第三章 儀器構造介紹改良與標定
3.2 儀器構造改良
3.2.2 應變感測器
傍壓儀詴驗是藉由施加壓力量取土體變形之詴驗儀器，故希望傍壓儀的應 變感應器能夠量測到極小的土體變形量。本詴驗儀器改良鄭孟雄(1999)傍壓儀應
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變感測單元，採用徑向變形直接量測之方式，並在中心桿件設置了之簧片，每 間隔 90°之方向設置一組。完整一組變形量測器包含了線性軸承、軸桿、應變量 測主體、彈簧及簧片如圖 3.12 所示。
簧片於受壓側及受張側分別黏貼光纖光柵作為應變計(strain gage)，用對貼 的方式消除溫度變化產生波長的飄移。當薄膜受壓力向外擴張時，彈簧利用本
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圖 3.1 現場非飽和傍壓儀詴驗示意圖
圖 3.2 高壓控制箱
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圖 3.3 低壓調壓閥
圖 3.4 傍壓儀本體示意圖
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圖 3.5 中心桿件與簧片示意圖
圖 3.6 應變感測器組裝完成示意圖
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圖 3.7 椎狀貫入式張力計示意圖(摘自古景宇, 2011)
圖 3.8 張力計系統示意圖
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圖 3.9 指針式張力錶示意圖
圖 3.10 低壓力 FBG 壓力計實體圖(範圍 0~800 kPa)
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圖 3.11 高壓力 FBG 壓力計(範圍 0~10 MPa)
圖 3.12 應變感測器剖面圖
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圖 3.13 應變感測器示意圖
圖 3.14 傍壓儀簧片標定詴驗圖
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圖 3.15 簧片標定結果圖
圖 3.16 低壓壓力計標定結果圖
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圖 3.17 高壓壓力計標定結果圖
圖 3.18 傍壓儀薄膜勁度標定成果
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圖 3.19 傍壓儀系統勁度標定成果
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圖 3.20 交通大學光復校區西側 A-2 鑽探孔位
A-2 孔位
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圖 3.21 A-2 孔位深度 13.25m 傍壓儀詴驗結果
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圖 3.22 電子式與光纖式傍壓儀正規化模數遞減曲線比較圖
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64 性限度(LL)為 37.7％，塑性限度指數(PL)為 27.5％，塑性指數(PI)為 10.2％，依 據統一土壤分類法判斷為 CL 低塑性黏土。
4.5 飽和壓密不排水三軸試驗
飽和壓密不排水三軸試驗可以得知土壤在飽和的狀態下，土壤的剪力強度 參數摩擦角 ψ，作為之後非飽和土壤傍壓儀試驗結果，與非飽和土壤剪力強度 參數作為比較。本試驗使用傍壓儀試驗場址 0.5m~1m 深度之土樣，採用濕夯法
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作為土壤水分特性曲線的量測方法，將試驗土樣重模至鋼環中，給予試驗土樣 軸向應力直到試驗土樣達到飽和狀態後，即可開始施加基質吸力，本試驗施加 基質吸力的控制條件為：試驗土樣之脫附段曲線施加之空氣壓力分別為 1、2、3、
4、6、8、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150、200、250 、300kPa；
試驗土樣之吸附段曲線 250、200、150、90、70、60、30、20、10、8、6、4、2、 可推估試驗土樣進氣吸力值約為 30kPa~2kPa。
4.7 非飽和傍壓儀試驗程序
本試驗地點於交通大學光復校區內，傍壓儀試驗施作於土壤，預計試驗深 度位於 3m 內的非飽和土層，每 0.75m 施作一組傍壓儀試驗，試驗施作深度為 0.75m、1.5m、2.25m。為了得到非飽和傍壓儀試驗試驗結果，在相同的土層深 度不同的基質吸力情況下，各進行一組傍壓儀試驗結果作為比較，一共施作 9
67 驗施作距離如圖 4.11、4.12、4.13 所示。本試驗使用錐狀貫入式張力計，可將張 力計埋設深度較深的位置，張力計埋設深度與傍壓儀試驗施作深度相同，目的
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連接之高壓管線接頭是否鎖緊，避免試驗進行中管線漏氣；檢查傍壓儀試驗所 使用高壓與低壓調壓閥是否關閉，以免過高的壓力一下湧入傍壓儀本體內，造 成儀器損壞或發生爆炸的危險。
4.7.3 光纖訊號檢測
傍壓儀改良後使用光纖光柵作為應變計(strain gage)，與安裝在傍壓儀本體 光纖式壓力計光柵串接，利用光纖解讀儀讀取壓力計與應變計光柵的波長。光
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階壓力，當壓力加至 200 kPa 至 400 kPa 時，停止加壓並待潛變完成至少十分鐘 後，進行加壓減壓試驗，過程中以緩慢的速度控制調壓閥減少壓力，減壓壓力 範圍 50 kPa 至 100 kPa，減壓完成後再進行加壓的動作，同樣以緩慢的速度控制 調壓閥增加壓力至減壓前的壓力，待完成加壓減壓試驗或當應變量達至最大應 變量時(大於 20mm)，停止加壓並維持壓力待潛變完成後依加壓之增量速率緩慢 解壓至試驗結束。
4.7.5 改變試驗場址基質吸力
為了得到不同基質吸力情況下傍壓儀試驗結果，必須強制改變試驗場址的 基質吸力。改變試驗場址的基質吸力，需要改變試驗場址的土壤含水量，當遇 到降雨的情況，雨水滲入土層中使得土壤基質吸力隨著含水量之增加而逐漸下 降，但大自然天候因素並不是人力所能控制，只好在試驗場址地表上大量灑水，
強制改變地表下土壤含水量，此外並無其它改變基質吸力的方法。
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圖 4.2 交通大學光復校區試驗位置圖
實驗位置
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圖 4.3 試驗場址地電阻分佈剖面圖
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圖 4.4 薄管取得土樣
圖 4.5 貫入式取土器
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圖 4.6 土壤粒徑分佈曲線
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圖 4.7 交通大學光復校區-飽和壓密不排水試驗結果
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圖 4-8 交通大學光復校區-應力路徑圖有效摩擦角ψ′=33.37°
圖 4.9 土壤水分特性曲線試驗結果
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圖 4.10 手動鑽掘工具
圖 4.11 張力計與傍壓儀試驗施作孔位距離(0.75m)
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圖 4.12 張力計與傍壓儀試驗施作孔位距離(1.5m)
圖 4.13 張力計與傍壓儀試驗施作孔位距離(2.25m)
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加壓至擬彈性線段開始產生塑性行為，此轉折點的壓力為降伏壓力，Pf 分別為 118kPa (suction 為 2kPa)、130kPa(suction 為 4kPa)與 130.0331kPa(suction 為 10kPa)；
最後壓力達到傍壓儀允許之最大應變量(27％)，此時壓力為極限壓力 PL，PL 分 別為 366kPa (suction=2kPa)、411kPa(suction=4kPa)與 376kPa(suction=10kPa)。
從圖 5.2 潛變曲線來看，在不同基質吸力的情況下，試驗深度 0.75m 初始孔 內應力 Po大小都約為 40kPa，有重複性。再往初始孔內應力 Po到降伏壓力 Pf間 的擬彈性段來看，試驗深度 0.75m 在基質吸力分別為 10kPa、4kPa、2kPa 情況 下，三條不同基質吸力潛變曲線彈性線段接近重合，差別並沒有很大，直到降
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376kPa。
從圖 5.4 潛變曲線來看，在不同基質吸力的情況下，試驗深度 1.5m 初始孔 內應力 Po大小都約為 30~40kPa。再往初始孔內壓力 Po到降伏壓力 Pf間的擬彈 性段來看，試驗深度 1.5m 在基質吸力分別為 18kPa、8kPa、4kPa 情況下，三條 不同基質吸力潛變曲線彈性線段接近重合，差別並沒有很大，直到降伏壓力 Pf
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內應力 Po大小都約為 30~40kPa。再往初始孔內應力 Po到降伏壓力 Pf間的擬彈 性段來看，試驗深度 1.5m 在基質吸力分別為 18kPa、8kPa、4kPa 情況下，三條 不同基質吸力潛變曲線彈性線段接近重合，差別並沒有很大，基質吸力對土壤
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Gur。Mancuso(2002)利用共振柱扭剪試驗進行土壤最大剪力模數Gmax的量測，提 到影響最大剪力模數Gmax大小的主要因素為土壤結構與基質吸力，故對加減載回 圈解壓段(unload-loop)進行剪力模數遞減曲線分析，再將剪力模數遞減曲線中小 應變量測到的雜訊進行濾波處理，找出最大剪力模數Gmax。
加壓減壓試驗分析出的剪力模數參數整理於表5.2，繪製最大剪力模數Gmax 與基質吸力的關係如圖5.12所示，最後同樣將傍壓儀試驗施作深度的平均剪模數 Gur繪製於圖5.13，並將圖5.12、圖5.13做回歸分析，分析剪力模數與基質吸力的 相關性。
5.3.1 低通濾波分析參數選擇
本研究之低通濾波分析使用Wang (2007) 編寫Matlab程式碼，平整化剪力模 數遞減曲線，截止頻率ωc為影響低通濾波模數遞減曲線的最大因素，給予不同 模數Gmax小於其他割線剪力模數的情況，如圖5.14減載回圈Loop1所示，故本研
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究使用截止頻率ωc=0.01π分析試驗深度0.75m、1.5m、2.25m剪力模數遞減曲 線。
5.3.2 加壓減壓試驗深度 0.75m 試驗結果
本試驗施作深度為0.75m，分別在基質吸力為2kPa、4kPa與10kPa的情況下 進行兩組試驗，每一組試驗會得到兩個加減載回圈Loop1與Loop2如圖5.15、圖 5.16、圖5.17所示。加減載回圈可分為減壓段曲線(unload curve)與加壓段曲線 (reload curve)，剪力模數遞減分析使用加減載回圈的減壓段曲線進行割線處理，
從所取割線應力應變的關係得到剪力模數。割線處理減載回圈的得到剪力模數 有遞減的現象，將割線處理所得剪力模數繪製於圖5.18。
加壓減壓載重試驗量測到的應變非常小，難免會量測到雜訊，這是無法避 免的，從圖5.18來看剪力模數遞減曲線，剪應變越小剪力模數跳動的機率越大，
難以判斷最大剪力模數Gmax，故使用低通濾波(Low-pass filter)方法處理，過濾掉 會使試驗結果失真的雜訊，將濾波後將剪力模數遞減曲線同樣繪製於圖5.19，得
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圖5.24所示。加減載回圈可分為減壓段曲線(unload curve)與加壓段曲線(reload curve)，剪力模數遞減分析使用加減載回圈的減壓段曲線進行割線處理，從所取 割線應力應變的關係得到剪力模數。割線處理減載回圈的得到剪力模數有遞減 的現象，將割線處理所得剪力模數繪製於圖5.25。
加壓減壓載重試驗量測到的應變非常小，難免會量測到雜訊，這是無法避 免的，從圖5.25來看剪力模數遞減曲線，應變越小剪力模數跳動的機率越大，難 以判斷最大剪力模數Gmax，故使用低通濾波(Low-pass filter)方法處理，過濾掉會 使試驗結果失真的雜訊，將濾波後將剪力模數遞減曲線同樣繪製於圖5.26，得到
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圖5.31所示。加減載回圈可分為減壓段曲線(unload curve)與加壓段曲線(reload curve)，剪力模數遞減分析使用加減載回圈的減壓段曲線進行割線處理，從所取 割線應力應變的關係得到剪力模數。割線處理減載回圈的得到剪力模數有遞減 的現象，將割線處理所得剪力模數繪製於圖5.32。
加壓減壓載重試驗量測到的應變非常小，難免會量測到雜訊，這是無法避 免的，從圖5.32來看剪力模數遞減曲線，應變越小剪力模數跳動的機率越大，難 以判斷最大剪力模數Gmax，故使用低通濾波(Low-pass filter)方法處理，過濾掉會 使試驗結果失真的雜訊，將濾波後將剪力模數遞減曲線同樣繪製於圖5.33，得到 最大剪力模數Gmax。
剪力模數遞減曲線的遞減速率受到孔隙比、有效圍壓、PI值等影響，為了驗 證剪力模數遞減曲線的遞減速率也會受到基質吸力大小的影響，將基質吸力為 4kPa、8kPa與18kPa的剪力模數遞減曲線作正規化處理，割線剪力模數除以最大
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Miller (2000)與 Schnaid (2004)兩位學者分別在粉土與風化花崗岩進行非飽 和土壤傍壓儀試驗，將本論文的非飽和土壤參數ψb與兩位學者非飽和土壤參數
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ψb整理於表 5.4
，
並繪製圖 5.37 基質吸力改變量與非飽和土壤參數ψb的關係。5.4.1 試驗深度 0.75m 非飽和土壤參數
本節分析試驗施作深度為0.75m的非飽和土壤，三組在深度0.75m施作的傍
本節分析試驗施作深度為0.75m的非飽和土壤，三組在深度0.75m施作的傍