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06-26

土壤大小事


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大地是人类之母,土壤则是工程之母。植物需要根系抓住土地才能生长,而我们平日所见的工程建设,也需要与土地紧密连结才能稳固。高耸入云的 101 在地底下有着一百多公尺深的基础深入土壤,而捷运、隧道等等需要挖开挖土地或山脉的工程,更是和土壤息息相关。尤其台湾的地质年轻、破碎,施工和防灾上都容易产生问题,研究土壤的特性也因此非常重要。

土壤由三种要素组成:颗粒、空气以及水(如图一)。乍看之下,土壤是随处可见平易近人的天然材料,但正因为土壤是自然生成的,我们很难掌控各地土壤的组成成分。

同时,颗粒、空气和水会互相作用,互相影响,因此当外力作用在土壤上,会产生很多複杂的行为,包括许多化学行为,难以用古典力学的公式来处理,因此工程师需要不断实验,逐步得出经验公式来判断土壤会产生的行为。近年来由于计算机的进步,学者们才得以用数值模拟的方式,了解土壤颗粒、空气和水之间的複杂关係,如何影响其工程性质。

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图一 土壤三要素(本文作者张沄真 绘)

经验公式和一般物理定律是不太一样的。物理定律在任何情况下计算出来的结果都会相同,然而经验公式却不然。它并非完美的,通常都有许多假设作为前提,因此在不同地质情况下,适用的公式也会不一样。

以下会简单介绍一些土壤的基本性质,虽然这些性质在不同公式中的定义可能略有不同(例如:土壤的孔隙度 porosity,是将孔隙体积除以总体积,而孔隙比 void ratio,则是将孔隙体积除以颗粒体积,但两者皆是用来表示土壤中空隙的多寡),但基本的道理是一样的,故本文中仅介绍概念,不赘述不同定义下的计算方法。一般而言,土壤的工程性质跟四个属性有关,包含密度、孔隙、水分、与颗粒大小。

密度
土壤密度又称土壤比重或单位重 (unit weight),是将土壤的重量除以体积所得到的值。由于乾土壤和湿土壤的性质不一样,因此在密度上也需要分开计算。如图二,土壤湿密度 $$\gamma=(Ws+Ww)/V$$,而乾密度 $$\gamma d=Ws/V$$。密度会影响土壤的透水性及可压缩性,可以透过工程方法改变土壤的密度,使之较易施工。

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图二 土壤三相体积-重量关係图(图片来源:本文作者张沄真 绘)

孔隙
土壤的孔隙比 (void ratio) 是将土壤孔隙体积除以总体积所得到的值。孔隙比 $$e= (Va + Vw) / Vs$$。孔隙多寡和土壤的透水性以及沉陷量有关,例如土壤液化,就是因为原本鬆散排列的土壤受地震等外力作用下排列变的紧密,孔隙变小,形成土壤下陷以及喷水喷砂的现象。水分
土壤的水分含量可以用湿度来表达,湿度是用水重量除以固体颗粒重量所得到的值。$$\omega= (Ww / Ws) \times100\%$$。土壤的含水量会随着降雨和湿度变化等气候因素而改变。颗粒大小
颗粒大小会影响土壤的表面积、透水性、密度以及膨胀性等等特性。土壤的颗粒大小有许多不同的分类方法,依据国际土壤学会 (International Soil Science Society, ISSS) 的规定,小于 $$2~mm$$ 以下的颗粒为土壤,其中 $$20~\mu m$$~$$2~mm$$ 的为砂粒 (sand),$$2~\mu m$$~$$20~\mu m$$ 称为粉粒 (silt),小于 $$2~\mu m$$ 的称为黏粒 (clay) 。土壤中大多都含有以上三种颗粒,但是比例会有所不同,可以依据土壤质地三角图(图三)来判断其性质。

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图三 土壤三角图(图片来源:本文作者张沄真 绘)

理解土壤的基本性质后,才能更加深入探讨其他相关问题,例如台湾常见的地层下陷、土壤液化、土壤盐化等等。而随着地表的可居住空间越来越少,开发地底聚落的可能性也开始被探讨,这个时代的我们更加应该好好了解我们脚底下这块虽不起眼,却複杂而神祕的土地。


参考文献

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