，定

義為 95O 。

D. 濕篩法(Wet sieving method)

濕篩法與乾篩法相似(Saathoff and Kohlhase ,1986)，其試驗方法為將

篩網設備放置於搖篩機上，搖篩過程中將水噴灑於織物和測試顆粒

上如圖 2.5 所示，最後對通過織物的顆粒烘乾並進行粒徑分析，再

繪製試驗顆粒分佈曲線即可獲得 Dw，其 Dw相當於 O95。濕篩法量

測孔徑分佈試驗中，測試顆粒材料有兩種組合，敘述如后：

(a) 分級標準顆粒法

係將測試顆粒(標準砂或玻璃珠)尺寸分級後，再置入濕篩儀內進行

試驗，試驗時使用的顆粒尺寸順序為由小到大，再分別對通過織

物的顆粒進行烘乾並量測重量，之後繪製粒徑分佈曲線，由粒徑分

第二章 文獻回顧

9

佈曲線中，可獲得累積百分比為 95％時所對應之顆粒尺寸，即定義

為 Dw。

(b) 混合標準顆粒法

將各粒徑之測試顆粒材料混合，組成良好級配之粒料，置於織物試

體上方進行濕篩法量測開孔徑的試驗，再將通過織物的顆粒烘乾並

進行顆粒分析，之後繪製粒徑分佈曲線，其中累積重量百分比為 95

％時所對應之顆粒尺寸，即定義為 Dw。

E. 水銀滲入法(Mercury intrusion test)

Holtz and Lina (1989)利用非濕性流體(Non-Wetting Fluid)(如水銀)，

通過織物材料的孔隙決定開孔徑分佈。其發展理論乃是由於水銀之

表面張力會阻礙水銀通過織物較小尺寸的孔隙，經外來壓力抵抗此

阻塞的力量可測得織物孔徑。

F. 泡沫點法(Bubble point method)

泡沫點法為體積量測孔徑的方法，其原理係基於毛細管流(Capillary

flow)，當壓力達到液體在最大孔隙的毛細吸引力時，其多孔性材料

會允許液體通過，不同的壓力對應不同之孔徑大小，持續增加壓力

即可獲得對應之孔徑尺寸。

2.1.4 開孔徑量測方法之比較

第二章 文獻回顧

10

Smith(1993)針對各種孔徑分佈量測方法，包括乾篩法、水力動力

濕篩法、濕篩法、泡沫點法及水銀滲入法等試驗結果做比較如圖 2.6

所示。結果顯示，乾篩法和水銀滲入法所測得之開孔徑大於其餘三種

方法所測試之結果，其中以泡沫點法的開孔徑分佈範圍最小。而濕篩

法和水力動力濕篩法之量測方法類似，但無法如泡沫點法可量得最小

之織物開孔徑。水銀滲入法因水銀的密度大，量測時易因其重量而撐

大織物開孔徑，而影響試驗結果。

2.2 地工織物之水力特性

地工織物之水力特性主要受到製造過程的影響，如每單位體積的纖

維數目、形狀及尺寸、纖維的織法及組合方式等，皆是影響其水力特

性之因素。地工織物於工程上有不同的應用，而水流與織物的作用方

式區分為橫越織物面(Cross the plane)和穿越織物面(Through the plane)

兩種方式。規範試驗中，代表橫越織物面方式的織物水力特性者為滲

透率試驗(Permittivity Test)，而代表穿越織物面者為水力傳導試驗

(Hydraulic Transmissivity Test)。兩項試驗說明如下：

A. 滲透率ϕ (Permittivity )

美國材料試驗協會(ASTM)定義滲透率ϕ (Permittivity )作為評估

織物透水能力之指標，並定義其為水流流經織物單位厚度之織物導水

度。滲透率試驗方法一般採用定水頭試驗，計算方法如方程式(2.1)所

第二章 文獻回顧

11

示：

t tQR qR kAh T Ah t

ϕ = = =∆

(2.1)

其中

ϕ：滲透率 [ ] 1−Τ T∆ ：試驗歷時[ ]Τ

h：流經織物厚度 t之水頭損失[ ]L t：織物厚度[ ]L

k ：導水度[ ]L [ ] 1−Τ Q：流量[ ]3L

q：流率[ ]3L [ ] 1−Τ tR ：溫度校正因子

A：織物截面積[ ]2L

B. 水力傳導θ (Constant Head Hydraulic Transmissivity)

美國材料試驗協會(ASTM)以水力傳導試驗求取織物之平面導水

度，計算方法如方程式(2.2)所示：

QLWH

θ = (2.2)

其中

θ：水力傳導[ ]2L [ ] 1−Τ L：織物長[ ]L

H ：流經織物之水頭損失[ ]L W ：織物寬[ ]L

2.3 過濾排水理論

地工織物應用於過濾排水，係依土壤過濾排水之濾層設計理論發

展而來，本節將介紹土壤-地工織物過濾系統之過濾排水現象、機制、

第二章 文獻回顧

12

細菌及物理阻塞之行為及影響過濾行為之因素。

2.3.1 過濾排水現象

地工織物是作為土壤-地工織物系統濾層催化材料設計的主要對

象，如何將土壤內部水壓排除，同時使土壤顆粒達到有效的保護，不

致發生沖蝕及淘空等情形，是過濾排水系統於效能發揮的過程中兩個

相互矛盾的條件。

Rollin et al. (1988) 指出地工織物作為過濾材時，土壤顆粒會因水

流的帶動而產生三種現象，敘述如后：

A. 阻塞(Clogging）

當土壤顆粒小於織物孔徑時，受到水流帶動進入織物纖維結構而受

阻無法順利通過時，織物濾層將發生阻塞現象如圖 2.7 所示。而阻

塞程度與阻塞區(clogging site)數目、細顆粒停留於織物的數量、水

流於孔隙內的流速等因素有關。

B. 堵塞（Blocking）

當土壤顆粒比織物孔徑略大或相當時，因受水流帶動而嵌於織物表

層，使得水流無法順利通過織物而排出，此時即會發生堵塞的現象

如圖 2.8 所示。此現象通常發生於較薄的織物或熱熔不織布。

C. 遮蔽(Blinding)

第二章 文獻回顧

13

土壤-地工織物系統過濾行為中，因粗顆粒土壤受到較小的織物孔

徑阻留而減少土壤通過織物的路徑，導致於粗顆粒後方細顆粒逐漸

累積而形成一低滲透性的薄層(impervious layer)；此外細顆粒受水

流帶動，逐漸填充於土壤中的疏鬆孔隙結構，使局部滲透性降低，

此種現象容易發生於較薄的織物，稱之為遮蔽如圖 2.9 所示。

2.3.2 過濾排水機制

Mlynarek et al. (1991)將土壤-地工織物系統之過濾行為分為三個模

式，分別為(1)地工織物上層土壤形成自發性過濾層而使與土壤本身結

構穩定。(2)細顆粒土壤繼續流失。(3)建立僅少許土壤顆粒流失的穩定

土壤濾層。

並將土壤-地工織物之界面濾層隨著時間的增加，定義了五個變化

階段如圖 2.10 所示，分別為(1)土壤顆粒的遷動(Migration of particles)。

(2)細顆粒土壤的流失(Loss of fine particles)。(3)土壤與織物之間完成濾

層的形成(Filter cake build-up)。(4)土壤顆粒阻塞於織物纖維結構之孔隙

內(Trapping of particles inside the geotextile )。(5)土壤-地工織物過濾系

統成為穩定系統(System Stabilization)。

一般土壤-地工織物之界面，經過 24 小時試驗後會形成穩定的過濾

系統，試驗初期與最終系統流量相近。穩定的過濾層需於適當的織物

開孔徑與土壤粒徑分佈條件下方得以形成。若織物開孔徑與土壤粒徑

第二章 文獻回顧

14

分佈為不當組合，則易產生下列兩項缺失(吳朝賢,1990)：

A. 織物開孔徑過大導致土壤顆粒的過度流失

土壤-地工織物介面濾層的形成過程，部分細小的土粒壤隨水流通過

織物而流失，即土壤的粒徑分佈直接影響顆粒流失的程度。土壤的

均勻係數(Coefficient of Uniformity)、平均粒徑作為過濾排水設計

時，織物選擇的重要考量因素，限制開孔徑的最大尺寸以防止土壤

顆粒流失此為土壤的阻留準則。均勻級配及越級配土壤最容易產生

土粒過度流失，其中均勻級配土壤容易發生某粒徑範圍內土粒的嚴

重流失，即土體的內部沖刷(Internal Erosion)，導致土壤內部孔隙增

加且形成紊流而破壞土壤結構。越級配土壤則容易發生細粒土壤的

流失，但由於僅流失細顆粒的部分，由粗顆粒所形成之架構仍然保

持相當的穩定性，故其不穩定性較內部沖刷破壞者為小，但越級配

土壤中的細料極易於織物前形成一低滲透性之遮蔽層。

B. 織物孔徑太過小而產生嚴重的阻塞或遮蔽

土壤-地工織物界面濾層形成過程中，部分土粒受阻於織物前方，其

中粒徑較小的土粒隨水流進入織物並停留於孔隙中或通過織物而

流失，較大粒徑的土粒則可能遮蔽開孔徑表面。當土壤粒徑分佈與

織物開孔徑之組合不適時，則遮蔽現象更為明顯，並導致一低滲透

性的土層堆積於織物表面。若土壤粒徑與織物開孔徑相當時，可能

停留於織物孔徑間形成阻塞現象。地工織物的過濾排水設施幾乎均

第二章 文獻回顧

15

存在輕微程度的阻塞、堵塞或遮蔽現象，但嚴重的阻塞或遮蔽將使

土體內之孔隙水壓蓄積造成有效應力降低，進而導致整個過濾系統

喪失原設計功能。

土壤-地工織物為適當之組合時，其過濾機制分為以下兩種架構：

A. 橋式架空結構（Bridge Network Formation）

土壤-地工織物界面附近的土壤，於排水初期經水流沖刷，土粒可能

停留或通過織物孔隙，較大的顆粒被帶到織物表面，形成橋式架空

結構。此類結構為依序阻擋前方之次小顆粒，形成一穩定之土壤濾

層，防止細粒土壤過度的流失如圖 2.11 所示。

B. 圓拱架空結構（Vault Network Formation）

凝聚性土壤通常呈現此類結構，由於土壤顆粒和織物纖維表層之交

錯，使得凝聚性土壤顆粒與織物纖維表層之交界行成圓拱形之自由

纖維緩衝層(Free Fiber Buffer Layer)，阻止比織物孔徑小之土壤進入

或通過織物如圖 2.12 所示。

上述兩種結構，經土壤顆粒結構重組，會逐漸達成穩定狀態，細

粒土壤亦因而不易流失，此種現象與傳統的級配料濾層行為十分相似。

Lawson(1982)以系統滲透係數及因管湧現象所造成的土粒流失

量，說明典型的土壤-地工織物系統過濾行為如圖 2.13 所示，並提出兩

第二章 文獻回顧

16

項準則敘述如后：

A. 準則 (CriterⅠ ia- )Ⅰ

試驗初期，土壤-地工織物系統由於遮蔽、阻塞及管湧等現象，導致

系統滲透係數不穩定，此時過濾層亦正逐漸形成。之後隨時間增

加，滲透係數逐漸達平衡狀態，此時土壤濾層即形成。

B. 準則 (CriteriaⅡ - )Ⅱ

試驗初期，由於土壤細顆粒流失，造成土壤-地工織物系統不穩定，

但由於濾層隨時間增加而逐漸形成，當滲透係數達平衡狀態時，此

時細粒土壤不再有流失的現象，即過濾層己形成。

Rollin et al. (1985)根據長期試驗結果，提出三種土壤-地工織物系

統最可能發生之過濾行為類型如圖 2.14 所示敘述如后：

A. 類型 I (Type-I)

試驗初期，土壤-地工織物系統產生阻塞或遮蔽現象，之後隨時間增

加，則系統漸趨於穩定且滲透係數逐漸趨近於定值，此屬正常過濾

行為。

B. 類型 II (Type-II)

試驗初期，由於管湧現象的發生，導致細粒土壤大量流失且孔隙增

加，此時織物內部阻塞減少，系統滲透係數隨之增加。

第二章 文獻回顧

17

C. 類型 III (Type-III)

類型 III 為類型 I 及類型 II 之組合，試驗初期系統產生阻塞或遮蔽

現象，導致系統滲透係數降低；之後發生管湧現象，使系統滲透係

數逐漸上升。之後隨時間增加，阻塞或遮蔽效應逐漸產生，導致系

統滲透係數隨之降低直到達到平衡狀態。此時，表示土壤-地工織物

系統之濾層己形成。

2.3.3 細菌及物理阻塞之行為

Rollin et al. (1988)提出長期水流阻塞的原因有細顆粒土壤受阻於

織物纖維結構內、鐵氧化反應、碳酸鹽和硫酸鹽沈澱物及微生物滋長

等。其中鐵氧化反應、碳酸鹽和硫酸鹽沈澱物及生物滋長與滲流水及

土壤之物理、化學性質有關，並非因土壤級配及織物開孔徑之特性，

而導致影響土壤-地工織物之過濾排水行為。以下分別說明細菌及物理

阻塞現象。

A. 細菌阻塞現象

現地滲流時水並非為完全純淨水狀態，經常暴露於微生物、有機或

無機物質及固體沈積物的環境中，適合厭氧或好氧細菌的生長。滲

流水流經土壤-地工織物系統時含大量微生物及細菌，其可能生長於

織物表面或內部而妨礙水流的通過，直接影響地工織物之滲透面積

範圍如圖 2.15 所示。

Otis et al. (1977)發現微生物利用織物表面結合更多微生物且堆積

第二章 文獻回顧

18

於其上方，像為濾層覆上一堅硬外殼(Crust)。此現象若發生於濾層

系統開始試驗之前，則一天然生化濾層(Natural biological filter)即已

建立，最後生化濾層將佔據整個地工織物開孔，導致濾層系統因細

菌阻塞而失敗。一般織物開孔徑越大，細菌阻塞情況越不明顯。

Chin et al. (1994)以相同土壤及不同不織布試驗發現，隨著時間增

加，過濾系統滲透係數會因細菌或微生物之阻塞大幅降低，但加入

溴液體或漂白水於透水儀軸室時，則系統滲透係數將隨著滲流時間

增加而有部份逐漸回復的現象。

B. 物理阻塞現象

物理阻塞(Physical Blinding)發生原因為，隨滲流試驗時間的增加，

具高凝聚性的黏土逐漸膠結成塊狀，導致孔隙體積減小，使得滲流

水不易通過。此情況通常發生於最上層土壤，故稱為表面阻塞

(Surface Clogging)。隨著滲流時間增加，此種物理阻塞或表面阻塞

現象會漸趨於穩定。

Shi et al. (1994)根據試驗結果指出，由於物理阻塞作用，隨著時間

之增加可能會導致各土層之滲透係數明顯降低。其原因為黏土中黏

泥的作用使得水中微生物活躍，進而使得孔隙體積減少，滲流水難

以通過土壤孔隙，導致土層滲透性降低。若過濾試驗中加入漂白水

後，發現各層土壤滲透係數並不再隨滲流時間之增加而降低，顯示

第二章 文獻回顧

19

漂白水有抑制物理阻塞之作用。

2.3.4 影響過濾行為之因素

William and Abouzakhm(1989)歸納出五項影響土壤織物過濾系統

的因素，分別為(1)土壤性質(2)地工織物之物理及力學特性(3)水力特性

(4)外部作用力對土壤織物系統所產生的應變(5)織物內部結構特性、微

生物存在、排水品質等。

2.4 過濾排水準則

地工織物之過濾排水設計，須選擇符合滲透性與保留土壤顆粒的

過濾材料，其目的是為了能讓水流自由通過織物並使土壤自然形成一

有效過濾層。因此欲達成功之織物過濾設計目的，必須符合以下四項

條件：

A. 保留大多數的土壤顆粒，減少土壤顆粒移動而破壞其結構，此即阻

留準則。

B. 過濾層之滲透能力必須夠高，以確保水流得以順利通過土壤-織物系

統，並防止過大的水壓力產生，此即滲透性準則。

C. 有充分大小的織物孔徑，足以讓微小土壤顆粒移動，使其通過織物

而不妨礙水流。

D. 設計年限內提供充分的強度和耐久性。

第二章 文獻回顧

20

2.4.1 滲透性準則

提供土壤-地工織物過濾系統有足夠的水流能力，防止過大的孔隙

水壓力於土壤織物界面產生，乃滲透性準則之要求。地工織物厚度相

對於土壤較薄，導致對於土壤-織物系統的滲透性設計有多種理念。

Christopher and Fischer(1992)對於重要的工程應用及各種水力條件與現

場環境等之建議如表 2.2 所示。

2.4.2 阻留準則

濾層設計時，地工織物阻留大部份的土壤顆粒乃為主要功能之

一，其目的乃避免細粒土壤的過度流失，因此選擇織物時，其開孔徑

不宜過大。地工織物之阻留準則可由方程式(2.3)表示如下：

95 85RO Dλ< (2.3)

其中

95O ：織物之有效開孔徑

Rλ ：阻留係數

85D ：通過 85％土壤重量之粒徑

關於 pλ 與 Rλ 兩個係數之選取，Giroud(1982)曾作相關研究，另外，

美國聯邦公路總署( U.S. Federal Highway Administration；FHWA )、法

國地工織物與地工薄膜委員會( French Committee on Geotextile and

Geomembrance；CFGG )亦有所規定，經過 Wiliams and Luettich (1990)

第二章 文獻回顧

21

整理後如表 2.3 與表 2.4 所示。

2.4.3 抗阻塞準則

地工織物之過濾排水設計，除考慮滲透性準則及阻留準則外，織

物的阻塞行為亦須謹慎考量。阻塞發生時，織物滲透性會逐漸降低，

進而影響過濾排水能力而無法達原設計之要求。Haliburton (1982) 認為

必須同時考慮排水、保留土壤和抗阻塞三項要求，方為理想之過濾排

水設計。

水力坡降比試驗最常用於評估織物阻塞潛能 ( Calhoun ,1972；U.S

Army COD, 1977；Haliburton and Wood, 1982；ASTM, 1995) 。Haliburton

and Wood (1982) 於坡降比試驗中，以標準砂添加沉泥質土壤進行 GR

試驗，用來模擬惡劣土壤之狀況，六塊織物(包括四塊織布、兩塊不織

布)中，顯示土壤與織物間的過濾排水結果如圖 2.16 所示，說明如后：

A. 當GR值未達 3時，GR值會隨著土壤試體之沉泥含量增加緩慢上升。

B. 當 GR 值超過 3 時，其 GR 值的變化會隨著沉泥質的含量增加有急

遽上升的現象如。因此美國陸軍工兵署即以 GR 小於 3 作為織物過

濾系統抗阻塞能力之評估指標。

C. 當 GR 值大於 3 時即推論該過濾系統的抗阻塞潛能不良，織物已被

土壤顆粒所阻塞。

ASTM (1995) 將 GR 試驗之 GR 值以 1.0 作為指標，並分為以下三

第二章 文獻回顧

22

種情況：

A. 當 GR>1.0 時，顯示其過濾系統有遮蔽或阻塞的現象發生。

B. 當 GR=1.0 時，表示其系統之內部是為穩定。

C. 當 GR

第二章 文獻回顧

23

態時，會讓可移動之土壤顆粒在短時間內向織物移動，土壤顆粒向織

物移動的行為，將直接反應織物阻塞或排水順暢的現象。然而，可移

動之土壤顆粒，很可能於土體中的疏鬆孔隙結構就有逐漸阻塞的現

象，因此影響 GR 值的原因有織物發生阻塞、土壤顆粒對織物產生遮

蔽效應，或為上述兩種情況之組合。

Fannin et al. (1996)以坡降比試驗進行 10 種土壤和 4 種地工織物組

合的試驗，其中包括四種均勻級配土壤(1< uC

第二章 文獻回顧

24

試驗儀器設置圖，織物上方為飽和黏土，下方為級配礫石，使用材料

為三種黏土及六種織布。試驗開始時，記錄滴管內初始水位高度 1h 並記

錄試驗歷時，試驗結束時記錄水位高度 2h ，以計算系統滲透係數。第

一次試驗結束後，解下試體將織物取出，以室溫烘乾兩天後，繼續重

覆試驗。試驗結果顯示，織物經過烘乾後，其系統滲透係數會隨時間

增加而繼續減少，由圖 2.20 發現各黏土系統滲透係數於某範圍內與織

物開孔徑成線性關係，且其最大滲透係數小於在沒有地工織物作用下

本身之透水滲透係數，表示阻留準則對於此黏土-地工織物系統不會發

生問題，即使織物有較大的開孔徑，仍然可阻留住凝聚性土壤，而不

會因細顆粒的過度流失，造成系統滲透係數持續增加。

2.5.1 張應變影響土壤-織物系統過濾行為之相關研究

一般實驗室試驗探討土壤-地工織物系統的滲透性及顆粒阻留特

性，皆於無應力作用狀態下完成。但有部份工程中地工織物平面承受

了正向應力，造成地工織物出平面的變形，然而目前有關於地工織物

於張應力作用影響的相關研究極為稀少，因此 Fourie and Kuchena (1995)

分別針對織布及不織布，進行地工織物的平面單軸伸張與多軸伸張兩

種模式，探討其伸張後與未伸張的過濾行為變化，其中織布部份，分

為未伸張和伸張至 0.13％、0.25％及 0.50％的極限張力強度，不織布部

份，分為未伸張和伸張至 0.74％、1.48％及 2.20％的極限張力強度。

第二章 文獻回顧

25

結果顯示，出平面的多軸伸張應力作用下，土壤顆粒通過地工織

物的數量遠多於未伸張的地工織物，而平面單軸伸張應力作用與無伸

張應力作用的織物相較之下，單軸伸張的滲透性卻有土壤顆粒通過率

較低的情形。流率變化如圖 2.21 所示，無論織布或不織布，只需增加

很小的伸張應力，其流率即有明顯減少的趨勢。比較未伸張與平面單

軸伸張應力作用下織物的流率，作用不到 3％的極限張應力，即會減低

流率約 80％以上，對於此情形是否為織物開孔徑所影響，Fourie and

Kuchena 認為需以 Mlynarek et al.(1993)所提出之水力動力濕篩法來加

以確認。

Fourie and Addis (1997)使用四個大直徑的圓柱濾篩，以水力動力濕

篩法進行織物伸張後的開孔徑分佈量測，測試顆粒為玻璃珠，伸張方

式分為平面單軸伸張與平面雙軸伸張，織物材料分別為由聚丙烯製造

的織布及針軋不織布。結果顯示，織布及不織布皆會隨張力作用而減

小織物開孔徑尺寸，此現象尤其以織布更為明顯。對於平面等載重的

雙軸伸張而言，只需 8％的極限張力強度，即會降低 28％的織物開孔

徑尺寸，所以 Fourie and Addis(1997)認為織物於平面張力載重作用的情

況下，在過濾行為中，不太可能發生顆粒通過織物而流失的現象，即

伸張後的織物較未伸張情況容易發生系統阻塞及織物開孔被遮蔽的現

象。

Fourie and Addis (1999)對織布於伸張應力作用下，探討其過濾開孔

第二章 文獻回顧

26

徑的變化，Fourie and Addis (1995,1997)指出，織布於張應力作用下，

會明顯減少開孔徑尺寸。對於非相等載重的雙軸伸張作用下，其阻留

玻璃珠的程度比相等載重作用下的雙軸伸張嚴重。然而在厚度較薄的

織物中卻出現了相反的結果，當進行織物雙軸伸張試驗，伸張至 11％

的極限張力時，發現開孔徑尺寸卻隨著張力載重的作用而增加，對於

此結果，到目前為止無法掌握其原因為何，但可歸因為特殊案例或為

織物纖維所影響。

2.5.2 地工織物之相關應用

程時杰(1999)說明美國地工合成材料中心(GSI)在地工砂腸管及地

工砂袋的研發成果，地工砂腸管及地工砂袋於工程上的使用有不斷增

加的趨勢，此類結構係用於臨時性或永久性之碎波堤、圍堤及丁壩等。

使用上至少有兩方面的好處。第一、因裝設簡易且快速，每天工作長

度可達數百英呎。第二、因價格低廉，主要工程費用多在於施工上。

地工砂腸管及地工砂袋並無明顯差異，均為裝置浚渫泥用，其不同點

在於施放時，地工砂腸管是在工程現場定位後利用幫浦灌入泥漿。地

工砂袋則使用開底式駁船，將砂袋置於駁船內，裝入泥土後縫合成為

砂袋，之後運送至定點再沈入其預定位置。

如何使地工砂袋有效的由駁船內落下是一值得研究的課題，美國

陸軍工兵署曾以數值方法探討地工砂袋落體時之受力情形，圖 2.22 為

第二章 文獻回顧

27

砂袋從開底式駁船內落下時之示意圖，其最大應變發生於駁船開口時

而非砂袋撞底時，從船底開始開口至地工砂袋完全落出約需 60 秒，最

大應變在砂袋完全離開船底前 5 至 6 秒時發生(圖 2.22c)，其值為 8％至

12％，至於撞底時之應變僅 3％至 4％。

大地工程之填土、道路、河海護堤及相關工程中，經常遭遇管湧

(Piping)、滲流(Seepage)甚至土壤軟化的現象(Soften)，使土壤淘空以致

於工程失敗。為瞭解並防止此現象的發生，需防止土壤受到水流流動

影響，其解決原則為一方面使水順利排出，另一方面同時要保留土壤

顆粒，利用地工織物良好的水力特性，得以達成以上兩項要求。

地工織物於大地工程上典型的應用，如圖 2.23 作為道路路基分隔

層使用，在道路工程中使用礫石作為道路最底層時，將地工織物鋪設

於表土層與礫石之間，主要為分隔作用，使礫石不至陷入表土，使成

為穩定的路面結構。

圖 2.24 為作鐵路路基分隔層使用，於鐵路路基中，動力載重經鐵

軌通過枕木傳遞至碎石層，再傳入地面，由於在結冰融化後及暴雨對

路面的作用，使礫石下沈，枕木懸空，碎石層的承載能力即會大幅下

降。為防止此情形發生，可以地工織物鋪設於路面作為分隔層，再鋪

設路基保護層(如碎石材料)作為保護。

第二章 文獻回顧

28

圖 2.25 為以地工織物包覆排水管，作為過濾層和排水層，具有防

止水管淤積之功效。圖 2.26 為地工織物於堤岸保護之應用，防止堤岸

土壤被嚴重沖刷。

依據現地不同水流狀況，地工織物之過濾及排水現象可概分為下

列如圖 2.27 的三種情況：

1. 穩定之單向水流：使用於土壤的過濾排水過濾層。

2. 週期較長的雙向水流：使用於受潮汐水位及水位上升影響的海岸及

河岸過濾層。

3. 週期較短的雙向水流：使用於道路及鐵路碎石下的濾層，或是船行

經過產生波浪使堤岸瞬間產生水位落差。

在單向水流條件下，地工織物並非直接作為過濾材料，而是作為

一形成穩定過濾層之催化材料。於週期較長的雙向水流過濾情況下，

因受到水流反覆沖刷而形成效率較差的過濾層；另外，在週期較短的

雙向水流因瞬間擾動破壞，則幾乎不可能形成穩定的過濾層，故此類

過濾系統須同時使用礫石級配濾層以防止破壞。

第二章 文獻回顧

29

表 2.1 泡沫點法量測相近開孔徑之織物的過濾行為結果

(摘自 Bhatia and Smith ,1991)

Geotextile

Identification

FOS

(mm)

Ψ

(sec-1)

kg

(cm/sec)

Pore Volume

Clogged

(%)

Soil Piped

(g/cm2)

C 0.103 1.40 0.39 0 - 80 0.05

F 0.105 1.97 0.20 30 0.03 – 0.10

K 0.110 0.80 0.03 5 0.20 – 0.27

N 0.105 1.33 0.38 25 0.05

表 2.2 地工織物滲透準則(摘自 Christopher and Fischer,1992) 來源 準則 適用

Giroud(1982) Kg≥0.1Ks 不含安全係數

FHWA-非臨界/非嚴峻條

件及其他 Kg≥Ks

使用於穩定水流、非臨界及非

嚴峻條件環境

FHWA-臨界及嚴峻條件 Kg≥10Ks 使用於臨界及嚴峻條件土壤

或動態水力環境

法國地工織布與地工不

透水布協會

(CFGG)(1986)

ψ≥105 Ks

ψ≥104 Ks

ψ≥103 Ks

具高風險之結構(如土壩)

其他結構(排水渠道，邊坡及

土堤之排水)

淨沙(等砂顆粒>60，小於

80µm 之顆粒

第二章 文獻回顧

30

Kg =織物的滲透係數(m/sec)

Ks =土壤的滲透係數(m/sec)

ψ = 織物的正向透水率(sec-1)[=織物的正向滲透係數 Kg (m/sec)/織物

的厚度 t(m)]

表 2.3 無因次之水力傳導係數 λp之整理表

( 摘自 Williams et al , 1990 )

Source λp Applicability Giroud(1982) 0.1 Giroud(1988) is

1 Small gradients and stable soils FHWA

10 Large gradients and unstable soils 103tg Small gradients and clean soils 104tg Small gradients and low-permeability CFGG

105tg High gradients and critical structure

tg：地工織物厚度( m )

is：土壤之水力坡降

第二章 文獻回顧

31

表 2.4 無因次之水力傳導係數 λR之整理表

(摘自 Williams et al , 1990 )

Source Soil Destribution λR

1 < Cu < 3 Cu0.3 Loose Soil

Cu > 3 2Cu0.3

1 < Cu < 3 9Cu-0.7 Giroud(1982)

Dense Soil Cu > 3 18Cu-0.7

1 < Cu < 2 1.0

2 < Cu < 4 0.5Cu

4 < Cu < 8 0.125Cu FHWA(1985) All Soil

Cu > 8 1.0

i < 5 0.64

5 < i < 20 0.51 1 < Cu 4

20< i < 40 0.48

i < 5 1.00

5 < i < 20 0.80 1 < Cu <

4 20< i < 40 0.60

i < 5 1.25

5 < i < 20 1.00

CFGG(1986)

Dense

Confined

Cu > 4

20< i < 40 0.75

第二章 文獻回顧

32

Cu：均勻係數

i：水力坡降

λR：阻流係數

表 2.5 摘自 FHWA 之過濾排水、沖蝕控制之選材

土壤狀況 穩定水流 動態、循環水

流

(AOS)O95 ≤ Bd85 B=1 Cu≤2 或 Cu≥8

B=0.5Cu 2 < Cu ≤ 4

≤ 50 %通過 No.200

篩 B=8 / Cu 4 < Cu < 8

O95 ≤ d85 或

O50 ≤ 0.5 d85

織布 O95 ≤ d85

不織布 O95 ≤ 1.8 d85 > 50 %通過 No.200

篩 其他

AOS ≥ No.50

篩

O50 ≤ 0.5 d85

此準則需注意兩點要求：

(1)地工織物之選材，依據規範要求選用開孔徑最大者為主。

(2)土壤含有大於 1 in 之顆粒時，粒徑分佈曲線僅取小於 No.4 篩

之土壤。

第二章 文獻回顧

33

圖 2.1 土壤顆粒與地工織物孔隙通道示意圖

圖 2.2 水銀滲入法量測之織物開孔徑分佈(摘自 Holtz and Luna ,1989)

第二章 文獻回顧

34

圖 2.3 織物孔隙通道示意圖(摘自 Fischer ,1994)

(a)

圖 2.4 水力動力濕篩量測開孔徑分佈之儀器圖示

(改繪自 Fayoux,1977)

第二章 文獻回顧

35

(b)

圖 2.4 水力動力濕篩量測開孔徑分佈之儀器圖示(續)

(改繪自 Fayoux,1977)

圖 2.5 濕篩法試驗儀器圖示

(改繪自 Saathoff and Kohlhase ,1986)

第二章 文獻回顧

36

圖 2.6 不同量測方法對針軋不織布之開孔徑分佈量測結果

(摘自 Smith ,1993)

圖 2.7 阻塞機制圖(摘自 Rollin et al.，1988)

第二章 文獻回顧

37

圖 2.8 堵塞機制圖(摘自 Rollin et al.,1988)

圖 2.9 遮蔽機制圖(摘自 Rollin et al.,1988)

第二章 文獻回顧

38

圖 2.10 土壤與地工織物界面層之階段變化

(摘自 Mlynarek et al.,1991)

第二章 文獻回顧

39

圖 2.11 橋式架空結構（Bridge Network Formation）

(摘自 Mlynarek et al.,1991)

圖 2.12 圓拱架空結構（Vault Network Formation）

(摘自 Mlynarek et al.,1991)

第二章 文獻回顧

40

圖 2.13 典型土壤與地工織物系統之過濾行為(摘自 Lawson,1982)

第二章 文獻回顧

41

圖 2.14 土壤與地工織物系統之長期滲透試驗行為

(摘自 Rollin et al.,1985)

第二章 文獻回顧

42

圖 2.15 電子顯微鏡下細菌或微生物

附著於織物纖維之情形 (摘自 Mlynarek et al.,1995)

第二章 文獻回顧

43

圖 2.16 GR 值與沉泥含量關係圖(改繪自 Haliburton and Wood,1982)

圖 2.17 隨時間變化之土壤水頭變化圖 (摘自 Fannin et al.,1996)

第二章 文獻回顧

44

圖 2.18 阻留準則試驗之土壤顆粒通過織物之重量

(摘自 Fannin et al.,1996)

圖 2.19 黏土-織物系統阻留準則適用性探討試驗設置圖

(摘自..

G uler ,1993)

第二章 文獻回顧

45

圖 2.20 系統滲透係數與織物開孔徑關係圖

(摘自..

G uler ,1993)

(a) 織布

圖 2.21 織物伸張及未伸張之流率變化圖

(摘自 Fourie and Kuchena , 1995)

第二章 文獻回顧

46

(b) 不織布

圖 2.21 織物伸張及未伸張之流率變化圖(續)

(摘自 Fourie and Kuchena , 1995)

圖 2.22 地工砂袋從開底式駁船內落下之示意圖 (摘自程時杰,1999)

第二章 文獻回顧

47

(a)

(b)

圖 2.23 地工織物作為道路路基材料之分隔與加勁(摘自張達德, 1995)

第二章 文獻回顧

48

圖 2.24 地工織物作為鐵路路基材料之分隔層(摘自張達德, 1995)

圖 2.25 地工織物作為排水溝(管)之過濾層(摘自張達德, 1995)

第二章 文獻回顧

49

圖 2.26 地工織物作為堤岸底層之分離保護(摘自張達德, 1995)

第二章 文獻回顧

50

圖 2.27 不同水流狀況之地工織物護坡(摘自 Lawson,1993)

第三章 研究計畫與試驗方法

51

第三章 研究計畫與試驗方法

3.1 研究計畫

本研究內容包含四部分，分別為地工織物伸張試驗、伸張及未伸

張之地工織物透水速率試驗、伸張及未伸張之地工織物開孔徑量測、

及織物與土壤所形成之過濾系統的單向水流過濾試驗，內容如以下各

節說明。

3.1.1 試驗規劃

本研究目的在探討織物伸張對過濾行為之影響，藉由土壤-地工織

物系統的單向水流過濾試驗進行，並以織物於伸張及未伸張下之有效

開孔徑作為其過濾行為影響的指標。對所採用四種織物的試驗過程

中，為探討水頭對系統過濾行為的影響，吾人定義水力坡降等於 1、5、

及 10 為低水頭、中等水頭、及高水頭等，各試驗皆在三種不同從低至

高的水力坡降下進行，各水頭試驗之歷時為待系統水流穩定後，方進

行次水力坡降階段之過濾試驗。

第三章 研究計畫與試驗方法

52

3.1.2 試驗項目及流程

試驗進行之項目及流程如圖 3.1 及圖 3.2 所示：

3.2 試驗材料之基本性質

3.2.1 地工織物基本性質

本試驗所使用之織物為兩種織布 (Woven) 及兩種不織 布

(Nonwoven)，織布材料成份為聚丙烯加碳黑，經加工處理為切膜長條

後再以圓織機製造，其最大張力強度分別為 23kN/m 及 44.1kN/m，本

文以織布 A 及織布 B 表示之。不織布製造方式為化學黏合，本文以不

織布 A 及不織布 B 表示之。製造廠商所提供之織物基本性質如表 3.1

所示。

3.2.2 土壤材料基本性質

試驗所用之土壤，係由產自越南金蘭灣的 No.315 石英砂，和宜蘭

的 No.9 矽砂及石門水庫淤泥配比而成，其比重為 Gs=2.6。為瞭解土壤

粒徑範圍並準確控制土壤試體配比，故需進行土壤顆粒分析，分析步

第三章 研究計畫與試驗方法

53

驟如下所述：

(1) 將 No.315 石英砂及 No.9 矽砂以自來水洗淨。

(2) 洗淨後之No.315石英砂及No.9矽砂，連同石門水庫淤泥以溫度 105

度持續烘乾 24 小時。

(3) 烘乾後，No.315 石英砂及 No.9 矽砂進行篩分析，而為減少淤泥產

生土壤顆粒膠結的情形，以比重 Gsw=1.023 的洗衣粉溶液作為分散

劑進行比重計分析試驗。

(4)以 No.315 石英砂 600 公克，No.9 矽砂 600 公克，及石門水庫淤泥

170 公克為配比比例，混合後拌合均勻，調配成細粒料含量為 14％

之配比土壤，其粒徑分佈曲線及土壤基本性質分別如圖 3.3 及表 3.2

所示。

3.3 試驗設備

本試驗包含四項設備，為織物伸張、透水率試驗、開孔徑量測及

土壤-地工織物過濾試驗等設備，分別敘述如后：

3.3.1 地工織物伸張設備

第三章 研究計畫與試驗方法

54

本試驗係依據 ASTM D4595 規範織物寬幅拉伸法，進行織物拉伸

(如圖 3.4)，作為伸張地工織物之透水速率試驗、開孔徑分佈量測試驗、

及土壤-地工織物系統過濾試驗的先前工作。試驗儀器設備如圖 3.5 及

圖 3.6 所示，其中包括：

(1).上夾具 (5).底座

(2).下夾具 (6).數據量測電腦主機

(3).承壓橫桿 (7).供電箱

(4).荷重元

3.3.2 地工織物透水速率試驗設備

本試驗係以 ASTM D4491 規範為依據，改以變水頭方式對伸張及

未伸張之織物進行透水速率試驗，其儀器設備如圖 3.7 及圖 3.8 所示，

包括有：

(1).內徑 10 公分，高度 35 公分之壓克力透水管

(2).內徑 10 公分，厚度 2 公分之不鏽鋼質的地工織物伸張固定環

(3).儲水槽

第三章 研究計畫與試驗方法

55

(4).固定高程橫板

(5).五公升量筒

3.3.3 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備

本試驗係以 ASTM D4751 乾篩法試驗為依據，改以濕篩法試驗量

測伸張及未伸張織物的開孔徑分佈，儀器設備如圖 3.9 及圖 3.10 所示，

其中包括：

(1).分級之玻璃珠 (6).內徑 10 公分的下壓克力透水

(2).搖篩機 管

(3).精度為 1/100 之電子秤 (7).內徑 10 公分，厚度 2 公分

(4).灑水噴頭 之不鏽鋼伸張固定環

(5).內徑 10 公分的上壓克力透水管 (8).玻璃珠回收筒

3.3.4 土壤-地工織物系統過濾試驗設備

美國材料試驗協會(ASTM)之坡降比試驗儀的標準如圖 3.11 所示。

本研究之土壤-地工織物過濾試驗設備，為改良自 ASTM D5101 規範之

坡降比試驗儀，以能對伸張或未伸張之織物進行試驗，故本試驗將試

第三章 研究計畫與試驗方法

56

驗儀器加以改良，敘述如后：

A. 改良自 ASTM D5101 規範之坡降比試驗儀設備

試驗儀器設備包括定水頭裝置、量測水位儀表板、透水儀及系統

流量量測設備等，其中透水儀之主要元件及功能敘述如后：

(a)壓克力透水管 (b)水位量測管連接閥

(c)上穿孔頂鈑 (d)織物伸張固定環

(e)上下固定軸蓋

改良之坡降比試驗儀器設備如圖 3.12～圖 3.17 所示，分別為試驗

儀器整體示意圖，透水儀水位管位置圖，透水儀配件照片等。

B. 試驗儀器元件之主要功能

(a) 壓克力透水管

根據 Li et al. (1994)試驗結果指出，為減小規模效應之影響，建議壓

克力透水管內徑至少應為 93mm。因此於本試驗製作內徑 100mm、

外徑 120mm 之透明壓克力透水管，透過 O 環使上下固定軸蓋與壓

克力透水計管密合成為一密閉之艙室。

第三章 研究計畫與試驗方法

57

(b) 水位量測管

為瞭解土壤-地工織物介面間及各層土壤於試驗過程中水力坡降之

變化，於透水管不同高程位置裝置水位量測管，以量測並計算各土

層之滲透係數。

(c) 上穿孔頂鈑

依 Shi(1994)等人之建議，於透水管內土壤試體上部置放消能穿孔頂

鈑得以消散入流水之勢能及流速，避免上層土壤因水流流速過快而

遭沖刷。另外由頂鈑配合固定架可固定試體高度及控制土壤試體孔

隙比；當試體於施加反水壓進行飽和時，土體會產生膨脹而影響其

孔隙比，故需以穿孔頂鈑固定試體高度。

(d) 織物伸張固定環

固定環為不鏽鋼材質，由上下兩個中空環所組成，其主要功能係用

以固定伸張之織物，當織物伸張後固定並置入透水管內，另一功能

為用以支撐土壤試體自重。

(e) 上下固定軸蓋

上下固定軸蓋之功能為與透水管透過 O 環緊密接合，使成為一不滲

第三章 研究計畫與試驗方法

58

水之艙室。試驗時，於上軸蓋裝置入流管，下軸蓋裝置出流管，此

二閥門分別以水管連接入流槽及出流槽，以控制試驗之水力坡降。

(f) 固定架

固定架之主要功能為固定土壤試體高度，當試體裝置完成後將穿孔

頂鈑置於土壤試體上方，並將上軸蓋之活動軸承頂住穿孔頂鈑上

方，最後將固定架上之活動軸承與上軸蓋之活動軸承連接以控制土

壤試體高度。

3.4 試驗簡介與試驗方法

此節介紹織物伸張，織物透水速率試驗，織物開孔徑量測試驗，

及土壤-織物系統過濾試驗之方法與步驟，分別敘述如后：

3.4.1 地工織物伸張步驟

本研究探討織物未伸張及伸張 5％、10％、20％時之過濾行為，進

行過濾試驗之前，先探討織物伸張後之物理行為變化。織物伸張流程

如圖 3.18 所示，其施作步驟敘述如后：

(a) 織物伸張之前，先將織物裁剪為長×寬為 32cm×20cm 的矩形，之

第三章 研究計畫與試驗方法

59

後將織物浸置於水中以抹布將織物上的粉塵清理乾淨，取出後再以

乾抹布擦拭，並於室溫下進行風乾。

(b) 將織物長邊之左右兩邊各規劃出 6 公分的夾具寬度，以固定於拉伸

試驗機的夾具上。

(c) 將織物置於拉伸試驗機的夾具上，並以熔孔方式配合直徑 0.5 公分

的螺絲固定。

(d) 啟動數據擷取電腦主機，並進入伸張試驗介面，設定織物尺寸規

格、基本參數及預定之伸張應變量後，以 10mm/min 的速率進行織

物伸張。

(e) 織物伸張至預定伸張應變量後即停止拉伸，以固定環將織物固定以

進行後續相關試驗，如圖 3.19 所示。

3.4.2 地工織物透水速率試驗步驟

地工織物伸張後會導致開孔徑尺寸的變化，本試驗之目的為探討

織物於不同伸張應變量下，透水速率之變化。試驗流程如圖 3.20 所示，

試驗步驟敘述如后：

第三章 研究計畫與試驗方法

60

(a) 將織物分別伸張至預定之應變量。

(b) 以固定環固定織物，使織物纖維結構不會因解張而產生回縮現象。

(c) 組裝固定環(含織物)與內徑 10 公分，高度 35 公分之壓克力透水管，

其中壓克力透水管外壁設置水位觀測標尺。

(d) 將滲透率儀器設備置入儲水槽 1 小時以上，其目的為使織物纖維飽

和，避免影響試驗結果。

(e) 1 小時後，將試驗儀器置於固定高程橫板上。

(f) 試驗時，以量筒裝水沿透水管壁倒入，直到透水管滿水為止，設定

25 公分 (織物平面上 2 公分～27 公分)為量測範圍，同時以碼錶計

算水位下降 25 公分所需的時間。

(g) 重複步驟(f)的動作約 20 次，截取 10 次相近的時間數據進行平均，

並計算織物單位面積之透水速率，以單位 cm/sec 表示。

3.4.3 地工織物開孔徑分佈量測試驗步驟

地工織物開孔徑是過濾排水設計時，織物材料選擇的評估參數之

一。本試驗以 ASTM D4751 規範為依據，針對相同織物於不同張應變

第三章 研究計畫與試驗方法

61

下，以濕篩法量測織物開孔徑分佈之變化。試驗流程如圖 3.21 所示，

試驗步驟敘述如后：

(a) 將地工織物分別伸張至預定之應變量。

(b) 以固定環固定織物，使織物纖維結構不會因解張而產生回縮現象。

(c) 組裝下軸蓋、上壓克力透水管、伸張固定環、下壓克力透水管。

(d) 將分級玻璃珠，以固定之單位面積重量(共 13g)置於織物上方(每次

試驗置入一種粒徑範圍的玻璃珠)，分級玻璃珠粒徑如表 3.3 所示，

再組裝上軸蓋並加以固定。電子顯微鏡下以 50 倍的倍率放大粒徑

範圍為＃20～＃25 及＃60～＃100 如圖 3.22 所示

(e) 將濕篩法試驗儀置於搖篩機上，並以內徑為 0.4 公分之水管接於上

軸蓋的灑水噴頭，同時將另一條水管之一端接於下軸蓋側邊之出水

閥門，另一端則連接玻璃珠回收筒。

(f) 試驗時，以灑水噴頭持續灑水於織物及玻璃珠上，同時搖篩機以垂

直及水平的搖動方式進行 30 分鐘。

(g) 30 分鐘後，取下固定環連同上壓克力透水管一併置入烘箱，烘箱內

溫度保持 25 度持續烘乾 6 小時，以確保織物及玻璃珠完全乾燥。

第三章 研究計畫與試驗方法

62

(h) 烘乾後，將固定環連同上壓克力透水管以精度 1/100 之電子秤秤

重，量測試驗後阻留於織物上方的玻璃珠重量，並計算其佔試驗前

玻璃珠重量的百分比，重覆步驟(a)～(h)，可繪製橫軸為玻璃珠顆粒

尺寸，縱軸為各級玻璃珠阻留重量百分比的開孔徑分佈曲線。再由

開孔徑分佈曲線描繪出玻璃珠顆粒阻留百分比為 95％時對應的玻

璃珠顆粒尺寸，即為有效開孔徑(O95)。

3.4.4 土壤-地工織物系統過濾試驗步驟

針對相同織物於不同張應變時，進行土壤-地工織物過濾系統之滲

透性試驗，試驗時選擇水力坡降 i=1、i=5 及 i=10 進行單向水流之坡降

比試驗，實驗設備包括定水頭裝置、水位量測儀板及透水儀等，其中

透水儀之附加設備包括上穿孔頂鈑及織物伸張固定環等。

試驗時依序施以 1、5、10 之水力坡降，過程中記錄土壤-織物系統

各量測高程之壓力水頭、及系統滲流量，之後計算系統之水力坡降比、

滲透係數及修正溫度後之系統滲流量，以判別系統之阻塞勢能。

土壤-地工織物過濾試驗流程如圖 3.23 所示，試驗步驟敘述如后：

第三章 研究計畫與試驗方法

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(a) 首先針對各水位量測管進行讀數誤差值校正，其校正結果如附錄

A(圖 A-1～圖 A-6)。將織物裁剪為長×寬為 32cm× 20cm 的矩形，

再將織物浸置於水中以抹布將織物上之粉塵洗淨，之後再以乾抹布

擦拭，並於室溫下風乾。

(b) 將織物固定於拉伸試驗機，以 ASTM D4595 規範織物寬幅拉伸試

驗進行緯向纖維拉伸至預定應變(分別為 0％、5％、10％及 20％)，

當織物固定於夾具前，需以熔孔的方式使其纖維熔化並膠結後再固

定，以確保於拉伸過程中不至於造成纖維分離，而使伸張應力不均

勻產生經向纖維扭曲之現象。

(c) 織物伸張至預定應變後，以熔孔的方式配合固定環進行織物固定，

固定完成後於織物表面描繪記號，以便於過濾試驗結束後觀察織物

纖維結構是否於試驗期間發生回縮之情形。

(d) 取下固定環後，將固定環周圍多餘的織物裁除，並於固定環（含織

物）裝置於透水儀之前，先將其浸置於水中 30 分鐘以上，取出後

再以乾抹布將織物表面水吸乾。

(e) 將透水儀清洗乾淨、擦乾及組裝（含織物伸張固定環），再於透水

第三章 研究計畫與試驗方法

64

儀內部之各水位量測管管口貼上透氣膠帶，避免細顆粒土壤從水位

量測管管口流失或堆積於水位量測開關閥門內部，而影響水頭讀數

及試驗結果。

(f) 裝置土壤試體前，依據試體配比分別進行粗細土壤秤重，並充分拌

合使土壤達均勻狀態。填裝土壤試體時分為四層，控制土壤乾密度

為 1.56dρ = g/cm3，試體高度為 10cm，每次以小�