第三章 研究計畫、儀器設備及試驗內容
3.2 試驗儀器設備介紹
3.2.4 模型試驗儀
3.2.4.1 模型試驗儀器設計原理
影響開挖穩定性的條件有很多，包含土壤不排水剪力強度（su）、
開挖寬度、開挖深度、土壤密度、擋土壁貫入深度、擋土壁勁度、支 撐間距等等，其中除了前四項條件較為明確，並為一般承載力分析公 式所採用外，其它影響參數目前並無明確之定量結果，因此為簡化試 驗之變數，可定義安全係數FS = f
(
γ⋅H su)
。亦即只要模型與原型之 形狀因素相同，且穩定係數Nb =γH s/ u (stability number)相同，兩者之 安全係數便相同。例如，若模型之尺寸為現場尺寸之 1/n 倍，則黏土 之su值也要減為現地黏土su值之 1/n 倍，才能使穩定數(Nb)保持定值。事實上離心機試驗也是採用類似的原理，當模型尺寸為原尺寸之 1/n 時，利用離心機旋轉所產生之離心力，使土壤之單位重(γ)增加 n 倍，
維持穩定數為定值（李崇正等人，1994）。有關超軟黏土模型試驗和 離心機試驗之基本原理比較，詳圖 3-7 所示。黃思銘(2001)便依據此 原理，採用一開挖破壞案例：Pumping station , Fornebu , Olso，將模 型尺寸及土壤試體強度等比例縮小，使模型與原型之安全係數相同。
3.2.4.2 模型試驗儀
本試驗所使用之開挖模型試驗儀，整體外觀如照片 3-6 及圖 3-8 所示，主要可以分成二個部分，包括底座及模型試驗箱。底座、模型 試驗箱與上頂板之間以螺栓連接，因此試驗時將其組合完成以開始進 行試驗，以下將分別說明：
1、底座：
模型試驗儀主體下方所連接之底座，為高剛性之鋁合金製品。由 於重量大，因此下方設有滑輪，如圖 3-8 中之 B 所示，以便於移動；
而四個角落也都備有水平調整基腳，如圖 3-8 之 A，因此在基座固定 後，配合水準氣泡儀確保模型試驗儀主體處於水平狀態。
2、模型試驗箱主體
模型試驗箱整體外觀及尺寸大小如圖 3-8 之 C 所示，採 1：1.5
（垂直：水平）之斜率模擬土堤開挖，土堤深度為 10cm，土堤寬度 為 15cm 的模型儀，其主要設備可以細分為下面幾個部分:
(1) 觀測面板
如圖 3-8 中所示為觀測面板, 為了增加實驗的便利性，此部分與 試驗箱主體間是採活動式設計，兩者以螺栓連接。由於此實驗為不排 水試驗，因此在接合處加裝止水項圈，以防試驗過程中水份滲出，其 材質為厚度 2cm 之透明壓克力板，以利開挖過程中數位相機之監測。
(2) 試驗箱主體
試驗箱主體外觀如圖 3-8 所示，尺寸大小為 50cm (L)× 30cm (H)
×15cm (W)，為厚度 1.3cm 之壓克力板所製成，接合處以不透水橡皮 連結。
(3) 擋土鈑
擋土鈑目的是用來摸擬工地現場之擋土結構物，其配置位置如圖 3-9 所示，本實驗所使用之擋土鈑尺寸為深度 20cm、厚度 1mm 之鋼 片所製成(相當於 100 倍模型尺寸現場使用厚度 20cm，Ec 值為 23Gpa，EI 值為 1.68Gpa 之擋土壁)。擋土鈑放置時先將模型箱平躺，
再將擋土鈑置於固定位置後，再填入土樣等試體填滿後再立起模型 箱。
(4) 頂板：
圖 3-9 中所示為壓克力頂板，頂板是以 1：1.5 斜率設計，模擬土 堤擋土開挖。當置入土壤試體時，先將試驗箱主體平躺，裝上頂板以 防止試體漏出，俟進行試驗時再將模型直立，而當試驗箱主體立起來 後，才將頂板拆除。