壓力鍋試驗儀器及規劃

壓力鍋試驗土樣準備請參照 3.1.1 節，以下將介紹非飽和壓力鍋 試驗儀器與規劃，其中試驗儀器包括氣壓控制系統，非飽和壓力鍋控 制系統，溫度量測系統，TDR 量測系統及 TDR 同軸感測器。

1. 非飽和壓力鍋控制系統

利用壓力鍋來控制非飽和土體內的基質吸力及含水量，其中土壤 的基質吸力是指土壤孔隙空氣壓力（u_a）隙水壓力（u_w）之間差值隨 著土壤飽和度之提高，土壤之基質吸力逐漸降低，當完全飽和時，基 質吸力等於零（Fredlund and Rajardjo，1993）。因此儀器必須可以分 別獨力控制及量測土壤中的孔隙水壓力和孔隙氣壓力，因此需採用高

燒結製成，具有許多均勻小孔，充水飽和後每個小孔會產生一收縮 膜，收縮膜產生的表面張力(Ts)可阻擋空氣通過陶瓷板，而陶板表面 眾多小孔(半徑為Rs)所產生之收縮膜結合起來，就可以在空氣和水之 間起隔膜作用，如圖 4 - 9所示，如此空氣便無法通過陶瓷板。基質 吸力則為收縮膜上方之氣壓與收縮膜下方之水壓的差值，而陶板之進 氣吸力值指的是自由空氣通過飽和陶板所需之最大基質吸力。基值吸 力與陶板孔隙大小之關係如下式：

( _{a w d}) 2 ^s

s

u u T

− = R (5- 1)

式中，(ua - uw )d 為陶板之進氣吸力值(air entry value of ceramic disk ) Ts 為水-氣交界面之表面張力、Rs 為陶板孔隙之半徑

陶瓷板在非飽和土樣和孔隙水壓量測系統之間作為分界面，陶瓷 板中的水將土壤中的孔隙水和量測系統中的水連接起來，而在此同 時，空氣不能穿過高進氣值陶瓷板進入量測系統，必需注意的是，陶 瓷板必須在飽和的情況下才能進行孔隙水壓力的量測工作。

2. TDR量測設備及TDR同軸感測器

TDR量測設備請參照論文3.3.1節，TDR感測器由原本砂箱試驗所 採用cone的形式改由同軸形式中心探針部分為內導体，外部鋼模則為

外導体，鋼模高為16公分，直徑為10.2公分，鋼模側邊則開設一孔洞 放置溫度計，試體底盤則開設一槽溝放置高進氣陶瓷進氣板

3. 溫度量測系統

溫度感測器採用立紳公司的P-100 25m & TRH-301V，在溫度25^oC 時的精確度為±0.1％，連接訊號線至資料擷取模組回傳電壓值DC 0~2V，並由電壓換算成溫度-20~80^oC

4. 氣壓控制系統

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，壓力表可顯示圍壓之大小，精 度為0.2 kg/cm²。

試驗規劃主要如下：

1.高進氣吸力值陶瓷板飽和

施加一約 10~20(kpa)反水壓於陶瓷板，施加時間至少一天，當 陶瓷板表面完全浸濕，即達飽和狀態。

2.試體製作

將4 號篩以下寶二水庫土樣均勻分層夯實填入直徑102mm，高度 155mm之鋼模中，並控制其乾密度=15.5KN/m³，夯實過程中並將溫度 計埋入於試體內。

3.試體飽和

在試體飽和前先將純水進行除氣，避免試驗過程中純水內的氣泡 造成陶瓷版的不飽和，接著施加一反水壓於試體底部，並由試體上部 將除氣純水倒入試體內以增加飽和速率，當達預定飽和水量後，即可 視為已達飽和狀態。

4.基質吸力施加

試驗中最重要的步驟就是基質吸力的施加，利用基質吸力來控制 試體的乾溼循環，由之前的敘述，可以知道基質吸力為空氣壓力（ua） 與水壓力（uw）之間的差值，當基值吸力增加後水分會從土中流出，

並經由出水管流入玻璃量管中，當土壤中水分與基值吸力已達平衡則 水分不再排出。因此本試驗於基值吸力施加後每60 分鐘紀錄排出之 水分，當兩次紀錄之水分流出小於 0.1 ml 時，則視土樣達平衡狀態。

於乾測時，則逐階增加氣壓分別為0.1kg、0.5kg、1kg、2kg、3kg 及 4kg，隨基質吸力增加，土壤內的水分則被排出，平衡時進行 TDR 導 電度量測，由於平衡後會有部分氣體殘留在陶瓷板底部，因此利用一 反水壓將陶瓷板下之殘留氣泡排出至集氣裝置紀錄其殘留氣泡體 積，和排出水量相減進而得到一較為精確的含水量值；溼測時則逐階 減少氣壓，隨基質吸力減少，土壤則開始吸收水分，當平衡時進行 TDR 導電度與含水量之量測。

圖 4 - 9利用毛細作用模型描述高進氣吸力陶磁板原理

圖 4 - 10TDR 同軸感測器

圖 4 - 11 乾溼循環儀器示意圖 4.2.3 壓力鍋試驗結果

壓力鍋試驗利用TDR量測系統來探測同軸感測器中土壤之導電 度，故在試驗前需先將所使用的同軸感測器之量測波形進行相關率 定，研究中以純水加入不同鹽分來控制導電度，進行導電度的率定工 作。同軸感測器率定結果如圖 4 - 12所示，率定β值為0.079942，圖 中虛線為導電度值 1:1 直線，資料點則為TDR率定所計算之導電度 值，兩張圖的結果皆顯示出非常良好的對應關係，TDR導電度值幾乎 完整對應於實際導電度1:1直線上，因此以兩TDR cone感測器進行砂 箱土壤的量測可得到相當準確的導電度，而再由其倒數即可推求電阻 率。

圖 4 - 13為壓力鍋試驗導電度對含水量試驗結果，由結果可以觀察到 在乾側段時，逐階增加基質吸力時其含水量逐漸減少，體積含水量由

0.29減少至0.0009，在濕側段時，發現當減少基質吸力時，其含水量

逐漸增加，體積含水量由 0.0009 增加至 0.25，導電度亦隨著含水量 增加而增加，但在乾濕循環過程中並沒有明顯的遲滯現象產生，並且 由4-3式進行溫度補償修正，可得 4-5式

( )

(

)

(

) (

)

σ= + + − + + − θ− θ+ θ+

(4-5)

其中a等於 56.401，b等於1.1435，c等於 0.55456，d等於 0.0038434，e等於0.03335，σd等於 22.677(μs/cm)，其中θd可表示 0.55456*θ+0.0038434，如圖 4 - 15所示，隨θ由0增加到0.29則θd

則由0.003843增加至 0.165 ，由圖 4 - 14可以發現溫度修正後其結果 並沒有明顯差異，因此溫度並非為遲滯現象的主要影響因子。而壓力 鍋與砂箱試驗雖然皆是乾溼循環試驗，但其試驗過程並非相同，砂箱 試驗於濕測時，為急速降雨，壓力鍋則是利用基質吸力，使的土壤能 夠慢慢吸入水份以及排水，因此遲滯現象的產生是否與乾溼循環的速 度有關，將再利用4.3 節進行驗證及說明。

圖 4 - 12 TDR 同軸感測器導電度率定結果

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

θ

σ (μs/cm)

乾測 濕測

0

4.3 快速乾溼循環試驗

經由壓力鍋試驗結果發現，當利用基質吸力來控制土壤內的含水 量時，其乾溼循環過程中並沒有明顯的遲滯現象產生，為了驗證此重 複 性 ， 又 壓 力 鍋 試 驗 過 程 時 間 相 當 長 ， 因 此 將 採 用 Cho and

Santamarina(2001)所提出的方法來進行試驗，以減少所需試驗時間。

4.3.1 快速乾溼循環試驗方法及步驟

所使用試體模高為130mm，內徑100mm，材質為鋼材質，如圖 4 - 16。其模壁之孔洞為放置棉線之用，藉由棉線吸入/蒸散自來水使試 體內部達至一定含水程度，試體模底部亦有多個穿孔可容水通過。

為了驗證砂箱試驗及壓力鍋試驗結果，因此主要將此試驗分為兩 部份來進行，分別就快速濕潤和自然平衡濕潤來進行，而乾燥部分則 皆是自然乾燥。試驗土樣為寶山第二水庫庫區粉質砂土，將通過#4 標準篩之土樣進行試驗，控制土壤乾密度為γ^d=15.5kN/m³。快速濕潤 試驗部分是將試體放入於水箱中，主要靠試體周圍棉線及底部吸水，

放入後則持續監測其含水量與導電度值，以一較為快速濕潤方式來進 行；自然平衡濕潤試驗則是將試體底部封住，主要靠試體周圍棉線吸 水，放入水箱約 10 秒後，拿出並靜置約 1 小時，量其導電度與介電 度，第二階則重複上述。

圖 4 - 16 快速乾溼循環試體模 4.3.2 快速乾溼循環試驗結果

為觀察遲滯現象的產生是否與乾溼循環的速度有關，因此將就快 速濕潤及自然平衡濕潤方式來進行比較，試驗結果如圖 4 - 17及圖 4 - 18，由較快溼潤試驗觀察，於濕側其導電度隨體積含水量θ增加而 增加，體積含水量θ由 0.003 增加至 0.45，導電度則是由 0(μs/cm) 增加至 130(μs/cm) ，於乾側其導電度隨體積含水量θ減少而減少，

體積含水量θ由 0.45 減少至 0.31，導電度則是由 130(μs/cm)減少 至 60(μs/cm) ，於乾濕循環過程中，可以發現遲滯現象明顯的展開；

由自然緩慢平衡試驗觀察，於濕側體積含水量θ由 0.07 增加至

0.29，導電度則是由 0(μs/cm)增加至 180(μs/cm) ，於乾側體積含 水量θ由 0.29 減少至 0.12，導電度則是由 150(μs/cm)減少至 60(μ s/cm) ，於乾濕循環過程中，可以發現遲滯現象並沒有明顯的產生。

綜合快速乾溼循環試驗、砂箱試驗以及壓力鍋試驗，可以發現壓力鍋 試驗其導電度值較快速乾溼循環試驗低，是由於壓力鍋試驗所使用的 水為純水，而快速乾溼循環試驗所使用的水為自來水所造成，並且由 以上試驗中發現遲滯現象皆是於快速溼潤時產生，以較為緩慢濕潤速 度則遲滯現象則並不會產生開來，臆測遲滯現象是由於在快速溼潤過 程中，其水份部份由土壤吸入而部分水則是直接入滲與乾燥過程時孔 隙內水分分佈並不一致所造成；而緩慢濕潤試驗過程中，土壤由於基 質吸力，因此緩慢吸水，進而達到較為均勻試體，而自然乾燥過程中，

較乾土樣會由於基質吸力，因此吸附較濕土樣水分，進而達到較為均 勻試體，乾溼循環過程中試體皆是較為均勻試體，因此以緩慢濕潤速 度其遲滯現象則並不明顯。

0

五、結論與建議

5.1 結論

前期研究顯示，在砂箱降雨模擬的試驗中發現於乾溼的過程中土 壤含水量與電阻率具有遲滯現象，造成在乾溼過程中其含水與電阻率 關係並非單一線性關係，本研究主要目的在探討此一文獻中很少提到 的現象，以提高地電阻影像探測法推估非飽和地層含水特性之精確 性。研究工作可分為砂箱降雨模擬試驗，溫度與土壤導電度關係探 討，及壓力鍋試體緩慢乾溼循環試驗與快速乾溼循環試體試驗 ，各 部份所得結論茲分別說明如下：

前期研究顯示，在砂箱降雨模擬的試驗中發現於乾溼的過程中土 壤含水量與電阻率具有遲滯現象，造成在乾溼過程中其含水與電阻率 關係並非單一線性關係，本研究主要目的在探討此一文獻中很少提到 的現象，以提高地電阻影像探測法推估非飽和地層含水特性之精確 性。研究工作可分為砂箱降雨模擬試驗，溫度與土壤導電度關係探 討，及壓力鍋試體緩慢乾溼循環試驗與快速乾溼循環試體試驗 ，各 部份所得結論茲分別說明如下：