反射波形影響因子

(A)纜線電阻

假設在傳輸纜線長度短、低衰減前提下，纜線電阻對反射訊 號的影響不大。但是現地監測點通常與時域反射儀有一段距離，

因此需埋設一段長距離之電纜，故纜線電阻不可忽視。纜線電阻 會造成上升時間(rise time)與訊號衰減的增加，致使反射波形平滑 化、空間解析度降低、反射係數減小。

Su (1987)的研究指出，隨著電纜長度增加，上升時間隨之增

長、反射波形平緩化，電磁波於不連續處走時增大，引致空間解 析度之降低，如圖2.16。

Kim (1989)以相同直徑不同長度之電纜得到當纜線長度增長 時，對應相同的剪位移下，反射係數變小(圖2.17)。Pierce et al. (1994)

量測 4 種不同變位量，其結果亦說明了反射係數隨長度增加而減 小(圖2.18)。

(B)纜線變形模式

現地地層中的滑動破壞之行為甚為複雜，電纜埋設於地底下 時，可能遭受剪力、張力或此兩種複和式力量之作用；彎矩作用 的行為亦同樣存在。為析離出當纜線受各種不同力量機制作用 時，所發生的行為與反射訊號的關係，將以往學者的研究成果說 明如下。

Dowding et al. (1989) 進行模擬纜線於岩塊受剪時之情形，得 到當剪位移逐漸增大時，反射釘狀波形亦更加顯著，直到纜線剪 斷破壞而產生正向反射，如圖2.11。

O’Connor (1991)的研究說明了當對應相同剪位移，剪力帶寬 度(air gap)越寬，靈敏度越小，如圖2.19。

Dowding et al. (1989) 進行模擬纜線於岩塊中受拉之行為，隨 張力變形之增加，反射訊號之頸縮現象隨之加寬，當纜線破壞，

成開放性之迴路 (open circuit)，如圖 2.20。

通常對應相同的剪力與張力位移下，電纜受剪之反射係數比 張力來的大。

O’Connor et al., (1995) 指出，電纜於土層中受錯動變形，當

發生局部化錯動變形，可以纜線受剪力作用行為解釋錯動量與反 射訊號之關係 (圖2.21a)。當剪力帶超過某寬度時(圖2.21 b-c)，纜

線並受有彎矩作用，反射波形呈現兩處明顯凹痕，以凹痕間距近 似剪力帶寬度是可行的方式。

Lu (2003)研發出模擬現地錯動變形之剪力盒(圖2.22)，考慮剪 力帶寬度、延長線長度與多重反射等影響。剪力帶寬度之增加導 致初始反應值增加及反射係數之減少；延長線長度增加使反射訊 號變小；多重反射影響下，初始反應值增加且反射波形之振幅寬 度與深度將變小。

(C)其它

過去學者的研究指出，電纜多區段變形、現場灌漿、噪音等，

均會影響反射波形。本研究的R 之 TL model 可解決多區段變形的 影響，現場灌漿與電纜破壞模式有著密不可分的關係，而噪音對 反射訊號的影響並不大。

以往在錯動變形量化上，沒考慮因纜線電阻R 所影響之訊號衰減

與上升時間之增加。本研究以傳輸線波傳理論，加入纜線電阻R 的影 響，建立一數值模擬與反算的方法。在簡化錯動變形影響因子下，不 考慮剪力帶寬度影響，以不同長度電纜做室內錯動變形試驗，探討阻 抗與錯動量之關係。此外，將結合 OTDR 與 TDR 施做錯動變形試驗，

探討 OTDR 光纖量測與錯動變形之關係，因目前 OTDR 量測系統尚 未應用在有關地層錯動之研究，故文獻回顧不含此部分，關於OTDR 光纖量測原理將於第四章介紹。

圖2.1 傾斜探管照片 (Green and Mikkelsen, 1988)

圖2.2 傾斜探管之現地配置與變形剖面

(Wilson and Mikkelsen, 1978；Green and Mikkelsen, 1988)

圖2.3 孔內傾斜儀構造和配置圖 (Wilson and Mikkelsen, 1978)

圖2.4 Slope Extensometer 現場配置 (after Kirschke, 1977)

sampler

Oscilloscope Step Generator

Coaxial Cable

Measurement Probe

TDR Device

L

圖2.7 不同之阻抗不連續所產生之反射波形

( TD 為入射電磁波碰到不連續面回彈為接收器所接收之時差)

錯動介面反射

圖2.8 TDR 變形監測之反射訊號與原理

圖2.9 岩體變形監測 (O'Connor and Dowding, 1999)

圖2.10 單向度剪力試驗裝置 (Dowding et al. 1989)

圖 2.11 剪力變形與反射係數之關係圖 (Dowding et al., 1989)

圖 2.12 不同外徑同軸纜線的反射係數與剪力變形之關係 (Dowding et al., 1989)

圖 2.13 張力、剪力試驗裝置 (Su,1998)

圖2.14 反射訊號電壓降的面積對時間關係的積分 (Su and Chen, 1998)

圖 2.15 剪動量與面積之關係 (鍾宏達, 2000)

圖2.16 空間解析度受纜線長度影響 (Su, 1987)

圖2.17 反射係數隨纜線長度增加而遞減 (Kim, 1989)

圖 2.18 對應 4 種不同變形，反射係數隨長度增加而減小 (Pierce et al., 1994)

圖 2.19 TDR 反射訊號因剪力帶寬度之影響 (O’Connor 1991)

圖2.20 電纜受張力作用之頸縮現象 (Dowding et al., 1989)

圖2.21 不同剪力帶寬度之 TDR 反射波形：(a)局部剪動；(b) 小錯動帶寬與纜線受彎曲；(c)大錯動帶寬(O’Connor, 1995)

圖2.22 模擬現地錯動變形之剪力盒