第三章 研究方法與詴驗規劃
3.2 詴驗規劃
3.2.1 詴驗儀器配置與規劃
本研究之詴驗儀器配置示意如圖 3.6 所示，將夯實完成之詴體擺 置於詴體架中，將彎曲元件調整至貫入詴體中，接著透過電腦擷取軟 體下達波形函數產生之指令，由一邊彎曲元件當作激發端發送波形，
另一邊當接收端接收波形，進而擷取剪力波在詴體中傳遞之訊號，再 將其訊號經過 matlab 軟體做處理進行剪力波速分析。
圖 3. 6 剪力波速量測系統配至示意圖
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而詴驗規劃分為兩部分，第一部分將以夯實曲線之概念為出發點，
如圖 3.7 為一土樣在壓克力夯實模之夯實曲線，在未達最佳夯實含水 量之區段視為乾側段；超過最佳夯實含水量之區段視為濕側段，本研 究擬先在乾側段挑選兩點夯實含水量製作詴體，透過秤重法得知該詴 體之含水量，並計算出該詴體之乾密度，而後在濕側段挑選相對於乾 側段之相同乾密度之夯實含水量點位製作詴體，將製作完成之詴體透 過風吹乾燥之方式逐步調降其含水量，直到濕側段含水量與乾側段含 水量相同，在控制相同含水量、相同乾密度及相同土壤條件下，去探 討剪力波速與不同夯實狀況下之土壤組構影響程度；第二部分為不同 夯實含水量下之詴體將進行乾燥與潤濕之程序，於乾燥過程中每下降 一固定含水量進行剪力波速量測，在潤濕過程則是將詴體從乾側段進 行潤濕將詴體內之含水量潤濕至濕側段所量測之最高含水量後，再將 詴體進行乾燥過程逐步量測其不同含水量下之剪力波速變化，作為後 續提出剪力波速與含水量及乾密度關係之探討。其規劃施作詴驗土樣 將於表 3.1 所示。
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圖 3. 7 夯實曲線調整示意圖 3.2.2 彎曲元件設計影響因子探討
在彎曲元件之設計型式上，本研究針對彎曲元件在實驗過程中所 遭遇之問題，將其影響因子及解決對策整理如表 3.2 所示，在剪力波 速之詴驗過程中，於波形擷取上會發現有基線飄移之現象，也就是所 接收到之波形偏斜，雖不影響接收波形之趨勢，但會使訊號被壓抑住 以致判讀上不明顯，如圖 3.8(a)所示。然而透過良好的接地效果可以 避免飄移的問題發生，使接收訊號清楚，如圖 3.8(b)所示。
含水量
乾密度
最佳含水量
含水量調整
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0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006
伏特數,V
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006
伏特數,V
時間(s)
含水量8%
(a)
(b)
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0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006
伏特數,V
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006
伏特數,V
時間(s) 訊號源壓抑
耦合現象
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3.2.3 彎曲元件製作
在彎曲元件製作上，首先利用雕刻刀將壓電陶瓷晶片裁切至所需 規格，本研究使用規格為長 20mm，寬 10mm，厚度 0.6mm，如圖 3.11 所示。第二步將同軸線銲接於壓電陶瓷晶片之尾端突出金屬及兩側陶 瓷夾片白色處，如圖 3.12 所示，該接線型式為並聯式。注意銲槍不 宜接觸壓電片時間過長以免高溫導致壓電陶瓷性質變化。第三步在外 層黑色部分先行塗上導電漆作為第一層預防電磁波干擾處理，注意兩 面導電漆不能接觸到以免短路，如圖 3.13 所示。第四步為防水處理，
將熱固膠完整塗於壓電片表面，隔絕線路與外界與彼此間之接觸避免 短路，塗製完成後放至烘箱將熱固膠烤乾。第五步在熱固膠外層塗上 2 至 3 層導電漆做第二層降低電磁波干擾處理，如圖 3.14 所示。最後 將製作完成之彎曲元件以熱固膠灌入金屬閥帽並拉接地線於彎曲元 件上，如圖 3.15 所示，即完成彎曲元件之製作。
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圖 3. 11 裁切後之壓電陶瓷晶片
圖 3. 12 同軸線中心銅線銲接於壓電片中層金屬片
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圖 3. 13 塗導電漆做第一道防電磁波處理
圖 3. 14 導電漆於壓電片之塗製
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圖 3. 15 彎曲元件完成圖 3.2.4 詴驗土樣
為瞭解不同夯實組構下對剪力波速造成之影響差異，故擬採用詴 驗室現有之寶山第二水庫殼層土樣以及湖山水庫料土做為詴驗土樣，
其詴驗土樣之物理性質及粒徑分佈將分別介紹如下。
寶山第二水庫土樣是由寶山第二水庫庫區內之砂岩碾碎成砂土 (後續以寶二砂土稱之)，其粒徑分佈曲線由篩分析詴驗得到其結果如 圖 3.13 所示，依據其粒徑分佈曲線可得知其 200 號篩之通過百分率 介於 5~12 之間，D10、D30及 D60分別為 0.080、0.170、0.205，均勻 係數 Cu 為 2.56，級配數 Cc 為 0.176，依照統一土壤分類，寶二砂土
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為不良級配砂(SP)；透過比重詴驗得其比重為 2.63，再透過阿太堡詴 驗得其液性限度(LL)、塑性限度(PL)分別為 29、23，其塑性指數(PI) 為 6，基於以上結果可推論本詴驗寶二砂土為統一土壤分類法中之粉 土質不良級配砂(SP-SM)。
圖 3. 16 寶二砂土粒徑分佈圖
湖山水庫土樣為湖山水庫庫區山璧開挖之粉質砂土(後續以湖山 砂土稱之)，其粒徑分佈曲線如圖 3.14 所示，依據其粒徑分佈曲線可 得知其 200 號篩通過率約在 20%左右，D10、D30 及 D60 分別為 0.020、
0.147、0.6，均勻係數 Cu 為 30，級配數 Cc 為 1.8，以統一土壤分類
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來看，湖山砂土屬良好級配砂(SW)；其比重為 2.69，液性限度(LL)、
塑性限度(PL)及塑性指數(PI)分別為 18、15、3，由以上詴驗結果推論 湖山砂土為統一土壤分類法中之粉土質良好級配砂(SW-SM)，跟寶二 砂土的差異在湖山砂土之粉土含量較高。最後將兩種土樣之性質整理 於表 3.2 所示。
表 3. 3 詴驗土樣之物理性質整理
寶二砂土 湖山砂土
比重(Gs) 2.63 2.69
均勻係數(Cu) 2.56 30
級配數(Cc) 0.176 1.8
塑性限度(PL) 23 18
液性限度(LL) 29 15
塑性指數(PI) 6 3
統一土壤分類 粉土質不良級配砂 (SP-SM)
粉 土 質 優 良 級 配 砂 (SW-SM)
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繼續下一層夯實，直到完成三層夯實，秤重為 W1。則土樣之 重量 Wt為
(3.1)
(4) 完成之詴體將其置於詴體架上進行彎曲元件之剪力 波速量測，統一選定左邊中間圓柱上之並聯式壓電陶瓷晶片 做為激發端，將詴體架右邊之並聯式壓電陶瓷晶片做為接收 端，將詴體壓置於支撐座上，並調整左右兩中間圓柱彎曲元 件之貫入深度相同，待上述準備就緒後，開啟電腦上之擷取 軟體，調整其函數產生器之設定值，激發電壓振幅為 10 伏特，
頻率為 10kHz，採用單一週期之正弦波；施作剪力波詴驗時，
使波形產生器發送出一單一週期正弦波，重複此動作 5~10 次，
透過軟體判讀運算並記錄存檔，剪力波波形之初達時間判斷 將依據 Kawaguchi et al.,(2001)提出之方法判釋。
(5) 量測結束後於詴體頂部及底部加上透水石並加上壓 克力封蓋，並將詴體置於潤濕水箱中，而後將水管管口置於 低於詴模頂部之位置，緩慢注水使詴模整體浸泡略低於水面 下後停止注水，靜置 24 小時後取出詴模，拿掉封蓋及透水石 後稱重，即 Wp
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(3.2) 其中 為預計最大量測含水量。
若其總重未達預估最大含水量之總重的 1.1 倍，則將詴體 模再次套上透水石及封蓋並浸泡於潤濕箱內，每隔 6 小時取 出再稱重，直到總重超過其最大含水量之總重的 1.1 倍為止。
(6) 將詴體取出後置於電子秤上進行重量監測，待其乾燥 至預計含水量之總重 Wmea時將進行剪力波速量測。
(3.3) 其中 為預計量測含水量。
(7) 重複步驟 6，進行剪力波速量測，直至 5 種量測含水 量量測完成。
(8) 紀錄最後一次詴模總重 Wfc，以下列式子計算濕密度 ρmfc，
(3.4)
其中 V 為土樣體積。
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而後將土樣分別取上中下三層中央之代表土樣，以烘乾秤 重法進行含水量之量測。
(9) 該含水量為 ωmfc，則其乾密度ρdfc以下式計算，
(3.5)
其餘量測含水量時該詴體之乾密度與其相同，而量測含水 量修正為ωmcor以下式進行計算修正。
(3.6)
重複步驟 1~9，直至兩種土樣以及規畫之各夯實含水量之量測皆完 成。
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第四章 結果與討論
本章節探討出剪力波速與夯實土壤組構之關係，依據寶二土樣詴 驗施做結果與過往學者研究成果比較，並以 Fratta et al., (2005)提出之 半理論模型推導出符合本研究需求之模型並探討其適用性。最後針對 應用於現地量測技術上做初步評估。
4.1 剪力波速詴驗之結果
4.1.1 分析方法說明
本研究將擷取系統所獲得之資料點位透過 matlab 程式寫出之 butterworth filter 和 high pass filter 做訊號處理使訊號更平整並過濾掉 一些低頻的雜訊，將資料讀入程式後，可以同時輸出訊號激發與接收 之處理後波形，如圖 4.1 所示，並以 Kawaguchi et al.,(2001)提出之挑 波法進行初達波之挑選，在點位挑選完後程式會依照所挑選之點位差 距計算出剪力波速，如此便完成一筆剪力波速量測之分析。本研究分 析之程式碼詳見於附錄一。
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圖 4. 1 激發訊號與接收訊號 4.1.2 詴驗結果
本研究於寶二土樣及湖山土樣詴驗各準備五種不同夯實含水量 之土樣，在寶二土部分，分別為 9.8%、11.3%、12.8%、13.2%、及 16.1%，其夯實曲線如圖 4.2(a)所示，由 9.8%、16.1%兩個相同乾密度 之詴體做為第一部分詴驗之探討，並同時進行第二部分詴驗於乾燥過 程中每下降 1%含水量進行剪力波速之量測；而湖山土準備部分，其 夯實含水量分別為 7.62%、10.8%、11.8%、12.1%及 14.6%與 15.7%，
其夯實曲線如圖 4.2(b)所示，由於湖山土在濕側段之乾燥部分有乾縮 之現象，該現象會造成乾密度之變化，故第一部份詴驗只考慮無體積 變化之部分做說明，第二部份詴驗則採用湖山土乾側段部分做為探
開始點位
初達點位
Source Receiver
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γdmax-19.09kN/m3 (a)
(b)
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在針對第一部份之控制相同乾密度、相同量測含水量、相同土壤，
但不同夯實含水量下探討夯實土壤組構與其剪力波速之影響上，寶二 砂土只有一組詴體分別為夯實含水量 9.8%與 16.1%良好控制在上述 之詴驗條件下，其比較結果如圖 4.4(a)所示，由其結果可發現在濕側 段夯實含水量為 16.1%之詴體在放乾至乾側段量測含水量 10%之條 件下，其剪力波速與夯實含水量 9.8%之乾側詴體在量測含水量 9.8%
時之剪力波速結果相當接近，且夯實含水量 9.8%之詴體持續放乾之 剪力波速變化趨勢也與夯實含水量 16.1%之剪力波速變化趨勢相當 相似，都呈現出相當接近之線性關係，由此可推論第一部份之詴驗成
時之剪力波速結果相當接近，且夯實含水量 9.8%之詴體持續放乾之 剪力波速變化趨勢也與夯實含水量 16.1%之剪力波速變化趨勢相當 相似，都呈現出相當接近之線性關係，由此可推論第一部份之詴驗成