動態三軸試驗設備

動態三軸試驗裝置之主要功能是進行軸向應力控制之反覆荷重三軸 試驗，以決定試體受反覆荷重情況下之 CRR。本試驗採用 NCTU 大地工 程實驗室自行研發 (黃安斌, 1998) 之動態三軸試驗設備，相關設備包含 三軸室、反覆荷重加載系統、軸壓控制系統、氣壓及水壓控制系統、量 測設備及訊號擷取系統等六項。

1.三軸室

圖 4-8 為動態三軸試驗設備設計示意圖，用以安裝土壤試體進行試 驗，試體直徑為70 mm，高度 140 mm；試體頂蓋及底座皆有一透水石，

並各嵌入一剪力波元件（bender element），用以傳送及接收剪力波，將 於5.2.3 單元詳述。三軸試驗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。剪力波元件線路及輸氣管線連接至三軸 室上方外，所有輸水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 軸室內並固定於試體頂部，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 ， 內 部 含 有 3 個 大 小 不 同 之 氣 囊

（bellofram），可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；試驗系統採用之步進/伺服馬達外覆一金屬罩，並垂直施力予三 軸室荷重桿，三軸室之荷重桿與馬達之間以螺紋接合，便可進行上拉下 壓反覆式三軸試驗。

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 100 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 4-8 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，依此順序將各元件結合，若將三軸室荷重桿與栓槽軸接合，便 可進行上下反覆式三軸試驗。

3.軸壓控制系統

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4-9 所示，可由程式控制馬達伺 服應力及方向；進行應力回饋控制試驗時，由於馬達卡本身便具有微處 理器，由電腦傳送訊息至馬達卡後，馬達卡本身便可進行回饋計算。因 此，若在同一台電腦同時進行馬達控制及試驗資料記錄，對於記錄的速 度並不會有何任影響。

4.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，利用高壓塑膠管路，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。

5.量測設備

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外，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。

軸向荷重量測使用沉水式荷重元（load cell），將之置於三軸室頂部

（如圖4-8），此荷重元可用於量測軸向荷重達 5kN（500kg_f或1100 lb），

此荷重元內部充滿除氣油，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 4-1 所示。

6.訊號擷取系統

本試驗於施加反覆荷重時，主要量測load cell、LVDT 及兩個 pressure transducer（圍壓及反水壓）之變化值。因此，各量測元件感應器（sensor）

所量測到的電壓值所輸出的類比訊號透過 AD 卡轉換為數位訊號傳輸至 電腦，配合 LabVIEW 程式，可即時處理 load cell 所傳回之訊號做應力伺 服控制，同時並記錄所有感應器之訊號。

圖 4-8 動態三軸試驗設備示意圖

drive shaft motor

motor chamber

bellofram

back pressure base plate

specimen pedestal bender element load cell

top cap

soil specimen

internal strut acrylic tube piston clampattachmentpiston head

LVDT piston pressure

cell pressure

NI

PCI-7344

NI

UMI-7764

Compumotor DYNASERV

Power Code encoder signal

motor Driver

圖 4-9 馬達驅動控制系統示意圖 (林靜怡, 2003)

表4-1 動態三軸試驗量測系統規格表

感應器 量測範圍 解析度

剪力波元件 --- γ<10^-4%

LVDT 50 mm 0.01 mm

沉水式荷重元 5 kN 0.1N

水壓計 700 kPa 0.01 kPa