大地材料之殘餘強度性質

2.4.1 殘餘強度

粒狀或片狀材料中，經過外力影響而受剪使材料產生變形。當應 變量至某一範圍後，沿著剪動方向附近應力變形的顆粒結構重新排 列，若排列方式近乎平行剪力面方向而使材料強度不斷降低，達到一 穩態(steady state)值時，此時的強度稱之為殘餘強度。

2.4.1 殘餘強度特性與發展

Negussey et al.(1987)指出粒狀土壤的排水剪力強度參數僅只有 發揮摩擦角(mobilized angle of friction)。而此參數包含三種主要的阻 抗來源(Rowe, 1962 and Seed, 1967)：

1.顆粒間互相剪動的內摩擦角

圖2.3 粒狀土壤的排水剪力強度發展(取自 Miao, Ma & Wu 1999) Skempton (1985)為細粒土壤的殘餘強度作一些說明。過壓密黏土 產生峰後(postpeak)強度下降原因歸納如下結論:

(1)在相對小的位移下，因為含水量的增加(膨脹)使強度減少至完全軟 化或臨界狀態

(2)在大位移下，黏土顆粒排列成與受剪方向平行

而正常壓密黏土強度下降的原因完全由上述第(2)所影響。圖 2.4(a)顯示在不同細粒料含量的過壓密或正常壓密黏土應力應變曲線 發展。在黏土中包含扁平狀礦物和細粒料(顆粒小於 0.002mm 重量百 分比)含量小於 25%時幾乎沒有顆粒排列，此時的行為非常像是砂土 或粉土，粉土質或砂質黏土展現較接近標準的臨界狀態類型，大概約

o

乎沒有下降，而過壓密黏土峰後強度的減少則幾乎為含水量的增加所 影響，如圖2.4(b)。大於25%時，顆粒重新排列會更明顯，尤其含量 約50%時，完全由黏土礦物摩擦滑動控制殘餘強度。

圖2.4 固定正向應力中的剪應力-位移曲線(Skempton, 1985) 因此由 Skempton 研究中可知，正常壓密或過壓密黏土需要在 (1) 同一個方向(2)有大量剪位移且使得黏土顆粒排列平行剪動方向，黏 土才能達到殘餘強度。如圖2.5 所示Skempton and Petley (1967)為了 更加確認片狀黏土礦物剪力面顆粒重組排列的情形，以顯微鏡觀察 Walton’s wood 現地土壤顆粒組構。剪力面的剪力區顆粒排列會慢慢 趨向於受剪方向，更印證Skempton 對細粒土壤殘餘穩定狀態解釋。

在排水狀況下的體積變化上，Negussey et al.(1987)說明較疏鬆的 粒狀材料，在高正向應力經過剪力作用的體積皆為收縮變化。相對較 緊密粒狀材料，於初期先產生收縮，然而最後到達臨界狀態時幾乎為 膨脹行為參考如圖2.6 所示。

圖2.5 剪力面的土壤剪力區組構(Skempton and Petley, 1967)

圖 2.6 土壤鬆緊程度之應力應變曲線及試體高度變化(Das, 1997)

2.4.2 影響殘餘強度原因

Negussey et al.(1987)指出有些粒狀材料( 以 Ottawa sand 為例)的 殘餘摩擦角與顆粒大小、圍壓、正向應力及相對密度無關。如圖2.7a 所示，以相對密度 Dr=30%的中等 Ottawa sand 乾燥試體環剪試驗得 到平均約 30 度殘餘摩擦角與正向應力是互相獨立。若再以飽和試體 進行相同的試驗，由圖 2.7b 發現，有孔隙水的狀況下得到結果與乾

燥試體幾乎相同，殘餘摩擦角不隨正向應力增加而改變。將相同的砂 對應的發揮摩擦角ψmc與相對密度和圍壓有關。Negussey et al.(1987) 以Ottawa sand 的三軸試驗於試體最大收縮量時計算發揮摩擦角，並 發現摩擦角隨初始的相對密度增加而減少(如圖 2.8a 所示)。他引以 Rowe’s(1962)的描述並解釋細顆粒材料的行為，若試體密度較高，初 始受剪過程中顆粒重組程度是最小的，自身滑動的阻抗將會更明顯。

Negussey et al.(1987)再以 Dr=50%的中等 Ottawa sand 改變圍壓狀況 下，得到發揮摩擦角隨圍壓增加而增加(圖2.8b)。他認為這殘餘與發 揮摩擦角的顆粒於初始較疏鬆的狀態可能相似。

Castrol (1969)等學者以殘餘強度的穩態解(steady-state)方法僅視 之為土壤孔隙比之函數，但是許多學者以經驗或提出證據說明殘餘強 度性質亦與試體取樣方法、應力路徑及有效圍壓有關。Skempton (1984) 以現地的泥岩及粉砂岩的7 個試體，說明細粒料含量會影響殘餘強度 的發展(圖2.9)。而 Tika and Hutchinson (1997)以一案例分析將現地土

樣在超過正向應力 400kPa 下與其他試樣作比較，結果顯示細粒料含 量及塑性指數PI 對殘餘強度的影響如圖2.10，2.11，殘餘摩擦角隨這 兩個土壤性質增加而減少。

(a)中等乾燥試體;Dr=30% (b)中等飽和試體 Dr=30%

(c)中等乾燥試體 (d)乾燥試體(細顆粒) 圖2.7 殘餘強度與各種影響因素的關係(Negussey et al., 1987)

(a)中等試體 (b)中等試體 Dr=50%

圖2.8 發揮摩擦角的影響(Negussey et al., 1987)

圖2.9 細料含量對殘餘摩擦角影響(Skempton, 1984)

圖2.10 細料含量對殘餘摩擦角影響(Tika and Hutchinson, 1997)

圖2.11 塑性指數對殘餘摩擦角的影響(Tika and Hutchinson, 1997)