第四章 研究結果與討論
照片 3. 5 大型直剪儀改良後加入剪力帶環片示意圖
3.2.3. 試體準備
試體製作分為兩部分：一為製作水泥灌漿圓柱體包覆同軸纜線；二為水 泥灌漿圓柱體外側外填材料之準備與裝填，製作過程如下所述：
(a)試體係以內徑 5 cm PVC管為外模，將試驗用同軸纜線外部以工業酒 精擦拭後，固定於PVC管正中央，攪拌均勻水灰比 1：1 (water /cement ratio, W/C)灌入PVC模內(照片 3. 6(a))，待水泥乾凝後進行拆模，並依不同之剪 力帶寬度修剪為長度約49 cm、52cm、54cm的試體，爾後以濕毛巾裹住水 泥試體進行養護(照片3. 6(b))，從灌模至養護期共三天，灌漿材料使用市 面上常見波特蘭水泥(Portland cement)第一型，考慮現地灌漿工作性，本試 驗使用水灰比為1:1。
(a) (b) 照片3. 6 (a) 水泥-纜線複合材料製作過程 (b) 水泥養護過程
(b)外填材料分別為細礫石(Fine Gravel)、渥太華砂(Ottawa sand)，其基 本物理性質與粒徑分析如表3. 5與圖 3. 8所示，其中粗砂有 77.6 %累積停留 於4 號篩，依AASHTO對粒徑大小分類屬細礫石(Fine Gravel)。試驗時將養 護完成水泥灌漿圓柱(含同軸纜線)置於剪力盒及剪力帶環片中間，控制每 次外填材料密度約略一致。外填材料約分三層夯實，夯實完畢後再以上蓋
鎖緊，再利用側向千斤頂施加所規劃圍壓應力。
表3. 5 外填材料基本物理性質
土壤種類 渥太華砂 (Ottawa sand) 細礫(Fine Gravel)
內摩擦角
(degree) 30.7 42.68
乾單位重
U. S. Standard Sieves Hydrometer
Gravel Coarse
Sand Medium Sand Fine Sand Silt Size Clay Size
圖3. 8 土壤種類粒徑分佈曲線
3.2.4. 試驗流程
如前所述，本研究自行研發一可適當模擬現地因滑動而造成纜線斷面 幾何改變之大型直剪儀及剪力帶環片，其中大型直剪儀方面，材料互制行 為所引致TDR 反射訊號(ρ)與剪力盒相對位移(δ)之間的關係已於林文欽 (2007)論文中獲得相當成果，而本研究著重於大型直剪儀中加入剪力帶環 片，解決TDR 錯動變形監測於軟弱土層中，以利進一步量化分析的依據。
茲將大型直剪儀加入剪力帶環片試驗流程表示如下圖3. 9，並敘述如 下：
1. 剪力盒及剪力帶環片裝填：如前所述，將養護好的水泥-纜線圓柱置入 剪力盒與剪力帶環片中央，於不同剪力帶寬度時，以相同土壤密度將外 填材料分次夯實；另外將上、下盒與剪力帶環片接觸處塗抹黃油，以減 少擋版、剪力盒、剪力帶環片相互之間的摩擦力。
2. 擷取器與顯示器架設：將已經固定在適當位置的位移計與量測剪力、圍 壓應力之Load cell 連接顯示器，並將量測值歸零。
3. 圍壓應力：待剪力盒裝填試體重模完成，以側向千斤頂施以一固定應力 並予以記錄。
4. TDR 初始波形量測：連接纜線與 TDR 1502C，利用本研究團隊自行研 發之擷取程式記錄TDR 初始反射訊號。
5. 施加剪力：利用千斤頂以每次約 1 mm 位移量剪動，每剪動一次即記錄 位移量、剪動力與TDR 反射訊號。從目前累積的試驗經驗，當剪動位 移至70mm 左右，剪力盒及剪力帶環片皆已相當靠近試體，可能有邊界 效應的產生，因此重複至剪力盒相對位移達70 mm，即停止試驗。
6. 拆模：完成一剪動試驗後，拆解剪力盒以了解盒內水泥圓柱與纜線受剪 時變形模式。
剪力盒及剪力帶環片架設
擷取器與顯示器架設
施加圍壓應力
TDR 初始波形量測
施加剪應力
拆模
圖3. 9 試驗流程圖
3.2.5. 試驗規劃
於林文欽(2007)的大型直剪試驗，存在有在相同配置下，每次試驗的 結果不同之問題，本研究主要將先針對此做一更符合現地的改變，以達到 在符合現地的前提下，試驗重複性能一致。另外於軟弱帶中，過去文獻採 用空氣間距(Air gap)來模擬，與現地狀況明顯差異過大，為此設計能充分 模擬現地剪力弱帶的剪力帶環片，期能了解剪力弱帶對TDR 錯動變形之影 響。
茲將試驗規劃整理如表3. 6，並詳細說明如下。
表3. 6 試驗規劃
模擬剪應變梯度 Ottawa sand Ottawa sand
(a) 大型直剪儀-試驗重複性
望能藉此改善錯動變形監測的靈敏度及初始啟動門檻值(δD)。
有鑒於林文欽推薦於軟弱地層安裝TDR錯動變形監測系統選擇RG-8 纜線，
其試驗獲得的纜線靈敏度(S)及初始門檻值(δD)與本研究試驗所得結果差異過 大，將於下章詳細說明，因此，本研究將於RG-8 纜線上置入球形節點，並在球 內灌入AB膠，球的直徑為 2 公分，球與球間距也為 2 公分，詳細纜線配置如照 片3. 7(a)；以及於RG-8、P3-500 纜線置入圓柱狀節點，內部也是灌入AB膠，
圓柱長7 公分，，間距約 4 公分，配置如照片 3. 7(b) (以RG-8 為例)，測試結 果是否如預期能改善靈敏度及啟動門檻值，並互相比較，結果將於下一章探討。
(a) (b)
照片 3. 7 RG-8 纜線加入 (a) 球形節點 (b) 圓柱形節點
第四章 研究結果與討論
本研究主要分為三個部份來說明，第一、大型直剪儀試驗重複性改良：
有鑑於重複性會影響試驗的品質及後續的量化處理，先行探討林文欽(2007) 試驗的可靠性，再進行後續的試驗；第二、模擬於軟弱土壤中，剪動方式 為一非應力集中的行為；第三、在纜線上加入節點，評估是否有助於增強 TDR 反射訊號。最後綜合以上結果，改善林文欽(2007)於現場所建議的安 裝標準程序，使其更完整。
4.1. 錯動變形試驗影響因子探討
為了充分模擬更加符合現地軟弱土層的剪動行為，以及量化變形量，
規劃了一系列錯動變形試驗，試驗配置與規劃已於3.2.5 節詳述，主要目的 為能於各種地層中量化變形量，並藉由試驗結果探討不同試驗配置條件 下，外部位移量(δ)與TDR反射係數(ρ)之關係，以利後續量化分析工作。
隨試驗過程記錄TDR反射訊號、剪力盒相對位移量、圍壓應力及剪應力，
不同試驗條件下的剪應力∕正向應力-位移曲線分兩種纜線整理如圖 4. 1及 圖4. 2，從目前試驗累積的經驗觀察發現，當剪力盒剪動到約 70mm左右，
剪力盒剪動面會越來越靠近水泥試體，導致水泥試體被剪力盒直接壓迫，
因此，剪動70mm以後的試驗數據不足以採信，後續試驗曲線皆只繪至 70mm。
0 10 20 30 40 50 60 70
Shearbox Displacement δ, mm
Shear stress τ, kN/m2
τ v.s. δ
Shearbox Displacement δ, mm
Shear stressτ, kN/m2
τ v.s. δ
茲將室內錯動變形試驗結果分為試驗重複性、剪力帶寬度對於TDR 反 應之探討與提高TDR 訊號靈敏度之成效等三個影響因子，依序在後續小結 討論。
4.1.1. 大型直剪儀改善：試驗重複性
試驗若沒有重複性，則將很難有可靠的數據進行量化變形量，因此首 先針對林文欽(2007)室內大型物理模型進行改良，逐步釐清造成試驗重複 性不佳的原因。
參考先前林文欽研究建議，軟性(RG-8 型)纜線適用於較軟弱地層，試 驗外填材料採用渥太華砂；而剝皮硬性(P3-500 型)纜線適用於較堅硬地層，
試驗外填材料則使用細礫石，控制灌漿配比(W/C = 1：1)，並於每次試驗 施以固定之圍壓應力(285.21 kN/m2)以確保每次邊界條件為相近，探討纜線 於固定配置靈敏度(sensitivity, S)及初始啟動門檻值(trigger threshold value, δD)之結果。試驗結果將分為外填材料-灌漿-纜線複合勁度、TDR 反射波形 與各纜線之靈敏度(S)與初始啟動門檻值(δD)、回歸啟動門檻值(δ0)四個 部份。
(1) 外填材料-灌漿-纜線複合勁度：
固定條件下，不同纜線之剪應力-位移曲線如圖 4. 3，對應整體複合材 料剪力勁度(shear stiffness, kgs)整理於表4. 1，其中纜線種類後面有括號fix 的是表示有束制水泥試體及纜線，沒有括號的為林文欽(2007)先前試驗所 得，各纜線所對應的線性段斜率差異不大(RG-8 型=37~51、P3-500 型
=94~117)，可證明每次試驗條件配置近乎相同。
0 10 20 30 40 50 60 70 0
100 200 300 400 500 600 700 800
Shearbox Displacement δ, mm
Shear stress τ, kN/m2
τ v.s. δ
P3-500 + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2 P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2 P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2 RG-8 + W/C=1 + Ottawa sand + σv=285.21 kN/m2 RG-8(fix) + W/C=1 + Ottawa sand + σv=285.21 kN/m2 RG-8(fix) + W/C=1 + Ottawa sand + σ
v=285.21 kN/m2
圖4. 3 固定纜線，相同配置下之剪應力-水平位移曲線
(2) TDR 反射波形：
圖4. 4為各纜線反射係數，相同條件下，模擬現地狀況加入束制的機制(束 制水泥試體及纜線)，強迫纜線被拉緊，軟性RG-8 纜線因原本勁度較小，
束制後反而造成勁度變大，需要較大的外力才能將纜線外覆之灌漿材料擠 碎(如照片4. 1)，促使纜線產生反應，導致不易產生波形反應；而相對來說，
硬性P3-500 纜線本身勁度較大，束制前後變化不大，因此波形變化沒有軟 性纜線來的明顯。與林文欽(2007)的試驗結果相比，雖然束制後軟性纜線 反射波形不明顯，但是其發展的趨勢較具一致性(如圖4. 4)。
0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2
Reflection Coefficient, ρ
0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1
Cable length, m
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2
Reflection Coefficient, ρ
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
-0.3 -0.2 -0.1 0
P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv=285.21 kN/m2
Cable length, m
圖4. 4 相同纜線受剪之反射波形
照片 4. 1 同種纜線相同配置灌漿材料之變形模式 RG-8 + W/C=1 + Ottawa
sand + σv = 285.21 kN/m2
RG-8(fix) + W/C=1 + Ottawa
sand + σv = 285.21 kN/m2 RG-8(fix) + W/C=1 + Ottawa sand + σv = 285.21 kN/m2
P3-500 + W/C=1 + Fine Gravel + σv = 285.21
kN/m2
P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv = 285.21 kN/m2
P3-500(fix) + W/C=1 + Fine Gravel + σv = 285.21 kN/m2
圖4. 5為不同纜線靈敏度(S, ρ/mm)，將其取線性段作一次線性迴歸所 得結果整理於表4. 1。其中，啟動門檻值之定義分為初始啟動門檻值(δD) 與迴歸門檻值(δ0)，前者為經由目視可辨識之反射波形改變所對應初始 值，後者則為迴歸ρ-δpeak所得量化方程式與橫軸(δ)之截距。
(3) 不同纜線靈敏度與啟動門檻值：
Reflection Coefficient, ρ peak
0 10 20 30 40 50 60 70
Shearbox Displacement δ, mm
δ v.s. ρ
表4. 1 固定纜線，相同配置下之反應特性比較 Linear Regression Cable Type Diameter(m
m) P3-500 12.4 W/C=1:1 Coarse
sand 117 43(F) 43.266(E) 0.006290(C) 0.9393 285.21 3 P3-500(fix) 12.4 W/C=1:1 Coarse
sand 94 42(E) 44.890(F) 0.006861(A) 0.9853 285.21 3 P3-500(fix) 12.4 W/C=1:1 Coarse
sand 97 39(D) 42.670(D) 0.006317(B) 0.9791 285.21 3 Performance：(A) > (B) > (C) > (D) > (E) > (F)
從表4. 1可看出軟性(RG-8 型)纜線初始門檻值(δD)由先前的5mm降 為20mm左右，靈敏度(S, ρ/mm)從 0.001071 降為 0.000225、0.000275；
而剝皮硬性(P3-500 型)纜線其初始門檻值(δD)、迴歸門檻值(δ0)及靈敏 度(S, ρ/mm)皆為一致(δD =43、42、39mm，δD =43.266、44.890、42.670，
S=0.006290、0.006861、0.006317)。對照林文欽前期的研究，顯示加入束制 (束制水泥試體及纜線)的動作會造成適用於軟弱地層中的RG-8 型纜線反應 變慢，但是適用於堅硬地層中的P3-500 型纜線則無改變；而由水泥試體的 破壞情形來看，束制後的試驗，雖然水泥試體破裂面皆較為破碎，但是P3-500 纜線反應並無明顯變化，因此破裂面破碎應該單純為試驗中加圍壓時水泥 試體檔板所造成，影響纜線初始門檻值及靈敏度有限。推測造成初始門檻 值及靈敏度不佳的原因，應該為前一小節所述，故推測只要是採用細礫石 的試驗，結果應該和林文欽(2007)試驗結果一致，而用渥太華砂則使得纜 線反應下降。
本研究為模擬於現地取一塊體出來做試驗，其塊體外(即剪力盒外)之 水泥試體及纜線可視為被束制住，因此本試驗所採用的機制是較符合現地 的，而且試驗結果重複性良好，因此，後續試驗都將束制水泥試體及纜線，
以確保試驗的可靠度，進一步量化變形量。
以確保試驗的可靠度，進一步量化變形量。