土壤大小事

土壤大小事 (Basic Properties of Soil)
國立臺灣大學土木工程學系 張沄真

大地是人類之母，土壤則是工程之母。植物需要根系抓住土地才能生長，而我們平日所見的工程建設，也需要與土地緊密連結才能穩固。高聳入雲的 101 在地底下有著一百多公尺深的基礎深入土壤，而捷運、隧道等等需要挖開挖土地或山脈的工程，更是和土壤息息相關。尤其台灣的地質年輕、破碎，施工和防災上都容易產生問題，研究土壤的特性也因此非常重要。

土壤由三種要素組成：顆粒、空氣以及水（如圖一）。乍看之下，土壤是隨處可見平易近人的天然材料，但正因為土壤是自然生成的，我們很難掌控各地土壤的組成成分。

同時，顆粒、空氣和水會互相作用，互相影響，因此當外力作用在土壤上，會產生很多複雜的行為，包括許多化學行為，難以用古典力學的公式來處理，因此工程師需要不斷實驗，逐步得出經驗公式來判斷土壤會產生的行為。近年來由於計算機的進步，學者們才得以用數值模擬的方式，瞭解土壤顆粒、空氣和水之間的複雜關係，如何影響其工程性質。

圖一 土壤三要素（本文作者張沄真 繪）

經驗公式和一般物理定律是不太一樣的。物理定律在任何情況下計算出來的結果都會相同，然而經驗公式卻不然。它並非完美的，通常都有許多假設作為前提，因此在不同地質情況下，適用的公式也會不一樣。

以下會簡單介紹一些土壤的基本性質，雖然這些性質在不同公式中的定義可能略有不同（例如：土壤的孔隙度 porosity，是將孔隙體積除以總體積，而孔隙比 void ratio，則是將孔隙體積除以顆粒體積，但兩者皆是用來表示土壤中空隙的多寡），但基本的道理是一樣的，故本文中僅介紹概念，不贅述不同定義下的計算方法。一般而言，土壤的工程性質跟四個屬性有關，包含密度、孔隙、水分、與顆粒大小。

• 密度
  土壤密度又稱土壤比重或單位重 (unit weight)，是將土壤的重量除以體積所得到的值。由於乾土壤和濕土壤的性質不一樣，因此在密度上也需要分開計算。如圖二，土壤濕密度 $$\gamma=(Ws+Ww)/V$$，而乾密度 $$\gamma d=Ws/V$$。密度會影響土壤的透水性及可壓縮性，可以透過工程方法改變土壤的密度，使之較易施工。
  
  

  圖二 土壤三相體積-重量關係圖（圖片來源：本文作者張沄真 繪）

• 孔隙
  土壤的孔隙比 (void ratio) 是將土壤孔隙體積除以總體積所得到的值。孔隙比 $$e= (Va + Vw) / Vs$$。孔隙多寡和土壤的透水性以及沉陷量有關，例如土壤液化，就是因為原本鬆散排列的土壤受地震等外力作用下排列變的緊密，孔隙變小，形成土壤下陷以及噴水噴砂的現象。
• 水分
  土壤的水分含量可以用濕度來表達，濕度是用水重量除以固體顆粒重量所得到的值。$$\omega= (Ww / Ws) \times100\%$$。土壤的含水量會隨著降雨和濕度變化等氣候因素而改變。
• 顆粒大小
  顆粒大小會影響土壤的表面積、透水性、密度以及膨脹性等等特性。土壤的顆粒大小有許多不同的分類方法，依據國際土壤學會 (International Soil Science Society, ISSS) 的規定，小於 $$2~mm$$ 以下的顆粒為土壤，其中 $$20~\mu m$$～$$2~mm$$ 的為砂粒 (sand)，$$2~\mu m$$～$$20~\mu m$$ 稱為粉粒 (silt)，小於 $$2~\mu m$$ 的稱為黏粒 (clay) 。土壤中大多都含有以上三種顆粒，但是比例會有所不同，可以依據土壤質地三角圖（圖三）來判斷其性質。
  
  

  圖三 土壤三角圖（圖片來源：本文作者張沄真 繪）

理解土壤的基本性質後，才能更加深入探討其他相關問題，例如台灣常見的地層下陷、土壤液化、土壤鹽化等等。而隨著地表的可居住空間越來越少，開發地底聚落的可能性也開始被探討，這個時代的我們更加應該好好了解我們腳底下這塊雖不起眼，卻複雜而神祕的土地。

參考文獻

1. Braja M. D. (2010) Fundamentals of Geotechnical Engineering. US：Cengage Learning.
2. 大地工程，順應與善用的藝術—土壤力學篇 (1/4)｜杜風電子報。http://www.ntuce-newsletter.tw/vol.22/Geotech-1.html