第三章 研究方法與規劃
3.2 動態三軸試驗設備
以下將描述關於三軸室設備、反覆荷重加載系統、反覆荷重控制系統、
氣壓及水壓控制系統、量測設備及訊號擷取系統。
3.2.1 三軸室
圖 3.4 為此三軸試驗設備設計示意圖，土壤試體直徑為 70mm，高度 140mm；試體頂蓋及底座皆放置一銅製透水材料，並各嵌入一對剪力波元 件（Bender Element），用以激發及接收剪力波，詳述於 3.2.6 節。三軸試驗
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設備主要以不銹鋼內支撐與三軸室下部緊密結合，並以壓克力外罩所組 成。除了剪力波元件線路連接至三軸室上方外，所有水氣管線皆連接至三 軸室底部，再匯集至一簡單的配接盤。
為了量測試體真實所承載之軸向力，將荷重元（Load Cell）架設於三 軸室內部土壤試體頂部，可消除因加壓桿摩擦阻力所造成之誤差。
三軸室上端並裝有一氣壓缸（Double Bellofram Piston），內部含有 3 個 大小不同之氣囊（bellofram），此即可獨立控制垂直應力，使加壓荷重桿受 圍壓作用時，保持加壓荷重桿之平衡與穩定。
3.2.2 反覆荷重加載系統
反覆式應力試驗加載系統均採用一具高解析度及高扭力電磁感應驅動 馬達，即俗稱之步進/伺服馬達（Dynaserv DR 1100E）。馬達重量達 26 kg，
最大扭力為 110 N-m，最大軸向抗壓為 4087 kg，最大軸向抗拉為 2044kg，
此馬達解析度為每轉614400 步。可由步進的數目或伺服應力的大小控制旋 轉的方向與速度乃至於試體受力之大小與變形速率，所以相當適合施做需 精確控制反覆荷重之應力試驗。
進行三軸試驗時，需將步進/伺馬服達結合高精密度滾珠螺桿（ball screw）（THK BIF 2005）及栓槽軸（THK LBF 25T），使馬達的旋轉動能轉 變為線性動能。其線性運動組合原理如圖 3.4 上部所示，滾珠螺桿固定於馬 達圓盤上，滾珠螺桿再與栓槽軸結合，並將栓槽軸固定於馬達外罩底盤，
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依此順序將各元件結合，若將三軸室荷重桿與栓槽軸之間以螺紋接合，便 可進行上下反覆式三軸試驗。
3.2.3 反覆荷重控制系統
試驗垂直向反覆荷重加載主要由馬達所產生，透過撰寫 LabView 程式 使馬達卡（NI PCI-7344）傳送數位訊號至 terminal board（NI UMI-7764），
再將訊號傳輸至馬達驅動器驅使馬達產生旋轉動能，馬達驅動控制系統示 意圖之人機操作介面如圖 3.5 所示，可由程式控制馬達伺服應力及方向。
3.2.3 氣壓與水壓控制系統
空壓機為提供試驗所需壓力之來源，壓力上限為10 kg/cm2。利用手動 式調壓閥提供試體所需之圍壓，反水壓部分亦使用手動式調壓閥施壓於除 氣水桶，利用塑膠管路，將水壓施加於試體內部；壓力表可顯示圍壓及反 水壓之大小，精度為0.2 kg/cm2。
3.2.4 量測系統
本試驗量測設備，除一般三軸試驗所量測之軸向荷重、軸向應變、圍 壓及超額孔隙水壓。另外於三軸上下底蓋內部嵌入一組剪力波元件（bender element），其目的在於量測試體之剪力波速大小，詳述於 3.2.6 節。
軸向荷重量測使用沉水式荷重元（load cell），將其置於三軸室頂部（如 圖 3.4），此荷重元可用於量測軸向荷重達 5kN 此荷重元內部充滿除氣油，
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在其下方有一栓塞，當任何力量作用於荷重元，便會使栓塞向上移動並引 發荷重元內產生等量的油壓，如此荷重元將只反應軸差應力，而不會被圍 壓所影響；軸向應變之量測使用 Linear Variable Differential Transformer
（LVDT），可量測 50mm 之變形；圍壓及孔隙水壓量測採用可耐壓 700kPa 水壓計（pressure transducer），試驗所使用各項量測設備之規格如表 3.1 所 示。
3.2.5 訊號擷取系統
本試驗於施加反覆荷重時，主要量測 load cell（軸向荷重）、LVDT（軸 向位移）及兩個水壓計（圍壓及反水壓）之變化值。本研究使用美商國家 儀器公司所製造之 NI USB-6215 擷取卡如圖 3.6，將類比訊號轉為數位訊號 傳回電腦，再配合 Labview 程式進行即時試驗資料變化、處理和紀錄。
3.2.6 剪力波速量測系統
剪力波元件試驗，已於國外發展二十餘年，國內近年來亦有許多相關 之研究與應用，利用剪力波元件試驗量測土體之剪力波速，進行土壤抗液 化強度或評估土層之動態參數等研究。剪力波速量測系統可分為以下幾個 部分：
1、壓電陶瓷晶片（Piezoelectric Ceramics）
本研究所使用之設備為自行組裝之剪力波速量測系統，試驗可量測之
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試體高度為 15 公分，可對乾砂及飽和砂土進行試驗，可滿足一般土壤力學 之研究需求。將 Bender Element 嵌入三軸室試體上下頂蓋中，先使用熱固 膠固定於金屬管線接頭上如圖3.7，再鎖緊於三軸室上下頂蓋中，總凸出約 1/4 元件長（約 3mm），完成後之試驗設備如圖 3.8。
2、波形產生器（Function Generator）
主要功能在於產生單一週期正弦波，函數產生器輸出電壓予上蓋剪力 波元件後將電能轉換為動能，透過土體傳遞剪力波。本試驗所使用之函數 產生器是由惠普公司出產，型號為 HP33120A，函數產生器可輸出五種波 形：正弦波、方波、三角波、斜波及 Random wave，可由預先定義之五種 波型中任選一種使用，或自行撰寫程式設定波形，可輸出單一週期波型或 輸出連續波；輸出頻率範圍為 10μHz~15MHz；輸出之振幅範圍視目前所 選用之波形函數和輸出端而定，本試驗使用正弦波輸出端為 50Ω，輸出最 大振幅為50mVpp~10Vpp。
3、訊號擷取系統
當上蓋觸發一正弦波後，便採用示波器或電腦接收訊號，並記錄之，
並在電腦上判斷剪力波到達時間；訊號接收系統應至少具有一個接收通道
（channel）及一個觸發同步信號通道（目的在觸發時間原點），若使用示波 器可透過 RS232 或 HPIB 介面將訊號輸出或直接將結果列印，而本試驗利
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用電腦配合訊號處理卡及信號輸入盒（功能類似於一般訊號量測之 terminal board）接收試體底座剪力波元件所激發之電壓波形，並且利用軟體同時進 行訊號平均運算等功能，最大接收訊號頻率為 25kHz。訊號接收軟體如圖 3.9 所示。