第三章 飽和砂土中模型樁振動台試驗
3.2 試驗設備與試體準備
3.2.1 地震模擬振動台
國家地震工程研究中心(National Center for Research on Earthquake Engeineering, NCREE)之地震模擬實驗室建置一座六個自由度之地震模擬 振動台，其平台尺寸為5 m × 5 m，試體最大容許載重為50公噸，可以模擬 並重現發生的地震運動。振動台的動力來源為高速油壓致動器與油壓泵，
每一軸向由四支致動器所控制，三軸向總共十二支致動器來驅動其整體運 動，表3.1為振動台之規格性能資料。本研究將使用此振動台作為振動輸入 來源，進行模型樁物理模型試驗模擬。
3.2.2 雙軸向多層剪力試驗盒
為了模擬模型基樁埋置於飽和砂土層之受震行為，需有一試驗盒來裝 載土壤試體，並利用大型振動台對試驗盒施加振動。當土層在受到地震作 用後，地震產生之剪力波會從底部向上傳遞，為了使土壤試體能與現地水 平土層隨地震波作用而變形，試驗盒可利用多層框架堆疊，使得試驗盒內 之各高度的土壤能隨剪力波而自由變形，如圖 3.1 所示。根據此原理，翁 作新等人(2001)[60]更進一步研發可進行雙向運動機制之大型多層剪力試 驗盒，為目前唯一能進行水平多向振動之大型試驗盒，本研究將以此試驗 盒作試驗容器，進行模型樁振動台試驗。
如此內外複合框架之組合能使置於內框中之土壤試體（1.88 m × 1.88 m × 1.52 m）在動態試驗過程中，可同時產生 X 向與 Y 向之雙軸向無扭轉的二 維運動，在各深度水平面上能呈現多向度運動隨地震波傳遞而變形。此外，
選用厚度為2 mm 之矽膠膜作為剪力盒之防水膜，固定於內框側面內以探 討飽和土壤試體之受震行為。
有關大型雙軸向多層剪力試驗盒之研發、製作與測試等細節可參考國 家地震工程研究中心報告，編號 NCREE-01-011「大型振動台剪力盒土壤 液化試驗（I）－大型二維剪力盒之研發」(翁作新等人,2001)[60]。
3.2.3 固定式大型砂土霣落箱
為了配合大型剪力盒砂土試體準備，翁作新等人(2001)[60]也開發一組 固定式大型砂土霣落箱進行試體準備。霣落箱主要可分為三個部份，如圖 3.3：
1. 霣落箱本體。
2. 可抽換式多孔盤。
3. 分散器。
在試驗前會先將該次試驗所需的砂土由霣落箱之頂部置入，霣落箱的 頂部無蓋，箱底為鑽有孔徑40 mm 之底鈑，下接可抽換式多孔盤如圖 3.4 所示，其孔徑分別有15 mm、20 mm、30 mm 及 40 mm 四組，本研究考
慮試體準備之均勻性，所有試驗皆採用孔徑 15 mm 之多孔盤進行試體準 備。可抽換式多孔盤以下為分散器，主要的目的是讓砂土試體能均勻落在 剪力試驗盒內。而分散器主要由四層篩網所構成，篩網彼此間的間距為70 mm，其孔目大小為 4.76 mm(4 號篩)，並且彼此重疊交錯成 45 度。圖 3.5 為大型霣落箱霣落砂土於剪力試驗盒內之情形。
3.2.4 資料擷取系統與量測儀器
由於執行大型物理模型試驗所需之成本相當高，所以試驗每一步驟皆 需詳細規劃，並將可用之量測儀器作最妥善地安排利用，以期得到詳細且 可靠的數據進行分析研究，而資料擷取系統與量測儀器的配置則為整個試 驗中相當關鍵的部分。
本研究所使用的資料擷取系統為國家地震工程研究中心地震模擬實驗 室所採購之工業級動態資料擷取系統，為Pacific Instruments 公司整合資料 擷取、訊號調節與控制等功能的模組化資料擷取系統，其頻道數量可擴充 至1024 個頻道，每個頻道資料精度最少可達 16 位元，最大資料擷取頻率 為 1 MHz ， 系 統 穩 定 可 靠 。 美 國 太 空 總 署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA)的馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)也採用此系列的資料擷取系統。而目前國家地震工程研究中心所配 置資料擷取系統可用之頻道數目最多可達256 個。
根據試驗需求，本研究所使用量測儀器介紹如下：
1. 防水型應變計: 採用 Tokyo Sokki Kenkyujo 公司(TML)所生產之薄片型 應變計(foil type)之防水應變計以量測樁身撓曲應變，其型號則依樁材而 定，如鋁管樁則使用型號為 WFLA-3-350-23 之防水型應變計。配合試 驗需求選購 5 公尺長之電纜線，應變計長度為 3 mm，電阻為 350 歐 姆，最大應變量範圍為 30000 微應變( strain)，如圖 3.6 所示。
2. 微型加速度規：採用美國 PCB 公司所生產的防水型微型加速度規用以
本試驗選用精度可達 0.01 mm，如圖 3.9 所示。
5. 耦合感測子(Coupled Sensor)：為成功大學張文忠教授(2010)[25]所設計，
將低頻高精度之電容式三軸向加速度規與微型孔隙水壓計封裝於密閉 壓克力容器中，如圖3.10 所示。其體積略大(長 12 cm，直徑 5.5 公分)，
本研究將其設置於模型樁X 與 Y 兩方向之遠處以量測遠域土層中加速 度與水壓力陣列之反應。
6. 微型壓力計(Tactile sensor)：為電阻式之薄片型壓力量測儀器，黏貼於樁 身表面直接量測接觸應力，如圖3.11 所示。
7. 陣列式位移計(ShapeAccelArray)：由加拿大 Measureand 公司所開發之 位移量測儀器，其外型如八節棍，如圖 3.12 所示。其每段均放置一個 三向度加速度規，固定端點後即可由其搭配之套裝軟體即時顯示每一段 變形行為。本研究用此設備觀測遠域土壤之變形行為。
3.2.5 模型樁與砂土試體準備
本研究模型樁尺寸之選取是考慮：(1)基樁與土壤間有足夠的接觸面積，
選擇較大的樁徑讓基樁受力範圍增加可使得土壤反力效應顯著；(2)樁斷面 剛度小(材料模數值小與管壁薄)，使樁身與土壤間有顯著的相對位移，如 此才能顯現樁土互制效應。試驗採用兩種不同材質之模型基樁以探討不同 勁度基樁之受震反應，分別為不銹鋼管樁與鋁合金管樁，但由於不銹鋼管
樁變形較小，因此本研究選擇鋁合金管樁進行後續探討。鋁合金管樁，樁 長1600 mm，外徑 101.6 mm，管壁厚 3 mm，撓曲剛性為 75 kN-m2，其材 料性質如表3.2 所示。
本研究是針對樁基礎貫入岩盤或是埋置於堅實地層之受震反應進行探 討，因此在試體的規劃上，模型樁是以高張力螺栓鎖固定在剪力盒底部模 擬基樁貫入岩盤或是埋置於堅實地層之狀況，同時也在樁頂處裝設質量塊 以模擬不同上部結構載重對於基樁反應之影響，圖3.13 為模型樁照片。
為了減少土壤變異性以及考量土樣取得之便利性，本研究之土壤選用 較容易大量取得而且均勻之進口純淨越南石英砂作為試驗用砂，其粒徑分 佈曲線及基本物理性質如下圖3.14 與表 3.3 所示。由粒徑分佈曲線分布可 知試驗砂土屬均勻級配（Uniform Graded），依照統一土壤分類本試驗砂土 屬於不良級配砂土（SP），且其中砂土的最小及最大孔隙比分別是根據 ASTM D4253 Method 1B(wet method)及 ASTM D4254 Method A 所求得。
本試驗盒之飽和砂土試體準備方法是參考Ueng et al. (2006)[61]過去飽 和 砂 土 振 動 台 試 驗 經 驗 採 用 固 定 式 大 型 砂 土 霣 落 箱 以 濕 沉 降 法(wet sedimentation method)準備飽和砂土試體。濕沉降法是先在剪力盒中注水至 一預定高度，然後將砂土從霣落箱霣落至剪力盒中，在霣落過程中水面一 直保持在砂面上。當試體準備完成後，則進行試體水平向之壓力波波速量 測以檢測試體之飽和度。而試體之均勻度與密度檢測則可在試體準備完成 後利用短薄管採取不擾動土樣來進行試驗。有關大型砂土試體準備的詳細 探討可參考翁作新等人的研究報告(2003)[62]。