試體來源與製作

本研究以濁水溪沖積扇地區為例，因此試驗用土樣來自雲林縣客 厝國小地層下陷井之地質鑽探土樣，取樣深度為地表至地底300m 全 取樣，再將欲試驗深度土樣運回實驗室製作試體。

砂質土壤除冰凍土樣外，一般不易取得不擾動試體，深層之地層 更不容易取樣，因此室內試驗大多以重模方式製作試體進行試驗。本 研究考慮濁水溪沖積平原之地層特性，以水中沉降模擬地層自然沉積 現象再單向加載製作試體，其步驟簡單述說如下：

1. 將欲試驗之土樣烘乾，並經由篩分析可得知其粒徑分佈曲 線，做為日後沉降完成之時間依據及土壤一般特性。

2. 對試驗土樣進行比重試驗，各做三次取平均，得到比重 Gs，

做為日後推求初始孔隙比之參數。

3. 每次製作試體時取相同重量之土樣，並分數次於欲沉降之金 屬模內進行沉降，每一次沉降時間視粒徑大小而定。

4. 於最後一次沉降完成後，將水排除，可得知試體體積，並假 設試體飽和度S = 100%，再經式(3-1)求得初始孔隙比，於此 完成試體製作。

− 1

= Ws

e

GsV

其中 e_o：初始孔隙比 Gs：土樣比重 V ：試體之體積 Ws：試體土樣之重量 3.2.2 單向度壓密試驗

針對欲試驗之土樣進行傳統單向度壓密試驗，藉以求得壓密沉陷 量與壓密完成時間。試驗樣品準備如同 3.2.1 所述，以水中沉降法製 作試體，並求得初始孔隙比。試驗之方式參照ASTM D2435-90 規範，

採用之加壓載重增量比(Load Increased Ratio，簡稱 LIR)為 1，即倍數 加壓方式，最大加壓載重為32kg/cm²。另外加壓載重至16kg/cm²後，

逐階解壓再加壓至最大載重，至此完成單向度壓密試驗，並分析數據。

3.2.3 模擬地下水位改變之壓縮試驗

此部份之試驗目的在探求深層含水地層是否會因抽水導致土壤 壓縮產生不可回復之塑性變形，試驗之設備與方式如下：

3.2.3.1 試驗儀器

(1)加壓與資料擷取系統

由於本研究模擬深層地層為主，其加壓範圍不適合以一般土壤壓 密儀進行壓密試驗，因此本研究使用岩石潛變儀當作室內壓縮試驗之 儀器，其構造如圖3-8，該岩石潛變儀為國內震生機械公司所製造，

極限荷重值達20噸，加載荷重的方式是在槓桿末端處懸掛砝碼，經由 兩組10比1之槓桿帶動儀器上的施壓桿下壓至試體上，且傳遞放大一 百倍砝碼重量的荷重。而本研究室內試驗所模擬之土層為地表下 200~300公尺之土樣，覆蓋其上之土層荷重約500~800公斤之範圍，故 以潛變儀之加載做為壓力來源可以滿足需要之荷載。

至於試驗時之應力與變位則分別以荷重元(Loadcell)及測微計量 測，再配合自行撰寫LAVIEW程式做自動擷取，且可依據需要調整擷 取資料時程，不需人員記讀，擺脫傳統單向度壓密試驗之煩惱。

圖3-8 潛變儀構造圖

(2)改良傳統單向度壓密裝置

傳統單向度壓密試驗儀在試驗時，試體高度僅約2公分，再者本 研究之壓縮試驗需量測土壤波速變化，若以傳統單向度壓密試驗裝置 進行室內試驗恐無法達到要求，因此試驗前將壓密裝置進行改良。改 良之壓密裝置含一中空之圓柱鋼模、下蓋板與上蓋板(圖3-9)，且上下 蓋板加裝剪力波元件，可進行土壤剪力波速量測，剪力波元件量測於 3.2.4小節將有詳細介紹。中空圓柱鋼模內徑約5.4公分、高度約10公 分，可製作較高之試體。

圖3-9 改良壓密試驗儀器

3.2.3.2 試驗方法

為模擬深層含水層之壓縮行為，首先必須使試驗之土樣回到現地

原始應力狀態，由於現地深層土壤無法得知其真實孔隙比或其它利於 估算孔隙比之參數，因此本研究嘗試以波速及應力檢核方式將試驗土 樣回復至原始現地狀態，再模擬地下水位改變情況進行壓縮試驗。構 想之試驗方法如圖3-10，並將步驟細節說明如下：

圖 3-10 模擬水位變化壓縮試驗流程圖

(1) 組裝模具與降低摩擦力

模擬水位改變之壓縮試驗其試體高度約6 公分，相對於一般傳統 單向度壓密試驗之試體僅 2 公分而言高出許多，然而因試體高度過

是

否

初始孔隙比 e =(Gs*V/W)-1

模擬地下水位變化而 產生之應力改變情況

完成試驗並分析資料 試體製作與飽和

逐階加壓進行壓密

現場與室內波速檢核 組裝模具

高，試驗初期發現鋼模側壁與土壤顆粒之摩擦力使得應力分佈不均，

試體上下應力差值高達70%，如此便無法如同傳統單向度壓密試驗之 假設般忽略其影響。

為了克服側壁摩擦力問題，在組裝模具前於圓柱鋼模內壁塗抹少 許潤滑油，並貼上一層保鮮膜，使土壤試體在製作時不會直接與潤滑 油接觸。在完成此步驟後，測試若干組試體之應力分佈，結果試體上 下應力差值從原先70%變為約 5%左右，顯然此方法可有效降低側壁 摩擦力，對於摩擦力之影響應可假設忽略之。

摩擦力問題改善後，便將鋼模與下蓋板組裝進行土壤試體之製 作。

(2) 試體製作

試體之製作方式如3.2.1 所述，每次大約取 200g 之土樣，分五次 沉降於組裝之模具內，並量得試體高度求得初始孔隙比。接著將上蓋 板放入鋼模內即完成試驗初始條件。

(3) 試體飽和

土樣沉降完成後，為確保試體處於飽和狀態，依據試驗之規範要 求，將試體浸泡於水中24 小時再進行試驗。

(4) 壓密及波速檢核

壓密是本研究嘗試構想令土壤回復原始狀態的重要步驟。壓密的

目的是為了模擬深層土壤的加壓過程，因為土壤的沖積過程中，必然 伴隨持續增加的壓密應力。本研究此階段採用之壓密荷重增量比為 1，每一階壓密時間則視其沉陷量穩定後再持續加載下一階應力，直 至達到預定之應力。除了壓密之步驟外，並藉剪力波速之比對，判斷 土壤是否回復至現地深層下之狀態，因此在壓密過程中，剪力波速的 量測也是不可或缺的。量測之根據為每一階載重加壓完成後進行量 測，再經由計算可得到當時之剪力波速，經由室內量測得到之波速和 現地孔內震波量測得到之波速接近相同時，即假定其應為現地之應力 狀態與孔隙比，如此便可進行下一階段之試驗。

(5) 模擬水位改變之反覆應力加壓

現地地下水位改變時會造成有效應力的增加或減少，對於此種情 況在室內以反覆加壓荷重模擬水位改變所產生之有效應力。圖 3-11 為雲林地區宏崙水位觀測井之第三含水層近四年地下水位變化情 況，由圖中可明顯看出台灣地區冬季少雨，抽水頻繁，地下水位下降 快速，而夏季多雨，因此地下水位也得以補注回升。基於此條件，本 研究將深層水位變化大致簡化為每六個月之週期升降一次，室內試驗 模擬時即採取此種變化情況反覆加載及卸載。然而從圖 3-11 亦可看 出深層含水層水位下降及回升之幅度約4~5 公尺，其有效應力之改變 量約0.4~0.5kg/cm²，若以此小應力之範圍進行加載及卸載，受限於儀

器之限制，太小之變化量恐無法精確得到，其相關之應力-應變關係 也無法掌握。因此試驗時將水位之升降幅度提高為 20 公尺，即有效 應力變化為 2kg/cm²。此種情況所反應之現地抽水狀況是當寒冬來 臨，養殖漁業將會大量抽水，水位下降量瞬間提高至15~20 公尺，故 試驗時之假設為現地特殊狀況，屬合理之範圍。

另外由於加壓系統屬靜態載重加壓，實際現地抽水造成土層加壓 與解壓較類似線性行為，所以在試驗過程中，若需加壓至 2kg/cm²之 應力範圍，則採分階段加壓與解壓，使其與現地狀況相似。

圖 3-11 雲林地區宏崙水位站第三含水層近年水位比較

3.2.4 剪力波元件試驗(Bender Element Test)

為了能在壓縮試驗進行中求得試體的波速變化，並與野外施測數 簡化之水位變化情況

據比對，因此在試體上下蓋加裝剪力波元件，且以 10V 之電壓極化 剪力波元件與 1~10kHz 之正弦波試驗。本研究所使用之設備為國立 交通大學土木系土壤實驗室自行組裝之剪力波速量測系統，可突破傳 統 NGI(挪威大地工程研究所)剪力波元件試驗之試體高度限制(高度 76mm、直徑 38mm)，滿足一般土壤力學研究需求。圖 3-12 為室內剪 力波元件量測系統，各項設備之功能及規格如下。

圖3-12 剪力波元件試驗系統示意圖

3.2.4.1 壓電陶瓷晶片(Piezoelectric Ceramics)

本研究所使用之壓電陶瓷晶片購自美國PIEZO SYSTEM 公司，

型號為T219-H4CL-303X 與 T220-A4-303Y，尺寸大小 14.5×12×1mm，

極化電壓為 10V，尺寸如圖 3-13 所示。製作時將剪力波元件嵌入試

體上下頂蓋中，並使用Araldite 環氧樹脂(AB 膠)固定於上下頂蓋中，

透水石部分則以矽膠填塞，總凸出約1/4 元件長(約 3mm)。試體上下 蓋設計示意圖如圖3-14 所示，完成後之試驗設備如圖 3-15。

此外2.3.1.1 曾探討過壓電陶瓷晶片可分為串聯(Series connected) 與並聯(Parallel connected)兩種連接方式，不同的連接方式會有不同的 壓電特性，串聯時機械能轉換為電能之功率是並聯的兩倍；反之，並 聯時電能轉換為機械能的功率是串聯的兩倍。故利用壓電陶瓷晶片剪 力波元件量測剪力波速時，上端以並聯型式作為激發端，並以函數產 生器(Function Generator)激發波形，由試體底端以串聯型式作為接收 端，利用示波器或是其他設備擷取波形，可達到傳送及接收訊號的良 好效果。

圖3-13 剪力波元件尺寸示意圖(參考 Dyvik and Madshus，1995) 壓電陶瓷晶片

外層以環氧樹脂覆膠

(a)上蓋剪力波元件(激發端)

(b)底座剪力波元件(接收端)

圖3-14 剪力波元件嵌入示意圖(林靜宜，2003)

(a) 上蓋板

(b)下蓋板

圖3-15 (a)上蓋板與(b)下蓋板之剪力波元件

3.2.4.2 函數產生器(Function Generator)

主要功能在於產生單一脈衝正弦波，函數產生器輸出電壓予上蓋 剪力波元件後將電能轉換為動能，透過土體傳遞剪力波。本試驗所使

主要功能在於產生單一脈衝正弦波，函數產生器輸出電壓予上蓋 剪力波元件後將電能轉換為動能，透過土體傳遞剪力波。本試驗所使