直剪試驗 直剪試驗
當纜線遭受局部剪力將產生壓痕，傳統資料判釋與受局部剪力壓
痕處反射尖峰值大小有關，然而反射尖峰值受纜線電阻與壓痕寬度極 大影響。本節將以直剪試驗展示利用波傳模型可有效地考量上述影響 因子。
圖 5-4 說明一變形感測纜線(deformation-sensing cable)置入直剪 盒，內徑為 70 mm*70 mm，總長 400 mm，以石膏填充的直剪試驗配 置，以及對應模擬模型，此模擬模型相關參數考量如同上一節所述。
纜線長度分別是 2、10、30 m。剪動模式為直剪(寬度為 0 cm)與寬度 分別為 2、4 cm 的空氣間距(air gap)(Tsui, 2004)，以手動選轉螺桿位移 控制直剪盒外加移動量。
圖 5-5 為通用時域反射波傳模型精確性與有效性範例，其中 10 m 與 30 m 纜線同樣受外部剪動位移 20 mm，顯示模擬波形十分吻合量 測波形。而通用時域反射波傳模型能同時良好估算纜線電阻對於振幅 衰減(amplitude attenuation)與相位速度消散(phase velocity dispersion) 所造成影響，並且由於傳輸線僅需在性質改變處進行分段，而具有良 好運算效率。相較之下，有限差分法(Dowding et al., 2002)運算效率較 差，且不能精確估計纜線電阻對於相位速度消散影響。
圖 5-5 亦顯示忽略纜線電阻(αR = 0)的模擬波形，以資比較。顯然 地，若不考慮纜線電阻，將增加走時分析與反射係數估算錯誤，因為 隨纜線電阻(或長度)增加，反射尖峰上升時間增加而減少反射量，導 致空間解析度與靈敏度隨之減少。如圖 5-6 所示，從量測波形所得阻 抗剖面(impedance profile)變化可以修正纜線電阻影響。
圖 5-7 為使用第 3.4 節所用高衰耗(high-loss)10 m RG-58A/U 纜線 為延長線，接續 1 m Commscope P3-500 變形感測纜線波形，證明通用 時域反射波傳模型可以模擬延長線與變形感測纜線相異的配置。與圖 5-5 相比，僅接續 10 m 長 RG-58A/U 纜線，其纜線電阻影響遠大於 30 m P3-500 纜線，顯示高衰耗纜線對於時域反射波形各方面影響甚劇。
在實際應用，建議儘量使用低衰耗纜線以將纜線電阻所造成影響降到 最低。
試驗結果亦顯示時域反射對於外在剪動位移的靈敏度隨空氣間距 增加而減少(圖 5-6)，且當空氣間距過寬，將發生雙重反射。事實上，
以空氣間距表示剪力帶是不適當，且其代表性令人存疑，因為現實的 灌漿-纜線圓柱內的纜線即使在剪力帶處，也是受到灌漿材料所束制。
因此有必要探討如何在試驗室合理地描述上述兩影響因子，特別是剪 力帶的試驗室模擬。
在前一節與本節的研究主要是著眼在纜線存在單一變形時的行 為。當纜線存在複數壓痕或變形，會影響後方應有反射量大小，後方
反射量隨著前方壓痕數量與反射量增加而減少，但此現象在壓痕數量 少，反射量尚小時可以忽略。反之，則變成為複雜的波傳問題，難以 藉由傳統 ρpeak
-δ 關係描述。此時可描述全波形複雜反射現象的通用時
域反射波傳模型將是一大利器。雖然通用時域反射波傳模型可用在全波形判釋，亦即從電學上由 量測波形修正纜線電阻影響，反算阻抗剖面，但阻抗剖面與滑動變形 之間的關係還是受到土壤-灌漿-纜線互制與剪力帶(並非空氣間距) 材 料上的影響。
5.4 等值電阻 等值電阻 等值電阻 等值電阻概念 概念 概念 概念— — — —應用於變形監測 應用於變形監測 應用於變形監測 應用於變形監測
前面兩節已經充分驗證通用時域反射波傳模型適用性，由上一章 可以得知代表纜線電阻參數，電阻衰減因子 αR與長度 L 乘積具有等值 電阻效應，本節將說明對於纜線錯動變形應用，仍具有同樣效應。
如第 4.2 節所述，同樣選擇分別選擇為 L = 30m 搭配 αR與 L = 1m 搭配 30 倍 αR延長線段參數進行模擬。利用上一節剪動段與漸變段參 數，並進行適當時間平移(time shift)。圖 5-8 顯示 30 倍 αR波形整體存 在急速上升且在變形處後方急遽下降的偏差量(offset)，但模擬受剪所 造成波形負反射量與 L = 30m 搭配 αR例子是相等的。與 4.2 節不同，
由於無材料影響且波形僅於短時程(short-term)局部變化，故可進一步 地模擬兩例子未受剪原始波形，利用兩者相除所得比值修正 30 倍 αR
在反射量大小所造成偏差，可更明確發現修正後 L = 1m 搭配 30 倍 αR 波形負反射量與 L = 30m 搭配 αR極為一致。
此結果充分顯示等值電阻概念亦適用於監測應用，但此概念為阻 抗剖面反算(inverse)問題，相對於一般工程應用相對耗時且複雜，因 此有必要研究基礎於正算(forward)方法、直觀簡易纜線電阻修正法。
5.5 簡易纜線電阻修正法 簡易纜線電阻修正法 簡易纜線電阻修正法 簡易纜線電阻修正法
傳統上為了實務應用簡便，參數化與滑動變形相關波形反應為 ρpeak，本節將提出藉通用時域反射波傳模型修正纜線電阻對於 ρpeak之 影響的簡單程序：
1. 量測單一纜線連接時域反射儀波形。纜線參數(Zp , εr
*, αR)可藉由通 用時域反射波傳模型反算標定。
2. 模擬表示距離時域反射儀不同距離位置上合適纜線阻抗變化，獲 得數筆時域反射波形。
3. 定義纜線電阻引致衰減比(attenuation ratio)為 ρpeak(L)/ρpeak(2 m)，亦
即任一距離 ρpeak與參考距離(如本例為 2 m)ρpeak的比率。繪製衰減 比率與距離關係可得如圖 5-9(a)所示 Commscope P3-500 纜線修 正曲線(correction curve)。
4. 根據此修正曲線，所有量得 ρpeak皆被修正或正規化為距離時域反 射儀參考距離處(例如 2 m)的 ρpeak反應。此修正或正規化後 ρpeak
隨後即可直接與滑動變形量關聯。
圖 5-9 (a)同時繪製 2、10、30 m 延長線直剪試驗結果，實驗資料 與數值模擬所得修正曲線非常一致。應用上述流程，將原始 ρpeak與正 規化 ρpeak與滑動變形關係 δ 繪製於圖 5-9(b)，經纜線修正後，三種不 同延長線長度的正規化 ρpeak – δ 曲線幾乎座落在一起。
簡易纜線電阻修正法的優點在於能有效地將纜線變形處複雜的 ρpeak – δ 關係與可以較簡易修正纜線電阻個別分離為兩個標定問題，僅 需要一次纜線性質標定，即可獲得波形回傳時電阻對於原本 ρpeak的影 響，隨後僅需標定參考長度之處 ρpeak – δ 關係即可。由 5.2 節探討可知，
簡易纜線修正法可應用於一般現地應用情況下。僅在極少數多重變形 影響不可忽略的情況下才不適用，需要改以通用時域反射波傳模型進 行全波形分析方能同時妥善考慮多重變形與纜線電阻的影響。