多重條件剪力強度 多重條件剪力強度 多重條件剪力強度 多重條件剪力強度

在前節已模擬土壤在部分飽和不排水的條件下之剪力強度，本節將把

「飽和排水」、「飽和不排水」、「部分飽和排水」、「部分飽和不排水」等四 種條件下之力學模擬結果討論比較。所模擬之部分飽和土壤初始飽和度設 定為 50%，圍壓設定為 100kPa 與 400kPa。其中在部分飽和排水的部份引用 鄒鄭翰(2007)所模擬之定吸力(suction=100kPa)模擬結果。模擬結果將比較四 種條件下之剪力強度，另外比較飽和排水、部分飽和排水、與部分飽和不 排水之體積變化情形。模擬結果如圖 4.7~圖 4.10 所示。

圖 4.7 不同條件下軸差應力對軸應變之模擬結果（圍壓 100kPa）

圖 4.8 不同條件下體積應變對軸應變之模擬結果（圍壓 100kPa）

圖 4.10 不同條件下體積應變對軸應變之模擬結果（圍壓 400kPa）

本研究之部分飽和不排水力學試驗由 4.1.1 節之初始飽和度之最低值約 在 40% ~ 50%，其主要原因乃考慮飽和度甚低時，土壤間之孔隙氣體接近 完全連通，則因空氣滲透係數高，孔隙氣壓增量應可快速消散，此時土壤 之力學行為實較為接近「部分飽和排水」之條件；因此假定當飽和度在 40%

~ 50%時，土壤間之氣體仍未完全相通，依然符合本研究之假設，可視為「部 分飽和不排水」之力學行為。

由圖 4.7~圖 4.10，部分飽和排水是以定吸力值 100kPa 進行模擬；部分 飽和不排水是以初始吸力值 100kPa(初始飽和度 50%)進行模擬。結果顯示，

部分飽和排水之剪力強度在四種條件中呈現偏高之趨勢。在部分飽和不排 水方面最大不同在於其模擬之曲線並無明顯之由彈性階段進入塑性階段的

變化，其餘三種條件下的模擬皆可看出有此一明顯趨勢；顯示吸力在部分 飽和不排水模擬中在有效應力中所佔的比例逐漸降低，使得土壤逐漸失去 吸力，影響土壤無明顯彈、塑性行為之分界；亦代表土壤在部分飽和不排 水的條件下以另ㄧ種逐漸失去吸力之方式影響土壤的有效應力。

以上所探討之土壤狀態皆設定為正常壓密狀態，為深入了解不同過壓 密比之土壤於不同排水與飽和度條件下之力學行為差異，因此再加入圍壓 100kPa 與 400kPa 下，由高度過壓密至輕度過壓密之過壓密比(OCR)分別為 5、3、1.5 之三組模擬三軸壓縮試驗以供比較，所模擬之部分飽和土壤仍設 定為 50%。兩組圍壓之模擬結果如圖 4.11-1 與圖 4.11-2 所示。

100

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p100

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p100

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p100

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p400

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p400

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p400

Deviatoric Stress (kPa)

D-S-1.0, p400

圖 4.11-1 與圖 4.11-2 之(a)~(h)為圍壓分別為 100kPa 與 400kPa 之不同 過壓密比土壤（OCR 分別為 1, 1.5, 3, 與 5），於不同排水與飽和度條件之 三軸壓縮試驗模擬結果。比較模擬所得結果，可明顯看出過壓密土壤與在 正常壓密土壤三軸壓縮之力學行為明顯有所不同。 其一、在過壓密條件 下，部分飽和不排水之剪力強度皆大於飽和排水之剪力強度，由此可知在 4.1.1 節中所曾提及「部分飽和不排水之剪力強度介於飽和排水與飽和不排 水的剪力強度之間，飽和排水與飽和不排水的剪力強度分別為部分飽和不 排水剪力強度之上、下限」之特性，僅在正常壓密土壤時方才成立，在土 壤為過壓密的條件下並不成立。造成此現象係因為土壤處於中、高度過壓 密情形下當土壤受剪時，體積有剪脹效應產生，於部分飽和不排水條件下，

當體積回脹使得土壤之體積飽和度下降反而使得吸力值上升，因而增加土 壤的有效應力，所以對於中、高度過壓密土壤，部分飽和不排水之剪力強 度可能會大於飽和排水時之剪力強度，而且過壓密比越大時其趨勢越趨明 顯。其二、在正常壓密的條件下部分飽和不排水之剪力強度模擬曲線無明 顯之由彈性段進入塑性段的分界；但對過壓密土壤無論是飽和土壤之排水 與不排水、部分飽和土壤之排水與不排水皆有明顯由彈性進入塑性之模擬 曲線。此結果亦表示部分飽和不排水之剪力強度在正常壓密與過壓密的條 件下，受剪體積改變行為不同因而影響體積飽和度，進而誘發吸力值的改 變，影響受剪行為及剪力強度。

4.2 模擬 模擬 模擬 模擬 Knodel & Coffey(1966)試 試 試驗 試 驗 驗 驗

Knodel 與 Coffey(1966)曾對部分飽和土壤進行不排水的三軸試驗；實 驗期間在加圍壓與軸差階段皆不允許氣、水的排出，分別觀察孔隙氣壓、

水壓在街圍壓段與軸差段之變化情形。Knodel 與 Coffey (1966)共做過三組 試驗，本研究選擇其中一組試驗結果加以模擬，其實驗原始數據如圖 4.12 所示。由於 Knodel 與 Coffey (1966)的原始試驗中並未有太多原始試驗時之 土壤相關參數，本研究轉向其前一系列由 Gibbs 與 Coffey(1963)相似之土 壤試驗中試圖取得更多土壤參數。 而與部分飽和土壤相關之參數部份則以 推估方式用以模擬，所有試驗模擬各項參數如表 4.2 所示。

圖 4.12-1 Knodel-Coffey 不排水三軸試驗，應力對應變圖 (Knodel & Coffey, 1966)

圖 4.12-2 Knodel-Coffey 不排水三軸試驗，(a)孔隙壓力對圍壓 (b) 孔隙壓 力對軸差應力 (Knodel & Coffey, 1966)

Knodel 與 Coffey(1966)的試驗中僅觀察孔隙壓力分別在圍壓段與軸差 應力段的變化情形，對於土壤的各項參數並未有特別詳細之交待，因此在 模擬上與實驗值有相對之較大誤差；並且在對土壤體積飽和度、吸力值、

破壞時之軸差應力與體積應變等各項變化與軸應變間的受剪行為並未加以 探討，對此部份本研究稍後會針對模擬結果加以討論；模擬結果如圖 4.16、

圖 4.17、圖 4.18、圖 4.19、圖 4.20 所示。

表 4.2 模擬 Knodel-Coffey(1966) 不排水三軸試驗所需參數

Cam-clay Model 基本參數

參數名稱 參數值

圖 4.13 Knodel-Coffey 三軸不排水試驗，孔隙壓力對圍壓之模擬結果

圖 4.14 Knodel-Coffey 三軸不排水試驗，孔隙壓力對軸差應力之模擬結果

在圖 4.14 中，孔隙氣壓對軸差應力在一開始即產生誤差乃肇因於圍壓 加載模擬結束後，孔隙水壓的模擬即已與實驗值有誤差；因此，考量此誤 差因素與為模擬真實土壤在不飽和情況下，其受載應力路徑並未有加圍壓 段，為模擬此一真實受剪情形，本研究接著再對孔隙壓力隨軸差應力之變 化重新模擬；重新模擬之初始狀態以圖 4.14 中之孔隙氣壓與水壓的差值為 初始吸力值，以其預壓密壓力為初始應力狀態施以軸差應力加載，結果如 圖 4.15 所示。孔隙氣壓、水壓隨軸差受剪之模擬結果較原先以三軸試驗圍 壓加載完畢後在進行軸差加載之結果更符合實驗值。

圖 4.15 重新模擬 Knodel-Coffey 三軸試驗中孔隙壓力對軸差應力之變化

圖 4.16 Knodel-Coffey 三軸不排水試驗，體積飽和度、吸力對軸應變之模 擬結果

圖 4.17 重新模擬 Knodel-Coffey 不排水試驗軸差段加載，體積飽和度、吸 力對軸應變之模擬結果

圖 4.18 Knodel-Coffey 三軸不排水試驗，軸差應力對軸應變之模擬結果

圖 4.19 Knodel-Coffey 三軸不排水試驗，孔隙壓力對軸應變之模擬結果

圖 4.20 Knodel-Coffey 三軸不排水試驗，體積應變對軸應變之模擬結果

圖 4.16 至圖 4.20 為軸差應力加載情況下，土壤體積飽和度、吸力值、

破壞時之軸差應力與體積應變等與軸應變關係之模擬結果；圖 4.16 與圖 4.17 分別為原三軸模擬與重新應力路徑狀態模擬的體積飽和度與吸力值對軸應 變的關係，圖 4.18 中顯示模擬類真實部分飽和土壤的受剪行為，其到達破 壞時之極限飽和度會較低，在對應到圖 4.19 與圖 4.20 中極限破壞軸差應力 與孔隙氣壓、水壓也均呈現較低之行為，原因在於原三軸兩階段加載(圍壓 段、軸差段)中，圍壓加載完成後之應力狀態(即加軸差應力之初始應力狀態) 較重新模擬真實受剪之應力狀態要來的高，因此致使各項模擬均呈現較低 數據之情形。

大致上就整體模擬而言，在不排水的條件下，孔隙氣、水壓逐漸上升，

各項模擬趨勢有趨向類飽和土壤不排水的趨勢。

4.3 模擬 模擬 模擬 模擬 Graham et al.(1995)試驗 試驗 試驗 試驗

Graham et al.(1995)為了進行核廢料儲存槽緩衝材料之研究，使用以矽 砂─皂土的膨脹性土壤試體做了一系列的部份飽和土壤三軸試驗，其中包 含了壓密不排水三軸試驗(CIU test)、不排水定體積試驗(Constant Volume Test) 與快速不排水三軸壓縮試驗(UUU test)或稱定質量試驗等試驗；其中 以快速不排水三軸壓縮試驗(UUU test)的實驗結果與本研究方向相關，所以 本研究選定以其快速不排水三軸壓縮試驗作為模擬對象。Graham et al.(1995) 所做之一系列試驗中亦論及溫度對部分飽和土壤之剪力強度影響，本研究 方向主要為暫態等溫之探討所以選定之試驗模擬對象皆以 Graham et al.

(1995)試驗中常溫 26^oC下所作之試驗結果，除一組 Graham et al.(1998)所做 之高圍壓下溫度效應已不明顯之數據。此系列試驗模擬參數取得所需的壓 密試驗結果與土壤特徵曲線如圖 4.21 與 4.22 所示。所選定之兩組試驗原始 數據如圖 4.23 與圖 4.24 所示。

圖 4.21 Graham et al.之壓密試驗結果(Graham et al., 1995)

圖 4.22 Graham et al.之特徵曲線(Graham et al., 2002)

圖 4.23 Graham et al.三軸試驗結果(ㄧ) (Graham et al., 1995)

圖 4.24 Graham et al.三軸試驗結果(二) (Graham et al., 1998)

兩組 Graham et al.(1995、1998)快速不排水三軸試驗中主要皆是為了研 究核廢料儲存槽緩衝層材料之力學行為與特性，雖有從低圍壓做至高圍壓 之試驗範圍，但仍以高圍壓試驗為大宗；所以兩組選定模擬試驗之圍壓之 皆相當大，分別達 1MPa 與 3MPa，而其所使用之土壤試體為矽砂─皂土的 混合材料為主基本上乃屬正常壓密至輕度過壓密之土壤。Graham et al.(1995) 試驗目的其中之一乃為探討部分飽和土壤在定溫下剪力強度受初始飽和度 的影響，在初始飽和度較低時，破壞時之軸差應力值較大確實因初始飽和 度低時有較大之吸力值有關；而當圍壓更大時，強度也因圍壓增大而增加。

本研究對此項試驗之模擬結果如圖 4.25 與圖 4.26 曲線所示，原始數據以資 料點方式合併於圖中顯示；而 Graham et al.(1995)儘管並未曾探討受剪過程 孔隙水壓之變化，本研究仍將模擬結果提出討論。模擬之相關參數則如表