第二章 文獻回顧
2.3 土壤剪力波速量測
2.3.1 室內剪力波元件試驗(Bender Element Test)
室內土壤剪力波速的量測早期由美國德州大學(University of Texas at Austin)利用剪力片(Shear Plate)進行試驗(Shirley，1978)，其成分以石英或 壓電水晶為主。然而隨科技發展，目前以壓電陶瓷材料所組成之剪力波元 件(Bender Element)逐漸取代剪力片，因此關於室內剪力波速量測方法多採 用一組剪力波元件(Bender Element)進行量測。
壓電陶瓷可分為串聯與並聯兩種連接方式，不同的連接方式會有不同 的壓電特性。串聯時機械能轉換為電能之功率是並聯的兩倍，通常用做剪 力波試驗之發射端；反之，並聯時電能轉換為機械能的功率是串聯的兩倍，
通常用做剪力波試驗之接收端，如圖2-13。
而利用壓電陶瓷剪力波元素量測剪力波速時，一端以函數產生器激發 剪力波，另一端接收剪力波並由示波器上判斷剪力波初達時間，便可推算 剪力波速，其計算式如下：
Vs = L / t (2-13)
其中 Vs：剪力波速 L：波傳距離 t：波傳時間
根據Dyvik and Madshus(1985)利用不同試體高度對應波傳時間之研究 發現(圖 2-14)，當波傳時間為零時，y 軸之截距均為 6mm，即為上下兩個 剪力波元件嵌入試體之總長度，故式(2-13)波傳距離 L 應為試體高度減去兩 個剪力波元件之突出高度。
另外剪力波元件試驗中，波傳時間判定最為重要。影響波傳時間之判 定因素包含了剪力波激發能量、剪力波元件排列方向、激發型式與頻率等，
將分述如下：
(1)剪力波元件排列方向
Dyvik and Madshus(1985)指出剪力波元件發射端及接收端應平行正對
排列，接收端方能激發較大之應變振幅能量，使得輸出訊號較大，容易判 別剪力波形。
圖 2-13 壓電陶瓷之連接方式(Dyvik and Madshus，1985)
圖 2-14 不同試體高度對應之波傳時間(Dyvik and Madshus，1985)
(2)激發能量之選擇
壓電陶瓷在製造的過程或經過極化(Poling)的步驟，極化電壓的大小及
方向便決定壓電材料之特性，因此Viggiani and Atkinson(1995)指出土壤剪 亦不相同。在說明波形選擇之前，先回顧過去關於波傳鄰域效應(near filed effect)影響之文獻，再探討激發波形的選擇所產生之鄰域效應對波傳時間之
Γ1及Γ3為壓縮波鄰域項(near field) 際剪力波波形，此現象稱之為鄰域效應(near filed effect)。
Rd影響因子，由圖 2-15 分別以Rd=1.1 及Rd=8.1 不同狀況比較下可了
鄰域效應所造成。
對於波傳時間之判定，當發射波為方波時，Abbiss (1981)認為剪力波 到達的時間，應以接收波形之第一反折點為基準。然而方波為正弦波與餘 弦波不同頻率之組合，會使接收波形的反轉點受到鄰域效應影響，即使採 用高頻波，鄰域效應亦會一直存在。因此根據Viggiani and Atkinson(1995) 對剪力波元件實驗之誤差分析，發現以第一反折點時間計算剪力波速，誤 差可能高達 20%。另外胡耀華(1996)之研究也認為使用第一反折點將可能 高估剪力波波速。
圖2-15 不同Rd影響因子所致實驗結果(Jovicic et al.，1996)
圖2-16 高嶺土之剪力波傳圖形(Jovicic et al.，1996)
若以正弦波為激發波形時，根據 Mancuso、Simonelli and Vinale(1989) 所做的研究顯示，其波傳時間以激發波形第一個波峰與接收波形第一個波 峰之時間差為較佳之選擇，此法也較不容易受到鄰域效應的影響。
(4)激發頻率的選擇
Dyvik and Madshus(1985)提出剪力波激發頻率的改變會影響接收波形 之振幅大小，當剪力波元件激發頻率與土壤達到共振時，接收波形會產生 最大振幅，此時的激發頻率可視為最佳激發頻率。但因為試驗土樣、試體 條件狀況不同，故試驗時必須不斷的調整激發頻率，以得到土壤試體之最 佳激發頻率。
根據 Mancuso and Vinale(1988)之研究指出彈性波在彈性介質內傳遞 時，當發射端與接收端的距離介於 1/4 ~ 4 個波長(λ)時，鄰域效應將會遮蔽
剪力波的到達，影響時間的判斷，因此激發波長應避免落在該區間內。由 λ=Vs / f 便可估算激發頻率，再如前所述，視試體的條件狀況調整至最佳激 發頻率。
另外Dyvik and Madshus(1985)建議剪力波元件之發射波宜使用 5~100 Hz 之方波，而 Viggiani and Atkinson(1995)建議若使用正弦波時，頻率應介 於1 kH~10 kHz 之間，均可避開鄰域效應。
由以上討論得知，為了避開鄰域效應影響，本研究採用正弦波做為激 發波形，激發頻率介於1 kHz~10 kHz 之間，以避免日後波速量測誤差影響 試驗結果。