第一章 緒論
1.4 論文組織
本論文共分六章，第一章為前言，第二章為文獻回顧，第三章為支
撐基腳模型試驗之儀器設計與建造。第四章介紹台灣西部濱海地區海床土
壤之特性、及如何在實驗室備製飽和疏鬆砂土試體。第五章為 spudcan 模 型初步實驗成果。第六章為結論。
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第二章 文獻回顧
Bloomberg New Energy Finance (2010)報告指出，2010 年全球投入再生能源 (renewable energy)的金額為 2,430 億美元，而其中風力發電的投資金額達 900 億 美元，所佔的比例達 37%，顯示世界各國均已將風力發電視為主要的再生能源發
(1) 能源幾乎完全依賴進口，能源結構受制於國際能源價格影響。
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電的時間。雲嘉南離岸風場也有 2,400~3,000 小時的滿發時數。澎湖更可達
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2.4 支撐基腳破壞模式
Vesic(1973)的模型實驗研究發現，淺基礎(shallow foundation)承載力破壞的 型式可以分以下三大類:(1)全面剪力破壞(general shear failure)；(2)局部剪力破壞 (local shear failure)；及(3)貫穿剪力破壞(punching shear failure)。在圖 2-16 中，(a)
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q~s 關係變得很陡，而且近似直線狀。Vesic(1973)建議以下列之圖 2-18 來分辨淺 基礎承受垂直載重，可能發生的破壞模式，圖 2-18 中，橫軸代表砂土緊密的程
(2.1)及(2.2)式中，c 代表土壤凝聚力，q 代表支承面覆土壓力，γ代表土壤單位 利亞大學(University of Western Australia, UWA)在實驗室以離心機試驗研究 spudcan 貫入海床土壤的模型試驗。
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圖 2-21(a)試驗土槽內之土層分為上下兩層，上層為厚度 50 mm 之砂土，其 相對密度為 Dr =77%，下層為不排水剪力強度 Su = 10 kPa 之正常壓密黏土。
Spudcan 垂直貫入土壤速率為 0.05 mm/s，模型支撐基腳直徑為 6 mm，以 100g 離心加速度模擬直徑 D = 6 m 之 spudcan 實驗設備如圖 2-21(b)所示，2-21(a)上方 有可量測 spudcan 垂直位移的長距離電位式位移計(long-travel potentiometer)，及 量測垂直作用力的荷重計(load cell)。以液壓缸(hydraulic cylinder)加壓 spudcan 向 下貫入土層，試驗土槽壓克力視窗前方設有相機記錄土層受壓破壞模式。圖 2-22 為實驗結果圖，圖 2-22(a)顯示，spudcan 貫入土層的起始點，是以 spudcan 腳掌 的下側斜面與底部圓錐體的交界處。圖 2-22 (b)顯示，當直徑 6 m 之 spudcan 向 下貫入 1 m，砂土逐漸向下位移，擠壓到黏土層，黏土因為受到推擠而逐漸側向 移動。圖 2-22(c)顯示，當 spudcan 貫入約 5 m，spudcan 下側砂土隨著 spudcan 向下貫入，產生大量位移擠壓下層黏土，使黏土往兩側及往上方位移，造成表面
貫入造成下層土壤形成位移。圖 2-23(e)可以觀察到，支撐基腳貫入深度達 spudcan 直徑 1B，而下層土壤為軟弱黏土時，使 spudcan 下側 0.8H 土壤受到擾動，伴隨 著下側土壤回流(backflow)至 spudcan 上方，spudcan 左右兩側土壤位移不明顯。
2.8 Spudcan 行為之數值模擬
Qiu and Henke (2011)使用數值模擬，分析支撐基腳在上層為疏鬆砂土下層為 黏土狀況，土層的破壞機制。如圖 2-23，上層砂土厚度為 7 m，相對密度為 24%，
內摩擦角 = 32°。下層黏土厚度為 46 m ，其不排水剪力強度為 30 kPa。將直徑 14 m 的支撐基腳貫入土層不同深度，分析的成果如圖 2-24 所示，由圖 2-24(c) 可以觀察到，當支撐基腳貫入至砂土與黏土交界處(7 m)，spudcan 上層海床土壤 發生下陷及回流 ，spudcan 下側 7.1 m 黏土層發生明顯位移，spudcan 兩側土壤 位移不明顯。
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(3) 一支 100 mm×100 mm×1900 mm 的移動式反力梁(movable reaction beam)，如 圖 3-3(a)所示。4 支鋼柱底部焊接 20 mm 厚的硬質合金柱腳，以四支鋼質螺栓向 下貫入 120 mm 固定於厚度達 500 mm 的鋼筋混凝土樓板上，螺母以植筋膠固定 於樓板。兩支水平鋼梁與四支鋼柱之間以螺栓固定。水平鋼梁上方架設一支移動 式反力梁，如圖 3-4 所示。3.2 試 驗 土 槽 之 設 計
的位移。西澳大利亞大學的離心機試驗結果(Hossain, 2010)顯示(圖 2-23 (e))，一17
3.3. 支撐基腳之設計
3.3.1 UWA 及 NUS 之 Spudcan 模型介紹
本節介紹西澳大利亞大學(UWA)及國立新加坡大學(NUS) spudcan 模型試驗 使用的支撐基腳模型。本研究首先定義 spudcan 各部位尺寸及角度，如圖 3-9 所
圖 3-12 顯示 NCTU 試驗使用之支撐基腳模型，圖中所示為 half-spudcan，支 撐基腳直徑 Dsc = 300 mm，spudcan 上側與水平線夾角
ui = 19o，spudcan 下側傾19
3.4 垂直荷重加載設備
本研究使用之垂直荷重加載系統包含下列 3 個部分: (1)機械式馬達齒輪箱 (rack and pinion gearbox)；(2)齒輪箱控制器(control panel)；(3) 荷重計(load cell)，
如圖 3-13 所示:
3.4.1 機械式馬達齒輪箱
本研究使用機械式馬達齒輪箱，如圖 3-14 所示，推動 spudcan 的上升及下 降。馬達齒輪箱的最大輸出力量是 20 kN。本系統的馬達是由 LEESON 製造，
型號為 C41D17FK2A。馬達齒輪箱加載的力量(20 kN)不會超過荷重計能承受的 荷重(20 kN)。本機械式馬達齒輪箱的最大衝程是 390 mm，超出 spudcan 貫入土 計(Kyowa LUX-B-20kN-ID，Capacity = 20 kN)如圖 3-16 所示。試驗時荷重計被 安裝在馬達齒輪箱推桿的下方，如圖 3.2(c)所示。
3.4.4 電位式位移計
本研究使用電位式位移計(potentiometer-type displacement transducer)，量測 實驗過程 spudcan 的垂直位移量。圖 3-17 顯示電位式位移計(Kyowa DTP-D-1ks)，
可藉由電位轉化感應導線量測 spudcan 拉伸或收縮的位移量，其最大量測位移為
21
發展離岸風能。圖 4-2 之彰化風力發電計畫區位於台灣西部台灣海峽之雲彰隆起
各鑽孔每 1.5 m 進行標準貫入試驗(Standard Penetration Test, SPT)，以外 徑兩吋(50.8 mm)的劈管取樣一次，得到深度與 SPT-N 值之分布圖如圖 4-7 顯示。圖中海床沉積層之 SPT-N 值隨著海床的深度增加而增加。在 不考慮 20~30 m 及 75~80 m SPT-N 值資料較為離散的情況下，調查單位 進行回歸，得到計畫區標準貫入試驗 N 值之簡化公式:
N = (海床下深度+32)/4 (4.1)
23
壓縮指數約為 0.156 ~ 0.270 (單向度壓密試驗)，總應力凝聚力(cohesion) 約為 0.17 ~ 0.52 kgf/cm2，總應力抗剪角約為 11.6°~ 22.5°，有效凝聚力為
本研究使用渥太華砂(ASTM C-778)為試驗土樣。Chen (2003)說明，該土壤 的物理屬性包含比重 Gs
= 2.65，最大孔隙比 e
max= 0.76，最小孔隙比 emin= 0.50，表之經驗關係。圖 4-9 顯示，假設風機安裝船之 spudcan 直徑 D = 6 m，向下
25
第五章
27
本研究採用 Tatsuoka(1985)建議的方法，使用矽油(Silicone Grease，Shin-Etsu KS-64)如圖 5-8 所示，以及塑膠膜如圖 5-9 作法為將 KS-64 矽油塗抹於壓克力視
mm 試驗土槽中，以水中霣降法備製砂土試體。
29
punching shear failure，此種情況下土壤的破壞面不會延伸到地表面，如圖 5-22(b) 所示，比較實驗結果，以水中沉降法備製之砂土試體，平均相對密度為 23.2 %，spudcan 貫入土層 100 mm 時，spudcan 下方砂土產生位移，但破壞面並無發展到 表面，符合 Vesic(1973) punching shear failure。圖 5-23 顯示 spudcan 貫入土壤 150 mm 照片，圖 5-24(a)顯示，spudcan 貫入土層 250 mm 時之照片，圖 5-24(b)說明，
Lu (2007)以離心機試驗所呈現之破壞模式，當 spudcan 貫入 1D 時，土壤破壞面 由 spudcan 逐漸向外延伸，最後延伸到 spudcan 上方。比較實驗結果，當 spudcan 貫入達 250 mm 時，spudcan 下方土層產生大量垂直變位，上方土層填補 spudcan 貫入後所留下之孔隙。 逐漸接觸土層而產生的壓力增加，如圖 5-27 所示。依據上述 Vesic(1963)理論，
當極限承載力為 2.53 kN 時，所對應之沉陷量為 30 + 42 =72 mm，其中 30 mm 為 下側盤體接觸土壤所造成之沉陷，與實驗結果相比，當沉陷量為 100 mm 時，所
對應之荷重為 2.57 kN 與依 Vesic(1963)圖 5-23(a)求出之極限支承力 Qu = 2.53 kN 相近。圖 5-28 顯示，spudcan 載重與沉陷量關係，當 S/D = 14%時，所對應之 spudcan 載為 2.57 kN 與 Vesic 理論相符合。
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100 mm 時，spudcan 下方砂土產生位移，但破壞面並無發展到表面，符合 Vesic(1973) punching shear failure。(4) 根據 Vesic(1963)相對密度與載重關係圖，依據圖中之關係可以得到極限承載 力為 qu= 71.6kN/m2，Qu = 2.53 kN。當極限承載力 Qu為 2.53 kN 時，所對應 之沉陷量為 30 + 42 =72 mm，與實驗結果相比，當沉陷量為 100 mm 時，所 對應之荷重為 2.57 kN 與依 Vesic(1963)求出之極限承載力 Qu = 2.53 kN 相近
參考文獻
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35
表 2-1 重力式、單樁式、三腳式離岸風機基礎優缺點(摘自呂威賢 2012)
表 3-1 UWA 及 NUS spudcan 試驗模型尺寸及角度表
Model Author Paper Title Dsc (mm) Dleg (mm) Td (mm) Hc (mm) θc (°) θui (°) θli (°)
1 Martin & Houlsby (UWA)
Combined loading of spudcan foundations on clay: laboratory tests(2000)
125 2.5 76 13 13
2 Hossain and Randolph (UWA)
Cavity Stability and
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Approximate angle of internal friction of soil (degree)
0~5 0~5 26~30
5~10 5~30 28~35
10~30 30~60 35~42
30~50 60~95 38~46
表 4-3 彰化離岸風力計畫區鑽孔深度與其 SPT-N 值
39
圖 1-1 2012 歐洲地區離岸風能發電裝置量比例
(
摘自陳芙靜 2012)
(a) (b)
圖 1-2 自升式安裝平台船安裝離岸風機
41
圖 1-3 鑽油平台及扁平圓錐狀 spudcan
圖 1-4 鑽油平台支撐腳發生貫穿式破壞
43
圖 2-1 我國 2010 年初級能源供給及自產能源比例 (摘自經濟部能源局, 能源統計手冊 2011)
圖 2-2 比利時海岸的北海 5MW 離岸風機
(a) (b)
圖 2-3 台灣風場調查(摘自工業技術研究院 2007)
45
圖 2-4 不同深度海床的風機基礎型式(摘自 NREL National Renewable Energy Laboratory 2010)
圖 2-5 自升式平台船安裝離岸風機
圖 2-6 自升式安裝船支撐腳收縮至船身上方
47
圖 2-7 自升式鑽油平台及 spudcan
圖2-8 基礎沖刷防護層級配料舖設及基礎吊裝(摘自呂威賢 2012)
圖2-9 基樁定位及安裝與標轉換段安裝(摘自呂威賢 2012)
(a) (b)
(a)
(b) (c)
49
圖2-10 基礎沖刷防護塊石舖設及安裝工作台(摘自呂威賢 2012)
圖2-11 風力機岸上整備及裝船整備(摘自呂威賢 2012)
(a) (b)
(a)
(b)
圖2-12 風力機塔架上下段安裝(摘自呂威賢 2012)
(a) (b)
51
圖2-13 風力機葉片吊裝(摘自呂威賢 2012) (b)
(a)
圖 2-14 鑽油平台之支撐基腳
圖 2-15 Spudcan 破壞模式統計(摘自 Health & Safety Executive 2009 )
貫穿破壞(預壓
53
(a) (b) (c) 圖 2-16 不同砂土密度造成之淺基礎支承力破壞(摘自 Vesic 1973)
(a) (b)
圖 2-17 貫穿式淺基礎破壞(摘自 Vesic 1973)
圖 2-18 砂土上淺基礎因垂直載重造成的破壞模式(摘自 Vesic 1973)
圖 2-19 條型基腳下的土壤支承力破壞模式(摘自 Terzaghi 1943)
圖 2-20 基腳支承力分析(摘自 SNAME 2008)
55
(a) (b) 圖 2-21 NUS 離心機設備(摘自 Lu 2007)
(a) (b)
(c) (d) 圖 2-22 NUS 離心機試驗結果(摘自 Lu 2007)
57
圖 2-23 UWA 離心機試驗結果(摘自 Hossain et al. 2010)
(a) (b) (c) 圖 2-24 數值模擬結果(摘自 Qiu and Henke 2011)
59
圖 3-1 交通大學基礎模型試驗室平面配置
圖 3-2(a) 試驗土槽及 spudcan 垂直加載系統前視圖 (a)
61
圖 3-2(b)反力架施工圖 (b)
圖 3-2(c) 試驗土槽前視圖 (c)
Load Cell
63
圖 3-2(d) 位移計安裝位置 (d)
Potentiometer-type Displacement Transducer
圖 3-3(a) 試驗土槽及 spudcan 垂直加載系統側視圖 (a)
65
圖 3-3(b) 試驗土槽及 spudcan 垂直加載系統側視圖 (b)
(a)
(b)
圖 3-4 試驗土槽及 spudcan 反力架頂視圖
67
圖 3-5 NUS 試驗土槽前視圖
圖 3-6 NUS 試驗土槽及 spudcan
圖 3-7 NUS 試驗土槽頂視圖 Rubber Gasket
69
(a)
(b)
圖 3-8(a)(b)以水中沉降法製作土壤試體之長方形篩網
圖 3-9 spudcan 各部位尺寸及角度定義
圖 3-10 NUS spudcan 模型(摘自 Lu 2007)
Unit :mm
71
圖 3-11 UWA spudcan 模型(摘自 Hossain and Randolph 2006) Unit :mm
(a)
(b)
圖 3-12 NCTU half-spudcan 模型
73
圖 3-13 垂直荷重加載系統
圖 3-14 機械式馬達齒輪箱 Reaction beam
Rack and pinion gearbox
75
圖 3-15 馬達齒輪箱控制器
圖 3-16 20kN 壓拉兩用荷重計(Kyowa LUX-B-20kN-ID)
圖 3-17 電位式位移計(Kyowa DTP-D-1ks)
77
圖 3-18 資料擷取系統 Load Cell
(Kyowa LUX-B-20kN-ID)
電位式位移計 (Kyowa DTP-D-1ks)
圖 3-19 動態應變放大器(Kyowa DPM-711B)
79
圖 4-1 彰化離岸風力風場位置圖(摘自中央地調所 2000)
圖 4-2 台灣地區陸地及海底地形圖(摘自國家海洋科學研究中心 1999)
81
圖 4-3 台灣地體構造資料圖(摘自中央地調所 2000)
圖 4-4 彰化離岸風力發電計畫區鑽孔位置 (摘自台灣電力公司 2009)
彰濱區
芳苑區
83
圖 4-5 彰化離岸風力發電計畫區鑽孔剖面圖(摘自台灣電力公司 2009)