剪力波法於量測方法

由上述可知剪力波可反應地盤改良土壤勁度的改變，因此將用於 地盤改良成效評估中所使用之量測剪力波速方法逐一介紹。

1. 剪力波元件試驗(Bender Element Test)

土壤中剪力波速的傳送與接收室內試驗早期由美國德州大學 (University of Texas at Austin)所發明，利用剪力片(Shear Plate) (Shirley, 1978)進行試驗，以石英或壓電水晶為主要元件，目前以壓電陶瓷材 料所組成之剪力波元件(Bender Element)逐漸取代剪力片，所以目前關 於剪力波速室內量測方法多採用一組剪力波元件(Bender Element)進

22

行剪力波速的量測；壓電陶瓷可分為串聯與並聯兩種連接方式，不同 (Dyvik & Madshus, 1985) ，因此試驗在微應變下便可決定初始剪力模 數( Gmax) 。

圖 2. 6 剪力波元件試驗(Bender Element Test) (Leong et al., 2005)

2. 共振柱試驗(Resonant Column Test)

此試驗之基本原理是對試體驅動輸入不同頻率的剪力震動(垂直 或扭轉)，再由加速度計計讀訊號以求得試體的頻率反應頻譜，進而 得到共振頻率以及試體動態性質。共振柱試驗常見的形式有固定-自 由型共振柱及自由-自由型共振柱如圖2.7。利用共振柱試驗可建立土 壤剪力波波速、土壤有效應力及乾密度之關係 (Kim & Park, 1999)。

24

圖2. 7 共振柱型式示意圖 (摘自徐瑞旻，2002)

3. 跨孔式震測法(Crosshole Method)

跨孔式震測法，如圖2. 8- a所示，至少需要兩個垂直地表面的鑽 孔，通常以三個鑽孔為最佳，相鄰兩鑽孔之間距約為 2~3 公尺，其 中在某個鑽孔中設置震源，分別在另外兩個鑽孔中與震源同一深度處 設置受波器，以接收震源所發出之壓力波及垂直向剪力波訊號，同時 依據相鄰兩鑽孔之間距及波傳之時間，計算兩鑽孔間土層之平均波傳 速度；另外由於震源與受波器可以同時在鑽孔內自由上下移動，通常 每隔0.5 或 1 公尺移動一次，因此可以求取整個鑽孔深度範圍內土層 之波速度剖面圖。此方法以最直接的方式量測鑽孔間土層波速，但若 兩鑽孔間之距離太大時，則在層狀之地下土層構造中，便會因折射現 象造成波傳將以最短路徑通過高速度地層，無法探測到兩高速度地層 間之低速度夾層。

25

4. 下孔式震測法(Downhole Method)

下孔式震測法，如圖2. 8-b所示，只需要一個垂直地表面的鑽孔，

在地表面設置震源，而在鑽孔內設置速度受波器，以接收震源所發出 之壓力波及水平向剪力波訊號，同時依據震源離受波器之距離及波傳 之時間，計算量測範圍內土層之平均波傳速度；此外受波器每隔0.5 或1 公尺往下移動一次，直至整個鑽孔深度施行完畢為止，以求取整 個量測範圍內土層之波速度剖面圖；但震波之訊號品質會隨著探測深 度之增加而減少，且不能使用於雜訊較大之區域，使得適用範圍縮小。

5. 懸垂式 P-S 波探測法(P-S logger)

懸垂式 P-S 波探測法，如圖2. 8-c所示，只需要一個垂直地表面 的鑽孔，主要裝置是一含有兩組受波器及一個震源之電磁式探測管，

兩組受波器之間距為1 公尺，而震源位於受波器下方，施作時將電磁 式探測管伸入含有地下水或鑽孔液之鑽孔中，而由震源依次產生水平 向剪力波、相反極性水平向剪力波及壓力波三種訊號，由兩組受波器 分別接收震波訊號，同時依據兩受波器之間距及波傳之時間，計算鑽 孔深度範圍內土層之壓力波速度及剪力波速度；此外電磁式探探管每 隔0.5 或 1 公尺往上移動一次，直至地下水位或鑽孔液深度為止，以 求取整個鑽孔量測周圍土層之波速度剖面圖；但缺點是鑽孔中必須充

26

滿地下水或鑽孔液，以提供波傳所需之介質，同時兩組受波器之間距 僅1 公尺，使得波傳之路徑太短，導致初達時間之誤差較大，容易造 成判定上之人為誤差。

6. 貫入式探測法

貫入式探測法目前常用的有震測式圓錐貫入法(Seismic Cone Penetration Test，簡稱SCPT)，如圖 2. 8-d 所示，主要是採用剪力波 來探測地下土層之波速，是由北威爾斯大學(University College of Nales)所發展。在地表處設置震源，並設置兩個間距為 1m之速度受波 器，固定在一電磁式水壓圓錐上 (Robertson et al.,1986)，用以施作貫 入試驗及震測試驗，並進行土壤之取樣及接收震源所發出之剪力波訊 號，同時依據震原離受波器之距離及波傳時間計算量測範圍內土層之 剪力波速；施作方式與下孔試探測法類似，每次往下貫入0.5 或 1 公 尺，直至要求之試驗深度，並記錄剪力波訊號之歷時資料，以隨著電 磁是水壓圓錐貫入之深度，求取整個鑽孔周圍土層之波速度剖面圖；

其缺點是無法在噪音大的環境下施做，這將會使得敲擊訊號與雜訊之 比例降低，造成初達時間難以判斷。此外貫入式探測法並不適用於較 堅硬土層如含礫石層或岩層。

27

圖2. 8 常見之現地剪力波量測方法 (Stokoe & Santamarina, 2000)

7. 表面波震測法

表面波震測(Seismic Surface Wave)法，主要是利用表面波中之雷 力波(Rayleigh wave)及洛夫波(love wave)來探測地下土層，又因為雷 力波為地表面量測法中最容易產生且振幅亦最大之震波，一般都是採 用雷力波來探測地下土層之構造，而表面波之波傳影響範圍大約侷限

28

於一個波長之深度內，因此表面波之影響深度會隨著頻率之不同而有 所差異，當土層之剪力模數隨著深度而變化時，造成波傳速度亦隨著 頻率(或波長)之不同而變化，稱之為表面波之頻散現象，波速度與頻 率(或波長)之關係稱之為頻散曲線，由於雷利波速度與剪力波速度相 近(參考圖2. 9) (Richart et al., 1970)，利用頻散曲線與地層波速變化之 關係，可反算得到土層之剪力波速度剖面，如圖2. 10。

圖2. 9 柏松比與波速度之關係(摘自 Richart et al.,1970)

29

圖2. 10 表面波震測技術流程圖

表面波震測法量測剪力波速的優點在於非破壞性、取樣空間大以 及不需在地表鑽孔等，因此可適用於大範圍的工址探測，又因其施測 容易、快速及成本較低的優勢，雖然量測之頻散曲線須經過反算才能 得到剪力波速，分析較為複雜，但其便利性及經濟性使得此方法廣泛 的應用於許多大地工程及鋪面工程中如：地層比對、鋪面厚度檢測、

地下孔洞探測、液化潛能分析、地盤改良成效檢測以及隧道襯砌與背 填灌漿之品質管制等。下節將針對表面波之基本波傳原理及使用之多 頻道表面波量測法(MASW)作介紹。

30