第三章 文獻回顧
3.1 砂土的壓縮行為
根據過去對於砂土壓縮性所做的研究結果指出，雖然砂土與黏土的壓 密機制不同，但是砂土的壓縮曲線與黏土的壓密曲線類似。黏土在正常壓 密階段，壓密曲線收斂至同一直線段上；而砂土在壓縮過程因為顆粒的破 碎，應力達某個值之後壓縮曲線也會收斂至同一直線段上，稱之為極限壓 縮曲線(limiting compression curve, LCC)(Coop and Lee 1993; Pestana and Whittle 1995; Lade and Yamamuro 1996)。以下就影響砂土壓縮行為的各項因 素進行介紹。
3.1.1 應力狀態
砂土在低壓狀態下(σv′ <5 MPa)主要的壓縮量來自顆粒的移動以及顆粒 接觸面上的間隙因應力作用而閉合所致，在此階段土壤顆粒與顆粒之間變 得更加緊密(Zhang et al.,1990)。待壓密應力達中應力狀態時(5MPa < σv′ < 25 MPa)，試體大致已達降伏階段，壓縮量開始增加並伴隨著少許的顆粒破碎 現象(Pestana and Whittle1995; Hagerty et al. 1993; Nakata et al., 2001)。最後當 試體進入高壓力狀態(25MPa < σv′ < 50MPa)，試體的壓縮性大幅增加，此現 象主要來自顆粒大量破碎的貢獻(Fawad and Chuhan, 2003)。由上述可知砂土
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在低應力狀態時，壓縮行為深受本身的組構所影響；達中高應力階段時，
則顆粒本身的破碎特性主導了砂土的壓縮行為。所以，以下小節將對土壤 的組構與破碎性進行探討。
3.1.2 顆粒組構
在粉土細砂中，粗細顆粒間的行為並沒有像黏土的電荷作用與膠結狀 態，砂土的顆粒構造與接觸方式控制其力學行為。由於常用的指標數值相 對密度(Dr)與孔隙比 e（Global void ratio）並沒有考慮到砂土粗細顆粒接觸 方式；因此，為了考慮粗細顆粒間的構造與接觸方式，Shen et al.（1977）、
Troncoso and Verdugo（1985）與 Kuerbis et al.（1988）等人，提出 e（Skeleton s void ratio）作為分析粉土細砂的指標數值；Thevanayagam et al. （2000）提 出est（Intergranular void ratio）來分析粉土細砂。
粉土細砂粗細顆粒的構造與接觸方式可大致分為六類(Thevanayagam, 1998）以下針對三種最典型的型式來介紹與探討:
(1)細粒料含量甚小，且細粒料僅充滿於孔隙與粗顆粒之間，沒有與粗 顆粒的組織相互結構連結。細顆粒對於力的轉換，只是次要的；粗顆粒在 力學行為上扮演著重要的角色。在此種情形下粗細顆粒的直徑大小比，影 響著受力時細顆粒是否會僅在孔隙間滑動或提供力學作用；Thevanayagam
（1998）指出一般來說 Rd （D / d）的比值大約要為 6.5 倍以上，細顆粒才 能夠在孔隙間自由地滑動。如圖3-1(a)所示。
(2)細粒料含量逐漸增加，且細粒料分佈的位置也改變。細料不僅填充 粗顆粒之間的孔隙，部分存在於粗顆粒之間的接觸面上，構成粗顆粒－細
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顆粒－粗顆粒的接觸方式。在此情況下，細粒料會局部的分層或分離粗顆 粒，而且當粗細顆粒的 Rd值夠大，即細顆粒易在孔隙間滑動，我們稱此細 粒料為 separator，細粒料對於力的轉換是相當不穩定的；因此，砂土的壓 縮性提高，強度也會大幅降低。此種型式的顆粒構造，細顆粒對於力的轉 換不再僅是次要的，而是扮演影響力作用鍵（force chain）的重要因素。如 圖3-1(b)所示。
(3)細粒料再增加時，粗顆粒逐漸被細顆粒所包圍，砂土的粗顆粒不再 互相接觸，而完全是細顆粒與細顆粒間的接觸。在此情況下，力的承受與 轉換，主要都是由細顆粒來控制，粗顆粒僅有類似reinforcing elements 的作 用。此種型式的顆粒構造，砂土的壓縮性與強度與細顆粒本身特性，有相 當大的關係。如圖3-1(c)所示。
3.1.3 顆粒破碎
砂土的破碎特性主要受到顆粒本身的性質(顆粒大小、顆粒形狀、硬 度)、顆粒的組成(孔隙比、級配)與加載型式(應力大小、應力路徑)所影響。
一般認為粗顆粒遠比細顆粒容易破碎，因為粗顆粒與粗顆粒的接觸面積 少，在力量傳遞的過程中接觸面上容易產生應力集中的現象，導致接觸面 上首先發生破碎的現象；反之，細顆粒之間的接觸面積大，應力相對減低 許多，所以較不會有顆粒破碎的情形產生(Hardin, 1985)。所以 Hardin 指出 部份顆粒破碎（crushing）多發生在粒徑大於 0.074mm（silt size）的顆粒，
並藉由此觀念，定義粒徑分佈曲線上粒徑大於 0.074mm 部份的曲線與上橫 軸圍成的面積值為破碎潛能(breakage potential, Bp)當成砂土破碎容易與否 的指標。圖3-2 為計算土壤破碎潛能的示意圖。