第四章 研究結果與討論
4.2 現地孔內震波量測結果
4.2.1 資料分析方法
施測懸垂式P-S 波系統量測所得資料如圖 4-5 所示，其中 H1、/H1 為上部受波器接收之剪力波(Shear wave)，且 H1 與/H1 互為反向之剪 力波，而 V1 則為上部受波器接收之壓縮波(Pressure wave)。同理，
H2、/H2 為下部受波器接收之剪力波，V2 為下部受波器接收之壓縮
波。
圖4-5 懸垂式 P-S 波系統量測結果
當P-S 波量測系統在試驗孔內產生一震源時，首先下部受波器會
經由水接收地層傳來之震波，隨後上部受波器也同樣接收到震波，因 此若要計算各深度之波速值可藉上下兩受波器接收之波傳到達時間 差△T 與兩受波器之距離 L，經由式(4-1)便可求得波速值。
V = L / △T (4-1) 其中 V：波速，單位為 m/s
L：受波器間距，其值為 1 公尺
△T：受波器之波傳時間差 4.2.2 波速量測結果
本研究進行孔內震波量測時，每次量測之間距設為 1 公尺，因此 量測深度自 51 公尺至 250 公尺共計 200 個資料點，再經式(4-1)計算 方式，地層深度相對應之波速剖面如圖 4-6 至圖 4-9。觀察所有震波 量測結果，P 波波速介於 1136 m/s ~ 2298 m/s，S 波波速介於 300 m/s
~ 688 m/s，由圖中可看出 P 波和 S 波兩者相對之變化情形類似，且 波速大致隨深度越深而波速越大，但在深度 180 公尺~190 公尺處波 速明顯變化特別大，對此稍後將有更進一步探討。
0 500 1000 1500 2000 2500
0 500 1000 1500 2000 2500
Velocity (m/s)
0 500 1000 1500 2000 2500
0 500 1000 1500 2000 2500
Velocity (m/s)
為了方便說明，將所有波速資料繪於圖 4-10，並與現場地質柱狀 圖比較。由波速和地質柱狀圖比較結果，本研究嘗試以波速變化關係 建立現地地質土壤分層，然而現地地層變化過於複雜，即使在1 公尺 的間距內，地層變化仍相當大，因此要以震波量測得到之波速結果並 無法有效看出其與地層變化之關係。另外在深度180~190 公尺處波速 突然增大情形，以地質柱狀圖來看，該深度夾較厚之礫石層，推測此 應為造成波速突然增大的原因。
另外地層波速在深度110 公尺處上、下呈現兩種不同趨勢發展(圖 4-10)，且上半段之波速後期較下半部初期波速快，造成此現象推測 可能與抽水歷程有關。該區早期以抽用淺層之地下水為主，但在出水 效能與水質變差後，目前使用之地下水來自第二或第三含水層，甚至 第四含水層。因此對於淺層之含水層(即第一含水層)過去長期超抽地 下水致使淺層土層之過壓密比相對較高，即土層已壓縮至更緊密狀 態，才會使得上部地層波速較深層大。
圖4-10 各深度波速與地質柱狀剖面比對
0 500 1000 1500 2000 2500
Velocity (m/s) 250
200 150 100 50
Depth (m)
Vs Vp
50m~250m 地層柱狀圖
礫石 粗砂 中砂 細砂 粉砂 黏土
由以上討論得知兩點：
1. 嘗試以波速建立現地土壤分層之想法受到 Suspension P-S Logging 儀器解析影響，不易明確區別土層性質，且現地土 層狀況複雜，很難以波速界定不同土層介面。然而若以本研 究施測地點為例，當地層性質狀況改變較大時，波速便呈現 明顯不同的結果，因此波速量測之結果可判斷地層變化較大 之區域，無法正確掌握地層實際情形。
2. 此次波速量測結果，其波速剖面變化情形可間接驗證淺層含 水地層超抽地下水歷史悠久，引發之有效應力使得地層已達 到高過壓密比之緊密狀態，波速較高。相對於深地層而言，
抽水歷史短，地層仍處於壓密中、輕度過壓密或正常壓密狀 態，波速初期較淺層地層小。另外深度110 公尺分界點之上 部地層與下部地層均有隨深度越深而波速越大之發展趨勢。
4.2.3 經驗式與現地波速比較
將 4.1.2 小節得到現地波速結果做更進一步分析，首先將土壤性 質均為砂質土壤之波速整理如表4-1，圖 4-11 則為地層均為砂質土壤 之波速剖面。由圖 4-11 可看出波速變化情形無太大差別，隨深度越 深波速也越大。另外若假設現地未飽和土壤單位重為18kN/m3，飽和 單位重為 20kN/m3，地下水位面位於地底下 20 公尺處，可推估各深
度砂土層之有效圍壓(見表 4-1)，並將有效圍壓與對應之剪力波速繪 於圖 4-12，經迴歸曲線分析發現剪力波速與有效圍壓的 0.23 次方成 正比關係。然而2.3.3 小節曾介紹 Hardin and Richard(1963)以乾淨之 沃太華乾砂進行共振柱試驗，以具稜角之砂顆粒而言，試驗結果顯示
0 400 800 1200 1600 2000
400 800 1200 1600 2000
Stress (kN/m2)
4.3 室內試驗結果
4.3.1 試驗土壤基本物性
室內試驗土壤來自雲林縣客厝國小地層下陷井鑽探土樣，深度約 為地下200~230 公尺之砂質土壤。經由粒徑分析試驗得其粒徑分佈曲 線如圖 4-13，細粒料含量約 7%，比重約 2.71，統一土壤分類屬 SP-SM，為粉土質砂。而表 4-2 則為整理自工業技術研究院能資所對 相同地點及附近深度土樣之物性試驗結果。
另外若以粒徑分佈曲線所得之各項參數再依經驗公式間接求其 透水係數k，其值約6.084×10−3 ~ 9.126×10−3cm/sec，顯然此類土壤 理論上排水性良好，受到外來荷重加載時壓密沉陷應能快速完成。
10 1 0.1 0.01
Opening Size (mm) 0
20 40 60 80 100
Percentage Passing (%)
圖 4-13 試驗土樣之粒徑分佈曲線
表4-2 試驗土樣附近深度地層物性試驗結果(摘自工業技術研究院地層下陷井觀測及試驗報告)
4.3.2 單向度壓密試驗
Effective Stress (kg/cm2) 0.5
表4-3 單向度壓密試驗結果 試驗編號 壓密指數 Cc 回脹指數 Cs
A-1 0.18 0.023 A-2 0.16 0.018 A-3 0.14 0.017
0 100 200 300
Time 1/2 6
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
Settlement (mm)
圖4-15 單向度壓密試驗某一階之沉陷與時間關係
對於任一階應力加載其沉陷會隨時間發展，與典型砂土之壓縮行 為有所不同，可能原因在於分層沉降製作試體時，試體組構因沉降速 率差異產生一層砂土一層薄黏土之層狀構造，加壓初期雖壓縮快速，
但中間之黏土層形成一排水不良之阻隔，使得試體內部砂土層排水受
到遲滯影響以及黏土層也需要時間壓密，因此試驗結果出現隨時間慢 慢沉陷情況。另一可能原因為砂土顆粒隨時間重新排列產生不可回復 變形，此也可解釋為何當試體卸載後便無法回復，會有塑性變形產 生。不論原因為何，上述之沉陷相對於初期壓縮量較小，與厚黏土層 比較，仍多少可將試體視為排水良好之土壤組構。
4.3.3 室內與現地剪力波速檢核
室內進行模擬水位變化之壓縮試驗時，須將重模土樣以應力持續 加壓至符合現地情況，此時室內與現地剪力波速比對則為判斷是否符 合現地情況之重要依據；本研究假設當兩者波速達到相同時，室內重 模試體符合現地情況。基於此假設條件，當試體進行壓密時，利用剪 力波元件量測試體剪力波速，圖 4-16(其中上半部為激發端之波形，
下半部為接收端得到之剪力波形)即為試驗得到圖形。為了方便判讀 波傳時差及數據分析，以本研究採用之剪力波元件量測系統可利用電 腦擷取波形，再進行後續分析，而圖 4-17 即為針對某次試驗其剪力 波隨壓力增大變化情形(圖中十字記號為選擇波形之時間點)。由圖中 可看出隨著壓力增大，接收到的剪力波速越來越快，且因壓力大，土 壤組構趨於緊密，激發端之剪力波元件振動幅度漸小，接收端所接收 之剪力波形振幅也隨之越來越小，此屬合理之現象。
圖 4-16 剪力波元件試驗波形
0 0.0004 0.0008 0.0012 0.0016 0.002
Time (sec) -0.0015
-0.001 -0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015
Vpp
1kg/cm2 1.8kg/cm2 4kg/cm2 8kg/cm2
圖 4-17 剪力波隨壓力變化關係圖
然而試驗過程中，因本研究模擬土樣深度位於地底下 200~230 公尺，其有效覆土重高達 22~24kg/cm2，受到量測儀器本身雜訊影響 (見圖 4-18)，當壓力高達 10kg/cm2以上時，接收端波形振幅變小使得 雜訊干擾波形相對較嚴重，無法正確判斷波傳時差，導致初期計算剪 力波速呈現突然增大或突然變小情形。針對此現象，為了依本研究初 期之構想與目的，於是利用剪力波速與孔隙比關係迴歸並外插來求得 高壓下之剪力波速。圖 4-19 為經由數次剪力波元件試驗所得到孔隙 比對應剪力波速情形，經由線性迴歸得到剪力波速與孔隙比之關係 式，因此當試驗處於高壓力狀態時，根據孔隙比外插推求試體剪力波 速，一旦與現地波速接近時，便可假設類似現地土壤組構。
圖 4-18 剪力波元件試驗於高壓下之雜訊示意圖
雜訊
0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 Void Ratio
0 100 200 300 400 500 600
Vs (m/s)
Vs = -1564.45 * e+ 1469.77
圖4-19 剪力波速與孔隙比關係
4.3.4 反覆荷重壓縮試驗結果
經由剪力波速檢核並判斷室內土壤試體已達到現地狀態，此時便 開始以2kg/cm2為基準施加反覆荷重，模擬現場地下水位升降產生之 有效應力變化。在此須說明試驗之時間是以每小時加載0.5 kg/cm2， 至最大荷重2kg/cm2後再進行解壓，試驗經三次循環後便停止。
表 4-4 為經由剪力波速比對後試體之各項條件，而圖 4-20 則為 經由反覆荷重模擬的結果。以表 4-4 來看，模擬水位變化壓縮試驗之 土壤試體所受應力狀態與深度 200 公尺上下之現地土層受力情形約 略相等，推估出之剪力波速範圍落在 500~530m/s。另外試體孔隙比
約0.60~0.62 間，與傳統經驗判斷之現地深層土壤孔隙比(約 0.60~0.70) 相似。因此由應力狀態與孔隙比結果顯示剪力波速檢核後，試體之條 件和現場土層大致符合。再以模擬後結果來看(圖 4-20)，(1)雖然試體 一開始已處在高壓力狀態下，仍會因相對較小壓力反覆作用產生塑性 變形，且回脹量不明顯，推測此類土壤因組構改變而壓縮，故解壓後 將不會有回彈現象；(2)反覆荷重試驗各施作三次循環，試體均呈現 持續壓縮現象，但應變增量呈越來越小趨勢，可推論若持續施作試 驗，試體將逐漸達到穩定狀態，與現地壓縮情況類似，地層最終會因 壓密完成而不再壓縮，只是時間上無法推測何時可以達到。
表4-4 反覆荷重試驗試體初始條件狀態
試 驗 編 號 1-1 1-2 1-3 1-4 應力狀態 (kg/cm2) 20 ~ 21
孔 隙 比 0.611 0.615 0.629 0.601 推估波速 (m/s) 513.89 507.63 485.73 529.54 現地推估應力 (kg/cm2) 22 ~ 24
現地量測波速 (m/s) 500 ~ 530
0 0.001 0.002 0.003 0.004
4.3.5 剪力波速檢核問題
由表4-4 中可得知波速檢核比對後試體各項條件，值得注意的是 以本研究模擬之地層深度為 200~230 公尺土壤，若以 4.2.3 小節所假 設條件，現地未飽和土壤單位重為18kN/m3，飽和單位重為 20kN/m3， 地下水位面位於地表下20 公尺處，則覆土壓力推估約 22~24kg/cm2。
由表4-4 中可得知波速檢核比對後試體各項條件，值得注意的是 以本研究模擬之地層深度為 200~230 公尺土壤，若以 4.2.3 小節所假 設條件，現地未飽和土壤單位重為18kN/m3，飽和單位重為 20kN/m3， 地下水位面位於地表下20 公尺處，則覆土壓力推估約 22~24kg/cm2。