第二章 研究背景
2.3 反覆動力三軸試驗
在一般工程研究中，主要假設地震波垂直向上傳遞，並且只考慮 剪力波作用下的應力狀態，在地層中，土壤單元受地震作用力之前與 受地震反覆剪力時之應力狀況，其假設地面為水平，地層無初始剪力 作用。為模擬土壤承受地震力作用之應力狀況，Seed and Lee（1966） 提出一理想動力三軸試驗儀來模擬，理想之動力三軸試驗其應力狀況 必須軸向與側向應力均能變化，然而實際上設備之限制與操作技術上 皆有困難，因此現今室內試驗所使用之反覆動力三軸（cyclic triaxial compression device）多採用側向應力不變，其應力改變由軸向應力負 責。
2.3.1 抗液化強度之定義
Seed and Lee（1966）曾提出：利用反覆應力控制的三軸試驗儀，
來觀察試體在受反覆應力後的行為，當試體在某一有效圍壓壓密完成 後，使其承受連續且相同強度之反覆應力，直到試體的 peak-to-peak 之軸應變達到一定值為止。除了判斷試體的軸應變外，超額孔隙水壓 也是一個重要的指標，通常當超額孔隙水壓接近有效圍壓時，即為通 稱的液化現象，而鬆緊砂在液化時，其軸應變反應出來的行為也有些 許的差異。以下為反覆應力控制的三軸試驗，常用來判定液化或抗液
1. DA axial strain（double amplitude or peak-to-peak）：
在同一個反覆震動的週期內，對於試體受拉或受壓階段，找出其 最大之軸應變，而受拉與受壓兩者軸應變量之和，即為所謂的 DA axial strain，一般大致都定義DA axial strain 為5%或 10%時，即為液 化。
2. Nc（load cycles）：
當試體受拉與受壓一循環時，稱之為 N=1，每秒反覆震動的次 數，即為震動頻率。Yoshimi and Oh-oka（1975）曾提出反覆應力比 的頻率與液化無關；Hardin and Richart（1963）曾提出當反覆頻率小 於25Hz時，頻率對於剪力模數無明顯的影響。
3. pore water pressure ratio（∆u σc′ ）：
一般來說當∆u σc′約等於 1時，則為液化， u∆ 為超額孔隙水壓，σc′
為有效圍壓。當∆u σc′ 接近於1時，即有可能造成DA axial strain 為 10%以上的現象。
4. cyclic stress ratio（σd 2σc′）：
為了同時考慮反覆軸差應力σd（σ1 −σ3 =σd ）與壓密後有效圍 壓σc′對於抗液化強度的影響，Finn（1971）提出initial effective stress ratio的觀念，即把圍壓的影響正規化，因而有了cyclic resistance ratio
（CRR）的指標。σd為最大軸差應力， ′
σc 為有效圍壓，CRR通稱為
反覆應力比。
2.3.2 影響液化之因素
影響砂土液化行為的因素甚多，且仍未完全，以下主要探討室內 反覆動力三軸試驗對於砂土液化特性的影響，其綜合歸納如下：
1. 砂土緊密度：砂土緊密度為影響砂土液化行為的主要原因之 一，一般而言以相對密度 Dr 或孔隙比 e 來代表砂土的緊密 度，隨著相對密度的增加或孔隙比減小，其抗液化強度增加。
2. 有效圍壓：Seed（1971）試驗圍壓範圍 150~800kPa，得到以 下結論，隨著圍壓增加，引致所需要之反覆應力比降低；
Castro（1977）試驗 50~600kPa，也得到相同之結果；Seed
（1983）並進一步提出有效圍壓修正係數K ，於σ 2.3.3節加 以詳述。
3. 砂土顆粒大小：Seed（1976）認為均勻細砂或細粒沉泥質細 砂最易發生液化，若以平均顆粒尺寸 D50表示之，其範圍在 0.7mm至0.08mm 之間。
4. 砂土級配與形狀：級配均勻的砂土較優良級配的砂土容易液 化，砂土顆粒越接近球形越易液化。
5. 砂土顆粒結構：在室內重模試體，不同的試體製作方法有不
6. 細粒料含量（fines content，FC）：因細粒料含量之影響因素 過於繁雜，於2.4 節加以詳述
2.3.3 有效圍壓之影響
Seed and Idriss（1971）與Castro and Poulos（1977）皆曾針對有 效圍壓與反覆應力比之關係做過試驗，得到以下相同之結論：隨著有 效圍壓之增加，引致液化所需之反覆應力比降低。其原因在於當處於 相同的外力情況下，由於壓密應力的增加，將使超額孔隙水壓產生的 速率延緩許多，因此若震動次數相同，壓密應力越大，其超額孔隙水 壓增量則越小，而在某超額孔隙水壓比值之下，體積應變隨著初始壓 密應力之增加而增大。Mulilis et al.（1975）提出，土壤抗液化強度之 反覆應力比隨著有效圍壓之增加，而略成線性降低之情況。
而Seed（1983）提出一修正係數K ，其定義為在某一個有效圍σ 壓 ′
σc 下之CRR與在有效圍壓σc′ =100kPa下的CRR之比值；而Seed and Harder（1990）針對 Fraser River Sand、Tailings Sand與Ottawa Sand 三種砂土，提出K 與有效圍壓之關係圖，如圖σ 2-3所示。