剪力盒試驗剪力盒試驗

剪力盒試驗 剪力盒試驗 剪力盒試驗

本節將探討材料互制與剪力帶影響，圖 5-10 顯示施作土壤-灌漿-纜線組成物直剪試驗示意圖，直剪盒尺寸如前所述。灌漿-纜線圓柱直 徑為 40 mm，採用不同水灰比(W/C)水泥灌漿。周圍填充土壤包含粗 砂(良級配，d50 = 2 mm)、渥太華砂(Ottawa sand)、以及玩具黏土，分 別代表堅硬土壤、中等軟弱土壤、以及軟弱土壤。當研究剪力帶影響，

使用粗砂為周圍填充土壤，並填充如玩具黏土軟弱材料作為剪力帶。

灌漿-纜線圓柱在所有例子中皆是連續不存在空氣間距。

為了比較三種土壤強度，將土壤置入剪力盒予以直剪，在準備試 體時，以直剪盒上蓋將土壤鎖進(lock-in)盒中，預施應力(pre-stress)於 土壤。由於加載系統限制，在此比較中，直剪的是較小尺寸水泥圓柱，

此試體斷面積為土壤試體 1/4，剩餘空間則填充滑動面預先分離的石 膏。圖 5-11 為對應應力-側向位移(γ – δ)曲線比較，應力-側向位移(γ – δ)曲線相關參數則整理於表 5-1。明顯地，水泥類強度遠高於土壤類 強度(圖 5-11)，其中粗砂強度則相對高於渥太華砂與玩具黏土，此外，

水灰比等於 0.5 (W/C=0.5)的水泥具有最大強度。

圖 5-12(a)顯示不同灌漿與土壤組合的 ρpeak – δ 曲線。在圖 5-12(a) 亦顯示纜線放置在剪力盒內全是 W/C = 0.5 的灌漿內(標記為參考線) 以及粗砂之內的結果。比較參考線與纜線放置在粗砂內結果，初始啟 動量(δ₀)隨周遭材料勁度減少而增加，但纜線靈敏度(S)則幾乎保持恆 定。纜線與周遭材的相對勁度影響纜線漸變段範圍以及開始纜線局部 變形(localized deformity)所需外在滑動變形量。一旦產生局部變形，後 續外在滑動變形主要在於加強局部變形，使得產生相近 ρ_peak – δ 曲線 斜率(亦即靈敏度)。

當試驗改用粗砂、W/C = 0.5 的灌漿、以及纜線三種材料的組合 物，其 ρ_peak – δ 曲線座落在纜線放置在剪力盒內全是 W/C = 0.5 的灌漿 內以及粗砂之內所對應曲線之間。W/C = 0.5 的灌漿比粗砂堅硬許多，

材料強度相應性問題(compliant problem)似乎不會減弱 TDR 反應。事 實上，因為水泥灌漿易脆且抗張強度很低，比周圍土壤堅硬的灌漿並 不會使纜線不受變形。受剪時，張力裂縫發生在剪力面附近，在灌漿 圓柱內產生弱帶，傳遞外在變形至纜線變形上，一旦灌漿破壞，纜線 變形即更靈敏於外在變形。彎折無灌漿(亦即完美的材料強度相應)纜 線所需土壤變形是大於有灌漿的纜線因此，在纜線周圍具有灌漿實際 上是使纜線容易受滑動變形。

W/C = 0.5 的灌漿非常堅硬，減低灌漿勁度(圖 5-12(a)內 W/C = 1.0 與 2.0)並不會顯著改變初始啟動值(δ0)與靈敏度(S)。因此優先考量應該 是確認灌漿比纜線足夠堅硬。本研究灌漿勁度與強度相較於 Blackburn and Dowding (2004)所建議最佳灌漿強度來得明顯地高。因此灌漿需在 強度上近似土壤勁度的考量不應該為主要關注點。其中 W/C = 1.0 水 泥灌漿由於具有低縮性與良好現地工作性，似乎是個好選擇。如果可 以的話，採用無收縮(non-shrinkage)水泥更佳。

對於固定水灰比灌漿(例如 W/C=1.0)，粗砂、渥太華砂、玩具黏 土的 ρpeak – δ 曲線繪製在圖 5-12(a)。一如預期，初始啟動量隨土壤勁 度減少而增加，同樣地，靈敏度(S)則幾乎保持恆定。此種行為對於量 化檢核到初始啟動值後相對變形量化是有用的。圖 5-12(b)顯示剪力帶 對於 ρpeak – δ 曲線影響，周遭土壤為粗砂，剪力帶中軟弱材料為玩具 黏土，初始啟動量隨剪力帶寬增加而增加，最終逼近土壤材料為黏土。

由於本試驗是在無圍壓(僅有剪力盒閉合時預力)的情況下施作，預計 一般情形啟動位移量會遠小於實驗值。

圖 5-12(b)亦顯示以無周遭土壤灌漿之空氣間距所模擬剪力帶結 果，亦即灌漿在長軸上並未連續，使得灌漿不連續面(即空氣間距)兩 端變成纜線固定端邊界，當滑動變形增加，纜線伸長並在兩端產生壓 痕，此機制是與以連續灌漿配合周圍土壤進行剪動的例子大不相同，

因此空氣間距對應的 ρpeak – δ 曲線行為是不相同，無論初始啟動值 δ0

或靈敏度 S 皆與空氣間距寬度有關。較大空氣間距與滑動位移造成波 形產生雙鋒(double peak)而無法定義出具唯一的 ρ_peak – δ 關係。良好灌 漿圓柱不會有空氣間距，以空氣間距代表剪力帶並不符合現地情況。

最後探討纜線勁度，本試驗主要採用較硬固狀(solid)外導體纜 線，較不易造成纜線變形，但由上述相關試驗得知，仍可獲得良好成 果。預期網狀(braided)外導體纜線因為網狀外導體軟，將更容易造成 顯著幾何斷面變形的彎折(kink)。故針對網狀(braided)外導體纜線 RG-8 與固狀外導體纜線 P3-500 進行比較，試驗結果如圖 5-13 所示，RG8 纜線各種情況的初始啟動量皆小於 P3-500 纜線。對於過軟土壤，可能 需要使用網狀外導體纜線配合堅硬灌漿才可有較小初始啟動量。

5.7 小 小 小 小結 結 結 結

使用時域反射法早期監測軟弱土壤內的滑動變形與量化該變形量 仍然是件具挑戰性的工作，本章主題為探討纜線電阻，材料互制與剪 力帶三個關鍵因子。

纜線電阻為實務上的重要課題，特別是在纜線長度很長的深鑽孔 與長距離監測佈線。考慮纜線電阻的通用時域反射波傳模型可以模擬 延長線與變形感測纜線相異的配置，能精確地模擬非常小錯動區段處 TDR 對於纜線變形的反應，具有良好精確度與效率。高衰耗纜線對於 時域反射波形各方面影響甚劇，因此在實際應用上，應該使用低衰耗 纜線以將纜線電阻所造成的解析度與靈敏度減少等影響降到最低。

等值電阻概念可有效減少反算時間，但受限時間平移精確度。簡 易纜線電阻修正法可直觀且快速地修正纜線電阻影響，將纜線變形處 複雜的 ρpeak – δ 關係與可以較簡易修正纜線電阻個別分離為兩個標定 問題，僅需要標定一次電阻對於 ρpeak的影響，隨後僅需標定參考長度 之處 ρ_peak – δ 關係即可獲得不同長度時的纜線變形反應。然而，當纜 線存在複數變形，前方變形會影響後方應有反射量，造成複雜 ρpeak – δ 關係，建議在此情況下以通用時域反射波傳模型分析，才能獲得較正 確結果。

本研究藉由施作一系列直剪盒室內實驗，充分探討土壤-灌漿-纜 線互制與剪力帶對於反射尖峰與滑動變形影響。綜觀而言，纜線變形 所需初始啟動量(δ₀)隨周遭材料勁度減少或剪力帶寬增加而增加，但靈 敏度(S)則幾乎保持恆定，似乎不受現地土壤材料條件影響。即纜線初 始剪動後相對變形可被量化，將有助於簡化現地應用難度。

另一方面，因為水泥灌漿事實上易脆且抗張強度低，受剪時剪力

面附近的灌漿圓柱產生張力裂縫造成弱帶，迫使纜線承受局部剪動，

材料強度相應性問題(例如灌漿比周圍土壤堅硬)並不會減弱 TDR 反 應，彎折無灌漿(亦即完美的材料強度相應)的纜線所需土壤變形反而 大於有灌漿的纜線。

顯然在實務上，確認灌漿比纜線堅硬比選擇最佳化灌漿相對重要 且容易，例如本研究採用固狀(solid)外導體 P3-500 纜線，在配合灌漿 後仍獲得良好成果。W/C = 1.0 的水泥灌漿由於具有低縮性與良好的現 地 工 作 性 ， 似 乎 是 個 好 的 選 擇 。 如 果 可 以 的 話 ， 採 用 無 收 縮 (non-shrinkage)水泥更佳。對於過軟土壤，可考慮使用易造成顯著幾何 斷面變形彎折(kink)的網狀(braided)外導體纜線，減少初始啟動量。

雖然現階段試驗受限於動力系統與現有直剪盒大小，可能存在尺 寸效應，但上述新觀點應該仍值得參考。建議未來施作更符合現實的 大尺寸直剪試驗進一步驗證與探討。

表 5-1 應力-側向位移曲線相關參數 Material type Peak shear strength

(kPa)

Shear stiffness (kPa/mm) Cement (W/C=0.5) 1223.7 455

Cement (W/C=1) 1117.6 444 Cement (W/C=2) 1074.1 439 Coarse sand 77.6 17.5 Ottawa sand 13.1 2.5

Clay 5.7 0.85

(a)

8 8.5 9 9.5 10 10.5 11

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Indentation displacement (

δ

cable

Time, nsec

R e fl ec tio n c o ef fi ci e n t, ρ

Simulation, W=6 mm Simulation, W=12 mm Simulation, W=24 mm Measurement

(b)

圖 5-1 (a)受壓纜線模擬模型，(b)同壓痕寬度下時域反射波形 stainless

steel block

δ

displacement

Z

, L

*

Z

, L

Z

, L

*