第三章 土壤試驗規劃及設備
3.7 非飽和固定含水量三軸試驗
3.7.1 試驗設備
為了量測非飽和土壤剪力強度及決定非飽和土壤之破壞包絡面，需進行非 飽和土壤三軸剪力強度試驗，因非飽和土壤的孔隙中存在著水及空氣，因此儀 器必須能分別獨立控制與量測孔隙氣壓力及孔隙水壓力，使其不互相干擾；此
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外，當孔隙水壓力經常保持在負值時，將導致量測系統中的水汽化，進而影響 孔隙水壓之量測與控制。為解決上述問題，於試體底座裝置高進氣吸力值陶板 與使用軸平移(Axial Translation)技術分別克服。
在試驗設備方面，本研究參考褚炳麟及黃隆茂(1993) 所研發之耐高壓透氣 盤底座，及林宏達和拱祥生(2001)之不飽和土壤三軸剪力試驗儀之介紹，規劃本 實驗之非飽和土壤三軸試驗裝置；因非飽和三軸試驗設備與飽和三軸試驗設備 差異不大，因此本校之非飽和三軸試驗儀，仍採用本校飽和三軸試驗儀之三軸 室、三軸試驗之控制面板與壓力系統，針對非飽和土壤試驗之不同處及量測所 需處加以改良，以下為改良之重點。
1.耐高壓之高進氣吸力值陶瓷板底座
為了能分別獨立控制與量測孔隙氣壓力及孔隙水壓力，本試驗於三軸室底 座上安裝耐高壓高進氣吸力值陶瓷板，試驗採用之高進氣吸力值陶瓷板為 美國Soil Moisture 公司出品，其直徑 4.2cm、厚度 1.1cm 、透氣值為 3 bar，
而耐高壓之高進氣吸力值陶瓷板底座其原理主要是利用鑲在高進氣吸力 值陶瓷板上的多孔鋼板來抵抗與試體接觸之應力，以避免陶瓷板產生裂 縫，如圖3-16 所示。
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2.體積量測系統(Double Cell)
本研究之非飽和三軸試驗為採用CW 試驗法，由圖 3-15 之試驗控制條件 可知此試驗方法需進行體積變化量測，因此參考Ng et al., (2002)之非飽和 試驗之體積量測方法，如圖3-17 所示，設計本研究之體積量測系統。體積 量測系統為利用差壓計紀錄一參考水頭與內部三軸室(inner cell)之水頭變 化，利用水頭之壓力變化換算為水頭之水位變化在乘上水頭變化部份之截 面積可得到體積之變化，本實驗之內部三軸室如圖3-18 所示，圖 3-19 為 本研究之非飽和三軸試驗儀器。
3.7.2 試驗步驟
非飽和三軸試驗中試體製作與排氣之方法與飽和壓密不排水三軸試驗相 同，一樣採用濕夯法(wet tamping)進行試體之製作，不同處為將試體底座上之金 鋼砂透水石換成耐高壓多孔陶板，並加上一內部三軸室(inner cell)用以量測試體 之體積變化，其試體製作及架設流程如下：
1.試體製作
(A)首先將多孔鋼板放置於高進氣吸力值陶瓷板上，接著將製作試體用之 分裂模置於三軸試體底座上，套上橡皮膜後抽氣，使橡皮膜緊附在模具 上，放入底層濾紙後開始製作試體。
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(B)秤取試體所需之 4 號篩以下土樣，並將土樣加入少量水分後均勻拌合，
使其含水量約8%，含水量約 8%之選定是為使試體濕潤在試體製作完成後 有自立性，然後分五層將土樣夯實於直徑50 mm、高度 100 mm 之鋼模內，
注意每層均利用夯錘夯實至要求之緊密度，每層高度為20mm。
(C)試體製作完畢後安裝上層濾紙，再結合上蓋與橡皮膜後拆除模具，接著 將內部三軸室套上，並將三軸室之內支撐固定後放下荷重桿，當荷重桿輕 觸試體上蓋後，連接荷重桿並固定荷重桿，使試體在加載之前不產生任何 軸向應變，再套上三軸室壓克力外罩。
2.試體排氣
試體排氣之方法與飽和壓密不排水三軸試驗相同，唯一不同處則因為試體 底座上之金鋼砂透水石換成耐高壓多孔陶板，其滲透係數小，故不接通二 氧化碳取代試體內空氣。排氣之步驟為將三軸室組裝完成後，接上水管將 清水經室壓閥進入三軸室，使水面高於試體高度後關閉室壓閥，接著給予 圍壓約為10~20 kPa，使試體能夠自立。完成後將下部進水閥接通由試體 底部注入除氣水（Deaired Water），使空氣由試體上方排出，直到試體內 部充滿除氣水為止。因為陶瓷板之滲透係數小，所以在通入除氣水時需加 壓，此時反水壓為60 kPa、室壓為 70 kPa。
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3.高進氣吸力值陶瓷板與試體之飽和
由於Soil Moisture 公司壓力板操作手冊中指出需將水淹滿陶板的表面，浸 泡時間至少需要一天，當陶瓷板完全浸濕，即達飽和狀態，因此本實驗利 用試體注水排氣與飽和試體的同時進行陶瓷板的飽和動作。
試體之飽和時，將試體上下接通水管線，施加室壓及反水壓於三軸室，此 時室壓為215 kPa，反水壓為 200 kPa。施加反水壓後之飽和時間約 12 小 時後進行B-check 動作，以判定試體是否達到飽和。因為非飽和三軸試驗 之試體下方裝有高進氣吸力值陶瓷板，所以無法接通二氧化碳取代試體內 空氣，因此本試驗之 B-check 值皆無法達到 0.95 以上，但因實驗為非飽和 試驗，故當B-check 值達 0.8 以上即可行壓密。
選定B-check 值達 0.8 以上即可進行壓密其原因為，經過多次試驗 B-check 值達0.8 以上後很難再提升，且當 B-check 值達 0.8 以上之試體於基值吸力 施加後期會有水分排出，因此此狀況下之試體其體積含水量大於施加所施 加吸力之平衡時體積含水量，故決定本試驗之B-check 值達 0.8 以上即可 行壓密。
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時，計算試體壓密排水後之體積，並計算其孔隙比ec值，做為試驗結果分 析比較的依據。
3.7.3 控制條件
試驗控制之初始孔隙比玉峰國小為0.87、砂崙仔崩塌地處理工程處為 0.70；
試驗有效圍壓皆為100 kPa、施加之吸力分別為 30、90、200 kPa；剪動速率為 0.012 mm/min，以求得基值吸力對非飽和試體抗剪強度之影響。
非飽和三軸試驗中，試體破壞時之應變與土壤種類與應力歷史有關，而試 體破壞時間則與陶瓷板之滲透係數相關，陶瓷板滲透係數越低其超額孔壓力消 散時間越久，試體破壞時間越長。而非飽和固定含水量三軸試驗之剪動速率，
其速率需使所量測之超額孔隙水壓力有足夠時間平衡，因此本試驗嘗試使用試 驗室內壓力機之兩種剪動速率0.102 mm/min 與 0.012 mm/min 進行試驗，最後為 確保使所量測之超額孔隙水壓力有足夠時間平衡，因此最後選用實驗室內壓力 機之最慢剪動速率0.012 mm/min 進行試驗。
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表3-1 玉峰國小-土壤含水量試驗結果
試體編號 土壤深度(m) 含水量 w (％) 平均含水量 (％) A 0 ~ 0.5 7.22
8.81 B 0.5 ~ 1.0 9.54
C 1.0 ~1.5 9.18 D 1.5 ~ 2.0 11.73
E 2.0 ~2.5 10.90 F 2.5 ~3.0 9.62 G 3.0 ~3.5 6.19 H 3.5 ~4.0 8.71
表3-2 砂崙仔崩塌地處理工程處-土壤含水量試驗結果
試體編號 土壤深度(m) 含水量w (％) 平均含水量 (％) 取樣管1 0.5 ~ 1 7.058
7.026 取樣管2 1 ~ 1.5 6.995
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2.83*10-5 10.25 104.54 300 2.10 2.56*10-5 10.56 107.70 300 2.05 2.42*10-5 10.67 108.83 180 2.03
8 36.32
2.28*10-5 10.71 109.24 180 2.00 2.24*10-5 10.74 109.54 180 1.85 2.07*10-5
9.89 100.87 300 3.90
8 36.32
2.84*10-5 9.85 100.46 300 3.50 2.56*10-5 9.75 99.44 300 3.10 2.29*10-5
平均水力傳導係數k (cm/s) 2.45*10-5
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6.67*10-5 10.25 104.54 300 4.95 6.03*10-5 10.12 103.22 300 4.7 5.80*10-5 10.18 103.83 300 6.0
14.7 38.48
7.36*10-5
10.37 105.77 300 6.45 7.76*10-5 10.18 103.83 300 6.6 8.09*10-5
10.37 105.77 300 6.7
14.8 38.48
8.12*10-5 10.32 105.26 300 6.5 7.92*10-5 10.26 104.65 300 6.5 7.96*10-5
平均水力傳導係數k (cm/s) 7.30*10-5
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表3-7 三軸試驗量測系統規格表
感測器 量測範圍 解析度
LVDT 40 mm 0.01 mm
電子式荷重元 1 kN 0.1N
電子式水壓計 1000 kPa 0.01 kPa
光纖光柵荷重元 1 kN 1 N
光纖光柵位移計 25 mm 0.05 mm
光纖光柵水壓計 1000kPa 0.3 kPa
光纖光柵差壓計 10 kPa 0.004 kPa
光纖光柵溫度棒 15~35 ℃ 0.04 ℃
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現地取樣
飽和三軸試驗 CU-test
非飽和三軸試驗 CW-test 一般物性試驗
土壤水分特性試驗 壓力板試驗
控制有效圍壓
求得c′、φ′
控制有效圍壓、
基值吸力 控制基值吸力
求得φ
b繪製土壤水分特性
曲線
試驗結果分析與討論
圖3-1 土壤試驗流程圖
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砂崙 仔
玉峰 國小
圖3-2 玉峰國小及砂崙仔位置圖
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圖3-3 玉峰國小試驗場址-車棚旁遊戲器材區場景圖
圖3-4 玉峰國小鑽探孔位置場景圖 鑽探孔位
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圖3-5 砂崙仔崩塌地處理工程處試驗場址
圖3-6 砂崙仔崩塌地處理工程處鑽探孔位置場景圖
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0 4 8 12 16
Water content, %
4 3 2 1 0
Depth, m
圖3-7 玉峰國小-土壤含水量與深度示意圖
0 2 4 6 8 10
Water content, %
2
Depth, m
圖3-8 砂崙仔崩塌地處理工程處-土壤含水量與深度示意圖
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10 1 0.1 0.01 0.001
Particle size, mm 0
Passing cumulative percentage, %
圖3-9 玉峰國小-土壤粒徑分佈圖
10 1 0.1 0.01 0.001
Particle size, mm 0
Passing cumulative percentage, %
圖3-10 玉峰國小-4 號篩以下土壤粒徑分佈圖
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10 1 0.1 0.01 0.001
Particle size, mm 0
Passing cumulative percentage, %
圖3-11 砂崙仔崩塌地處理工程處-土壤粒徑分佈圖
10 1 0.1 0.01 0.001
Particle size, mm 0
Passing cumulative percentage, %
圖3-12 砂崙仔崩塌地處理工程處-4 號篩以下土壤粒徑分佈圖
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圖3-13 自製壓力板試驗儀
圖3-14 高進氣吸力值陶瓷板安裝圖
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圖 3-15 非飽和土壤之三軸試驗之控制條件(取自 Fredlund, D. G. and Raharjo, H., 1993)
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圖3-16 耐高壓高進氣吸力值陶瓷板
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圖3-17 非飽和體積量測(取自 Ng et al., 2002)
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圖 3-18 非飽和體積量測系統
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reference water level
圖3-19 非飽和土壤三軸試驗儀
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