第三章 飽和砂土中模型樁振動台試驗
3.3 水平地盤中模型樁振動台試驗
3.3.2 試驗內容
模型樁振動台試驗內容分為空箱單樁、水中模型樁以及砂土中模型樁 振動台試驗等三部份，如圖3.18所示。模型樁固定於剪力盒底部以模擬樁 基礎貫入岩盤或是埋置於堅實地層之受震反應，同時也在樁頂處裝設不同 數量之質量塊，以探討不同上部結構載重對於基樁受震反應之影響。
單樁空箱振動台試驗是為了解基樁之動態特性與不同上部載重時之 受振反應模式，因此進行之振動模式包括三種：(1) 白噪訊振動(white noise shaking) ， (2) 簡 諧 波 振 動 (sinusoidal shaking) ， (3) 真 實 地 震 紀 錄 (true earthquake records)，其主要為小振幅之振動試驗。
水中模型樁振動台試驗是為了探討砂土中模型樁在液化後之行為所 進行之對照實驗，輸入振動亦為前述三類模式。
砂土中模型樁振動台輸入振動模式為先進行一維振動後，再進行二維 振動。先施加不同振幅、頻率與延時之正弦波，然後施加不同地震加速度 記錄。先以小振幅振動，再加大振幅振動。除了施加前述之振動作用外，
在試體進行大振幅振動試驗的前後次試驗皆規劃小振幅之白噪訊（white noise）振動，以識別試驗前後基樁與砂土試體的顯著頻率。每次振動試驗 中皆量測不同深度內外框X及Y向的加速度與位移、土體中之水壓力以及加 速度。振動停止後，仍繼續水壓計之記錄，以觀測孔隙水壓之傳遞與消散 情形。而且也在每次振動前後量測水面與砂面高度，以得到砂土沈陷量與 試體密度的變化。圖3.19為飽和砂中模型鋁樁振動台試驗情形。
水平地盤模型樁振動台試驗目前完成4次試驗，其中第一次試驗模型 樁材質為不銹鋼，因位移反應小，故該次試驗資料在本研究中不採用。而 模型鋁管樁共進行了3次試驗，其試驗項目與振動模式則列於表3.5~3.10，
本研究只採用部分試驗資料進行分析。
試體準備，待砂土試體穩定後再以人工方式進行坡面製作，使得砂土表面 平行傾斜楔塊之角度。
本研究中傾斜地盤模型樁振動台試驗還有另外一個特點，若針對傾斜 地盤試體施予垂直坡度方向之單軸向振動時，配合剪力試驗盒可雙軸向運 動之機制，則可分別探討上部載重作用於基樁之慣性力與地盤變位對於基 樁之作用的貢獻，探討可能液化地盤因側潰作用於樁基礎之行為。
關於試驗設備、模型樁已於3.2節介紹，以下則說明傾斜地盤試驗之儀 器配置與試驗內容。
3.4.1 量測儀器配置
傾斜地盤模型樁振動台試驗的儀器配置與水平地盤振動台試驗規化 大致相同，主要分為模型樁與土壤試體兩部分，如圖3.21與3.22所示。模型 鋁樁量測儀器也在相同的高度黏貼兩對防水型應變計(共40組)以量測樁身 應變反應，並在樁身上不同高度綁置兩個方向的微型加速度規進行樁身加 速度反應量測，如圖3.23所示。
在土壤試體的量測安排，試體內在模型樁的近處和自由場皆利用釣魚 線安裝了水壓計與兩個方向的加速度規陣列，以觀測樁身附近與自由場之 土壤反應與孔隙水壓激發的情形，如圖3.21所示。同時也在試驗盒內外框
上裝有X，Y兩方向之位移計、速度計及加速度計以觀測土層受振之運動反 應，如圖3.22。並在每次振動試驗前，進行水壓計水下測試校核，以確定其 功能與水面下位置。
3.4.2 試驗內容
振動台試驗主要分為兩部分，首先進行傾斜地盤空箱模型樁振動試驗，
再是飽和砂土中模型樁試驗。前者主要是透過強迫振動(forced vibration)與 自由振動(free vibration)了解模型樁動態特性並進行量測系統之測試後，再 進行飽和試體之樁土互制試驗。試驗之輸入振動模式包含白噪訊振動 (white noise vibration)、單頻簡諧振動(sinusoidal vibration)、以及真實地震 記錄(earthquake record)三種，首先施以垂直地盤傾斜方向之單軸向振動，
視試體狀況再進行平行地盤傾斜方向之單軸向振動；先以小振幅振動，再 加大振幅振動。每次試驗皆量測不同深度內外框X、Y向的加速度與位移、
樁身彎曲應變與加速度以及基樁近域和自由場中不同深度之孔隙水壓力 與加速度反應。振動停止後，仍繼續水壓計之記錄，以觀測孔隙水壓之傳 遞與消散情形。而且也在每次振動前後量測水面與砂面高度，以得到砂土 沈陷量與試體密度的變化。圖3.24為傾斜地盤模型樁埋置於飽和砂土試體 中之振動台試驗之情形。
傾斜地盤振動台試驗目前完成1次振動台試驗，其試驗項目與振動模 式則列於表3.11與表3.12。
3.5 試驗流程與準備工作
3.5.1 試驗準備工作
試驗前必須進行試驗盒、防水膜、試驗儀器等設備檢測維護，以下介
試驗盒約八分滿並靜置24 小時，以確認試驗盒水密性以避免試驗時滲 漏造成試體飽和度與三軸向振動台之功能性影響。
3. 試驗儀器檢測：檢測本次試驗所使用的各項儀器與訊號線功能是否正 常，並在後續每個階段觀察各儀器是否維持功能正常。
4. 試驗砂土物理性質試驗：試驗砂土基本性質試驗，包括篩分析、砂土最 大與最小乾密度試驗及比重試驗等。
3.5.2 試體準備流程
1. 模型樁組立與樁身量測儀器安裝：依照模型樁量測計畫進行應變計黏 貼，應變計位置可參閱3.3.1 節說明。經檢測應變計功能正常，再將模 型樁鎖固於剪力盒底部且確認其水平度與方位，並完成樁身量測儀器 之裝設與訊號線整理工作。
2. 試體內部試驗儀器綁設：先行放樣並利用釣魚線完成試體內部水壓計 與加速度陣列之裝設，並確認各加速度規之方向性後，完成儀器訊號 線之整理。
3. 試驗盒安裝：在振動台上方先鋪設防水帆布，用以防止試驗時砂水溢 出影響振動台之功能，並利用吊車將試驗盒吊放至振動台以高張力螺 栓鎖固。
4. 外部量測儀器裝設：進行剪力盒內外框架之儀器架設，並確認儀器訊 號正常。
5. 注水至試驗盒中：針對砂土試體之預定高度，根據砂土基本性質進行 砂量與水量之估算，確認水中沉降法初始之水量，再以清水注入試驗 盒中。
6. 砂土霣落：將試驗砂土預先放置於霣落箱中，保持砂土表面平整併避 免夯實，以減少準備後砂土高度不均的現象；霣落前，先以帆布包覆霣 落箱底部以減少落塵飛揚，再將霣落箱吊至試驗盒上方，根據吊車的 電子秤數據控制砂土霣落重量。
7. 靜置飽和：根據越南砂土振動台試驗經驗，疏鬆砂土試體需靜置 24 小 時，以達到飽和穩定的狀態，並且在試驗前以人工量測16 點高程，計 算試體平均單位重與初始高程之依據。
8. 組立樁頂質量塊：在試體準備完成後，依據試驗規劃組立樁頂質塊作 為上部載重之模擬，透過預先設計之螺栓孔位完成樁頂質塊組立並安 裝量測儀器。
3.5.3 振動台試驗
1. 儀器懸吊系統解除：將試體內部儀器的水平定位釣魚線解除，使儀器 可在試驗過程中隨砂土試體運動。
2. 量測儀器功能檢測：在每次振動試驗前皆進行量測儀器功能檢測，確 認儀器是否正常運作，在時間許可情況下進行故障排除並紀錄儀器之 狀況。
3. 振動試驗：依據試驗排程進行振動台試驗，其內容可參考表 3.6 所示。
4. 影像紀錄：將每一次試驗過程以相機與錄影機進行拍攝紀錄試驗過程。
5. 試體高程量測：每次試驗前後皆以人工量測試體 16 點高程與水位，以
體高程之影響，並依據預先規劃的高程進行薄管取樣(直徑約為 73 mm，
長度約為 170 mm)，取樣方式採連續取樣，並詳細記錄其取樣高程，
最後送至實驗室進行物性試驗求取試體基本物理性質。
3 清理及保養試驗盒：以人工依序清除土壤試體並整理試驗儀器與模型 樁，檢視及填補防水矽膠膜的破損，並清除線性滑軌、框架與外牆間的 砂土，確認框架之移動之滑順度，再以帆布覆蓋試驗盒防止存放空間之 落塵堆積。
4 振動台試驗資料整理與分析。
emax 0.882~0.918
emin 0.560~0.631
(由樁底算起) －y ＋x ＋y －x
1450 PS1-1 PS2-1 PS3-1 PS4-1 1300 PS1-2 PS2-2 PS3-2 PS4-2 1150 PS1-3 PS2-3 PS3-3 PS4-3 1000 PS1-4 PS2-4 PS3-4 PS4-4 850 PS1-5 PS2-5 PS3-5 PS4-5 700 PS1-6 PS2-6 PS3-6 PS4-6 550 PS1-7 PS2-7 PS3-7 PS4-7 400 PS1-8 PS2-8 PS3-8 PS4-8 250 PS1-9 PS2-9 PS3-9 PS4-9
100 PS1-10 PS2-10 PS3-10 PS4-10
表3.5 2008年7月，水平地盤模型單樁振動台試驗(LPB)振動模式
Input Motion
X Direction ( NS ) Y Direction ( EW )
Duration (sec) Frequency
(Hz)
Amax (g)
Frequency (Hz)
＃1 In the two-dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions
＃2 The lumped mass of 37.84 kg and 113.61 kg is added on the top of model pile before PILE09 and PILE13.
LPBS 06 ( 1D ) 2 0.03 10
LPBS 07 ( 2D ) 2 0.03 2 0.03 10
LPBS 08 ( 1D ) 4 0.03 10
LPBS 09 ( 2D ) 4 0.03 4 0.03 10
LPBS 10 ( 1D ) 8 0.03 10
LPBS 11 ( 1D ) 14 0.03 10
LPBS 12 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60 LPBS 13 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60
LPBS 14 ( 1D ) 1 0.075 10
LPBS 15 ( 2D ) 1 0.075 1 0.075 10
LPBS 16 ( 1D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－Y 0.03 60 LPBS 17 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60 LPBS 18 ( 1D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－Y 0.03 60
LPBS 19 ( 1D ) 1 0.03 10
LPBS 20 ( 2D ) 1 0.03 1 0.03 10
LPBS 21 ( 1D ) 2 0.03 10
LPBS 22 ( 2D ) 2 0.03 2 0.03 10
LPBS 23 ( 1D ) 4 0.03 10
LPBS 24 ( 2D ) 4 0.03 4 0.03 10
LPBS 25 ( 1D ) 8 0.03 10
LPBS 26 ( 1D ) 14 0.03 10
LPBS 26A ( 1D ) 14 0.03 10
LPBS 27 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60
LPBS 28 ( 1D ) 1 0.075 10
LPBS 29 ( 2D ) 1 0.075 1 0.075 10
LPBS 30 ( 1D ) 2 0.075 10
LPBS 31 ( 2D ) 2 0.075 2 0.075 10 LPBS 32 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60 LPBS 33 ( 1D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, EW)－Y，PGA scale to 0.15g
LPBS 34 ( 2D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng)－XY，PGA scale to 0.15g
LPBS 35 ( 1D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－Y 0.03 60 LPBS 36 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60 LPBS 37 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60
LPBS 38 ( 1D ) 1 0.03 10
LPBS 49 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60 LPBS 50 ( 1D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, NS)－Y，PGA scale to 0.1g
LPBS 51 ( 2D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng)－XY，PGA scale to 0.1g LPBS 52 ( 1D ) Kobe EQ (Port island, NS)－Y，PGA scale to 0.1g LPBS 53 ( 1D ) Kobe EQ (Port island)－XY，PGA scale to 0.1g
LPBS 54 ( 1D ) 4 0.1 10
LPBS 55 ( 1D ) 12 0.1 10
LPBS 56 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60
LPBS 57 ( 1D ) 4 0.15 10
LPBS 58 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－XY 0.03 60 LPBS 59 ( 1D ) Kobe EQ (Port island, NS)－Y，PGA scale to 0.25g
＃2 In the two-dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions.
＃3 The lumped mass of 37.84 kg and 226.14 kg is added on the top of model pile before Case16 and Case35.
LPC 02 ( 1D ) 20 0.03 5 0
LPC 03 ( 2D ) 20 0.03 20 0.03 5 0
LPC 04 ( 1D ) 4 0.05 10 0
LPC 05 ( 2D ) 4 0.05 4 0.05 10 0
LPC 05a ( 2D ) 4 0.05 4 0.05 10 0
LPC 06 ( 1D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, NS)－Y，PGA scale to 0.05g 0 LPC 07 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 60Hz)－X &Y 0.03 60 1
LPC 08 ( 1D ) 6 0.03 5 1
LPC 09 ( 2D ) 6 0.03 6 0.03 5 1
LPC 10 ( 1D ) 4 0.05 10 1
LPC 11 ( 2D ) 4 0.05 4 0.05 10 1
LPC 12 ( 1D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, NS)－Y，PGA scale to 0.05g 1 LPC 13 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 60Hz)－X &Y 0.03 60 3
LPC 14 ( 1D ) 4 0.03 10 3
LPC 15 ( 2D ) 4 0.03 4 0.03 10 3
LPC 16 ( 1D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, NS)－Y，PGA scale to 0.05g 3 LPC 17 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 60Hz)－X &Y 0.03 60 6 LPC 17A ( 2D ) White Noise (Bandwidth 60Hz)－X &Y 0.03 60 6
LPC 18 ( 1D ) 4 0.03 5 6
＃1 In the two‐dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions.
表3.8 2009年2月，水平地盤飽和砂土中模型樁振動台試驗(LPSC)振動模式
Input Motion
X Direction ( NS ) Y Direction ( EW )
Duration (sec)
Mass (piece) Frequency
(Hz)
Amax (g)
Frequency (Hz)
LPSC 42 ( 2D ) 4 0.05 4 0.05 10 6 LPSC 43 ( 1D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, NS)－Y，PGA scale to 0.05g 6
LPSC 44 ( 2D ) Chi-Chi EQ (Wu-Feng, EW, NS)－X&Y，PGA scale to 0.05g 6 LPSC 45 ( 2D ) Kobe EQ (Port Island, EW, NS)－X&Y，PGA scale to 0.05g 6
LPSC 46 ( 1D ) 12 0.05 6 6
LPSC 47 ( 1D ) 4 0.075 10 6
LPSC 48 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 60Hz)－X &Y 0.03 60 6 LPSC 49 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 60Hz)－X &Y 0.03 60 3
＃1 In the two‐dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions.
表3.9 2010年4月，水平地盤模型單樁振動台試驗(LPD)振動模式
Input Motion
X Direction ( NS ) Y Direction ( EW )
Duration (sec)
Mass (piece) Frequency
(Hz)
Amax (g)
Frequency (Hz)
＃1 In the two-dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions.
LPWD 03 ( 1D ) 6 0.03 10 6
LPWD 04 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－X & Y 0.03 60 3
LPWD 05 ( 1D ) 2 0.03 10 3
LPWD 06 ( 1D ) 4 0.03 10 3
LPWD 07 ( 1D ) 6 0.03 6 3
LPWD 07A ( 1D ) 6 0.03 10 3
LPWD 08 ( 2D ) White Noise (Bandwidth 30Hz)－X &Y 0.03 60 1
LPWD 09 ( 1D ) 2 0.03 10 1
LPWD 10 ( 1D ) 4 0.03 10 1
LPWD 11 ( 1D ) 6 0.03 10 1
LPWD 12 ( 1D ) Kobe EQ (Port Island, NS)－Y，PGA scale to 0.05g 1
LPWD 13 ( 1D ) 4 0.05 10 1
＃1 In the two-dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions.
表3.11 2011年9月6日，傾斜地盤模型單樁振動台試驗(SP)振動模式
Input Motion
X Direction ( NS ) Y Direction ( EW )
Duration (sec)
Mass (piece) Frequency
(Hz)
A
max(g)
Frequency (Hz)
＃1 The input motions included sinusoidal (1‐20 Hz) accelerations and the earthquake records in the world.
＃2 In the two‐dimensional sinusoidal shaking, there is a 90° phase difference between the input acceleration in X and Y directions.